2.4 马氏体转变
2.4.1 马氏体转变的主要特征
由于马氏体转变研究范围的不断扩大，马氏体转变的定义也在不断更新，也有不少争论。本书采用徐祖耀院士提出的简化定义，即马氏体转变是指置换原子无扩散切变（原子沿相界面做协作运动），使其形状改变的转变。它具有以下的特点。
2.4.1.1 切变共格性和表面浮凸现象
马氏体转变时，在预先磨光的试样表面上可以形成表面浮凸，这表明马氏体转变是通过奥氏体均匀切变进行的。奥氏体中已转变为马氏体的部分发生宏观切变而使点阵发生改组，且带动靠近界面的还未转变的奥氏体也随之发生弹塑性变形，如图2-88所示。相变前在试样表面上的直线ACB，在切变以后变成折线ACC'B'。在显微镜光线照射下，浮凸两边呈现明显的山阴和山阳，图2-89给出了Cu-14.2Al-4.2Ni合金表面抛光试样在淬火冷却时形成的马氏体浮凸。由此可见，马氏体是以切变方式形成的，同时马氏体与奥氏体之间界面上的原子为两相共有，即整个相界面是共格的，因此称为切变共格。
图2-88 马氏体浮凸示意图
图2-89 Cu-14.2Al-4.2Ni合金的马氏体浮凸
切变共格界面的界面能比非共格界面小，但其弹性应变能却较大。随着马氏体的形成，必定会在其周围奥氏体中产生一定的弹性应变，从而积蓄一定弹性应变能（或称共格应变能）。当马氏体长大到一定程度时，奥氏体中的弹性应力可能超过其弹性极限，此时两相的V共格关系即遭破坏，这时马氏体便停止生长。
2.4.1.2 无扩散性
首先，马氏体转变是通过奥氏体的均匀切变实现的，因此马氏体的成分与原奥氏体的成分完全一致；其次，马氏体可以在极低的温度下（例如-196℃）进行，在如此低的温度下，无论是置换原子还是间隙原子都已经极难扩散，而此时马氏体的生长速度仍可达到103m/s，这意味着马氏体的生长速度已经达到了固体中的声速。这种情况下，马氏体转变是不可能依靠扩散来进行的。试验表明，某些低碳钢的马氏体转变过程中存在碳的扩散，可见马氏体转变的无扩散性特征是指合金中置换原子无扩散，而间隙原子可能扩散。但间隙原子扩散不是马氏体转变的主要过程和必要条件，因此仍应称其为无扩散性转变。
2.4.1.3 具有特定的位向关系和惯习面
通过均匀切变所得的马氏体与原奥氏体之间存在严格的晶体学位向关系。在钢中常见的位向关系包括K-S关系、西山关系、G-T关系。K-S（Kurdjumov-Sachs）关系为{111}γ∥{011}α，＜110＞γ∥＜111＞α。西山（Nishiyama）关系为{111}γ∥{011}α，＜112＞γ∥＜110＞α。G-T（Greninger-Troiano）关系与K-S关系接近，只是角度存在一定偏差：{111}γ∥{011}α，差1°；＜110＞γ∥＜111＞α，差2°。此外，马氏体转变有惯习面，由于马氏体转变是以切变共格的形式进行的，所以惯习面也就是新旧相的相界面，如图2-88所示。惯习面为不畸变平面，或称不变平面，即在转变过程中它不发生畸变和转变，平面上所产生的均匀应变称为不变平面应变。图2-90是三种不变平面应变，底面均为不变平面，图2-90（a）为简单的膨胀或压缩；图2-90（b）为切变；图2-90（c）既有膨胀又有切变。马氏体转变属于图2-90（c）状态。
图2-90 三种不变平面应变示意图
钢中马氏体转变的惯习面随含碳量不同而异，常见的有三种：{111}γ、{225}γ、{259}γ。含碳量小于0.4%（质量分数）时为{111}γ；含碳量为0.5%～1.4%时为{225}γ；含碳量为1.5%～1.8%时为{259}γ。此外，随着温度的下降马氏体转变的惯习面有向高指数面变化的趋势，例如含碳量较高的奥氏体在较高温度转变时，马氏体的惯习面是{225}γ，而在较低温度转变时惯习面变为{259}γ。由于马氏体惯习面不同，马氏体的组织形态也将有所差异。
马氏体-奥氏体的界面并不都是平直的。这种情况下的惯习面可以用图2-91来说明。
图2-91（a）为设想的台阶模型，图2-91（b）和图2-91（c）分别表示因台阶结构不同而造成的“宏观惯习面”与“微观惯习面”彼此异同的情况。实际上“宏观惯习面”是两相的界面，“微观惯习面”才是真正的惯习面。可以想象，随着台阶密度或形貌的变化，可以得到任意指数的“宏观惯习面”，而“微观惯习面”却始终不变。
图2-91 马氏体-奥氏体界面的台阶模型和惯习面
2.4.1.4 马氏体的亚结构
马氏体组织内出现的组织结构称为马氏体的亚结构。在低碳马氏体内通常呈现密度较高的位错，而在高碳马氏体内以细的孪晶作为亚结构；有色金属马氏体的亚结构为孪晶或层错。这些亚结构是马氏体的一个重要特征，对马氏体的力学性能有着直接的影响。
2.4.1.5 马氏体转变的可逆性
将母相以大于临界冷却速度的冷速（在钢中是为了避免发生珠光体转变）冷至某一温度以下才能发生马氏体转变，这一温度称为马氏体转变开始点，以Ms表示。当冷却至Ms以下某一温度时，马氏体转变便不再继续进行，这个温度称为马氏体转变终了点，用Mf表示。一般情况下，冷却到Mf，点以下仍不能得到100%马氏体，而保留一部分未转变的奥氏体，称为残留奥氏体。重新加热时，马氏体也可以转变为奥氏体，即马氏体转变具有可逆性。一般将加热时马氏体向奥氏体的转变称为逆转变。逆转变与冷却时的马氏体转变具有相同的特点，与冷却时的Ms及Mf相对应。逆转变时也有转变开始点As及转变终了点Af。通常，As比Ms高，二者之差视合金成分不同而异。如Au-Cd、Ni-Mn-Ga等合金的As与Ms之差较小，仅为几摄氏度到几十摄氏度；而Fe-Ni等合金的As与Ms之差就很大，大于400℃。图2-92给出了Au-Cd和Fe-Ni合金的例子。需要指出的是，在钢中一般不出现马氏体逆转变。这是因为钢中马氏体在未加热到As以前就会析出碳化物而向更稳定的状态转变。
图2-92 Fe70Ni30和Au52.5Cd47.5合金马氏体转变时的相对电阻变化
综上所述，马氏体转变区别于其他转变的最基本的特点有两个：一是转变以切变共格方式进行；二是转变的无扩散性。其他特点均可由这两个基本特点派生出来。