4.7 马氏体相变晶体学切变模型 及评价要求了解马氏体相变切变模型的内容及其误区20世纪对马氏体相变晶体学的研 究经历了三个阶段： l第一阶段，20世纪20年代发现马氏体浮凸。1924年 Bain提出了应变模型；l第二阶段，从1930年开始，到6070年代，提出了 一系列切变模型，如K-S模型，西山模型，G-T模型 ，B-B双切变模型，藤田模型等。这些模型均为针 对某一具体发现事例，设计一种切变模型，以说明 相变时原子的具体移动方式，说明位向关系等。 l第三阶段，50年代开始，提出了马氏体相变晶体学 唯象学说 ，开展了马氏体相变的模拟计算。本科生只介绍前两个阶段的内容。相变模型的缺陷l1）各种模型都是将母相直接变成马氏体，忽略了 马氏体孕育、形核阶段，这是各种晶体学模型的 缺陷。l2）切变耗能过大，切应变能太大，相变阻力太大 ，相变驱动力不足以进行切变过程。切变缺乏热 力学可能性。l3）各种切变晶体学模型均与实际不符合。l4）浮凸为帐篷形，不具备切变特征，切变机制缺 乏试验依据。1.Bain应变模型缺点：1）应变量太大。 20%，成为塑性变形 了。2）惯习面为100.3）压缩应变后的晶 格并不是实际的马 氏体晶格。4）不产生位错、孪 晶等亚结构。2马氏体相变的K-S切变模型 l30年代初，库氏和Sachs确定了1.4%C钢中奥 氏体与马氏体之间的位向关系为：l此称K-S关系。据此设计了K-S切变模型。面心立方的原子堆垛 取（111）面的菱形-Fe体心立方的原子堆垛面心立方ABCABCABC堆垛图的底面为 ，表示底层原子， 表示中间层（第二层）原子， 表示顶层（第三层）原子。晶面立方柱切变分三步进行 ：（1）第一切变：看图4- 34的底面菱形，菱形角为60o 。在面上，沿着方向进行切变，底层不动，第二层 原子沿方向移动0.057nm，层原子移动0.114nm， 切变角15o15；如果不含碳，切变角则为19 o28 。 （2）第二切变：在面上，沿着方向进行一次小的切变 ，使60o角变成690。如果不含碳，则使60o角变成 70o32。 （3）必要的线性调整，使其符合实际的面间距等晶格 参数。转变为bccM(0%C)时的调整量见表45。第一切变第二切变表4-5 晶格参数调整值图436 K-S切变模型的平面投影1K-S关系24种可能的取向 lfcc的111 面有四个取向，每个(111)上有 三个 取向，则43=12， l第二切变在每个(111)上可以切变出两个位 向的面的70o32菱形，则共计122=24种取 向。K-S模型的优点和缺点1.优点：符合K-S关系。 2.缺点： （1）按照此模型得到的马氏体中没有位错、孪晶和层错； （2）此模型得到的惯习面是（111）f，实际上是（557）f ； （225）f ；（259）f （3）不能形成表面浮凸。 （4）切变耗能太大。按照K-S模型第一切变需要的切变能量，计算切变消耗 的功N1q =35103J/mol。第二切变是切变1032，需 要切变能量N2q=9.9103J/mol.两次切变消耗的功相加，即切变总能量 Nk=44.9103J/mol。5.忽略了晶格参数调整的研究切变没有得到与实际相符合的马氏体晶格。晶 格常数和晶胞夹角均与实际马氏体不符。1）晶格参数怎样调整？原子怎么移动？是继续 切变吗？2）晶格参数调整仍然需要能量消耗。耗能多少 ？因此K-S切变耗能：（44.9103J/mol+晶格参 数调整能）。热力学上是不可能发生的过程。3.西山切变模型l西山切变模型，只进行第一切变，并且与K-S模型的 第一切变相同，因此需切变能量 N1q=35103J/mol 。l第2步即为晶格参数调整。l西山切变机制耗能：（35103J/mol+晶格参数调整 能）。l热力学上也是不可能发生的过程。l为了解决位错和孪晶问题。而提出G-T模型。lG-T模型要进行两次切变。第一切变是沿着惯习面的均匀切变。第二次切变是不均匀切变。4.马氏体相变的GT模型第一切变均匀切变l是宏观变形的切变 ，即切变时不仅点 阵改组，晶体外形 也发生变化。在试 样表面产生浮凸。l均匀切变所得还不 是马氏体点阵，而 是一个复杂的三棱 结构。a）均匀切变 b）非均匀切变第二切变非均匀切变l点阵发生改组，但晶体外 形不发生变化。l为了产生不均匀切变，必 须进行滑移或孪生。l第二切变由三棱结构变为 马氏体点阵。并且产生大 量位错或精细孪晶。 a）均匀切变 b）非均匀切变G-T切变模型二次切变， a滑移，b孪生G-T切变模型的误区l1949年，提出的G-T模型，按照平均切变位移10.75 ，那么，应当消耗切变能NG1= 0.5G2V=10.8103J/mol-1。G-T模型的第二切变是在 马氏体上切变，切变角=1213，则第二切变 NG2=14.5103J/mol-1。l两次切变共需切变能NG= NG1+ NG2=25.3103J/mol。l晶格参数调整也需要能量消耗，原子还需要移动，怎 么移动呢？G-T模型没有说明。因此G-T切变机制耗能 将远大于25.3103J/mol。l热力学上也是不可能发生的过程。3马氏体相变驱动力不足以完成切变过程l纯铁马氏体相变的临界驱动力约为1.18103Jmol-1， 0.41.2%C的Fe-C合金的相变驱动力为1.3371.714 103J/mol 。lK-S切变使-Fe马氏体（0%C）时，共需切变能量为 Nk=44.9103J/mol-1；西山切变模型，需切变能量Nx= N1q=35103J/mol-1；G-T切变模型，共需切变能量 NG=25.3103J/mol-1。板条状马氏体切变应变能 W=1468Jmol-1，高碳凸透镜状马氏体的应变能 W=7340Jmol-1等。l将这些与相变驱动力比较，惊奇地发现马氏体相变驱动力 远远不能支持切变过程的进行。切变过程不符合省能原则 ，不可能发生，这是一大误区。l切变并没有得到符合实际的真正的马氏体晶格 参数，却白白消耗了大量的能量。l晶格参数的调整还需要能量消耗。l切变机制缺乏试验依据。l切变机制不能解释试验现象，是不符合实际的 学说。应当摒弃。