[科普中國]-轉(zhuǎn)變表面

馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的類型

鐵合金中馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的形式多樣，大體上可分為四種類型：①變溫（或降溫）轉(zhuǎn)變；②等溫轉(zhuǎn)變；③爆發(fā)式轉(zhuǎn)變；④表面轉(zhuǎn)變。

掌握馬氏體轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)于制定鋼的熱處理工藝有著重要的指導(dǎo)意義。著重介紹馬氏體的變溫轉(zhuǎn)變和等溫轉(zhuǎn)變。

變溫轉(zhuǎn)變大多數(shù)鋼種（碳鋼和低合金鋼）的馬氏體轉(zhuǎn)變是在連續(xù)冷卻（變溫或降溫）過程中進(jìn)行的，亦即在 點(diǎn)以下，隨溫度的下降馬氏體形成量不斷增加；若停止降溫，轉(zhuǎn)變即告中止，而繼續(xù)降溫，則轉(zhuǎn)變復(fù)又進(jìn)行，直至冷到 點(diǎn)為止。可見，在這種情況下，馬氏體的轉(zhuǎn)變量決定于冷卻到達(dá)的溫度 ，即決定于 點(diǎn)以下的過冷度( )，而與等溫停留時(shí)間無關(guān)。這意味著馬氏體的形核似乎是在不需要熱激活的情況下發(fā)生的，故也把變溫轉(zhuǎn)變稱為非熱學(xué)性轉(zhuǎn)變。由于馬氏體形成時(shí)相變驅(qū)動(dòng)力較大，加之相變的共格性和原子的近程遷移等特點(diǎn)而決定了其長大激活能較小，故其長大速率極快。據(jù)測定，低碳型和高碳型馬氏體的長大速率分別為 mm/s和 mm/s數(shù)量級(jí)，所以每個(gè)馬氏體片形核后，一般在 時(shí)間內(nèi)即長大到極限尺寸?？梢?，在連續(xù)降溫過程中馬氏體轉(zhuǎn)變量的增加是靠一批批新的馬氏體片的不斷形成，而不是靠已有馬氏體片的繼續(xù)長大。

綜上所述，可以把馬氏體變溫轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)歸結(jié)為變溫形成、瞬間形核（無孕育期）和高速長大（長到極限尺寸）1。

等溫轉(zhuǎn)變 馬氏體的等溫轉(zhuǎn)變最早是在Fe-Ni-Mn，F(xiàn)e-Ni-Cr合金和1.1C-5.2Mn鋼中發(fā)現(xiàn)的。這類合金的 點(diǎn)均在0℃以下，其馬氏體轉(zhuǎn)變完全是在等溫過程中形成的。典型的等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線如下圖所示。由圖可見：①在點(diǎn)以下某一溫度停留，過冷奧氏體須經(jīng)過一定的孕育期后才開始形成馬氏體；②隨等溫時(shí)間增長，馬氏體轉(zhuǎn)變量不斷增多，即轉(zhuǎn)變量是時(shí)間的函數(shù)；③隨轉(zhuǎn)變溫度的降低，開始時(shí)轉(zhuǎn)變速率增大，且孕育期減少，但到達(dá)某一轉(zhuǎn)變溫度后轉(zhuǎn)變速率反而減慢，且孕育期增長。

Fe-Ni-Mn合金馬氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)如下圖所示?？梢姡c珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗨?，呈“C”形。由于馬氏體等溫形成時(shí)，形核需要有一定的孕育期，這表明必須通過熱激活過程才能形核，故也稱其為熱學(xué)性轉(zhuǎn)變。這點(diǎn)也與珠光體轉(zhuǎn)變很相似，但不同的是在任一溫度下等溫，馬氏體的轉(zhuǎn)變都是有限的，即轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底。這顯然可以用馬氏體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)特點(diǎn)來解釋：在等溫轉(zhuǎn)變形成相當(dāng)數(shù)量的馬氏體后，可能造成系統(tǒng)自由能差 ，從而使轉(zhuǎn)變停止。

在某些高碳鋼和高碳合金鋼（如滾珠軸承鋼GCr15和高速鋼W18Cr4V）甚至中碳合金鋼（如40CrMnSiMoVA）中，也發(fā)現(xiàn)有馬氏體的等溫轉(zhuǎn)變，只不過它們還同時(shí)兼有馬氏體的變溫轉(zhuǎn)變發(fā)生，而并非完全的等溫轉(zhuǎn)變。通常是先發(fā)生變溫轉(zhuǎn)變，再發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變（但也有相反的情況）。

目前對(duì)于馬氏體的變溫轉(zhuǎn)變與等溫轉(zhuǎn)變間的內(nèi)在聯(lián)系還不完全清楚。有人認(rèn)為，變溫轉(zhuǎn)變可視為由在各個(gè)轉(zhuǎn)變溫度下的快速的等溫轉(zhuǎn)變所組成，但對(duì)造成上述表現(xiàn)形式不一的本質(zhì)原因卻未加說明。

應(yīng)當(dāng)指出，雖然在工業(yè)用鋼中等溫馬氏體量一般都不多（少于20%），而且具有完全等溫轉(zhuǎn)變的合金也為數(shù)有限。不過，研究等溫馬氏體的形核和長大過程，對(duì)于揭示馬氏體轉(zhuǎn)變的本質(zhì)和規(guī)律仍是很有意義的1。

珠光體轉(zhuǎn)變共析成分的奧氏體過冷到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)等溫停留時(shí)，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。珠光體轉(zhuǎn)變可以寫成如下的共析反應(yīng)式：

可以看出，珠光體轉(zhuǎn)變是由一個(gè)單相固溶體分解為成分相差懸殊、晶格截然不同的兩相混合組織，因此，轉(zhuǎn)變時(shí)必須進(jìn)行碳的重新分布和鐵的晶格重構(gòu)。這兩個(gè)過程是依靠碳原子和鐵原子的擴(kuò)散來完成的，所以，珠光體轉(zhuǎn)變是典型的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。

片狀珠光體的形成過冷奧氏體向片狀珠光體的轉(zhuǎn)變是形核與長大的過程。圖7—20示出片狀珠光體的等溫形成過程。珠光體晶核首先在奧氏體晶界處形成，然后向晶粒內(nèi)部長大。同時(shí)，又不斷有新的晶核形成和長大。每個(gè)晶核發(fā)展成一個(gè)珠光體區(qū)域，其片層大致平行。直到各個(gè)珠光體區(qū)域都彼此相遇，奧氏體消失，轉(zhuǎn)變即完成。

珠光體形核需要一定的能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏。在奧氏體晶界處，同時(shí)出現(xiàn)這三種起伏的幾率比晶粒內(nèi)部大得多，所以珠光體晶核總是優(yōu)先在奧氏體晶界上形成。如果奧氏體中有未溶碳化物顆粒存在，這些碳化物顆粒便可作為現(xiàn)成晶核而長大起來。

粒狀珠光體的形成在粒狀珠光體中，滲碳體呈顆粒狀分散在鐵素體基體中，如圖7—23所示。每個(gè)滲碳體顆粒都是獨(dú)立形核、長大而成的，彼此不相連接。所以，粒狀珠光體的形成機(jī)理完全不同于片狀珠光體。片狀珠光體只能由過冷奧氏體直接分解而成，不可能由任何其他組織轉(zhuǎn)變得到。而粒狀珠光體則不然，它可以由過冷奧氏體直接分解而成，也可以由片狀珠光體球化而成，還可以由淬火組織回火而形成。形成粒狀珠光體的原始組織不同，其形成機(jī)理也不同。

要由過冷奧氏體直接形成粒狀珠光體，必須使 在奧氏體晶粒內(nèi)部均勻彌散地形成大量晶核，同時(shí)轉(zhuǎn)變溫度要足夠高。這只有利用非均勻形核才能實(shí)現(xiàn)。因此，必須控制加熱時(shí)的奧氏體化程度，讓它只進(jìn)行到奧氏體化的第二階段，使奧氏體中殘存大量未溶的 顆粒，這些 顆粒在溶入過程中已趨于球化；同時(shí)，使奧氏體的碳濃度不均勻，存在許多高碳區(qū)和低碳區(qū)。這樣過冷到點(diǎn)以下，在較小的過冷度下，就能在奧氏體晶粒內(nèi)部均勻彌散地形成大量晶核，每個(gè)晶體獨(dú)自長大，周圍形成鐵素體，這樣就直接形成粒狀珠光體。如果加熱時(shí)得到了單相均勻的奧氏體，便破壞了非均勻形核的條件，只能優(yōu)先在晶界形核，向晶粒內(nèi)部分枝長大，必然形成片狀珠光體，而不能分解成粒狀珠光體。所以，粒狀珠光體的形成，關(guān)鍵在于奧氏體化的狀態(tài)，必須使奧氏體的碳濃度不均勻，而且保留大量未溶的顆粒2。

貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特征貝氏體轉(zhuǎn)變兼有珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變的某些特征。

貝氏體轉(zhuǎn)變有上下溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)珠光體轉(zhuǎn)變的 點(diǎn)及馬氏體轉(zhuǎn)變的 點(diǎn)，貝氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)上限溫度 點(diǎn)。奧氏體必須過冷到 點(diǎn)以下才能發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。合金鋼的 點(diǎn)比較容易測定，碳鋼的 點(diǎn)由于有珠光體轉(zhuǎn)變的干擾很難測定。貝氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)下限溫度 ， 與 無關(guān)，也就是說， 可以高于 ，也可以低于 。

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為非層片狀與珠光體一樣，貝氏體也是由α相與碳化物組成的兩相機(jī)械混合物，但與珠光體不同，貝氏體不是層片狀組織，α相形態(tài)也不同于珠光體中的鐵素體而類似于馬氏體，且組織形態(tài)與轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)，其中包括α相的形態(tài)、大小以及碳化物的類型及分布等。

貝氏體轉(zhuǎn)變通過形核及長大方式進(jìn)行貝氏體轉(zhuǎn)變也是一個(gè)形核及長大的過程，既可以等溫形成，也可以連續(xù)冷卻形成。貝氏體等溫轉(zhuǎn)變需要孕育期，等溫轉(zhuǎn)變圖也具有“C”字形。應(yīng)當(dāng)指出，精確測得的貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線，明顯地是由兩條C曲線合并而成的，這表明貝氏體轉(zhuǎn)變很可能包含著兩種不同的轉(zhuǎn)變機(jī)制。

轉(zhuǎn)變的不完全性貝氏體等溫轉(zhuǎn)變一般不能進(jìn)行徹底，在貝氏體開始轉(zhuǎn)變后，經(jīng)過一定時(shí)間形成一定數(shù)量的貝氏體后．轉(zhuǎn)變會(huì)停下來。換言之，奧氏體不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，這種現(xiàn)象被稱為貝氏體轉(zhuǎn)變的不完全性。通常隨著溫度的升高，貝氏體轉(zhuǎn)變的不完全程度增大。未轉(zhuǎn)變的奧氏體在隨后的等溫過程中有可能發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，稱之為二次珠光體轉(zhuǎn)變。

轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散性由于貝氏體轉(zhuǎn)變是在中溫區(qū)進(jìn)行的，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)尚可發(fā)生碳原子的擴(kuò)散。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變中存在著碳原子的擴(kuò)散，而鐵及合金元素則不發(fā)生擴(kuò)散。碳原子可以在奧氏體中擴(kuò)散，也可以在鐵素體中擴(kuò)散。由此可見，貝氏體轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散性是指碳原子的擴(kuò)散。

貝氏體轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)在貝氏體轉(zhuǎn)變中，當(dāng)鐵素體形成時(shí)，也會(huì)在拋光的試樣表面產(chǎn)生“表面浮凸”。這說明鐵素體的形成與母相奧氏體的宏觀切變有關(guān)，母相奧氏體與新相鐵素體之間維持切變共格關(guān)系，貝氏體中的鐵索體與母相奧氏體之間存在著一定的慣習(xí)面和位向關(guān)系。

貝氏體鐵素體貝氏體中鐵素體的含碳量一般均為過飽和，且過飽和程度隨貝氏體形成溫度的降低而增加，但低于馬氏體的過飽和程度。

由上述主要特征可以看出，貝氏體轉(zhuǎn)變與珠光體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變既有區(qū)別又有聯(lián)系，表現(xiàn)出從擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變到無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變的過渡性、交叉性，同時(shí)又具有自己的特殊性3。