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。     

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实验验证——兼评刘宗昌教授马氏体相变的非切变机制

马氏体相变是无扩散的位移型相变,对于一个给定的材料,由切变产生的表面浮突是马氏体相变的主要特征之一,它对应唯一的切变角。因此,通过实验确定的切变角与马氏体晶体学表象理论（PTMC）预测的理论切变角进行对比,可以验证马氏体相变的切变机制。本文列举了几个例子来验证马氏体相变的切变机制。在这些例子中,首先原子力显微镜被用于精确测定马氏体相变的浮突角,然后基于表面浮突角计算出相变切变角,最后将计算的相变切变角与PTMC预测的理论切变角进行比较,由此验证马氏体相变切变机制的正确性。本文所举例子足以否定刘宗昌教授的马氏体相变切变机制缺乏实验依据的观点和马氏体相变非切变机制的结论。     

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。     

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。     

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...     

马氏体相变

对前人所下的马氏体相变定义和所作的分类进行了总结,将马氏体相定义为：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,形核一长大型的相变,马氏体要变按动力学分为变温相变和等温相变,按热力学和界面动态分为弹性相变,近似（半）热弹性相变和非热弹性相变,热弹性相变的判据为（１）临界项相变动动力小,热滞小;（２）相界面能往复（正,逆）运动;（３）形状应变     

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     

A comparison of the phenomenological theory of martensitic transformations with a model based on interfacial defects

Structural models of martensitic interfaces are those where the habit plane (HP) is comprised of coherent terraces reticulated by arrays of interfacial defects. Such interfaces are shown explicitly to exhibit no long-range displacements and to move in a glissile manner by lateral motion of disconnections along the interface. We quantify predictions of HP and orientation relationship (OR) between the parent and product crystals for such models in terms of a reference lattice in an approach called a topological model (TM). These crystallographic quantities for the TM are compared with those of the phenomenological theory of martensite crystallography (PTMC). For the case of transformations resembling α to β in Ti, but where lattice invariant deformation is suppressed, the two models agree when the interplanar spacings of the terraces in the two crystals are the same. However, although the OR’s according to the two approaches are very similar, the predicted HP’s differ systematically when the terrace plane spacings are varied. The differences arise because the PTMC interfaces are unrelaxed configurations that are invariant planes of the geometrical shape transformation, whereas TM interfaces are physically invariant planes as a transformation progresses.     

α- to γ-Al2O3 martensitic transformation induced by pulsed laser irradiation

A martensitic transformation from the α to the γ phase of aluminum oxide was observed by transmission electron microscopy (TEM) upon rapid heating induced by pulsed laser irradiation. Two variants possessing a twin relationship were found in the product. High-resolution TEM reveals that the transformation is achieved via the glide of quarter partial dislocations on every other basal plane of α-Al₂O₃. The high thermal stress caused by pulsed laser irradiation is believed to be the main driving force of the phase transformation. This martensitic transformation is associated with a positive volume change and substantial shear strain. The overall shear strain could be minimized by the self-accommodating variants. These characteristics suggest potential application of the martensitic transformation for transformation toughening in ceramic materials.     

Surface relief effects of α precipitates in a Ti–Mo alloy

The characteristics of the formation of surface relief associated with h.c.p. α precipitates in a Ti–Mo alloy were studied by atomic force microscopy coupled with electron back scattering diffraction and three-dimensional morphological observation. Tent- or inverse tent-shaped relief was formed with normal α plates (thick plates formed often with a ragged interface at smaller undercoolings) progressively to a lesser extent with decreasing temperature. It was replaced entirely by invariant plane strain (IPS) type relief as the plate morphology evolved to black plates (thin straight plates formed at larger undercoolings). In contrast to IPS relief the tilt angles of tent- and inverse tent-shaped relief were often considerably greater than expected from the motion of biatomic structural ledges. There seems to be a marked correlation of relief type with the surface orientation of matrix grains. A phenomenological explanation is presented for unduly large relief angles on the basis of previous theories.     

钢中fcc/bcc(bct)马氏体形核与长大的一种晶体学模型

将不变线理论和O点阵理论应用于fcc／bcc(bct)马氏体相变的可滑移生长界面的设计,建立了马氏体形核与长大的晶体学模型．通过模型分析表明:fcc／bcc(bct)马氏体形核与长大过程是通过(121)fcc型择优界面推移进行的,界面上的错配位错可以完成马氏体晶体学唯象理论(PTMC)要求的点阵不变变形(LID),但LID要稍滞后于界面迁移,即在马氏体形核与长大过程中推移界面新相一侧存在一未发生LID的新相薄区;当相变温度达到马氏体相变点Ms时,母相奥氏体与这一薄区的晶格常数比为、√3/2,这一几何条件和Olson-Cohen形核模型中要求扩展位错层错区界面能γ≤0是等价的．     

孪晶马氏体的自协作效应及不变惯习面SCIEI

本文计算了孪晶马氏体基体和孪生部份的应变张量,发现二者的切变分量大致相反,故应变能降低。马氏体片可依靠基体和孪晶间的自协作效应沿孪晶面的法问长大。根据对不同惯习面法线的位移矢量的分析,{10,3,15}f面可构成宏观的不变惯习面,而{575}f,{252}f和{111}f面则难以构成。