材料工程基礎(chǔ)講稿8

§4－7馬氏體的性能

1．M的硬度與強(qiáng)度

M的硬度和強(qiáng)度之間有較好的對應(yīng)關(guān)系。

1）M的硬度鋼中M最主要的特點(diǎn)是高硬度和高強(qiáng)度。M的硬度決定于M的碳含量，而與M的合金元素含量關(guān)系不大。

2）M高硬度、高強(qiáng)度的本質(zhì)M轉(zhuǎn)變時的切變及界面附近的塑性變形將在M晶體內(nèi)造成大量的缺陷，其中包括位錯、孿晶以及層錯等。顯然晶內(nèi)缺陷的增加使M其本質(zhì)與形變強(qiáng)化一樣，通常稱為相變強(qiáng)化。實(shí)驗(yàn)證明，無碳M的屈服強(qiáng)度為284MPa，與形變強(qiáng)化的F的屈服極限接近，而退火狀態(tài)F的屈服強(qiáng)度僅98~137MPa，這表明相變強(qiáng)化使屈服極限提高了147～186MPa。

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固溶強(qiáng)化

(p103)

M中以間隙式溶入的過飽和碳原子將強(qiáng)烈地引起點(diǎn)陣畸變，從而形成以碳原子為中心的應(yīng)力場，這個應(yīng)力場與位錯發(fā)生交互作用而釘扎位錯，使M顯著強(qiáng)化。M中碳量愈多，強(qiáng)化顯著。但當(dāng)碳含量大于0.4％后，由于碳原子靠的太近，使相鄰碳原子所造成的應(yīng)力場相互抵消，削弱強(qiáng)化效果。

合金元素在M中以置換方式溶入，對點(diǎn)陣引起的畸變遠(yuǎn)不如碳強(qiáng)烈，固溶強(qiáng)化效果較小。時效強(qiáng)化

p1042

亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化在碳含量小于0.3%的碳鋼中，M多數(shù)為板條狀的位錯亞結(jié)構(gòu)M，其主要靠碳釘扎位錯引起強(qiáng)化。但當(dāng)碳量大于0.3%后，出現(xiàn)片狀M——亞結(jié)構(gòu)中孿晶數(shù)量增多。孿晶界——位錯運(yùn)動的障礙，孿晶的出現(xiàn)將引起附加的強(qiáng)化。碳含量相同時，孿晶M的硬度與強(qiáng)度略高于位錯M。細(xì)晶強(qiáng)化

p10632．馬氏體的韌性

M的韌性也受碳含量及亞結(jié)構(gòu)的影響，可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動。低碳的位錯型M具有較高的韌性和塑性，M的韌性和塑性隨碳含量的增高而急劇降低。即隨M碳含量的增加，M的韌性和塑性顯著降低。M的韌脆轉(zhuǎn)折溫度也隨碳含量的增加而升高。由此可見，從保證韌性考慮，M的碳含量不宜大于0.4~0.5%。馬氏體的碳含（％）δ(%)ψ(%)ak(J/cm2)0.15～1530～40>78.40.255～810～2019.6~39.20.352～47～1214.7~29.40.451～22～44.9~14.74

在強(qiáng)度相同時，位錯M的斷裂韌性顯著高于孿晶M。這是因?yàn)閷\晶M滑移系統(tǒng)少，位錯不易運(yùn)動，容易造成應(yīng)力集中，而使斷裂韌性下降。此外，淬火時在孿晶M中易形成顯微裂紋也使其韌性降低。

3．馬氏體相變超塑性金屬在特定條件下可以具有超塑性。超塑性指的是高的延伸率及低的流變抗力。由相變誘發(fā)的超塑性稱為相變超塑性。

M轉(zhuǎn)變誘發(fā)的超塑性稱為M相變超塑性——顯著提高斷裂韌性。這種超塑性出現(xiàn)在淬火鋼的Ms~Md溫度范圍內(nèi)。

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產(chǎn)生M相變超塑性的原因是：①塑性變形引起局部應(yīng)力應(yīng)變集中，這種應(yīng)力應(yīng)變集中作為M相變的機(jī)械驅(qū)動力誘發(fā)M轉(zhuǎn)變，使應(yīng)力松弛，阻止裂紋的生成或擴(kuò)展；②形變強(qiáng)化指數(shù)由于M的形成而增大，抑制頸縮現(xiàn)象，使之應(yīng)變轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生均勻應(yīng)變。根據(jù)M形變超塑性的原理，目前已設(shè)計出多種相變誘發(fā)塑性鋼（即TRIP鋼），其Md>20℃>Ms。這種鋼在室溫下形變時即可誘發(fā)塑性，使鋼獲得很高的強(qiáng)韌性。4．馬氏體的物理性能鋼中M具有鐵磁性和高的矯頑力；磁飽和強(qiáng)度隨M的碳及合金元素含量的增加而下降。M的電阻較A和P高。在各種組織中M的比容最大，這種比容差將導(dǎo)致淬火零件的變形、扭曲和開裂。但也可以利用這一效應(yīng)，在淬火鋼表面造成殘余應(yīng)力，以提高零件的疲勞強(qiáng)度。65．高碳馬氏體的顯微裂紋高碳鋼在淬成透鏡片狀M時，經(jīng)常在M片邊緣以及M片與片的交接處出現(xiàn)顯微裂紋。原因是由于片狀M形成時的相互碰撞或與A晶界相撞所產(chǎn)生的。M的形成速度極快，相互碰撞時將因沖擊而形成相當(dāng)大的應(yīng)力場，高碳M又很脆，不能借助塑性變形來松弛應(yīng)力。故極易在相互碰撞時發(fā)生開裂。這種顯微裂紋既可能穿過M片，也可能沿M的邊界出現(xiàn)——給鋼帶來附加脆性，在應(yīng)力作用下有可能成為現(xiàn)成的裂紋源而使疲勞壽命顯著下降，也有可能擴(kuò)展成宏觀裂紋并導(dǎo)致斷裂。以單位體積M中出現(xiàn)的顯微裂紋的面積Sv（mm-1）作為形成顯微裂紋的敏感程度。

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這種顯微裂紋形成的傾向主要與A晶粒大小及其碳含量密切相關(guān)。①A晶粒愈粗大，則先形成的M片就愈大，其受其它的M撞擊的機(jī)會也愈多，故顯微裂紋形成的傾向就愈大。②A中的碳含量愈高，其Ms點(diǎn)愈低，形成貫穿整個A晶粒的窄而長的{225}γ片狀M的傾向愈大，顯微裂紋形成傾向愈大。③淬火冷卻溫度愈低，淬火組織中殘余A量愈少，M愈多，形成裂紋的可能性也愈大。8

為了防止和減少顯微裂紋形成的可能性，主要途徑是降低高碳鋼A化溫度，淬火后獲得細(xì)小的隱晶M、彌散均勻分布在基體上的未溶碳化物和少量殘余A，可具有高硬度高耐磨性及一定的韌性，這也是高碳鋼采用不完全淬火的原因之一。如在淬火過程中已經(jīng)產(chǎn)生了顯微裂紋，則可采取回火方法，使部分顯微裂紋通過彌合而消失。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)200℃回火可使大部分顯微裂紋通過擴(kuò)散而彌合。高碳鋼淬火后立即回火的原因也在與此。9§4－8熱彈性馬氏體及形狀記憶效應(yīng)

M轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)變具有可逆性。

1．形狀記憶效應(yīng)將某些金屬材料進(jìn)行變形后加熱至某一特定溫度以上時，能自動回復(fù)原來形狀的一種效應(yīng)——形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的合金——形狀記憶合金。某些合金在M狀態(tài)下進(jìn)行塑性變形后，再將其加熱到Af溫度以上，便會自動回復(fù)到母相原來的形狀→對母相形狀具有記憶功能；如將合金再次冷到Mf溫度以下，它又會自動回復(fù)到原來經(jīng)塑性變形后M的形狀，這表明對M的形狀也具有形狀記憶效應(yīng)。前者稱為單程記憶效應(yīng)；而同時兼有前、后兩者時，稱為雙程記憶效應(yīng)。1011形狀記憶效應(yīng)能夠回復(fù)的變形量約為6～8％，最大可達(dá)百分之十幾，變形量過大時不能完全回復(fù)。形狀記憶效應(yīng)是由M轉(zhuǎn)變的熱彈性行為和偽彈性引起的。

2．熱彈性馬氏體隨溫度的降低而長大，隨溫度的升高而縮小——熱彈性M。熱彈性M轉(zhuǎn)變——瞬時形核，瞬時長大到一定的尺寸。但與降溫M不同：溫度進(jìn)一步降低時繼續(xù)長大——界面的共格聯(lián)系未遭破壞。長大停止是因?yàn)檫M(jìn)一步長大時母相與M的自由焓差所提供的能量已不足以補(bǔ)償界面能與彈性能的增加——自由焓差所提供的驅(qū)動力與相變阻力相等，達(dá)到熱彈性平衡。在降低溫度時，驅(qū)動力大于阻力，使共格邊界未遭破壞的M繼續(xù)長大，直至達(dá)到新的平衡。當(dāng)溫度回升時，隨母相與M自由焓差的減小，為使系統(tǒng)自由焓降低，界面能與彈性能將提供驅(qū)動力使M片縮小，逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?。如在冷卻轉(zhuǎn)變時無不可逆的能量消耗（如塑性變形），則轉(zhuǎn)變無熱滯。如存在少量不可逆能量消耗，則轉(zhuǎn)變將有熱滯，但極小——僅十幾至幾十?dāng)z氏度。1213

出現(xiàn)熱彈性M的必要條件是界面共格聯(lián)系未被破壞。熱彈性M的三個基本條件是：①母相和M的比容要小，因比容小，彈性應(yīng)力也小；②母相的彈性極限要高，因彈性極限高靠切應(yīng)變維持的第二類共格聯(lián)系不易被破壞；③母相應(yīng)呈有序化狀態(tài)，因有序化程度愈高，原子排列規(guī)律性愈強(qiáng)，愈容易維持共格聯(lián)系。除極個別合金外，幾乎所有熱彈性馬氏體的母相均呈有序態(tài)。有序化程度愈高，Ms與As愈接近，熱滯愈小。143．偽彈性溫度升降引起熱彈性M片的消長，外加應(yīng)力的改變同樣也可以引起M片的消長。隨應(yīng)力增加，M片長大，隨應(yīng)力減小，M片縮小。由于由外力促發(fā)的M片往往具有相同的空間取向，故M片的長大，即隨M量的增加將伴隨宏觀的形狀改變。形狀記憶合金在某一恒定溫度下進(jìn)行拉伸，拉伸曲線隨應(yīng)力的增加，最初出現(xiàn)的是極少的彈性變形，以后由于發(fā)生了某一取向的M轉(zhuǎn)變，使試樣產(chǎn)生附加應(yīng)變，即產(chǎn)生宏觀的彈性應(yīng)變；當(dāng)外力消除，首先發(fā)生的是彈性回復(fù)，隨后發(fā)生的逆轉(zhuǎn)變使由M轉(zhuǎn)變而引起的附加應(yīng)變得以回復(fù)。由應(yīng)力誘發(fā)M定向轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的應(yīng)變——偽彈性。如果滯后比較大，當(dāng)外加應(yīng)力完全去除后，逆轉(zhuǎn)變還未發(fā)生，這就需要通過升溫發(fā)生逆轉(zhuǎn)變而使應(yīng)變消失。154．形狀記憶效應(yīng)的本質(zhì)

M轉(zhuǎn)變是一個均勻切變過程，轉(zhuǎn)變的結(jié)果能引起宏觀變形，在試樣表面形成浮凸。但熱處理零件在淬火成M時并未因此而產(chǎn)生形狀改變。這是因?yàn)镸轉(zhuǎn)變時，為減少應(yīng)變能，存在一個自協(xié)作效應(yīng)。從M轉(zhuǎn)變晶體學(xué)可知，M相對于母相可以有許多不同的空間取向。不同取向M的切變可以方向也不同，故所造成的宏觀變形可以相互補(bǔ)償。當(dāng)一個A單晶轉(zhuǎn)變?yōu)樵S多片不同取向的M時，由于相互補(bǔ)償，使A單晶的形狀并未因A轉(zhuǎn)變而發(fā)生改變——自協(xié)作效應(yīng)。

1）單程記憶效應(yīng)如果母相通過冷卻時的M轉(zhuǎn)變形成具有自協(xié)作效應(yīng)的幾種不同取向的M，則轉(zhuǎn)變的結(jié)果不會改變零件的形狀。此時如M內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e而不是位錯，相鄰的不同取向的M之間也呈孿晶或?qū)渝e關(guān)系，則在外力的作用下，可以通過孿晶界面的移動而使某一取向的M長大，其它不利取向的M不斷縮小，逐漸形成一個擇優(yōu)取向的偽單晶M。與此同時，零件形狀也隨之發(fā)生改變，如伸長或彎曲。撤出外力，零件形狀的改變將被保留下來，如將已經(jīng)發(fā)生形狀改變的零件加熱到As以上溫度，偽單晶M將通過逆轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶唷Ｈ缒孓D(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟缑娴囊苿?，則將回復(fù)母相原來形狀，呈現(xiàn)單程記憶效應(yīng)。16

形狀記憶效應(yīng)機(jī)制示意圖原子排列面的切應(yīng)變結(jié)構(gòu)相同，位相不同的馬氏體變體界面移動，相互吞食變形前后M結(jié)構(gòu)未變17圖9形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型182）雙程記憶效應(yīng)如轉(zhuǎn)變只有單個相界面，即一個母相單晶通過相界面的移動隨溫度的降低轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€M單晶，則轉(zhuǎn)變的結(jié)果將導(dǎo)致形狀的改變。如果轉(zhuǎn)變是可逆的，隨溫度的升高，M單晶又可以通過單個相界面的推移而轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄦尉В貜?fù)原來的形狀，此即為雙程記憶效應(yīng)。若要使合金具有雙程記憶效應(yīng)，可以對母相進(jìn)行訓(xùn)練（Training）處理。即在母相冷卻時還施加外力，使之產(chǎn)生規(guī)定的變形，這樣母相在進(jìn)行熱彈性M轉(zhuǎn)變時便不會形成隨機(jī)分布的各種取向的M，而只限于形成某些特定取向的M。若這種處理循環(huán)重復(fù)若干次，母相就可以在冷卻轉(zhuǎn)變時回復(fù)原來M狀態(tài)時的形狀，從而表現(xiàn)出雙重記憶效應(yīng)。訓(xùn)練之所以可以取得這種效果，是因?yàn)樗稍谀赶嘀行纬蓳駜?yōu)取向的晶體缺陷（如位錯），這種晶體缺陷可以作為熱彈性M的形核位置。但由于雙程記憶效應(yīng)總是用來對外界作功的，所以在外界反向應(yīng)力作用下很容易抑制或改變這種完全擇優(yōu)取向的缺陷，因此雙程記憶效應(yīng)總是不完全的，而且在使用中會逐漸衰減或消失。19

形狀記憶合金應(yīng)具備的條件是：①必須具有熱彈性M轉(zhuǎn)變；②亞結(jié)構(gòu)是層錯或?qū)\晶；③母相具有有序化結(jié)構(gòu)。顯然，第一個條件可保證M轉(zhuǎn)變的熱彈性行為，即M與母相始終保持共格關(guān)系；第二個條件可保證在外力作用下形成擇優(yōu)取向的偽單晶；第三個條件可以保證在逆轉(zhuǎn)變時M與母相間易于保持少數(shù)（或單一）特定的取向關(guān)系，使之能回復(fù)母相原來的形狀。顯然，形狀記憶合金的這三個條件缺一不可。205．形狀記憶合金應(yīng)用實(shí)例由于形狀記憶合金不僅具有形狀記憶功能，而且還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼等特性，所以在航空、航天、機(jī)械、化工、石油、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如。在航空航天領(lǐng)域方面，21工程應(yīng)用:緊固件、連接件、