[科普中國]-塊型相變

簡介

塊狀轉(zhuǎn)變最早是在某些有色金屬、純鐵和鐵基合金中發(fā)現(xiàn)的。它的特征是新舊兩相晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，但沒有或很少有成分變化。新相一般呈塊狀，但也可能呈規(guī)則的條狀或片狀。塊狀轉(zhuǎn)變時不出現(xiàn)表面浮凸效應(yīng)，新舊相間也不具有一定的位向關(guān)系。一般認(rèn)為，塊狀轉(zhuǎn)變是熱激活的，它遵循形核和長大規(guī)律。新相形核常發(fā)生在母相的晶界。塊狀轉(zhuǎn)變雖是以原子不相協(xié)作方式，但通過非共格界面進(jìn)行短程擴(kuò)散后，母相即直接形成同成份新相。因此，塊狀轉(zhuǎn)變具有無擴(kuò)散相變的某些特點(diǎn)。但又不同于馬氏體轉(zhuǎn)變。2

在銅和鋁、鋅、鎵、鍺等金屬形成的合金中，塊型相變發(fā)生在相當(dāng)窄的成分范圍，而有時候（但并不總是如此）可被快速淬火所抑制（Massalski 1958發(fā)現(xiàn)），新生長出來的晶體在晶界形核，常常穿過高溫相的原始晶界，所以生長機(jī)理必然是熱激活的，相界面必然是非共格的。既然沒有長程擴(kuò)散，可以推測生長是界面控制的。電影照相技術(shù)研究表明，在加熱和冷卻時均可發(fā)生塊型相變，大部分相變是由易彎曲的晶界傳播所完成的，這種晶界以可變的速率移動，且能穿過原始晶粒間界。所以這種生長方式可以比作再結(jié)晶或晶粒長大，生長速度比涉及長程擴(kuò)散的反應(yīng)高幾個數(shù)量級?？磥砩L受到兩種障礙物的影響，一種是預(yù)先存在的沉淀物、雜質(zhì)粒子和晶體缺陷，這些障礙物使運(yùn)動著的晶界改變方向，另一種是由于相變時的體積變化，使相界面前方的母相中開始的滑移。這種范性形變有時阻止相界面運(yùn)動，可使某些界面變平。它可能也是造成曾經(jīng)觀察到的陂陛型生長的部分原因。Kittl和Massalski斷定，新相的生長可以和母相具有取向關(guān)系，也可以沒有取向關(guān)系，在相變期間也出現(xiàn)某些特殊的形貌，例如孿晶的生長。

冷卻過程中塊型相變的產(chǎn)物可能是平衡相，但常常是平衡相圖的一種過飽和相。在相變期間，需要有幾個原子間距的熱激活遷移，非共格的界面可能促進(jìn)這種遷移。如果沒有預(yù)先存在的晶核，那么只有當(dāng)驅(qū)動力達(dá)到相當(dāng)大的值，足以允許非共格界面的新相形核，但又不至于引起馬氏體型的反應(yīng)時，才會開始發(fā)生這種相變。所以冷卻速度必須足夠快，以阻止借助于長程擴(kuò)散分解為平衡相，但又不要太快，以免使熱激活生長變得不可能。在某種意義上說，塊型相變在動力學(xué)上介于平衡反應(yīng)和可能的馬氏體相變之間。在純金屬中，它只不過是一種普通的形核和長大相變。

在某些情況下，發(fā)生塊型相變的條件很苛刻，這可用鋼鋅合金中的α→β塊型相變來說明，先將這種合金淬火，隨后脈沖加熱到反應(yīng)溫度。人們發(fā)現(xiàn)，塊型相變僅發(fā)生在平衡相圖的單相區(qū)，有人認(rèn)為，這是因?yàn)橄嘧儚囊呀?jīng)存在的小的口區(qū)域開始，這些小區(qū)域在淬火過程中已經(jīng)形成，并且已經(jīng)把鋅原子排斥到周圍的母相中去。1

發(fā)現(xiàn)過程Greninger首先在銅－鋁合金中采用了這個名稱。這個術(shù)語起源于新相的金相形貌，新相常常由大的不規(guī)則的塊狀或晶粒組成，它們有時具有直的晶粒邊界，即使晶粒并不具有特殊的形狀。不過這種形貌上的定義已經(jīng)導(dǎo)致相當(dāng)?shù)幕靵y，因?yàn)槟承R氏體產(chǎn)物是由一組互相平行的片或板條組成的，例如在低鎳的鐵－鎳合金中，而在金相組織上常常不能夠區(qū)別出單個的板條．Owen等（1964）把這種結(jié)構(gòu)的金相形貌描述為塊型馬氏體，這種形貌與本節(jié)討論的非馬氏體型的塊型相變相似．對這種馬氏體產(chǎn)物還提出了另外一些名稱，包括自協(xié)調(diào)馬氏體和板條馬氏體，但這些不同的分類不一定互相等價。

在鐵合金和銅合金中塊型相變和馬氏體相變發(fā)生在同樣的成分范圍，而觀察到的結(jié)構(gòu)有時可能是由兩種獨(dú)立的反應(yīng)機(jī)理的產(chǎn)物構(gòu)成的混合物，這就增加了困難。假如完全放棄“塊型”這個詞，可能混亂會小一些，但是，對于合金中有熱激活的多形性相變，看來使用這個名詞已普遍為大家所接受。

塊狀轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變的比較由克里斯琴指出的馬氏體轉(zhuǎn)變的中心特征之一是，馬氏體轉(zhuǎn)變的發(fā)生是由于存在著一種可使新相形成而無需原子擴(kuò)散的易長大機(jī)制。因此，了解奧氏體一馬氏體界面上位錯組態(tài)的性質(zhì)是了解馬氏體反應(yīng)中的非常重要的部分。正是因?yàn)樵趦煞N特定的晶體結(jié)構(gòu)之間可以存在某種特殊的排列，兩種結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)變才能按馬氏體方式進(jìn)行。在幾乎所有的馬氏體中，界面結(jié)構(gòu)及由之引起的快速長大機(jī)制似乎都基本上相同。盡管不同馬氏體的特性不同，這一點(diǎn)確是如此，包括變溫、等溫、熱彈性、板條狀、片狀。

當(dāng)將一個合金很快地避過一種固態(tài)相變淬冷到低溫區(qū)時，往往可能完全抑制低溫平衡相或任何低溫亞穩(wěn)相的形成。不過，如果低溫相以馬氏體方式形成，則即使采用最大可能的淬冷速度，也不能抑止這種轉(zhuǎn)變。有時發(fā)現(xiàn)在快冷時，會形成一種低溫相。由于新相具有短粗的形貌，這類轉(zhuǎn)變叫做塊狀轉(zhuǎn)變（massive transformation）。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形貌和大多數(shù)快速長大轉(zhuǎn)變中的片狀或針狀形貌很不相同。塊狀轉(zhuǎn)變的主要特征如下：

母相與新相具有相同的成份（無擴(kuò)散）。

長大速度快，但沒有馬氏體那樣快。

在自由表面上沒有象馬氏體那樣的形狀變化。

因此，在新相快速形成和無成份變化上，塊狀轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變相似。然而，卻不存在馬氏體轉(zhuǎn)變時的快速長大機(jī)制，而僅是由于大的驅(qū)動力造成了大角晶界的迅速遷移。 這個驅(qū)動力ΔSfΔT（其中ΔT為無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變的Tf以下的過冷度）一般比馬氏體反應(yīng)者為小。在某些系統(tǒng)中，塊狀轉(zhuǎn)變將在較小的過冷度下發(fā)生，而馬氏體轉(zhuǎn)變在較大的過冷度下進(jìn)行。這就是低碳鋼中的情況。

總而言之，如將一個合金在通過一個固態(tài)相變溫度范圍被激烈地淬冷時，存在著許多可能性：

高溫相被保持到淬冷溫度，成為亞穩(wěn)定相。

通過拐點(diǎn)分解或均勻形核形成亞穩(wěn)定相的小顆粒。

形成快速長大的析出相如魏氏組織型側(cè)片或貝氏體。

由塊狀轉(zhuǎn)變形成一個低溫相。3