固态相变作业

1.推导Johnson-Meh方程。

（已布置，此题不需做）2.奥氏体形核时需要过热度△ T,那么金属熔化时（S-L ,要不要过热度，为什么？答：由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G =GS-GL＜；0 只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。

影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：1）金属的本性，金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高，过冷度越大；3）冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。

固态金属熔化时会出现过热度。

原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生，取决于液相自固态金属熔化时会出现过热度。

原因：由度是否低于固相的自由度，即?G = GL-GS＜；0 只有当温度高于理论结晶温度Tm 时，液态金属的自由能才低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属，因此金属熔化时一定要有过热度。

3.相变热力学条件是什么？答：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。

4.简述固态相变的主要特征。

答：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。

5.固态相变的阻力是哪几项？答：新相与母相基体间形成界面所增加的界面能、新相与母相体积差所引起的弹性应变能、新相中亚结构的形成所需要的能量6.什么是共格界面，根据其共格性界面有哪几类？请比较它们的界面能和弹性应变能的大小。

答：两相界面上，原子成一一对应的完全匹配，即界面上的原子同时处于两相晶格的节点上，为相邻两晶体所共有，这种相界称为共格界面。

完全共格、半完全共格、非共格。

7.综述奥氏体的主要性能。

（200字以内）答：（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，转变产物为铁磁性，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。

8．采用哪些方法可以研究奥氏体的等温转变？答：9．发生奥氏体转变的热力学条件是什么？答：10．共析钢的奥氏 a 体化过程中，为什么铁素体会先消失，而渗碳体会残留下来？答:首先，奥氏体是由铁素体转变而来的，第二，奥氏体的溶解碳能力大大高于铁素体，第三，奥氏体中的碳是由碳化物溶解而来的，第四，只有当碳化物完全溶解后共析钢奥氏体中的平均碳浓度才是共析成分，第五，碳化物溶解是一个过程，需要时间，第六，铁素体转变成奥氏体是瞬间转变的同素异构体转变。

当钢加热到奥氏体化温度后，铁素体瞬间转变成奥氏体，而渗碳体的完全溶解还需要一定的时间，所以共析钢奥氏体刚形成时必有部分碳化物残留。

11．亚共析钢的奥氏体化过程与共析钢的奥氏体化过程有何区别？答：1、亚共析钢完全奥氏体化过程：超过共析温度后，珠光体首先转变为奥氏体，随着温度的升高，铁素体转变为奥氏体。

2、共析钢完全奥氏体化过程：超过共析温度后，珠光体转变为奥氏体。

12．连续加热时的奥氏体转变有何特点？答：1.相变是在一个温度范围没完成的：刚在连续加热是，奥氏体在一个温度范围内完成。

加热速度愈大，各阶段转变温度范围均向高温推移、扩大。

2.奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大：在快速加热情况下，碳化物来不及充分溶解，碳和合金元素的原子来不及充分扩散，因而，造成奥氏体中的碳、金属元素浓度分布很不均匀。

3.奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化：快速加热时，相变过热度大，奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又短，因而，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒较细，甚至获得超细化奥氏体晶粒。

13．叙述奥氏体晶粒度测定的方法。

答：14．奥氏体晶粒长大的驱动力是什么? 答：长大方式：通过界面迁移而长大驱动力：来自 A 晶界的界面能。

A 晶粒的长大将导致界面能降低P=2 丫/RP—驱动力，R—球面晶界曲率半径，Y—界面能晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大。

15．说明奥氏体晶粒异常长大的原因。

答：16.根据奥氏体形成规律讨论细化奥氏体晶粒的方法。

答：1.奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化：快速加热时，相变过热度大， 奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又短，因而，奥氏体晶粒来不及长大， 晶粒较细，甚至获得超细化奥氏体晶粒；2. 加入第二相粒子：由于第二相粒子对奥氏体晶界的钉扎作用，阻碍奥氏体 晶粒长大，有利于奥氏体晶粒的细化。

3. 缩短保温时间：保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒细小。

1. 影响珠光体片层间距的因素有哪些？答：珠光体的片层间距大小主要取决于珠光体的形成温度。

随着珠光体转变温度 下降，片状珠光体的片层间距 S o 减小。

在连续冷却条件下，冷却速度愈大，珠 光体的形成温度愈低，即过冷度愈大，则片层间距就愈小。

此外，钢中碳含量及 合金元素对片层间距也有一定影响。

2. 以共析钢为例，试述片状珠光体的形成机制，并根据铁碳状态图用图解法说 明片状珠光体形成时碳的扩散行为。

答：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。

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。

3. 试述粒状珠光体的形成机制。

答：粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球化而获得的。

4. 分析影响珠光体转变动力学的因素。

答：1. P 转变的形核率与长大速度。

与温度的关系：随温度降低先增后减， C 达最大值。

位置达到饱和， 2.形核率 6为界面厚度， V 为原子振动频率 长大速度ex p( — Q / k T )k T3)形核率与长大速度与温度的关系：随温度降低先增后减，550OC 达最大值与时间的关系：I 随等温 时间增大而增大，随时间延长，晶界上形核位置达到饱和，I 急剧下降到零； V 与时间无关5. 过冷奥氏体在什么条件下形成片状珠光体？在什么条件下形成粒状珠光体？ 答：1)共析碳钢加热奥氏体化后缓550O I 随等温时间增大而增大，随时间延长， 晶界上形核 V 与时间无关1 \3_i , Q + 也 G L) exp (— —■———) kT 与时间的关系: I 急剧下降到零； I = Nv( 6L 晶粒平均直径,慢冷却，在稍低于1A (727度)温度时奥氏体将分解成为铁素体与渗碳体的混合物，即珠光体，其典型形态呈片状或层状。

其片层间距主要取决于珠光体的形成温度，同时也受合金元素的影响。

2)将片状珠光体加热至略高于1A点的温度，在此温度下保温，即经过球化退火处理，使片状渗碳体球状化就得到粒状珠光体。

6.相间析出和珠光体共析转变有什么关系？7.在实际生产中，细化铁素体晶粒的方法有哪些？8.说明先共析相的析出形态对钢的力学性能的影响。

9.试分析实际生产中影响第二相粒子析出的主要因素，析出的第二相粒子对最终产品的组织性能有何影响。

10.试分析魏氏组织的形成条件及魏氏组织对钢的力学性能的影响。

答：焊接热影响区中的过热区，由于奥氏体晶粒长得非常粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过热组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体（渗碳体）针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体（渗碳体）魏氏组织。

11.在化学成分相同的情况下，试比较片状珠光体与粒状珠光体在性能上的差别。