馬氏體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)

馬氏體轉(zhuǎn)的熱力學(xué)過(guò)去，曾有不少人認(rèn)，馬氏體轉(zhuǎn)變不是熱學(xué)性的，轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力不是馬氏與奧氏體的自由能之差。四十年代，人們?cè)诖罅抗ぷ鞯幕系贸鲴R氏體轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的凝固以及鋼的加熱轉(zhuǎn)變是一樣的，即轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力也來(lái)自新舊相的化學(xué)自由能差但也應(yīng)看到，馬氏體轉(zhuǎn)變確有很多不同于其它轉(zhuǎn)變的在表上看來(lái)難以用熱學(xué)性質(zhì)觀點(diǎn)加以解釋的特點(diǎn)，現(xiàn)已逐步清，這些特點(diǎn)是馬氏體轉(zhuǎn)變的特定條件所決定的。（一）馬氏體轉(zhuǎn)變熱學(xué)條件1、變驅(qū)動(dòng)力馬氏體轉(zhuǎn)變和一般相一樣，相變的驅(qū)動(dòng)力是新相與母相的化學(xué)自由能差。一成分合金的馬氏體與奧氏體的化學(xué)自由能和溫度的關(guān)系圖25所。圖中T為兩相熱力學(xué)平衡溫度，即溫度為時(shí)G式中為高溫相之自由，G為馬體之自由能。在其它溫ˊ度兩相自由能不相等則

當(dāng)上式為正時(shí)，馬氏自由能高于奧氏體的自由能，奧氏體比馬氏體穩(wěn)定，不會(huì)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變；反之，當(dāng)上式為負(fù)時(shí)，則馬氏體奧氏體穩(wěn)定，奧氏體有向馬氏體轉(zhuǎn)變

的趨勢(shì)，γαˊ

即稱為馬氏體相變的動(dòng)力。顯然，在T溫度處G=0馬體轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)M必在T以下，γαˊ0以便由過(guò)冷提供相變需要的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。而逆轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)A必然在T以上，以便由過(guò)熱提逆轉(zhuǎn)變所需要的化學(xué)驅(qū)0動(dòng)力。通常把M與T之稱為熱滯，熱滯的大小視合金的各類和成分而異。Fe合金熱滯可高200℃以上，而有的合金的熱滯僅十幾度到十度，如Au-CdAg-Cd合金鐵系合金觀馬氏體轉(zhuǎn)的熱力學(xué)特點(diǎn)是，具有很大的熱滯，即必須在很大的冷度下才能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，一般的馬氏體轉(zhuǎn)變都需要在溫過(guò)程中不斷進(jìn)行，等溫保持馬氏體轉(zhuǎn)變將立即中止進(jìn)行逆轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)特征冷卻時(shí)的則好相反，相變必須在一定的過(guò)熱度下才能行，只有在A點(diǎn)以上相變才能進(jìn)行，而且轉(zhuǎn)變是在升溫過(guò)中進(jìn)行的，終了點(diǎn)為AA與M之fSS差的大小視合金各類同而異。2M的物理意母相與馬氏體兩相之的體積自由能之差達(dá)到相變所需的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)溫度。3T、M、A之的關(guān)系ST、M、A都是金成分的函數(shù)。不同的合金系A(chǔ)與SM之差是不同的，例如，合金中A較M高℃，SS

Au-Cd合金A較M僅高16驗(yàn)證明A與M之間SS的溫度差可以因?yàn)橐苄宰冃味鴾p小。如果在M點(diǎn)以上對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性形，會(huì)誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變而引起M點(diǎn)升高到M，同樣塑性變形也可使AdS下降到點(diǎn)和A分別稱為形變馬氏體點(diǎn)和變奧氏體點(diǎn)。因形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的馬氏體，常稱為形變馬氏體，同樣形變誘發(fā)馬體逆轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的奧氏體稱為形變奧氏體。M物理意義可以獲得形變馬氏的最高溫度在高于M的溫度對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性形，就會(huì)失去誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的作用。Ad的物理意義：可以得形變奧氏體的最高溫度。若在低于Ad點(diǎn)的溫度對(duì)馬氏體進(jìn)行塑變形，就會(huì)失去誘發(fā)馬氏體逆轉(zhuǎn)變的作用按馬氏體相變的熱力條件，我們可以知道M的限和A的下限均為T(mén)。實(shí)驗(yàn)證明，Co-Ni合金中M和A可0dd以重合，即M=A=T。果某合金系中M和A不合，d一般可取=（M+A）。d形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)颍焊鶕?jù)M的物理意義可知，形變之所以能誘馬氏體轉(zhuǎn)變，是因?yàn)樗苄宰冃螢橄嗵峁┝艘欢ǖ南嘧凃?qū)動(dòng)?？捎糜覉D加以說(shuō)明。Δ

是MVγ→α?xí)r的相變驅(qū)動(dòng)力，而變能為相變所提供的能量為機(jī)械驅(qū)動(dòng)

力。當(dāng)T=M，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力剛好等ΔG

Vγ→α

，圖中ab線代表在化學(xué)驅(qū)動(dòng)力上加上去的一部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。在

T溫度下化學(xué)驅(qū)動(dòng)力mn若該溫度下能提pm機(jī)驅(qū)動(dòng)力，則pm+mn剛好等ΔG

，而T<T，即在馬氏V→α熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，以能發(fā)生馬氏體相變。若機(jī)械驅(qū)動(dòng)力可全部代替化學(xué)驅(qū)動(dòng)，M點(diǎn)已上升T，但這要求一種0合適的變形方式以提足夠的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。（二）馬氏體轉(zhuǎn)變的動(dòng)力Δ

Vγ→α馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力自馬氏體與奧氏體的化學(xué)自由能之差ΔG一般相變理論的能量方程來(lái)看：VΔG=ΔGΔG+G+VDSe其中，ΔG和ΔG為變的驅(qū)動(dòng)力，而ΔGΔG為相變的VDSe阻力。在馬氏體形成，除形成新的相界面而消耗界面能，并因相變時(shí)比容增大維持第二類共格關(guān)系而消耗彈性應(yīng)變能之外，還需克服氏體的切變阻力作功。同時(shí)，馬氏體形成時(shí)不僅有宏觀的勻切變，使周?chē)膴W氏體發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生表面浮凸，且還有微觀的不均勻切變，在馬氏體內(nèi)產(chǎn)生滑移和孿生，成高密度位錯(cuò)和孿晶。因此，對(duì)馬氏體相變來(lái)說(shuō)，除ΔGΔG這項(xiàng)能量消耗外，還需要在這Se兩項(xiàng)之后加上若干個(gè)項(xiàng)，以考慮上述各項(xiàng)能量消耗，可用下式表示：ΔG=ΔΔG+ΔG+Δ+ΣΓVDSe

可見(jiàn)，馬氏體相變所熱滯如此之大，是由于這種相變的切變物性而引起額的能量消耗所造成的。（三）影響鋼M點(diǎn)的因素1、氏體化學(xué)成分的影響奧氏體化學(xué)成分對(duì)M的影響十分顯著般說(shuō)來(lái)MS要取決于鋼的化學(xué)成，其中又以含量的影響最為顯著。（1）的影響隨奧氏體碳含量的增，M和M均顯著下降，但二者f下降的趨勢(shì)不同，隨增加M基本上呈連續(xù)平緩的下，而M在C%<0.6%降很激烈，在以，M下降ff又變得很緩慢。C%=0.6%時(shí)M約為℃。以看出，在fC%小于前，隨的增加馬氏體形成的溫度間隔增大。氮（）對(duì)M和M的響與碳的影響規(guī)律基本相似。f（2）金元素的影響鋼中常見(jiàn)的合金元素除Al和Co可以高M(jìn)外其它合金元素均使M點(diǎn)降低降低M點(diǎn)的元素按其響的強(qiáng)烈順序排列為：Mn、Cr、Ni、Mo、Cu、W、V、Ti剛中單獨(dú)加入M的影不大但在鋼中Si可以降低鋼的M點(diǎn)。原因要取決于合元素對(duì)平衡溫度T的影及對(duì)奧氏體的強(qiáng)化效應(yīng)凡烈降低T又強(qiáng)化奧氏體元素就強(qiáng)

烈降低M點(diǎn)，如MnCr、與C類，即降低T0溫度又增奧氏體的服強(qiáng)度所以低M點(diǎn)AlCo、s、MoWVTi均提高T溫度，也不同程度地增加奧氏體的屈服強(qiáng)度σ若提高T的作用大時(shí)則使M點(diǎn)升s0S高如Al若強(qiáng)化奧體的作用大時(shí)使M降低；若兩方面的作用大致當(dāng)時(shí)對(duì)M點(diǎn)的影響不大鋼中每增加合金元素對(duì)M點(diǎn)產(chǎn)生的影響元素

C

MnCrNiMoV

AlΔT(℃)

-330

-45-35-25

0

-712值得注意的是，合金素的影響程度還與鋼的碳含量有關(guān)，隨C%的加，合金元素影響程度大。多種合金元素同時(shí)加入時(shí)的影響更復(fù)雜。2、熱規(guī)范的影響加熱溫度和保溫時(shí)間影響較為復(fù)雜。加熱溫度高保溫時(shí)間長(zhǎng)，有利于奧氏的合金化，可以提高奧氏體的合金化程度，使M點(diǎn)下降；但是，溫度高間長(zhǎng)奧氏體晶粒粗大、晶體學(xué)缺陷減少，這會(huì)導(dǎo)致M點(diǎn)升高。在完全奧氏體化的前提下，提高加溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將使M所提高。3、卻速度的影響在生產(chǎn)條件下，冷卻度一般對(duì)M無(wú)影響。在高速

淬火時(shí)隨淬火速度增大而升高碳鋼說(shuō)V冷×℃/S時(shí)，M沒(méi)有變化，當(dāng)V×℃/S時(shí)M也不再變化，但卻升高，而在6.6×℃×℃/S范圍內(nèi)，M隨V增加而升高。其原因可做如下解釋冷卻速度增加，使奧氏體的內(nèi)應(yīng)力增大，促進(jìn)了馬氏的形成。另一方面，冷卻速度抑制了“碳