固態(tài)相變復習問答題

1、1. 從熱力學角度分析固態(tài)相變的主要特征并與液固相變進行比較。答：從熱力學角度來說，固態(tài)相變與液固相變相比，一些規(guī)律是相同的，其 共同點是：相變驅(qū)動力都是新舊兩相之間的自由能差；相變都包含形核與長大兩 個基本的過程。而二者在相變特點上的區(qū)別在于固態(tài)相變的母相為固體，其具有確定形狀、 有較高切變強度、內(nèi)部原子按點陣規(guī)律排列，并且不同程度地存在著成分不均勻 的結構缺陷。相變以晶體為母相，必然與液固相變相比存在一系列新的特征。 具 體變現(xiàn)在以下幾方面：(1) 相變驅(qū)動力來源于兩相自由能之差，差值越大，越有利于轉(zhuǎn)變的進行。界面能增加相變阻力大2額外彈性應變能：比體積差-擴散困難(新、舊相化學成分不同時

2、)固態(tài)相變與固液相變相比，相變阻力更大是因為多出了一項應變能和擴 散更難進行。 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學位向關系；新相的某一晶面和晶 向分別與母相的某一晶面、晶向平行。(3)慣習現(xiàn)象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成(沿應變能最小的方向和界面能最低的界面)。通過降低界面能和應變能而減小相變阻力是慣習現(xiàn) 象出現(xiàn)的原因。 母相晶體缺陷促進相變：固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷，如位錯、空位、 晶界和亞晶界等。母相中存在缺陷，由于缺陷周圍有晶格畸變，自由能較咼，在 此處形成同樣大小的晶核比其他區(qū)域獲得更大的驅(qū)動力，新相晶核往往優(yōu)先在這些缺陷處形成。母相晶粒越細小，晶界越多，晶內(nèi)缺陷越多，形核

3、率越高，轉(zhuǎn)變 速度越快。(5)易出現(xiàn)過渡相：過渡相是一種亞穩(wěn)定相，其成分和結構介于新相和母相 之間。因為固態(tài)相比阻力大，原子擴散困難，尤其是當轉(zhuǎn)變溫度較低，新、舊相 成分相差較遠時，難以形成穩(wěn)定相。過渡相是為了克服相變阻力而形成的一種協(xié) 調(diào)性的中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。通常是現(xiàn)在母相中形成與母相成分接近的過渡相，然后在一定條件下由過渡相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡茏畹偷姆€(wěn)定相。2. 結合綜合轉(zhuǎn)變動力學曲線，從進行條件，組織形態(tài)特征，精細結 構，相變機制，力學性能及其實際應用等方面，對比性的分析鋼中的 固態(tài)相變。答：鋼中的三種基本固態(tài)相變的對比:內(nèi)容P轉(zhuǎn)變B轉(zhuǎn)變M轉(zhuǎn)變形成溫度范圍高溫 Ai550°C中溫 55

4、0C Ms低溫Ms點以下轉(zhuǎn)變上限溫度AiBsMs領先相共析鋼和過共析鋼為 F&C；亞共析鋼為鐵素 體F。鐵素體F無形核部位奧氏體晶界處上B在A晶界處； 下B在A晶內(nèi)。過冷奧氏體晶內(nèi)轉(zhuǎn)變機制依靠碳原子擴散，形成 局部的貧碳或富碳而促 進相變的發(fā)生。亞結構切變和碳原子擴 散遷移共同促進相變發(fā) 生，半擴散型相變。轉(zhuǎn)變溫度低，擴散來不 及進行，切變共格，無 擴散型相變。碳原子擴散有碳原子擴散，為擴散 型相變。有碳原子擴散，半擴散 型相變。般認為，沒有碳原子 的擴散，切變型相變。鐵及Me的擴散有無無等溫轉(zhuǎn)變完全性完全視溫度而定不完全轉(zhuǎn)變產(chǎn)物F + Fe3CF+ Fe3C過飽和a主要形態(tài)及亞結構片

5、狀，一片較粗的鐵素 體加一片滲碳體；或粒 狀。PF中幾乎不存在 碳，位錯密度低，無孿 晶。上B為羽毛狀，即條狀 鐵素體和分布于其間的 細桿狀碳化物；下B為 針狀，滲碳體在針內(nèi)析 出。BF中有亞單元，位 錯密度咼，有孿晶。低碳鋼中呈板條狀 M， 亞結構為高密度位錯； 高碳鋼中呈針狀M，亞 結構為層錯或?qū)\晶；超 咼碳鋼種呈閃電狀、蝶 狀或棗核狀。性能（強度、塑性）強度低，但塑性好。F能夠緩解應力集中。上B硬而脆，下B強度、 硬度咼。強度、硬度高，但塑性 較差。應用：GCr15系軸承鋼的制備工藝為：下料鍛造球化退火820840C油淬 150200C回火最終材料表面硬度大于 62元素含量：GCr15與

6、GCr15SiMn的C含量為0.951.05%,屬于過共析鋼， Cr含量為1.301.65%,而后者的Si、Mn含量較高。合金元素作用：GCr15系軸承鋼中的合金元素有 Cr、Si和Mn。Cr的作用 主要是提高鋼的淬透性，鋼種部分 Cr溶于滲碳體中，增大其穩(wěn)定性，使淬火加 熱時奧氏體晶粒不易長大；而溶于奧氏體中的Cr能夠提高馬氏體的回火穩(wěn)定性。 Cr 的加入能夠有效地使鋼在熱處理后獲得較高的硬度、強度和耐磨性。對大型 軸承鋼件而言， Si、 Mn 的加入使淬透性進一步提高，適量的 Si 能提高鋼的強度 和彈性極限，淬火時不易產(chǎn)生開裂。熱處理方式及作用：GCr15系滾動軸承鋼的熱處理主要是球化退

7、火、 淬火和 低溫回火。球化退火是預備熱處理， 其目的是獲得粒狀珠光體組織， 使鋼獲得較低的硬 度(HB207229),以保證易于切削加工獲得較高的表面質(zhì)量，并為淬火作組織 上的準備。球化退火一般將鋼加熱到 790800C，在710720C保溫34小時， 使得組織全部球化。淬火和低溫回火是決定軸承性能的關鍵。 如果淬火溫度過高， 會出現(xiàn)過熱組 織，使軸承的韌性和疲勞強度下降；溫度過低，使得奧氏體中溶解的Cr量不足， 影響淬火后硬度。由于 Cr 的加入使奧氏體穩(wěn)定程度增加， C 曲線右移，臨界冷 卻速度減小，可在油介質(zhì)中淬火，減小淬火產(chǎn)生的應力?；鼗鸬淖饔檬侨コ慊饡r產(chǎn)生的應力， 以提高韌性、

8、穩(wěn)定零件尺寸。 最終得 到極細的回火馬氏體組織和分布均勻的細粒狀碳化物及少量殘余奧氏體。 為了進 一步提高GCr15系軸承鋼的淬透性、淬硬性、疲勞壽命和使用壽命，在GCr15SiMn 的基礎上研發(fā)出 GCr15SiMo 軸承鋼， Mo 的加入不僅提高淬透深度和硬度， 還提 高了材料的回火穩(wěn)定性，最終使使用壽命較 GCr15SiMn 提高 2倍。3. 除了珠光體相變還有哪些相變屬于擴散型相變，請描述各自的形 成特點。答：擴散型相變的形核與長大主要依靠原子進行長程擴散， 相變依靠相界面 的擴散移動而進行。因而，擴散在此類相變中起控制作用。除了珠光體相變外， 純金屬的同素異構轉(zhuǎn)變、脫溶轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解

9、和有序 -無序轉(zhuǎn)變都屬于擴散型相 變。同素異構轉(zhuǎn)變：純金屬在固態(tài)下隨溫度或壓力的改變 ,還會發(fā)生晶體結構變 化，即由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化，稱為同素異構轉(zhuǎn)變，如Fe 的三種同素異構轉(zhuǎn)變。脫溶轉(zhuǎn)變：從單相區(qū)冷卻經(jīng)過溶解度飽和線進入兩相區(qū)時，發(fā)生脫溶分解， 即從過飽和固溶體中析出第二相或形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)已經(jīng)亞穩(wěn)定過渡相的過 程。脫溶是一種擴散型相變， 具有這種轉(zhuǎn)變的基本條件是： 合計在相圖上有固溶 度的變化， 并且固溶度隨溫度的降低而減小。 在溫度較高是發(fā)生平衡脫溶， 析出 平衡第二相；而溫度較低，則首先形成亞穩(wěn)過渡相。 合金在脫溶過程中， 其機械、 物理和化學性能等均隨之發(fā)生變化，這種

10、現(xiàn)象稱為時效。調(diào)幅分解： 過飽和固溶體在一定溫度下分解成結構相同、 成分不同的兩個相 的過程。調(diào)幅分解是自發(fā)的脫溶過程， 它不需要形核， 而是通過溶質(zhì)原子的上坡 擴散形成結構相同而成分呈周期性波動的納米尺度共格微疇， 以連續(xù)變化的溶質(zhì) 原子富集區(qū)與貧化區(qū)彼此交替地均勻分布于整體中。有序-無序轉(zhuǎn)變：某些替代式固溶體，當溫度甚低時，不同種類的原子在點 陣位置上呈規(guī)則的周期性排列， 稱有序相， 而在某一溫度以上， 這種規(guī)律性就完 全不存在了，稱無序相。固溶體在這一溫度(稱為相變溫度或居里點)發(fā)生的這 種排列的規(guī)律性的產(chǎn)生或喪失， 同時伴有結構的對稱性的變化， 被稱為有序 無 序相變。 許多固溶體在高

11、溫時， 溶質(zhì)與溶劑原子在點陣中的分布是隨機的， 而在 低溫時溶質(zhì)原子與溶劑原子卻分別位于某些特定位置上， 這種現(xiàn)象稱為有序化或 由無序到有序的轉(zhuǎn)變。 其開始發(fā)生有序化的溫度稱為有序化溫度或有序化的臨界 點。有序化以后的固溶體稱為有序固溶體，或稱超點陣。4. 解析鋼的各種強韌化方法。答：鋼中的強韌化方法主要有以下四種機制。(1) 形變強化：隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下 降的現(xiàn)象叫形變強化或加工硬化。機理：隨塑性變形的進行， 位錯密度不斷增加， 因此位錯在運動時的相互交 割加劇，結果即產(chǎn)生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引 起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造

12、成困難，從而提高金屬的強度。規(guī)律：變形程度增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯密度 不斷增加，根據(jù)公式 X =a bGPp ,可知強度與位錯密度（p）的二分之一次方成 正比，位錯的柏氏矢量（b）越大強化效果越顯著。方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等） 。形變強化的實際意義（利與弊） ：形變強化是強化金屬的有效方法，對一些 不能用熱處理強化的材料可以用形變強化的方法提高材料的強度， 可使強度成倍 的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素， 使金屬均勻變形， 使工件或 半成品的成形成為可能， 如冷拔鋼絲、 零件的沖壓成形等； 形變強化還可提高零 件或構件在使用過程中的安全性，零件的某

13、些部位出現(xiàn)應力集中或過載現(xiàn)象時， 使該處產(chǎn)生塑性變形， 因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。 另 一方面形變強化也給材料生產(chǎn)和使用帶來麻煩， 變形使強度升高、 塑性降低， 給 繼續(xù)變形帶來困難，中間需要進行再結晶退火，增加生產(chǎn)成本。（2）固溶強化隨溶質(zhì)原子含量的增加， 固溶體的強度硬度升高， 塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為 固溶強化。 間隙原子、 置換原子與位錯相互作用形成柯氏氣團， 柯氏氣團增加位 錯移動的阻力；溶質(zhì)原子造成晶格畸變， 增加位錯移動的摩擦阻力， 使強度提高， 這就是固溶強化的機理。固溶強化規(guī)律： 在固溶體溶解度范圍內(nèi)， 合金元素的質(zhì)量分數(shù)越大， 則強 化作用越大；溶質(zhì)原子

14、與溶劑原子的尺寸差越大， 強化效果越顯著；形成間 隙固溶體的溶質(zhì)元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素； 溶質(zhì)原子與溶劑 原子的價電子數(shù)差越大，則強化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。（3）第二相強化鋼中第二相的形態(tài)主要有三種，即網(wǎng)狀、片狀和粒狀。 網(wǎng)狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網(wǎng)狀 Fe3C,降低的鋼機械性能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下降； 第二相為片狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。符 合坪00+ KSo-1/2的規(guī)律，So片層間距。 第二相為粒狀分布時，顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高，符合_ Gb丫二 的規(guī)律，入粒子之間的平均距離。第二相的數(shù)量越多，對塑

15、性的危害越大； 片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差； 沿晶界析出時，不論什么形態(tài)都降低晶界強度，使鋼的機械性能下降。 第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。方法：合金化，即加入合金元素，通過熱處理或變形改變第二相的形態(tài)及分 布。（4）細晶強化細晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度升高，塑性、韌性也得到改 善的現(xiàn)象稱為細晶強化。細化晶粒不但可以提高強度又可改善鋼的塑性和韌性， 是一種較好的強化材 料的方法。機理：晶粒越細小，位錯塞集群中位錯個數(shù)（n）越小，根據(jù)=n'0，應力 集中越小，所以材料的強度越高。細晶強化的強化規(guī)律：晶界越多，晶粒越細，根據(jù)霍爾-配奇關系式cs=oo+ Kd-1/2晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服強度（Q越高。細化晶粒的方法：結晶過程中可以通過增