马氏体相变是什么原因(马氏体相变是什么相变)

导读：与拟弹性相反，已知由塑性应变引起的马氏体具有有限的进一步可变形性和可逆性。本文研究了面心立方（FCC）-六方密堆积（HCP）-FCC连续马氏体转变路径的机制和原子特性。两种转变都表现在塑性领域，并有助于观察到的应变硬化。原位电子显微镜和同步加速器衍射验证了最终的FCC相具有应变适应能力。HCP-马氏体中Shockley部分的随机产生被认为是第二次转变最合理的原子机制，这为动态减轻应力集中，增强应变硬化性提供了潜在潜力。

对机械诱导马氏体相变（MT）物理理解的发展以及对潜在原子机理的识别在金属和非金属材料的设计中至关重要。依赖于母相的屈服强度和热力学驱动力，在弹性应力或者塑性应变的帮助下，可以实现第一阶段非扩散相变。在前一种情况下，已充分证明了所得马氏体具有潜在的拟弹性或热弹性特性。也就是说，去除外部负载，或加载的热量，可以反向转换其晶体结构恢复到母相。然而，在后一种情况下，马氏体形核通常伴随着大量缺陷密度的引入和在其附近的明显塑性变化，从而导致机械不可逆性和有限的进一步变形性。

当具有六边形紧密堆积（HCP）结构的马氏体从面心立方（FCC）结构的母相转变时，会发生某种程度混合的情况。FCC和HCP晶格之间的相似堆积顺序使温和的塑性适应性提高，从而使界面迁移率更高。对机械亚稳态铁基合金的各种电子显微镜研究证实了这一特性，这一特性可以帮助后续的HCP通过原子转移实现以体为中心的四方(BCT)转换。从更广泛的角度来看，HCP结构相也已证明具有置换性HCP→FCC转变，特别是在严重的塑性变形下或一旦其尺寸在某个长度方向急剧减小时。这些观察结果提出了一个基本的命题：是否有可能在一个连续的塑性变形过程中，在单一的块状材料中实现FCC→HCP→FCC顺序马氏体相变（MT），从而可以增强由于MT引起的应变硬化作用？麻省理工学院Cemal Cem Tasan教授（通讯作者）以及魏绍楼（第一作者）研究证明了在板带中进行这种转变的可能性。本文研究在大块合金中为这种独特的马氏体相变（MT）途径提供了实验证据，展示了相关的应变调节过程，并提出了一个原子机制，可以实现这一转变。相关成果以“Plastic strain-induced sequential martensitic transformation”发表在《Scripta Materialia》上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646220302086(点击阅读原文获取文献)

图1(a)-(f)的原位BSE / EBSD显微照片揭示了随着变形量的增加相结构的演变。在200.6 MPa的总应力下，观察到微观结构由于应变诱导发生FCC→HCP马氏体相变（MT），从而产生了更亮的取向对比（图1a）。进一步应变后，区域1和区域2见证了相同类型的马氏体相变（MT），形成了约10μm宽的HCP马氏体带（图1b）。当总应力增加到368.7 MPa时，这两个区域表现出不同的微观变化：区域1中出现了纺锤形的形貌，这由EBSD相图证明(图1(（c1))，具有FCC结构，而2区的HCP-马氏体仅增厚。相结构演变的这种明显区别证实，除了常规的FCC→HCP马氏体相变（MT），在本合金中还激活了后续的HCP→FCC马氏体相变（MT），从而实现了顺序的FCC→HCP→FCC MT。试样在塑性状态下不断变形，新形成的FCC相与其母体对应的晶体学取向差异(图1(c3))清楚地区分了在伪弹性材料中连续MT和经典应力辅助的可逆马氏体相变(MT)，其中去除外部负载的是不可缺少的。在进一步提高整体应力水平后(图1(d)–(f))，在先前的HCP-马氏体带（红色箭头）内的多个位置处也观察到了连续MT，在此期间没有裂纹出现，消除了来自局部卸载的潜在干扰。

图1FCC→HCP→FCC马氏体相变(MT)的原位观测顺序。(a)-(f)在不断增加的变形水平下的微观组织演变的SEM显微照片；(a1)，(a2)，(c1)和(c2)1区和2区的EBSD相图; (c3)和(c4)相应的IPF；(g)以1％工程应变增量拍摄的同步加速器X射线衍射图。为确保清晰度，针对(a)中标为“区域1和2”的两个特定区域，提供了高放大倍率EBSD相图和反极图(IPF)。

在图2(a)-(d)中仅描绘了应变场的横向分量（垂直于载荷轴）。从横向应变图中可以看出，全局应变从4.3％扩展到22.2％（图2(a)–(d)），连续MT激活的区域表现出明显的局部压缩应变,全局应变在22.2%时达到-8.9％的应变场。相反，仅在发生FCC→HCP MT的其余微结构中产生较低的压缩应变（在应变场为-2.0〜-3.0％）。这种区别表明，FCC→HCP和HCP→FCC MT之间的压缩应变适应性存在显着差异，再次表明后者MT不能通过反向复制前者的应变轨迹来实现。

图2 基于微观结构的应变演化评估。(a)–(d)通过位移相关算法计算得到的二维应变场的横向分量；(e)关于增加的总应变水平和特定于局部von Mises应变演变。

图2（e）提供了所有微观结构成分相对于增加的整体应变的计算出的冯·米塞斯当量应变演化，包括(1)未转化的FCC相区域，(2)仅经历FCC→HCP MT的区域，以及(3)发生连续MT的特定位置。由于各种塑性变形模块的异步激活， FCC→HCP MT依次发生在不同的局部应变情况下出现的四个特定区域（标记为(i )-( iv)），在母相FCC结构中通过完美的位错滑移消除应变自适应造成的界面。在区域（i）中，FCC→HCP MT在总应变水平为4.3％时被激活，导致等效应变急剧增加至13.4％，表明马氏体转变应变在促进局部塑性变形中起着重要作用。通过比较区域(i)-(iv)中的此类转化应变，可以得出结论，尽管在原FCC相中应变强化诱导的完美位错滑移对转化应变产生了轻微的抑制效应（红色虚线和指示的在(i)-(iv)中的斜率变化），但它仍是FCC→HCP MT充当主要的塑性应变载体。

随着整体应变的增加，HCP-马氏体转化产物随后依赖于不同形变微变化显示出两种的局部应变演化特征：（1）在某些区域，HCP-马氏体表现出位错滑移（部分从红色虚线延伸得更远）。在区域（i）-（iv）中，等效应变值随总体应变的升高而产生线性增长趋势。（2）在其他区域，发生HCP→FCC MT。在转变过程中观察到了从3.4到0.4的最大斜率拐点，并且对应的等效应变还表现出最缓慢的单调增加。关于顺序MT的这些区别突出以下含义：（1）最终的转化产物， FCC相，不同于具有脆性样特征的典型BCT-相，随着变形的进行，能够实现进一步的应变调节；（2）这种最终的FCC相在所有微观结构成分中具有最出色的抗塑性变形能力，这主要归因于继承自两个剪切主导型MT的大量位错密度；（3）与FCC→HCP MT相比，连续MT通过高位错的FCC相的连续变形，可以更有效地增强局部应变硬化。尽管这些证据都支持应变硬化性的潜在增强特征，相应力的系统测量和载荷分担的演变仍然需要未来的努力，以明确地评估与顺序MT相关的应变硬化贡献。

遵循经典的Olson-Cohen部分位错发射模型，FCC→HCPMT的原子机理已得到了充分证明，其中HCP-马氏体的成核是通过单向滑行完成的。通过缩回前导部分以使其与尾随部分重新关联，可以潜在地实现HCP→FCC MT，同时恢复FCC母相的取向（前导部分向尾随部分移动）或在它们之间生成Σ3边界（尾随部分移至前导部分）。然而，由于以下原因，本研究中观察到的连续MT无法通过这种单向扩散的方式实现：(1)IPF(如图1 c3)揭示了在母体和新形成的FCC相之间的晶体取向关系的区别，没有检测到它们之间的孪生关系；(2)中尺度应变演化图表明HCP→FCC MT既没有抵消作用，也没有显示与以前的HCP→FCC MT相同的转变应变。(3)顺序MT程序完全在单调准静态塑性变形领域中进行，在该领域中，母体相的任何重新出现都将违反能量耗散定律。另一方面，这些表征结果意味着它是随机部分运动（RPE）过程有助于HCP→FCC MT。这种机制涉及所有可能的部分位错同步激活，既可以使应力非局域化，又可以在母相中产生细微的宏观形状变形，这与HCP→FCC MT相比，等效应变增量小得多(图2e)。如图3(e)和(f)所示，通过在每个{0001} HCP上依次激活b1，b2和b3类型的部分(图2(d)) 因此，在平面上，可以实现FCC结构，从而实现顺序的FCC→HCP→FCC MT。

图3 顺序MT的机制。（a）沿加载方向的（111）FCC和（222）FCC晶格应变以及相应的堆叠故障概率（P sf）；(b)–(f)用于FCC→HCP MT的单部分发射机制的原子配置，以及用于HCP→FCC MT的随机部分发射的原子配置。黑色，蓝色和绿色分别表示A，B和C原子层，而实心和晕圈分别表示FCC和HCP相。

图3（a）中显示了在载荷方向上具有代表性的（111）FCC和（222）FCC晶格应变的演变以及相应的堆垛层错概率。由于发生了微观塑性启动（120 MPa），随着堆叠故障概率单调增加，（111）FCC和（222）FCC平面均显示出其晶格应变显著的弛豫，这被认为可能是由应变诱导的HCP-马氏体成核的结果。更令人惊讶的是，所确定的晶格应变在300 MPa的施加应力水平下经历了另一次松弛，由此，堆垛层错几率也降低到0.0092，从而验证了变形过程中堆垛层错的消失。上面讨论的原子机理（图3(b)-(e))，原位 EBSD分析（图1）和相组成演变（图2）都表明，这种现象主要归因于HCP→FCC转换的结果。这种沿加载方向特殊的晶格应变松弛表明连续MT可以实现应力非局域化，从而促进变形均匀化。另一方面，除了产生广泛的FCC/HCP边界以动态细化先前的HCP带之外，更高倍率的EBSD显微照片证实了通过连续MT形成的FCC相中存在独特的Σ3边界。这种共格边界的形成表明，由于位错倍增和位错-边界相互作用的加快，可能促进应变硬化性。这个Σ3边界不论是遵循经典的机械孪生机制还是通过融合从不同HCP基面马氏体转变的FCC小薄片，这些机制仍需进一步研究。

本文验证了在纯塑性变形领域中存在大量的独特的FCC→HCP→FCC连续MT。并且证明该MT路径是通过随机的局部发射机制实现的，它不仅会导致明显的局部压缩效应，而且还会导致明显的晶格应变松弛。此外，中尺度应变演化和详细的电子显微镜研究表明，尽管所得的FCC相表现出大量的位错密度，但随着变形的进行，它仍可承受塑性应变。这些观察结果证明，连续MT既可以实现连续的应力非局域化，又可以动态增强塑性变形抗力，表明潜在的应变硬化性。这种顺序马氏体转变（MT）在其他的含Mn铁素体合金或者塑性诱导转变钢中也可以实现，从而为推进马氏体转变（MT）基础和获得更多理想机械性能开辟了一条新的路径。