马氏体相变的热力学条件优化

马氏体相变也符合一般的相变规律，遵循相变的热力学条件。马氏体相变驱动力是新相马氏体（α'）与母相奥氏体（γ）的化学自由能差ΔGγ→α'=Gα'-Gγ。相同成分的马氏体与奥氏体的化学自由能和温度的关系如第12章图12-6所示（以α'代替图中α），图中To为两相热力学平衡温度，此时ΔGγ→α'=0。显然，马氏体相变开始点Ms必定在To以下，即ΔGγ→α'<0，由过冷提供相变所需的化学驱动力。

马氏体相变的阻力也是新相形成时的界面能Sσ及应变能Vε（见式（12-6））。但是，由于马氏体相变是通过切变方式进行的，需要克服切变阻力而使母相点阵发生改组，为此需要消耗能量；同时还在马氏体晶体中造成大量位错或孪晶等晶体缺陷，导致能量升高；在周围奥氏体中还将产生塑性变形，也需要消耗能量。这些都使马氏体相变阻力增大。尽管非均匀形核时母相晶体缺陷可提供一定的能量（见式（12-11）），但亦需要新相与母相之间有较大的自由能差。因此，Ms点的物理意义即为奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。显然，若T0点一定，Ms点越低，则相变所需的驱动力就越大；反之，Ms点高时，相变所需的驱动力则减小。所以，马氏体相变驱动力ΔGγ→α'与（T0—Ms）成比例，即

式中，ΔS为γ→α'相变时的熵变。

As点的定义与Ms点类似，为马氏体和奥氏体两相自由能差达到逆相变所需最小驱动力值时的温度，并且逆相变驱动力ΔGα'→γ的大小与（As—T0）成比例。T0、Ms、As等与合金成分（碳含量或合金元素含量）的关系如图15-5所示，它们均为浓度的函数。γ→α'相变在Ms～Mf之间进行，α'→γ相变在As～Af之间进行。试验证明，Ms和As之间的温度差可因引入塑性变形而减小。即在Ms点以上对奥氏体进行塑性变形会诱发马氏体相变而使Ms点上升至Md点。同样，塑性变形也可使As点下降至Ad点。Md和Ad分别称为形变诱发马氏体相变开始点和形变诱发奥氏体相变开始点，即可获得形变诱发马氏体的最高温度和形变诱发奥氏体的最低温度。显然，按照马氏体相变的热力学条件，Md的上限温度为T0，而Ad的下限温度亦是。(www.xing528.com)

图15-5　T0、Ms、As和合金成分的关系

如上所述，在Ms点以上、Md点以下对奥氏体进行塑性变形将会诱发马氏体相变。按照马氏体相变热力学的观点，可以通过图15-6来说明形变诱发马氏体相变。由图可见，在T0点至Ms点之间，随着温度下降马氏体相变的化学驱动力增大，当温度为Ms点时，相变的化学驱动力正好等于ΔGγ→α'，可以发生马氏体相变。而形变所提供的能量为机械驱动力，图中ab线代表在化学驱动力上迭加的机械驱动力。设在T1温度下，化学驱动力为mn线段，若此时能提供pm线段的机械驱动力，则pm+mn刚好等于ΔGγ→α'。而且T1<T0，即处在马氏体热力学稳定区内，所以能够发生马氏体相变。若机械驱动力全部代替化学驱动力，则md点应上升到T0点。但在大多数材料中，因塑性变形会引起应力松驰，故md点通常都低于T0点。

图15-6　形变诱发马氏体相变热力学条件示意图