相变作业及答案.docx
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相变作业及答案
第一早
奥氏体的形成
1.从热力学出发，合金相可能存在哪几种状态？
试举例说明。
答：
按照热力学第二定律，隔离体系中，过程自发的方向为自由能降低的方向。
可以判断，体系处于自由能最低的状态为稳定状态。
照此规律，合金相可以分下述三种状态：
1）稳定相：
在体系中处于自由能最低的相。
例如，在室温存在的铁素体，在910〜1394C存在的奥氏体等；
2）亚稳相：
在体系中处于自由能较低且与最低自由能位的相由能垒相分隔的相。
例如，在室温存在的渗碳体，马氏体等；
3）不稳定相：
在体系中处于自由能较低且与稳定相和亚稳相之间无能垒相分隔的相。
例如，过冷奥氏体等。
2.综述奥氏体的主要性能。
（200字以内）
答：
奥氏体是碳溶于rFe中的间隙固溶体，碳的溶入，使点阵发生畸变，从而点阵常数增大；虽然，大多合金元素为置换型的，但由于二者的原子半径不等，从而亦引起点阵畸变，上述因素均使奥氏体得到强化。
在钢的各种组织中，A的
比容最小，而线膨胀系数最大，且为顺磁性，根据这些性能不仅可以定量分析奥氏体量，测定相对开始点，而且可以用来控制热处理变形及制作功能元器件。
A
的导热系数较小，仅比渗碳体大，为避免工件的变形，故不宜采用过大的加热速度。
由于奥氏体塑性好，cs较低，易于塑性变形，故工件的塑性变形常常加热到奥氏体单相区中进行。
3.画出Fe-FesC亚稳平衡图，说明加热时奥氏体的形成机理。
答：
加热时，奥氏体的形成，是在固态下实现的相变，它属于形核长大型，是受扩散控制的。
1）奥氏体的形核
（1）形核的成分、结构条件
由Fe—Fe3C相图知，在A1温度
你+肮£oA
C%
0.02186.69
0.77
结构体心立方复杂斜方面心立方
可见，转变前的二相与转变产物不仅在成分上，而且在结构上都很大差异。
所以，奥氏体的形核需同时满足成分、结构及能量上的要求。
（2）形核的自由能判据
珠光体转变为奥氏体时，体系总的自由能变化为
AG=+hGe+A®
其中L：
-'：
为A与P的自由能差
：
-:
为晶体缺陷处形核时引起的自由能降低
为弹性应变能
I"为产生新相后引入的界面能
由热力学知，在A1温度，丄〕-'=0，而--】、--1、-均为正植，并且仅仅依靠缺陷以及能量起伏提供的能量，并不能使-■-■，所以相变必须在一定的过热度下，使得'-11，才能得--■。
由此可见，相变必须
在高于A1的某一温度下才能发生，奥氏体才能开始形核。
（3）形核位置
鉴于相变对成分、结构以及能量的要求，奥氏体晶核将在F—Fe3C相界面上优先形成，这是由于：
1如所前所述，晶界形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的自由能降低，有利于相变对能量的要求。
2相界面两边的碳浓度差大，较易获得与新相奥氏体相适配的碳浓度，况且碳原子沿晶界扩散也较晶内为快，从而加速了奥氏体的形核。
3
2）奥氏体晶核的生长
晶界处，原子排列较不规则，易于产生结构起伏，从而由bcc改组成fee一旦在相界面处形成奥氏体核心，则产生三相平衡，且晶核的生长随之开始。
由于P-A的转变是扩散型相变，且相变是在较高温度下进行的，二相的自由能差较小，故奥氏体的生长主要受控于CFe原子的扩散，根据Fick第一定律，扩散通量与浓度梯度成正比，且向着浓度降低的方向进行，所以我们只要分析相界面处与奥氏体晶核内部的浓度梯度，就可预测晶核长大的趋势。
由Fe-Fe3C相图知（相图略），P-A时，将产生两个相界面a+丫、丫+Fe3C而a+Fe3C相界面消失，各界面处的浓度为：
讥WE（最大）
最小）
rfFfic：
cl，r-cr，f（中等）
从而在丫相内产生碳浓度差-''_'（虽然在a相内亦存在浓度梯度，
但比起丫相内的要小的多，故予以忽略），从而产生浓度梯度，弓I起碳的扩散；扩散的结果，】八\「「，「/「「，这就破坏了该温度下
相界面处c原子的平衡，为了得到这种平衡，在■'相界面处，必须通过
溶入奥氏体，使，贝懊氏体向推进了一段距离；与此
同时，在二「「相界面处，必须通过■'，使，则奥氏体又向二推进一段距离，从而实现了奥氏体晶核的生长。
由于相界面处的浓度差远大于二「相界面处的浓度差，奥氏体向铁素体推进的速度远大于向丄；」推进的速度，所以在奥氏体生长过程中，往往是铁素体优先消失，而?
:
='-|=;有剩余。
3）残留Fe3C的溶解
由于残留Fe3C中的C通过扩散进入奥氏体，而A中的Fe则通过扩散，进入Fe3C阵点，随之Fe3C中的C浓度降低，使得复杂斜方结构变得不稳定，逐渐改组为面心立方点阵，实现了残留奥氏体的溶解。
4）奥氏体成分的均匀化
综上所述，珠光体转变为奥氏体的过程是一个形核长大的过程，是受扩散控制的。
由于相变对成分、结构、能量的要求，A首先在a/Fe3C相界面上形核，
从而产生a/丫，丫/Fe3C二个相界面。
奥氏体晶核借助于相界面上的浓度差而产生的浓度梯度，通过扩散生长。
在A生长过程中，铁素体优先消失，残留渗碳体则借助于Fe、C原子的扩散进一步溶解，最后经过Fe、C原子在A内部的进一步扩散，而得到成分均匀的奥氏体。
4.综述奥氏体晶粒度的概念，说明如何加热可得到细晶奥氏体。
答：
晶粒度一一晶粒大小的尺度，共分8级，1〜4级为粗晶粒；5〜8级为细晶粒。
超过8级的为超细晶粒。
可分为下述三种：
1起始晶粒度。
奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。
一般地讲，这时的奥氏体由一批晶粒大小不一，晶粒易弯曲的晶粒组成。
2实际晶粒度：
在某一加热条件下最终获得的奥氏体晶格大小。
它基本决定了热处理后的晶粒大小及该加热条件下奥氏体的性能。
3本质晶粒度：
在一定热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，它基本上由钢材冶炼时的脱氧方法所决定。
条件：
930±10C，保温3〜8小时，晶粒度为1〜4级，本质细晶结构，而5〜8级则为本质细晶粒钢。
5.设丫Fe的点阵常数为3.64?
，C的原子半径为0.77?
，解:
若平均2.5个丫Fe晶胞中溶入一个C原子，则单胞的相对膨胀量为多大？
解：
依题意，丫Fe的点阵常数a=364?
，设丫Fe的八面体间隙半径为
a723.64忑…、
r8,则？
，碳原子进入八面体间
2424
42
隙后，八面体间隙胀大的体积为？
3,故相对
膨胀量为
0.01775
253.卯
400%-0.015%
（略）
第二章珠光体相变
1.试对珠光体片层间距随温度的降低而减小作出定性的解释。
答:
S与AT成反比，且■-，这一关系可定性解释如下：
珠光体
型相变为扩散型相变，是受碳、铁原子的扩散控制的。
当珠光体的形成温度下下降时，AT增加，扩散变得较为困难，从而层片间距必然减小（以缩短原子的扩散距离），所以S与AT成反比关系。
在一定的过冷度下，若S过大，为了达到相变对成分的要求，原子所需扩散的距离就要增大，这使转变发生困难；若S过小，则由于相界面面积增大，而使表面能增大，这时AGV不变，（TS增加，必然使相变驱动力过小，而使相变不易进行。
可见，S与AT必然存在一定的定量
关系，但S与原奥氏体晶粒尺寸无关。
2.解释珠光体相变属扩散型相变
答：
3.分析珠光体相变的领先相及珠光体的形成机理答：
从热力学上讲，在奥氏体中优先形成a相或Fe3C相都是可能的，所以分析谁是领先相，必须从相变对成分、结构的要求着手，从成分上讲，由于钢的含碳
量较低，产生低碳区更为有利，即有利于铁素体为领先相；但从结构上讲，在较高温度，特别在高碳钢中，往往出现先共析Fe3C相，或存在未溶Fe3C微粒，故一般认为过共析钢的领先相为Fe3C而共析钢的领先相并不排除铁素体的可能性。
珠光体形成时，在奥氏体中的形核，符合一般的相变规律。
即母相奥氏体成分均匀时，往往优先在原奥氏体相界面上形核，而当母相成分不均匀时，则可能在晶粒内的亚晶界或缺陷处形核。
珠光体依靠碳原子的扩散，满足相变对成分的要求，而铁原子的自扩散，则完成点阵的改组。
而其生长的过程则是一个“互相促发，依次形核，逐渐伸展”的过程，若在奥氏体晶界上形成了一片渗碳体（领先相为片状，主要是由于片状的应变能较低，片状在形核过程中的相变阻力小），然后同时向纵横方向生长，由于横向生长，使周围碳原子在向渗碳体聚集的同时，产生贫碳区，当其C虾
降到该温度下xa/k浓度时，铁素体即在Fe3C—丫相界面上形核并长成片状；随着F的横向生长，又促使渗碳体片的形核并生长；如此不断形核生长，从而形成铁素体、渗碳体相相同的片层。
形成片状的原因，一般以为：
片状可以大
同时片状扩散距离短，有利于扩散
面积获得碳原子,
当形成丫一a,丫一cem相界面以后，在丫的相界面上产生浓度差x丫/a>x丫/k从而引起碳原子由a前沿向Fe3C前沿扩散，扩散的结果破坏了相界面丫，C浓度的平衡（在丫一a相界面上，浓度低于平衡浓度Xy/a而丫一Fe3C相界面上，浓度则高于X丫/k，为了恢复碳浓度的平衡，在丫一a相界面上形成a，丫一cem相界面上形成Fe3C,从而P实现纵向生长。
铁素体的横向生长，由于其两例渗碳体片的形成而终止，渗碳体的横向生长亦然，故P片的横向生长很快停止，而纵向生长继续，直到与另一方向长来的P
相遇为止。
这就形成了层片状的珠咣体。
随着温度的降低，碳原子的扩散能力下降，从而形成的铁素体、渗碳体片逐渐变薄缩短，片层间距缩短。
由片状P^S—Fo
4.
分析珠光体相变的影响因素
第三章马氏体相变
1.试述马氏体相变的主要特征，并作简要的分析说明。
2.分析马氏体的性能及其与马氏体结构的关系。
3.假设马氏体相变时原子半径不变，试计算45钢中发生马氏体相变时的体积变化。
4.试分析影响MS点的主要因素。
5.按形成方式分类，马氏体相变有哪几种类型，各有何特点？
6.何为奥氏体稳定化现象？
热稳定化和力学稳定化受哪些因素的影响？
在生
产上，如何利用奥氏体稳定化规律改善产品的性能。
试根据变形时的临界
分切应力，分析位错型马氏体和孪晶型马氏体的成因及其惯习面的变化规律。
7.试计算45（含0.45%C钢淬火时由组织转变引起的体积相对膨胀量。
（已
[|
知铁和碳的原子半径分别为1.25和0.77一-一；铁和碳的原子量分别为
55.847和12.011）
复习思考题三马氏体相变
1.试述马氏体相变的主要特征，并作简要的分析说明。
2.分析马氏体的性能及其与马氏体结构的关系。
3.假设马氏体相变时原子半径不变，试计算45钢中发生马氏体相变时的体积变
化。
4.试分析影响MS点的主要因素。
5.按形成方式分类，马氏体相变有哪几种类型，各有何特点？
6.何为奥氏体稳定化现象？
热稳定化和力学稳定化受哪些因素的影响？
在生产上，如何利用奥氏体稳定化规律改善产品的性能。
试根据变形时的临界分切应力，分析位错型马氏体和孪晶型马氏体的成因及其惯习面的变化规律。
7.
试计算45（含0.45%C钢淬火时由组织转变引起的体积相对膨胀量。
（已知
0
铁和碳的原子半径分别为1.25和0.77几；铁和碳的原子量分别为
55.847和
12.011）
复习思考题四
1.
试述贝氏体的形貌特征及其形成的条件。
2.
试比较贝氏体、珠光体和马氏体相变的异同
3.
简述几种主要贝氏体的转变机理。
4.
试分析影响贝氏体性能的因素
复习思考题五
1.试设计一种应用金相法测定某种钢的TTT曲线的试验。
2.大型钢件淬火时，为何会出现逆硬化现象？
3.如何应用TTT图估计钢的临界淬火速度？
复习思考题六
1.简述回火第一阶段发生的组织转变，电阻率在此阶段有何变化？
2.简述第三阶段所发生的组织转变，为什么淬回火马氏体的板条形态可以保持到较高温度？
3.简述合金元素对提高钢的回火抗力的作用。
4.综述钢的两次回火脆性对性能的影响，产生的机理，及其预防的措施。
复习思考题七
1.碳和合金元素对珠光体相变有何影响，如何影响？
2.综述先共析相的不同形态及其形成条件。
3.综述退火的目的及其种类。
4.说明球化退火的目的和用途，提出三种常用的球化退火工艺并解释之。
5.说明正火的目的及其应用范围。
6.已知某铸钢中的Mn发生偏析，要求经热处理后，Mn的偏析幅度降低到原来的
1/3，请制定其扩散退火工艺。
（Mn在900C和1100C的扩散系数分别为_11,二
cm/s和「「「〜cm/s，枝晶距离.=0.01cm,且■---「冷_'「i
复习思考题八
1.试比较各种淬火方法的优劣。
2.根据钢种的成分如何选择钢的淬火温度和淬火介质？
3.试说明钢件淬火冷却过程中热应力和组织应力的变化规律及其沿工件截面上的分布特征。
4.减少淬火变形和防止开裂可采取哪些措施？
5.简述低温回火、中温回火、高温回火在生产上的应用。
1.某厂拟用T10钢（含1.0%C,Aci=730,Acm=800制造形状简单的刀具，工艺
路线为：
锻造一热处理I—机加工一热处理磨加工
1）说明热处理工序I和□的名称及其作用；
2）制定各道热处理工艺规范；
6.说明该刀具使用状态的组织名称及其性能。
复习思考题九
1．高频感应加热时钢的相变有何特征？
2．为何钢经高频表面淬火后，其表面硬度一般要比普通淬火的高？
3．表面淬火用钢的成分有何特点？
复习思考题十
2．简述钢的气体渗碳原理。
3．钢的气体渗碳工艺参数的确定原则如何（按气氛碳势的选择、控制原理、渗碳
温度的选择、渗碳时间的确定等几方面加以论述）？
4．如何选择钢渗碳后的热处理方法？
5.某厂拟用20Cr钢（含0.2%C,1.0%Cr）制造齿轮，技术要求为：
表面硬化层为0.8mm硬度为HRC>60其心部的硬度不超过HRC22工艺路线为：
锻造一热处理I—机加工一热处理□—加工非硬化表面一热处理川一磨加工
1）说明热处理工序I、□和川的名称及其作用；
2）制定各道热处理工艺规范；
3）说明该齿轮使用状态的组织名称及其性能。
6.试述Steckels淬火新工艺并分析这种新工艺使碳化物超细化的原理（试验钢种为GCr15）。
7.某厂生产的凸轮轴（心部要求优良的综合机械性能，凸轮要求高硬度）。
原先采用45钢（含0.45%C）局部高频淬火后低温回火。
现改用15钢（含0.15%C）制造。
1）两种钢的工艺流程；
2）制定各道热处理工艺（凸轮轴的有效直径为200mm凸轮部分的淬硬
层深度为0.8mm）。
8钢种的CCT曲线如图示，该钢的圆柱型试样经850C加热油淬后，其表面（S）、R/2及心部（C）的冷却曲线亦示于图中。
1）写出淬火后圆柱体表面、R/2及心部的硬度值，作出该钢种的淬透性曲线；
2）写出上述三处显微组织中各组织组成物的相对量；
3）CCT曲线中Ms线右端向下倾斜的原因。
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