4.9马氏体相变晶体学的表象学说及评价
《马氏体相变》课件
核化和形核
马氏体晶体生长
形核是马氏体相变的起始过程， 晶体结构中形成马氏体的小区域。
形核后的马氏体晶体开始在晶界 上生长，同时产生剩余奥氏体。
相变的影响因素
温度
相变温度是马氏体相变的一 个重要参数，不同温度下会 产生不同的相变行为。
合金化元素
添加合金元素可以调控马氏 体相变的速率和转变温度。
《马氏体相变》PPT课件
相信大家对于马氏体相变并不陌生，但是真正了解它的人却寥寥无几。本课 件将带您深入了解马氏体相变的概述及其形成机理。
马氏体相变的概述
马氏体相变是材料在冷却或应力作用下从奥氏体晶体结构转变为马氏体晶体 结构的过程。这种相变具有显著的物理和机械性能改善效果。
马氏体的形成机理
弹性变形发生
形状记忆合金
马氏体相变可以用于制造形状记 忆合金，可以实现金属材料的形 状记忆和恢复功能。
金属焊接
马氏体相变可以应用于金属焊接， 提高焊接接头的强度和韧性。
相变过程的图解
1
奥氏体
材核化
马氏体晶体开始在晶界上形成小的马氏体区域。
3
马氏体生长
马氏体晶体在晶界上迅速生长，同时奥氏体产生剩余。
总结与展望
马氏体相变具有广泛的应用前景，为材料科学领域带来了新的突破和挑战。未来的研究将致力于探究更高效的 相变控制方法和应用领域的拓展。
晶体结构
晶体结构对于马氏体相变的 发生和转变过程起着重要作 用。
马氏体相变的分类
稳定马氏体相变 非稳定马氏体相变 自适应马氏体相变
通过淬火等方法形成的马氏体相变
通过应力作用下的马氏体相变
通过金属合金中微观结构变化而形成的马氏体相 变
马氏体转变的晶体学
马氏体转变的晶体学（一）马氏体的晶体结构1、马氏体的晶格类型Fe-C 合金的马氏体是C 在中的过饱和间隙固溶体。
X-射线衍射分析证实，马氏体具有体心正方点阵（点阵常数之间的关系为：a=b ≠c ，α=β=γ=90° c/a-称为正方度）。
人们通过X-射线衍射分析法，测定不同碳含量马氏体的点阵常数，得出c 、a 及c/a 与钢中碳含量成线性关系，由图7可见，随钢中碳含量升高，马氏体点阵常数c 增大，a 减小，正方度c/a 增大。
图中a γ为奥氏体的点阵常数。
马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示：⎪⎭⎪⎬⎫+=-=+=γρβραρ1/00a c a a a c式中 a 0为α-Fe 的点阵常数， a 0=2.861Å；α=0.116±0.002；β=0.113±0.002；γ=0.046±0.001；ρ—马氏体的碳含量（重量百分数）。
显然，系数α和β的数值确定着C 原子在α-Fe 点阵中引起的局部畸变。
上式所表示的马氏体点阵常数和碳含量的关系，长期图8 奥氏体a)与马氏体b)的点阵结构及溶于其中的碳原子所在的位置以来，曾为大量研究工作所证实，并且发现这种关系对合金钢也是适用的。
马氏体的正方度c/a，甚至已被成功地作为马氏体碳含量定量分析的依据。
2、碳原子在马氏体点阵中的位置及分布C 原子在中α-Fe 可能存在的位置是铁原子构成体心立方点阵的八面体间隙位置中心。
在单胞中就是各边中央和面心位置，如图8所示。
体心立方点阵的八面体间隙是一扁八面体，其长轴为2a ，短轴为c 。
根据计算，α-Fe 中的这个间隙在短轴方向上的半径仅0.19Å，而C 原子的有效半径为0.77Å。
因此，在平衡状态下，C 在α-Fe 中的溶解度极小（0.006%）。
一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值。
因此，势必引起点阵发生畸变。
图9中只指出了C 原子可能占据的位置，而并非所有位置上都有C 原子存在。
《马氏体相变 》课件
2 条件的作用原理是什么？
马氏体相变的条件是实现马氏体相变的必要 前提，它们直接影响马氏体晶体结构和材料 性能的形成和转化。
马氏体相变的过程
1
马氏体相变的步骤和原理
马氏体相变包括两个基本过程——形变和回复过程，当材料由奥氏体转变为马氏 体时，晶体结构发生相应的改变。
2
过程中有哪些需要注意的地方？
马氏体相变的过程会受到多种因素的干扰，如温度、压力、组织性能等，需要注 意这些影响因素对相变的影响。
应用领域
哪些领域得到应用？
马氏体相变广泛应用于机械、电子、材料等领域， 如机械弹簧、手机天线、记忆合金等。
应用的优势和局限是什么？
马氏体相变具有自修复性、快速响应、压电性、形 状记忆等特性，但仍然存在加工困难和应用的局限 性等问题。
结论和展望
总结发现和成果
本课件详细介绍了马氏体相变的背景、条件、过程和应用，使人们更好地了解该领域的发展 现状。
展望未来的发展前景
马氏体相变技术在自动化、能源、环境等领域有广阔的应用前景，我们期待它能在未来发挥 更大的作用。
参考文献
• 李新. 材料科学[M]. 化学工业出版社, 2013. • 关辰. 马氏体相变的研究进展[C]// 2019第五届全国现代材料学术会议论文集. 2019: 254-259. • 郭宝昌, 焦彦龙. 马氏体晶体几何结构及马氏体相变过程的研究进展[J]. 您刊, 2018, 39(05): 57-63.
马氏体晶体结构
晶结构是什么？
马氏体的晶体结构是单斜晶体结构，其单斜晶体形 状由一维位错和孪晶形成。
性质和特点是什么？
马氏体晶体中存在位形、变形、弹性、能量等多种 耦合，与其他晶体类似，但具有独特的特点和性质。
马氏体相变的晶体学特征-不变平面应变
定马氏体相变的“ 切 变机制” 就是否定“ 不变平面应 变” ， 因此刘宗昌等于 ２ ０ １ ３年发表的文章彰显 出他们的轻率。本文作者 已在 ３ 篇文章 中列举用原子 力显微镜和透射电镜观察的结果驳斥 了他们 的错 误观 点 ， 至 少 可以说 ， 他 们 没 有 理 解 我 们 文章 中 的 实验 和 理 论 。为 此 ， 本 文再 次 引用 Ｙ ａ ｎ ｇ和 Ｗａ ｙ ｍ ａ ｎ的透射 电镜 实验 结 果 ， 即单 变体 马 氏体 使预 存在 的 层错 迹 线 （ 直线） 变成 折 线 ， 而 自协调 的
：舍 ！全 ：舍 ！仝 ！舍 ：仝 ： ／ ！
一
综
述～
马 氏体相 变的晶体学特征一不 变平面应 变
戎 咏 华
（ 上海 交通 大学材料科 学与工程学院 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ）
摘
要 ：自２ ０世 纪 ２ ０年代 以来 ， 基 于马 氏体 相 变产 生 的浮 凸和在 母 相 中预 先 刻 制 的直 线 变成 在 相界 面上
Ｔｈ ｅ Ｃｒ ｙ ｓ ｔ ａ Ｕ０ ｇ ｒ ａ ｐｈ ｙ Ｃｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ Ｍａ ｒ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｉ ｎ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ Ｐｌ ａ ｎｅ Ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ
第四章 马氏体相变
7
Yuxi Chen Hunan Univ.
特征2：马氏体转变的无扩散性
马氏体转变时，晶体点阵的改组只依赖原子微 量的协作迁移，而不依赖于原子的扩散。这一 特征称为马氏体转变的无扩散性。
1）只有晶体结构的变化，没有成分的变化。 2）无扩散并不是说转变时原子不发生移动。
注意间隙原子碳的扩散，区别于置换原子的扩 散。
逆转变开始的温度称为As，结束的温度称为Af 。
M→A的逆转变也是在一定温度范围内（As-Af）进行。 形状记忆合金的热弹性马氏体就是利用了这个特点。
马氏体转变最主要的和最基本的只有两个：切变共格 性和无扩散性。其他的特点可由这两个特点派生出来。
16
Yuxi Chen Hunan Univ.
第二节 马氏体的晶体结构
2、一般钢中马氏体的晶体结构
马氏体转变时只有点阵的改组而无成分的 变化，转变所得的马氏体与其母相奥氏体 的成分一致。
碳原子位于面心立方奥氏体的八面体间隙， 马氏体相变后，碳原子依然位于体心立方 的马氏体八面体间隙，但体心立方马氏体 的八面体是扁八面体，两个轴中有一个轴 是短轴。
终了。
为使转变继续进行，必须继续降低温度，所以马氏体
转变是在不断降温的条件下才能进行。
当温度降到某一温度之下时，马氏体转变已不能进行，
该温度称为马氏体转变终了点，Mf 。
14
Yuxi Chen Hunan Univ.
马氏体转变量是温度的函数，与等温时间无关。
马氏体的降温转变称为马氏体转变的非恒温性。
由于多数钢的 Mf 在室温以下，因此钢快冷到室 温时仍有部分未转变奥氏体存在，称为残余奥 氏体，记为Ar。
有残余奥氏体存在的现象，称为马氏体转变不 完全性。要使残余奥氏体继续转变为马氏体， 可采用冷处理。
马氏体相变的晶体学特征
马氏体相变的晶体学特征嘿，朋友们！今天咱来唠唠马氏体相变的晶体学特征。
咱先想想啊，这晶体就好比是一个有组织有纪律的大家庭。
马氏体相变呢，就像是这个家庭来了一次大变革。
在这个过程中，晶体的结构和性质都发生了巨大的变化，那可真是相当神奇呢！你看啊，马氏体相变的时候，晶体的形状会突然发生改变。
就好像一个原本规规矩矩的方块，一下子变成了奇奇怪怪的形状。
这多有意思啊！而且这种变化可不是随随便便的，那是有它特定的规律和特点的。
晶体的对称性也会在马氏体相变中发生变化。
这就好比原本左右对称的一幅画，突然变得不对称了，是不是很奇妙？这种对称性的改变，可是对晶体的性质有着深远的影响呢。
还有啊，马氏体相变的速度那叫一个快！就好像是一瞬间的事情，晶体就完成了华丽的变身。
这要是放在咱生活中，那不就是眨眼间的魔法嘛！这么迅速的变化，真让人惊叹不已。
再说说晶体的晶格，在马氏体相变中也会有很大的调整。
就像是重新排列组合一样，让晶体以一种全新的面貌出现。
这难道不是一种神奇的创造吗？咱想想，要是没有马氏体相变，那很多材料的性能可就没法得到提升啦。
就好比一把钝了的刀，经过打磨才能变得锋利。
马氏体相变就是这样一个让晶体变得更强大、更有用的过程。
那马氏体相变的晶体学特征到底有多重要呢？这就好比是盖房子的基石呀！没有这些特征，很多先进的材料和技术都没法实现。
它让我们的生活变得更加丰富多彩，从坚固的建筑到精密的仪器，哪里都有它的功劳。
所以啊，可别小看了这马氏体相变的晶体学特征，它可是材料世界里的大明星呢！它的存在让我们能够不断探索和创新，让科技的发展日新月异。
咱得好好研究它，利用它，让它为我们的生活带来更多的惊喜和便利呀！这就是马氏体相变的晶体学特征，神奇又重要，不是吗？。
马氏体转变的晶体学特点
马氏体转变的晶体学特点马氏体转变是指在钢铁中从奥氏体转变为马氏体的过程。
这个过程是由于钢铁受到了高温和快速冷却的影响，使得奥氏体晶格结构发生变化，形成了马氏体晶格结构。
马氏体转变对于钢铁的力学性能和物理性能具有很大的影响，因此研究马氏体转变的晶体学特点非常重要。
一、马氏体转变的基本原理1.1 马氏体转变的定义马氏体是指由奥氏体通过快速冷却而形成的一种新晶相。
其特点是硬度高、脆性强、磁性强等。
1.2 马氏体转变的条件（1）合适的成分：合金元素含量应该适中，过高或过低都会影响马氏体转变。
（2）适当的温度：温度过高或过低都会影响马氏体转变。
（3）快速冷却：只有在快速冷却条件下才能形成马氏体。
二、马氏体晶格结构2.1 马氏体晶格结构马氏体晶格结构是由六方最密堆积结构变形而来的。
其具有三种不同的变体：板条马氏体、针状马氏体和双相马氏体。
2.2 马氏体晶格结构的特点（1）硬度高：由于马氏体的晶格结构紧密，因此其硬度非常高。
（2）脆性强：由于马氏体的晶格结构紧密，因此其韧性非常差，容易发生断裂。
（3）磁性强：由于马氏体中存在大量的铁原子，因此其磁性非常强。
三、马氏体转变的影响3.1 马氏体转变对力学性能的影响（1）硬度增加：由于马氏体具有较高的硬度，所以钢铁经过马氏体转变后，硬度会明显增加。
（2）韧性降低：由于马氏体具有较高的脆性，所以钢铁经过马氏体转变后，韧性会明显降低。
（3）延展性降低：由于钢铁经过马氏体转变后，延展性会明显降低。
3.2 马氏体转变对物理性能的影响（1）磁性增强：由于马氏体中存在大量的铁原子，因此其磁性非常强。
（2）导电性降低：由于马氏体具有较高的硬度，所以其导电性会明显降低。
四、马氏体转变的应用4.1 马氏体转变在钢铁生产中的应用钢铁生产中经常采用马氏体转变来改善钢铁的力学性能和物理性能。
例如，在汽车制造业中，常使用高强度钢来提高汽车的安全性能。
而这些高强度钢通常是经过马氏体转变处理后得到的。
五评马氏体相变的切变学说
五评马氏体相变的切变学说——唯象“理论”的误区刘宗昌，计云萍，任慧平（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头014010）摘要：研究马氏体相变晶体学具有重要理论意义。
本文简述并评价了唯象学说，指出：（1）以贝茵应变使母相转变为马氏体，缺乏热力学可能性，贝茵应变B作为计算数据，不可靠；（2）马氏体浮凸是相变体积变化所致，与切变无关，浮凸普遍为帐篷型（∧），矩阵计算式中的形状应变F与马氏体相变晶体学没有直接的联系；（3）点阵不变切变缺乏热力学可能性，在实际的马氏体相变中不存在简单切变（S）。
同样，刚性转动也是虚构的；（4）唯象学说基本上与马氏体相变实际不符，应予摈弃。
关键词：唯象学说；马氏体相变；切变；贝茵应变；浮凸；矩阵式中图号：The Fifth Commentary on Shear Theory of Martensite PhaseTransformation——Mistaken Ideas of Phenomenological TheoryLIU Zong-chang, JI Yun-ping，REN Hui-ping（Material and Metallurgy School, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia，China）Abstract: It is significant theoretically to study the crystallography of martensite phase transformation. The phenomenological theory was briefly described and evaluated. The proposed viewpoints are as follows. (1) The transformation from austenite to martensite through the Bain strain lacks of the thermodynamics possibility, moreover, it is unreliable to use the Bain strain (B) as the calculating data. (2) The surface relief of martensite, which is generally in tent (∧) type, results from the bulk expansion during martensite phase transformation and has nothing to do with the shear. The shape strain (F) in the matrix calculation formula is not directly relevant to the crystallography of martensite phase transformation. (3) The lattice invariance shear is short of the thermodynamic feasibility. No simple shear (S) exists in the actual martensite phase transformation, similarly, the rigid rotation is imaginary. (4) The phenomenological theory doesn't conform to the reality of martensite phase transformation and should be abandoned.Key words: Phenomenological theory; martensite phase transformation; shear; Bain strain; surface relief; matrix20世纪50年代前期由M. S. Wechsler等(w-L-R)[1]和J.S.Bowles等(B-N)[2]分别独立地提出了马氏体相变晶体学的唯象“理论”：W-L-R学说和B-M学说。
马氏体相变
体片的惯习面有一定的分散度，会因马氏体片的析出先后
和形貌的不同而有所差异。
4、位向关系
由于马氏体是以切变方式形成的，这就决定了马氏体与
母相间是共格的，它们间存在确定的位向关系。
如果两相中的原子密排面或者密排方向相互平行或者接
近平行，则形成的相界能较低。
已发现的位向关系主要有：
① K-S（Kurdjumov-Sachs）关系：在Fe-1.4%C合金中发现的
故Ms点的物理意义是奥氏体与马氏体的自由能差达
到相变所需要的最小驱动力时的温度。
当T0一定时，Ms点越低，相变阻力越大，相变需要
的驱动力也越大。
因此，在Ms点处的相变驱动力可近似表达为：
GV SV (T0 M s )
2、影响马氏体相变点的因素
T0以及Ms、Mf、As、Af是表征马氏体相变的基本特征温 度，不同合金或者同一合金在不同条件下，这些特征温度 是不同的，相变的某些性质也就不同，研究影响这些特征 温度的因素对合金的应用具有重要意义。
例如，Zener阐述了在fcc结构中原子密排面上的全位错分解为两个不全 位错，不全位错之间的层错区在适当的条件下将转变为bcc结构，从而解 释了fcc→bcc的马氏体转变。
全位错分解为不全位错是能量降低的自发过程，分解后的不全位错由于 位错弹性应力场的相互排斥而分开；因此在一定条件下扩展位错有一个 平衡距离，只有层错能较低的扩展位错才有足够的宽度用于马氏体形核。 这种形核模型在有些合金中已被观察到，故有一定的实验依据。
时，奥氏体转变结束，马氏体全部转变为奥氏体。
Fe-Ni和Au-Cd合金的马氏体转变可逆性比较
冷却时的马氏体转变始于Ms点，终于Mf点；加热时奥氏 体转变始于As点，终于Af点。Fe-Ni和Au-Cd合金在加热 和冷却过程中都出现了相变滞后现象。
4.8马氏体相变晶体学的表象学说及评价
五．刚性转动，转回到原来位置
六、矩阵描述
依据上述理论分析，W-L-R理论认为;形成马氏体的贝 茵均匀应变B，产生形状应变F,简单切变S,刚性转动R, 用一个矩阵式描述： F=RBS B-W理论认为：点阵形变B 是形状应变F和辅助点阵应 变C的组合，以矩阵： FC=RB 上述两式的关系： F=RBC－1 C-1 =S
4.8马氏体相变晶体学的 唯象学说及评价
该学说是20世纪50年代前期由M. S. Wechsler等(w-LR)[16]和J.S.Bowles等(B-M)[17]分别独立地提出的。WL-R学说和B-M学说，两者基本上等价，即指两者的出发 点和推理过程相近。近半个世纪中，该学说得到一些被 证实，有了丰富和发展。
1 马氏体相变晶体学的唯象学说不以描绘原子在相 变中位移的具体路径为目的，也不涉及形核长大的 机理，而是探讨初始态和终了态之间通过原子的简 单位移实现晶格重构的可能性。 2 在研究方法上，应用矩阵数学描绘晶体结构及切 变过程。计算的基本出发点是假定马氏体相变为一 个不变平面应变。初始态、终了态和过程应变模型 设计之后，就可以在新旧相位向关系、惯习面指数、 形状变化、亚结构等晶体参数之间进行推算。
图4—44 不畸变平面
图4—45 无畸变面的对称位置
四．简单切变
这种简单切变可以是滑移切变，亦可以 是孪生切变，使得点阵仍然保持不变。 因此称为点阵不变切变。
马氏体相变的滑移和孪生示意 图
图4—48 点阵不变切变
简单切变形成一个不应变平面示意图
简单切变示意图
将此旋转了θ角的椭球体进行刚性转动
1 贝茵应变模型
(a)
(b)
¼ 4— 42 Í ´ ð ¦ ä ±Ò Ó ±
五评马氏体相变的切变学说
五评马氏体相变的切变学说——唯象“理论”的误区刘宗昌，计云萍，任慧平（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头014010）摘要：研究马氏体相变晶体学具有重要理论意义。
本文简述并评价了唯象学说，指出：（1）以贝茵应变使母相转变为马氏体，缺乏热力学可能性，贝茵应变B作为计算数据，不可靠；（2）马氏体浮凸是相变体积变化所致，与切变无关，浮凸普遍为帐篷型（∧），矩阵计算式中的形状应变F与马氏体相变晶体学没有直接的联系；（3）点阵不变切变缺乏热力学可能性，在实际的马氏体相变中不存在简单切变（S）。
同样，刚性转动也是虚构的；（4）唯象学说基本上与马氏体相变实际不符，应予摈弃。
关键词：唯象学说；马氏体相变；切变；贝茵应变；浮凸；矩阵式中图号：The Fifth Commentary on Shear Theory of Martensite PhaseTransformation——Mistaken Ideas of Phenomenological TheoryLIU Zong-chang, JI Yun-ping，REN Hui-ping（Material and Metallurgy School, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia，China）Abstract: It is significant theoretically to study the crystallography of martensite phase transformation. The phenomenological theory was briefly described and evaluated. The proposed viewpoints are as follows. (1) The transformation from austenite to martensite through the Bain strain lacks of the thermodynamics possibility, moreover, it is unreliable to use the Bain strain (B) as the calculating data. (2) The surface relief of martensite, which is generally in tent (∧) type, results from the bulk expansion during martensite phase transformation and has nothing to do with the shear. The shape strain (F) in the matrix calculation formula is not directly relevant to the crystallography of martensite phase transformation. (3) The lattice invariance shear is short of the thermodynamic feasibility. No simple shear (S) exists in the actual martensite phase transformation, similarly, the rigid rotation is imaginary. (4) The phenomenological theory doesn't conform to the reality of martensite phase transformation and should be abandoned.Key words: Phenomenological theory; martensite phase transformation; shear; Bain strain; surface relief; matrix20世纪50年代前期由M. S. Wechsler等(w-L-R)[1]和J.S.Bowles等(B-N)[2]分别独立地提出了马氏体相变晶体学的唯象“理论”：W-L-R学说和B-M学说。
马氏体相变
不畸变平面的产生
Southwest Petroleum University
如果X、Y、Z三个主应变矢量中有一个为零，则可以产生 一个不畸变平面。
如图，应变时X轴在a点抵 住不动，就可以是OaA和 OaA’两个扇形面的形状完 全相同。即OA在YOZ平面 内扫动，从OA扫动到OA’。 所以两个扇形全等，即整个 平面上原子排布完全相同。 OaA和OaA’就是新旧相之 间的一个无畸变平面。
Southwest Petroleum University
这个模型说明了新旧相存在K-S关系，但是，按此模型，惯 习面应为{111}γ，而实际上Fe-C合金马氏体的惯习面为
{557}γ、{225}γ、{259}γ，它也不能解释马氏体中孪晶、位
错等亚结构、表面浮凸现象、马氏体 组织形貌变化规律。此 模型第1、2切变所需能力达到320KJ/mol，这是相变驱动力 所不及的。
以在新旧相位向关系、惯习面指数、形状变化、亚结构等
晶体参数之间进行推算
不变平面应变
Southwest Petroleum University
不变平面应变：在应变过程中，惯习面始终保持一定 的平面，既不发生应变，也不进行转动 马氏体相变的
唯象学说认为
切变使晶体外 形发生改变， 即在试样表面 产生浮凸。
Southwest Petroleum University
胞（2r,2c）法向的两侧面规则
的分布弗兰克位错，每6个原 子间距排列一条。位错圈主要 是由螺型位错组成，在周边 形成刃位错，即K-D模型
位错圈相界面模型
Southwest Petroleum University
在K-D模型的基础上发展了K-C模型，其物理结构为：设在 (225)γ面上存在一个大的位错圈，位错圈内即为马氏体核 胚。位错圈扩展时，核胚就长大为晶核。K-D模型和K-C模 型都认为该核胚直径有数十纳米，其周围是位错列
马氏体相变的基本特征
马氏体相变的基本特征引言马氏体相变是指固体材料经过快速冷却或机械应力作用后，在普通的冷处理条件下发生的晶体结构相变现象。
马氏体相变具有广泛的应用背景，在材料科学和工程领域具有重要的意义。
本文将从马氏体相变的定义、形成机理、基本特征以及应用方面进行探讨。
马氏体相变的定义马氏体相变是指固体材料在冷却过程中经历组织相变，从高温相变为低温相的过程。
这种相变过程是一种固态相变，属于无序到有序的结构转变，通常发生在低温下。
马氏体相变的特点是快速、均匀和可逆的。
马氏体相变的形成机理马氏体相变的形成机理主要涉及晶格畸变、原子扩散和位错运动等过程。
通常情况下，当固体材料经历冷却过程时，晶格会发生畸变，从而形成新的有序结构。
这种畸变能够通过原子的扩散来进行传播，并且位错运动也会促进马氏体相变的形成。
马氏体相变的基本特征马氏体相变具有以下几个基本特征：1.快速性：马氏体相变是一个快速的相变过程，通常在毫秒至微秒的时间尺度内发生。
这种相变速度快的特点使得马氏体相变在某些应用中具有重要意义，比如形状记忆合金。
2.可逆性：马氏体相变是可逆的，即当加热到一定温度时，马氏体又会重新转变为高温相。
这种可逆性使得马氏体材料可以多次进行相变过程，具有重复使用的特点。
3.形状记忆效应：马氏体相变材料具有形状记忆效应，即在经历应力作用后，材料可以保持其原来的形状。
这种形状记忆效应使得马氏体相变材料在机械领域有广泛的应用，比如医疗器械和航空航天。
4.结构转变：马氏体相变是由无序的高温相向有序的低温相转变的过程。
在相变中，晶格结构会发生改变，从而影响材料的力学性能和磁性能等。
马氏体相变的应用马氏体相变具有广泛的应用背景，主要包括以下方面：1.形状记忆合金：马氏体相变材料在形状记忆合金中有广泛的应用。
形状记忆合金可以通过调控温度或应力来改变其形状，并且具有良好的可逆性和稳定性。
这种特性使得形状记忆合金在医疗器械、汽车工业和航空航天等领域有广泛的应用。
马氏体相变简介
马氏体相变一、定义和基本特征1.定义：替换原子经无扩散切变位移（均匀和不均匀形变），并由此产生形状和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核、长大型相变［1］。
2.基本特征：（1）无扩散性；（2）以切变为主,具有表面浮突现象；（3）具有一定位向关系，如K-S关系，西山关系，G-T关系等；（4）惯习面在相变过程中不畸变不转动（即不变平面）；3.马氏体的主要形态（1）板条马氏体：对于钢材，中低碳钢、温度较高时易形成（下图左为光镜下的组织结构，右为电镜下的组织结构）；（2）片状马氏体：对于钢材，中高碳钢、温度较低时易形成（下图左为光镜下的组织结构，右为电镜下的组织结构）；二、马氏体转变的机理1.相变驱动力相变的驱动力来自于新、旧两相的吉布斯自由能之差。
系统总的自由能决定相变过程及相变产物微观组织的演化规律。
总的自由能包括体积化学自由能、界面能、由畸变产生的弹性应变能，如存在外加场，还应考虑外加应力场、电场、温度场及磁场等的影响［2］。
G=Gch + Gel+Gin(体积化学自由能、由畸变产生的弹性应变能、界面能三种能量不同的文献有不同的物理模型描述，这里不详细进行描述)2.马氏体转变的切变模型［3］（1）Bain模型Bain模型并不是真正意义上的切变模型，其描述了晶体点阵的改组并不涉及切变，不存在不变平面，无法解释表面浮突现象。
（2）K-S模型K-S切变能够成功地导出所测到地点阵结构和取向关系，但对于惯习面和浮突的预测与实际相差较大。
（3）G-T模型G-T模型能够很好地解释了马氏体的点阵改组、宏观变形、位向关系、表面浮凸，特别是预测了马氏体内的两种主要的亚结构——位错和孪晶，但不能解释惯习面是不变平面以及低、中碳钢的位向关系。
（4）晶体学表象理论晶体学表象理论不解释原子如何移动导致相变，只根据转变起始和最终地晶体形态，预测马氏体转变地晶体学参量。
三、马氏体相变的有限元模型［4］1.介观模型（1）相变驱动力体系的自由能可表示为：G=ψ (εe ,ci,θ)-σ:ε=ψel(εe,ci)+ciψiθ(θ)i=0m∑ +ψ in(c i)-σ:ε其中，ψ为Helmholtz自由能，ψel为弹性能，ψiθ为第i个马氏体变体在温度为θ时的化学能，ψin为界面能。
马氏体转变的晶体学了解
四、陶瓷材料中的马氏体相变
在正常压力下， 陶瓷在固态下会发生马氏体转变 在固态下会发生马氏体转变。 在正常压力下，ZrO2陶瓷在固态下会发生马氏体转变。
§7.8
无扩散相变
1、无扩散相变定义： 无扩散相变定义： 定义 原子不发生随机走动的相变。 原子不发生随机走动的相变。 无扩散相变种类 种类： 2、无扩散相变种类： 铁磁性转变、铁电性转变、马氏体转变等 铁磁性转变、铁电性转变、马氏体转变等。 马氏体转变定义 定义： 3、马氏体转变定义： 狭义定义： 狭义定义： 碳钢在淬火 快速冷却到低温)过程中得到的高硬度生成相； 淬火( 碳钢在淬火(快速冷却到低温)过程中得到的高硬度生成相； 广义定义： 广义定义： 马氏体型转变得到的生成相 得到的生成相。 马氏体型转变得到的生成相。 马氏体转变意义 意义： 4、马氏体转变意义： 具有学术价值； 具有学术价值； 具有工业上的应用价值。 具有工业上的应用价值。
3
其他形貌 ：
蝶状马氏体： ①蝶状马氏体： 薄片( 状马氏体。 ②薄片(板)状马氏体。
三、马氏体转变的形态与性能
3 碳含量对马氏体的硬度的影响
(1)钢中马氏体最主要的特性就是高硬度、高强度。 (1)钢中马氏体最主要的特性就是高硬度、高强度。 钢中马氏体最主要的特性就是高硬度 (2)强度、硬度与碳含量密切相关。 (2)强度、硬度与碳含量密切相关。 强度 马氏体及钢的硬度随碳含量的增加而增强。 马氏体及钢的硬度随碳含量的增加而增强。 (3)马氏体的塑性和韧度： (3)马氏体的塑性和韧度： 马氏体的塑性和韧度 与含碳量、组织形态及亚结构密切相关。 与含碳量、组织形态及亚结构密切相关。
材料科学基础
材料与化工学院
第七章 扩散与固态相变
§7.1 §7.3 §7.4 扩散定律及其应用 扩散机制 §7.2
材料科学基础马氏体转变
A－C原子进入正八面体中心，点阵对称膨 胀M－C原子进入扁八面体中心，畸变偶极应力 场硬化要素
间隙固溶强化作用；晶界、位错、孪晶的强 化作用；C原子团簇的位错钉扎作用
固态相变
马氏体的塑性和韧性与其含碳量、组织形态 及亚结构密切相关。一般地，铁碳合金中， w(C)<0.3%，形成板条M，塑性和韧性好； w(C)> 1.0%,形成片状M,塑性和韧性差； 0.3－1.0%C之间形成板条M+片状M的混 合组织,可能获得良好强韧性。
固态相变
固态相变
(112)f K-S二次切变
N-W二次切变
3.G-T机制
固态相变
4. 晶体学表象理论
（Wechsler-Read-Lieberman, WLR理论）
不解释原子如何移动导致相变，而只根据转变起 始和最终的晶体状态，预测马氏体转变的晶体学 参量。 前提条件：惯习面为不变平面
(1)通过Bain形变得到马氏体点阵 (2)为得到无畸变的惯习面，需引入一个适当的 点阵不变切变，这种点阵不变切变可以通过微区 滑移或孪生实现。 (3)进行整体的刚性旋转使非畸变平面恢复到初 始的位置。
四、马氏体转变化曲线 临界化学驱动力：
DGT =Ms = DS (T0 - MS )
马氏体转变在较大的过冷度下才能发生 原因：M转变将引起形状和体积变化，产 生很高的应变能。只有相变驱动力大得足 以克服因高应变能所造成的相变阻力，新 相才有生长的机会。
固态相变
六、马氏体相变表象理论
1. Bain模型 z=z’
x’ x
固态相变
y y’
固态相变
K－S关系
2. K-S和N-W机制
点阵以(111)f为底面，按ABCABC的次序 自下而上堆垛。 切变进行步骤：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2、贝茵应变模型的合理性及不足
• 1924年Bain提出了马氏体相变得第一个模型。按照 此模型，奥氏体转变为马氏体。 • 贝茵应变中，原子位移距离最小。 • 按bain模型，惯习面应当为（111），这与事实不符； 畸变太大；不能说明不变平面；不能说明浮凸和 亚结构。
贝 茵 应 变 模 型
¼ Í 4— 42
产生不畸变平面
无畸变面的对称位置
4．简单切变
这种简单切变可以是位错滑移切变， 亦可以是孪生切变，使得点阵仍然保持 不变。因此称为点阵不变切变。
马氏体相变的滑移和孪生示意图
图4—48 点阵不变切变
简单切变形成一个不应变平面示意图
简单切变示意图
5.刚性转动：
将此旋转 了θ角的 椭球体进 行刚性转 动
刚性转动，转回到原来位置
6、矩阵描述
• 依据上述理论分析，W-L-R理论认为;形成马氏体的贝茵均 匀应变B，产生形状应变F,简单切变S,刚性转动R,用一个 矩阵式描述： F=RBS • B-W理论认为：点阵形变B 是形状应变F和辅助点阵应变 C的组合，以矩阵： FC=RB 上述两式的关系： F=RBC－1 C-1 =S
4.9 马氏体相变晶体学的 唯象学说及评价
该学说是 1953 年由 M. S. Wechsler 等 (w-L-R) 和 1954 年 J.S.Bowles 等 (B-M) 分别独立地提出的。 W-L-R学说和 B-M学说，两者基本上等 价，即两者的出发点和推理过程相近。
内蒙古科技大学 刘忠昌教授
1 马氏体相变晶体学的唯象学说不以描绘原子在 相变中位移的具体路径为目的，也不涉及形核及 长大的机理，而是探讨初始态和终了态之间通过 原子的简单位移实现晶格重构的可能性。 2 在研究方法上，应用矩阵数学描绘晶体结构及 切变过程。计算的基本出发点是假定马氏体相变 为一个不变平面应变。初始态、终了态和过程应 变模型设计之后，就可以在新旧相位向关系、惯 习面指数、形状变化、亚结构等晶体参数之间进 行推算。
8.刘宗昌对表象学学说的评价
表象学学说将贝茵应变B，形状应变F,简单切变S, 刚性转动R,用一个矩阵式描述：F=RBS。此计算式的 物理模型不正确。 （1）贝茵应变B太大，达21%，这与实际不符； （2）形状应变F，用浮凸值表示，浮凸是比容变化所致， 非切变所致。 （3）简单切变S，不能获得真正的马氏体晶格参数，并 且耗能太大。 （4）刚性转动R是虚拟的，实际上不存在。 物理模型的错误，必导致计算结果与实际不符，虽 然在Au-Cd合金中得到证实，仅仅是个案，不具普适 性。
1．不变平面应变的概念:
具有无畸变、不转动的不变平面的均匀应变。
已经试验证明划 痕STS线变成弯 曲、断裂的曲线。 因此不存在不变 平面应变。
不存在不变平面应变
表象学学说指出：预先在表面刻画的直线SS， 形成马氏体后此划痕变成了折线STT′S′，并在 相界面处保持连续，不间断。并说明，在马氏体 和奥氏体互相共格的惯习面上没有发生转动和畸 变。在宏观范围内，惯习面是无畸变和不转动的 不变平面。 这是不符合实际的分析。试验证明划痕STS线 变成了弯曲、断裂的曲线• 表象学说对Au-Cd、In-Ti系合金马氏体惯 习面指数的预测获得成功，得到初步验证。 但是，对低碳钢、中碳钢、高碳钢的马氏体 和的计算未获成功。 • 针对Fe基马氏体，在20世纪70年代提出了 非均匀切变模型，称为“近代唯象理论” 。 该假说较原始学说作了更多的假设，处理更 复杂，但在定量计算上仍然无能为力。
(a)
(b)
´ Ò ± ð Ó ¦ ± ä
贝茵应变不是不变平面应变
取贝茵球的1/8,可见，
£ ¨a£ ©
¼ Í 4— 43 Bain Ç ò Ó ¦ ± ä
£ ¨b£ ©
3．不畸变平面的产生
• 如果 X 、 Y 、 Z 三个主应变矢量中有一个为 零，如εx = 0 ，则可以产生一个不畸变 平面。如图所示。图中，应变时X轴在a点 抵住不动，即εx = 0 ，就可以使 OaA 和 Oa 两个扇形面的形状完全相同。两个扇形面 全等，这意味着整个平面上的原子排部完 全相同。 OaA 和 Oa 就是新旧相之间的一个 无畸变平面。