应变能对马氏体组织演化的影响分析

新相的形核-长大是按照能量消耗最小的途径进行的，即坚持省能原则。新相形成时，在新相周围的母相中引发应力场，产生畸变能，此为相变阻力。无论是共格畸变能还是非共格畸变能，其值均与新旧相错配度和母相的弹性模数成正比，影响新相形状的演化。

在发生奥氏体→马氏体相变时体积发生膨胀，则新生成的马氏体相将承受压应力甚至发生压缩应变，母相将承受拉应力而发生拉伸应变，在新旧两相转变过程中所产生的弹（塑）性应变将带来体积应变能的增加。弹（塑）性应变能的大小取决于新旧两相的比体积差，体错配度越大，应变能越大。弹性模量也是影响应变能的重要因素，弹性模量越大，相变应变能越大。

应变能影响新相的几何形状，设新相为椭球形，半径比为b/a，在同样的体积下，体积应变能与形状因子成正比。因此，可用形状因子与b/a的关系来表示，如图5-58^[26]所示。

图5-58 体积应变能和椭球形轴径比b/a的变化关系

马氏体形核时，由于体积效应及弹性模量等的变化，在晶核周围有限的范围内会引起弹性畸变，形成应力场。如果两相的力学性能差别不大，则体积应变能在两相中可协调分布。

马氏体与奥氏体存在半共格连接，在相界面处有位错。其应变能与体积差、新相形状、母相的力学性能有关。体积差用体错配度Δ表示为

式中，V^α为母相（奥氏体）的比体积；ΔV是新旧相的比体积差。

当奥氏体转变为马氏体时，体积变化率为ΔV/V_i＝0.0464－0.0053w_C，线膨胀率为Δl/l_i＝0.0155－0.0018w_C^[27]。此计算式表明形成马氏体时体积膨胀，而且随着含碳量的增加，膨胀率也增大，即马氏体中含碳量越高，其形成的应变能越大，这势必影响马氏体的形貌。设泊松比ν＝1/3，则体积应变能Uⁱ_V为

式中，E为母相的弹性模量；f（b/a）是一个与新相形状有关的函数，称为形状因子。新相从圆盘状到针状，a为直径，b为厚度（长度）。如图5-58所示，当新相为球状时，应变能最大，阻力最大；而新相以盘状、针状形貌存在时，畸变能较小，盘状最小，棒（针）状介于其间^[15，28]。(www.xing528.com)

新旧相的错配度与温度变化无关，而与马氏体的成分有关。弹性模量是对温度敏感的物理量，温度降低时，弹性模量迅速提高^[29]。每降低100℃，钢的弹性模量升高3％～5％^[30]。对于单晶体，温度每降低1℃，弹性模量平均升高0.03％。在较高温度时弹性模量较小，因而相变畸变能小，新相晶核可为球状，最后长大为等轴状。随着温度的降低，弹性模量迅速增大，畸变能变大，这时新相逐渐演化为板条状、条片状、扁针状等形貌，以减少应变能。

单晶体的弹性模量具有各向异性，如铁晶粒在＜111＞晶向的弹性模量最大，E＜111＞＝272700MN/m²；而在＜100＞晶向的弹性模量最小，即E＜100＞＝125000MN/m²，其他晶向的E值居中。如果形核沿着＜100＞晶向长大，则比沿着＜111＞晶向长大时形成的应变能减小约50％。这可能是马氏体片在奥氏体中按不同方位分布的原因之一。

马氏体与奥氏体具有K-S关系，马氏体习惯于在奥氏体的｛111｝_γ上长大。奥氏体的＜110＞γ与马氏体的＜111＞α平行，而＜110＞γ晶向的弹性模量也较小，在此晶向上长大应变能较低，符合省能原则。

含碳量低时，马氏体点的温度较高，过冷奥氏体转变温度较高，原子活动能力强，弹性模量较小，新相形成时引起的畸变能较小，形成位错亚结构。在连续冷却条件下，冷却速度增大，过冷奥氏体转变温度降低，畸变能不断增大。随着畸变能的增加，马氏体的长大可能为调节应变能而形成孪晶。

显然马氏体片的长大方向与（011）α∥（111）γ位向关系有关，新相习惯于躺在｛111｝_γ晶面上长大，以减小畸变能，最后长大为条片状、扁针状马氏体组织。

综上所述，可总结如下：

1）钢中马氏体的二维形态有板条状、片状、蝶状、薄片状、针状、凸透镜状等；而其三维立体形态对应为宽片状、长片状、扁针状等。

2）含碳量是影响马氏体组织形貌的主要因素。钢中合金元素对马氏体形貌也有明显的影响。含碳量和合金元素均影响马氏体点Ms，影响奥氏体转变为马氏体的温度。转变温度越低，弹性模量越大，是影响马氏体形貌的重要原因。

3）发生奥氏体→马氏体相变时的体积应变能是影响马氏体形貌的重要原因。在相变过程中所产生的应变将带来体积应变能的增加。应变能的大小取决于新旧两相的比体积差，比体积差越大，应变能越大。弹性模量越大，体积应变能也越大。

4）马氏体的形核-长大是按照能量消耗最小的途径进行的，即坚持省能原则。厚度较小的宽片状马氏体b/a值较小、f（b/a）也小时，马氏体为板条状（三维形态为盘状）；b/a值较大、f（b/a）也较大时，马氏体演化为长片状（三维形态为扁针状）。