马氏体转变（二）在线视频

同学们

这节课我们继续学习马氏体转变

首先我们看一下马氏体转变的动力学

我们可以把马氏体转变

分成截然不同的两种类型

变温马氏体和等温马氏体

当奥氏体被过冷到马氏体转变

开始温度以下的某一温度时

在该温度下能够形成的马氏体

在其形核形成的瞬间即可以形成

而新核的继续形成

需要继续进一步的降温

所以我们把这样一种马氏体

叫做变温马氏体或者是降温马氏体

把这样一种转变

叫做变温转变或者降温转变

马氏体生长有热弹型和爆发型两种

对于热弹性的马氏体

热弹性生长方式的特点

在于形成薄片或者楔形片状的马氏体

这些片随着温度的降低

到马氏体转变开始温度以下

而逐渐形成和长大

并且随着温度的升高而收缩直至消失

这样一种行为起因于母相弹性地

容纳马氏体片的形变

在特定的温度下

马氏体片前沿和母相始终保持共格关系

并处于热力学的平衡态

温度的任何一个变化

都会使得这样一种平衡相改变

从而导致马氏体片的生长或者收缩

热弹性生长的马氏体

又称为热弹性马氏体

这样一种热弹性行为的完整力学模拟

称为伪弹性行为

大多数钢的马氏体转变

都是在连续冷却的过程中进行的

也就是说在马氏体转变开始温度以下

随着温度的下降

马氏体的形成量不断增加

如果停止降温转变即告终止

而继续降温转变又恢复进行

直至冷却到马氏体转变终止温度以下

可以发现在这样一种情况下

马氏体转变量决定于冷却到达的温度

也就是决定于 Ms点以下的过冷度

而与等温停留时间没有关系

说明马氏体的形核

几乎是在不需要热激活的情况下发生的

因此也把变温转变称为非热学性转变

由于马氏体形成时相变驱动力大

加上相变的共格性和原子的近程迁移等特点

决定了其长大激活能比较小

因此长大速度非常快

根据测定低碳型和高碳型马氏体长大速度

分别是10的2次方和10的6次方毫米每秒

这样一个数量级

所以每个马氏体片在形核以后

一般在10的-4到10的-7秒这样一个时间内

就长大到极限尺寸

在连续降温过程中

马氏体转变量的增加

是靠一批一批新的马氏体片的不断形成

而不是靠已有的马氏体片继续长大

马氏体变温转变的动力学特点

我们可以归结为变温形成

瞬间形核和高速长大

那么 我们根据一些经验公式

可以得到马氏体转变体积分数

和马氏体转变起始温度过冷度之间的关系

实际上马氏体转变起始温度点以下

转变的进程明显的受到冷却速度的影响

也就是减慢冷却速度或者中断冷却速度

都会在一定程度上

引起马氏体转变发生迟滞

使得马氏体转变量减少

和继续进行马氏体转变温度的降低

这样一种现象叫做奥氏体的热稳定性化

那么 在变温转变里

更多的是爆发式转变

发现在马氏体转变开始温度

低于0度的一些合金中

当奥氏体过冷至零下某一个温度的时候

在一瞬间会爆发

形成大量的马氏体

这样一种马氏体形成方式

称为爆发式转变

这样一种转变往往伴有响声

并且释放出大量的相变潜热

从图这样一个

铁镍碳的合金的马氏体转变曲线

我们可以发现直线的部分

就是爆发式转变马氏体的量

经爆发式转变以后

随着温度的降低

又呈现出正常的变温转变的过程

我们还可以发现随着镍含量的增加

马氏体的爆发转变量先增加后减小

最大值可以达到百分之70

爆发式转变量的这样一种变化

是由于镍含量对奥氏体的

稳定化程度的影响所导致的

第二种是等温转变

这样一类合金的马氏体转变

起始温度在0度以下

马氏体转变完全是在等温过程中形成的

有几个特点

第一点 在马氏体转变起始温度以下

某一温度停留

过冷奥氏体需要经过一定的孕育期后

才能行合形成马氏体

二 随着等温时间的延长

马氏体转变量不断增多

也就是转变量是时间的函数

三 随转变温度的降低

开始时转变速率增大

而且孕育期减小

但到达某一转变温度以后

转变速率反而减慢

孕育期增加

对于铁镍锰合金马氏体的这样一个

等温转变动力学过程图

我们可以发现它和珠光体转变

也就是前面学的共析转变极为相似

也是C曲线

由于马氏体等温形成时

形核需要一定的孕育期

表明马氏体必须通过热激活过程才能形核

所以这样一种转变也叫做热学性的转变

这样一点和珠光体的转变很相似

但是不同的是

在任意温度下等温马氏体的转变都是有限的

也就是说转变不可能进行到底

在某一些高碳钢和高碳合金钢 高速钢

甚至中碳合金钢中也发现有马氏体的等温转变

只不过它们还同时兼有马氏体的变温转变发生

而并非的完全等温转变过程

通常是先发生变温转变

再发生等温转变

目前对于马氏体的变温转变

与等温转变间的内在联系

还没有完全清楚

前面我们讲的

主要是金属材料中的马氏体转变

那么实际上不同材料中都有马氏体转变

对于金属材料而言

有铁基合金马氏体和有色合金马氏体

铁基合金马氏体转变被研究的最为广泛

特别是晶体学和形貌

那么通过前面的介绍

我们知道它有三种不同的晶体结构

体心立方 体心四方以及密排六方的马氏体

对于非金属材料而言

实际上也有很多非金属材料

这样一个转变过程涉及到了马氏体转变

最为典型的就是氧化锆陶瓷

氧化锆作为脆性陶瓷材料中的韧性剂

他有三个相

单斜相 四方相 立方相

室温下单斜相是稳定的相

四方相和立方相在高温下稳定

我们把从四方相向单斜相的转变

认为是马氏体转变

在高分子材料中

某一些静态的聚合物中会出现同素异构转变

比如聚四氟乙烯

满足没有或者弱热激活条件的转变

可以认为是一种无扩散型的转变或者马氏体转变

接下来我们看一下马氏体的性能

第一 马氏体的硬度和强度

铁碳马氏体具有高硬度

是它的最主要的特征之一

马氏体的硬度主要取决于碳含量

而合金元素对硬度的影响比较小

通过这样一条曲线

我们可以发现曲线1表示马氏体的硬度

碳含量在百分之0.4以下的时候

硬度随碳含量的增加而显著提高

而在百分之0.6以上时

硬度的增加不再显著

曲线2和3表示经过不同温度淬火以后

当碳含量高于百分之0.7以后

钢的硬度和马氏体的硬度变化趋势有所不同

随着碳含量的增加

钢的硬度反而降低

这是由于马氏体转变的不完全性

往往有一些残余奥氏体存在

残余奥氏体含量的增加会导致硬度的降低

奥氏体中的八面体是正八面体

间隙碳原子的溶入

只能使奥氏体点阵产生对称膨胀

固溶强化效果不大

而马氏体中的八面体为扁八面体

过饱和的碳原子溶入后

形成以碳原子为中心的畸变偶极应力场

这个应力场与位错产生强烈的交互作用

而使得马氏体的强度显著增高

但是马氏体的硬化

并不仅仅是由于间隙固溶强化的结果

马氏体中含有大量的晶界和位错

或者是位错和孪晶

另外由于碳原子非常容易扩散

在零下60度以上

就可以发生碳原子偏聚

形成团簇

这样一些碳原子团簇

会产生额外的位错钉扎

各种各样的强化效应

对典型的含碳马氏体的强度的贡献并不同

我们通过这样一个表

可以看到不同的强化机制

对于马氏体强度硬度的贡献

第二个我们看一下马氏体的塑性和韧性

马氏体的塑性和韧性与其碳含量

组织形态和亚结构密切相关

当碳含量小于百分之0.3时

形成板条状马氏体

碳含量大于百分之1时

形成片状马氏体

碳含量在百分之0.3到百分之1之间时

形成板条状马氏体和片状马氏体的混合组织

片状马氏体的亚结构主要是孪晶

由于其碳含量高

相变时体积膨胀量大

引起的内应力大

片与片之间相撞时容易产生微裂纹

都会增大脆性

板条状马氏体的亚结构主要是高密度的位错

由于其碳含量低

形成温度较高

而且可以自回火

晶格的正方度较小

其内应力也小

没有显著的微裂纹

因此这样一种马氏体

具有较高的塑性和韧性

第三 我们看一下

热弹性马氏体和形状记忆效应

马氏体转变的特点之一

就是转变的可逆性

在一系列的铁合金或者非铁合金中

都可以观察到马氏体的可逆转变

在一些非铁合金中呈现的是

一种热弹性马氏体的可逆转变

这样一种马氏体的发现

成为了我们近代发展新型功能材料

形状记忆合金的基础

首先我们看一下热弹性马氏体

钢中马氏体的转变的一个重要的特征

就是形核以后以很快的速度

长大到一定的极限尺寸

继续降温将形成新的核心

长成新的马氏体片

这是因为马氏体形成时

引起的形状变化

在初期可以依靠

相邻的母相的弹性变形来协调

但是随着马氏体片的长大

弹性变形程度不断增大

当变形超过一定的极限的时候

便发生了塑性变形

使得共格界面遭到破坏

因此马氏体片停止长大

这样一个过程是不可逆的

和上述现象不同的是

在一些非铁合金中的马氏体形成时

产生的形状变化始终依靠

相邻的母相的弹性变形来协调

保持着界面的共格性

这样马氏体片

可以随着温度的降低而长大

随着温度的升高而缩小

也就是说温度的升降

可以引起马氏体片的消长

具有这样一种特性的马氏体

称为热弹性马氏体

出现热弹性马氏体的必要条件有两个

第一

马氏体与母相的界面必须维持共和关系

马氏体和母相的比容差要小

以便使得界面上的应变减小

而处于弹性的范围内

第二 母相应该具有有序的点阵结构

因为有序点阵中

原子排列的规律性强 对称性低

在正逆转变中有利于母相和马氏体之间

维持原有的不变的晶体学取向关系

以实现转变的完全可逆性

这是热弹性马氏体的必要条件

接下来我们看一下

热弹性马氏体的伪弹性行为

具有热弹性马氏体的合金

如果在马氏体转变开始温度

和马氏体转变温度的范围内

对其施加应力

也可以诱发马马氏体转变

并且随着应力的增减

可以引起马氏体片的消长

通过这样一个图我们看一下

加载时发生了弹性变形

就是oa段

随后由于发生了应力诱发马氏体转变

使试样产生了宏观变形ab

卸载时部分弹性回复

也就是bc段

回复以后发生逆转

便使得宏观变形得到恢复

cd段恢复

最后发生了弹性回复do段

这种由于应力的变化引起的非线性弹性行为

称为伪弹性

又发现它的弹性应变范围比较大

可以达到百分之十几

所以也称为超弹性和热弹性行为相比

它的致变因素是应力而不是温度

第三 我们学习一下形状记忆效应

某一些合金在马氏体状态下

进行塑性变形以后

再加热到 Af温度

也就是马氏体转变逆转变终止温度以上时

便会自动回复到母相原来的形状

表明对母相形状具有记忆的功能

叫做单程记忆效应

如果我们把合金再次冷却到

马氏体转变终止温度以下

它又会自动恢复到原来

经过塑性变形以后的马氏体的形状

这表明对马氏体形状的也有记忆效应

叫做双程记忆效应

双程记忆效应往往是不完全的

并且随着冷热循环的不断进行

其效应会逐渐的衰减

单程记忆效应的原理

我们看这样一个图

AB表示母相的弹性应变

BC表示母相在外力作用下

引起的应力诱发马氏体转变以及再取向

CD表示马氏体的弹性应变

DE表示马氏体做弹性回复

继之呈现部分的伪弹性回复

我们把温度加热到

奥氏体转变起始温度以上的时候

就会发生逆转变

使得宏观变形逐步恢复

直到奥氏体转变终止温度时逆转变完成

变形回复至图中的 G点

FG表示形状记忆效应

GH表示永久的塑性变形

是在应力诱发马氏体转变

以及其在取向过程中

产生的真实的塑性变形

不能借助转变得到回复

应当指出的是

如果将母相再次冷却到

马氏体转变中指温度以下温度的时候

并不会形成原来的那种取向的马氏体

因而不会回复到原来马氏体状态的形状

如果要使得合金具有双程记忆效应

我们需要对母相进行所谓的训练处理

其中一个办法就是

在母相冷却的同时还施加一定的应力

使它产生规定的变形

这样母相在进行热弹性马氏体转变时

便不会形成随机分布的各种取向的马氏体

而是只限于形成马氏体中

存在某些特定取向的变体

如果这样一种处理循环重复若干次

母相就可以在冷却转变时

回复原来马氏体状态的形状

从而表现出双程记忆效应

作为形状记忆合金必须具备以下三个条件

一 必须具有热弹性马氏体转变

二 亚结构是孪晶或者层错

三 母相具有有序化的结构

我们可以发现第一个条件

可以保证马氏体转变的热弹性行为

也就是说马氏体与母相界面始终保持共格关系

第二个条件可以保证在外力的作用下

形成择优取向的伪单晶

从而呈现伪弹性

第三个条件可以保证在逆转变时

马氏体和母相间容易保持

少数的特定的取向关系

使它能够恢复到母相原来的形状

具有形状记忆效应的合金

我们称为形状记忆合金

目前是很多具有形状记忆的合金

比如说镍钛合金 铜锌合金

铜锌铝合金等等

由于形状记忆合金

不仅具有形状记忆功能

还具有耐磨损 抗腐蚀 高阻尼等特性

所以在航空 航天 机械 化工

石油 医疗等领域都得到了广泛的应用

我们举一个例子

在航空航天方面

首先用这样一种镍钛合金制作宇航天线

我们把镍钛合金丝

在母相状态下制成天线以后

冷却至低温使之转变成为马氏体

这样一种马氏体很软

容易被折叠成团状放入卫星中

将卫星升入轨道以后

我们将团状的天线弹出

在太空阳光辐射下受热

如果温度高于奥氏体转变终止温度以上的时候

团状的天线便会自动

完全张开恢复到原来的形状

这就是利用了我们的形状记忆效应

好

以上就是我们这节课的内容

谢谢大家