2.4　馬氏體轉變

2.4.1　馬氏體轉變的主要特征

由于馬氏體轉變研究范圍的不斷擴大，馬氏體轉變的定義也在不斷更新，也有不少爭論。本書采用徐祖耀院士提出的簡化定義，即馬氏體轉變是指置換原子無擴散切變（原子沿相界面做協作運動），使其形狀改變的轉變。它具有以下的特點。

2.4.1.1　切變共格性和表面浮凸現象

馬氏體轉變時，在預先磨光的試樣表面上可以形成表面浮凸，這表明馬氏體轉變是通過奧氏體均勻切變進行的。奧氏體中已轉變為馬氏體的部分發生宏觀切變而使點陣發生改組，且帶動靠近界面的還未轉變的奧氏體也隨之發生彈塑性變形，如圖2-88所示。相變前在試樣表面上的直線ACB，在切變以后變成折線ACC'B'。在顯微鏡光線照射下，浮凸兩邊呈現明顯的山陰和山陽，圖2-89給出了Cu-14.2Al-4.2Ni合金表面拋光試樣在淬火冷卻時形成的馬氏體浮凸。由此可見，馬氏體是以切變方式形成的，同時馬氏體與奧氏體之間界面上的原子為兩相共有，即整個相界面是共格的，因此稱為切變共格。

切變共格界面的界面能比非共格界面小，但其彈性應變能卻較大。隨著馬氏體的形成，必定會在其周圍奧氏體中產生一定的彈性應變，從而積蓄一定彈性應變能（或稱共格應變能）。當馬氏體長大到一定程度時，奧氏體中的彈性應力可能超過其彈性極限，此時兩相的V共格關系即遭破壞，這時馬氏體便停止生長。

2.4.1.2　無擴散性

首先，馬氏體轉變是通過奧氏體的均勻切變實現的，因此馬氏體的成分與原奧氏體的成分完全一致；其次，馬氏體可以在極低的溫度下（例如-196℃）進行，在如此低的溫度下，無論是置換原子還是間隙原子都已經極難擴散，而此時馬氏體的生長速度仍可達到103m/s，這意味著馬氏體的生長速度已經達到了固體中的聲速。這種情況下，馬氏體轉變是不可能依靠擴散來進行的。試驗表明，某些低碳鋼的馬氏體轉變過程中存在碳的擴散，可見馬氏體轉變的無擴散性特征是指合金中置換原子無擴散，而間隙原子可能擴散。但間隙原子擴散不是馬氏體轉變的主要過程和必要條件，因此仍應稱其為無擴散性轉變。

2.4.1.3　具有特定的位向關系和慣習面

通過均勻切變所得的馬氏體與原奧氏體之間存在嚴格的晶體學位向關系。在鋼中常見的位向關系包括K-S關系、西山關系、G-T關系。K-S（Kurdjumov-Sachs）關系為{111}_γ∥{011}_α，＜110＞_γ∥＜111＞_α。西山（Nishiyama）關系為{111}_γ∥{011}_α，＜112＞_γ∥＜110＞_α。G-T（Greninger-Troiano）關系與K-S關系接近，只是角度存在一定偏差：{111}_γ∥{011}_α，差1°；＜110＞_γ∥＜111＞_α，差2°。此外，馬氏體轉變有慣習面，由于馬氏體轉變是以切變共格的形式進行的，所以慣習面也就是新舊相的相界面，如圖2-88所示。慣習面為不畸變平面，或稱不變平面，即在轉變過程中它不發生畸變和轉變，平面上所產生的均勻應變稱為不變平面應變。圖2-90是三種不變平面應變，底面均為不變平面，圖2-90（a）為簡單的膨脹或壓縮；圖2-90（b）為切變；圖2-90（c）既有膨脹又有切變。馬氏體轉變屬于圖2-90（c）狀態。

鋼中馬氏體轉變的慣習面隨含碳量不同而異，常見的有三種：{111}_γ、{225}_γ、{259}_γ。含碳量小于0.4%（質量分數）時為{111}_γ；含碳量為0.5%～1.4%時為{225}_γ；含碳量為1.5%～1.8%時為{259}_γ。此外，隨著溫度的下降馬氏體轉變的慣習面有向高指數面變化的趨勢，例如含碳量較高的奧氏體在較高溫度轉變時，馬氏體的慣習面是{225}_γ，而在較低溫度轉變時慣習面變為{259}_γ。由于馬氏體慣習面不同，馬氏體的組織形態也將有所差異。

馬氏體-奧氏體的界面并不都是平直的。這種情況下的慣習面可以用圖2-91來說明。

圖2-91（a）為設想的臺階模型，圖2-91（b）和圖2-91（c）分別表示因臺階結構不同而造成的“宏觀慣習面”與“微觀慣習面”彼此異同的情況。實際上“宏觀慣習面”是兩相的界面，“微觀慣習面”才是真正的慣習面。可以想象，隨著臺階密度或形貌的變化，可以得到任意指數的“宏觀慣習面”，而“微觀慣習面”卻始終不變。

2.4.1.4　馬氏體的亞結構

馬氏體組織內出現的組織結構稱為馬氏體的亞結構。在低碳馬氏體內通常呈現密度較高的位錯，而在高碳馬氏體內以細的孿晶作為亞結構；有色金屬馬氏體的亞結構為孿晶或層錯。這些亞結構是馬氏體的一個重要特征，對馬氏體的力學性能有著直接的影響。

2.4.1.5　馬氏體轉變的可逆性

將母相以大于臨界冷卻速度的冷速（在鋼中是為了避免發生珠光體轉變）冷至某一溫度以下才能發生馬氏體轉變，這一溫度稱為馬氏體轉變開始點，以M_s表示。當冷卻至M_s以下某一溫度時，馬氏體轉變便不再繼續進行，這個溫度稱為馬氏體轉變終了點，用M_f表示。一般情況下，冷卻到M_f，點以下仍不能得到100%馬氏體，而保留一部分未轉變的奧氏體，稱為殘留奧氏體。重新加熱時，馬氏體也可以轉變為奧氏體，即馬氏體轉變具有可逆性。一般將加熱時馬氏體向奧氏體的轉變稱為逆轉變。逆轉變與冷卻時的馬氏體轉變具有相同的特點，與冷卻時的M_s及M_f相對應。逆轉變時也有轉變開始點A_s及轉變終了點A_f。通常，A_s比M_s高，二者之差視合金成分不同而異。如Au-Cd、Ni-Mn-Ga等合金的A_s與M_s之差較小，僅為幾攝氏度到幾十攝氏度；而Fe-Ni等合金的A_s與M_s之差就很大，大于400℃。圖2-92給出了Au-Cd和Fe-Ni合金的例子。需要指出的是，在鋼中一般不出現馬氏體逆轉變。這是因為鋼中馬氏體在未加熱到A_s以前就會析出碳化物而向更穩定的狀態轉變。

綜上所述，馬氏體轉變區別于其他轉變的最基本的特點有兩個：一是轉變以切變共格方式進行；二是轉變的無擴散性。其他特點均可由這兩個基本特點派生出來。