固态相变考试题

固态相变考试题
⼀、名称解释(10分，每题2分)
1．回⽕马⽒体
答：淬⽕钢在低温回⽕时得到的组织。

2．回⽕脆性
答：随回⽕温度升⾼，⼀般是钢的强度、硬度降低，塑性升⾼，但冲击韧性不⼀定总是随回⽕温度升⾼⽽升⾼，有些钢在某些温度回⽕时，韧性反⽽显著下降的现象。

3．组织遗传
答：合⾦钢构件在热处理时，常出现由于锻压、轧制、铸造、焊接等⼯艺⽽形成的原始有序粗晶组织。

这些⾮平衡的粗晶有序组织（马⽒体、贝⽒体、魏⽒组织等）在⼀定加热条件下所形成的奥⽒体晶粒继承或恢复原始粗⼤晶粒的现象，称为组织遗传。

4．时效
答：过饱和的固溶体在室温放置或加热到⼀定温度下保持⼀段时间，使得溶质原⼦在固溶体点阵中的⼀定区域内析出、聚集、形成新相，引起合⾦的组织和性能的变化称为时效。

5．形状记忆效应
答：将某些⾦属材料进⾏变形后加热到某⼀特定温度以上时，能⾃动回复到原来的形状的效应。

6. ⼆次硬化现象
当M中K形成元素含量⾜够多时，500°C以上回⽕会析出合⾦碳化物，细⼩的弥散分布的合⾦K将使已经因回⽕温度升⾼⽽下降的硬度重新升⾼，故称⼆次硬化。

7. 晶粒度
设n为放⼤100倍时每645mm2(lin2)⾯积内的晶粒数，则下式中的N被⽤来表⽰晶粒⼤⼩的级别，被称为晶粒度。

N=2N-1
⼆、填空：(20分，每空0.5分)
1. 马⽒体转变时K-S关系是指｛110｝α’ || ｛111｝γ(晶⾯关系)，﹤111﹥α’|| ﹤110﹥γ(晶向关系)。

2. 奥⽒体是碳溶于γ－Fe固溶体，碳原⼦位于⼋⾯体中⼼位置，钢中马⽒体是碳溶于a －Fe过饱和固溶体，具有体⼼正⽅点阵点阵。

3. 固相界⾯根据其共格性有共格，半共格，⾮共格，其中⾮共格界⾯的弹性应变能最⼩。

4. M回⽕加热时，回⽕转变过程依次为 M中碳原⼦的偏聚和聚集，M的分解，残余A分解，碳化物类型变化，a相回复与再结晶。

5. 由淬⽕时造成的三类内应⼒在回⽕时，随着回⽕温度的升⾼，三类应⼒消失或减⼩的顺序和原因为：第三类应⼒，原因是M分解，造成碳原⼦析出;第⼆类应⼒，原因是碳化物的析出；第⼀类应⼒，原因是 a相再结晶。

6. 时效硬化机制有内应变强化，切过颗粒强化，绕过析出相（Orowan机制）。

7.A转变时，转变温度与临界点A1之差称为过热度,它随加热速度的增⼤⽽增⼤。

8. 奥⽒体转变的四个阶段是 A形核，A长⼤，渗碳体溶解，A均匀化。

9. 影响钢的Ms点的最主要因素是含碳量，Ms随含碳量升⾼⽽降低。

10. ⾼碳钢为了改善其切削加⼯性能，淬⽕后进⾏⾼温回⽕，⼯业中也称为调质处理。

11. ⼀般退⽕采取的冷却⽅式为炉冷，正⽕的冷却⽅式为空冷，正⽕后强度略⾼于退⽕后的强度。

12. 分析物相组成的⼿段主要有三种，请举出其中的两种：中⼦衍射， X射线衍射。

13. M转变的切变模型有Bain模型，K-S模型，G-T模型。

14. 常⽤的淬⽕介质中，淬⽕时伴随有物态变化的介质有：⽔，⽔溶液（油）等；
没有物态变化的介质有熔盐，碱（熔融⾦属）等。

三、选择题（20分，每题1分）
1．由铁碳相图可知，奥⽒体转变时，CA-F_ (a )___CA-C, 碳原⼦向F⼀侧扩散，有利于A 的长⼤。

(a) < (b) > (c) ≤ (d) =
2．珠光体的⽚层间距随着过冷度的增加⽽___(a) _。

a) 减⼩ (b) 不变 (c) 增⼤ (d) ⽆规律
3．合⾦时效时随时间的延长硬度发⽣下降是发⽣了_ (b) __。

(a) 冷时效 (b) 过时效 (c) 温时效 (d) ⾃然时效
4．亚共析钢的先共析铁素体是在__ (d)__以上向奥⽒体转变的。

(a) AC1 (b) T0 (c) A1 (d) AC3
5．球化处理由⽚状向粒状转变，可_ (c)___，属⾃发过程。

(a)降低结合能 (b)降低体积 (c)降低表⾯能 (d)降低碳浓度
6．淬⽕钢在（b）温度之间出现的回⽕脆性称为第⼆类回⽕脆性。

(a)250～400℃ (b)450～600℃ (c)100～300℃ (d)350～650℃
7．发⽣P转变时，Fe3C形核于__(c) __或A晶内未溶Fe3C粒⼦。

(a)P晶界 (b)珠光体团交界处 (c)A晶界 (d) Fe3C/P界⾯
8.共析成分的奥⽒体发⽣珠光体转变时,会发⽣碳在(a)和__中的扩散。

(a)F和A (b)F和P (c)P和A (d)F和Fe3C
9．在A1温度以下发⽣的P转变，奥⽒体与铁素体界⾯上的碳浓度 (b)__奥⽒体与渗碳体界⾯上碳浓度，从⽽引起了奥⽒体中的碳的扩散。

(a)低于 (b)⾼于 (c)等于 (d)⼩于等于
10．随着贝⽒体形成温度的降低，强度逐渐 (b) ，韧性。

(a) 降低，降低 (b) 增加，增加 (c) 降低，增加 (d) 增加，降低
11．与上贝⽒体相⽐，下贝⽒体具有 (b) 的强度和的韧性。

(a) 较低，较⾼ (b) 较⾼，较⾼ (c) 较低，较⾼ (d) 较⾼，较低
12．珠光体转变的形核率I及长⼤速度V随过冷度的增加_(d)___。

(a)先减后增 (b)不变化 (c)增加 (d)先增后减
13．亚共析钢在AC3下加热后的转变产物为__(c) _。

(a) F (b) A (c) F+A (d) P+F
14．珠光体等温转变动⼒学图有⼀⿐尖，⿐尖对应了形核率和转变速度的_(a)__。

(a)最⼤处 (b)最⼩处 (c)平均值处 (d)次⼤处
15．选出过冷奥⽒体向马⽒体转变时的相变阻⼒__(b)(c)_ 。

(a)新相和母相的⾃由能差 (b)两相间的表⾯能 (c)弹性应变能 (d)塑性应变能
16．亚(过)共析钢的TTT曲线左上⽅有⼀__ (d) _。

(a)等温线 (b)共析线 (c)A1 (d)先共析线
17．奥⽒体化温度越⾼，保温时间越长，珠光体的形核率和长⼤速度__(a)__。

(a)越⼩ (b)越⼤ (c)不变 (d)先增后减
18．在Ms点以上由变形产⽣的马⽒体为 (b) 。

(a)应⼒促发马⽒体 (b)形变诱发马⽒体 (c)淬⽕马⽒体 (d)热弹性马⽒体
19．⼏乎所有的钢均存在第⼀类回⽕脆性。

第⼀类回⽕脆性出现温度范围是 (b) 。

(a) 450～600℃ (b) 250～400℃ (c) 200℃以下 (d) Ms点以下
20．在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度和硬度⽐⽚状的(d)_，塑性___。

(a)较⾼，较好 (b)较低，较低
(c)较⾼，较低 (d)较低，较好
6．要想改善碳钢在加⼯过程中的切削加⼯性能，宜采取的中间热处理⼯艺为 a 。

(a)退⽕ (b)淬⽕(c)回⽕ (d)正⽕
7．由于形成F与Fe3C的⼆相平衡时，体系⾃由能最低，所以A只要在A1下保持⾜够长时间，就会得到__c__的⼆相混合物P。

(a)A+P (b)A+Fe3C (c)F+Fe3C (d)A+F
19．上贝⽒体转变的形成温度范围是 b 。

(a) 550℃以上 (b) 350～550℃ (c) 350℃以下 (d) Ms点以下
9．要想获得综合⼒学性能好的钢，最适宜且经济的热处理⽅式为__d__。

(a)淬⽕加低温回⽕ (b)退⽕ (c)正⽕ (d)贝⽒体等温淬⽕
10．球化处理由⽚状向粒状转变，可__c__，属⾃发过程。

(a)降低结合能 (b)降低体积 (c)降低表⾯能 (d)降低碳浓度
11．发⽣P转变时，Fe3C形核于_c___或A晶内未溶Fe3C粒⼦。

(a)P晶界 (b)珠光体团交界处 (c)A晶界 (d) Fe3C/P界⾯
四、简答题（20分，每题5分）
1.说明钢的淬⽕、回⽕的⽬的。

淬⽕主要的⽬的
提⾼强韧性、弹性、耐蚀性和耐热性及硬度和耐磨性
回⽕的⽬的：
提⾼钢塑性、韧性，达到硬度强度、塑性韧性的配合；
消除淬⽕后内应⼒，防⽌变形、开裂；
改善钢的切削加⼯性
2.简述影响Ms点的因素有哪些？
1）奥⽒体的化学成分；
2) 加热规程的影响；
3）冷却速度的影响；
4）弹性应⼒的影响；
5）塑性变形的影响
3.试分析弹簧钢丝经“派登”处理后具有⾼强度、⾼塑性的原因。

答：当珠光体中Fe3C很薄时，在外⼒的作⽤下可以滑移产⽣塑性变形，也可产⽣弯曲，使塑性升⾼。

将⾼碳钢丝经铅浴等温处理得到⽚间距极⼩的索⽒体，然后利⽤薄渗碳体⽚可以弯曲和产⽣塑性变形的特性进⾏深度冷拔以增加F⽚内的位错，⽽使
强度得到显著提⾼，⽣产中称为派登处理（铅浴处理）。

4.M转变需要很⼤的过冷度，为什么？
答：发⽣M转变时，⾃由能的变化可表⽰为ΔG＝－（ΔGV+ ΔGD）+S g +E+ ΣT，其中，ΔGV表⽰M与A的化学⾃由焓
差，ΔGD表⽰A晶体缺陷所提供的能量，过冷度越⼤，ΔGV 越⼤，这两部份即为M转变的驱动⼒。

当t=Ms时，（ΔGV+
ΔGD）即为M转变所需的驱动⼒ΔGa?g’，⽽阻⼒包括三个⽅⾯，分别是界⾯能Sg、弹性能E，还有ΣT（包括晶格改组需要消耗能量所作的功、位错和孪晶形成导致的能量升⾼以及M形成时发⽣的塑性变形⽽消耗的能量），只有当ΔG＜0时M转变才能发⽣，由于该转变需要克服的阻⼒较⼤，因此，由于M 转变时需要增加能量较多，故阻⼒较⼤，使转变必须在较⼤过冷度下才能进⾏。

1.简述珠光体中球状碳化物形成的途径。

（1）由淬⽕马⽒体在⾼亚临界温度（A1以下附近的温度）分解⽽形成。

即：淬⽕＋⾼温回⽕（调质处理）；
（2）由⽚状P在⾼亚临界温度长时间保温，使渗碳体变成球状；
（3）由A在A1以上较低温度加热，冷却时在A1以下较⾼温度等温保持，使其转变为铁素体＋球状渗碳体。

3．简述相间析出与珠光体转变的异同点。

形核位置：相间析出在α/γ界⾯处析出碳、氮化物；珠光体在γ晶界形核；
位相关系：相间析出的K和α之间有位相关系；珠光体三相之间有位相关系
碳化物分布：相间析出碳化物平⾏与相界⾯呈极细颗粒；珠光体未⽚状或颗粒装
形成温度范围：均有⼀范围
成分：相间析出含有强碳、氮化物形成元素的低碳合⾦钢；珠光体在（亚、过）共析钢
影响因素：相间析出受温度、碳含量冷却速度影响；珠光体转变受碳含量、加热温度、保温条件、原始组织等影响。

4.过共析钢⼀般应该在什么温度下淬⽕？为什么？
答：过共析钢含碳量较⾼，⼀般加热温度在A1＋30～50℃条件下进⾏淬⽕。

如果淬⽕温度过⾼（＞Acm）时，碳化物会全部溶于A，从⽽导致耐磨性下降，同时A晶粒粗⼤，显微裂纹倾向提⾼，同时易造成钢的氧化，脱碳加剧，变形开裂倾向加剧。

同时对于过共析钢淬⽕前应进⾏球化退⽕，然后再加热到A1＋30～50℃得到A和颗粒状的Fe3C然后淬⽕，这样得到M和颗粒状的Fe3C，从⽽使耐磨性提⾼。

由于淬⽕温度低，因此得到细⼩的A，这样淬⽕后得到的细⼩的M（隐针），这称为不完全淬⽕。

五、论述题(30分，1和2题为必做题；3、4和5题中任选两题)
1.(10分)试从转变热⼒学，动⼒学，组织，性能⽅⾯论述钢中珠光体转变和马⽒体转变的异同点。

项⽬珠光体（P）马⽒体（M)
转变温度⾼温（开始温度A1）低温（Ms)
转变产物 F和Fe3C的机械混合物 C溶于α-Fe中的过饱和故容体
组织形态⽚状、颗粒状板条状、透镜⽚状、蝶状薄板状、薄⽚状
晶体学特征⽆表⾯浮凸有表⾯浮凸，成“N”型
转变动⼒学等温转变动⼒学曲线呈“S”，等温转变动⼒学图呈“C”，等温条件下可进⾏到终了。

变温瞬时形核，瞬时长⼤；等温形核、瞬时长⼤；⾃触发形核，瞬时长⼤。

等温条件下不可进⾏完全。

转变热⼒学驱动⼒为⾃由焓差，通过扩散形成驱动⼒也为⾃由焓差，基本⽆扩散，
性能塑形、韧性较好，强度、硬度略低具有⾼的强度和硬度，但塑形、韧性较差
2.(8分)试画出共析钢过冷奥⽒体等温转变动⼒学图。

并标出：1）各相区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；（3）分别获得M，P，B下，P＋B，B下+M组织的冷却速度曲线。

3.（6分）碳钢在进⾏不同热处理⼯艺后会具有不同硬度。

在进⾏以下热处理后请画出其硬度随含碳量的变化的曲线⽰意图，并说明其原因。

1）完全淬⽕冷却到室温，2）不完全淬⽕冷却⾄室温，3）完全淬⽕后深冷处理。

答：⾸先，随着淬⽕钢碳含量的增加，其中残余奥⽒体的量会随之增加，尤其是当碳含量⼤于0.6%以后。

同时，残余奥⽒体的量与淬⽕温度密切相关，随着淬⽕温度的提⾼，马⽒体中的碳含量增加，但残余奥⽒体的量也随之增加。

采⽤完全淬⽕时，随着碳含量的增加，淬⽕得到M硬度有所增加，但溶⼊奥⽒体当中的碳含量较⾼，淬⽕到室温是其内残余奥⽒体的量也较⾼，此时钢的硬度反⽽有所下降；
采⽤不完全淬⽕时，随着碳含量的增加，淬⽕得到的M硬度有所增加，同时，由于淬⽕温度较低，溶⼊A中的碳含量也较低，因此冷却到室温时的残余奥⽒体的量⽐完全淬⽕时少，所以此时硬度⼏乎没有变化；
如果采⽤完全淬⽕，随着碳含量的增加，冷却到室温虽然残余奥⽒体的量较多，但如果进⾏深冷处理，此时会有相当⼀部分残余奥⽒体发⽣向M的转变，从⽽使碳钢的硬度升⾼。

4.(6分)30＃钢齿轮在⼯作时发⽣了开裂，现要对其开裂原因进⾏失效分析。

据了解，其热处理⼯艺为850℃淬⽕，350℃回⽕，根据你所学的固态相变研究的⽅法的基本知识，请提出失效分析的⽅案，并分析其失效的具体原因。

答：1.了解相关情况，包括服役条件、时间等；查阅相关资料，包括30＃钢的强度、屈服极限、TTT图CCT图等，回⽕处理的相关⼯艺等； 2.进⾏相关实验，做对照分析，包括：
(1)测定成分及⾦相组织观察，判定是否为成分原因；
(2)测定强度及屈服极限等，看是否与资料显⽰⼀致，判断是否为操作不当或材料⽼化造成的正常断裂；
(3)进⾏断⼝分析，判断是否在回⽕的过程中发⽣了回⽕脆性，⼀般在350℃回⽕时多会发⽣第⼀类回⽕脆性。

判定⽅法是将材料全部加热到350℃以上，再进⾏冷却。

1.（8分）某电站汽轮发电机转⼦，由 30CrNi 制成，热处理⼯艺为：淬⽕和550℃回⽕（回⽕后缓慢冷却到室温），长期运⾏后转⼦发⽣沿晶断裂，造成严重事故。

试分析其断裂的原因，并说明这种现象的主要特征和影响因素，应如何预防此类事故？
答：⾸先从转⼦材料来看，属于合⾦钢，其中含有⽐较多的Cr和Ni，他们均是促进回⽕脆性的元素，其次从热处理⼯艺来看，回⽕温度及回⽕后的冷却过程选择均不当，最后从断⼝分析，主要发⽣了沿晶断裂，因此从以上三⽅⾯判断该转⼦发⽣了第⼆类回⽕脆性，最终导致其发⽣断裂。

第⼆类回⽕脆性的主要特征：（1）第⼆类回⽕脆性对回⽕后的冷却速度⽐较敏感，缓慢冷却时发⽣第⼆类回⽕脆性；（2）第⼆类回⽕脆性具有可逆性；（3）处于第⼆类回⽕脆性状态的钢，其断⼝呈现沿晶断裂特征。

第⼆类回⽕脆性的影响因素包括（1）化学成分，杂质元素：S、P、As、Sn、Sb、B，促进⼆类回⽕脆性元素：Ni、Cr、Mn、Si、C (以上⼆类元素必须同时存在时才会产⽣)，抑制⼆类回⽕脆性元素：Mo、V、W、Ti；（2）热处理⼯艺参数，与回⽕温度、时间、冷却速度密切相关，缓冷使脆性增加，组织因素：M回⽕脆性最严重，B次之，P最弱；（3）组织因素，晶粒愈细，回⽕脆性愈轻。

防⽌⽅法：
降低钢中杂质元素
加⼊能细化A晶粒元素，如Nb、V、Ti
加⼊适量抑制⼆类回⽕脆性的元素：Mo、W
避开在450~650°C范围回⽕，650°C以上回⽕要快冷。