第6章其他馬氏體相變(1學(xué)時(shí))

1、UJSDai QX第第6 6章章 其他材料馬氏體相變其他材料馬氏體相變1 1、有色金屬合金中馬氏體相變特點(diǎn)及分類有色金屬合金中馬氏體相變特點(diǎn)及分類 有色金屬合金馬氏體相變和鐵基合金在熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、有色金屬合金馬氏體相變和鐵基合金在熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、物理及力學(xué)性質(zhì)等方面有很大的差異物理及力學(xué)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(yīng)變比較小，比鐵基有色金屬合金相變熱滯大，相變的應(yīng)變比較小，比鐵基合金（約合金（約10-110-1）至少?。┲辽傩?2個(gè)數(shù)量級(jí)，相變的臨界化學(xué)驅(qū)動(dòng)個(gè)數(shù)量級(jí)，相變的臨界化學(xué)驅(qū)動(dòng)力小，有色合金馬氏體相變速率都比較低，馬氏體具有較高力小，有色合金馬氏體相變

2、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(jié)構(gòu)的內(nèi)耗值，高的阻尼特性。有色金屬合金馬氏體相變的結(jié)構(gòu)形態(tài)也比較復(fù)雜。母相往往是有序結(jié)構(gòu)，有的還具有多種有形態(tài)也比較復(fù)雜。母相往往是有序結(jié)構(gòu)，有的還具有多種有序結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變形成的馬氏體也呈多種晶體結(jié)構(gòu)，序結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變形成的馬氏體也呈多種晶體結(jié)構(gòu)， UJSDai QX現(xiàn)象與特征現(xiàn)象與特征鐵基合金馬氏體相變鐵基合金馬氏體相變有色金屬合金馬氏體相變有色金屬合金馬氏體相變合金化特點(diǎn)合金化特點(diǎn)間隙式、置換式或間隙式間隙式、置換式或間隙式和置換式和置換式置換式置換式轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象大大非常小非常小相變應(yīng)變相變應(yīng)變相對(duì)地大相對(duì)

3、地大相對(duì)地小相對(duì)地小母相彈性常數(shù)母相彈性常數(shù)在相變臨界點(diǎn)在相變臨界點(diǎn)M MS S附近彈性附近彈性常數(shù)的值大常數(shù)的值大在相變臨界點(diǎn)在相變臨界點(diǎn)M MS S附近彈性附近彈性常數(shù)的值小常數(shù)的值小化學(xué)驅(qū)動(dòng)力化學(xué)驅(qū)動(dòng)力大大小小生長(zhǎng)特征生長(zhǎng)特征自調(diào)節(jié)不明顯自調(diào)節(jié)不明顯自調(diào)節(jié)變體很好地發(fā)展自調(diào)節(jié)變體很好地發(fā)展動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)高速率，高速率，“爆發(fā)型爆發(fā)型”，變，變溫轉(zhuǎn)變或等溫轉(zhuǎn)變或變溫溫轉(zhuǎn)變或等溫轉(zhuǎn)變或變溫和等溫轉(zhuǎn)變和等溫轉(zhuǎn)變低速率，非爆發(fā)型，不存低速率，非爆發(fā)型，不存在等溫轉(zhuǎn)變，熱彈性平衡在等溫轉(zhuǎn)變，熱彈性平衡界面動(dòng)性界面動(dòng)性低而且不可逆低而且不可逆高而且可逆高而且可逆阻尼特性阻尼特性低低高高表表 有色金屬合

4、金和鐵基合金的馬氏體相變定性比較有色金屬合金和鐵基合金的馬氏體相變定性比較 UJSDai QX徐祖耀將有色金屬合金中馬氏體相變分為四類：徐祖耀將有色金屬合金中馬氏體相變分為四類：（1 1）溶劑組元具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的合金系，如鈷基合金）溶劑組元具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的合金系，如鈷基合金面心立方面心立方FCCFCC密排六方密排六方HCPHCP，鈦合金的體心立方，鈦合金的體心立方密排六密排六方；方；（2 2）在合金系的中間固溶體發(fā)生馬氏體相變，如）在合金系的中間固溶體發(fā)生馬氏體相變，如- - Hume-RotheryHume-Rothery相變及鎳基形狀記憶合金；相變及鎳基形狀記憶合金；（3 3）由金屬間

5、化合物及其固溶體發(fā)生的馬氏體相變，如）由金屬間化合物及其固溶體發(fā)生的馬氏體相變，如NiAlNiAl中的馬氏體相變；中的馬氏體相變；（4 4）贗（準(zhǔn)）馬氏體相變，包括很弱的一級(jí)相變（或具）贗（準(zhǔn)）馬氏體相變，包括很弱的一級(jí)相變（或具有二級(jí)相變特征）的一些無擴(kuò)散相變，如錳基合金的無擴(kuò)有二級(jí)相變特征）的一些無擴(kuò)散相變，如錳基合金的無擴(kuò)散相變。散相變。UJSDai QX2 2、 銅合金中的馬氏體相變銅合金中的馬氏體相變 對(duì)于對(duì)于Cu-Zn-Al合金的馬氏體相變臨界溫度合金的馬氏體相變臨界溫度MS有一些經(jīng)驗(yàn)有一些經(jīng)驗(yàn)公式，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的不同，各公式的計(jì)算結(jié)果有較大的差公式，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的不同，各公式的計(jì)

6、算結(jié)果有較大的差別。下面介紹徐祖耀在別。下面介紹徐祖耀在Cu-Zn-Al合金中得到的計(jì)算式合金中得到的計(jì)算式: MS（K）= 2559.4 6455.2（xZn + 1.2445xAl） Cu-Zn-Al合金的合金的MS不僅決定于母相有序結(jié)構(gòu)，還與母相不僅決定于母相有序結(jié)構(gòu)，還與母相的晶粒大小及有序度有關(guān)的晶粒大小及有序度有關(guān) . 由母相由母相轉(zhuǎn)變成馬氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體M的相變自由能差主要由化學(xué)自由的相變自由能差主要由化學(xué)自由能能GC和應(yīng)變能和應(yīng)變能Ge組成：組成：MeMCMGGGUJSDai QX 對(duì)熱彈性馬氏體，可設(shè)馬氏體開始形成時(shí)，化學(xué)自由能差對(duì)熱彈性馬氏體，可設(shè)馬氏體開始形成時(shí)，化學(xué)自由

7、能差剛好和相變應(yīng)變能差抵消，剛好和相變應(yīng)變能差抵消，對(duì)應(yīng)的溫度就是對(duì)應(yīng)的溫度就是MS 。 0 MCG 因?yàn)橐驗(yàn)镸相變溫度范圍較小，可以將相變的焓差和熵差相變溫度范圍較小，可以將相變的焓差和熵差看看作是與溫度無關(guān)的常數(shù)。所以作是與溫度無關(guān)的常數(shù)。所以 MeMMMGSTHGMeMGTTH01MSMMeSHGTM10所以所以UJSDai QX應(yīng)變能為切變應(yīng)變能與體積應(yīng)變能之和，即應(yīng)變能為切變應(yīng)變能與體積應(yīng)變能之和，即 vePMeGG 式中式中, , 是相變體積變化產(chǎn)生的應(yīng)變能差，與晶粒度無是相變體積變化產(chǎn)生的應(yīng)變能差，與晶粒度無關(guān)。關(guān)。是馬氏體相變的臨界切應(yīng)力，是馬氏體相變的臨界切應(yīng)力，p p為切應(yīng)

8、變?yōu)榍袘?yīng)變 , MS與母與母相強(qiáng)度為線性關(guān)系，并且母相強(qiáng)度越高，相強(qiáng)度為線性關(guān)系，并且母相強(qiáng)度越高，MS點(diǎn)越低。根據(jù)點(diǎn)越低。根據(jù)Hall-Petch公式和上式可得公式和上式可得 veG2/10001dHTkTHGMMpMvePS2/1KdMSSUJSDai QX001THGMMvePSS上式中上式中 是單晶體（是單晶體（d）的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)）的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn) . 因?yàn)橐驗(yàn)镵 0, 所以所以MS隨隨晶粒尺寸增大而升高。晶粒尺寸增大而升高。 MS隨有序化參數(shù)隨有序化參數(shù)增大或上升或下降。增大或上升或下降。在恒溫有序相變過程在恒溫有序相變過程中隨時(shí)間增加而增大。對(duì)于中隨時(shí)間增加而增大。對(duì)于Cu-Zn-A

9、l系合金，有序化過程的系合金，有序化過程的動(dòng)力學(xué)方程具有下面形式：動(dòng)力學(xué)方程具有下面形式：2/10expttRTQC 式中，式中，C為常數(shù)，為常數(shù)，Q為有序化激活能，為有序化激活能，T為恒溫溫度，為恒溫溫度，R為普適氣體常數(shù)；當(dāng)為普適氣體常數(shù)；當(dāng)t = t0時(shí)，時(shí)，= 0 ；t為恒溫時(shí)間。經(jīng)推導(dǎo)為恒溫時(shí)間。經(jīng)推導(dǎo)（過程略）可得（過程略）可得UJSDai QX)(1)(00ttttTMMcdSSRTQeC/22上式就是馬氏體相變溫度與分級(jí)溫度和等溫時(shí)間的關(guān)系式。上式就是馬氏體相變溫度與分級(jí)溫度和等溫時(shí)間的關(guān)系式。 徐祖耀認(rèn)為徐祖耀認(rèn)為MS與母相強(qiáng)度為線性關(guān)系，并且母相強(qiáng)與母相強(qiáng)度為線性關(guān)系，并且

10、母相強(qiáng)度越高，度越高，MS點(diǎn)越低。這在某些溫度范圍可能是對(duì)的點(diǎn)越低。這在某些溫度范圍可能是對(duì)的,但但不適合于所有溫度范圍和所有合金不適合于所有溫度范圍和所有合金.UJSDai QX奧氏體鋼中強(qiáng)度和馬氏體相變點(diǎn)的關(guān)系奧氏體鋼中強(qiáng)度和馬氏體相變點(diǎn)的關(guān)系UJSDai QX2 2、 無機(jī)非金屬材料的馬氏體相變無機(jī)非金屬材料的馬氏體相變 研究表明，半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)化合物、有機(jī)物、生物等研究表明，半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)化合物、有機(jī)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。表變與生命現(xiàn)象聯(lián)系起來。表7.47.4列出了非金

11、屬材料中的點(diǎn)陣列出了非金屬材料中的點(diǎn)陣變形轉(zhuǎn)變類型。變形轉(zhuǎn)變類型。 陶瓷中也同樣存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等相變，例如：陶瓷中也同樣存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等相變，例如：Al2O3：- Al2O3（立方）（立方）- （六方）（六方）-（三方）（三方）ZrO2：c- ZrO2（立方）（立方）t- （四方）（四方）m- （單斜）（單斜）Si3N4：- Si3N4（六方）（六方）- （六方，但晶格常數(shù)不同）（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。某些二元陶瓷也可能出現(xiàn)脫溶分解。 UJSDai QX非金屬材料非金屬材料相變相相變相相變類型相變類型無機(jī)化合物無機(jī)化合物堿金屬鹵化物和堿金屬鹵化物和鹵砂鹵砂

12、硝酸鹽硝酸鹽MX,NH4XRbNO3KNO3，TiNO3，AgNO3NaCl立方立方CaCl2立方立方NaCl立方立方菱形菱形CsCl正交正交正交正交菱形菱形閃鋅礦型閃鋅礦型 NaCl立方立方礦物質(zhì)礦物質(zhì)輝石鏈硅酸鹽輝石鏈硅酸鹽硅石硅石頑輝石（頑輝石（MgSiO3）硅灰石（硅灰石（CaSiO3）鐵硅酸鹽（鐵硅酸鹽（FeSiO3）石英石英鱗石英鱗石英正交正交單斜單斜單斜單斜三斜三斜正交正交單斜單斜三角三角六角六角六角與纖鋅礦有聯(lián)系的結(jié)構(gòu)六角與纖鋅礦有聯(lián)系的結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷氮化硼氮化硼二氧化鋯二氧化鋯BNZrO2纖鋅礦型纖鋅礦型石墨型石墨型四方四方單斜單斜二鈣硅酸鹽水泥二鈣硅酸鹽水泥2CaOSiO2三

13、角三角正交正交單斜單斜有機(jī)化合物有機(jī)化合物 鏈形聚合物鏈形聚合物聚乙烯聚乙烯(CH2-CH2)n正交正交單斜單斜表表 具有點(diǎn)陣變形轉(zhuǎn)變的非金屬材料（具有點(diǎn)陣變形轉(zhuǎn)變的非金屬材料（Kriven，1982）UJSDai QX例例 陶瓷材料的相變?cè)鲰g陶瓷材料的相變?cè)鲰g 應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g。受力受力時(shí)在裂紋尖端一定范圍內(nèi)，時(shí)在裂紋尖端一定范圍內(nèi)，被抑制被抑制t- ZrOt- ZrO2 2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的單斜定的單斜m- ZrOm- ZrO2 2相，將消相，將消耗斷裂功，使裂紋尖端的耗斷裂功，使裂紋尖端的擴(kuò)展延緩或受阻。擴(kuò)展延緩或受阻。 微裂紋增韌微裂紋增韌 。當(dāng)主裂紋擴(kuò)當(dāng)主裂紋擴(kuò)

14、展時(shí)，遇到無數(shù)展時(shí)，遇到無數(shù)m- ZrOm- ZrO2 2粒子粒子周圍基體中的微裂紋，造成周圍基體中的微裂紋，造成裂紋分叉，使擴(kuò)展路徑更加裂紋分叉，使擴(kuò)展路徑更加曲折，斷裂表面積增大，最曲折，斷裂表面積增大，最終消耗更多的斷裂功。終消耗更多的斷裂功。UJSDai QX ZrO2 -Y2O3 ZrO2 MgO UJSDai QX陶瓷中相變?cè)鲰g的效果主要決定于因發(fā)生相變而吸收斷裂能陶瓷中相變?cè)鲰g的效果主要決定于因發(fā)生相變而吸收斷裂能量的大小。量的大小。LangeLange得到了增韌陶瓷的斷裂韌度表達(dá)式：得到了增韌陶瓷的斷裂韌度表達(dá)式：2/122012cicccRVEUfGKKK0表示無相變?cè)鲰g時(shí)的

15、斷裂韌度，表示無相變?cè)鲰g時(shí)的斷裂韌度， 為相變的化學(xué)驅(qū)動(dòng)為相變的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，力，UfUf為接近斷裂表面處相變后的剩余應(yīng)變能為接近斷裂表面處相變后的剩余應(yīng)變能 , Ec是彈性是彈性模量，模量，c c為泊松比，為泊松比，Vi為正方（為正方（t）相的體積分?jǐn)?shù)，）相的體積分?jǐn)?shù)，R為相為相變區(qū)的深度。變區(qū)的深度。 cGUJSDai QX Y2O3-ZrO2中含中含Y2O3量對(duì)斷裂韌度的影響量對(duì)斷裂韌度的影響 實(shí)線是由上式的計(jì)實(shí)線是由上式的計(jì)算值。由圖可知：含算值。由圖可知：含1.5% Y2O3（摩爾分?jǐn)?shù)）（摩爾分?jǐn)?shù)）時(shí)，材料斷裂韌度較時(shí)，材料斷裂韌度較低，是因?yàn)槌霈F(xiàn)了大低，是因?yàn)槌霈F(xiàn)了大量的單斜相；正方

16、相量的單斜相；正方相在提高斷裂韌度中起在提高斷裂韌度中起了重要的作用。了重要的作用。 同樣，在同樣，在ZrO2-Al2O3系復(fù)合型陶瓷中系復(fù)合型陶瓷中也有類似的情況也有類似的情況 UJSDai QX 三種增韌三種增韌ZrO2 基陶瓷的顯微組織示意圖基陶瓷的顯微組織示意圖（1）部分穩(wěn)定）部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷（陶瓷（PSZ），含立方相和正方相；），含立方相和正方相；（2）正方）正方ZrO2多晶體（多晶體（TZP），含單相正方細(xì)晶多晶體；），含單相正方細(xì)晶多晶體；（3）復(fù)合型陶瓷，在其它陶瓷（如）復(fù)合型陶瓷，在其它陶瓷（如Al2O3）基體上彌散分布）基體上彌散分布 了增韌了增韌ZrO2 。 UJSD

17、ai QX3 3、 高分子材料的馬氏體相變高分子材料的馬氏體相變 研究發(fā)現(xiàn)：環(huán)己烷具有復(fù)雜的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；聚乙烯中研究發(fā)現(xiàn)：環(huán)己烷具有復(fù)雜的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；聚乙烯中應(yīng)力誘發(fā)的正交應(yīng)力誘發(fā)的正交-單斜相變屬于馬氏體相變；非對(duì)稱不很高的單斜相變屬于馬氏體相變；非對(duì)稱不很高的有機(jī)固體將產(chǎn)生有序有機(jī)固體將產(chǎn)生有序-無序轉(zhuǎn)變。無序轉(zhuǎn)變。 在一些晶態(tài)聚合物材料中會(huì)出現(xiàn)同素異構(gòu)現(xiàn)象。聚四氟在一些晶態(tài)聚合物材料中會(huì)出現(xiàn)同素異構(gòu)現(xiàn)象。聚四氟乙烯（乙烯（PTFE），可發(fā)生無擴(kuò)散型相變或馬氏體相變。），可發(fā)生無擴(kuò)散型相變或馬氏體相變。PTFE轉(zhuǎn)變是通過一個(gè)自由體積切變（轉(zhuǎn)變是通過一個(gè)自由體積切變（free volume shear）引起的）引起的無擴(kuò)散相變，這是一種在金屬和無機(jī)材料中尚不知曉的轉(zhuǎn)變。無擴(kuò)散相變，這是一種在金屬