马氏体相变新机制

1、马氏体表面浮凸和相变新机制马氏体表面浮凸和相变新机制的研究的研究刘宗昌等刘宗昌等破旧立新 马氏体相变切变机制缺乏实验证据；马氏体相变切变机制缺乏实验证据；马氏体相变晶体学切变模型与实际不符；马氏体相变晶体学切变模型与实际不符；切变消耗能量过大，相变驱动力不足以切变消耗能量过大，相变驱动力不足以克服相变阻力。切变机制基本上不能解克服相变阻力。切变机制基本上不能解释试验现象。经释试验现象。经8080年来修改完善仍然不年来修改完善仍然不成功，故应摒弃。成功，故应摒弃。 破旧立新、推陈出新，势在必行。破旧立新、推陈出新，势在必行。1.切变机制缺乏试验依据切变机制缺乏试验依据n2020世纪前叶，认为马氏

2、体的表面浮凸是切变造成的，世纪前叶，认为马氏体的表面浮凸是切变造成的，将表面浮凸形貌描绘为将表面浮凸形貌描绘为N N型，并作为马氏体相变切变机型，并作为马氏体相变切变机制的试验依据。制的试验依据。n近年来，试验发现马氏体表面浮凸跟珠光体、魏氏组近年来，试验发现马氏体表面浮凸跟珠光体、魏氏组织、贝氏体各转变产物的浮凸比较，没有发现特殊之织、贝氏体各转变产物的浮凸比较，没有发现特殊之处，所有板条状马氏体表面浮凸均为帐篷型（处，所有板条状马氏体表面浮凸均为帐篷型（），），FeFeNiNiC C合金合金259259f f型片状马氏体的表面浮凸也为型片状马氏体的表面浮凸也为帐篷型（帐篷型（）。不具备切变

3、特征。）。不具备切变特征。STM T8STM T8钢（钢（a a、b b）和）和60Si2Mn60Si2Mn钢（钢（c c、d d）表面浮凸像）表面浮凸像图图1珠光体浮凸贝氏体浮凸板条状马氏体浮凸片状马氏体浮凸马氏体浮凸与珠光体、贝氏体浮凸比马氏体浮凸与珠光体、贝氏体浮凸比较，没有特殊之处，均为帐篷形。较，没有特殊之处，均为帐篷形。19711971年的金相观察的浮凸实际上呈帐篷形（图年的金相观察的浮凸实际上呈帐篷形（图a a），），描绘为描绘为N N型（图型（图b b）是误导。）是误导。如果是切变，如果是切变，N N 型，则有鼓出，也有下陷鼓出型，则有鼓出，也有下陷鼓出量和下陷量应当相等。没有

4、体积变化。量和下陷量应当相等。没有体积变化。 此图是根据切变理论想象绘制的，并无试验证明我们的试验证明：划痕不我们的试验证明：划痕不连续，有直线，也有曲连续，有直线，也有曲线，非折线。线，非折线。划痕不连续，有中断，呈曲线，非折线。表明：20世纪国内外专家对马氏体浮凸的数据处理是错误的，N 型浮凸是误导。2.马氏体相变晶体学切变模型马氏体相变晶体学切变模型与实际不符与实际不符n2.1切变模型的缺陷切变模型的缺陷n从从2020世纪世纪2020年代始提出马氏体切变模型，到年代始提出马氏体切变模型，到7070年代，共提出年代，共提出8 8种切变模型，一种应变模型。种切变模型，一种应变模型。K-K-S

5、 S模型（模型（19301930）、西山模型（）、西山模型（19341934）、）、G-TG-T模型模型（19491949）、表象学假说（）、表象学假说（1953-19541953-1954）、）、K-N-VK-N-V模型模型(1961)(1961)，6)B-B6)B-B双切变模型（双切变模型（19641964），），模型（模型（19661966），藤田模型（），藤田模型（19761976）. . 和和BainBain应变模型（应变模型（19241924）。）。 其致命缺点是与实际基本上不符。其致命缺点是与实际基本上不符。 K-SK-S模型：模型： 切变切变11切变切变2 2 线性调整线性调整

6、 西山模型：切变西山模型：切变晶格参数调整晶格参数调整 G-TG-T模型：均匀切变模型：均匀切变+ +非均匀切变非均匀切变+ +晶格参数的调整。晶格参数的调整。 表象学假说：表象学假说：“W-L-RW-L-R理论理论”，“B-MB-M理论理论”， 以矩阵式以矩阵式F=RBS F=RBS 计算。计算。 所有晶体学模型均与实际基本上不符，经所有晶体学模型均与实际基本上不符，经8080来年修来年修改完善仍然与实际不符，因此，切变晶体学不成功。改完善仍然与实际不符，因此，切变晶体学不成功。1.1.切变机制晶体学不成功切变机制晶体学不成功2.2.相变驱动力不足以完成切变过程相变驱动力不足以完成切变过程2

7、.1马氏体相变驱动力：马氏体相变驱动力： 纯铁马氏体相变的临界驱动力约为1.18103Jmol-1 ， 0.41.2%C的Fe-C合金的相变驱动力为1.3371.714 103Jmol-1 。 2.2切变过程消耗的功切变过程消耗的功 1)1)按照按照K-SK-S模型切变需要的切变能量：模型切变需要的切变能量：32032010103 3J/molJ/mol-1-1。 2 2）西山切变模型，需切变能量）西山切变模型，需切变能量20820810103 3J/molJ/mol-1-1。 3 3）G-TG-T模型，切变共需切变能模型，切变共需切变能24824810103 3J/molJ/mol-1-1。

8、 2.3切变过程造成的应变能切变过程造成的应变能 计算350以切变机制转变为贝氏体时，得出切变造成的应变能约为W=1400Jmol-1。此为相变阻力。 算得板条状马氏体切变应变能W=1468Jmol-1。 对于高碳凸透镜状马氏体,则算得W=7340Jmol-1。 相变驱动力不足以克服切变应变能，故马氏体相变不能以切变方式进行。3.马氏体相变新机制3.13.1奥氏体奥氏体贝氏体的晶格改组未必需要切变过贝氏体的晶格改组未必需要切变过程。程。n奥氏体奥氏体先共析铁素体，先共析铁素体， fcc bccfcc bccn奥氏体奥氏体珠光体中的铁素体，珠光体中的铁素体， fcc bccfcc bccn奥氏体

9、奥氏体 BF, fcc bccBF, fcc bcc n奥氏体WFWF fcc bccfcc bccn 这些相变中晶格重构过程中都不需切变，而是以扩这些相变中晶格重构过程中都不需切变，而是以扩散方式或热激活跃迁方式完成散方式或热激活跃迁方式完成fcc bcc fcc bcc 的晶格改组。的晶格改组。 3.2相变省能原则和逐级演化原则相变省能原则和逐级演化原则1.1.自然事物演化的原则之一是旧相到新相转变的省能原则自然事物演化的原则之一是旧相到新相转变的省能原则 。2.2.逐级演化原则。逐级演化原则。 在高温区，珠光体的形成是原子进行界面扩散为主的相变；扩散型相变。 中温区，碳原子长程扩散，铁原

10、子和替换原子子非协同的热激活跃迁，界面控制，实现晶格改组；半扩散型相变。 低温区，所有原子有组织的集体协同位移，完成晶格改组。无扩散型相变。不是简单的机械式的切变过程。注意：原子移动方式的演化。注意：原子移动方式的演化。3.3 过冷奥氏体转变的演化过冷奥氏体转变的演化表13.4马氏体的形核马氏体的形核n马氏体形核一般在晶粒内部形成，也可以在晶界和孪晶界形核 。Fe-1.2C马氏体OM1Cr13 马氏体,TEM 3.5 马氏体晶核的长大马氏体晶核的长大n按照切变机制，需要进行12次切变晶格参数调整。新机制认为无需切变，直接实现fccbcc晶格重构。先共析铁素体的析出，共析分解，贝氏体铁素体的形成

11、等都不是切变过程。省掉切变过程，马氏体相变更省能。n在面心立方晶胞中和体心立方中分别选取菱形，按照表2进行晶格参数的调整即可形成马氏体晶核。在此过程中，每一个原子的位移矢量不等，但均远小于一个原子间距。注：晶格常数的变化：注：晶格常数的变化：-Fe-Fe的的a af f=0.364nm=0.364nm，-Fe-Fe的的a aM M=0.2861nm=0.2861nm；配位数变化：；配位数变化：fccbccfccbcc时由时由4 4变为变为2 2。表2. fccbccM时主要晶格参数变化 马氏体晶核的长大新机制马氏体晶核的长大新机制n马氏体晶核的长大是无扩散的，集体协同的、无扩散的，集体协同的、

12、热激活跃迁机制热激活跃迁机制。所谓集体集体是指包括碳原子在内的所有原子，即碳原子、铁原子、替换原子；所谓协同协同是指所有原子协作性地移动。n这一机制不同于切变位移，切变机制存在12次切变角为的宏观切变。 相变自由焓变化晶格原子转入晶格原子转入晶格，自由焓变化小晶格，自由焓变化小于于0 0，是自发过程。，是自发过程。奥氏体晶格转变为马氏体晶格的示意图奥氏体晶格转变为马氏体晶格的示意图原子位移矢量不等，位移距离均小于一个原子位移矢量不等，位移距离均小于一个原子间距。原子间距。1.在 晶向上位移0.0095nm，变为马氏体晶胞的体心原子。2.其他fcc原子转移到bcc晶胞上，移动距离均小于一个原子间

13、距。3.晶格重构时，所有原子是集体协同位移，原子位移矢量不等，因此不是切变。4.奥氏体/马氏体相界面保持半共格，界面向前推移是马氏体片长大的过程。110在在 重构时，在最密排晶向上形成位错重构时，在最密排晶向上形成位错的示意图的示意图 对于半共格界面形核，奥氏体中原有的位错可以作为补对于半共格界面形核，奥氏体中原有的位错可以作为补偿错配的界面位错，使形核时的能量增值减小。这是马氏体偿错配的界面位错，使形核时的能量增值减小。这是马氏体在位错处形核的原因之一。在位错处形核的原因之一。TEM 35CrMo钢板条状马氏体中的缠结位错 4.结论结论 （1 1）马氏体形核的晶体学模型和晶体学切变长大模型均

14、与）马氏体形核的晶体学模型和晶体学切变长大模型均与实际不符，切变机制缺乏试验依据。按切变机制完成切变实际不符，切变机制缺乏试验依据。按切变机制完成切变过程需要极大的切变能量，远远大于相变驱动力。相变驱过程需要极大的切变能量，远远大于相变驱动力。相变驱动力不足以克服切变机制引发的各项阻力，切变过程难以动力不足以克服切变机制引发的各项阻力，切变过程难以发生。切变机制应当摒弃。发生。切变机制应当摒弃。 （2 2）钢中马氏体相变在奥氏体晶内缺陷处或晶界通过结）钢中马氏体相变在奥氏体晶内缺陷处或晶界通过结构涨落和能量涨落形核，符合相变的一般规律。构涨落和能量涨落形核，符合相变的一般规律。 （3 3）马氏体晶核依靠碳原子、铁原子无扩散地集体协同）马氏体晶核依靠碳原子、铁原子无扩散地集体协同地热激活跃迁长大，原子每次移动距离远远小于一个原子