马氏体相变研究的进展一

本文系第8次全国热处理大会特邀报告,2003年5月,北京。

350年代经我国自然科学名词审定委员会审定的名词,此前曾沿用音译名词;台湾地区目前仍通行旧的音译名词。

马氏体相变研究的进展(一)

徐祖耀

(上海交通大学,上海　200030)

【摘要】　概述对马氏体相变基本特征认识的进程,以及与马氏体相变密切相关的形状

记忆材料的发展。对马氏体相变热力学、动力学、晶体学、形核-长大、非线性物理模型以及形状记忆效应、伪弹性和伪滞弹性研究进展作了总结。对马氏体相变的继续研究和应用作了展望。全文分两期发表。

【关键词】　马氏体相变　热处理原理　形状记忆材料　热力学　动力学　晶体学　相变建模

PROGRESS IN MARTENSITIC TRANSFORMATIONS (Ⅰ

)Xu Zuyao

(Shanghai Jiaotong University )

【Abstract 】　Progress

in the characteristics of martensitic trans formation and the

development of its close 2related shape mem ory materials were generally described.A summary report was made about the progress of therm odynamics ,kinetics ,crystallography ,nucleation and growth ,non 2linear physics m odels of martensitic trans formations as well as shape mem ory effect ,pesudoelasticity and pseudo 2anelasticity of s ome materials.Perspective in further study and applications of martensitic trans formations was presented.This article is published in tw o issues.

【K ey Words 】　

Martensitic T rans formation ,Heat T reatment ,Shape Mem ory Materials ,

Therm odynamics ,K inetics ,Crystallography ,T rans formation M odeling 1　概　述

1895年法国学者Osm ond 为纪念德国金相先

驱者Adolph Martens ,将钢经淬火后的组织命名为马氏体

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(martensite )。此后将母相(钢中奥氏

体)→马氏体的相变统称为马氏体相变。1924年美国学者Edgar Bain 在“马氏体的本质”论文中提出浮突概念及fcc 2bcc 之间的晶体学对应关系,1926年Fink 和Cam pbell 由X 线衍射首次揭

示钢中马氏体的体心正方(四角)结构(此前猜测为α2Fe 和Fe 3C 的混合物);开创了马氏体相变研究的先河。由于工业生产中广泛应用钢的淬火,钢中马氏体相变研究获得重视,近代有色合金和陶瓷中的马氏体相变研究,也多借鉴对钢研究的成果。

为在钢中获得马氏体,一般必须快速自奥氏体冷却至Ms 温度,以避免发生扩散型相变———

第25卷　第3期

上　海　金　属

V ol 125,N o 13　12003年5月

SH ANG H AI MET A LS

M ay ,2003

珠光体相变和贝氏体相变;因此在上世纪前叶,人们认为马氏体相变须以快速冷却才得以进行,其实对其它材料未必如此。例如,Fe2Ni奥氏体中进行扩散型相变很为缓慢,在一般空冷条件下,就能避免扩散型相变,顺利进行马氏体相变:fcc(γ)→bcc(α′)。

20世纪30～40年代发现高碳钢(或含高Ni 的Fe2Ni合金)中形成马氏体的速率极大,Li2Mg 在-200℃时进行马氏体相变时发出嘶叫声; 1953年Bunshah和Mehl由电阻测量、并以示波器显示:一片马氏体在(015～3)×10-7s形成,相当于形成速率为1100m・s-1。因此一般认为马氏体相变为无扩散相变,且形成速率很大。1949年G reninger和T roiano对马氏体相变的总结性文章(T rans.AI ME.,185(1949),590)中,联系Bain观察到的表面浮突,以及上述现象,提出马氏体相变系无扩散、切变相变,毋需形核和长大过程。其实1948年K urdjum ov的著名文章(J. T echn.Phys.,18(1948),999,曾获斯大林奖)中,已叙明马氏体相变应该也是形核-长大的过程,但不发生组元扩散的切变相变。他与Maksim ova发现016C-6Mn钢中存在等温马氏体相变就属明证,次年与K handros发现Cu2Al2Ni合金中,马氏体受冷热时的热弹性涨缩,不但提供了形核-长大的确证,又揭示了马氏体相变会有热弹性能,这些是K urdjum ov及其学派的伟大功绩。

上世纪70年代形状记忆合金被开发以后,测得Au-Cu-Zn马氏体长大速率仅0132cm・s-1 (F.Falk,Phys.Rev.B.36(1987),3031),Cu-Al-Ni的仅10-3～10-6m・s-1(M.G rujicic,et al., in Martensite,AS M Inter.,1992,Chap.10,175～196)。在fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变合金中,C o合金马氏体长大速率仅014C(C为声速)。

透射电镜的应用,不但提供了显微组织形态信息,还由于其电子衍射结果为马氏体相变晶体学的发展提供了有力的工具。1960年kelly和Nutting的文章(Proc.R oy.S oc.A259(1960), 45)将钢的马氏体形态区分为高碳型的透镜状

(片状或针状)以及低碳型的条状,烩炙人口,为发展低碳马氏体(条状马氏体)型钢指明了道路,也为马氏体形态学奠定了基础。

M orris C ohen及其合作者1950年倡议马氏体相变热力学研究,上世纪40年代开始延续至80年代,在动力学、形核机制和应力对相变的影响等方面作出大量贡献。他们早年对奥氏体的稳定化的催化作用,近年(1993)对均匀形核的实验论证都对马氏体相变的研究显示非凡的功绩。

在上世纪50年代初期,人们已揭示马氏体相变时两相间存在位向关系,马氏体在母相一定面(惯习面)上形成,以及相变产生形状应变。以Bain在1924年提出的对应关系(原子迁动最小)为基础,1953、1954年分别独立提出W-L -R和B-M晶体学表象理论。Wayman在1964年出版《马氏体相变晶体学导论》一书是对该经典理论很好的阐释,并给予理论的应用示例。他大量的晶体学工作得到日本Shimizu和Otsuka等对一些形状记忆合金以及澳大利亚Muddle等对含Z rO

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陶瓷研究的响应,马氏体相变晶体学研究在近30年来取得不少进展。原始表象理论对钢的低碳条状马氏体和(225)马氏体并不完全适用。我国谷南驹等另辟途径,倡议新说,尚待国际认可。

在1979年国际马氏体相变会议(IC OMAT)上,Thomas等以高分辨电子显微镜的研究结果,指出马氏体相变时碳原子可能扩散,并在1981年国际固态相变会议上再度以场离子电镜和原子探针实验给予证实。我们于1983年以理论计算确认低碳钢在马氏体相变时,由于Ms温度较高、间隙原子碳的扩散率较大,可能存在碳的扩散(Sci.Metall.,17(1983),1285),并在0112C-Ni-Cr钢中出现孪晶马氏体,认为是碳由马氏体扩散至奥氏体、致富碳的结果(金属学报,19(1983)A83)。因此,马氏体相变不是“完全”无扩散过程,间隙原子(离子)可能扩散,这种扩散过程并不是马氏体相变的主要或必需的过程。由此,我们重新定义了马氏体相变:替换原子经无扩散位移(均匀和不均匀形变),由此产生形状改变和表面浮突,呈不变平面特征的一级、形核-长大型的相变。或简单地称马氏体相变为:替换原子无扩散切变(原子沿相界面

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