相变作业及答案

第一章奥氏体的形成

1．从热力学出发，合金相可能存在哪几种状态？试举例说明。

答：按照热力学第二定律，隔离体系中，过程自发的方向为自由能降低的方向。可以判断，体系处于自由能最低的状态为稳定状态。照此规律，合金相可以分下述三种状态：

1）稳定相：在体系中处于自由能最低的相。例如，在室温存在的铁素体，在910～1394℃存在的奥氏体等；

2）亚稳相：在体系中处于自由能较低且与最低自由能位的相由能垒相分隔的相。例如，在室温存在的渗碳体，马氏体等；

3）不稳定相：在体系中处于自由能较低且与稳定相和亚稳相之间无能垒相分隔的相。例如，过冷奥氏体等。

2．综述奥氏体的主要性能。（200字以内）

答：奥氏体是碳溶于r Fe中的间隙固溶体，碳的溶入，使点阵发生畸变，从而点阵常数增大；虽然，大多合金元素为置换型的，但由于二者的原子半径不等，从而亦引起点阵畸变，上述因素均使奥氏体得到强化。在钢的各种组织中，A的比容最小，而线膨胀系数最大，且为顺磁性，根据这些性能不仅可以定量分析奥氏体量，测定相对开始点，而且可以用来控制热处理变形及制作功能元器件。 A 的导热系数较小，仅比渗碳体大，为避免工件的变形，故不宜采用过大的加热速

较低，易于塑性变形，故工件的塑性变形常常加热度。由于奥氏体塑性好，σ

S

到奥氏体单相区中进行。

C亚稳平衡图，说明加热时奥氏体的形成机理。

3．画出Fe-Fe

3

答：加热时，奥氏体的形成，是在固态下实现的相变，它属于形核长大型，是受扩散控制的。

1）奥氏体的形核

（1）形核的成分、结构条件

由 Fe—Fe3C 相图知，在A1温度

C% 0.0218 6.69 0.77

结构体心立方复杂斜方面心立方

可见，转变前的二相与转变产物不仅在成分上，而且在结构上都很大差异。所以，奥氏体的形核需同时满足成分、结构及能量上的要求。

（2）形核的自由能判据

珠光体转变为奥氏体时，体系总的自由能变化为

其中为Ａ与Ｐ的自由能差

为晶体缺陷处形核时引起的自由能降低

为弹性应变能

为产生新相后引入的界面能

由热力学知，在Ａ１温度，＝０，而、、均为正植，

并且仅仅依靠缺陷以及能量起伏提供的能量，并不能使，所以相变必须

在一定的过热度下，使得，才能得。由此可见，相变必须在高于A1的某一温度下才能发生，奥氏体才能开始形核。

（3）形核位置

鉴于相变对成分、结构以及能量的要求，奥氏体晶核将在F—Fe3C相界面上优先形成，这是由于：

①如所前所述，晶界形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的自由能降低，有利于相变对能量的要求。

②相界面两边的碳浓度差大，较易获得与新相奥氏体相适配的碳浓度，况且碳原子沿晶界扩散也较晶内为快，从而加速了奥氏体的形核。

③晶界处，原子排列较不规则，易于产生结构起伏，从而由bcc改组成fcc。一旦在相界面处形成奥氏体核心，则产生三相平衡，且晶核的生长随之开始。

２）奥氏体晶核的生长

由于P→A的转变是扩散型相变，且相变是在较高温度下进行的，二相的自由能差较小，故奥氏体的生长主要受控于C、Fe原子的扩散，根据 Fick第一定律，扩散通量与浓度梯度成正比，且向着浓度降低的方向进行，所以我们只要分析相界面处与奥氏体晶核内部的浓度梯度，就可预测晶核长大的趋势。

由Fe-Fe3C相图知（相图略），P→A时，将产生两个相界面α＋γ、γ+Fe3C，而α＋Fe3C相界面消失，各界面处的浓度为：

（最大）

（最小）

（中等）

从而在γ相内产生碳浓度差（虽然在α相内亦存在浓度梯度，

但比起γ相内的要小的多，故予以忽略），从而产生浓度梯度，引起碳的扩散；

扩散的结果，↘，↗，这就破坏了该温度下、

相界面处Ｃ原子的平衡，为了得到这种平衡，在相界面处，必须通过

溶入奥氏体，使↗，则奥氏体向推进了一段距离；与此

同时，在相界面处，必须通过，使↘，则奥氏体又向

推进一段距离，从而实现了奥氏体晶核的生长。由于相界面处的浓度

差远大于相界面处的浓度差，奥氏体向铁素体推进的速度远大于向

推进的速度，所以在奥氏体生长过程中，往往是铁素体优先消失，而有剩余。

３）残留Fe3C的溶解

由于残留Fe3C中的C通过扩散进入奥氏体，而A中的Fe则通过扩散，进入Fe3C阵点，随之Fe3C中的C浓度降低，使得复杂斜方结构变得不稳定，逐渐改组为面心立方点阵，实现了残留奥氏体的溶解。

４）奥氏体成分的均匀化

综上所述，珠光体转变为奥氏体的过程是一个形核长大的过程，是受扩散控制的。由于相变对成分、结构、能量的要求，A首先在α/Fe3C相界面上形核，从而产生α/γ，γ/Fe3C二个相界面。奥氏体晶核借助于相界面上的浓度差而产生的浓度梯度，通过扩散生长。在A生长过程中，铁素体优先消失，残留渗碳体则借助于Fe、C原子的扩散进一步溶解，最后经过Fe、C原子在A内部的进一步扩散，而得到成分均匀的奥氏体。

4．综述奥氏体晶粒度的概念，说明如何加热可得到细晶奥氏体。

答：晶粒度——晶粒大小的尺度，共分8级，1～4级为粗晶粒；5～8级为细晶粒。超过8级的为超细晶粒。可分为下述三种：

①起始晶粒度。奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。一般地讲，这时的奥氏体由一批晶粒大小不一，晶粒易弯曲的晶粒组成。

②实际晶粒度：在某一加热条件下最终获得的奥氏体晶格大小。它基本决定了热处理后的晶粒大小及该加热条件下奥氏体的性能。

③本质晶粒度：在一定热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，它基本上由钢材冶炼时的脱氧方法所决定。

条件：930±10℃，保温3～8小时，晶粒度为1～4级，本质细晶结构，而5～8级则为本质细晶粒钢。

5．设γFe的点阵常数为3.64 Ǻ，C的原子半径为0.77 Ǻ，解：若平均2.5个γFe晶胞中溶入一个C原子，则单胞的相对膨胀量为多大？