馬氏體組織

馬氏體就是以人名命名的：

對於學材料的人來說，“馬氏體”的大名如雷貫耳，那麼說到阿道夫·馬滕斯又有幾個人知道呢？其實馬氏體的“馬”指的就是他了。在鐵碳組織中這樣以人名命名的組織還有很多，今天我們就來說說這些名稱和它們背後那些材料先賢的故事。

馬氏體Martensite，如前所述命名自Adolf Martens (1850-1914)。這位 被稱作馬登斯或馬滕斯的先生是一位德國的冶金學家。他早年作為一名工程師從事鐵路橋樑的建設工作，並接觸到了正在興起的材料檢驗方法。於是他用自製的顯微鏡觀察鐵的金相組織，並在1878年發表了《鐵的顯微鏡研究》，闡述金屬斷口形態以及其拋光和酸浸后的金相組織。（這個工作我們現在做的好像也蠻多的。）他觀察到生鐵在冷卻和結晶過程中的組織排列很有規則（大概其中就有馬氏體），並預言顯微鏡研究必將成為最有用的分析方法之一（有遠見）。他還曾經擔任了柏林皇家大學附屬機械工藝研究所所長，也就是柏林皇家材料試驗所（"Staatliche Materialprüfungsamt"）的前身，他在那裡建立了第一流的金相試驗室。1895年國際材料試驗學會成立，他擔任了副主席一職。直到現在，在德國依然有一個聲望頗高的獎項以他的名字命名。

馬氏體長大的過程是相界面推移的過程。由於兩相的比體積差、界面共格等因素作用，引起彈性應變能的增加，應變能的增大導致馬氏體長大過程受阻，最終馬氏體片停止長大。這個過程分為以下三個階段：

第一階段的馬氏體轉變數為0～20%，屬於上升階段。馬氏體片在母相晶體中各有利方向“自由”地形核長大，各個馬氏體片之問相互干擾很小。觀察表明，馬氏體首先在母相(如奧氏體)界面處形核，沿著界面長大，並向晶內長大，圖中所示為將60Si2CrV彈簧鋼加熱到950℃奧氏體化，然後冷卻到260℃等溫3min，優先沿原奧氏體晶界形成少量變溫馬氏體，然後淬火到室溫，少量變溫馬氏體由於等溫時被回 火，經硝酸酒精浸蝕后在掃描電鏡下觀察呈黑色，其餘的淬火馬氏體為灰白色。可見，第一階段形核長大的馬氏體沿著晶界長大，也沿著慣習面向品內長大。馬氏體片在長度和厚度方向上的生長是熱彈性的，即在冷卻過程巾增大，而在加熱過程中減小。

第二階段的馬氏體轉變數為20%～70%。這一階段也應當是馬氏體的形核長大過程，雖然較少觀察到馬氏體的形核，其特點是自調節的變體組群的形成和推進。按照慣習面的面族的不同取向形成馬氏體變體組，各變體引起的彈性能互相抵消一部分，因而一個組群馬氏體的形成引起的彈性應變能被降低，這有利於馬氏體片的形成和推進。這就是“自調節”作用，科學技術哲學稱其為自組織過程。圖中所示為馬氏體長大的第二階段示意圖和Cu-Zn-Al合金馬氏體長大的電鏡照片。

將CrWMn鋼加熱到1100°C，保溫30min，油中淬火，得到粗大馬氏體組織，先形成的馬氏體片粗大，在大片馬氏體之間是后形成的馬氏體，尺寸較小，它們互成夾角分佈。這就是所謂第二階段馬氏體片長大的情景。

第三階段的馬氏體轉變數為70%～100%，屬於遞減階段。此階段的特點是母相品粒已經被馬氏體片分割成許多小塊區域，新生的馬氏體只能在分割包圍的高應力區域內形核長大。馬氏體形核長大越來越困難，馬氏體片尺寸越來越小。此階段所佔的溫度範圍較大，但轉變數較小，最後還可能有受脅迫的奧氏體不能轉變為馬氏體而殘留下來。圖為CrWMn鋼粗大馬氏體+殘留奧氏體組織，圖中在黑色馬氏體片夾縫中殘留奧氏體(白色區)。

當馬氏體長大到第一階段，任馬氏體片分割包圍的母相的小區域中再形成馬氏體品核並長大是越來越困難的。這時馬氏體片的牛長受到周邊馬氏體的限制和影響，表現為：①新的馬氏體片的生長在原來馬氏體引發的彈性應變場中進行；②新馬氏體片的尺寸受被分割的母相區域尺寸的限制，由於這些小區域的尺寸越來越小，新馬氏體片可迅速長大到這些區域的大小，片短面厚。馬氏體片多呈夾角相遇，不斷改變方向，以調節應變能。

1．組織形貌的演化

從低碳馬氏體到超高碳馬氏體，其二維形態從板條狀→條片狀→片狀→凸透鏡狀演化。馬氏體組織形貌由板條狀過渡到片狀，片狀和透鏡片狀馬氏體的空間取向增多，非集束化，而對應的三維形態應當為盤狀→條片狀→扁針狀。馬氏體片條從平行分佈到呈現交角分佈；在這個演化過程中，立體形狀總的趨勢是由盤狀向扁針狀演化。

2．亞結構的演化

從低碳馬氏體到高碳馬氏體，亞結構發生變化，低碳的板條狀馬氏體的亞結構主要是極高密度的位錯，孿晶和層錯少。中碳馬氏體的亞結構也是以高密度位錯為主，但孿晶增多。高碳馬氏體的啞結構是孿晶+高密度位錯。電鏡分析表明，從低碳到高碳馬氏體，均有微細的層錯業結構存存，位錯與層錯往往是伴生的。

3．位向關係和慣習面的演化

不同含碳量的過冷奧氏體轉變為馬氏體時普遍存在K—S關係。鋼中馬氏體的慣習面隨著含碳量和形成溫度的不同而異，如從低碳馬氏體到高碳馬氏體，有(557)[原為(111)]→(225)→(259)。

4．晶體結構的演化

含碳量增加時，馬氏體的品體結構由體心立方(bcc)向體心正方(bct)結構過渡。當碳的質量分數小於0．2%時為體心立方結構的馬氏體，正方度為l；而中碳、高碳馬氏體的正方度大於1。某些鋼中還有密排六方(hcp)ε馬氏體。

這些演化均與奧氏體中的含碳量有關，說明碳原子在馬氏體相變中起著重要作用。雖然碳原子和鐵原子均進行無擴散位移過程，但是含碳量不同，新相和母相的自由能之差不等，即馬氏體相變驅動力不同；轉變溫度不同，則影響馬氏體的組織形貌和亞結構。

馬氏體轉變最早是在鋼鐵中發現的，但是現在除了鐵合金外，許多 有色金屬和合金以及陶瓷材料等也都發現了馬氏體轉變，因此，凡是基本特徵屬於馬氏體轉變的相變，其轉變產物都稱為馬氏體。