2.1.1 熱彈性馬氏體相變一般特征

為了使P(母相)→M(馬氏體相)相變產(chǎn)生, M的化學(xué)自由能必須低于P, 但相變還需要克服相變應(yīng)變能、 界面能等多余的非化學(xué)自由能, 所以如果兩相之間的化學(xué)自由能差不超過其非化學(xué)自由能, 相變就不能開始。P和M的化學(xué)自由能隨溫度變化與馬氏體相變的關(guān)系見圖2-1所示。由圖2-1可知, 相變需要驅(qū)動(dòng)力(driving force), 如果不過冷到適當(dāng)?shù)陀赥0(P和M的化學(xué)自由能達(dá)到平衡的溫度)的溫度Ms, 相變就不能進(jìn)行。而且, 逆相變也需要驅(qū)動(dòng)力, 必須過熱到適當(dāng)高于T0的溫度As。

圖2-1 母相(P)和馬氏體相(M)的化學(xué)自由能隨溫度變化與馬氏體相變的關(guān)系[1]

現(xiàn)假設(shè)形成半徑為r、 平均厚度為2t(r>t)的透鏡狀馬氏體晶核, 則界面能可用下式表示:

其值根據(jù)P→M界面的共格程度不同而有很大的差異。假設(shè)界面由Frank位錯(cuò)環(huán)構(gòu)成[2], 則σ為(5~10)×10-5 J/cm2。其次, 彈性變形能可用下式表示:

應(yīng)變能常數(shù)A在25℃下約為2100 J/cm2。這種彈性應(yīng)變通常不會(huì)大到加熱時(shí)有助于逆相變的程度, 但是有時(shí)有助于特殊合金的逆相變, 致使相變成為熱彈性型。

此外還有塑性變形和彈性振動(dòng)引起的能量。前者是產(chǎn)生在馬氏體內(nèi)的點(diǎn)陣不變變形——滑移和孿生變形需要的能量, 由于在母相周圍內(nèi)也產(chǎn)生滑移變形, 所以認(rèn)為這些塑性變形所需要的能量相當(dāng)大?，F(xiàn)假定只在馬氏體內(nèi)產(chǎn)生塑性變形, 則根據(jù)彈性變形能的類比, 塑性變形能可用下式表示:

但是, 目前尚未弄清B值的大小。

由于可認(rèn)為彈性振動(dòng)能很小, 所以相變伴生的非化學(xué)自由能主要用式(2-1)、 式(2-2)和式(2-3)表示。因此, 馬氏體形核引起的總能量變化是:

透鏡狀馬氏體晶核半徑r超過某一臨界值時(shí), 在上式右邊的第一項(xiàng)化學(xué)自由能變化量大于第二項(xiàng)和第三項(xiàng)非化學(xué)自由能之和的Ms溫度下, 馬氏體晶核可以長(zhǎng)大, 相變得以進(jìn)行。T0和Ms之差稱為過冷度, 其大小取決于σ和(A+B),兩相之間的結(jié)構(gòu)變化越大, 過冷度也越大。鋼鐵馬氏體相變的過冷度為200℃左右, 而形狀記憶合金的過冷度則為5~30℃。