麻田散鐵相變(martensitic transformation)
/ mar-TEN-sit-ik /
麻田散鐵相變是位移型變化的原型,也是最壯觀的一種。它是「無擴散」的——沒有任何一個原子跳位或互換——然而一整塊晶體卻能靠協同的「剪切」,從一種結構瞬間彈進另一種,就像你推撲克牌堆頂端時整疊牌歪斜的樣子。它以麻田散鐵(martensite)命名,那是鋼淬火時形成的硬質結構,但同樣的機制也在許多合金裡運行,包括形狀記憶合金。
在鋼裡,面心立方的沃斯田鐵(gamma)被冷卻得太快,碳原子來不及擴散離開;於是整個晶格在不到一微秒內剪切成體心正方的麻田散鐵(alpha-prime),被困住的碳把它撐得應變。這個相變是非熱型的(athermal,它隨著你持續降溫而推進,而非靠保溫時間),常常只在低於「麻田散鐵起始溫度」Ms 才開始,而原子移動距離不到一個原子間距。因為變化是特定平面上的剪切,每一片麻田散鐵都會在表面造成可見的傾斜(形狀改變)、形成於母相的某個特定平面上(它的慣態面),並與母相維持固定的取向關係。
純粹的剪切會讓片狀物與周圍嚴重錯配,於是晶格再加上一道「晶格不變剪切」——細密的內部雙晶或滑移——把整體形狀改變修成一個「不變面應變」(讓慣態面保持不扭曲)。這正是麻田散鐵片內部佈滿雙晶的原因。麻田散鐵相變是鋼鐵硬化的骨幹、是形狀記憶與超彈性合金(NiTi)背後的機制;而且老實說,它是一種純結構與力學相變——由協同位移驅動,而非靠原子擴散分類。
把鋼從沃斯田鐵區(FCC 的 gamma)淬火急冷,碳來不及擴散離開,整個晶格便在不到一微秒內剪切成體心正方的麻田散鐵(alpha-prime),碳被困在其中造成應變與硬度。沒有任何原子跳位——這是無擴散的協同剪切,也是刀刃能夠淬硬的原因。
麻田散鐵相變:無擴散的協同剪切,FCC 沃斯田鐵瞬間剪切成 BCT 麻田散鐵(鋼淬火硬化的核心)。
麻田散鐵相變是「無擴散」的:原子移動不到一個原子間距、也不互換位置,靠協同剪切完成;它不是靠保溫時間推進,而是隨著持續降溫而推進(athermal)。