鋼中馬氏體相變學(xué)時(shí)

鋼中馬氏體相變學(xué)時(shí)UJS—DaiQX第1頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX6.1幾個(gè)基本概念1位移式轉(zhuǎn)變

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變位移式轉(zhuǎn)變重建式轉(zhuǎn)變

位移式轉(zhuǎn)變是一種通過(guò)原子的協(xié)調(diào)移動(dòng)來(lái)進(jìn)行的固態(tài)相變相變特點(diǎn)

不需要破壞化學(xué)鍵，相變位壘低，相變速度快。協(xié)調(diào)移動(dòng)有兩種方式：均勻點(diǎn)陣形變（畸變）和原子改組（shuffle）第2頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX2

均勻點(diǎn)陣畸變

定義

均勻點(diǎn)陣畸變是將一種點(diǎn)陣轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N點(diǎn)陣的均勻應(yīng)變，也簡(jiǎn)稱均勻切變特點(diǎn)

均勻點(diǎn)陣形變會(huì)改變結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生體積變化和形狀變化，可引起高的應(yīng)變能.

最簡(jiǎn)單的就是Bain應(yīng)變模型

形狀變化有兩個(gè)分量：切變分量和膨脹分量，其共同作用使相變產(chǎn)生了整體的宏觀變形。表面浮凸現(xiàn)象就是由于形狀變化造成的。第3頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX3點(diǎn)陣不變形變

原理

最小自由能原理,盡可能↓相變體系的能量特點(diǎn)

又稱不均勻切變。M相變?cè)诘谝淮吻凶兒?，→產(chǎn)生滑移或?qū)\生?；屏粝挛诲e(cuò)、層錯(cuò)，孿生形成了共格孿晶界面。

這不改變已形成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，也不改變體積，卻改變了應(yīng)變能，使體系的能量↓。對(duì)一般馬氏體相變，點(diǎn)陣不變形變是第二次切變第4頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

圖馬氏體相變的二次切變過(guò)程a)母相晶體；b)點(diǎn)陣切變后的晶體；c)二次滑移切變；d)二次孿生切變第5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX4原子改組

5無(wú)擴(kuò)散相變

原子改組是原子在晶胞內(nèi)的協(xié)調(diào)移動(dòng)，這種移動(dòng)并不產(chǎn)生均勻點(diǎn)陣形變的應(yīng)變。如在Ti合金中的β→ω相變,某些原子靠近一點(diǎn)，另一些原子相對(duì)遠(yuǎn)離一點(diǎn)，交替進(jìn)行?！鷽](méi)有總的形狀變化，→應(yīng)變能不重要，界面能稍有變化

原子不發(fā)生隨機(jī)遷移擴(kuò)散的相變稱為無(wú)擴(kuò)散相變。當(dāng)然肯定也是位移式的。無(wú)擴(kuò)散相變重要的結(jié)果是使新、舊兩相具有完全相同的成分，并且組織缺陷也遺傳。所以從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，無(wú)擴(kuò)散相變可當(dāng)作單組元系統(tǒng)來(lái)處理。第6頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX圖Ti合金中的β→ω相變

(原子改組)

圖SrTiO3分子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)相變○氧原子,●Sr原子,頂角為T(mén)i原子第7頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX6、馬氏體相變定義

M?柯亨定義：M相變是實(shí)質(zhì)上沒(méi)有擴(kuò)散的點(diǎn)陣畸變式的組織轉(zhuǎn)變，它的切變分量和最終形態(tài)變化應(yīng)足以使轉(zhuǎn)變過(guò)程中動(dòng)力學(xué)及形態(tài)受應(yīng)變能控制位移式、無(wú)擴(kuò)散是兩個(gè)主要特征。特點(diǎn)

①需要形核和過(guò)冷；②形成一個(gè)不變平面界面。界面移動(dòng)速率極快，界面前有許多位錯(cuò)，應(yīng)變能是很重要的；③新、舊相結(jié)構(gòu)之間具有明顯的晶體學(xué)關(guān)系。當(dāng)然這不是根本特征，其它許多相變也都有.第8頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX7、準(zhǔn)馬氏體相變

準(zhǔn)M相變（QuasimartensiticTransformation）和M相變一樣，也是以切變形變?yōu)橹鳎淝凶兞坎淮?，因此它的?dòng)力學(xué)和形態(tài)基本上不受應(yīng)變能所控制。這種轉(zhuǎn)變也是位移式無(wú)擴(kuò)散相變，位移也是以切變?yōu)橹鞯?。和M相變的根本區(qū)別是軸比c/a是連續(xù)變化的，即意味著正方結(jié)構(gòu)是從母相連續(xù)形成的，不需要形核。

例如：超導(dǎo)化合物V3Si的轉(zhuǎn)變特征。V3Si從高溫冷卻到很低溫度時(shí)，具有立方結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣常數(shù)為a的母相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎浇Y(jié)構(gòu)相。如圖6.4所示，轉(zhuǎn)變臨界溫度為T(mén)m，正方結(jié)構(gòu)的c增長(zhǎng)，而a則減小。第9頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX第10頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX6.2馬氏體相變形核1均勻形核

分析討論相變晶核的臨界尺寸，一般有兩種方法：經(jīng)典均勻形核方法設(shè)

ΔG=ΔGV+ΔGE+ΔGS

→

求ΔG*相變變溫長(zhǎng)大理論

認(rèn)為體系到達(dá)相變臨界溫度MS時(shí),體系中已存在許多可供相變長(zhǎng)大的晶核,這時(shí)在理論上相變驅(qū)動(dòng)力和相變阻力是相等的.MS

應(yīng)滿足ΔGV+ΔGE+ΔGS=0→ΔG*

兩種方法得到的臨界晶核尺寸大小是有一定差別的第11頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX形成這片馬氏體時(shí)，總的自由能變化為：

ΔG隨r、c變化的曲線很復(fù)雜，呈馬鞍面形狀，是雙曲拋物面。分別求其偏導(dǎo)數(shù)，可求得ΔG*，即：經(jīng)典的均勻形核理論:設(shè)馬氏體核心呈扁球形，c/r?1，如圖6.6。

第12頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX2非均勻形核位錯(cuò)形核:位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生馬氏體核心;界面位錯(cuò)陣列形核;

位錯(cuò)應(yīng)變能協(xié)助轉(zhuǎn)變

層錯(cuò)形核:位錯(cuò)理論假定,位錯(cuò)可分解為兩組不全位錯(cuò)，當(dāng)兩組不全位錯(cuò)分離時(shí)，它們之間的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。若母相為面心立方結(jié)構(gòu)時(shí)，層錯(cuò)區(qū)域?yàn)閔cp。層錯(cuò)區(qū)域形成的就是hcp馬氏體的核心。

Olson和Cohen詳細(xì)定量地計(jì)算了這些位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng).

第13頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

面心立方結(jié)構(gòu)的密排面是{111}面，不全位錯(cuò)在密排面上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)Cohen和Olson理論,可有三種情況：（1）位錯(cuò)原堆垛在每層{111}γ面上，則不全位錯(cuò)在每一層{111}γ面上運(yùn)動(dòng)（2）若每隔一層{111}γ面上存在位錯(cuò)堆垛，并分解為不全位錯(cuò)（3）若不全位錯(cuò)在每隔兩層{111}γ面上運(yùn)動(dòng)，層錯(cuò)區(qū)域成為孿晶hcp結(jié)構(gòu)ε馬氏體bcc結(jié)構(gòu)α馬氏體第14頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX5.2馬氏體相變形態(tài)學(xué)1應(yīng)變能和界面能的估算過(guò)程都是遵循沿著阻力最小的途徑進(jìn)行的。當(dāng)T一定時(shí)，ΔGV是一定值.

應(yīng)變能ΔGE+界面能ΔGS

最小.在鋼中,經(jīng)計(jì)算ΔGS=14.18J/mol,

ΔGE為>580J/mol，

ΔGV

大約在-1213J/mol

界面能ΔGS遠(yuǎn)小于ΔGE第15頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX2能量和形貌的關(guān)系

設(shè)馬氏體為扁球形，半徑為r，厚度為c，則其體積和表面積可求得。采用變溫長(zhǎng)大理論,所以，該馬氏體片的非化學(xué)自由能變化為：那么，單位體積馬氏體的非化學(xué)自由能變化為：

(6.10)

A為切變應(yīng)變能因子,γ是形變的切變分量，εn是形變的膨脹分量。

第16頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQXr、

c稱為形狀參數(shù)，σ、

A為能量參數(shù)。當(dāng)M的體積不變時(shí)，可求得滿足為最小值的關(guān)系。借助于偏微分有：(6.12)

(6.13)

第17頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX將式(6.12)代入式(6.13)，則得：

(6.15)將式(6.15)代入式(6.10)，則可得第18頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX分析討論：

（1）從式（6.15）知：σ越小或A越大，則c2/r越小，易形成扁的透鏡狀馬氏體，趨近于薄圓盤(pán)狀。即對(duì)于不同成分的合金，由于σ或A不同，得到的透鏡狀馬氏體的長(zhǎng)、短軸之比是不同的；

（2）從（6.16）知：當(dāng)A一定時(shí)，c/r值越小，則(ΔGN)min越小，扁的透鏡狀馬氏體易形成。當(dāng)然有一定限度,c≠0。即對(duì)一定成分的合金，形成的馬氏體盡可能地取扁的透鏡狀；

(6.16)第19頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

（3）對(duì)于給定的(ΔGN)min，一定有一個(gè)最適合的c/r值。在一定條件下，形成的馬氏體也有一定的c/r值;

（4）ΔGN是由ΔGV來(lái)平衡的，即相變阻力是由化學(xué)自由能來(lái)克服的。ΔGV的絕對(duì)值大，A基本不變時(shí)，c/r也大。不同成分的合金因?yàn)棣V不同，所以形成的馬氏體形貌也不同。顯然，ΔGV較小時(shí)，易形成板條狀；ΔGV較大時(shí)，易形成透鏡狀。定量地說(shuō)，>1256J/mol時(shí)，易形成透鏡狀。如在含0.4%~1.2%C的鋼中，由于高碳合金鋼的ΔGV

較大，所以形成了以透鏡狀為主的馬氏體；第20頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX（5）求C*和r*當(dāng)>時(shí)，馬氏體核心長(zhǎng)大。其臨界狀態(tài)為=

對(duì)應(yīng)的溫度就是Ms。阻力應(yīng)等于驅(qū)動(dòng)力,將式（6.15）代入式（6.16）可得：馬氏體形狀處決于化學(xué)自由能和應(yīng)變能量參數(shù)A第21頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX5.3ε-馬氏體相變1、層錯(cuò)能概念

層錯(cuò)能:由測(cè)量層錯(cuò)寬度，根據(jù)位錯(cuò)理論推導(dǎo)的公式計(jì)算的能量值為層錯(cuò)能.表示為γSF或SEF.層錯(cuò)形核能:層錯(cuò)的存在使體系能量的變化值，ΔGSFE

合金元素對(duì)層錯(cuò)能的貢獻(xiàn)

有些合金元素的作用于并非是線性的，合金元素間還有交互作用。γ0是虛擬的純?chǔ)?Fe在室溫時(shí)的層錯(cuò)能.

第22頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

對(duì)于奧氏體,根據(jù)合金元素的性質(zhì)和各研究者的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到：

(MJ/m2)=+1.59Ni–1.34Mn+0.06Mn2–1.75Cr+0.01Cr2+15.21Mo–5.59Si–60.69(C+1.2N)2+26.27(C+1.2N)×(Cr+Mn+Mo)1/2+0.61[Ni×(Cr+Mn)]1/2

合金元素對(duì)層錯(cuò)能的作用是較復(fù)雜的。除合金元素本身的作用規(guī)律外，還有合金元素間的交互作用，并且這種交互作用的影響是較大的，不可忽略。主要有Cr、Mn等碳化物形成元素和C、N間的交互作用，Ni和Cr、Mn間的交互作用。合金元素的交互作用往往提高了層錯(cuò)能,這可解釋以前文獻(xiàn)研究結(jié)果的矛盾.第23頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

圖γSF計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值第24頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX(a)(C+1.2N)對(duì)ΔγSF的影響(b)Cr對(duì)ΔγSF的影響第25頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX(a)Mn對(duì)ΔγSF的影響(b)Ni對(duì)ΔγSF的影響第26頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

N和C(均為0.4wt%)在不同溫度下對(duì)18Cr16Ni10Mn鋼層錯(cuò)能的影響

N對(duì)18Cr16Ni10Mn鋼層錯(cuò)能的影響第27頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX2、ε-馬氏體形貌特征ε-M是重要相變類型之一。ε-M分布有嚴(yán)格的取向，慣習(xí)面是（111）。狹長(zhǎng)的ε-M片可貫穿整個(gè)奧氏體晶粒，不穿過(guò)晶界，但可以在晶界另一側(cè)的晶粒中誘發(fā)出新的ε片。ε之間可以交叉，穿過(guò)。ε片不穿過(guò)孿晶界。

ε相金相組織特征可分為五種形態(tài)A)簡(jiǎn)單交叉成一定的角度的Ｖ字形ε分布；

B)網(wǎng)格狀的ε分布；

C)平行的ε線條；

D)區(qū)域內(nèi)接近正交的ε分布；

E)和F)兩側(cè)成對(duì)稱分布的羽毛狀分布。

第28頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQXε-馬氏體形貌金相特征第29頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX拉伸形變的ε-馬氏體形貌特征第30頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

沖擊斷裂后斷口形貌特征第31頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

沖擊斷裂后斷口形貌微觀特征第32頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX3、奧氏體層錯(cuò)能與馬氏體相變A在低溫下可能發(fā)生γ→α、γ→ε、γ→ε→α相變

層錯(cuò)對(duì)這些M相變類型、相變臨界點(diǎn)、N形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)都有一定的影響，甚至?xí)淖兿嘧儥C(jī)制

Cohen、Olsen提出了在某些鋼中馬氏體相變的層錯(cuò)形核機(jī)制。把層錯(cuò)區(qū)當(dāng)作馬氏體相變的晶胚。

Sato等研究Fe-18Cr-14Ni不銹鋼，建立了化學(xué)自由能和層錯(cuò)能間的微分關(guān)系式，但未能揭示出直接聯(lián)系。徐祖耀從熱力學(xué)證明了低層錯(cuò)能材料的層錯(cuò)形核機(jī)制，認(rèn)為相變驅(qū)動(dòng)力與層錯(cuò)能有關(guān)。

Breedis等認(rèn)為相變驅(qū)動(dòng)力隨層錯(cuò)能的增加而單調(diào)增加。我們?cè)跓崃W(xué)上從層錯(cuò)能及相變臨界溫度的相對(duì)變化角度討論低溫奧氏體鋼的各類馬氏體相變。

第33頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

根據(jù)變溫長(zhǎng)大理論，相變阻力主要為應(yīng)變能ΔGE和界面能ΔGS，根據(jù)最小阻力原理，(ΔGE+ΔGS)應(yīng)為最小

根據(jù)位錯(cuò)理論，(△GN)min就是習(xí)慣上從研究者測(cè)定層錯(cuò)寬度所得到的層錯(cuò)能.第34頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX為量綱統(tǒng)一，可表示為：

式中，d為層錯(cuò)所在滑移面的面間距，n為相變核心中的層錯(cuò)密排面層數(shù)。因?yàn)閔cp馬氏體是每隔一層密排面為一層錯(cuò)，所以厚度c=2nd，在奧氏體中已存在尺寸大小不同的層錯(cuò)，這些層錯(cuò)能否自動(dòng)擴(kuò)展，則取決于能量條件。當(dāng)化學(xué)自由能ΔGc超過(guò)相變阻力ΔGN時(shí)，層錯(cuò)核心才會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，因?yàn)棣c為負(fù)值，所以有：第35頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX

上式即表示了相變驅(qū)動(dòng)力和層錯(cuò)能間直接關(guān)系。顯然,層錯(cuò)能提高，層錯(cuò)擴(kuò)展所需的化學(xué)自由能驅(qū)動(dòng)力也會(huì)線性地增大，和Breedis、Kaufman的結(jié)論一致，和Sato的關(guān)系式相似。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算得

經(jīng)計(jì)算，不全位錯(cuò)擴(kuò)展時(shí)的晶格阻力ΔGf的估算值為：

該值和Olsen,Cohen推算的應(yīng)變能41J/mol甚為接近.第36頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UJS—DaiQX所以前式可表示為：