固态相变原理习题集答案

固态相变课程复习思考题 2012-5-17
1.说明金属固态相变的主要分类及其形式 2.说明金属固态相变的主要特点 3.说明金属固态相变的热力学条件与作用 4.说明金属固态相变的晶核长大条件和机制 5.说明奥氏体的组织特征和性能 6.说明奥氏体的形成机制 7.简要说明珠光体的组织特征 8.简要说明珠光体的转变体制 9.简要说明珠光体转变产物的机械性能 10.简要说明马氏体相变的主要特点 11.简要说明马氏体相变的形核理论和切边模型 12.说明马氏体的机械性能，例如硬度、强度和韧性 13.简要说明贝氏体的基本特征和组织形态 14.说明恩金贝氏体相变假说 15.说明钢中贝氏体的机械性能 16.说明钢中贝氏体的组织形态 17.分析合金脱溶过程和脱溶物的结构 18.分析合金脱溶后的显微组织 19.说明合金脱溶时效的性能变化 20.说明合金的调幅分解的结构、组织和性能 21.试计算碳含量为 2.11%（质量分数）奥氏体中，平均几个晶胞有一个碳原子？ 22.影响珠光体片间距的因素有哪些？ 23.试述影响珠光体转变力学的因素。 24.试述珠光体转变为什么不能存在领先相 25.过冷奥氏体在什么条件下形成片状珠光体，什么条件下形成粒状珠光体 26.试述马氏体相变的主要特征及马氏体相变的判据 27.试述贝氏体转变与马氏体相变的异同点 28.试述贝氏体转变的动力学特点 29.试述贝氏体的形核特点 30.熟悉如下概念：时效、脱溶、连续脱溶、不连续脱溶。 31.试述 Al-Cu 合金的时效过程，写出析出贯序 32.试述脱溶过程出现过渡相的原因 33.掌握如下基本概念： 固态相变、平衡转变、共析相变、平衡脱溶、扩散性相变、无扩散型相变、均匀形核、形核率
1.说明金属固态相变的主要分类及其形式？
（1）按热力学分类：①一级相变②二级相变 （2）按平衡状态图分类：①平衡相变 ㈠同素异构转变和多形性转变㈡平衡脱溶沉淀㈢共析相变㈣调幅分解㈤有序化转变 ②非平衡相变㈠伪共析相变。㈡马氏体相变。㈢贝氏体相变。㈣非平衡脱溶沉淀。 （3）按原子迁移情况分类：①扩散型相变。②非扩散型相变 （4）按相变方式分类：①有核相变②无核相变
16.说明钢中马氏体的组织形态？
答：1）板条状马氏体是低碳钢、中碳钢和不锈钢中形成的一种典型的马氏体组织，其光学显微组织是由多成群的板条 组成，亚结构主要为位错。 2）片状马氏体是中高碳钢中的另一种典型的马氏体组织, 片状马氏体的空间形态呈双凸透镜片状，与马氏体片之 间不互相平行，亚结构为孪晶。 3）其他马氏体形态：①蝶状马氏体；②薄片状马氏体；③ 马氏体
9.简要说明珠光体转变产物的机械性能？
答：共析钢珠光体的机械性能主要取决于奥氏体化温度和珠光体形成温度。 ①片状珠光体 随着珠光体的片层间距与珠光体团直径的减小，珠光体的强度、硬度以及塑性均提高。 ②粒状珠光体 与片状珠光体相比粒状珠光体的强度、硬度稍低，而塑性较高。粒状珠光体的切削性好，对刀具的磨损小，冷压 时的成型性也好，加热淬火时的变形和开裂的倾向性小。粒状珠光体的性能还取决于碳化物颗粒的形态、大小和分布。 ③在相同抗拉强度下，粒状珠光体比片状珠光体的疲劳强度有所提高。
2.说明金属固态相变的主要特点？
⑴相界面：根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界面和非共格界面。 ⑵位向关系与惯习面：在许多情况下，金属固态相变时新相与母相之间往往存在一定的位向关系，而且新相往往在母 相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面通常以母相的晶面指数来表示。 ⑶弹性应变能：金属固态相变时，因新相和母相的比容不同可能发生体积变化。但由于受到周围母相的约束，新相不 能自由膨胀，因此新相与其周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额为地增加了一项弹性应变能。 ⑷过渡相的形成：当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是 先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。 ⑸晶体缺陷的影响：固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，在其周围点阵发生畸变，储存有 畸变能。一般地说，金属固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。 ⑹原子的扩散：在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，金属固态相变必须通过某些组织的扩散才能进行，这时 扩散便成为相变的控制因素。
8.简要说明珠光体的转变机制？
珠光体转变是一个形核长大的过程，可分为片状珠光体和粒状珠光体。珠光体是由铁素体和渗碳体两相组成的， 因此有领先相的问题，一般认为，过冷度小的时候渗碳体是领先相，过冷度大时铁素体是领先相。 1.片状珠光体的形成是由于均匀的奥氏体冷却到 A1 点以下时，因为能量，成分和结构起伏，首先在形核功较小的晶 界上形成一小片渗碳体晶核，长大过程中，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续的向奥氏体中延伸，而横向长大 是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。 2 粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球化而获得的。
（2）切变模型：K-S 切变模型、G-T 模型（亦称两次切变模型）
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说明马氏体的机械性能，例如硬度和强度和韧性？
答：钢中马氏体的最重要特性就是高硬度和高强度，其硬度随含碳量增加而升高。当含碳量达 6%时，淬火钢的硬
度接近最大值。合金元素对马氏体硬度影响不大。马氏体具有高硬度，高强度的主要原因如下。1 相变强化； 2 固溶 强化；3 时效强化；4 马氏体的形变强化特性；5 孪晶对马氏体强度也有贡献；6 原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群 大小对马氏体强度的影响 马氏体的韧性：在屈服强度相同的条件下，位错型马氏体的断裂韧性和冲击功比孪晶马氏体要好得多。 综上所述，马氏体的强度主要取决于碳含量，而马氏体的韧性主要决定于亚结构。
铁磁性，可作为无磁性钢。 （6）线膨胀系数大，可作热膨胀灵敏仪表元件（7）导热性差，加热应采用小热速度，以免 工件变形。
6、说明奥氏体形成机制？
答：奥氏体的形成是一个由α 到γ 的点阵重构、渗碳体溶解以及 C 在奥氏体中扩散重新分布的过程。其形成过程包括： ①奥氏体形核，其形核位置通常在铁素体和渗碳体的两相界面上； ②奥氏体晶核向α 及 Fe3C 两个方向长大， 奥氏体在中的碳溶度差是奥氏体形核的必然结果， 是相界面推移的驱动力。 ③剩余碳化物溶解。 ④奥氏体均匀化。
14．说明恩金贝氏体的相变假说？
恩金认为贝氏体相变应属于马氏体相变性质，由于随后回火析出碳化物而形成贝氏体，提出了贫富碳理论假说。 该假说认为，在贝氏体相变发生之前奥氏体中已经发生了碳的扩散重新分配，形成了贫碳区和富碳区。在贫碳区wenku.baidu.com生 马氏体相变而形成低碳马氏体，然后马氏体迅速回火形成过饱和铁素体和渗碳体的机械混合物，即贝氏体。在富碳区 中首先析出渗碳体，使其碳浓度下降成为贫碳区，然后从新的贫碳区通过马氏体相变形成马氏体，尔后又通过回火成 为铁素体加渗碳体的两相机械混合物(贝氏体)。而在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的。 恩金假说解释贝氏体的形成、BS 点的意义和贝氏体中铁素体的碳浓度随等温温度变化等现象，但没有解释贝氏体 的形态变化和组织结构等。
4.说明金属固态相变的晶核长大条件和机制？
金属固态相变的晶核长大条件:①要求具有合适的过冷度;②有合适的晶核表面结构 金属固态相变的晶核长大机制: 如果新相晶核与母相之间存在着一定的晶体学位向关系，则生长时此位向关系仍保持不变，以便降低表面能。新 相的生长机制也与晶核的界面结构有密切关系，具有共格、半共格或非共格界面的晶核，其长大方式也各不相同，不 过完全共格情况很少，大都是非共格和半共格界面。 （1）非共格界面的迁移 一般非共格界面的迁移方式有两种；一种方式是母相原子通过热激活越过界面不断地短程迁入新相，界面随之向 母相中迁移，新相长大。另一种方式是非共格界面呈台阶状结构，台阶的高度为一个原子的尺度。 （2）半共格界面的迁移 因半共格界面具有较低的界面能，故在长大过程中界面往往保持平面。由于相变过程中原子迁移都小于一个原子 间距，故又称为无扩散型相变。
13.贝氏体基本特征与组织形态？
答：一、基本特征： ①贝氏体相变的温度范围：奥氏体必须过冷到 BS 点一下才能发生贝氏体转变； ②贝氏体相变的产物为铁素体和碳化物的两相机械混合物； ③贝氏体相变是形核和长大的过程； ④贝氏体相变只有 C 原子的扩散，而合金元素包括铁原子均不发生扩散，至少不发生较长距离的扩散； ⑤贝氏体相变是铁素体与渗碳体按切变共格的方式长大。 二、组织形态：①上贝氏体；②下贝氏体；③粒状贝氏体；④无碳化物贝氏体；⑤低碳低合金钢中的 BI，BII，BIII。
5、说明奥氏体组织特征和性能？
答： 组织特征： 奥氏体的通常是由等轴状的多边形晶粒所组成， 晶内常可出现相变孪晶。 它是 C 溶于γ -Fe 中的固溶体， C 原子γ -Fe 点阵中处于 Fe 原子组成的八面体中心间隙位置，即面心立方晶胞的中心或棱边中心。 性能： （1）奥氏体的硬度和屈服强度不高。 （2）塑性好，易变形、加工成形性好。 （3）具有最密排结构，致密度 高，比容最小。 （4）铁原子自扩散激活能大，扩散系数小，热强性好，可用作高温钢。 （5）具有顺磁性，转变产物胃
10、简要说明马氏体相变的主要特点？（主要见 26）
答：1、切变共格和表面浮突现象 2、无扩散性 3、具有特定的位向关系和惯习面 4、在一个温度范围内完成相变 5、可逆性
11．简要说明马氏体相变的形核理论和切变模型？
（1）形核理论： 马氏体相变不是均匀形核的。当奥氏体被过冷至某一温度时，尺寸大于该温度下临界晶核尺寸的核胚就能成为晶 核，长成一片马氏体；当大于临界尺寸的核胚消耗殆尽时，相变停止，只有进一步降低温度才能使更小的核胚成为晶 核进而长成马氏体。 一般认为，马氏体核胚的结构模型为薄圆片状，惯习面为{225}γ ，其界面是由左、右螺旋位错圈和正、负刃型位 错所构成，界面两侧保持 K-S 关系。
7、简要说明珠光体的组织特征？
答：共析碳钢加热奥氏体化后缓慢冷却，在稍低于 A1 温度时奥氏体将分解为铁素体与渗碳体的混合物，成为珠光体。 其典型形态呈片状或层状。 片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体交替堆叠而成的。 片状珠光体的片层间距 S0 大小主要取决于珠光体的形 成温度。在连续冷却条件下，冷去速度越大，珠光体的形成温度越低，即过冷度越大，则片层间距就越小。珠光体是 在一个温度范围内形成，在高温形成的珠光体较粗，低温形成的珠光体较细 在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，成为“粒状珠光体”和“球状珠光体” ，一般是经过球化退火处理后获 得的。 珠光体形成时，新相（铁素体和渗碳体）与母相（奥氏体）之间存在一定的晶体学位相关系，使新相和母相的原 子在界面上能够较好地匹配。此外，在珠光体团中，铁素体与渗碳体之间也存在一定的位相关系
3.说明金属固态相变的热力学条件与作用？
金属固态相变的热力学条件： （1）相变驱动力 相变热力学指出，一切系统都有降低自由能以达到稳定状态的自发趋势。若具备引起自由能降低的条件，系统将由 高能到低能转变转变，称为自发转变。金属固态相变就是自发转变，则新相自由能必须低于旧相自由能。新旧两相自 由能差既为相变的驱动力，也就是所谓的相变热力学条件。 （2）相变势垒 要使系统有旧相转变为新相除了驱动力外，还要克服相变势垒。所谓相变势垒是指相变时改组晶格所必须克服的 原子间引力。 金属固态相变的热力学作用:①为相变的发生提供动力；②明确相变发生所要克服的势垒，即激活能。
15.说明钢中贝氏体的机械性能？
答：1）影响主要因素：①贝氏体中铁素体的影响：铁素体晶粒越细小，贝氏体的强度越高，而且韧性有时还有所提高； ②渗碳体的影响：据弥散强化机理，碳化物颗粒尺寸约细小，数量越多，对强度的贡献越大；③其他因素：温度及相 变的完全性等。 2）贝氏体的强度与硬度：随相变温度降低而升高，另外，由于中、高碳钢特别是高碳钢中的下贝氏体组织具有较 高的强度和韧性，因此有望具有高的耐磨性。 3）贝氏体的韧性：低碳钢中，上贝氏体的冲击韧性比下贝氏体要低；与淬火低温回火处理相比，等温淬火获得的 下贝氏体组织常具有较高的冲击韧性。