金属固态相变原理习题及解答

第二章

1、钢中奥氏体的点阵结构，碳原子可能存在的部位及其在单胞中的最大含量。

奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，碳原子在γ-Fe点阵中处于Fe原子组成的八面体间隙中心位置，即面心立方晶胞的中心或棱边中点。八面体间隙：4个

2、以共析碳钢为例说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？

奥氏体的形成是由四个基本过程所组成：形核、长大、剩余碳化物的溶解和成分均匀化。按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem 的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。

3、合金元素对奥氏体形成的四个阶段有何影响。

钢中添加合金元素并不影响珠光体向奥氏体的转变机制，但影响碳化物的稳定性及碳原子在奥氏体中的扩散系数。另一方面，多数合金元素在碳化物和基体相中的分布是不均匀的，故合金元素将影响奥氏体的形核与长大、剩余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化的速度。

①通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度。②通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成

速度。③对临界点的影响：Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V 等升高A1温度。④通过对原始组织的影响进而影响奥氏体的形成速度：Ni、Mn等往往使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。

在其它条件相同的情况下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度小100-10000倍。此外，碳化物形成元素还会减小碳在奥氏体中的扩散速度，这将降低碳的均匀化速度，因此，合金钢均匀化所需时间常常比碳钢长得多。

4、钢在连续加热时珠光体奥氏体转变有何特点。

○1在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高。○2相变是在一个温度范围内完成的加热速度越快奥氏体的温度范围越宽，但形成速度确加快，奥氏体形成时间缩短。○3可以获得超细晶粒。○4钢中原始组织的不均匀使连续加热时的奥氏体化温度升高。○5快速连续加热时形成的奥氏体成分不均匀性增大Cγ-α降低，Cγ-cem升高。○6在超快速加

热条件下，铁素体转变为奥氏体的点阵改组属于无扩散型相变。

5、何谓奥氏体的本质晶粒度、起始晶粒度和实际晶粒度。钢中弥散析出的第二相对奥氏体晶粒的长大有何影响。

起始晶粒度：指临界温度以上奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚互相接触时的晶粒大小。实际晶粒度：指在某一热处理加热条件下，所得到的晶粒尺寸。本质晶粒度：根据标准实验条件，在930±10℃，保温足够时间（3~8小时）后，测定的钢中奥氏体晶粒的大小。

在晶粒边界及晶粒内部。往往存在着很多细小难熔的第二相颗粒，推移的晶界遇到第二相粒子将会发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能上升，它们将阻碍晶界移动，起着钉扎晶界的作用。界面能弥散析出的第二相颗粒越细粒子附近晶界弯曲的曲率就越大，晶界增加的面积上升的幅度就越大。显然，这个使体系自由能增加的过程是非自发的。第二相颗粒的体积百分数一定时，粒子半径越小则其数量越多（颗粒的分散度越高），对晶界推移的阻力也就越大。

6、试讨论奥氏体等温形成动力学的特点。

1）温度升高，形核率I以指数关系迅速增加；

2）因ΔGV随温度升高而增大，使w减小，使I进一步增大；

3）随温度升高原子扩散速度加快，不仅有利于铁素体向奥氏体点阵改组，而且也促进渗碳体溶解，这也加速奥氏体的形核；

4）随温度升高铁素体的C%沿QP线增加，另一方面奥氏体在铁素体中形核时所需的碳浓度沿SG而降低，结果减小了奥氏体形核所需要的碳的浓度起伏，促进奥氏体的形核。

综上所述，奥氏体化温度升高，即相变的过热度增大，可使奥氏体的形核率I急剧上升，因此有利于获得细小的奥氏体晶粒。

7、试讨论影响奥氏体形成速度的因素。

○1温度：提高温度，奥氏体的形核率和生长速度都增大，但形核率增长高于长大速度。因此，奥氏体的形成温度越高，所获得的起始晶粒度越细。○2碳含量：钢中碳含量越高，碳化物的数量增加，F与Fe3C界面增多，增加了奥氏体的形核部位，同时碳的扩散距离相对减小。奥氏体的形成速度越快。另一方面，碳化物的数量增加致使剩余碳化物溶解时间更长，即奥氏体均匀化时间延长。○3原始组织的影响：如果钢的化学成分相同，原始组织中碳化物的分散度越大，相界面越多，形核率便越大；珠光体片间距离越小，奥氏体中碳浓度梯度越大，扩散速度便越快；碳化物分散度越大，使得碳原子扩散距离缩短，奥氏体晶体长大速度增加。○4合金元素的影响。

8、试叙述奥氏体晶粒的长大过程及影响因素。

奥氏体晶粒长大的过程

孕育期：奥氏体刚刚形成后，并不马上长大，需要一定的孕育期，温度越高，孕育期越短；不均匀长大期：大晶粒吞并周围小晶粒长成很粗大的晶粒，未被吞并的小晶粒长大速度极慢；均匀长大期：待细小晶粒全被吞并后，所有晶粒开始缓慢均匀长大。

影响因素：○1加热温度和保温时间。○2加热速度。○3钢的含碳量的影响。○4冶炼方法。○5合金元素。○6原始组织。

第三章

1、何为珠光体的片层间距？影响片层间距的因素有哪些并解释为何结构零件为何宜采取等温退火工艺？

片层间距——一对铁素体片和渗碳体片的总厚度，以S0来表示。①温度（过冷度）②C含量。③合金元素。④奥氏体晶粒大小及均匀程度。

如果过冷奥氏体是在一个连续的冷却过程分解，则高温段所形成的珠光体层间距较厚，而低温段形成的珠光体层间距较薄，这种粗细不匀的组织将引起珠光体的力学性能不均匀，在外力作用下，将引起不均匀的塑性变形而导致应力集中，使钢的强度和塑性都下降，可能并对切削加工性能产生不利的影响。因此对结构钢一般采取等温退火的方法，来获得粗细较接近的珠光体组织。

2、以共析碳钢为例说明珠光体的形成过程，并阐述为什么珠光体形成时的领先相是渗碳体？

当共析碳钢由奥氏体转变为珠光体时，将由均匀固溶体转变为点阵结构与母相截然不同的渗碳体和铁素体的两相混合物。通过碳原子的扩散形成低碳的铁素体和高碳的渗碳体；

晶体点阵的重构——由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂斜方的渗碳体珠光体长大时，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地向奥氏体内延伸，而横向长大是渗碳体片和铁素体片交替堆叠。随着珠光体转变温度的降低，渗碳体片和铁素体片逐渐变薄缩短，同时两侧的连续形成速度和纵向长大速度都发生了变化，珠光体群的轮廓也逐渐由块状