金属固态相变原理习题及解答

1、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。奥氏体是碳在丫-Fe中的固溶体，碳原子在丫-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，弁讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？一|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

2、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。钢中添加合金元素弁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。通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度。通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速度。对临界点的影响：Ni、MnCu等降低A1温度；Cr、

3、MoTi、Si、Al、WV等升高A1温度。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。止匕外，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。在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高。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。可以获得超细晶粒。钢中原始组织的不均匀使连

4、续加热时的奥氏体化温度升高。快速连续加热时形成的奥氏体成分不均匀性增大Cy - a降低，Cy -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，具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93010C,保温足够时间（38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

5、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GV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%&QP

6、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。O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。O2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

7、均匀化时间延长。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。gd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，弁不马上长大，需要一定的孕育期，温度越高，孕育期越短；不均匀长大期：大晶粒吞弁周围小晶粒长成很粗大的晶粒，未被吞弁的小晶粒长大速度极慢；均匀长大期：待细小晶粒全被吞弁后，所有晶粒开始缓慢均匀长大。影响因素：。加热温度和保温时间。O2加热速度。03钢的含碳量

8、的影响。O4冶炼方法。05合金元素。o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？I片层间距对铁素体片和渗碳体片的总厚度，以S0来表示。温度（过冷度）C含量。合金元素。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，可能弁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

9、析碳钢为例说明珠光体的形成过程，弁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变为扇形，继而为轮廓不光滑的团絮状，即逐渐转变为索氏体和托

10、氏体。CDP中的Fe3c与从奥氏体中先共析的Fe3c晶体学位向相同；而P中的a与先共析a晶体学位向不相同；P中的Fe3c与转变前产生的Fe3c在组织上常常是连续的；而P中的a与转变前产生的a不连续；奥氏体中的未溶Fe3c有促进P形成的作用，而先共析a的存在对P形成无明显影响。3、试述片状珠光体的球化过程与机理。过程：若将片状珠光体加热到略高于A1的温度，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织，此时渗碳体已不再保持完整的片状，而是凹凸不平、厚薄不匀，部分已经断开。在此温度下保温，将使片状渗碳体球化。机理：第二相颗粒在基体中的溶解度与其曲率半径r有关，与非球状渗碳体的尖角处（r较小）相接触的奥氏

11、体具有较高的碳浓度，而与渗碳体的平面处（r较大）相接触的奥氏体具有较低的碳浓度，即在与渗碳体接触处产生了区域的碳浓度差。因此奥氏体中碳原子将从渗碳体尖角部位向渗碳体的平坦处扩散，其结果是破坏了丫-Fe3c界面的碳浓度平衡。片渗碳体中有位错存在，可形成亚晶界或高密度位错区，在其与基体（稍低于A1温度时为铁素体）相接触处则出现凹坑。凹坑两侧的渗碳体具有较小的曲率半径，则与其相接触的基体具有更高的碳浓度从而将引起基体中碳原子的扩散，弁以渗碳体的形式在原平坦处析出。为了维持界面平衡，渗碳体凹坑两侧的尖角会不断被溶解，使其r增大，但这样又破坏了界面处的表面张力的平衡（Tcem/avs.cem/cem）,

12、为了维持平衡，凹坑继续溶解而加深。如此不断进行，直至渗碳体片溶穿而断裂。断裂后的渗碳体又按尖角溶解、平面析出的长大方式来进一步球状化。4、试述消除网状先共析渗碳体的工艺方法和机理。在过共析钢中，先共析渗碳体的形态可以是粒状、网状或针（片）状。但在奥氏体成分均匀、晶粒粗大的情况下，析出粒状渗碳体的可能很小而一般呈网状或针（片）状，弁显著增大钢的脆性。为了消除已形成的网状或针（片）状渗碳体，应当加热到Acm点以上，使渗碳体全部溶解到奥氏体中，然后快速冷却，使先共析渗碳体来不及析出而发生伪共析转变，得到伪共析组织，然后再球化退火。因此过共析钢的退火必须在Acm点以下以避免网状渗碳体的形成。5、何谓魏

13、氏组织？魏氏组织对钢的力学性能有何影响？消除魏氏组织的常用方法有哪些？工业上将具有针（片）状的铁素体或渗碳体加珠光体的组织称为魏氏组织，前者称为魏氏组织铁素体，后者称为魏氏组织渗碳体。魏氏组织对钢的力学性能的影响：一般认为，钢中魏氏组织的存在，虽然对抗拉强度影响不大，但却能显著降低钢的塑性，特别是冲击韧性大为降低，也使钢的冷脆转化温度升高。消除办法：魏氏组织以及经常与其伴生的粗大晶粒使钢的机械性能显著下降。因此生产实践中必须消除这种组织，常用的方法有退火、细化晶粒退火、锻造等。6、试述珠光体等温转变的特点。影响珠光体转变动力学的因素有那些？。各温度下珠光体等温转变前都有一个“孕育期”o随着等温

14、温度的降低，孕育期逐渐缩短，至某一温度，孕育期最短。然后温度进一步降低，孕育期反1、碳含量的影响而延长。共析钢在550c时孕育期最短，转变速度最快，此即TTT曲线的3奥氏体晶粒度的影响O 4加“鼻尖”。碳含量的影响O2奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响O热温度和保温时间O5应力和塑性变形“派敦处理”提高钢丝强度的机理。7、影响珠光体力学性能的因素有那些？试述1片层间距2、珠光体团3、珠光体的形态。所谓派敦处理，就是使高碳钢获得细珠光体（索氏体）组织，再经过深度冷拔获得高强度钢丝的工艺。第四章1什么是马氏体？其点阵结构是什么？马氏体原先只是指钢加热到奥氏体区淬火后得到的组织，但现在马氏体的含

15、义非常广泛，凡是基本特征属于切变共格型的相变均称为马氏体相变，其相变产物都称为马氏体在平衡状态下，-Fe中的固溶度极小（室温下为0.006%），而钢中马氏体的含碳量远远超过此值。C-Fe中的扁八面体间隙后，力使其变为正八面体间隙，所以引起点阵畸变。结果使短轴方向的Fe间距伸长36%,而另两个方向缩短4%从而使体心立方变为体心正方点阵。由间隙碳原子造成的这种非对称畸变称为畸变偶极，可将其视为一个强烈的应力场，C原子就在这个应力场的中心。2、试简要叙述马氏体转变的特点，马氏体转变的无扩散性的实验证据有那些？一、切变共格与表面浮凸现象。二、无扩散性。三、具有特定的位向关系。四、惯习面。五、变变发生在

16、一个温度范围内一一降温形成。六、转变不彻底。七、高速形成。八、转变可逆性。钢中奥氏体转变为马氏体时，仅由面心立方点阵通过切变转变为体心立方（体心正方）点阵，而无成分的变化；马氏体相变可以在相当低的温度（甚至4K）范围内以极快的速度进行，在这样低的温度下，原子扩散的速度极小，相变已不可能以扩散的方式进行。实验证据：钢中奥氏体转变为马氏体时，仅由面心立方点阵通过切变转变为体心立方（体心正方）点阵，而无成分的变化；马氏体相变可以在相当低的温度（甚至4K）范围内以极快的速度进行，在这样低的温度下，原子扩散的速度极小，相变已不可能以扩散的方式进行。3、常见的马氏体的形态有哪两种，其亚结构分别是哪种晶体缺

17、陷？影响马氏体组织形态的因素有哪些？一、板条马氏体。板条内的亚结构主要是高密度的位错，故又称位错马氏体。二、片（针）状马氏体。亚结构主要是李晶，又称李晶马氏体。1化学成分。2、马氏体形成温度。3、奥氏体的层错能。4、奥氏体与马氏体的强度。5、滑移和学生的临界分切应力。4、Ms点的物理意义是什么？试述影响钢的Ms点的因素。Ms点的物理意义即为奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需最小驱动力之值时的温度。（一）化学成分的影响。1）碳含量。2）氮含量。3）合金元素。（二）形变和应力的影响。（三）奥氏体化条件的影响。（四）淬火冷却速度的影响。（五）磁场的影响5、简要阐述形变、磁场诱发马氏体的机理。由

18、于马氏体相变时必然产生体积膨胀，因此多向压应力将阻碍马氏体形成，故降低Ms点；而拉应力或单向压应力有利于马氏体的形成，使Ms点升高。外加磁场使具有最大磁饱和强度的马氏体相趋于更稳定。在磁场中马氏体的自由能降低，而磁场对非铁磁相奥氏体的自由能影响弁不大，因此两相平衡温度T0升高，Ms点也随之升高。与形变诱发马氏体相变相似，磁能补偿了一部分化学驱动力，诱发马氏体相变在Ms点以上即可发生。由于马氏体相变时必然产生体积膨胀，因此多向压应力将阻碍马氏体形成，故降低Ms点；而拉应力或单向压应力有利于马氏体的形成，使Ms点升高。6、降温马氏体相变的动力学特点有那些？为何在略高于Ms点的温度保温可在钢铁表面形

19、成马氏体？一、降温形核，瞬时长大。二、等温形核，瞬时长大。三、自触发形核，瞬时长大。三、表面马氏体相变。由于在表面形成马氏体时可以不受三向压应力的阻碍；在内部形成时，由于马氏体的比容大于周围的奥氏体而造成三向压应力，使马氏体难以形成。因此，表面马氏体的Ms点要高于大块试样内部的Ms点。7、试讨论马氏体产生强化强化效果的机制。为何碳含量超过0.6%以后马氏体的硬度不再增加？固溶强化； 时效强化：Ms点在室温以上的钢，在淬火过程中、室温停留期间及外力作用下，发生自回火过程而导致钢的沉淀强化或时效硬化； 相变强化：马氏体相变过程中产生的亚结构的强化，如高密度的位错。8、 为何马氏体转变有不彻底性（残

20、余奥氏体产生的原因）？ 当大量的马氏体形成后，剩下未转变的奥氏体被分割成很小的区域弁受到巨大的各方向的压力，阻止其继续向马氏体转变； 许多工业用钢的Mf点处于室温以下，而通常淬火温度在室温，由于冷却不充分必然形成一定数量的残余奥氏体。9、何为奥氏体的热稳定化，A残的存在对钢的性能有何影响？1、残余奥氏体的热稳定化现象。奥氏体转变为马氏体能力减低的一切现象，称为奥氏体的稳定化。有害作用：1）软而粘，耐磨性差，降低耐磨件的寿命；2）不稳定，易发生时效变形与时效开裂；3）易发生磨削裂纹；4）易转变为马氏体而提高脆性；有益作用：1）降低淬火硬度与工具钢的疲劳强度。与硬脆的马氏体共同存在时，有减震作用，

21、提高冷模钢及低温用钢的韧性；2）在交变应力作用下，可提高钢的疲劳强度；3）可防止齿轮的齿面发生点腐蚀；4）淬火钢中（如高碳工具钢）保留约15%的残余奥氏体，可提高其韧性与塑性。第五章1、从组织形态上看，贝氏体可分为哪几种、其组成相是什么？较高温度形成的是上贝氏体，其碳化物为渗碳体，一般分布在条状铁素体之间。较低温度形成的是下贝氏体，其碳化物既可以渗碳体，也可以为-碳化物，主要分布在铁素体条的内部。2、试分别叙述上贝氏体和下贝氏体的形成过程，弁解释“B上的转变速度是受碳在奥氏体中的扩散所控制，而B下的转变速度是受碳在铁素体中的扩散所控制”的原因。一般情况下，随着钢中碳含量的增加，B上中铁素体条增

22、多弁变薄，条间Fe3c量也增多，其形态也由粒状变为链珠状、短杆状，直至断续条状。当碳含量达到共析成分时，Fe3c不仅分布于铁素体条之间，也在铁素体内沉淀析出，这种组织称为共析钢B上，随着相变温度的降低，B上中的铁素体条变薄，Fe3C细化且弥散度增大。3、贝氏体中铁素体也是以转变机制形成，然而是在Ms点以上进行的，那么是如何满足热力学条件G2.5%)外，所有溶入奥氏体元素都增加过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线右移，弁使Ms点下降。3、奥氏体状态的影响。奥氏体晶粒大小：奥氏体晶粒细小t晶界总面积fT有利于新相的形核和原子的扩散t有利于先共析转变和珠光体转变t使珠光体转变曲线左移；奥氏体

23、晶粒度对贝氏体转变影响不大；奥氏体晶粒粗大T加快马氏体转变TMs 点 f。4、 共析钢的TTT曲线与CCT曲线相比，有什么差异？共析钢与过共析钢的CCT图无贝氏体转变而TTT图有。这是由于奥氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的孕育期延长，在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便已冷却至室温。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将CCT曲线绘在TTT曲线上，依其与TTT曲线交点的位置来说明最终转变产物5、何为过冷奥氏体的临界淬火速度？试述共析钢以速度v(vcVvvvc冷却过程中组织转变的情况，室温下所得到的组织是什么？过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生

24、分解，全部冷却到Ms点以下发生马氏体转变的最小小冷却速度，称上临界冷却速度或临界淬火速度。当冷却速度介于上临界速度vc与vc之间时，冷却曲线先后穿过四个区域，最后得到铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体的混合组织。第七章1名词解释：回火马氏体、回火托氏体、二相式分解、离位析出、二次硬化、抗回火性。回火马氏体：高碳钢在350C以下回火时，马氏体分解而形成的a-碳化物组成的复相组织称回火马氏体，用M回表示。回火托氏体：由针状a相和与其无共格关系的细小粒状或片状渗碳体组成的机械混合物称为回火托氏体。二相式分解：80150C回火时，由于活动能力很低，碳原子只能在很短距离内扩散。微小的-碳化物析出后，只是周围

25、局部马氏体贫碳，远处马氏体的碳浓度不变。这样马氏体就变成了浓度不同的“二相”，故称为二相式分解。离位析出：-碳化物的惯习面不同，-碳化物直接转变来的，-碳化物溶解，弁在其它地方重新形核、长大的方式形成的，通常称为“离位析出”。二次硬化：某些合金钢在一定温度范围回火时，按独立成核方式形成了特殊碳化物，具弥散度极高，又与a相保持共格联系，使得钢硬度反而比在较低温度回火时有所升高，这种现象称为“二次硬化”。抗回火性：合金元素阻碍a相中碳含量的降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质，称为抗回火性或回火稳定性。2、试简要叙述淬火高碳钢在回火过程中温度由低到高组织转变的过程(几个阶段)?3、

26、合金元素对淬火钢回火过程中马氏体分解、碳化物类型转变是如何影响的？对于马氏体分解第一阶段不发生显著影响。对于马氏体分解第二阶段有显著影响。合金元素影响了碳化物颗粒的聚集速度，从而影响了a相碳含量的降低。(1)非碳化物形成元素(Ni)、弱碳化物形成元素(Mn与C的结合力与Fe相当，所以对马氏体分解无明显影响。(2)强碳化物形成元素(Cr、MoWV、Ti等)与C的结合力强于Fe,增大了C原子在马氏体中扩散的激活能，阻碍了C原子在马氏体中的扩散，所以减慢了马氏体分解的速度。(3)非碳化物形成元素Si和Co-FexC中，-FexC稳定，也减缓了碳化物的聚集，从而推迟了马氏体的分解。4、解释二次淬火和二

27、次硬化在提高钢的硬度的机理的区别。当回火温度处于贝氏体和珠光体区之间的奥氏体亚稳定区时，残余奥氏体可以不发生分解，而在随后的冷却中转变为马氏体，这种在回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象称为“二次淬火”。二次硬化：某些合金钢在一定温度范围回火时，按独立成核方式形成了特殊碳化物，具弥散度极高，又与a相保持共格联系，使得钢硬度反而比在较低温度回火时有所升高，这种现象称为“二次硬化”。5、 为什么弹簧类零件在淬火后一般采用中温(300350C)回火？6、 试述第二类回火脆性产生的原因，防止第二类回火那些措施脆性可采用？第二类回火脆性产生的主要原因：回火时，P、As、Sb及Sn等杂质元素在原奥氏体品

28、界偏聚或以化合物的形式析出，降低了晶界的断裂强度。对于用回火脆性敏感钢制造的小尺寸工件，可采用高温回火后快速冷却的方法。对于大截面工件，应提高钢的纯度、减少杂质元素含量，或在钢中添加适量的WMo等元素，来抑制杂质元素向晶界的偏聚，从而降低工件所产生的回火脆性。对亚共析钢，可采用在A1A3两相区加热的亚温淬火的方法，使P等有害杂质元素溶入铁素体中，从而减小这些杂质元素在晶界上的偏聚，显著减弱回火脆性。采用形变热处理的方法也可以降低工件所产生的回火脆性。第八章1、名词解释：析出、人工时效、G.P.区、调幅分解、时效硬化、过时效。析出：析出(Precipitation)是指某些合金的过饱和固溶体在室温放置或将它加热到一定温度，溶质原子在固溶体点阵中的一定区域内聚集或组成第二相的现象。人工时效：时效处理如采用在室温下放置的方式进行，称为自然时效；如采用加热到一定温度下进行的方