形变诱发马氏体相变能及其影响因素研究

形变诱发马氏体相变能及其影响因素研究

纪昭安张铭宏

烟台市特种设备检验研究院山东烟台265000

摘要：本文通过对亚稳态不锈钢的拉伸实验，研究了拉伸过程中的力学行为特征。实验温度范围为-196℃--25℃，其中低应变率试验（10-3—10-1s-1）在Instron1342试验机上进行，高应变速率试验（102—103s-1）在GYC-50实验机上进行。集合组织观察和机构分析系统地研究了力学行为与组织结构的关系以及其影响因素。

关键词：亚稳态材料，拉伸曲线，弹塑性失稳，应力平台，硬化指数，相变能，应变诱发马氏体相变。

1稳定态与亚稳态材料

对于结构材料就使用过程中是否发生相变，可分为稳定态材料与亚稳定态材料。稳定态材料在使用或受载（外力）情况下组织几乎不发生相变，亚稳态材料则在使用或受载（外力）情况下要发生组织转变。过去对经退火、正火、调质、淬火+回火的稳定态材料研究较多，而对亚稳态材料研究较少。但工程实践中已经使用双(三)相钢，其组织为铁素体(80-90%)+马氏体(10-20%)+奥氏体(少量)。对于高强度钢马氏体板条之间的薄层残余奥氏体，可以显著改善材料的断裂韧性，即在变形过程中，裂纹前的塑性区内，由于机械诱发产生马氏体，可以吸收附加能量，从而可有效地提高断裂韧性值。还有，陶瓷材料中利用ZrO2相变达到增韧的目的，这类材料的使用为亚稳态材料开辟了潜在的工业应用前景。但是，至今人们对相变与力学行为的交互作用还没有系统全面的认识。

2亚稳态材料力学行为的应变率效应

金属材料在高应变率下的动态力学行为研究，具有重要的理论意义与明显的工程应用背景，因为不论航空、汽车、兵器、核能等工业中的许多工程课题都涉及到这个问题，金属成型

、装甲侵彻以及疲劳断裂等方面的进展都取决于材料动态性能的深入了解，在高应变率下显示的动态力学行为与静态性能及变化规律是否一致，这些问题都需要作出深入彻底、系统的研究。

3实验方法

3.1拉伸实验

拉伸实验是在Istorn1342电液伺服机上进行，拉伸温度分别为室温、－50℃、－100℃、－196℃；拉伸加载速率分别为1mm/min、5mm/min、10mm/min、100mm/min。低温拉伸时试样则浸泡在低温罐中进行。

3.2马氏体转变量的测定

拉伸试样中的奥氏体与马氏体相对含量用XRD－6000型X射线衍射仪来测量，体内马氏体转变量的测定是将试样拉伸至一定变形后卸载，用线切割截取XRD试样，对起横截面进行机械磨光，为消除试样制备过程中可能带来的附加马氏体的影响，机械磨光后对试样进行了电解抛光。电解抛光液采用高氯酸20%+10%甘油+酒精70%（均为体积分数）。电解抛光的操作规范为：电压50V，电流密度1.5A/cm2，抛光时间为30秒，工作温度为20～25℃。

3.3制备TEM试样

试样被拉断后，接下来就是制样工作了。3号样做的是线切割，4号样是在试验室的切割机上进行切割的，步骤基本相同。先将断口切掉，然后再切下2个厚约为半毫米的薄片（选取其中比较好的来进行观察）。将薄片用石蜡黏着在夹具上先用600号（粒度为600）砂纸进行粗磨，磨光后反面，将另一面也打磨干净，然后用800号砂纸进行细磨，磨到大约0.1mm，这时候用冲片的仪器将细磨过的样冲下来，直径为3mm，冲下来的样用1000号砂纸轻轻磨平，试样取下来后做的是双喷减薄。

3.4TEM组织分析

组织的观察分析在JEM-3010透射电镜（TEM）进行。

4实验结果及分析

拉伸试样中马氏体相对含量的计算，拉伸试样中马氏体与奥氏体相对含量的计算用D/max-3A型X-ray衍射仪来测量。奥氏体的相对含量通过X射线（110）和（111）的强度确定。即

经过计算求出上面两种情况下的面积分别为10.6×106和2.1×106，根据公式计算可以得到他们的相变能分别是11.3×106J/m3和2.6×106J/m3。

5结语

本文通过对亚稳态不锈钢在应变温度-196℃~25℃，应变率10-3~103s-1下进行的拉伸实验，系统地研究了亚稳态不锈钢的力学行为特性。主要得到以下几个结论：

1．试样在-196℃出现一种新的拉伸曲线，曲线由弹塑性失稳、应力平台、S形硬化曲线三个特征组成。通过上述亚稳态材料不同温度的试验表明：新型拉伸曲线与层错能、马氏体转变动力学有关。奥氏体层错能低，且转变动力学曲线呈S形，则出现拉伸曲线的三个特征。应变率、温度对拉伸曲线的影响，主要通过影响特征量从而影响拉伸曲线形状。应变率增高，屈服强度增大，平台长度增长；温度升高，新型拉伸曲线的特征—弹塑性失稳、应力平台、S型硬化曲线依次消失。

2．借助于XRD与TEM分析，确定了弹塑性失稳、应力平台是不同于低碳钢中由位错运动障碍及位错增殖机制引起的上、下屈服及屈服平台。

3．利用TEM分析了不同阶段应变诱发马氏体的形貌特征，提出了形核生长模型。即应力平台阶段按同一剪切带重复形核、连接长大；而硬化阶段则除了连接重复核心长大外，还有跨越剪切带的形核生长。有趣的是这一结果与转变动力学应力模型的两斜率相对应。

4．依据奥氏体不锈钢低温拉伸曲线的特点，提出了应变诱发马氏体相变能的测定计算方法，相变能Ept越高，Ms点越低，eph越大。为解决相变能测定难题提供了思路，并可以验证过去依据相关理论的计算数值。

参考文献：

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[2]师昌绪,跨世纪材料科学技术的若干热点问题,自然科学进展，1999,9(1):2-13

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