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马氏体相变机理研究进展摘要：马氏体应用在钢的强化，现今多数的结构钢件还是以淬火得到马氏体、再进行回火，产生马氏体的目的为强化，可应用在工程实用中，对马氏体的研究变得越来越受关注。
关键字：马氏体；相变；形核；1 引言：马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。
是碳在ɑ-Fe中过饱和固溶体，为体心正方结构。
1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织命名为马氏体。
20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。
目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。
2.相变特征和机制马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形核和长大的过程。
但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。
马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达10cm·s。
人们推想母相中的晶体缺陷（如位错）的组态对马氏体形核具有影响，但目前实验技术还无法观察到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的过程，尚不能窥其全貌。
其特征可概括如下：马氏体相变是无扩散相变之一，新相（马氏体）承袭了母相的化学成分和原子序态。
马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移，这种位移是切变式的，且原子位移导致点阵应变，这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且有形状变化。
由于马氏体相变时原子规则发生位移，使新相和母相之间始终保持一定的位向关系。
在铁基合金中由体心立方马氏体时具有著名的K-S关系（111)r//(011)M、[101]r//[111]M。
必须有足够的奥氏体过冷度才能产生点阵切变，形成马氏体。
转变开始温度定义为Ms，碳和置换合金元素增加奥氏体的切变抗力，降低Ms。
马氏体相变的基本特征引言马氏体相变是指固体材料经过快速冷却或机械应力作用后，在普通的冷处理条件下发生的晶体结构相变现象。
马氏体相变具有广泛的应用背景，在材料科学和工程领域具有重要的意义。
本文将从马氏体相变的定义、形成机理、基本特征以及应用方面进行探讨。
马氏体相变的定义马氏体相变是指固体材料在冷却过程中经历组织相变，从高温相变为低温相的过程。
这种相变过程是一种固态相变，属于无序到有序的结构转变，通常发生在低温下。
马氏体相变的特点是快速、均匀和可逆的。
马氏体相变的形成机理马氏体相变的形成机理主要涉及晶格畸变、原子扩散和位错运动等过程。
通常情况下，当固体材料经历冷却过程时，晶格会发生畸变，从而形成新的有序结构。
这种畸变能够通过原子的扩散来进行传播，并且位错运动也会促进马氏体相变的形成。
马氏体相变的基本特征马氏体相变具有以下几个基本特征：1.快速性：马氏体相变是一个快速的相变过程，通常在毫秒至微秒的时间尺度内发生。
这种相变速度快的特点使得马氏体相变在某些应用中具有重要意义，比如形状记忆合金。
2.可逆性：马氏体相变是可逆的，即当加热到一定温度时，马氏体又会重新转变为高温相。
这种可逆性使得马氏体材料可以多次进行相变过程，具有重复使用的特点。
3.形状记忆效应：马氏体相变材料具有形状记忆效应，即在经历应力作用后，材料可以保持其原来的形状。
这种形状记忆效应使得马氏体相变材料在机械领域有广泛的应用，比如医疗器械和航空航天。
4.结构转变：马氏体相变是由无序的高温相向有序的低温相转变的过程。
在相变中，晶格结构会发生改变，从而影响材料的力学性能和磁性能等。
马氏体相变的应用马氏体相变具有广泛的应用背景，主要包括以下方面：1.形状记忆合金：马氏体相变材料在形状记忆合金中有广泛的应用。
形状记忆合金可以通过调控温度或应力来改变其形状，并且具有良好的可逆性和稳定性。
这种特性使得形状记忆合金在医疗器械、汽车工业和航空航天等领域有广泛的应用。
马氏体相变一、定义和基本特征1.定义：替换原子经无扩散切变位移（均匀和不均匀形变），并由此产生形状和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核、长大型相变［1］。
2.基本特征：（1）无扩散性；（2）以切变为主,具有表面浮突现象；（3）具有一定位向关系，如K-S关系，西山关系，G-T关系等；（4）惯习面在相变过程中不畸变不转动（即不变平面）；3.马氏体的主要形态（1）板条马氏体：对于钢材，中低碳钢、温度较高时易形成（下图左为光镜下的组织结构，右为电镜下的组织结构）；（2）片状马氏体：对于钢材，中高碳钢、温度较低时易形成（下图左为光镜下的组织结构，右为电镜下的组织结构）；二、马氏体转变的机理1.相变驱动力相变的驱动力来自于新、旧两相的吉布斯自由能之差。
系统总的自由能决定相变过程及相变产物微观组织的演化规律。
总的自由能包括体积化学自由能、界面能、由畸变产生的弹性应变能，如存在外加场，还应考虑外加应力场、电场、温度场及磁场等的影响［2］。
G=Gch + Gel+Gin(体积化学自由能、由畸变产生的弹性应变能、界面能三种能量不同的文献有不同的物理模型描述，这里不详细进行描述)2.马氏体转变的切变模型［3］（1）Bain模型Bain模型并不是真正意义上的切变模型，其描述了晶体点阵的改组并不涉及切变，不存在不变平面，无法解释表面浮突现象。
（2）K-S模型K-S切变能够成功地导出所测到地点阵结构和取向关系，但对于惯习面和浮突的预测与实际相差较大。
（3）G-T模型G-T模型能够很好地解释了马氏体的点阵改组、宏观变形、位向关系、表面浮凸，特别是预测了马氏体内的两种主要的亚结构——位错和孪晶，但不能解释惯习面是不变平面以及低、中碳钢的位向关系。
（4）晶体学表象理论晶体学表象理论不解释原子如何移动导致相变，只根据转变起始和最终地晶体形态，预测马氏体转变地晶体学参量。
三、马氏体相变的有限元模型［4］1.介观模型（1）相变驱动力体系的自由能可表示为：G=ψ (εe ,ci,θ)-σ:ε=ψel(εe,ci)+ciψiθ(θ)i=0m∑ +ψ in(c i)-σ:ε其中，ψ为Helmholtz自由能，ψel为弹性能，ψiθ为第i个马氏体变体在温度为θ时的化学能，ψin为界面能。
马氏体转变机制马氏体转变机制（一）马氏体转变的形核理论1、经典形核理论自从发展了马氏体的等温转变以后，人们便提出马氏体转变也是一个形核及核长大过程，并用经典相变理论来分析马氏体转变过程。
按这种处理，马氏体转变可以被看作为单元系的同素异构转变。
根据经典相变理论，计算出Fe-30%Ni（原子百分比）合金，在M S点（233K）时的临界晶核尺寸为，半径r c=490?，中心厚度C c=22?，临界形核功为G=5.4×108J/mol。
按经典形核理论，形核功是由系统能量起伏提供的，但是在如此低的温度下要靠原子的热运动来获得这样大的激活能是很困难的。
另外按经典相变理论提出的马氏体长大激活能为2510~4184J/mol，但实际上马氏体长大的激活能很小，几乎为零。
因此，可以说用经典相变理论来处理马氏体相变是不合适的。
2、马氏体形核的位错理论马氏体核胚在合金中是不均匀分布的，而是在其中一些有利的位置上优先形核。
试验：把小颗粒（100μm以下）的Fe-Ni-C合金，奥氏体化后，淬火到马氏体转变温度范围内，观察合金粒中马氏体转变的情况，结果如下图所示。
由此可见，合金的成核是很不均匀，在某些颗粒中有利于成核的位置很少，所以需要有更大的过冷度才能产生马氏体。
合金中有利于成核的位置是那些结构上的不均匀区域，如晶体缺陷、内表面（由夹杂物造成）以及由于晶体成长或塑性变形所造成的形变区等。
这些“畸变胚芽”可以作为马氏体的非均匀核心，通常称之为马氏体核胚。
目前一般认为在奥氏体中已预先存在具有马氏体结构的微区，这微区是在高温下母相奥氏体中的某些与各种晶体缺陷有关的有利位置，通过能量起伏及结构起伏形成的。
这些微区随温度降低而被冻结到低温。
从高温冻结下来的马氏体核胚有大有小，尺寸各不相同。
在马氏体降温转变过程中，在不同的温度，就有不同尺寸的马氏体核胚可以达到临界晶核尺寸，这部分马氏体就会迅速长大，而尺寸较小的核胚达不到临界尺寸，就不能长大，若使马氏体转变得以进行，就必须继续降低温度，使尺寸更小的核胚达到临界尺寸。
第四章马氏体相变第四章马氏体相变马氏体点阵常数和碳含量的关系马氏体的正方度新生马氏体的异常正方度§4.2马氏体相变的主要特征（2）表面浮凸现象和不变平面应变②惯习面和不变平面③不变平面应变（3）马氏体和奥氏体具有一定的位向关系西山关系：（4）马氏体相变的变温性（5）马氏体相变的可逆性§4.3马氏体的形态及其亚结构§4.3.2片状马氏体§4.3.3影响马氏体形态及其亚结构的因素（2）奥氏体与马氏体的强度§4.3.4工业用钢淬火马氏体的金相形态（2）中碳结构钢中的马氏体（3）高碳工具钢中的马氏体§4.4马氏体相变热力学§4.4.2影响钢的Ms点的因素（2）其它因素对Ms点的影响§4.4.3应变诱发马氏体§4.4.4奥氏体的机械稳定化原因：§4.5马氏体相变动力学§4.5.2残余奥氏体残余奥氏体的作用：§4.5.3奥氏体的热稳定化奥氏体热稳定化的本质：§4.6马氏体相变晶体学模型§4.6.2G-T模型第二次切变§4.7马氏体的性能特点马氏体的强化机制：§4.7.2马氏体的塑性与韧性§4.7.3马氏体的物理性能图4-15滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系当马氏体在较高温度形成时，滑移的临界分切应力较低，滑移比孪生更易于发生，从而在亚结构中留下大量位错，形成亚结构为位错的板条马氏体。
由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均较低。
相变时，相变应力的松驰可以同时在奥氏体和马氏体中以滑移方式进行，故惯习面为(111)γ。
随着形成温度的下降，孪生的临界分切应力较低，变形方式逐渐过渡为以孪生进行，形成亚结构为孪晶的片状马氏体。
若奥氏体的σS低于206MPa，应力在奥氏体中以滑移方式松弛。
由于形成的马氏体强度较高，应力在马氏体中只能以孪生方式松弛，则形成惯习面为(225)γ的片状马氏体。
