2.1.1 热弹性马氏体相变一般特征

为了使P(母相)→M(马氏体相)相变产生, M的化学自由能必须低于P, 但相变还需要克服相变应变能、 界面能等多余的非化学自由能, 所以如果两相之间的化学自由能差不超过其非化学自由能, 相变就不能开始。P和M的化学自由能随温度变化与马氏体相变的关系见图2-1所示。由图2-1可知, 相变需要驱动力(driving force), 如果不过冷到适当低于T0(P和M的化学自由能达到平衡的温度)的温度Ms, 相变就不能进行。而且, 逆相变也需要驱动力, 必须过热到适当高于T0的温度As。

图2-1 母相(P)和马氏体相(M)的化学自由能随温度变化与马氏体相变的关系[1]

现假设形成半径为r、 平均厚度为2t(r>t)的透镜状马氏体晶核, 则界面能可用下式表示:

其值根据P→M界面的共格程度不同而有很大的差异。假设界面由Frank位错环构成[2], 则σ为(5~10)×10-5 J/cm2。其次, 弹性变形能可用下式表示:

应变能常数A在25℃下约为2100 J/cm2。这种弹性应变通常不会大到加热时有助于逆相变的程度, 但是有时有助于特殊合金的逆相变, 致使相变成为热弹性型。

此外还有塑性变形和弹性振动引起的能量。前者是产生在马氏体内的点阵不变变形——滑移和孪生变形需要的能量, 由于在母相周围内也产生滑移变形, 所以认为这些塑性变形所需要的能量相当大。现假定只在马氏体内产生塑性变形, 则根据弹性变形能的类比, 塑性变形能可用下式表示:

但是, 目前尚未弄清B值的大小。

由于可认为弹性振动能很小, 所以相变伴生的非化学自由能主要用式(2-1)、 式(2-2)和式(2-3)表示。因此, 马氏体形核引起的总能量变化是:

透镜状马氏体晶核半径r超过某一临界值时, 在上式右边的第一项化学自由能变化量大于第二项和第三项非化学自由能之和的Ms温度下, 马氏体晶核可以长大, 相变得以进行。T0和Ms之差称为过冷度, 其大小取决于σ和(A+B),两相之间的结构变化越大, 过冷度也越大。钢铁马氏体相变的过冷度为200℃左右, 而形状记忆合金的过冷度则为5~30℃。