三评马氏体相变的切变机制

从热力学、晶体学、表面浮凸等方面逐一对切变机制进行了理论探讨及试验观察分析,从多角度、多方面综合分析了马氏体切变机制存在的缺陷。研究发现马氏体相变的切变机制缺陷:①各种晶体学切变模型的切变过程需要极大的切变能量,在208~320 kJ/mo之l间,为相变驱动力所不及。切变机制的相变阻力太大,约2.335 kJ/mol,相变驱动力难以克服相变阻力完成切变过程;②各种晶体学切变模型均与实际不符;③表面浮凸是试样表面的过冷奥氏体转变产物的一种普遍表象,马氏体表面浮凸跟珠光体、贝氏体的浮凸比较,没有特殊之处,呈帐篷形,不具备切变特征。表面预先划痕在马氏体形成后出现断裂、弯曲,并非连续的折线,呈非N形。马氏体切变机制应予摈弃,建立马氏体相变新机制。     

马氏体相变切变机制的现代试验验证和切变能的计算——再评“马氏体相变的非切变机制”

遴选了马氏体相变切变机制的现代试验结果,证明马氏体相变切变机制的正确性.在诸多有色合金中马氏体相变产生的切变能相对相变驱动力而言较大,但母相弹性常数的测定表明,马氏体相变时母相的弹性常数在特定方向将产生软化(对应切变方向),由此可有效地降低马氏体相变的切变能,从而得以使马氏体相变以切变形核.透射电镜的观察表明,层错迹线被单变体马氏体切过后将变成折线,并且试验测定的切变角与理论切变角很好地符合.透射电镜高分辨像揭示了马氏体/奥氏体界面处存在过渡区.这些区域的原子约从fcc奥氏体(111)面上的位置切变位移了50％,这是不同于扩散型相变的贝氏体/奥氏体界面.随后介绍了徐祖耀计算Fe-C合金马氏体相变切变能的方法.最后,指出了“马氏体相变非切变机制”理论提出者刘宗昌等由于对前人工作缺乏深入了解,在错误的物理概念基础上来计算马氏体相变切变能,导致错误结论.     

马氏体相变切变机制的实验和理论研究——评刘宗昌等的马氏体相变非切变机制

刘宗昌等学者近几年相继在国内杂志发表了有关马氏体相变非切变机制的论文,并将这些论文作为他们2012年出版的《马氏体相变》一书中的主要创新内容予以强调。他们否定已被国际公认的马氏体相变切变机制的主要依据有两条:1)马氏体相变切变机制缺乏实验基础,即缺乏现代实验技术,如透射电镜(TEM),原子力显微镜(AFM)的实验证明;2)根据他们的计算,马氏体切变能太大,相变驱动力无法克服切变能。本文作者首先结合马氏体晶体学表象理论(PTMC)给出论证马氏体相变切变机制的TEM和AFM实验;随后介绍徐祖耀提出的计算马氏体相变切变能的方法;最后评论刘宗昌等的论断和切变能的计算方法。     

Cu—Zn—Al合金中马氏体和贝氏体浮突的原子力显微镜研究

首次采用原子力显微镜（ＡＦＭ）对Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中的马氏体浮突和贝氏体浮突进行了定量观测。在此基础上，将ＡＦＭ的测量结果与马氏体相变表象理论（ＰＴＭＣ）进行发对比，发现马氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论相符合，而贝氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论不符合，说明贝氏体相变机制与马氏体不同，不可能是切变机制；同时发现贝氏体浮突是一组贝氏体亚单元所造成的浮突组成的浮突群。     

马氏体相变的晶体学特征—不变平面应变

自20世纪20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连续的折线,提出了以切变为基础的马氏体相变的晶体学特征—"不变平面应变"的概念。随后,以该概念为基础建立了马氏体相变晶体学表象理论(PTMC)。然而,刘宗昌等基于相同的实验,即马氏体相变后的直线刻痕仍为直线和浮凸形态为帐篷形,分别在2010年和2013年《热处理》杂志上发表文章,否定马氏体相变的"切变"机制进而否定马氏体相变的"不变平面应变"。如所周知,否定马氏体相变的"切变机制"就是否定"不变平面应变",因此刘宗昌等于2013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Yang和Wayman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,而自协调的多个马氏体可使迹线仍为直线;单变体马氏体的浮凸为N形,但多变体马氏体的浮凸可以是帐篷形或更为复杂的形态,由此可以说明刘宗昌等错误观点的原因。最近,本文作者及其合作者基于PTMC计算了Mn80Fe15Cu5热弹性合金马氏体相变的惯习面,并与实验结果相符,由此确认了"不变平面应变"是马氏体相变晶体学特征的正确性。     

Cu－Zn－Al合金中马氏体和贝氏体浮突的原子力显微镜研究

首次采用原子力显微镜（ＡＦＭ）对Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中的马氏体浮突和贝氏体浮突进行了定量观测。在此基础上，将ＡＦＭ的测量结果与马氏体相变表象理论（ＰＴＭＣ）进行了对比，发现马氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论相符合，而贝氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论不符合，说明贝氏体相变机制与马氏体不同，不可能是切变机制；同时发现贝氏体浮突是一组贝氏体亚单元所造成的浮突组成的浮突群     

四评马氏体相变的切变机制

重点解析了马氏体相变的阻力,在不考虑切变的情况下,具体计算了纯铁和铜合金的马氏体相变阻力,算得纯铁和铜合金的马氏体相变阻力分别为936 J.mol-1、36.18 J.mol-1。此马氏体相变驱动力只能用来克服切变能以外的相变阻力,推动马氏体形核长大;马氏体相变若以切变方式进行,则阻力太大,相变驱动力远远不足以完成切变。切变机制不符合省能原则。     

马氏体相变理论研究的最新进展

马氏体相变的切变机制存在误区,研究马氏体相变的形核、长大、组织形貌及亚结构等具有重要理论价值和实际意义。本文综合整理了近年来马氏体相变试验研究的新成果,指出马氏体在晶界、相界面、位错等缺陷处形核,并非切变形核;发现板条状马氏体中存在层错亚结构。位错、孪晶亚结构的形成也非切变所致;马氏体组织形貌的演化与应变能有密切关系;马氏体表面浮凸是相变比体积增大所致,N型切变缺乏试验依据。     

Fe-15Ni-0.6C合金马氏体浮凸及相变新机制

对预先抛光的Fe-15Ni-0.6C合金试样进行真空热处理,随后用Nano First-1000型扫描隧道显微镜和QUANTA-400型环境扫描电镜对未经浸蚀的试样进行观察分析,发现,Fe-15Ni-0.6C合金马氏体片的浮凸为帐篷形（∧型）,浮凸最高高度为43~96 nm。分析认为,马氏体表面浮凸是由于过冷奥氏体转变为马氏体时比体积增大、体积膨胀造成的,而非切变所致。对浮凸高度进行了理论计算,结果表明,马氏体线膨胀量比实测的浮凸高度大,计算的浮凸平均高度为162 nm,是膨胀过程受阻所致。浮凸非N形,是帐篷形,不具备切变特征,马氏体的切变机制缺乏实验依据,也与实际不符。提出了马氏体相变新机制。     

贝氏体和马氏体浮突的扫描隧道显微镜研究

本文首次用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）研究了Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ钢中贝氏体和马氏体浮突的形态，利用ＳＴＭ所独具的优异的纵向分辨率，发现贝氏体浮突实际上是贝氏体的亚片条，亚单元及超亚单元造成的表面浮突所组成的浮突群，完全不符合马氏体浮突的不变平面应变特征，说明了贝氏体相变不可能按切变机制进行。     

关于马氏体相变机制的研究

对马氏体相变理论的研究情况进行了概括而粗浅的评价,指出,马氏体相变的切变机制并不成熟,存在认识上的误区。应开展新的关于马氏体转变机制的研究,开创马氏体相变理论研究的新局面。     

近几年马氏体相变研究的进展

综合整理了近年来马氏体相变试验研究的新成果.认为马氏体相变切变过程缺乏热力学可能性.指出马氏体在晶界、相界面、位错等缺陷处形核,并非共格切变过程.发现板条状马氏体、片状马氏体中均存在堆垛层错亚结构；高密度位错、孪晶、堆垛层错亚结构的形成并非切变所致；马氏体形貌的演化系应变能起主导作用,与切变无关；马氏体表面浮凸是相变比...     

Cu—Zn—Al合金贝氏体及马氏体表面浮突的扫描隧道显微镜研究

首次用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）观察了ＣｕＺｎＡｌ合金的贝氏体和马氏体表面浮突，发现贝氏体浮突是由许多亚单元组成的浮突群，单个亚单元浮突呈“Ｖ”型，不同于马氏体相变不变平面应变的“Ｎ”型浮突，从而说明贝氏体不可能切变形成。同时在实验结果的基础上，提出了贝氏体激发形核－台阶生长的形成机制     

Fe-0.3C-3Mn-2Ni-2Si中贝氏体表面浮突效应的原子力显微镜研究

利用原子力显微镜(AFM)对Fe-0.3C-3Mn-2Ni-2Si(质量分数,％)合金中315℃等温贝氏体相变的表面浮突效应及相应区域的微观组织进行了对比观察.结果表明,伴随贝氏体相变的帐篷型表面浮突效应完全是新相长大过程中的形状应变所引起;贝氏体铁素体最小结构单元的表面浮突为帐篷型,不同于单倾型马氏体浮突,不可能以切变方式形成,它的两浮突角在8-10°之间.扩散台阶机制可以解释上述现象.     

马氏体相变晶体学概述(一)

阐明马氏体相变的惯习面、位向关系和亚结构等晶体学特征是马氏体相变研究的重要内容之一。金属材料马氏体相变的位向关系有K-S关系、N(或N-W)关系,G-T关系和Burgers关系等,相应的经典切变模型为K-S模型、N模型、G-T模型和Burgers模型。但这些模型均不能解释相变的表面浮凸和惯习面问题。以不变平面应变为基础的马氏体相变晶体学表象理论,即P1=RBP或P1P2=RB,能成功预测许多马氏体相变的晶体学特征。其不变线S的获得和求取是表象理论的关键,通过S的逆分解可以求解相变的惯习面和位向关系,结果与实验测定值相吻合。然而,应用上述理论求解板条马氏体和(225)f马氏体的晶体学特征的努力并不成功。近二三十年来,发展了晶体学理论的双点阵不变切变模型,F=RPS2S1。由此出发,能够说明板条马氏体和(225)f马氏体的晶体学特征。此外,简单介绍张文征等学者的一些马氏体相变晶体学方面的研究成果。     

马氏体相变的定义

对前人所下的马氏体相变定义作了总结，将马氏体相变定义为：替换原子经无扩散切变位移（均匀的和不均匀的形变）、由此产生形状改变和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核－长大型的相变。或简单地称马氏体相变为替换原子经无扩散切变（原子沿相界面作协作运动）、使其形状改变的相变。     

马氏体相变的定义

对前人所下的马氏体相变定义作了总结，将马氏体相定定义为：替换原子经无扩散切变位移（均匀和不均匀的形变），由此产生形状改变和表面浮突，呈不变平面应变特征的一级，形核－长大型的相变，或简单地称马氏相变为替换原子经无扩散切变（原子沿相界面作协作运动）使其形状改变的相变。     

板条马氏体的宏观点阵变形特征及其相变晶体学研究

利用原子力显微镜观察并配合透射电子显微镜研究了板条马氏体的宏观点阵变形特征及其相变晶体学。结果表明：板条马氏体的同位向束的表面浮凸即“浮凸束”,是由若干个平行排列的“切变基元”堆垛而成,“切变基元”浮凸为不规则“N”型;单变体板条马氏体即马氏体板条的表面浮凸呈不规则“篷帐”型;马氏体板条的浮凸高度远低于{31015}f孪晶马氏体。建立了板条马氏体切变基元的形成模型。     

板条状马氏体的亚结构及形成机制

研究马氏体亚结构及形成机制具有重要理论意义和应用价值.应用35CrMo等材料,淬火为马氏体组织,采用JEM-2100电镜观察马氏体形貌和亚结构,发现35CrMo钢马氏体为板条状,亚结构除了高密度缠结位错外,还有高密度层错.结合2Cr13、Fe-15 Ni-0.6C合金试样的浮凸试验,应用隧道扫描显微镜观察表面马氏体浮雕形貌,测定浮凸的微细尺寸.综合上述试验结果,分析位错、层错形成机制.发现浮凸效应中没有出现位错滑移迹象,认为切变模型不能解释高密度位错和层错的形成.最后应用马氏体相变新机制分析了高密度缠结位错、精细层错的形成.     

贝氏体相变简介

钢、有色合金和一些陶瓷材料中都存在贝氏体相变。贝氏体钢正成为有益的工程材料。总结评述切变学派和扩散学派作者们以形貌、动力学或晶体学对贝氏体相变机制所持的论点。钢中贝氏体相变以过饱和铁素体开始形成之说迄未得到支持。一些实验已发现替代（置换）型合金元素在相界面上的偏聚，并以此所呈现的拖曳效应说明相变的不完全现象，切变学者以切变机制来解释这个现象，但此现象不是钢中贝氏体相变的普遍情况。贝氏体形成时呈现帐篷形浮突，不具不变平面应变特征；有时马氏体相变晶体学表象理论能近似地应用于贝氏体相变晶体学，但不能以此来判定其相变机制为扩散或切变。溶质拖曳效应以及高分辨电镜对相界面结构实验、热力学研究、磁场和应力场对贝氏体相变影响以及一些预相变现象都确证贝氏体相变籍扩散机制进行。本文作者定义贝氏体为：在Ms温度以上，经扩散相变的产物，多呈片状，形成时会在自由表面上呈现帐篷形浮突。提出贝氏体相变机制进一步研究和应用的展望。