1.2相变

1.2.1相变的概念

相变是一种物理过程，指物质在如气压、温度、压力等外部条件不断变化之下，从一种相(态)转变为另一种相(态)。最常见的是液态水-水蒸气-冰之间随温度变化的转变。在这个例子中，在这个例子中，水分子的排布造成了体系的物态变化。如果母相和生成相都是固体，那么这种相变被称为固态相变。例如本文所研究的铁元素的相变完全在固态的状态下完成，即为固态相变。相变的过程往往伴随着材料原子结构的重排，从而造成材料宏观性能的变化。1933年，Ehrenfest根据化学势关于温度或者压强的一阶导数的连续性，将相变分类为一级、二级和更高级的相变。一阶相变中，在相变点上，两相的化学势相同，但它们关于温度或者压强的一阶导数不相等。固-气-液三种物态的相互转化就是一阶相变的典型例子。二阶相变中，对于化学势的一阶导数连续而二阶导数不连续。铁元素中的铁磁性-顺磁性转变即为二阶相变[1]。

1.2.2马氏体相变

马氏体相变是一种非扩散相变或叫位移相变。严格地说，在位移型相变中只有在原子位移在剪切模式下进行，并且通过两相之间宏观弹性形变来维持界面的连续和相干性，这个过程中扭曲能量足以改变动力学和相变产物形态，其畸变能足以改变相变动力学和相变产物形貌。徐耀祖先生在总结先前许多学者的理论研究后，提出这样简单的定义:马氏体相变过程中，替换原子无扩散(元素的成分与相变前一致，周围元素的相互作用与相变前一致)，而剪切(最主相与Martensitephasetransforamtion的路径关系)使体系的结构发生不同的变化，在这些相变大部分为一级，即在相变过程中结构与某项宏观性能发生突变的形核-长大型相变[2]。

此外，马氏体的速度非常快。虽然目前原位透射电镜与原位XRD技术得到了长足的发展，但相变的具体过程，例如原子的运动轨迹，以现在的仪器设备无法捕捉到。马氏体相变的的形态改变速度有时可以接近声速度。因此，科学家们只能通过马氏体相变前后的奥氏体相及马氏体相的原子结构，来推断相变的可能路径。1924年，贝恩首先提出了马氏体相变是基于面心立方晶格(fcc)单轴上的压缩和另外两个方向上的拉伸，形成体心立方(bcc)结构。当钢铁中存在碳原子时，由于位于八面体间隙的碳原子的挤压作用，钢铁中的马氏体一般为四方结构(bct)。贝恩模型长期以来得到了广泛的接受。但是，贝恩模型首先无法解释马氏体相变中惯习面的存在，即母相与产物相之间的界面或者说晶格不改变的晶面。其次，贝恩模型没有考虑到相变过程中存在的切应力的作用。最后，实际实验中并没有直接观察到按贝恩路径的相。Nishiyama、Wassermann和Kurdjumov、Sachs在贝恩模型的基础上，提出了N-W关系(西山关系)和K-S关系。这两种模型考虑了马氏体相变中的切应力的作用，母相(fcc)中最密排的(110)面平行于产物相(bcc)中最密排的(111)面。从N-W关系出发，将fcc相或者bcc相沿相界面扭到4.31°，即得K-S模型。通过对以往实验数据得总结，低碳钢里马氏体相变基本遵循N-V模型，而高碳钢基本按照K-S模型进行相变[3]。

由温度诱发的马氏体相变，不是发生在某一个温度点，而是发生在某一个温度区间。Ms被称为马氏体相变起始温度，而Mf被称为马氏体相变终止温度。除此之外，应力/变也会诱发马氏体相变。在Ms点以上某一温度范围，对钢进行塑性变形，会促使奥氏体在该温度时发生马氏体转变，相当于塑性变形使Ms点升高，这种因形变促成的马氏体是应力/变诱发得马氏体转变。我们的课题即为由应变引发的马氏体相变，应变为马氏体相变中相的改变提供动能，并额外提供其中的一些化学势能。