馬氏體轉(zhuǎn)變是在無擴(kuò)散的情況下，晶體由一種結(jié)構(gòu)通過切變轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的變化過程。在相變過程中，點(diǎn)陣的重構(gòu)是由原子集體的、有規(guī)律的近程遷動(dòng)完成的，并無成分變化。由于這種切變特性，馬氏體可以在很低的溫度下（例如4K)以很高的速率（10E5cm /s)進(jìn)行。雖然如此，馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)匀皇且粋€(gè)成核和核長大的過程。目前關(guān)于馬氏體成核和長大理論的研究尚未成熟，仍處于假設(shè)階段，本期簡要介紹介紹其中幾種。

一、馬氏體轉(zhuǎn)變的成核理論

1. 經(jīng)典成核理論

自從發(fā)現(xiàn)馬氏體的等溫轉(zhuǎn)變以后，人們便提出馬氏體轉(zhuǎn)變也是成核和核長大過程，并用經(jīng)典的相變理論來分析馬氏體轉(zhuǎn)變過程。按照這種處理，馬氏體轉(zhuǎn)變可以被看作為單元系的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。若設(shè)馬氏體核胚呈凸透鏡形狀，中心厚度為2c,片的半徑為r(圖3-41),r ＞＞c，則核胚的體積近似等于4/3πr c，表面積為2πr。因此，核胚形成時(shí)，系統(tǒng)的自由能化為：

根據(jù)上述理論，可計(jì)算出Fe-30%Ni合金（原子百分?jǐn)?shù)）于Ms 點(diǎn)（233K)時(shí)的臨界核胚尺寸cc =22，r=490,成核功（能壘）ΔW=5.4x10E5J/mol。按照經(jīng)典成核理論，成核功是由熱起伏而來。但是，在這樣低的溫度下要靠熱運(yùn)動(dòng)來獲得這樣大的激活能是很困難的。有人根據(jù)經(jīng)典成核理論計(jì)算出Fe-Ni合金的成核率和相變溫度成“C”曲線關(guān)系，并能說明一部分實(shí)驗(yàn)事實(shí)。但是，也有一些人的測量結(jié)果表明，合金可以達(dá)到的Ms 點(diǎn)比按經(jīng)典理論計(jì)算的值為低。按經(jīng)典理論提出的馬氏體的長大激活能為2510~4184J/mol。但實(shí)際上馬氏體的長大激活能很小，幾乎為零。根據(jù)這些結(jié)果看來，均勻成核的經(jīng)典理論對于馬氏體轉(zhuǎn)變可能是不適用的。

2.馬氏體成核的位錯(cuò)理論

根據(jù)金相觀察，人們發(fā)現(xiàn)馬氏體核胚在合金中不是均勻分布的，而是在其中一些有利的位置上優(yōu)先形成。有人做過這樣一個(gè)有趣的試驗(yàn)，把小顆粒（100μm以下）的Fe-Ni-C合金奧氏體化后淬火到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)。這時(shí)發(fā)現(xiàn)，各個(gè)顆粒的開始轉(zhuǎn)變溫度可以有相當(dāng)大的差別。對于某些尺寸和成分都相同的小顆粒，甚至在降低到很低的溫度以后，也不發(fā)生轉(zhuǎn)變。參見圖1。

圖1 Fe-Ni-C號機(jī)粉末顆粒馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)果示意圖

在圖1 中，在冷至稍低于Ms 點(diǎn)的溫度時(shí)，五個(gè)顆粒里只有兩個(gè)顆粒中產(chǎn)生馬氏體，在T1溫度時(shí)1及5號顆粒開始出現(xiàn)馬氏體，而3號顆粒要冷到T2溫度時(shí)才開始出現(xiàn)馬氏體。由此可見，合金的成核是很不均勻的，在某些顆粒里，有利于成核的位置很少，所以需要有更大的過冷度才能產(chǎn)生馬氏體。合金中有利于成核的位置是那些結(jié)構(gòu)上的不均勻區(qū)域，如晶體缺陷、內(nèi)表面（由夾雜物造成）以及由于晶體成長或塑性變形所造成的形變區(qū)等。這些“畸變胚芽”可以作為馬氏體的非均勻核心，通常稱之為馬氏體核胚。當(dāng)試樣經(jīng)高溫退火后，其中一些缺陷被消除或重新排列，因而使有利于成核的位置有所減少，亦即馬氏體核胚數(shù)量減少了。

這種預(yù)先存在馬氏體核胚的設(shè)想后來從電子顯微鏡分析中獲得了一些間接的證明。人們在奧氏體 Fe-Ni 合金薄膜電子顯微圖中，發(fā)現(xiàn)有片狀斑點(diǎn)存在 。電子衍射分析表明，與斑點(diǎn)相對應(yīng)的是體心立方的馬氏體結(jié)構(gòu)。斑點(diǎn)分布大小不等，正象上述理論對馬氏體核胚的考慮一樣。定量測出的最大核胚尺寸和計(jì)算值的比較列于表1。

▼表1 Fe-Ni合金中的最大核胚和計(jì)算值的比較

從表中可以看到，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值相差不算太遠(yuǎn)。隨著合金中含Ni量增加，核胚變小，相變比較困難，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

關(guān)于鋼中馬氏體核胚的位錯(cuò)構(gòu)模型，學(xué)說較多，見解也不統(tǒng)一，目前發(fā)展還不成熟。此處只介紹一些一般知識，以便對這個(gè)問題有一個(gè)初步的了解。

說明馬氏體核胚的結(jié)構(gòu)，主要在于說明奧氏體和馬氏體兩相交界面的結(jié)構(gòu)情況，即說明這兩種密排原子列上的奧氏體和馬氏體是如何構(gòu)成共格界面的。

Frank 最早建議，奧氏體和馬氏體的交界面平行于慣習(xí)面（225)γ。按照K-S關(guān)系，這兩種點(diǎn)陣以（225)γ 為界面時(shí)，（111)γ  和（110)α‘ 應(yīng)互相平行。但是，鋼中馬氏體和奧氏體的位向關(guān)系并不非常嚴(yán)格地符合K-S關(guān)系。因?yàn)椋?10}α' 和｛111}γ 的晶面間距不相等，對于α-Fe,它們相差1.6%；對于各種鋼，相差0.5~2%。并且總是奧氏體的間距較大些。為了使兩個(gè)相的晶面能夠一一對應(yīng)地聯(lián)接起來，F(xiàn)rank 提出這兩個(gè)面并不嚴(yán)格地平行，而是有一個(gè)小的交角ψ,如圖2 所示。

▲圖2 馬氏體慣習(xí)面（225）γ （111）γ及（111）α面的關(guān)系

角的大小和G-T關(guān)系中的測量結(jié)果符合，即接近1°。由圖中可見，（111)γ 和（110)α 面傾斜中角后，兩個(gè)面便有可能一一對應(yīng)的聯(lián)接起來。但是，僅僅（111)γ 和（110)α 面對接后，還不等于兩相界面完全共格。因?yàn)榘凑誎-S關(guān)系，在慣習(xí)面（225)γ上的［110α方向應(yīng)和鄰接馬氏體點(diǎn)陣的［111]α 方向一一對應(yīng)連接。而在這個(gè)方向上，兩個(gè)點(diǎn)陣的原子間距也不完全相同，相差1~2%.所以，為了使這兩個(gè)原子列上的原子能夠一一對應(yīng)。Frank 設(shè)想在相變時(shí)，還有適當(dāng)?shù)膹椥孕巫兒退苄宰冃蝸碚{(diào)整。（225)γ [即（734)α ]面上兩相原子的排列情況如圖3 所示。

▲圖3 在（225）γ 面上兩相的原子排列

若這兩種密排原子列上的各個(gè)原子按圖中所示的分?jǐn)?shù)沿箭頭所指方向作相對位移，則可使它們互相吻合。這樣共格界面便完全建立起來了。這樣，在界面上每隔六列原子存在一個(gè)螺型位錯(cuò)。在馬氏體片的另一邊界面上，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同，不過螺型位錯(cuò)的符號相反。不同符號的各組螺型位錯(cuò)的上下端由正的或負(fù)的刃型位錯(cuò)連接起來構(gòu)成了位錯(cuò)圈。馬氏體（或核胚）便被包圍在圈內(nèi)。

各個(gè)原子按圖中所示的分?jǐn)?shù)沿

箭頭所指方向作相對位移，則可使它們互相吻合。這樣共格界面便完全建立起來了。這樣，在界面上每隔六列原子存在一個(gè)螺型位錯(cuò)。在馬氏體片的另一邊界面上，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同，不過螺型位錯(cuò)的符號相反。不同符號的各組螺型位錯(cuò)的上下端由正的或負(fù)的刃型位錯(cuò)連接起來構(gòu)成了位錯(cuò)圈。馬氏體（或核胚）便被包圍在圈內(nèi)。

Knapp 和Dehlinger 根據(jù)上述界面結(jié)構(gòu)模型設(shè)想馬氏體核胚為薄扁圓片，其周圍由一系列大小不等的位錯(cuò)圈所環(huán)繞，如圖4 所示。

▲圖4 馬氏體核胚的K-D模型

位錯(cuò)圈由大部分的正、負(fù)螺 型位錯(cuò)及小部分刃型位錯(cuò)所組成。位錯(cuò)圈擴(kuò)張就使核胚在［110]γ和［225]γ 方向上長大，而在［554]γ 方向上長大需要產(chǎn)生新的位錯(cuò)圈。這樣位錯(cuò)圈的螺型部分向外移動(dòng)使核胚加厚，刃型部分徑向移動(dòng)使尖端產(chǎn)生新的位錯(cuò)圈，使核胚徑向長大。這個(gè)模型即稱為K-D模型。

使用K-D模型的前提條件是在T0 溫度以上已經(jīng)有馬氏體核胚存在于奧氏體中。淬火時(shí)核胚將被凍結(jié)下來，所以不需要克服勢壘。當(dāng)相變的化學(xué)自由能差足以供給位錯(cuò)圈的形成和擴(kuò)張所需要的表面能及應(yīng)變能時(shí)，相界面上的位錯(cuò)就能移動(dòng)，核胚就能長大形成馬氏體片。隨著馬氏體片的長大，界面上的彈性畸越來越大，當(dāng)彈性畸變超過一定限度時(shí)，界面上的共格聯(lián)系就將遭到破壞，馬氏體片即停止長大。這時(shí)，要使馬氏體轉(zhuǎn)變繼續(xù)進(jìn)行，必須降低溫度，使相變驅(qū)動(dòng)力ΔGγ→α 增大，才能使另外一些馬氏體核胚開始長大，轉(zhuǎn)變方能繼續(xù)進(jìn)行?？梢?，用K-D模型可以解釋馬氏體的降溫形成。

以位錯(cuò)圈作為相界面的馬氏體核胚模型還有好幾種，這類模型能夠解釋馬氏體相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但是具體模型尚待進(jìn)一步發(fā)展。

隨著透射電子顯微鏡和電子衍射技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在Ni-Cr不銹鋼和高M(jìn)n鋼中，層錯(cuò)可能是馬氏體的核胚，面心立方的奧氏體（γ )要經(jīng)過一個(gè)密排六方結(jié)構(gòu)的中間相（ε )之后才轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的馬氏體（α')。從電子顯微鏡可以直接觀察到，馬氏體總是在ε相的接壤處出現(xiàn)，特別是在兩片ε相的交界處出現(xiàn)。因此，人們設(shè)想不全位錯(cuò)之間的堆垛層錯(cuò)可以作為二維的馬氏體核胚。面心立方點(diǎn)陣奧氏體的密排面（111)γ 的堆垛層次為ABCABC··. . . ·,如果在堆積次序中出現(xiàn)層錯(cuò)，則堆積次序變?yōu)锳BCABABC  ABC···. . . ,箭頭即表示層錯(cuò)所在。

↑

顯然，層錯(cuò)存在部分的堆積次序?yàn)锳BAB,和密 排六方點(diǎn)陣的密排面堆積次序相同，故可作為ε相的核胚。這種層錯(cuò)核胚經(jīng)過發(fā)展和B層原子作適當(dāng)?shù)钠叫幸苿?dòng)以及A層原子作少量切變位移和點(diǎn)陣調(diào)整，即由e相轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;’。Y、ε、α‘的位向關(guān)系為：（111)γ ‖ (00.1)α ||(011)α [101]γ  ‖ [110]ε||[111]α。

二、馬氏體轉(zhuǎn)變的切變模型

馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性及在低溫下仍以很高的速度進(jìn)行等事實(shí)，都說明在相變過程中點(diǎn)陣的重組是由原子集體的、有規(guī)律的、近程遷動(dòng)完成的，而無成分變化。因此，可以把馬氏體轉(zhuǎn)變看作為晶體由一種結(jié)構(gòu)通過切變轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的變化過程。

自1924年以來，由Bain開始，人們便根據(jù)馬氏體相變的特征，設(shè)想了各種相變機(jī)制。因?yàn)橄嘧儠r(shí)母相發(fā)生明顯的切變，所以早期提出的機(jī)制常常是從簡單的切變過程推導(dǎo)出來的，企圖通過簡單的切變便可以得到與實(shí)驗(yàn)事實(shí)（包括點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、位向關(guān)系和慣習(xí)面等）相符合的馬氏體。下面按發(fā)展過程對幾個(gè)機(jī)制作一些簡要的介紹。

1.貝茵（Bain)模型

早在1924年，Bain就注意到可以把面心立方點(diǎn)陣看成為體心正方點(diǎn)陣，其軸比／為c/a 1. 41(即√2:1)，如圖3-46中（a)及（b)所示。

▲圖5 面心立方點(diǎn)陣轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方點(diǎn)陣的貝茵模型 

同樣，也可以把穩(wěn)定的體心立方鐵素體看成為體心正方點(diǎn)陣，其軸比等于1(圖5 c))。因此，只要把面心立方點(diǎn)陣的C軸（圖5 中的Z軸）壓縮，而把垂直于C軸的其他兩個(gè)軸（圖5 中的x’和y')拉長，使軸比為1，就可使面心立方點(diǎn)陣變成體心立方點(diǎn)陣。馬氏體即為這兩個(gè)極端狀態(tài)之間的中間狀態(tài)。因?yàn)轳R氏體中有間隙式溶解的碳，所以其軸比不能等于1。隨碳含量不同，馬氏體的軸比在1.08~1.00之間。因此，在無C的情況下，希望軸比從1.41變成1.00。按照Bain 模型，在轉(zhuǎn)變過程中原子的相對位移很小。例如，F(xiàn)e-30%Ni合金，當(dāng)其從面心立方點(diǎn)陣變成體心立方點(diǎn)陣時(shí)，C軸縮短了20%，a軸伸長了14%。按照Bain 模型，面心立方點(diǎn)陣改建為體心立方點(diǎn)陣時(shí)，奧氏體和馬氏體的晶面重合也大體符合K-S關(guān)系，如圖6 所示。

▲圖6 按Bain模型奧氏體和馬氏體的晶面重合（符合K-S關(guān)系）

按照Bain 模型僅能產(chǎn)生馬氏體晶格，它不能解釋宏觀切變及慣習(xí)面的存在，因此還不能完整地說明馬氏體相變的特征。

2. K-S(KypuюMoв-Sachs)切變模型

K-S切變過程示于圖7 a)中。

   ▲圖7 a）按K-S切變模型面心立方點(diǎn)陣改

                   建為體心立方點(diǎn)陣的示意圖

              b）a）圖在奧氏體點(diǎn)陣中的位向

圖中點(diǎn)陣以（111)γ 面為底面按ABC ABC ABC···堆積次序自下而上排列。點(diǎn)陣圖下面畫出其在（111)γ 面上的投影圖。圖7 b)圖表示圖7 a)圖在奧氏體點(diǎn)陣中的位向。為敘述方便起見，首先考慮沒有C存在的情況。并設(shè)想奧氏體分以下幾個(gè)步驟轉(zhuǎn)變成馬氏體：

（1 )在（111)γ 面上，沿［211]γ方向產(chǎn)生第一次切變。如圖7 a）Ⅰ中所示，第二層（B層）原子移動(dòng)1/12 r（211）而更高各層原子則按比例增加。但相鄰層原子的相對位移均為1/12 r（211）,第一次切變角為19°18,第一次切變后，原子排列如圖7 a）Ⅱ所示；

（2)第二次切變是在（112)γ 面上（垂直于（111)γ 面），沿［110]γ 方向產(chǎn)生10°30‘的切變（見圖7 a）Ⅱ的投影圖），結(jié)果如圖7 a）Ⅱ所示。第二次切變后使頂角由120°變?yōu)?09°30’或α角由60°增至70°30‘。由于沒有C的存在，便得到體心立方點(diǎn)陣的馬氏體。在有C原子存在的情況下，對于面心立方點(diǎn)陣改建為體心正方點(diǎn)陣時(shí)，二次切變量略小些，α角由60°增至69°;

(3)最后還要作一些小的調(diào)整，使晶面間距和測得的相符合。

K-S模型的成功之處在于它導(dǎo)出了所測量到的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系，給出了面心立方奧氏體點(diǎn)陣改建為體心正方馬氏體點(diǎn)陣的清晰模型。但是，這個(gè)早期的理論完全沒有考慮宏觀切變和慣習(xí)問題。按K-S模型引起的表面浮凸與實(shí)測結(jié)果相差很大。另外，既然認(rèn)為碳鋼中主切變面在（111)γ 面上發(fā)生，那末這個(gè)面似乎應(yīng)該是慣習(xí)面，而測量結(jié)果表明，0.92%C鋼和1.4%C鋼的慣習(xí)面是（225)γ ,1.78%C鋼的慣習(xí)面是（259)γ 。

3. G-T(Creninger-Troiano)模型

G-T模型也常稱為兩次切變模型，如圖8 所示。

▲圖8 G-T模型示意圖

均勻切變亦稱可見切變，可以比較容易地從晶體的宏觀表面浮凸確定。不均勻切變涉及到微觀結(jié)構(gòu)的變化，亦稱不可見切變，不易直接測定。不均勻切變可以是在平行晶面上的滑移（見圖9 c)），也可以是往復(fù)的孿生形變（見圖9 d)）。均勻切變（圖9 b)）不僅使單胞由正方變?yōu)樾狈叫?，并且使晶體的外形由ABCD變?yōu)锳'B'C'D。不均勻切變可以產(chǎn)生和均勻切變相似的微觀結(jié)構(gòu)變化，但晶體無宏觀變形。非均勻切變的這兩種方式分別和馬氏體的兩種亞結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。兩次切變模型的立體圖如圖10 所示。

▲圖9 G-T模型切變過程示意圖

▲圖9 G-T模型立體示意圖

G-T模型比較圓滿地解釋了馬氏體轉(zhuǎn)變的宏觀變形、慣習(xí)面、位向關(guān)系和顯微結(jié)構(gòu)變化等現(xiàn)象，但是沒有解決慣習(xí)面的不應(yīng)變不轉(zhuǎn)動(dòng)，而且也不能解釋碳鋼（＜1.4%C)的位向關(guān)系等問題。

馬氏體相變的切變理論還在不斷地發(fā)展，隨著馬氏體相變實(shí)驗(yàn)研究的深入，新的現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，這就要求理論必須繼續(xù)發(fā)展，才能解釋實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，同時(shí)使理論本身逐漸完善。例如，如前所述，在Ni-Cr鋼、不銹鋼、高M(jìn)n鋼中，α'-馬氏體總是在ε相的交接處出現(xiàn)，特別是常在兩個(gè)ε相的相交處出現(xiàn)。因此，有人提出這類合金相變的順序是γ→ε→α’。顯然，這個(gè)過程是有直接觀察根據(jù)的。而KypдюMon和Sachs 由于受當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平限制，沒能想到ε相的作用，卻假設(shè)了另外兩個(gè)切變過程，直接由γ 得到α‘。當(dāng)然，γ→α’直接轉(zhuǎn)變的可能性也是存在的。有人認(rèn)為C可以提高M(jìn)n鋼的層錯(cuò)能，因此碳含量高時(shí)，γ→ε轉(zhuǎn)變困難，這時(shí)就會(huì)發(fā)生γ→α‘直接轉(zhuǎn)變。

近年來，由于馬氏體異常正方度的發(fā)現(xiàn)，也給馬氏體相變機(jī)構(gòu)的切變理論提出了新的課題，按上述一般設(shè)想的馬氏體相變機(jī)構(gòu)，相變是無擴(kuò)散的、均勻的、有規(guī)律的點(diǎn)陣重組。這樣必然導(dǎo)致所有碳原子只分布在馬氏體間隙位置的一個(gè)亞點(diǎn)陣上，從而使馬氏體的c／a最大。顯然，這樣的轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)無法解釋馬氏體的異常正方度現(xiàn)象。這就啟發(fā)人們在設(shè)想馬氏體相變機(jī)構(gòu)時(shí)，還必須把C原子的移動(dòng)方式考慮在內(nèi)。