第6章 其他马氏体相变(1学时)

第6章其他材料马氏体相变1、有色金属合金中马氏体相变特点及分类

有色金属合金马氏体相变和铁基合金在热力学、动力学、物理及力学性质等方面有很大的差异.有色金属合金相变热滞大，相变的应变比较小，比铁基合金（约10-1）至少小1~2个数量级，相变的临界化学驱动力小，有色合金马氏体相变速率都比较低，马氏体具有较高的内耗值，高的阻尼特性。有色金属合金马氏体相变的结构形态也比较复杂。母相往往是有序结构，有的还具有多种有序结构，转变形成的马氏体也呈多种晶体结构，

UJS—DaiQX现象与特征铁基合金马氏体相变有色金属合金马氏体相变合金化特点间隙式、置换式或间隙式和置换式置换式转变滞后现象大非常小相变应变相对地大相对地小母相弹性常数在相变临界点MS附近弹性常数的值大在相变临界点MS附近弹性常数的值小化学驱动力大小生长特征自调节不明显自调节变体很好地发展动力学高速率，“爆发型”，变温转变或等温转变或变温和等温转变低速率，非爆发型，不存在等温转变，热弹性平衡界面动性低而且不可逆高而且可逆阻尼特性低高表有色金属合金和铁基合金的马氏体相变定性比较

UJS—DaiQX徐祖耀将有色金属合金中马氏体相变分为四类：（1）溶剂组元具有同素异构转变的合金系，如钴基合金面心立方FCC→密排六方HCP，钛合金的体心立方→密排六方；（2）在合金系的中间固溶体发生马氏体相变，如β-Hume-Rothery相变及镍基形状记忆合金；（3）由金属间化合物及其固溶体发生的马氏体相变，如NiAl中的马氏体相变；（4）赝（准）马氏体相变，包括很弱的一级相变（或具有二级相变特征）的一些无扩散相变，如锰基合金的无扩散相变。UJS—DaiQX2、铜合金中的马氏体相变对于Cu-Zn-Al合金的马氏体相变临界温度MS有一些经验公式，因为实验条件的不同，各公式的计算结果有较大的差别。下面介绍徐祖耀在Cu-Zn-Al合金中得到的计算式:

MS（K）=2559.4–6455.2（xZn+1.2445xAl）Cu-Zn-Al合金的MS不仅决定于母相有序结构，还与母相的晶粒大小及有序度有关.由母相β转变成马氏体M的相变自由能差主要由化学自由能GC和应变能Ge组成：UJS—DaiQX对热弹性马氏体，可设马氏体开始形成时，化学自由能差刚好和相变应变能差抵消，对应的温度就是MS。

因为M相变温度范围较小，可以将相变的焓差和熵差看作是与温度无关的常数。所以MS所以UJS—DaiQX应变能为切变应变能与体积应变能之和，即式中,是相变体积变化产生的应变能差，与晶粒度无关。τ是马氏体相变的临界切应力，εp为切应变

,MS与母相强度为线性关系，并且母相强度越高，MS点越低。根据Hall-Petch公式和上式可得UJS—DaiQX上式中

是单晶体（d→∞）的马氏体转变点.因为K<0,所以MS随晶粒尺寸增大而升高。

MS随有序化参数ξ增大或上升或下降。ξ在恒温有序相变过程中随时间增加而增大。对于Cu-Zn-Al系合金，有序化过程的动力学方程具有下面形式：ξ

式中，C为常数，Q为有序化激活能，T为恒温温度，R为普适气体常数；当t=t0时，ξ=0；t为恒温时间。经推导（过程略）可得UJS—DaiQX上式就是马氏体相变温度与分级温度和等温时间的关系式。徐祖耀认为MS与母相强度为线性关系，并且母相强度越高，MS点越低。这在某些温度范围可能是对的,但不适合于所有温度范围和所有合金.UJS—DaiQX奥氏体钢中强度和马氏体相变点的关系UJS—DaiQX2、无机非金属材料的马氏体相变研究表明，半导体材料、超导化合物、有机物、生物等都具有马氏体相变的系统和现象，这样就有可能将马氏体相变与生命现象联系起来。表7.4列出了非金属材料中的点阵变形转变类型。陶瓷中也同样存在同素异构转变等相变，例如：Al2O3：γ-Al2O3（立方）→β-（六方）→α-（三方）ZrO2：c-ZrO2（立方）→t-（四方）→m-（单斜）Si3N4：α-Si3N4（六方）→β-（六方，但晶格常数不同）某些二元陶瓷也可能出现脱溶分解。

UJS—DaiQX非金属材料相变相相变类型无机化合物碱金属卤化物和卤砂硝酸盐MX,NH4XRbNO3KNO3，TiNO3，AgNO3NaCl立方↔CaCl2立方NaCl立方↔菱形↔CsCl正交正交↔菱形闪锌矿型↔NaCl立方矿物质辉石链硅酸盐硅石顽辉石（MgSiO3）硅灰石（CaSiO3）铁硅酸盐（FeSiO3）石英鳞石英正交↔单斜单斜↔三斜正交↔单斜三角↔六角六角与纤锌矿有联系的结构陶瓷氮化硼二氧化锆BNZrO2纤锌矿型↔石墨型四方↔单斜二钙硅酸盐水泥2CaO•SiO2三角↔正交↔单斜有机化合物链形聚合物聚乙烯(CH2-CH2)n正交↔单斜表具有点阵变形转变的非金属材料（Kriven，1982）UJS—DaiQX例陶瓷材料的相变增韧

应力诱导相变增韧。受力时在裂纹尖端一定范围内，被抑制t-ZrO2会转变为稳定的单斜m-ZrO2相，将消耗断裂功，使裂纹尖端的扩展延缓或受阻。

微裂纹增韧。当主裂纹扩展时，遇到无数m-ZrO2粒子周围基体中的微裂纹，造成裂纹分叉，使扩展路径更加曲折，断裂表面积增大，最终消耗更多的断裂功。UJS—DaiQX

ZrO2-Y2O3

ZrO2–MgO

UJS—DaiQX陶瓷中相变增韧的效果主要决定于因发生相变而吸收断裂能量的大小。Lange得到了增韧陶瓷的断裂韧度表达式：K0表示无相变增韧时的断裂韧度，为相变的化学驱动力，ΔUf为接近断裂表面处相变后的剩余应变能

,Ec是弹性模量，νc为泊松比，Vi为正方（t）相的体积分数，R为相变区的深度。

UJS—DaiQX

Y2O3-ZrO2中含Y2O3量对断裂韧度的影响实线是由上式的计算值。由图可知：含1.5%Y2O3（摩尔分数）时，材料断裂韧度较低，是因为出现了大量的单斜相；正方相在提高断裂韧度中起了重要的作用。同样，在ZrO2-Al2O3系复合型陶瓷中也有类似的情况

UJS—DaiQX三种增韧ZrO2基陶瓷的显微组织示意图（1）部分稳定ZrO2陶瓷（PSZ），含立方相和正方相；（2）正方ZrO2多晶体（TZP），含单相正方细晶多晶体；（3）复合型陶瓷，在其它陶瓷（如Al2O3）基体上弥散分布了增韧ZrO2。

UJS—DaiQX3、高分子材料的马氏体相变研究发现：环己烷具有复杂的同素异构转变；聚乙烯中应力诱发的正交-单斜相变属于马氏体相变；非对称不很高的有机固体将产生有序-无序转变。在一些晶态聚合物材料中会出现同素异构现象。聚四氟乙烯（PTFE），可发生无扩散型相变或马氏体相变。PTFE转变是通过一个自由体积切变（freevolumeshear）引起的无扩散相