固態(tài)相變作業(yè)

1、1.推導(dǎo)Johnson-Meh方程。（已布置，此題不需做）2奧氏體形核時需要過熱度 T,那么金屬熔化時（S-L ,要不要過熱度，為什么？ 答：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，結(jié)晶能否發(fā)生，取決于固相的自由度是否低 于液相的自由度，即 ?G =GS-GL；0 只有當溫度低于理論結(jié)晶溫度 Tm 時，固態(tài) 金屬的自由能才低于液態(tài)金屬的自由能，液態(tài)金屬才能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬， 因此金屬結(jié)晶時一定要有過冷度。影響過冷度的因素：影響過冷度的因素：1）金屬的本性，金屬不同，過冷度大小不同； 2）金屬的純度，金屬的純度越高， 過冷度越大； 3）冷卻速度，冷卻速度越大，過冷度越大。固態(tài)金屬熔化時會出 現(xiàn)過熱度。原

2、因：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，熔化能否發(fā)生，取決于液相自 固態(tài)金屬熔化時會出現(xiàn)過熱度。 原因：由度是否低于固相的自由度， 即 ?G = GL-GS；0 只有當溫度高于理論結(jié)晶溫度 Tm 時，液態(tài)金屬的自由能才低 于固態(tài)金屬的自由能， 固態(tài)金屬才能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬， 因此金屬熔化時一定 要有過熱度。3. 相變熱力學(xué)條件是什么？ 答：金屬固態(tài)相變的熱力學(xué)條件：（1）相變驅(qū)動力：相變熱力學(xué)指出，一切系統(tǒng)都有降低自由能以達到穩(wěn)定狀態(tài) 的自發(fā)趨勢。 若具備引起自由能降低的條件， 系統(tǒng)將由高能到低能轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變， 稱 為自發(fā)轉(zhuǎn)變。金屬固態(tài)相變就是自發(fā)轉(zhuǎn)變，則新相自由能必須低于舊相自由能。 新舊兩相自由能差

3、既為相變的驅(qū)動力，也就是所謂的相變熱力學(xué)條件。（ 2）相變勢壘： 要使系統(tǒng)有舊相轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪喑蓑?qū)動力外， 還要克服相變勢壘。 所謂相變勢壘是指相變時改組晶格所必須克服的原子間引力。金屬固態(tài)相變的熱力學(xué)作用：為相變的發(fā)生提供動力；明確相變發(fā)生所要克 服的勢壘，即激活能。4. 簡述固態(tài)相變的主要特征。答：相界面：根據(jù)界面上新舊兩相原子在晶體學(xué)上匹配程度的不同，可分為共格界面、半共格界面和非共格界面。位向關(guān)系與慣習面：在許多情況下，金屬固態(tài)相變時新相與母相之間往往存在一定的位向關(guān)系， 而且新相往往在母相一 定的晶面上開始形成，這個晶面稱為慣習面通常以母相的晶面指數(shù)來表示。 彈性應(yīng)變能：金屬固態(tài)相變時

4、，因新相和母相的比容不同可能發(fā)生體積變化。 但由于受到周圍母相的約束， 新相不能自由膨脹， 因此新相與其周圍母相之間必 將產(chǎn)生彈性應(yīng)變和應(yīng)力，使系統(tǒng)額為地增加了一項彈性應(yīng)變能。 過渡相的形 成：當穩(wěn)定的新相與母相的晶體結(jié)構(gòu)差異較大時， 母相往往不直接轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡?最低的穩(wěn)定新相， 而是先形成晶體結(jié)構(gòu)或成分與母相比較接近， 自由能比母相稍 低些的亞穩(wěn)定的過渡相。晶體缺陷的影響： 固態(tài)晶體中存在著晶界、 亞晶界、 空位及位錯等各種晶體缺 陷，在其周圍點陣發(fā)生畸變，儲存有畸變能。一般地說，金屬固態(tài)相變時新相晶 核總是優(yōu)先在晶體缺陷處形成。原子的擴散： 在很多情況下， 由于新相和母相的成分不同， 金屬

5、固態(tài)相變必須 通過某些組織的擴散才能進行，這時擴散便成為相變的控制因素。5. 固態(tài)相變的阻力是哪幾項？ 答：新相與母相基體間形成界面所增加的界面能 、新相與母相體積差所引起的彈 性應(yīng)變能 、新相中亞結(jié)構(gòu)的形成所需要的能量6. 什么是共格界面， 根據(jù)其共格性界面有哪幾類？請比較它們的界面能和彈性應(yīng) 變能的大小。答：兩相界面上， 原子成一一對應(yīng)的完全匹配， 即界面上的原子同時處于兩相晶 格的節(jié)點上，為相鄰兩晶體所共有，這種相界稱為共格界面。 完全共格、半完全共格、非共格。7. 綜述奧氏體的主要性能。 （ 200字以內(nèi)） 答：（1）奧氏體的硬度和屈服強度不高。 （ 2）塑性好，易變形、加工成形性好。

6、 （ 3）具有最密排結(jié)構(gòu)，致密度高，比容最小。 （4）鐵原子自擴散激活能大，擴 散系數(shù)小，熱強性好，可用作高溫鋼。 （5）具有順磁性，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵磁性，可 作為無磁性鋼。（6）線膨脹系數(shù)大，可作熱膨脹靈敏儀表元件（ 7）導(dǎo)熱性差， 加熱應(yīng)采用小熱速度，以免工件變形。8采用哪些方法可以研究奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變？答：9發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件是什么？答：10共析鋼的奧氏 a 體化過程中，為什么鐵素體會先消失，而滲碳體會殘留下 來？ 答:首先，奧氏體是由鐵素體轉(zhuǎn)變而來的，第二，奧氏體的溶解碳能力大大高于 鐵素體，第三，奧氏體中的碳是由碳化物溶解而來的，第四，只有當碳化物完全 溶解后共析鋼奧氏體中的平均

7、碳濃度才是共析成分， 第五，碳化物溶解是一個過 程，需要時間，第六，鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體是瞬間轉(zhuǎn)變的同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變。當鋼 加熱到奧氏體化溫度后， 鐵素體瞬間轉(zhuǎn)變成奧氏體， 而滲碳體的完全溶解還需要 一定的時間，所以共析鋼奧氏體剛形成時必有部分碳化物殘留。 11亞共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼的奧氏體化過程有何區(qū)別？ 答： 1、亞共析鋼完全奧氏體化過程：超過共析溫度后，珠光體首先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏 體，隨著溫度的升高，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。2、共析鋼完全奧氏體化過程：超過共析溫度后，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 12連續(xù)加熱時的奧氏體轉(zhuǎn)變有何特點？答：1.相變是在一個溫度范圍沒完成的：剛在連續(xù)加熱是，奧氏體在一個溫度

8、范 圍內(nèi)完成。加熱速度愈大，各階段轉(zhuǎn)變溫度范圍均向高溫推移、擴大。2. 奧氏體成分不均勻性隨加熱速度增大而增大：在快速加熱情況下，碳化物 來不及充分溶解， 碳和合金元素的原子來不及充分擴散， 因而， 造成奧氏體中的 碳、金屬元素濃度分布很不均勻。3. 奧氏體起始晶粒隨著加熱速度增大而細化：快速加熱時，相變過熱度大， 奧氏體形核率急劇增大，同時，加熱時間又短，因而，奧氏體晶粒來不及長大， 晶粒較細，甚至獲得超細化奧氏體晶粒。13敘述奧氏體晶粒度測定的方法。答：14奧氏體晶粒長大的驅(qū)動力是什么 ? 答：長大方式：通過界面遷移而長大驅(qū)動力：來自 A 晶界的界面能。 A 晶粒的長 大將導(dǎo)致界面能降低P

9、= 2 丫 /RP驅(qū)動力，R球面晶界曲率半徑，丫 界面能晶粒越小，界面能越大，長大驅(qū) 動力越大。15說明奧氏體晶粒異常長大的原因。答：16 根據(jù)奧氏體形成規(guī)律討論細化奧氏體晶粒的方法。答：1.奧氏體起始晶粒隨著加熱速度增大而細化：快速加熱時，相變過熱度大， 奧氏體形核率急劇增大，同時，加熱時間又短，因而，奧氏體晶粒來不及長大， 晶粒較細，甚至獲得超細化奧氏體晶粒；2. 加入第二相粒子：由于第二相粒子對奧氏體晶界的釘扎作用，阻礙奧氏體 晶粒長大，有利于奧氏體晶粒的細化。3. 縮短保溫時間：保溫時間短，奧氏體晶粒來不及長大，晶粒細小。1. 影響珠光體片層間距的因素有哪些？答：珠光體的片層間距大小主

10、要取決于珠光體的形成溫度。隨著珠光體轉(zhuǎn)變溫度 下降，片狀珠光體的片層間距 So減小。在連續(xù)冷卻條件下，冷卻速度愈大，珠 光體的形成溫度愈低，即過冷度愈大，則片層間距就愈小。此外，鋼中碳含量及 合金元素對片層間距也有一定影響。2. 以共析鋼為例，試述片狀珠光體的形成機制，并根據(jù)鐵碳狀態(tài)圖用圖解法說 明片狀珠光體形成時碳的擴散行為。答：珠光體轉(zhuǎn)變是一個形核長大的過程，可分為片狀珠光體和粒狀珠光體。珠光 體是由鐵素體和滲碳體兩相組成的， 因此有領(lǐng)先相的問題，一般認為，過冷度小 的時候滲碳體是領(lǐng)先相，過冷度大時鐵素體是領(lǐng)先相。片狀珠光體的形成是由于均勻的奧氏體冷卻到 A1點以下時，因為能量，成 分和結(jié)

11、構(gòu)起伏，首先在形核功較小的晶界上形成一小片滲碳體晶核， 長大過程中， 縱向長大是滲碳體片和鐵素體片同時連續(xù)的向奧氏體中延伸， 而橫向長大是滲碳 體片與鐵素體片交替堆疊增多。3試述粒狀珠光體的形成機制。答：粒狀珠光體是通過片狀珠光體中滲碳體的球化而獲得的。4. 分析影響珠光體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素。答：1.P轉(zhuǎn)變的形核率與長大速度。與溫度的關(guān)系：隨溫度降低先增后減，550oC達最大值。與時間的關(guān)系: 位置達到飽和，1急劇下降到零；晶界上形核2.形核率I隨等溫時間增大而增大，隨時間延長, v與時間無關(guān)I = N.(/ L)3exp( - Q)kT:為界面厚度,L晶粒平均直徑，i=0,1,2分別表示界隅,

12、界線，界面，Q為原子擴散激活能,為原子振動頻率 長大速度- G vv exp（Q/kT）k T3）形核率與長大速度與溫度的關(guān)系：隨溫度降低先增后減，550oC達最大值與時間的關(guān)系：I隨等溫 時間增大而增大，隨時間延長，晶界上形核位置達到飽和，1急劇下降到零；v與時間無關(guān)5. 過冷奧氏體在什么條件下形成片狀珠光體？在什么條件下形成粒狀珠光體？ 答：1）共析碳鋼加熱奧氏體化后緩慢冷卻，在稍低于 1A （727度）溫度時奧氏 體將分解成為鐵素體與滲碳體的混合物，即珠光體，其典型形態(tài)呈片狀或?qū)訝睢?其片層間距主要取決于珠光體的形成溫度，同時也受合金元素的影響。2）將片狀珠光體加熱至略高于1A點的溫度，在此溫度下保溫，即經(jīng)過球化退火處理， 使片狀滲碳體球狀化就得到粒狀珠光體。6. 相間析出和珠光體共析轉(zhuǎn)變有什么關(guān)系？7. 在實際生產(chǎn)中，細化鐵素體晶粒的方法有哪些？8. 說明先共析相的析出形態(tài)對鋼的力學(xué)性能的影響。9. 試分析實際生產(chǎn)中影響第二相粒子析出的主要因素，析出的第二相粒子對最 終產(chǎn)品的組織性能有何影響。10. 試分析魏氏組織的形成條件及魏氏組織對鋼