固态相变作业

固态相变理论1.推导Johnson-Mehl 方程。

设新相β在母相α中成核，并经过一段孕育期τ以后长大成球状， 新相半径：)(τ-=t u r 一个新相体积：333)(3434τππυβ-==t u r d τ时间间隔内成核的β相数目为：τVId则这些新相长大到时间t 时的转变体积：ββυτ⋅=IVd dV ex所以不同时间内形核的β相在时间t 的转变总体积：⎰=tex ex dV V 0ββ ()4303334t IVu d t V Iu V t ex πττπβ=-=⎰ βexV 为扩张体积，重复计算 ①已转变的体积不能再成核②新相长大到相互接触时，不能继续长大所以ββV V ex >（真正的转变体积）为了校正βex V 和βV 的偏差在d τ时间内有：βββVV dV V dV ex -= 所以 βββdV VV V dV ex -= 积分得：C V V V V ex +--=)ln(ββ初始条件：当t=0时，0,0==ββex V V所以V V C ln =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=V V V V ex ββ1ln 4331ln t Iu V V V V ex πχβ-=-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛- ⎪⎭⎫ ⎝⎛--==433exp 1t Iu V V πηβ2.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？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ΔG =G S-G L<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ΔG = G L-G S<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？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。

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？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。

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。

界面能：完全共格<半完全共格<非共格。

弹性应变能：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）（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？1.等温冷却：将钢迅速过冷到临界点A r1以下某一温度，并在该温度下进行组织转变。

2.连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿的冷却到室温，使奥氏体在连续降温的过程中转变。

9．发生奥氏体转变的热力学条件是什么？Gd V S G V G V ∆-++∆=∆εσS —新相表面积；σ—新相单位表面积界面能；V —新相体积；ε—新相单位体积的应变能；-ΔGd —在晶体缺陷处形核引起的自由能降低。

相变必须在一定的过热度ΔT 下，使ΔG V <0，才能得到ΔG<0，所以相变必须在高于A 1的某一温度下才能发生。

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？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？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？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。

1.比较法。

在100倍显微镜下直接观察或投射在毛玻璃上。

首先对试样作全面观察，然后选择其晶粒度具有代表性的视场与标准级别图1—43（YB27—64中的第一标准级别图）比较，并确定出试样的晶粒度，与标准级别图中哪一级晶粒大小相同，则后者的级别即定为试样的晶粒度号数。

2.弦计算法。

这种测量方法比较复杂，只有当测量的准确度要求较高或晶粒为椭圆形时才使用此种方法。

测量等轴晶粒时，先对试样进行初步观察，以确定晶粒的均匀程度。

然后选择具有代表性部位及显微镜的放大倍数。

倍数的选择，以在80毫米视野直径内不少于50个晶粒为限。

之后将所选部位的组织投影到毛玻璃上，计算与毛玻璃上每一条直线交截的晶粒数目，（与每条直线相交截的晶粒应不少于50个）也可在带有刻度的目镜上直接进行。

测量时，直线端部未被完全相交截的晶粒应以一个晶粒计算。

相同步骤的测量最少应在三个不同部位各进行一次。

用相截的晶粒总数除以直线的总长度（实际长度，以毫米计算），得出弦的平均长度（毫米）。

再根据弦的平均长度查表即可确定钢的晶粒度大小。

14．奥氏体晶粒长大的驱动力是什么?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＝2γ/RP－驱动力，R－球面晶界曲率半径，γ－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。

影响奥氏体晶粒长大因素：加热温度、保温时间、加热速度和化学成分。

沉淀析出粒子的分布不均匀是造成奥氏体晶粒异常长大的原因。

16．根据奥氏体形成规律讨论细化奥氏体晶粒的方法。

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。