某些固溶體在冷卻過程中轉變很快，形成成分與初始相一樣的新的單相結構，假如這種類型的反應表現出形核與長大的特徵，而不是馬氏體相變的特徵，則稱之為塊型相變。
基本介紹
- 中文名：塊型相變
- 外文名：massive transformation
- 別名：塊狀轉變
- 套用：煉鋼、煉鐵、冶金工業
簡介,發現過程,塊狀轉變與馬氏體轉變的比較,
簡介
塊狀轉變最早是在某些有色金屬、純鐵和鐵基合金中發現的。它的特徵是新舊兩相晶體結構發生改變，但沒有或很少有成分變化。新相一般呈塊狀，但也可能呈規則的條狀或片狀。塊狀轉變時不出現表面浮凸效應，新舊相間也不具有一定的位向關係。一般認為，塊狀轉變是熱激活的，它遵循形核和長大規律。新相形核常發生在母相的晶界。塊狀轉變雖是以原子不相協作方式，但通過非共格界面進行短程擴散後，母相即直接形成同成份新相。因此，塊狀轉變具有無擴散相變的某些特點。但又不同於馬氏體轉變。
在銅和鋁、鋅、鎵、鍺等金屬形成的合金中，塊型相變發生在相當窄的成分範圍，而有時候（但並不總是如此）可被快速淬火所抑制（Massalski 1958發現），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。既然沒有長程擴散，可以推測生長是界面控制的。電影照相技術研究表明，在加熱和冷卻時均可發生塊型相變，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晶或晶粒長大，生長速度比涉及長程擴散的反應高几個數量級。看來生長受到兩種障礙物的影響，一種是預先存在的沉澱物、雜質粒子和晶體缺陷，這些障礙物使運動著的晶界改變方向，另一種是由於相變時的體積變化，使相界面前方的母相中開始的滑移。這種範性形變有時阻止相界面運動，可使某些界面變平。它可能也是造成曾經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係，也可以沒有取向關係，在相變期間也出現某些特殊的形貌，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這種遷移。如果沒有預先存在的晶核，那么只有當驅動力達到相當大的值，足以允許非共格界面的新相形核，但又不至於引起馬氏體型的反應時，才會開始發生這種相變。所以冷卻速度必須足夠快，以阻止藉助於長程擴散分解為平衡相，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，塊型相變在動力學上介於平衡反應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，隨後脈衝加熱到反應溫度。人們發現，塊型相變僅發生在平衡相圖的單相區，有人認為，這是因為相變從已經存在的小的口區域開始，這些小區域在淬火過程中已經形成，並且已經把鋅原子排斥到周圍的母相中去。
發現過程
Greninger首先在銅－鋁合金中採用了這個名稱。這個術語起源於新相的金相形貌，新相常常由大的不規則的塊狀或晶粒組成，它們有時具有直的晶粒邊界，即使晶粒並不具有特殊的形狀。不過這種形貌上的定義已經導致相當的混亂，因為某些馬氏體產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別出單個的板條．Owen等（1964）把這種結構的金相形貌描述為塊型馬氏體，這種形貌與本節討論的非馬氏體型的塊型相變相似．對這種馬氏體產物還提出了另外一些名稱，包括自協調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生在同樣的成分範圍，而觀察到的結構有時可能是由兩種獨立的反應機理的產物構成的混合物，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，對於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。
塊狀轉變與馬氏體轉變的比較
由克里斯琴指出的馬氏體轉變的中心特徵之一是，馬氏體轉變的發生是由於存在著一種可使新相形成而無需原子擴散的易長大機制。因此，了解奧氏體一馬氏體界面上位錯組態的性質是了解馬氏體反應中的非常重要的部分。正是因為在兩種特定的晶體結構之間可以存在某種特殊的排列，兩種結構間的轉變才能按馬氏體方式進行。在幾乎所有的馬氏體中，界面結構及由之引起的快速長大機制似乎都基本上相同。儘管不同馬氏體的特性不同，這一點確是如此，包括變溫、等溫、熱彈性、板條狀、片狀。
當將一個合金很快地避過一種固態相變淬冷到低溫區時，往往可能完全抑制低溫平衡相或任何低溫亞穩相的形成。不過，如果低溫相以馬氏體方式形成，則即使採用最大可能的淬冷速度，也不能抑止這種轉變。有時發現在快冷時，會形成一種低溫相。由於新相具有短粗的形貌，這類轉變叫做塊狀轉變（massive transformation）。轉變產物的形貌和大多數快速長大轉變中的片狀或針狀形貌很不相同。塊狀轉變的主要特徵如下：
- 母相與新相具有相同的成份（無擴散）。
- 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，塊狀轉變和馬氏體轉變相似。然而，卻不存在馬氏體轉變時的快速長大機制，而僅是由於大的驅動力造成了大角晶界的迅速遷移。 這個驅動力ΔSfΔT（其中ΔT為無擴散型轉變的Tf以下的過冷度）一般比馬氏體反應者為小。在某些系統中，塊狀轉變將在較小的過冷度下發生，而馬氏體轉變在較大的過冷度下進行。這就是低碳鋼中的情況。
奧氏體與馬氏體相的自由能與溫度間的關係曲線關係總而言之，如將一個合金在通過一個固態相變溫度範圍被激烈地淬冷時，存在著許多可能性：
- 高溫相被保持到淬冷溫度，成為亞穩定相。
- 通過拐點分解或均勻形核形成亞穩定相的小顆粒。
- 形成快速長大的析出相如魏氏組織型側片或貝氏體。
- 由塊狀轉變形成一個低溫相。
