第6章 其他馬氏體相變(1學時)

第6章其他材料馬氏體相變1、有色金屬合金中馬氏體相變特點及分類

有色金屬合金馬氏體相變和鐵基合金在熱力學、動力學、物理及力學性質(zhì)等方面有很大的差異.有色金屬合金相變熱滯大，相變的應變比較小，比鐵基合金（約10-1）至少小1~2個數(shù)量級，相變的臨界化學驅動力小，有色合金馬氏體相變速率都比較低，馬氏體具有較高的內(nèi)耗值，高的阻尼特性。有色金屬合金馬氏體相變的結構形態(tài)也比較復雜。母相往往是有序結構，有的還具有多種有序結構，轉變形成的馬氏體也呈多種晶體結構，

UJS—DaiQX現(xiàn)象與特征鐵基合金馬氏體相變有色金屬合金馬氏體相變合金化特點間隙式、置換式或間隙式和置換式置換式轉變滯后現(xiàn)象大非常小相變應變相對地大相對地小母相彈性常數(shù)在相變臨界點MS附近彈性常數(shù)的值大在相變臨界點MS附近彈性常數(shù)的值小化學驅動力大小生長特征自調(diào)節(jié)不明顯自調(diào)節(jié)變體很好地發(fā)展動力學高速率，“爆發(fā)型”，變溫轉變或等溫轉變或變溫和等溫轉變低速率，非爆發(fā)型，不存在等溫轉變，熱彈性平衡界面動性低而且不可逆高而且可逆阻尼特性低高表有色金屬合金和鐵基合金的馬氏體相變定性比較

UJS—DaiQX徐祖耀將有色金屬合金中馬氏體相變分為四類：（1）溶劑組元具有同素異構轉變的合金系，如鈷基合金面心立方FCC→密排六方HCP，鈦合金的體心立方→密排六方；（2）在合金系的中間固溶體發(fā)生馬氏體相變，如β-Hume-Rothery相變及鎳基形狀記憶合金；（3）由金屬間化合物及其固溶體發(fā)生的馬氏體相變，如NiAl中的馬氏體相變；（4）贗（準）馬氏體相變，包括很弱的一級相變（或具有二級相變特征）的一些無擴散相變，如錳基合金的無擴散相變。UJS—DaiQX2、銅合金中的馬氏體相變對于Cu-Zn-Al合金的馬氏體相變臨界溫度MS有一些經(jīng)驗公式，因為實驗條件的不同，各公式的計算結果有較大的差別。下面介紹徐祖耀在Cu-Zn-Al合金中得到的計算式:

MS（K）=2559.4–6455.2（xZn+1.2445xAl）Cu-Zn-Al合金的MS不僅決定于母相有序結構，還與母相的晶粒大小及有序度有關.由母相β轉變成馬氏體M的相變自由能差主要由化學自由能GC和應變能Ge組成：UJS—DaiQX對熱彈性馬氏體，可設馬氏體開始形成時，化學自由能差剛好和相變應變能差抵消，對應的溫度就是MS。

因為M相變溫度范圍較小，可以將相變的焓差和熵差看作是與溫度無關的常數(shù)。所以MS所以UJS—DaiQX應變能為切變應變能與體積應變能之和，即式中,是相變體積變化產(chǎn)生的應變能差，與晶粒度無關。τ是馬氏體相變的臨界切應力，εp為切應變

,MS與母相強度為線性關系，并且母相強度越高，MS點越低。根據(jù)Hall-Petch公式和上式可得UJS—DaiQX上式中

是單晶體（d→∞）的馬氏體轉變點.因為K<0,所以MS隨晶粒尺寸增大而升高。

MS隨有序化參數(shù)ξ增大或上升或下降。ξ在恒溫有序相變過程中隨時間增加而增大。對于Cu-Zn-Al系合金，有序化過程的動力學方程具有下面形式：ξ

式中，C為常數(shù)，Q為有序化激活能，T為恒溫溫度，R為普適氣體常數(shù)；當t=t0時，ξ=0；t為恒溫時間。經(jīng)推導（過程略）可得UJS—DaiQX上式就是馬氏體相變溫度與分級溫度和等溫時間的關系式。徐祖耀認為MS與母相強度為線性關系，并且母相強度越高，MS點越低。這在某些溫度范圍可能是對的,但不適合于所有溫度范圍和所有合金.UJS—DaiQX奧氏體鋼中強度和馬氏體相變點的關系UJS—DaiQX2、無機非金屬材料的馬氏體相變研究表明，半導體材料、超導化合物、有機物、生物等都具有馬氏體相變的系統(tǒng)和現(xiàn)象，這樣就有可能將馬氏體相變與生命現(xiàn)象聯(lián)系起來。表7.4列出了非金屬材料中的點陣變形轉變類型。陶瓷中也同樣存在同素異構轉變等相變，例如：Al2O3：γ-Al2O3（立方）→β-（六方）→α-（三方）ZrO2：c-ZrO2（立方）→t-（四方）→m-（單斜）Si3N4：α-Si3N4（六方）→β-（六方，但晶格常數(shù)不同）某些二元陶瓷也可能出現(xiàn)脫溶分解。

UJS—DaiQX非金屬材料相變相相變類型無機化合物堿金屬鹵化物和鹵砂硝酸鹽MX,NH4XRbNO3KNO3，TiNO3，AgNO3NaCl立方?CaCl2立方NaCl立方?菱形?CsCl正交正交?菱形閃鋅礦型?NaCl立方礦物質(zhì)輝石鏈硅酸鹽硅石頑輝石（MgSiO3）硅灰石（CaSiO3）鐵硅酸鹽（FeSiO3）石英鱗石英正交?單斜單斜?三斜正交?單斜三角?六角六角與纖鋅礦有聯(lián)系的結構陶瓷氮化硼二氧化鋯BNZrO2纖鋅礦型?石墨型四方?單斜二鈣硅酸鹽水泥2CaO?SiO2三角?正交?單斜有機化合物鏈形聚合物聚乙烯(CH2-CH2)n正交?單斜表具有點陣變形轉變的非金屬材料（Kriven，1982）UJS—DaiQX例陶瓷材料的相變增韌

應力誘導相變增韌。受力時在裂紋尖端一定范圍內(nèi)，被抑制t-ZrO2會轉變?yōu)榉€(wěn)定的單斜m-ZrO2相，將消耗斷裂功，使裂紋尖端的擴展延緩或受阻。

微裂紋增韌。當主裂紋擴展時，遇到無數(shù)m-ZrO2粒子周圍基體中的微裂紋，造成裂紋分叉，使擴展路徑更加曲折，斷裂表面積增大，最終消耗更多的斷裂功。UJS—DaiQX

ZrO2-Y2O3

ZrO2–MgO

UJS—DaiQX陶瓷中相變增韌的效果主要決定于因發(fā)生相變而吸收斷裂能量的大小。Lange得到了增韌陶瓷的斷裂韌度表達式：K0表示無相變增韌時的斷裂韌度，為相變的化學驅動力，ΔUf為接近斷裂表面處相變后的剩余應變能

,Ec是彈性模量，νc為泊松比，Vi為正方（t）相的體積分數(shù)，R為相變區(qū)的深度。

UJS—DaiQX

Y2O3-ZrO2中含Y2O3量對斷裂韌度的影響實線是由上式的計算值。由圖可知：含1.5%Y2O3（摩爾分數(shù)）時，材料斷裂韌度較低，是因為出現(xiàn)了大量的單斜相；正方相在提高斷裂韌度中起了重要的作用。同樣，在ZrO2-Al2O3系復合型陶瓷中也有類似的情況

UJS—DaiQX三種增韌ZrO2基陶瓷的顯微組織示意圖（1）部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷（PSZ），含立方相和正方相；（2）正方ZrO2多晶體（TZP），含單相正方細晶多晶體；（3）復合型陶瓷，在其它陶瓷（如Al2O3）基體上彌散分布了增韌ZrO2。

UJS—DaiQX3、高分子材料的馬氏體相變研究發(fā)現(xiàn)：環(huán)己烷具有復雜的同素異構轉變；聚乙烯中應力誘發(fā)的正交-單斜相變屬于馬氏體相變；非對稱不很高的有機固體將產(chǎn)生有序-無序轉變。在一些晶態(tài)聚合物材料中會出現(xiàn)同素異構現(xiàn)象。聚四氟乙烯（PTFE），可發(fā)生無擴散型相變或馬氏體相變。PTFE轉變是通過一個自由體積切變（freevolumeshear）引起的無擴散相