完整版固态相变及答案

1、固态相变课程复习思考题 2021-5-171 .说明金属固态相变的主要分类及其形式2 .说明金属固态相变的主要特点3 .说明金属固态相变的热力学条件与作用4 .说明金属固态相变的晶核长大条件和机制5 .说明奥氏体的组织特征和性能6 .说明奥氏体的形成机制7 .简要说明珠光体的组织特征8 .简要说明珠光体的转变体制9 .简要说明珠光体转变产物的机械性能10 .简要说明马氏体相变的主要特点11 .简要说明马氏体相变的形核理论和切边模型12 .说明马氏体的机械性能,例如硬度、强度和韧性13 .简要说明贝氏体的根本特征和组织形态14 .说明恩金贝氏体相变假说15 .说明钢中贝氏体的机械性能16 .说明

2、钢中贝氏体的组织形态17 .分析合金脱溶过程和脱溶物的结构18 .分析合金脱溶后的显微组织19 .说明合金脱溶时效的性能变化20 .说明合金的调幅分解的结构、组织和性能21 .试计算碳含量为2.11% 质量分数奥氏体中,平均几个晶胞有一个碳原子22 .影响珠光体片间距的因素有哪些23 .试述影响珠光体转变力学的因素.24 .试述珠光体转变为什么不能存在领先相25 .过冷奥氏体在什么条件下形成片状珠光体,什么条件下形成粒状珠光体26 .试述马氏体相变的主要特征及马氏体相变的判据27 .试述贝氏体转变与马氏体相变的异同点28 .试述贝氏体转变的动力学特点29 .试述贝氏体的形核特点30 .熟悉如下

3、概念：时效、脱溶、连续脱溶、不连续脱溶.31 .试述Al-Cu合金的时效过程,写出析出贯序32 .试述脱溶过程出现过渡相的原因33 .掌握如下根本概念：固态相变、平衡转变、共析相变、平衡脱溶、扩散性相变、无扩散型相变、均匀形核、形核率1 .说明金属固态相变的主要分类及其形式(1)按热力学分类：一级相变二级相变(2)按平衡状态图分类：平衡相变同素异构转变和多形性转变平衡脱溶沉淀共析相变调幅分解有序化转变非平衡相变伪共析相变.马氏体相变.贝氏体相变.非平衡脱溶沉淀.(3)按原子迁移情况分类：扩散型相变.非扩散型相变(4)按相变方式分类：有核相变无核相变2 .说明金属固态相变的主要特点相界面：根据界

4、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.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.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.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

5、低些的亚稳定的过渡相.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.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限制因素.3 .说明金属固态相变的热力学条件与作用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到达稳定状态的自发趋势.假设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,那么新相自由能必须低于旧相自由能.新旧

6、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 ：为相变的发生提供动力；明确相变发生所要克服的势垒,即激活能.4 .说明金属固态相变的晶核长大条件和机制金属固态相变的晶核长大条件：要求具有适宜的过冷度；有适宜的晶核外表结构金属固态相变的晶核长大机制 ：如果新相晶核与母相之间存在着一定的晶体学位向关系,那么生长时此位向关系仍保持不变,以便降低外表能.新 相的生长机制也与晶核的界面结构有密切关系,具有共格、半共格或非共格界面的晶核,其长大

7、方式也各不相同,不 过完全共格情况很少,大都是非共格和半共格界面.(1)非共格界面的迁移一般非共格界面的迁移方式有两种；一种方式是母相原子通过热激活越过界面不断地短程迁入新相,界面随 之向母相中迁移,新相长大.另一种方式是非共格界面呈台阶状结构,台阶的高度为一个原子的尺度.(2)半共格界面的迁移因半共格界面具有较低的界面能,故在长大过程中界面往往保持平面.由于相变过程中原子迁移都小于一个原子间距,故又称为无扩散型相变.5、说明奥氏体组织特征和性能答：组织特征：奥氏体的通常是由等轴状的多边形晶粒所组成,晶内常可出现相变挛晶. 它是C溶于丫-Fe中的固溶体,C原子丫-Fe点阵中处于Fe原子组成的八

8、面体中央间隙位置,即面心立方晶胞的中央或棱边中央.性能：(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,转变产物胃铁磁性,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.6、说明奥氏体形成机制答：奥氏体的形成是一个由 a到丫的点阵重构、渗碳体溶解以及 C在奥氏体中扩散重新分布的过程.其形成过程包括：奥氏体形核,其形核位置通常在铁素体和渗碳体的两相界面上；奥氏体晶核向a及F&C两个方向长大,奥

9、氏体在中的碳溶度差是奥氏体形核的必然结果,是相界面推移的驱动力.剩余碳化物溶解.奥氏体均匀化.7、简要说明珠光体的组织特征答：共析碳钢加热奥氏体化后缓慢冷却,在稍低于A1温度时奥氏体将分解为铁素体与渗碳体的混合物,成为珠光体.其典型形态呈片状或层状.片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体交替堆叠而成的.片状珠光体的片层间距 S0大小主要取决于珠光体的形成温度.在连续冷却条件下,冷去速度越大,珠光体的形成温度越低,即过冷度越大,那么片层间距就越小.珠光体是 在一个温度范围内形成,在高温形成的珠光体较粗,低温形成的珠光体较细在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织,成为“粒状珠光体和“球状珠光体,一般是

10、经过球化退火处理后获得的.珠光体形成时,新相铁素体和渗碳体与母相奥氏体之间存在一定的晶体学位相关系,使新相和母相的原子在界面上能够较好地匹配.此外,在珠光体团中,铁素体与渗碳体之间也存在一定的位相关系8 .简要说明珠光体的转变机制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.1 .片状珠光体的形成是由于均匀的奥氏体冷却到Ai点以下时,由于能量,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

11、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.2粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球化而获得的.9 .简要说明珠光体转变产物的机械性能答：共析钢珠光体的机械性能主要取决于奥氏体化温度和珠光体形成温度.片状珠光体随着珠光体的片层间距与珠光体团直径的减小,珠光体的强度、硬度以及塑性均提升.粒状珠光体与片状珠光体相比粒状珠光体的强度、硬度稍低,而塑性较高.粒状珠光体的切削性好,对刀具的磨损小,冷压 时的成型性也好,加热淬火时的变形和开裂的倾向性小.粒状珠光体的性能还取决于碳化物颗粒的形态、大小和分布.在相同抗拉强度下,粒状珠光体比片状珠光体的疲劳强度有所提升.10、简要说明马氏体相变

12、的主要特点主要见 26答：1、切变共格和外表浮突现象2、无扩散性3、具有特定的位向关系和惯习面4、在一个温度范围内完成相变5、可逆性11.简要说明马氏体相变的形核理论和切变模型1形核理论：马氏体相变不是均匀形核的.当奥氏体被过冷至某一温度时,尺寸大于该温度下临界晶核尺寸的核胚就能成为晶 核,长成一片马氏体；当大于临界尺寸的核胚消耗殆尽时,相变停止,只有进一步降低温度才能使更小的核胚成为晶 核进而长成马氏体.一般认为,马氏体核胚的结构模型为薄圆片状,惯习面为225 丫,其界面是由左、右螺旋位错圈和正、负刃型位错所构成,界面两侧保持 K-S关系.2切变模型：K-S切变模型、G-T模型亦称两次切变模

13、型12说明马氏体的机械性能,例如硬度和强度和韧性答：钢中马氏体的最重要特性就是高硬度和高强度,其硬度随含碳量增加而升高.当含碳量达6%寸,淬火钢的硬度接近最大值.合金元素对马氏体硬度影响不大.马氏体具有高硬度,高强度的主要原因如下.1相变强化；2固溶强化；3时效强化；4马氏体的形变强化特性；5挛晶对马氏体强度也有奉献；6原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响马氏体的韧性：在屈服强度相同的条件下,位错型马氏体的断裂韧性和冲击功比挛晶马氏体要好得多.综上所述,马氏体的强度主要取决于碳含量,而马氏体的韧性主要决定于亚结构.13 .贝氏体根本特征与组织形态答：一、根本特征：贝氏体相变的

14、温度范围：奥氏体必须过冷到Bs点一下才能发生贝氏体转变；贝氏体相变的产物为铁素体和碳化物的两相机械混合物；贝氏体相变是形核和长大的过程；贝氏体相变只有 C原子的扩散,而合金元素包括铁原子均不发生扩散,至少不发生较长距离的扩散；贝氏体相变是铁素体与渗碳体按切变共格的方式长大.二、组织形态：上贝氏体；下贝氏体；粒状贝氏体；无碳化物贝氏体；低碳低合金钢中的Bi, Bi , Bii.14 .说明恩金贝氏体的相变假说恩金认为贝氏体相变应属于马氏体相变性质,由于随后回火析出碳化物而形成贝氏体,提出了贫富碳理论假说. 该假说认为,在贝氏体相变发生之前奥氏体中已经发生了碳的扩散重新分配,形成了贫碳区和富碳区.

15、在贫碳区发生 马氏体相变而形成低碳马氏体,然后马氏体迅速回火形成过饱和铁素体和渗碳体的机械混合物,即贝氏体.在富碳区 中首先析出渗碳体,使其碳浓度下降成为贫碳区,然后从新的贫碳区通过马氏体相变形成马氏体,此后又通过回火成 为铁素体加渗碳体的两相机械混合物 贝氏体.而在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的.恩金假说解释贝氏体的形成、Bs点的意义和贝氏体中铁素体的碳浓度随等温温度变化等现象,但没有解释贝氏体的形态变化和组织结构等.15 .说明钢中贝氏体的机械性能答：1影响主要因素：贝氏体中铁素体的影响：铁素体晶粒越细小,贝氏体的强度越高,而且韧性有时还有所提升；渗碳体的影响：据弥散强化机理,

16、碳化物颗粒尺寸约细小,数量越多,对强度的奉献越大；其他因素：温度及相 变的完全性等.2贝氏体的强度与硬度：随相变温度降低而升高,另外,由于中、高碳钢特别是高碳钢中的下贝氏体组织具有较 高的强度和韧性,因此有望具有高的耐磨性.3贝氏体的韧性：低碳钢中,上贝氏体的冲击韧性比下贝氏体要低；与淬火低温回火处理相比,等温淬火获得的 下贝氏体组织常具有较高的冲击韧性.16 .说明钢中马氏体的组织形态答：1板条状马氏体是低碳钢、中碳钢和不锈钢中形成的一种典型的马氏体组织,其光学显微组织是由多成群的板条 组成,亚结构主要为位错.2片状马氏体是中高碳钢中的另一种典型的马氏体组织,片状马氏体的空间形态呈双凸透镜片

17、状,与马氏体片之间不互相平行,亚结构为李晶.3其他马氏体形态：蝶状马氏体；薄片状马氏体； 名马氏体17 .分析合金脱溶过程金额脱溶物的结构合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体,假设在足够高的温度下进行时效,最终将沉淀析出平衡脱溶相.以Al-4 %Cu合金为例,该合金经固溶处理并淬火冷却获得过饱和“相固溶体后,加热到130° C进行时效,其脱溶顺序为：G.P.区一" 0"相一"日相一"日相.G.P.区的形成及结构：时效初期,假设干原子层厚度的溶质原子聚集在G.P.区.G.P.区结构与母相过饱和固溶体相同,并与母相保持第一类共格关系,在热力学上

18、是亚稳态的.一般认为当溶质与溶剂原子半径差不大于3%寸析出物呈球状,大于5%圆盘状.Al-4 %Cu合金的G.P.区为球状.G.P.区大小与合金成分、时效温度和时效时间等因素有关.过渡相的形成与结构：G.P.区形成后,当时效时间延长或时效温度提升时形成过渡相.G.P.区转变为过渡相有两种情况：A以G.P.区为根底逐渐演变；B与G.P.区无关,过渡相独立形核长大,产物为 0'', e'相.e''相具有正方 点阵,点阵常数与母相 口相相同,并与a相保持完全共格关系,为薄片状； 8'相具有正方点阵,点阵常数与基体 a 相不同,但与口相保持局部共格关系.

19、平衡相的形成与结构：随8'相得成长,其周围基体中应力和应变不断增大,弹性应变能也变大,8'相变的不稳定.当8'相长大到一定尺寸后,与 口相完全脱离,形成独立的平衡相,即 9相.日相具有正方点阵,点阵常数与 8'',6'相 相差甚大,与基体无共格关系,呈块状.18 .分析合金脱溶后的显微组织答：1连续脱溶显微组织连续脱溶分均匀脱溶和非均匀脱溶.均匀脱溶的析出物较均匀的分布在基体中,而,非均匀脱溶的析出物的晶核 优先在晶界、亚晶界、滑移面、挛晶界面、位错及其他晶体缺陷处形成.2非连续脱溶显微组织非连续脱溶中脱溶物的1M相与母相口之间的溶质浓度不连续,

20、显微组织特征是在晶界面上形成界线明显的领域, 成为胞状物、瘤状物.胞状物由片状平衡脱溶物和另一种基体组织.基体相为贫化的固溶体,有一定的过饱和度.3脱溶过程中的显微组织变化： 图：19 .说明合金脱溶时效时的性能变化.答：由于固溶强化效应,固溶处理的过饱和固溶体的硬度和强度均比纯溶剂高.在时效初期,随时效时间延长,硬度 进一步提升,成为时效硬化.在温度低的冷时效时,硬度开始迅速上升,到一定值后,缓慢上升到基体保持不变.在 较高温的温时效,开始有一停滞,硬度上升缓慢,接着迅速上升到某一极大值后又下降,在冷时效.温度越高,硬度 最大值越高；在温时效,温度越高,硬度最大值越低.硬度变化原因：固溶体贫

21、化；基体回复与再结晶；新相析出.20 .说明合金条幅分解的结构,组织和性能答：在调幅分解过程中,新相和母相总是保持着完全共格关系.由于新相和母相仅在化学成分上有差异,而晶体结构 却是相同的,故分解时产生的应力和应变较小,共格关系不易被破坏.大多数调幅组织常具有定向排列的特征,这是 由于实际晶体的弹性模量总是各向异性,因此,调幅分解形成的新相将择优长大,即选择弹性变形抗力较小的晶向优 先长大.调幅分解组织的方向性容易受应力场和磁场的影响.在一般情况下,调幅分解后所得的调幅组织的弥散度是 非常大的,特别是在形成初期这种组织的分布很均匀,因而这种组织具有较高的屈服强度.调幅分解对合金的强韧化以及对合

22、金的物理性能、化学性能都有显著的影响.21 .计算奥氏体中几个晶胞有一个碳原子答：奥氏体是C在丫-Fe中的固溶体,C在丫-Fe中处于由Fe原子组成的八面体中央间隙位置,即面心立方晶胞的中点或棱边中点.因此,当奥氏体中的最大碳含量为2.11%,Fe:C1 -2.11% 2.11%56： 12= 10:1C原子进入间隙位置后将引起点阵畸变,使其周围即,原子百分比为10%即2.5个晶胞中含有一个碳原子.这是由于 的间隙位置不可能都填满 C原子.22 .影响珠光体片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&减小.在连续冷却

23、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,那么片层间距就愈小.此外,钢中碳含量及合金元素对片层间距也有一定影响.23 .试述影响珠光体转变动力学的因素答：但凡影响珠光体形核率和长大速度的因素,都影响珠光体转变动力学1、化学成分的影响（1） 碳含量的影响对于亚共析侧,随着奥氏体中碳含量的增高,析出先共析铁素体的孕育期增长,析出速度减慢.对于过共析钢,在完全奥氏体化加热温度高于Acni情况下,随着钢中碳含量的增高,碳在奥氏体中的扩散系 数增大,渗碳体的形核率增大,先共析渗碳体析出的孕育期缩短,析出速度增大,珠光体转变的孕育期随之缩短,转 变速度增大.（2） 合金元素的影响钢中参加合

24、金元素可以显著改变珠光体转变动力学,合金元素的影响机制1合金元素自扩散的影响2合金元素对碳扩散的影响3合金元素对了 t a转变的影响4合金元素对相变临界点的影响5合金元素对丁/ 口界面移动的拖曳作用2、加热温度和保温时间的影响：主要通过改变奥氏体的成分和组织状态来影响珠光体的转变.3、奥氏体晶粒度的影响：奥氏体晶粒细小将促进珠光体的形成4、应力和塑性变形的影响.24.试述珠光体转变为什么存在领先相答：珠光体转变时的领先相珠光体转变是一个形核和长大的过程.由于珠光体是由铁素体和渗碳体两相所组成的,因 此就有领先相的问题.珠光体转变时的晶核究竟是铁素体还是渗碳体,很难通过实验直接验证,所以目前尚无

25、定论. 许多研究证实,珠光体形成时的领先相随相变发生的温度和奥氏体成分的不同而异.过冷度小时渗碳体是领先相,过 冷度大时铁素体是领先相；在亚共析钢中铁素体是领先相,在过共析钢中渗碳体是领先相,而在共析钢中两者为领先 相的几率相同,一般认为共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体.此外,合金元素对珠光体形成的领先相亦有一定 影响.25、过冷奥氏体在什么条件下形成片状珠光体,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慢冷却,在稍低于A1 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

26、片状珠光体加热至略高于Ai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.26、试述马氏体相变的主要特征及马氏体相变的判据见作业答：马氏体相变的主要特征 ：转变区由于形成马氏体发生切变,所以在样品外表上会出现浮凸现象.马氏体相变 无扩散性.新相与母相之间有一定的位向关系,且相界面是确定的晶面,称为惯习面.在一定温度范围内完成相 变.相变具有可逆性.马氏体相变是一级相变,具有形核和长大过程,且晶体长大速率接近声速.马氏体相变的判据：马氏体相变按动力学特征分为变温相变和等温相变.按热力学和相界面动态将相变分为热弹性相变、半热弹性相变和非热弹性相变.其相变驱动力&a

27、mp;G¥ -3 '与To -Ms成比例： 网-« '= AST0 -Ms,那么：1临界相变驱动力小,热滞小；2相界面能做往复牵动；3形状应变为弹性协作,马氏体内的储存能对逆相变驱动力作出奉献.满足这三个条件为热弹性相变,局部满足为半热弹性相变,完全不符合这些条件时为非热弹性 相变.27、试述贝氏体转变与马氏体相变的异同点答：相同点：1、贝氏体相变与马氏体相变都有一个上限温度点；2 、相变都不能进行完全,总有剩余奥氏体存在；3 、相变都是一种形核和长大过程,并且都存在晶体缺陷；4 、都存在以非简单指数晶面为不变平面,即存在惯习面；5 、相变都具有共格性,都会

28、产生外表浮突现象；6 、相变均为非平衡相变.不同点：1、晶体缺陷的密度不同.马氏体相变中有着极高密度的位错,而贝氏体相变中位错密度相对较低；2 、贝氏体中的浮突现象呈帐篷状,形貌不同于马氏体；3 、马氏体相变无扩散性,贝氏体相变为半扩散型相变；4 、马氏体相变在低温区进行,不需要孕育期,转变速度比较快,而贝氏体相变在中温区进行,具有一定的孕育期；5 、马氏体相变无成分改变,仅仅是晶格改组,而贝氏体相变有成分的改变；6 、相变后的组织不一样；7 、马氏体相变界面为切变共格界面,而贝氏体相变界面具有非共格弯曲面.28、试述贝氏体转变的动力学特点答：贝氏体可以等温形成,其等温转变动力学图呈“C

29、9;形,在C曲线的鼻尖温度,贝氏体的孕育期和转变时间最短.有些钢中,贝氏体等温转变动力学图与珠光体等温转变动力学图局部重叠,整个过冷奥氏体等温转变只呈一个鼻尖,此时,在一定的温度区域内,过冷奥氏体具有混合转变的特征.如在较低温度等温时,先形成一局部的贝氏体,随后在发生珠光体转变；在较高温度等温时,可先形成一局部的珠光体,接着在发生贝氏体转变.29、试述贝氏体形核的特点答：贝氏体相变是一种形核长大过程,可以在一定温度范围内形成,也可以在某一冷却速度范围内连续冷却形成,等温转变时,需要一定的孕育期,其等温动力学图呈“C'形.不同形态贝氏体中的铁素体都市通过切变机制形成的,只是由于形成温度不同,使铁素体中的碳脱溶以及碳化物的形成方式不同而导致贝氏体组织形态的不同.碳的扩散及脱溶沉淀是限制贝氏体相变及组织形态的根本因素.30、熟悉如下概念：时效、脱容、连续脱容、不连续脱容.答：(1)时效：合金在脱容过程中,其机械性能、物理性能和化学性能等均随之发生变化,这种现象称为时效.(2)脱容：从饱和固溶体中析出第二相(沉淀相)或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过称.(3)连续脱容：在合金的脱容过程中,脱容物附近基体中的浓度变化为连续的,即称为