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 Phase
Transformation
——Mistaken Ideas of Phenomenological Theory
LIU 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; matrix
20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。这两个学说基本上等价，即两者的出发点和
推理过程相近，该学说被认为是材料科学中为数不多的定量学说。由于唯象学说，或称表象学学说，
与实际基本上不符，理论上也欠妥当，故不能称为理论，称其为学说（或假说）较为合适。该学说经
过多年的修改仍不成熟，与实际相差甚远[3～5]。本文从试验和理论上对该学说进行了分析并指出其误区。
内蒙古自治区科技引导计划项目（20071911）
作者简介：刘宗昌，（1940～），男，汉族，河北玉田人，内蒙古科技大学教授。从事相变理论和热处理技术研究。发表论文260余篇，出版专著和高等院校教材14部。
E－mail：lzchang75@https://www.doczj.com/doc/8b18372159.html,
1表象学“理论”要点
表象学“理论”分为原始表象学学说和近代表象学学说，下边只称唯象学说。由于篇幅限制，本文不详细阐述其内容（可阅读文献[1～5]），只介绍其要点如下：
马氏体相变晶体学的唯象学说并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，而是探讨马氏体相变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。在研究方法上，应用矩阵数学描绘晶体结构，计算位移过程中某一阶段的结构。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，就可以在新旧相的位向关系、惯习面指数、形状变化（浮凸）、亚结构等晶体参数之间进行推算。
唯象学说视马氏体相变存在应变过程，并将此应变分解为三个基本应变[3～5]：
（1）贝茵压缩应变，使母相转变为新相晶体结构；
（2）非均匀切变，即点阵不变的简单切变，滑移或孪生，形成无畸变面；
（3）刚性转动，获得不变平面，即形成无畸变、不转动的平面（惯习面）。
这三个基本应变过程的示意图分别用图1中的（a ～d ）来描写。
图1表象学学说的三步应变示意图
Fig.1 Sketch map of three-step strain of representation theory
设母相为球体，图中a ，b ，c 是1/8象限。若为Fe-C 系，X 、Y 、Z 为三坐标轴，o 点为球心。图（a ）、（b ）是按照贝茵应变，奥氏体fcc →bct 马氏体时，沿其长轴方向压缩，而在垂直于长轴方向上膨胀，使压缩轴与马氏体的C 轴重合，而垂直于此轴的两个A 110变成了M 100。这就实现了奥
氏体晶格到马氏体晶格的转变，转变后，碳原子直接转移为C 轴的中心位置。此称点阵应变，但不是不变平面应变。
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（c ）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 A '两个扇形面的形状完全相同。即：OA= O A '，Oa = Oa ，0
90='∠=∠A ao aoA ，OA ⊥Oa ，表明OA 在YOZ 平面内扫动，从OA 扫动到O A '，角度为θ，即θ='∠A AO 。所以，两个扇形面A ao aoA '≡全等，这意味着整个平面上的原子排布完全相同。OaA 和Oa A '为新旧相之间的一个无畸变平面。
图1（d ）是图（c ）状态在X 方向的投影。表明，如果将应变获得的椭球体绕X 轴整体刚性转动θ角，使A '移动到A ，则可以将无畸变面转动回到原始方位，就获得了既无畸变，又不转动的平面。惯习面为oaA 面。
唯象学说通过简单切变使原始单位球经点阵应变后得到椭球，变成与原始单位球相切的一个椭球，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，因此称其为点阵不变切变。
简单切变虽然可得到不畸变平面，但它相对于原始位置则发生了旋转，因此，必须通过一个刚性转动使不畸变面回到原来的位置，才能得到一个既不畸变，又不转动的惯习面。唯象学说又通过位错滑移和孪生来限制转动，即进行所谓的刚性转动来得到不畸变，又不转动的惯习面。
唯象学说将马氏体转变虚构为：由母相点阵→Bain 畸变后形成马氏体点阵→以滑移进行简单切变或以孪生进行简单切变→再作旋转使整个应变为一个不变平面应变。W-L-R 唯象学说将此转变过程用一个矩阵式来描述，认为：改变形状的应变F 应当是整个点阵应变B 和伴随相变的点阵不变应变S 的组合，即有下式：F ＝RBS 。
此矩阵式中的F 为形状应变（表面浮凸），B 为Bain 应变，S 为简单切変，R 为刚性转动。
另一个B-M 唯象学说与W-L-R 学说是对等的。认为整个点阵形变B 是形状应变F 和辅助点阵应变C 的组合。并以矩阵式描述：FC ＝RB ，其中C 为辅助切变。
唯象学说计算时所需输入的数据是：(1)原始相与马氏体的晶体结构及点阵常数；(2)点阵对应关系，(3)点阵不变切变。根据这些数据进行理论计算，以预测：1)惯习面；2)形状应变；3)母相与马氏体之间的取向关系。
应用原始唯象学说对许多合金的马氏体相变进行了计算，结果表明：对In-Ti 合金的面心立方→面心正方相变、Au-Cd 合金中CsCl 点阵→正交相变以及Cu-Zn-Al 合金的体心立方→单斜9R 结构转
变，可得出较为满意的解释。但是对钢进行计算，低碳钢、中碳钢、高碳钢的{
}γ557和{}γ225马氏体的计算均未获成功，位向关系也不符合。计算结果较为满意的In-Ti 等合金，其相变体积变化很小，也即这些合金的Bain 应变较小，计算才会吻合。而对于钢，马氏体相变引起较大的体积膨胀，即Bain 应变大一个数量级，就完全不符合了。
针对{}γ225Fe 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”。该学说较原始唯象学说作了更多的假设，处理更为复杂，但在定量计算上仍显得无能为力[3]。
1969～1970年间，提出复切变“理论”，企图解释Fe-1.8C ，Fe-7.9Cr-1.11C 及Fe-6.14Mn-0.95C 合金中的{}γ225马氏体，其结果也与实际不符合[3]。
总之，唯象学说的计算结果与钢和绝大多数合金的马氏体相变实际不相吻合，存在种种误区。 2唯象学说的误区
唯象学说将贝茵应变B ，形状应变F ，简单切变S ，刚性转动R ，用“F=RBS ”矩阵式描述。此计算式的物理模型与马氏体相变的实际物理过程不符。
2.1贝茵应变不符合马氏体相变实际
唯象学说认为：贝茵机制是原子迁动距离最小的一种相变机制。如图2所示为奥氏体fcc →bct 马氏体时，两种晶格之间的对应关系。即将奥氏体中具有的“体心四方晶胞”（轴比为2）视为体心正方（bct ）晶胞。从图可见，沿长轴方向压缩20%，而在垂直于长轴方向上均匀膨胀12%，这样的均匀畸变（Bain 应变）使压缩轴与马氏体的C 轴重合，而垂直于此轴的两个A 110变成了M 100
，实
现晶格改组。
图2 贝茵应变示意图
Fig.2 Sketch map of Bain strain
显然贝茵应变太大，远远大于弹性变形，如此大的应变，耗能太大。按照变形理论，变形能N B 可用下式表示：
V E N B 22
1ε= (1) 式中，E 为弹性模量，取E =20.6×104MN/m 2；V 是摩尔体积，对于钢取V=7.5cm 3·mol -1[3],ε为应变。按
照此式计算高碳钢的应变能，得N B =3.09×104J ·mol -1。已知1.2%C 的Fe-C 合金的相变驱动力为1.714
×103J/mol [3].显然相变驱动力远远不足以完成此应变过程。
贝茵应变得到的新相马氏体的惯习面应为{}γ100
，这也与实际不符合；位向关系也不是K-S 关系；更不能说明表面浮凸现象。因此，该模型与实际存在巨大差距，应摈弃。唯象学说将其列为一项计算因子，显然此计算数据不靠谱。
认为贝茵机制中原子迁动距离最小。此论也已过时。0% C （质量分数）的γ-Fe 点阵常数a o =0.356nm,若c 轴压缩20%，铁原子迁动距离约为0.071nm ；1.4% C 奥氏体长轴压缩20%，铁原子迁动距离约为0.073nm 。可见，碳含量增加时，正方度增大，但铁原子迁动距离增加不大。马氏体相变新机制指出[4,6]，计算得碳含量为0%的奥氏体转变为马氏体α时，γ-Fe 最密晶向上Fe 原子迁动距离仅仅为-0.0095nm ，比贝茵机制小一个数量级。
2.2形状应变（F ）与切变无关
唯象学说矩阵计算式中的形状应变F ，是试验求得的表面浮凸大小，认为与切变有关。现已试验
证明，表面浮凸是贝氏体相变时比体积变化引起的，非切变所致[7～11]。
图3 STM 2Cr13钢的板条状马氏体浮凸
（a ）浮凸形貌；（b ）图（a ）中箭头所示位置的浮凸高度剖面线
Fig.3 STM images of surface relief of lath martensite in 2Cr13 steel
(a) Morphology of surface relief; (b) Height section line of position marked with arrow in Fig. 3 (a)
将2Cr13不锈钢试样的表面充分抛光，然后在真空热处理炉中加热到1000℃，迅速冷却到室温，得
到板条状马氏体组织，不浸蚀直接在扫描隧道显微镜下观测，其浮凸形貌如图3（a）所示，是板条状马氏体。浮凸的尺寸（对应箭头所指处）如图3（b）所示，浮凸高度不等，最高处约35nm。形状呈帐篷型。
方鸿生等发现所有板条状马氏体的浮凸均呈帐篷型，并指出帐篷型浮凸不具备切变特征。应用原子力显微镜观测Fe-Ni合金板条状马氏体的表面浮凸形貌和尺寸，如图4所示。可见每一片马氏体的浮凸均呈帐篷形。每片马氏体浮凸尺寸不等，约为几个nm，不足20nm[12]。
图4 AFM Fe-Ni合金板条状马氏体
Fig.4 AFM image of lath martensite in Fe-Ni Alloy
自20世纪初，马氏体表面浮凸这一试验现象被发现以来，学者们一直认为马氏体表面浮凸是切变造成，并且将它作为马氏体相变切变机制的实验依据。近年来大量试验观察表明，珠光体、贝氏体、马氏体、魏氏组织中均存在表面浮凸现象，而且浮凸形状普遍为帐篷型（∧）。浮凸是过冷奥氏体转变的一种普遍现象。然而，从珠光体到马氏体，相变机制不同，将马氏体表面浮凸描绘为N形，并将浮凸视为切变所致，显然不正确。
新旧相的比体积（即比容）不同，奥氏体转变为马氏体时，体积膨胀是表面浮凸的成因。试样表面的过冷奥氏体转变为珠光体、贝氏体、马氏体等产物时，体积膨胀导致的浮凸，表面鼓出而呈帐篷形。
如果试样表面层的奥氏体晶粒转变为马氏体时，各向（X、Y、Z）均匀地膨胀，则在试样表面不会观测到浮凸。浮凸是各相在表面层不均匀膨胀造成起伏的结果，马氏体片条在试样表面的存在方位多种多样，厚薄程度都不相同，而浮凸的高度与试样表层马氏体片厚度有直接关系，马氏体片越厚膨胀量越大，浮凸突起越高。
由于马氏体片条形成的先后次序不同，先形成的马氏体片向Z方向膨胀时，会受到周围奥氏体相的牵制，阻碍马氏体片的Z向膨胀应变，而后形成的马氏体片，除了受到奥氏体的拉力外，还要受到先转变的马氏体片的压力，使后转变的马氏体片向Z方向膨胀更为困难。又因为马氏体片条在试样表面的存在方位多种多样，马氏体片条的厚薄程度有很大差别。从而，在表面上的奥氏体向马氏体转变时，必然产生不均匀的体积膨胀，使得试样产生表面起伏。
由于比体积不同，膨胀不协调，必然相互拉压而产生应变。晶格之间的拉应力阻碍表面的凸起，使得产生凸起部分和未凸起或凸起小部分之间存在过渡区，由未凸起或凸起小的部分向凸起的峰值渐变，在高度剖面线上出现“山坡”，从谷值到峰值之间，形成有斜率的曲线。这些与原试样表面斜率的线与表面形成夹角，即原奥氏体表面与浮凸的夹角称为“浮凸角”。
研究马氏体切变机制的学者将浮凸角与“切变角”联系起来。从实测的浮凸STM图、AFM图可见任何一片马氏体的浮凸角均非单值，即浮凸角变化多端。这是由于各马氏体片生成有先后、有大小，互有影响，体积膨胀时造成的应力应变不是单值，因此各片马氏体的浮凸高低和浮凸角不等。因此唯象学说中的形状应变F难以试验取值，如图3、4可见，取任何一个马氏体片的浮凸值均与切变无关。由于珠光体、贝氏体、马氏体相变中均存在表面浮凸现象，而且浮凸形状普遍为帐篷型（∧），故形状应变F与马氏体相变晶体学没有直接的联系。
2.3简单切变缺乏热力学可能性
矩阵式中的简单切变S（辅助切变C，S=－C）。唯象学说认为，为满足不变平面应变的条件，除了贝茵应变B外，必须引入一个不均匀切变，即点阵不变的简单切变S。虽然简单切变获得了不畸变平面，但它相对于原始位置已经发生了旋转(如图1中θ角)，因此，必须通过一个刚性转动使得不畸
变面回到原来的位置，才能得到一个既不畸变，又不转动的惯习面。唯象学说设想简单切变可以通过滑移切变或孪生切变来实现，以滑移或孪生来实现刚性转动。
晶体的滑移或孪生切变需要消耗巨大的能量。使晶体切变需切应力τ，用式τ=G β表示，其中G
为切变弹性模量；β为切应变，单位是弧度。切变能可用下式计算[3,4，13]：
V G N Q 22
1β= (2) 可见，当材料一定时，G 、V 是常量，切变能与切变角β2成正比，切变角越大，耗能越大。K-S
切变、西山切变、G-T 切变等，其切变角在10°32′到19°28′之间，耗能竟达25×103～45×103J/mol
之多[4]。如果切变角增大，耗能更大。这些切变耗能与（1）计算的压缩应变耗能属于一个数量级，数值相近。说明无论是Bain 压缩应变机制，还是切变应变机制，均耗能过大，马氏体相变驱动力不足以完成。其实Aaronson 早在20世纪70年代就指出切变应变能太大，贝氏体相变不可能以切变方式进行
[14],将其应用到马氏体点以下也是成立的。
铁基合金马氏体相变驱动力在1100J/mol ～1800J/mol 之间，有色金属中，马氏体相变驱动力很小，如In 合金只有1.5J/mol 。可见切变耗能比马氏体相变驱动力大2～4个数量级，因此切变缺乏热力学
可能性，切变不可能发生[15，16]。
应用原始唯象学说对马氏体相变进行了计算，对于绝大多数合金及钢均不符合。近代唯象“理论”也无能为力。虽然个别计算值与In 合金等相符，但仅为个案，不具普适性。
3结论
唯象学说将形状应变（表面浮凸）F 、简单切变S 、贝茵应变B 、刚性转动R 四个因素整合在一起，以矩阵式描述马氏体相变。这个矩阵计算式的物理模型与实际的马氏体相变不符，存在误区。
（1）唯象学说采用贝茵压缩应变机制使母相转变为马氏体结构，缺乏热力学可能性。采用贝茵应变B 作为计算数据，不可靠。
（2）马氏体浮凸是新旧相比体积变化所致，浮凸形状普遍为帐篷型（∧），与切变无关，故形状应变F 与马氏体相变晶体学没有直接的联系。
（3）以滑移切变或孪生切变来实现点阵不变的切变，缺乏热力学可能性。此动作在马氏体相变中不存在，故简单切变（S ）无意义。同样，刚性转动也是虚构的。
（4）唯象学说基本上与实际不符，由于其矩阵式中各值脱离实际，故其计算结果必然与绝大多数合金和钢中的马氏体相变实际不吻合。唯象学说不成熟。
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2012春季学期 材料力学性能课程论文 院（系）材料科学与工程 专业材料科学与工程 学生唐骜 学号 1091900101 班号 0919001
铁碳马氏体的强化机制 唐骜 1091900101 摘要：本文以铁碳马氏体的组织形貌以及马氏体转变过程为出发点，引述了马氏体的主要强韧化机制。并通过引用各学者的实验结论，得到了铁碳马氏体的强韧化机理。 关键词：马氏体，强韧化机制，高强度钢，低碳钢，时效 1. 马氏体概述 马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称。将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。 马氏体最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。 20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。 2. 马氏体相变特征 马氏体转变的一般定义为：过冷奥氏体以较快的速度冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生的无扩散型相变称为马氏体相变。 其主要特点有以下几点： （1）马氏体相变是无扩散相变。马氏体相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移，这种位移是切变式的。原子位移的结果产生点阵应变(或形变)。这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。 （2）产生表面相变时浮突。马氏体形状改变使先经抛光的试样表面形成浮突。马氏体形成时，与马氏体相交的表面上发生倾动，在干涉显微镜下可见到浮突的高度以及完整尖锐的边缘。 （3）新相(马氏体)和母相之间始终保持一定的位向关系。马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如
第24卷第5期 2006年9 物理测试 Physics Examination and Testing Vol.24,No.5 Sep.2006 作者简介:王 健(19762),男,硕士生; E 2m ail :wj1976@https://www.doczj.com/doc/8b18372159.html, ; 修订日期:2006204210 304不锈钢应变诱发α′ 马氏体相变及对力学性能的影响 王 健1,2, 杨卓越1, 陈嘉砚1, 苏 杰1 (1.钢铁研究总院结构材料研究所,北京100081;2.云南大学,云南昆明650091) 摘 要:借助于X 射线衍射,研究了C 、Mn 、Cr 和Ni 含量对304奥氏体不锈钢拉伸力学性能和应变诱发马氏体 相变倾向的影响。结果表明:C 、Mn 、Cr 和Ni 在允许的成分范围内变化,应变诱发α′ 马氏体相变倾向差异很大,这导致屈服强度和抗拉强度复杂的变化,尽管应变诱发α′马氏体相变使加工硬化速率提高,相变可以诱发塑性, 但相变速率较快,相变倾向较大的钢塑性反而下降,此外,由于室温变形还增大热诱发马氏体相变倾向,从而限制了C 、Mn 、Cr 和Ni 下限钢在高精度和低温环境下构件的应用。关键词:304不锈钢;应变诱发;马氏体相变;拉伸力学性能 中图分类号:T G 115.5 文献标示码:A 文章编号:100120777(2005)0520008204 Strain 2induced Martensite T ransform ation and E ffects on Mechanical Properties in 304Stainless Steel WAN G Jian 1,2, YAN G Zhuo 2yue 1, C H EN Jia 2yang 1, SU Jie 1 (1.Institute of Structure Materials ,Central Iron &Steel Research Institute ,Beijing 100081China ;2.Yunnan University ,Kunmin 650091,Yunnan ,China ) Abstract :By means of X 2ray diff raction technique ,the effects of C 、Mn 、Cr and Ni on the tensile properties and the tendency of strain 2induced martensite transformation in AISI 304stainless steel have been investigated.The re 2sults have shown that ,even though the variations of C 、Mn 、Cr and Ni were restricted to the standard specifica 2tion ,there existed significant difference with respect to the stability of austenite ,leading to the complex variation in yield strength and tensile strength.Despite increase in the rate of work hardening due to strain 2induced martens 2ite transformation and transformation 2induced plasticity ,the inferior ductility was caused by high rate of formation martensite in the steel with low C 、Mn 、Cr and Ni contents.Moreiover ,the deformation at room temperature in 2creased the tendency of thermally induced martensite transformation in steel with low C 、Mn 、Cr and Ni contents ,which give rise to low precision of components and brittlement in the steels used in low temperature.K ey w ords :304stainless steel ;strain 2induced ;martensite transformation ;tensile properties 奥氏体不锈钢组织是亚稳定的,在变形过程中 发生应变诱发相变,相变产物为ε马氏体(hcp )和α马氏体(bcc ),其中ε马氏体仅在应变较小时形成, 随应变的累积ε马氏体逐步消失,与此同时α′ 马氏体量持续增加,目前已在较宽的化学成分范围内,研 究了应变诱发α′ 马氏体对加工硬化、塑性成形能力等力学行为的影响[1～3],由于这些研究不是针对某一种奥氏体不锈钢进行的,因此研究结果的适用性受到了限制,因此迫切需要针对某一种钢在允许的 范围内变化成分时,应变诱发α′ 马氏体相变倾向、以及对力学行为的影响进行研究,以提高研究结果的实用性。为此本文根据A ISI304钢标准冶炼了3炉钢,将C 、Mn 、Cr 和Ni 分别控制在上、中和下限,通 过室温和液氮温度拉伸,对应变诱发α′ 马氏体相变 倾向,以及对拉伸力学性能的影响进行了系统研究。 1 材料与试验方法 3炉试验钢用50kg 真空感应炉冶炼,将将C 、 Mn 、Cr 和Ni 分别控制在上、中和下限,称为A 、B 和C 钢,其化学成分见表1。冶炼后浇铸成40kg 的坯料。经锻造、热轧后再冷轧成2mm ×110mm ×L mm 板材。从板材上纵向切取标距为10mm ×40mm 的板拉伸试样,试样经过固溶处理(1050℃×30min 水冷)。将固溶处理后的拉伸试样分为2组, 第一组拉伸试样分别在室温和液氮温度(-196℃)下,在M TS 2880拉伸试验机上拉伸,夹头速度为2 mm /min ,除测定力学性能外,将若干个试样拉伸到一定应变后中断,工程应变分别控制在0.06、0.12、0.18和0.24附近,以研究微观组织在应变累积过
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 Phase Transformation ——Mistaken Ideas of Phenomenological Theory LIU 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; matrix 20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。这两个学说基本上等价，即两者的出发点和 推理过程相近，该学说被认为是材料科学中为数不多的定量学说。由于唯象学说，或称表象学学说， 与实际基本上不符，理论上也欠妥当，故不能称为理论，称其为学说（或假说）较为合适。该学说经 过多年的修改仍不成熟，与实际相差甚远[3～5]。本文从试验和理论上对该学说进行了分析并指出其误区。 内蒙古自治区科技引导计划项目（20071911） 作者简介：刘宗昌，（1940～），男，汉族，河北玉田人，内蒙古科技大学教授。从事相变理论和热处理技术研究。发表论文260余篇，出版专著和高等院校教材14部。 E－mail：lzchang75@https://www.doczj.com/doc/8b18372159.html,
马氏体相变机理研究进展 摘要：马氏体应用在钢的强化，现今多数的结构钢件还是以淬火得到马氏体、再进行回火，产生马氏体的目的为强化，可应用在工程实用中，对马氏体的研究变得越来越受关注。 关键字：马氏体；相变；形核； 1 引言：马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。是碳在ɑ-Fe中过饱和固溶体，为体心正方结构。1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织命名为马氏体。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。 2.相变特征和机制 马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形核和长大的过程。但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达10cm·s。人们推想母相中的晶体缺陷（如位错）的组态对马氏体形核具有影响，但目前实验技术还无法观察到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的过程，尚不能窥其全貌。 其特征可概括如下：马氏体相变是无扩散相变之一，新相（马氏体）承袭了母相的化学成分和原子序态。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移，这种位移是切变式的，且原子位移导致点阵应变，这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且有形状变化。由于马氏体相变时原子规则发生位移，使新相和母相之间始终保持一定的位向关系。在铁基 合金中由体心立方马氏体时具有著名的K-S关系（111)r//(011)M、 [101]r//[111]M。必须有足够的奥氏体过冷度才能产生点阵切变，形成马氏体。 转变开始温度定义为Ms，碳和置换合金元素增加奥氏体的切变抗力，降低Ms。中碳钢中合金元素与Ms的关系式为如下： Ms=539-423C-30.4Mn-12.1Cr-17.7Ni-7.5Mo。在一般合金的马氏体相变中，马氏体形成量只是温度的函数，即随着温度的下降，马氏体的形成量增大，称为变温马氏体，而随着时间的延长，马氏体形成量增多，称为等温马氏体。 2.1马氏体相变特征： 1）无扩散型过程：1930年在已发现高碳型马氏体（包括含高Ni～30%Ni 的Fe-Ni）形成很快，称为快速型马氏体，以后由电阻测定并以示波器显示，一片马氏体在（0.5～5）×10-7S形成，相当于形成速率为1100m/s,在80～250K
?形状记忆效应：具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，在某一温度下(处于马氏体状态M f 进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消失温度A f )上时，材料恢复到变形前的初板条马氏体 钢的淬火 5
?Monoclinic Crystal Structure Twinned Martensite 自协作马氏体Detwinned Martensite 非自协作马氏体 8 发生塑性变形后，经加热到 某一温度后能够恢复变形， 马氏体在外力下变形成某一 特定形状，加热时已发生形 变的马氏体会回到原来奥氏 形状记忆效应过 程的示意图 马氏体相变热力学 相变产生，M相的化学自由能必须 ，不过冷到适当低于T0(A相和M相化学自由 的温度，相变不能进行， 必须过热到适当高于T0的温度，相变才 马氏体相和母相化学自 11 马氏体相变热力学 低于M s 温度下，马氏体形成以后，界面上的弹性变形随着马氏体的长大而增加； 当表面能、弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与变化学自由能的减少相等时，马氏体和母相间达到热弹性平衡状态，马氏体停止长大。 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体又继续长大，也可能出现新的马氏体生长。 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩。 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)
16伪弹性应力应变示意图 17f (a) Shape Memory Effect (b) Superelasticity
[100][111] 冷却 形状记忆效应的三种形式 (a)单程(b)双程(c)全程 22 （a）马氏体状态下未变形 （b）马氏体状态下已变形 ）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复 单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况 24
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=G ch + G el +G in (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：
《马氏体相变的形核问题》读后感 摘要：简要介绍论文《马氏体相变的形核问题》的主要内容和特点，分析该论文的严谨与科学性。 关键词：马氏体相变的形核，马氏体，马氏体相变 钢在淬火时会增强硬度和强度，这早已是众所周知的事实。我国劳动人民在战国时期就进行过钢的淬火，但19世纪后叶，人们才知道钢经加热和冷却时，其内部组织会发生改变，有一种相变转变成另一种相，1985年为纪念金相家Marten将淬火钢的相变产物命名为马氏体。1924年Bain首先发现，在预先抛光的钢试样表面上形成马氏体后出现皱纹（浮突）及提出著名的Bain应变以来，马氏体相变研究已经经历了七十余载，三十年代后期发现铜合金（Cu-Al,Cu-Sn,Cu-Zn）中具有和钢中类似的马氏体相变，长期以来马氏体相变的研究得到了很大的发展。但对马氏体相变的形核机理尚无较完备可靠的理论。对马氏体形核机理的研究将加深对马氏体相变过程及理论的认识，因此马氏体相变的形核问题是马氏体相变研究的热点之一。 我通过查阅有关马氏体相变的论文例如《马氏体相变的分类》、《马氏体相变研究进展和展望》以及徐先生的《马氏体相变及马氏体》等，发现近90年来国内外在马氏体相变晶体学、热力学与动力学等方面的研究已经取得了很多重要的成果。尽管国内外的学者已经认识到马氏体相变具有形核长大的特征，但马氏体的形核问题依然没有的到很好的解决。 通过研究徐祖耀先生的《马氏体相变的形核问题》发现该论文引用了国内外的许多著名理论例如经典形核理论等，以及通过统计物理的分析推倒有力的驳斥了一些学者近年来的错误即否定经典形核理论中马氏体形核几率的计算，并对他们佐证均匀形核观点所引用的试验寓于了准确解释，从而从源头上否定一些学者均匀形核理论的错误。最后根据自己的研究和总结国内外学者的研究提出了马氏体形核问题研究的几个比较合理的方向。本人对于该篇论文的严谨性与科学性叹为观止，徐祖耀先生及其合作者对马氏体相变的研究深度略见一斑，不仅从理论上来驳倒错误的观点更进一步指出由于一些学者对一些实验没能够很好的理解与认识便加以引用从而得出错误的结论观点。可谓搬石头砸自己的脚。以下从以下几个方面来分析徐祖耀先生以及其合作者的该篇著作。
铁碳马氏体的强韧化机制 左得佑 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院2008级材料科学系1081900205 摘要:本文通过介绍金属材料的组织与结构的基本理论，介绍了铁碳合金中的马氏体转变过程。介绍了在不同碳浓度铁碳合金中的马氏体强韧化机制以及其热处理工艺过程，并引用不同学者对其进行的性能表征加以证明，得出了铁碳马氏体的强韧化机制。 关键词:金属材料结构与性能；强韧化机制；马氏体；高强度钢 1.金属材料的组织与结构 金属材料的强在所有应用材料中，凡是由金属元素或是以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为金属材料。掌握金属的内部结构及其对性能的影响，对于我们更好、更合理地使用金属材料，并充分挖掘它们的潜力具有非常重的要的意义。 自然界中的固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体与非晶体。在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的，称为非晶体，例如普通玻璃、松香、树脂等；相反，凡原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体。金属像绝大多数物质一样，在固态下其内部原子是有规则排列的，这点已经由X射线衍射、电子衍射证实，因此固态金属属于晶体。 1.1纯金属的晶体结构 1.1.1晶格、晶胞与晶格常数 晶体中的原子规则排列的方式称为晶体结构。不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。 1.1.2晶面与晶向 在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。 1.1.3金属晶体的类型 在已知的金属元素中，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构以外，绝大多数（85％左右）金属属于以下三种晶格：体心立方晶格(bcc)、面心立方晶格(fcc)、密排六方晶格(hcp)。 1.1.4金属晶体的特性 （1）确定的熔点纯金属进行缓慢加热，达到一定的温度，固态金属会熔化成液态金属，并且在熔化过程中，温度保持不变，其熔化温度称为熔点；而非晶体材料在加热时，由固态转变为液态时，其温度逐渐变化。 （2）各向异性金属晶体不同方向上的物理、化学和力学性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。 1.2金属的实际晶体结构 1.2.1单晶体和多晶体 我们把内部原子排列的晶格完全一致的由单个晶粒所形成的晶体称为单晶体。现代工业中，只有为了专门用途才制造单晶体。单晶体的力学性能是各向异性的。
一.马氏体的定义 马氏体是经无（需）扩散的，原子集体协同位移的晶格改组过程，得到具有严格晶体学关系和惯习面的，相变常产物中伴生极高密度位错，或层错或精细孪晶等晶体缺陷的整体组合。 马氏体相变：原子经无需扩散的集体协同位移，进行晶格改组，得到的相变产物具有严格晶体学位向关系和惯习面，极高密度位错，或层错或精细孪晶等亚结构的整合组织，这种形核----长大的一级相变，称为马氏体相变。 二.马氏体相变的基本特征 1.马氏体相变的无扩散性 在较低的温度下，碳原子和合金元素的原子均已扩散困难。这时，系统自组织功能使其进行无需扩散的马氏体相变。马氏体相变与扩散性形变不同之处在于晶格改组过程中，所有原子集体协同位移，相对位移量小于一个原子间距。相变后成分不变，即无扩散，它3仅仅是成分改组。 2.位相关系和惯习面 马氏体相变的晶体学特点是新相和母相之间存在一定的位向关系。马氏体相变时，原子不需要扩散，只作有规则的很小距离的移动，新相和母相界面始终保持着共格和半共格连接，因此相变完成之后，两相之间的位相关系仍保持着。 惯习面:马氏体转变时，新相和母相保持一定位向关系，马氏体在母相的一定晶面上形成，此晶面称为惯习面。通常以母相的晶面指数
表示。钢中马氏体的惯习面随着碳含量和形成温度不同而异。有色金属中马氏体的惯习面为高指数面。 3.马氏体的精细亚结构 马氏体是单向组织，在组织内部出现的精细结构称为亚结构。低碳马氏体内出现极高密度的位错（可达1012/cm）。今年来发现板条状的马氏体中存在层错亚结构。在高碳钢马氏体中主要以大量精细孪晶（孪晶片间距可达30nm）作为亚结构，也存在高密度位错；有的马氏体中亚结构主要是层错。有色金属马氏体的亚结构是高密度的层错、位错和精细孪晶。 4.相变的可逆性，即新旧相界面可逆向移动 有色金属和合金中的马氏体相变多具有可逆性，包括部分铁基合金。这些合金在冷却时，母相开始形成马氏体的温度称为马氏体点（Ms），转变终了温度标为Mf;之后加热，在As温度逆转变形成高温相，逆相变完成的温度标以Af。 但是在钢中，淬火马氏体中的碳原子扩散较快，一般淬火到室温，碳原子立即扩散偏聚，形成碳原子偏聚团，如Corierl气团，100摄氏度以上即可析出碳化物。这样当马氏体加热到高温过程中，马氏体已经分解，则不能发生逆相变为奥氏体。一次钢中的马氏体一般不发生你转变。如果迅速冷却得到新鲜马氏体，之后立即迅速加热，是马氏体来不及回火析出，也会发生逆转变。 除了以上主要特征外，马氏体相变还有表面浮凸、非恒温性等现象。浮凸是过冷奥氏体表面转变时发生的普遍现象。马氏体转变也有