马氏体可逆转变和形状记忆效应

马氏体可逆转变和形状记忆效应

在马氏体相变热力学一节中已经讨论到马氏体相变具有可逆性，并将马氏体向高温上的转变称为逆转变或反相变。碳钢中的马氏体因其加热时极易分解，所以到目前为止尚未观直接察到它的逆转变。但在一系列铁合金和非铁合金的马氏体相变中均已观察到逆转变的存在，并且在逆转变中亦观察到了表面凹凸现象，凹凸的方向正好和正相变相反。已发现具有可逆马氏转变的合金有：Fe-Ni，Fe-Mn，Cu-Al，Cu-Au，In-Tl，Au-Cd，Ni-Ti等。这些合金中的马氏体可逆转变，按其特点不同，可分为热弹性马氏体的可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变两类。热弹性马氏体的可逆转变是近代发展形状记忆材料的基础。而非热弹性马氏体可逆转变则导致材料的相变冷作硬化，成为材料强化的途径之一。（一）马氏体可逆转变的特点

具有马氏体可逆转变的不同合金中，马氏体相变的热滞后现象有明显差异。例如，在Fe-Ni合金（以此作为非热弹性马氏体可逆转变的代表）中，A S较M S高420℃，Au-Cd 合金（以此作为热弹性马氏体可逆转变的代表）中A S比M S 仅高16℃，如图3-100所示。显然，这两种合金马氏体相变的驱动力差别很大，前者很大，后者很小。因此，它们的相变行为也有很大的差别。

1、共同特点

热弹性马氏体可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变的共同特点是急速加热和冷却都不能遏制转变的进行。在连续冷却时两种合金转变量随温度的变化都是连续的，即转变量是转变温度的函数，符合降温形成马氏体动力学的一般规律。

2、不同特点

主要表现在M S以下两种合金马氏体的长大方式有着明显的差别。

（1）非热弹性马氏体

在Fe-Ni合金中，连续冷却时新马氏体片不断形成，每一片都是突然出现，并迅速长大到极限尺寸。因此，相变速率是温度下降速率的函数，马氏体是由成核率及每一片马氏体长大后的大小来决定的，而和长大速度无关。因为Fe-Ni 合金马氏体相变驱动力很大，马氏体片长大速度极快。而马氏体在成核长大过程中，新相和母相必须保持共格关系，所以，当成长着的马氏体片周围的奥氏体，因马氏体片长大而产生塑性变形，在变形达到新相和母相的共格关系被破坏的程度时，片的长大便会停止。这时，若继续降低温度，虽然相变驱动力增大，但上述马氏体片因共格关系已被破坏，所以不再长大，只有在母相其他位置上出现新的符合相变热力学条件的马氏体核胚，长成新的马氏体。

（2）热弹性马氏体

在Au-Cd合金中，虽然马氏体核胚也是突然形成并以爆发式迅速长大到一定大小，但这并不是片的最后尺寸。当温度继续降低时，片的厚度和长度也将随之增加，并常常表现为跳跃式的进展。这种马氏体转变是在很小的过冷度（热滞）下发生的，相变所需的驱动力很小。如果相变驱动力不足以克服使一片马氏体充分成长时所需的弹性形变能及其他的能量消耗时，马氏体片在未长到其极限尺寸之前就会停止长大，但共格界面并未破坏。这就是说，马氏体形成以后，由于新和母相的比容不同，而在新和母相之间产生了弹性变形。显然，这种弹性变形是随马氏体片的长大而增大的，因此，在一定温度下，当消耗于新相马氏体周围的母相弹性变形所需的应变能及共格界面能等，增加到和相变驱动力相等时，新相和母相即达到了一种热弹性平衡状态，这时相变会自然停止。此时，形变并未超过弹性极限，若温度继续下降，则因相变驱动力增加，马氏体片又继续长大。与此同时，出现新马氏体核胚长大也是可能的。当温度升高使相变驱动力减小时，马氏体片又会缩小。因此，称这种马氏体为热弹性马氏体。图1-102为Cu-Al合金中热弹性马氏体的可逆转变过程。由图中可见，冷却时，马氏体片逐渐长大，而加热时，马氏体片又逐渐缩小。热弹性马氏体相界推移很快，并能够和降温同步，所以它仍然保持着降温形成马氏体的特点。但是，热弹性马氏体相界推移速率受冷却速率的控制，这是和

Fe-Ni合金中的转变不同的。

3、逆转变的特点

在加热时的逆转变中，这两种合金的转变也存在着明显的差别。对Au-Cd合金出现逆转变的热滞不大，而且加热时马氏体片差不多是连续收缩的。但是，非热弹性马氏体的可逆转变热滞很大，并且马氏体片不是突然收缩而消失，而常常是转变成更小的片状碎块。显然，这是一个需要通过形核、长大的过程。例如，在Fe-Ni合金的可逆转变试验中，已证实一个马氏体晶粒中会形成几种位向的母相。由图3-103中可见，在原来的一个马氏体晶粒中形成了许多位向不同的母相晶粒。如果进一步加热到高温，使之完全逆转变后，则原来的单晶变成了多晶体。

（二）热弹性马氏体可逆转变和形状记忆效应

1、热弹性马氏体可逆转变的特点

如前所述，热弹性马氏体可逆转变时，热滞非常小，只有几度到20~30。这种马氏体形成后，随温度下降，原有马氏体片会继续长大，而随温度升高，原有马氏体片又会收缩，呈现出热弹性。因此，热弹性马氏体的重要特征之一，是在相变的全过程中母相和新相界面始终维持共格联系。

热弹性马氏体转变的另一个重要特征是相变具有完全可逆性，即逆转变可以恢复到母相原来的点阵结构和原来的位向，也就是在晶体学上完全回复到母相原来的状态。

由此得出，马氏体相变为热弹性型的重要条件是：在相变的全过程中，新相与母相必须始终维持共格，同时相变应是完全可逆的。为了满足前一个条件，相变时体积变化应小，而为了满足后一个条件，则要求晶体为有序点阵结构。试验证明，热弹性马氏体相变的体积变化要比非热弹性马氏体相变的体积小得多。并且呈现热弹性马氏体相变的合金一般均为有序点阵结构。

具有热弹性马氏体相变的合金已发现的有Cu-Al-Ni，Au-Cd，Cu-Al-Mn，Cu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Au，Ni-Ti等。

2、形状记忆效应

所谓形状记忆效应，是指一定形状的合金在某种条件下经任意塑性变形，然后加热至该种材料固有的某一临界点以上时，又完全恢复其原来形状的现象。从表面看，好象这种材料能够记忆着过去的形状，因此称为“形状记忆效应”。

形状记忆效应包括单程记忆效应及双程记忆效应。

图4-58a是单程形状记忆效应示意图。金属棒在T1温度下被弯曲后，在加热到T2的过程中将自动回复成直棒，但在以后的冷却和再加热过程中棒的形状不再发生改变。

图4-58b是双程形状记忆效应示意图。金属棒在T1温度下被弯曲后，在加热到T2的过程中将自动回复成直棒，且能在再次冷却到T1的过程中自动弯曲。重复加热与冷却能重新弯曲和伸直。但双程记忆效应往往是不完全的，且在继续循