基本介紹
- 中文名：轉變表面
- 外文名：Changes of the surface
- 含義：表面組織的轉變
- 領域：金屬材料學
馬氏體轉變動力學的類型,變溫轉變,等溫轉變,珠光體轉變,片狀珠光體的形成,粒狀珠光體的形成,貝氏體轉變的基本特徵,貝氏體轉變有上下溫度點,轉變產物為非層片狀,貝氏體轉變通過形核及長大方式進行,轉變的不完全性,轉變的擴散性,貝氏體轉變的晶體學,貝氏體鐵素體,
馬氏體轉變動力學的類型
鐵合金中馬氏體轉變動力學的形式多樣，大體上可分為四種類型：①變溫（或降溫）轉變；②等溫轉變；③爆發式轉變；④表面轉變。
掌握馬氏體轉變的動力學特點，對於制定鋼的熱處理工藝有著重要的指導意義。著重介紹馬氏體的變溫轉變和等溫轉變。
變溫轉變
大多數鋼種（碳鋼和低合金鋼）的馬氏體轉變是在連續冷卻（變溫或降溫）過程中進行的，亦即在
點以下，隨溫度的下降馬氏體形成量不斷增加；若停止降溫，轉變即告中止，而繼續降溫，則轉變復又進行，直至冷到
點為止。可見，在這種情況下，馬氏體的轉變數決定於冷卻到達的溫度
，即決定於 點以下的過冷度(
)，而與等溫停留時間無關。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生的，故也把變溫轉變稱為非熱學性轉變。由於馬氏體形成時相變驅動力較大，加之相變的共格性和原子的近程遷移等特點而決定了其長大激活能較小，故其長大速率極快。據測定，低碳型和高碳型馬氏體的長大速率分別為
mm/s和
mm/s數量級，所以每個馬氏體片形核後，一般在
時間內即長大到極限尺寸。可見，在連續降溫過程中馬氏體轉變數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長大。
綜上所述，可以把馬氏體變溫轉變的動力學特點歸結為變溫形成、瞬間形核（無孕育期）和高速長大（長到極限尺寸）。
等溫轉變
圖1 Fe-23Ni-3.6Mn合金馬氏體等溫轉變動力學曲線
Fe-Ni-Mn合金馬氏體等溫轉變動力學如圖2所示。可見，它與珠光體轉變為相似，呈“C”形。由於馬氏體等溫形成時，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，故也稱其為熱學性轉變。這點也與珠光體轉變很相似，但不同的是在任一溫度下等溫，馬氏體的轉變都是有限的，即轉變不能進行到底。這顯然可以用馬氏體轉變的熱力學特點來解釋：在等溫轉變形成相當數量的馬氏體後，可能造成系統自由能差
，從而使轉變停止。
圖2 Fe-Ni-Mn合金馬氏體的等溫轉變（IT）圖
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，也發現有馬氏體的等溫轉變，只不過它們還同時兼有馬氏體的變溫轉變發生，而並非完全的等溫轉變。通常是先發生變溫轉變，再發生等溫轉變（但也有相反的情況）。
目前對於馬氏體的變溫轉變與等溫轉變間的內在聯繫還不完全清楚。有人認為，變溫轉變可視為由在各個轉變溫度下的快速的等溫轉變所組成，但對造成上述表現形式不一的本質原因卻未加說明。
應當指出，雖然在工業用鋼中等溫馬氏體量一般都不多（少於20%），而且具有完全等溫轉變的合金也為數有限。不過，研究等溫馬氏體的形核和長大過程，對於揭示馬氏體轉變的本質和規律仍是很有意義的。
珠光體轉變
共析成分的奧氏體過冷到珠光體轉變區內等溫停留時，將發生共析轉變，形成珠光體。珠光體轉變可以寫成如下的共析反應式：
可以看出，珠光體轉變是由一個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，轉變時必須進行碳的重新分布和鐵的晶格重構。這兩個過程是依靠碳原子和鐵原子的擴散來完成的，所以，珠光體轉變是典型的擴散型轉變。
片狀珠光體的形成
過冷奧氏體向片狀珠光體的轉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，然後向晶粒內部長大。同時，又不斷有新的晶核形成和長大。每個晶核發展成一個珠光體區域，其片層大致平行。直到各個珠光體區域都彼此相遇，奧氏體消失，轉變即完成。
圖7—20 共析鋼奧氏體向珠光體等溫轉變過程示意圖
珠光體形核需要一定的能量起伏、結構起伏和濃度起伏。在奧氏體晶界處，同時出現這三種起伏的幾率比晶粒內部大得多，所以珠光體晶核總是優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。每個滲碳體顆粒都是獨立形核、長大而成的，彼此不相連線。所以，粒狀珠光體的形成機理完全不同於片狀珠光體。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
在奧氏體晶粒內部均勻彌散地形成大量晶核，同時轉變溫度要足夠高。這隻有利用非均勻形核才能實現。因此，必須控制加熱時的奧氏體化程度，讓它只進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於球化；同時，使奧氏體的碳濃度不均勻，存在許多高碳區和低碳區。這樣過冷到
點以下，在較小的過冷度下，就能在奧氏體晶粒內部均勻彌散地形成大量晶核，每個晶體獨自長大，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，只能優先在晶界形核，向晶粒內部分枝長大，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，關鍵在於奧氏體化的狀態，必須使奧氏體的碳濃度不均勻，而且保留大量未溶的顆粒。
貝氏體轉變的基本特徵
貝氏體轉變兼有珠光體轉變與馬氏體轉變的某些特徵。
貝氏體轉變有上下溫度點
對應珠光體轉變的 點及馬氏體轉變的 點，貝氏體轉變也有一個上限溫度
點。奧氏體必須過冷到 點以下才能發生貝氏體轉變。合金鋼的 點比較容易測定，碳鋼的 點由於有珠光體轉變的干擾很難測定。貝氏體轉變也有一個下限溫度
， 與 無關，也就是說， 可以高於 ，也可以低於 。
轉變產物為非層片狀
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相形態也不同於珠光體中的鐵素體而類似於馬氏體，且組織形態與轉變溫度密切相關，其中包括α相的形態、大小以及碳化物的類型及分布等。
貝氏體轉變通過形核及長大方式進行
貝氏體轉變也是一個形核及長大的過程，既可以等溫形成，也可以連續冷卻形成。貝氏體等溫轉變需要孕育期，等溫轉變圖也具有“C”字形。應當指出，精確測得的貝氏體轉變的C曲線，明顯地是由兩條C曲線合併而成的，這表明貝氏體轉變很可能包含著兩種不同的轉變機制。
轉變的不完全性
貝氏體等溫轉變一般不能進行徹底，在貝氏體開始轉變後，經過一定時間形成一定數量的貝氏體後．轉變會停下來。換言之，奧氏體不能全部轉變為貝氏體，這種現象被稱為貝氏體轉變的不完全性。通常隨著溫度的升高，貝氏體轉變的不完全程度增大。未轉變的奧氏體在隨後的等溫過程中有可能發生珠光體轉變，稱之為二次珠光體轉變。
轉變的擴散性
由於貝氏體轉變是在中溫區進行的，在這個溫度範圍內尚可發生碳原子的擴散。因此，貝氏體轉變中存在著碳原子的擴散，而鐵及合金元素則不發生擴散。碳原子可以在奧氏體中擴散，也可以在鐵素體中擴散。由此可見，貝氏體轉變的擴散性是指碳原子的擴散。
貝氏體轉變的晶體學
在貝氏體轉變中，當鐵素體形成時，也會在拋光的試樣表面產生“表面浮凸”。這說明鐵素體的形成與母相奧氏體的巨觀切變有關，母相奧氏體與新相鐵素體之間維持切變共格關係，貝氏體中的鐵索體與母相奧氏體之間存在著一定的慣習面和位向關係。
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，但低於馬氏體的過飽和程度。
由上述主要特徵可以看出，貝氏體轉變與珠光體轉變、馬氏體轉變既有區別又有聯繫，表現出從擴散型轉變到無擴散型轉變的過渡性、交叉性，同時又具有自己的特殊性。
