第6章 其他馬氏體相變(1學(xué)時(shí))

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(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)、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，比鐵基合金（約10-1）至少小1~2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)，有的還具有多種有序結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變形成的馬氏體也呈多種晶體結(jié)構(gòu)，

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(diǎn)間隙式、置換式或間隙式和置換式置換式轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象大非常小相變應(yīng)變相對(duì)地大相對(duì)地小母相彈性常數(shù)在相變臨界點(diǎn)MS附近彈性常數(shù)的值大在相變臨界點(diǎn)MS附近彈性常數(shù)的值小化學(xué)驅(qū)動(dòng)力大小生長(zhǎng)特征自調(diào)節(jié)不明顯自調(diào)節(jié)變體很好地發(fā)展動(dòng)力學(xué)高速率，“爆發(fā)型”，變溫轉(zhuǎn)變或等溫轉(zhuǎn)變或變溫和等溫轉(zhuǎn)變低速率，非爆發(fā)型，不存在等溫轉(zhuǎn)變，熱彈性平衡界面動(dòng)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(gòu)轉(zhuǎn)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(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(wú)擴(kuò)散相變，如錳基合金的無(wú)擴(kuò)散相變。UJS—DaiQX2、銅合金中的馬氏體相變對(duì)于Cu-Zn-Al合金的馬氏體相變臨界溫度MS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)果有較大的差別。下面介紹徐祖耀在Cu-Zn-Al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MS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).由母相β轉(zhuǎn)變成馬氏體M的相變自由能差主要由化學(xué)自由能GC和應(yīng)變能Ge組成：UJS—DaiQX對(duì)熱彈性馬氏體，可設(shè)馬氏體開始形成時(shí)，化學(xué)自由能差剛好和相變應(yīng)變能差抵消，對(duì)應(yīng)的溫度就是MS。

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

,MS與母相強(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)Hall-Petch公式和上式可得UJS—DaiQX上式中

是單晶體（d→∞）的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn).因?yàn)镵<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(guò)程中隨時(shí)間增加而增大。對(duì)于Cu-Zn-Al系合金，有序化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)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(dāng)t=t0時(shí)，ξ=0；t為恒溫時(shí)間。經(jīng)推導(dǎo)（過(guò)程略）可得UJS—DaiQX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MS與母相強(qiáng)度為線性關(guān)系，并且母相強(qiáng)度越高，MS點(diǎn)越低。這在某些溫度范圍可能是對(duì)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(qiáng)度和馬氏體相變點(diǎn)的關(guān)系UJS—DaiQX2、無(wú)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(lái)。表7.4列出了非金屬材料中的點(diǎn)陣變形轉(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：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(wú)機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)化合物鏈形聚合物聚乙烯(CH2-CH2)n正交?單斜表具有點(diǎn)陣變形轉(zhuǎn)變的非金屬材料（Kriven，1982）UJS—DaiQX例陶瓷材料的相變?cè)鲰g

應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g。受力時(shí)在裂紋尖端一定范圍內(nèi)，被抑制t-ZrO2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的單斜m-ZrO2相，將消耗斷裂功，使裂紋尖端的擴(kuò)展延緩或受阻。

微裂紋增韌。當(dāng)主裂紋擴(kuò)展時(shí)，遇到無(wú)數(shù)m-ZrO2粒子周圍基體中的微裂紋，造成裂紋分叉，使擴(kuò)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?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。Lange得到了增韌陶瓷的斷裂韌度表達(dá)式：K0表示無(wú)相變?cè)鲰g時(shí)的斷裂韌度，為相變的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，ΔUf為接近斷裂表面處相變后的剩余應(yīng)變能

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

UJS—DaiQX

Y2O3-ZrO2中含Y2O3量對(duì)斷裂韌度的影響實(shí)線是由上式的計(jì)算值。由圖可知：含1.5%Y2O3（摩爾分?jǐn)?shù)）時(shí)，材料斷裂韌度較低，是因?yàn)槌霈F(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(fù)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(xì)晶多晶體；（3）復(fù)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(fù)雜的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；聚乙烯中應(yīng)力誘發(fā)的正交-單斜相變屬于馬氏體相變；非對(duì)稱不很高的有機(jī)固體將產(chǎn)生有序-無(wú)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。聚四氟乙烯（PTFE），可發(fā)生無(wú)擴(kuò)散型相變或馬氏體相變。PTFE轉(zhuǎn)變是通過(guò)一個(gè)自由體積切變（freevolumeshear）引起的無(wú)擴(kuò)散相