补充2 固态相变前沿与实践

固态相变动力学基础、前沿与实践
Fundamentals, Frontiers and Practices in Solid-state Phase Transformation Kinetics
刘永长
(E-mail:licmtju@https://www.360docs.net/doc/3017531463.html,)

主要内容
? 引言 ? 固态相变动力学理论基础 ? 相变动力学模块化解析模型的建立 ? 相变动力学研究范例 ※形核和生长机制的影响 ※块状相变临界条件的确定 ? 主要结论

相变定义及类型
固态相变作为凝聚态物理、材料科学领域的重要科学问题，是指在外界条件改变时物相在某一特定条件下发生的突变，具体为：（1）结构变化；（2）化学成分不连续变化；（3）更深层次序结构的变化并引起物理性质的突变。热力学：固态相变总是朝Gibbs能降低的方向进行。动力学：固态相变动力学机制的不同导致相变产物的多样性，为实现材料组织控制提供了可能。

相变可分为一级相变和高级相变。相变点两相的Gibbs能必须连续、相等，但其各阶导数却可能不连续。相变点一级导数不相等的称为一级相变，即熵与体积呈不连续变化，即相变时会伴随潜热和体积的突变。一级相变过程往往属于结构上的重构，在动力学上常常出现相变滞后的现象。 ? 合金固态相变课程仅涉及到一级相变，通过记录相变过程的热效应和体积效应随时间的变化关系为动力学机制研究提供了可能。 (a)一级和(b)二级相变的相图特征

固态相变示例: 非晶合金晶化过程
非晶合金
晶化过程
非晶合金是一种从熔体冷却成固体时没有发生结晶过程的材料，因其独特的长程无序结构而具有优异的力学、物理和化学性能。

非晶合金晶化过程原位组织观察
非晶Al85Ni8Y5Co2合金
晶核
枝晶 500 K保温

固态相变一般过程模拟及示意图
示意图
分子动力学模拟

基本概念
? 形核：大于临界晶核半径的晶核的形成过程。形核率：单位时间和单位体积内形成的晶核数目，取决于临界晶核数目和原子在两相界面间的跃迁频率。位置饱和形核、连续形核、Avrami形核、混合形核稳态形核、瞬态形核 ? 生长：新相与母相之间的相界面迁移过程。扩散控制：存在原子长程扩散，扩散影响相变进程。界面控制：存在原子界面附近短程扩散，相变速率取决于原子在界面处的可动性。

形核模型
位置饱和形核 Avrami形核连续形核混合形核
稳态形核瞬态形核

生长模型
界面控制生长扩散控制生长
* 扩散控制生长速度要低于界面控制生长速度！

碰撞修正模型
硬膨胀——粒子相互间的重叠软膨胀——长大粒子周围可能的扩散域叠加晶核随机分布晶核非随机分布各向异性生长
实际情况往往更接近于“中间分布状态”

相变动力学研究思路与目标
差热分析（DSC、DTA）膨胀仪 X-射线衍射透射电镜（TEM）聚焦离子束（FIB）光学显微镜（OM）
相变动力学解析模型
相变动力学机制
组织控制

相变动力学解析模型的建立过程
形核位置饱和 Avrami形核连续形核瞬态形核
t
生长界面控制生长扩散控制生长
碰撞修正随机分布 f = tanh(Ve / V) 周期分布
? ? & Ve = V ∫ N ? g ∫ v dt ? 0 ? τ ?
t
d /m
? ? dτ ? ? ?
实验测得动力学信息
Ve f=u( V
)
F. Liu, F. Sommer, C. Bos, et al, Inter. Mater. Rev. 52 (2007) 193.

经典等温JMAK 方程:
f = 1 ? exp[? K n t n
Q ? ? RT ? ? n = d m +1 其中 K = k exp? ? ?
]
kn = gN υ
d +1 m d m 0 0
d QN + QG m Q= n
等时转变动力学解析模型: 通常，等时转变动力学模型是在等温转变速率方程的基础上得到的，并假设其转变速率只与温度和转变量有关。
n ? ? ?1 T f ? ? Q ? ? f = 1 ? exp ?? ? Φ ∫ k exp? ? ?dT ? ? RT T 0 ? ? ? ? ? ?
温度积分项的数学近似处理:
∞ exp( ? y ) ? kQ kQ ? ∞ exp(? y ) Q ? ? ? ? k exp dT dy dy ? = ? ? ? 2 2 ? = R ( p ( y f ) ? p ( y0 ) ) ∫T0 ∫ ∫ RT ? yf y \0 ? R ? y y ? ? ∞ exp( ? y ) Q p z dy ( ) = y = 其中 ∫z y 2 RT Tf

常用温度积分近似处理:
p( y) =
? n! exp(? y ) ? 2! 3! + + + L + + L 1 ? ? 2 n y2 y ? ( ) ( ) ? ? y y ? ?
！上述级数展开并不收敛，而是在正无穷到负无穷之间振荡，取式中的第一项或前两项并不会造成很大的误差。
新温度积分近似处理:
T (τ ) = 500 K
QG=250 kJmol-1,
QG QG RT (t)2 ? QG (T(τ ) ?T(t)) ? exp( ) dT exp( ) 1 exp( )? ? = ? ? ? ∫T (τ ) RT RT (t) QG ? RT (t)2 ?
T (t )
以往常用和新温度积分 ∫
T (t )
T (τ )
exp(?
QG )dT RT
！2005届本科生王冬江完成，发表在J Mater Sci 43 (2008) 4876上。
近似处理后计算得到的结果对比

非晶Zr60Al15Ni25 合金在不同加热速率下等时晶化过程差热分析测量结果与不同温度积分近似处理的解析模型（连续形核和界面控制生长）计算结果对比 (a) 新方法，(b) 以往常用方法
? 新温度积分近似处理使得模型拟合精度大大提高！该项工作由05届
本科生王冬江完成，结果发表在 Appl Phys A 92(2008)703和J NonCryst Solids 354(2008)3990上。

主要内容
? 引言 ? 固态相变理论基础 ? 相变动力学模块化解析模型的建立 ? 相变动力学研究范例 ※形核和生长机制的影响 ※块状相变临界条件的确定 ? 主要结论

材料热力学与固态相变研究生试题-20131115

西南交通大学研究生2013 －2014 学年第(II)学期考试试卷课程代码 0805021202a 课程名称材料热力学与固态相变考试时间 90 分钟阅卷教师签字：材料热力学部分一、基本概念题（请按照热力学与材料科学的基本理论正确叙述下列概念（对））（30分，每题10分） 1、拉乌尔定律 2、热焓与熵 3、化学位与物相平衡院系学号姓名密封装订线密封装订线密封装订线

二、简答题（30分，每题10分） 1、假设有一孤立体系：10摩尔处于-10℃的过冷水，在一个大气压下，将自发转变为固态冰，同时放出结晶潜热使体系升温（没有热量损失），欲计算转变结束时，该体系的最终温度，若为两相共存，则如何计算水和冰的比例（摩尔比），请设计计算框图。（假定已知水的结晶潜热、液态水和固态冰的恒压比热容，不用计算。） 2、若A、B两组元可以形成稳定的中间相（即合金化合物AnBm），请根据热力学理论，解释端际固溶体（A固溶B或B固溶A）的最大溶解度与合金化合物AnBm 的稳定性之间的定性关系。

3、根据体系与环境的关系，简单说明何为开放体系、何为封闭体系，何为孤立体系？三、综合分析题（40分，每题20分）

2、单相体系热力学计算（误差在±50K以内15分，±5K以内 18分，±0.5K以内19分，±,0.05K以内20分）（要求列出详细计算过程）某液态金属的蒸气压随温度变化的关系式为： lgp（atm）=（-6600/T）-1.0 lgT + 9 其固体的蒸气压随温度的变化关系为： lgp（atm）=（-6700/T）-0.9 lgT + 9 求：（1）在一个大气压下该液态金属的沸点（大于1000K）；（2）三相点温度（小于1000K）。

固态相变理论部分答案

《固态相变理论》作业3 1．试述贝氏体转变的基本特征。答：1）孕育期的预相变：在贝氏体孕育期内，母相发生成分的预分配和结构的预转变。预相变期发生了原子的偏聚，形成贫碳区即为贝氏体相变的形核位置。相变机制存在扩散和切变学派的争论。 2）贝氏体相变形核：贝氏体相变是非均匀形核，上贝氏体一般在奥氏体晶界处形核，而下贝氏体一般在奥氏体的晶内形核。 3）贝氏体的长大机制：存在三种观点1.马氏体型的贝氏体切变长大机制，这种学派认为，贝氏体长大与马氏体相似，以切变方式进行，但贝氏体长大的速度比马氏体慢的多。判断依据是贝氏体的表面浮凸效应现象。切变包括滑移切变和孪生切变。2.扩散台阶长大机制，台阶机制可以为扩散长大所利用，也可以为切变长大利用。3.扩散-切变复合长大模型，这种模型首要条件是界面位错必须是刃型位错或刃型分量为主导的。因为只有刃型位错才能攀移，而螺位错是不能攀移的。 2．试述影响贝氏体性能的基本因素。 C。形态为答：1）上贝氏体的形成中温转变，在350～550℃，组织为BF+Fe 3 羽毛状上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制。 2）下贝氏体的形成低温转变，小于350℃。BF大多在奥氏体晶粒内通过共格切变方式形成，形态为透镜片状。由于温度低，BF中的碳的过饱和度很大。同时，碳原子已不能越过BF/A相界扩散到奥氏体中去，所以就在BF内部析出细小的碳化物。同样，下贝氏体的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制。 3）碳含量及合金元素的影响奥氏体中的碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，转变速度下降。除了铝和钴外，合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速度，同时也使贝氏体转变温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。 4）奥氏体晶粒度大小的影响奥氏体晶粒度越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育越长，贝氏体转变速度下降。 5) 应力和塑性变形的影响拉应力加快贝氏体转变。在较高温度的形变使贝氏体转变速度减慢；而在较低温度的形变使得转变速度加快。 6）冷却时在不同温度下停留的影响

知识点热力学与料热力学部分

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热力学与材料热力学部分热力学：用能量转化和守恒的观点来研究物质热运动的客观规律；以实验事实为基础，总结研究系统状态变化过程中的功能转化和热力学过程的方向性问题。热力学研究能(energy)和能的转变(transformations)规律材料研究的每个过程离不开热力学 1、材料服役性能 2、材料制备 3、材料微观组织材料热力学是热力学基本原理在材料设计、制备与使用过程中的应用。材料热力学是材料科学的重要基础之一。材料学的核心问题是求得材料成分－组织结构－各种性能之间的关系。问题的前半部分，即材料成分－组织结构的关系要服从一个基本的科学规则，这个基本规则就是材料热力学。在材料的研究逐渐由“尝试法”走向“定量设计”的今天，材料热力学的学习尤其显得重要。材料热力学是经典热力学和统计热力学理论在材料研究方面的应用，其目的在与揭示材料中的相和组织的形成规律。固态材料中的熔化与凝固以及各类固态相变、相平衡关系和相平衡成分的确定、结构上的物理和化学有序性以及各类晶体缺陷的形成条件等是其主要研究对象。现代材料科学发展的主要特征之一是对材料的微观层次认识不断进步。利用场离子显微镜和高分辨电子显微镜把这一认识推进到了纳米和小于纳米的层次，已经可以直接观察到从位错形态直至原子实际排列的微观形态。这些成就可能给人们造成一种误解，以为只有在微观尺度上对材料的直接分析才是深刻把握材料组织结构形成规律的最主要内容和最主要途径；以为对那些熵、焓、自有能、活度等抽象概念不再需要更多的加以注意。其实不然，不仅热力学的主要长处在于它的抽象性和演绎性，而且现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统计热力学的支撑和帮助。材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标志之一。工业技术的进步在拉动材料热力学的发展，而材料热力学的发展又在为下一个技术进步准备基础和条件。材料热力学是热力学理论在材料研究、材料生产活动中的应用。因此这是一门与实践关系十分密切的科学。学习这门课程，不能满足于理解书中的内容，而应当多进行一些对实际材料问题的分析与计算，开始可以是一些简单的、甚至是别人已经解决的问题，然后由易渐难，循序渐进。通过不断的实际分析与计算，增进对热力学理论的理解，加深对热力学的兴趣，进而有自己的心得和成绩。热力学最基本概念： 1、焓变 enthalpy

材料热力学与相变复习总结

热力学定律定义表达式：一、能量从一种形式转化为其他形式时，其总量不变。▽u=q —W 二、一切自发过程都是不可逆的。或热不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。盖.吕萨克（Gay-Lussac ）定律：恒压下，任何气体温度升高或降低1℃所引起的体积膨胀都等于它们零度时体积的1/273.16。)16.2731(16.273000t V t V V V t +=+= 敞开体系或开放体系: 与环境之间既有物质交换，也有能量交换的体系封闭体系或关闭体系:与环境之间只有能量交换，而无物质交换的体系隔离体系或孤立体系：与环境之间既无物质交换，也无能量交换的体系体系的性质是状态的函数。我们把这些性质，包括体系的温度、压力、体积、能量或其他，都叫做体系的状态函数强度性质：与体系的总量无关的性质，例如温度、压强、比表面能、磁场强度等广度性质：与体系的总量成比例的性质，例如体积、面积、质量等。盖斯定律：同一化学反应，不论其经过的历程如何（一步或几步完成），只要体系的初态和终态一定，则反应的热效应总是一定的（相同的）。对于可逆过程而言，qR/T 最大，所以对于同样的△u ，qR 是一定的，且仅取决于体系的状态。这样，qR /T 就具备了状态函数的特点。以S 表示之，称为熵。T q S R ?=?，T dq dS R =熵虽然可以作为此问题判断的依据，但是只适用于隔离体系。 G 称为吉布斯（Gibbs ）自由能，也是个状态函数，可以判断恒温恒压下过程可逆与否。若令 G ＝H －TS 则dW' ≤－dG 如果过程只作膨胀功，即dW' ＝0，则有 dG ≤0，或 △G ≤0 判断恒温恒压、无非膨功的条件下过程自发进行的可能性。自由能减小不可逆、自发。不变则可逆平衡。能斯特定理0)()( lim lim 00=?=???→→T T P T S T G 后来人们提出了另外两种热力学第三定律的表达式： 0)(lim 0=?→S T 00 l i m S S T =→ 将偏摩尔量的定义式中的广度性质G 以自由能F 代之，则得到偏摩尔自由能1 21......,,,)/(-??=i n n n P T i i n F μ 化学位的物理意义是：恒温恒压下，加入微量i 所引起的体系自由能的变化。显然，化学位与自由能之间存在以下关系∑=i i dn dF μ 化学位反映了某一组元从某一相中逸出的能力。某一组元在一相内的化学位越高，它从这相迁移到另一相中的倾向越大。所以可以用化学位来判断过程的方向和平衡： 0≤∑i i dn μ“＜”表示反应的方向；“=”表示平衡条件拉乌尔定律：如果溶质是不挥发性的，即它的蒸气压极小，与溶剂相比可以忽略不计，则一定的温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与其摩尔分数的乘积。亨利定律：在一定的温度下，气体在液体中的溶解度和该气体的平衡分压成正比大多数实际溶液都对拉乌尔定律有偏差，即蒸气压大于或小于拉乌尔定律的计算值。如果蒸气压大于拉乌尔定律的计算值，称为正偏差；如果蒸气压小于拉乌尔定律的计算值，叫做负

固态相变

1. 固态相变与液固相变在形核、长大规律和组织等方面的主要区别。答：固态相变形核要求有一个临界过冷度△Tc，只有当过冷度△T>△Tc时才满足相变热力学条件。这是固态相变形核与液-固相变的根本区别。相同：形核和长大规律相同，驱动力相同都存在相变阻力都是系统自组织的过程。异处：不同点：（1）液－固相变驱动力为自由焓之差△G 相变，阻力为新相的表面能△G表，基本能连关系为：△G = △G 相变+△G表，而固态相变多了一项畸变能△G畸，基本能连关系为：△G = △G 相变+△G界面+△G畸（2）固态相变比液－固相变困难，需要较大的过冷度。固态相变阻力增加了应变能等，即固态相变中形核困难. 3.固态相变时为什么常常首先形成亚稳过渡相。佳美试卷P31P33 （1）能量方面，所需要驱动力，平衡相大于过渡相，过渡相的界面能和应变能要低，形成有利于降低相变阻力。（2）成分和结构方面。过渡相在成分和结构更接近母相，两相易于形成共格或半共格界面，减少界面能，降低形核功，形核容易进行。 4.如何理解脱溶颗粒在粗化过程中的“小粒子溶解”和“大粒子长大”现象。（1）粗化过程驱动力是界面能的降低当沉淀相越小，其中每个原子分到的界面能越多，化学势越高，与它处于平母相中的溶质原子浓度越高即c（r2）>c(r1)。由此可见，在大粒子r1和小粒子r2之间体中存在浓度梯度，因此必然有一个扩散流，在浓度梯度的作用下，大粒子通过吸收基体中的溶质而不断长大，小粒子要不断溶解收缩，放出溶质原子来维持这个扩散流。所以出现了大粒子长大、小粒子溶解的现象（2）粗化过程中，小粒子溶解，大粒子长大，粒子总数减小，r增加。小粒子溶解更快。温度T升高，扩散系数D增大，使dr/dt增大。所以当温度升高，大粒子长大更快，小粒子溶解更快。 5.如何理解调幅分解在热力学上无能垒，但在实际转变过程中有阻力。 (1)应变能，溶质溶剂原子尺寸不同 (2)梯度能，原子化学键结合 (3)相间点阵畸变 6.调幅分解与形核长大型脱溶转变的主要区别。见佳美试卷P14 P34 7.如何从热力学角度理解马氏体相变的无扩散性。

材料热力学知识点

第一章单组元材料热力学名词解释： 1 可逆过程 2 Gibbs自由能最小判据 3 空位激活能 4 自发磁化： 5 熵： 6 热力学第一定律热力学第二定律 7 Richard定律填空题 1 热力学第二定律指出：一个孤立系统总是由熵低的状态向熵高的状态变化，平衡状态则是具有最大熵的状态。 2 按Boltzmann方程，熵S与微观状态数W的关系式为S=klnW 3 热容的定义是系统升高1K时所吸收的热量，它的条件是物质被加热时不发生相变和化学反应 4 α-Fe的定压热容包括：振动热容、电子热容和磁性热容。 5 纯Fe的A3的加热相变会导致体积缩小 6 Gibbs-Helmholtz方程表达式是 7 铁磁性物质的原子磁矩因交换作用而排列成平行状态以降低能量的行为被称为自发磁化论述题 1 根据材料热力学原理解释为什么大多数纯金属加热产生固态相变时会产生体积膨胀的效应？ 2 试根据单元材料的两相平衡原理推导克拉伯龙（Clapeyron）方程。 3 试用G-T图的图解法说明纯铁中的A3点相变是异常相变。 4 试画出磁有序度、磁性转变热容及磁性转变（指铁磁-顺磁转变）自由能与温度的关系曲线。计算题 1已知纯钛α/β的平衡相变温度为882O C，相变焓为4142J?mol-1，试求将β-Ti过冷到800O C 时，β→α的相变驱动力 2若某金属形成空位的激活能为58.2KJ?mol-1，试求在700O C下，该金属的空位浓度。 3纯Bi在0.1MPa压力下的熔点为544K。增加压力时，其熔点以3.55/10000K?MPa-1的速率下降。另外已知融化潜热为52.7J?g-1，试求熔点下液、固两相的摩尔体积差。（Bi的原子量为209g?mol-1.

固态相变新理论论文

固态相变论文班级：材料08-01 姓名：郑国阔学号：0808010130

金属固态相变理论研究的最新进展摘要：已经研究形成一套金属固态相变理论，但有的知识陈旧，且存在错误，因此，开拓创新具有理论意义和应用价值。本文就钢的珠光体和贝氏体转变做了深入研究。通过分析得出钢中共析分解的新机制，对于“相间沉淀”机理做了新的解释，重申了珠光体的新概念。认为：珠光体是共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）构成的整合组织，不是机械化合物。珠光体的形核--长大是以界面扩散为主进行的相变，铁素体和渗碳体两相是共析共生，协同长大，不存在领先相；发现了珠光体转变在预先抛光的试样表面也具有浮凸效应；指出过渡性是贝氏体相变的主要特征，提出了贝氏体和贝氏体相变的新定义。认为以往的热力学计算不准，贝氏体铁素体的相变驱动力约为－905J/mol。提出了切变－扩散整合机制，贝氏体相变的晶核是单相BF，不是共析分解，贝氏体铁素体（BF）在贫碳区形核，是贫碳的γ→α的无扩散相变，不是切变过程，而是以界面替换原子热激活跃迁方式形核长大；钢中贝氏体碳化物（Bc）在γ/α相界面上形核，向奥氏体和铁素体中长大，最终被铁素体包围，是以原子热激活跃迁方式进行的相变。关键词：固态相变；珠光体；贝氏体；界面扩散；热激活跃迁；扩散；切变；整合。金属固态相变过程和相变机理极为复杂，而钢中的相变是金属相变中最为复杂的，各种相变机制也存在争议，在争论中金属固态相变理论不断更新和发展发展[1～7]。科学技术哲学告诉人们，自然物质的演化是从量变到质变的过程。应当把“奥氏体珠光体、贝氏体、马氏体”转变系列作为一个整合系统来研究。从整合机制和自组织功能方面以系统整合的方法进行研究。 21世纪以来，奥氏体的形成、马氏体相变和回火转变研究欠活跃，进展缓慢，本文主要介绍珠光体转变和贝氏体相变的最新进展情况。珠光体是钢中发现比较早的组织，20世纪上半叶对珠光体转变理论进行了大量的研究工作，但60~80年代在马氏体和贝氏体研究的热潮中，珠光体相变的研究被冷落。80年代以后，索氏体组织及在线强化；非调质钢取代调质钢；高强度冷拔钢丝的研究开发等，使珠光体转变的研究有了一定的新进展。但是，共析分解的许多问题实际上并没有真正搞清楚。本文就珠光体的定义、共析分解机理；领先相问题；相间沉淀等阐述其新理论、新认识。 20世纪50年代柯俊第一次对贝氏体相变的本质进行了研究。60年代末，美国冶金学家H.I.Aaronson等学者从能量上否定贝氏体转变的切变可能性。贝氏体相变机制方面形成了切变机制、扩散－台阶机制，切变－扩散复合机制等，并且经历了长达30多年的论争。进入21世纪以来，刘宗昌等人提出了切变－扩散整合机制。继承各类学术观点之所长，开拓创新，实现各类学术观点的整合，以便促进贝氏体相变理论的发展。 1. 珠光体转变新理论 20世纪80年代电镜观察发现了珠光体组织中的长大台阶，提出了台阶转变机制。近年来，作者本人依据对共析分解机理和珠光体本质的研究，发表了

固态相变试题库及答案

固态相变课程复习思考题2012-5-17 1.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.简要说明贝氏体的基本特征和组织形态 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.掌握如下基本概念：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

固态相变习题

第一章自测题试卷 1、固态相变是固态金属（包括金属与合金）在（）和（）改变时，（）的变化。 2、相的定义为（）。 3、新相与母相界面原子排列方式有三种类型，分别为（）、（）、（），其中（）界面能最低，（）应变能最低。 4、固态相变的阻力为（）及（）。 5、平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。 6、非平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。 7、固态相变的分类，按热力学分类：（）、（）；按原子迁动方式不同分类：（）、（）；按生长方式分类（）、（）。 8、在体积相同时，新相呈（）体积应变能最小。 A．碟状（盘片状）B.针状 C.球状 9、简述固态相变的非均匀形核。 10、简述固态相变的基本特点。第二章自测题试卷 1、分析物相类型的手段有（）、（）、（）。 2、组织观测手段有（）、（）、（）。 3、相变过程的研究方法包括（）、（）、（）。 4、阿贝成像原理为（）。 5、物相分析的共同原理为（）。 6、扫描电镜的工作原理简单概括为：（）。 7、透射电子显微镜的衬度像分为（）、（）、（）。第三章自测题试卷 1. 根据扩散观点，奥氏体晶核的形成必须依靠系统内的（）： A.能量起伏、浓度起伏、结构起伏 B. 相起伏、浓度起伏、结构起伏 C.能量起伏、价键起伏、相起伏 D. 浓度起伏、价键起伏、结构起伏 2. 奥氏体所具有的性能包括：（） A.高强度、顺磁性、密度高、导热性差； B.高塑性、顺磁性、密度高、导热性差； C.较好热强性、高塑性、顺磁性、线膨胀系数大； D.较好热强性、高塑性、铁磁性、线膨胀系数大。 3. 影响奥氏体转变的影响因素包括（）、（）、（）、（）。 4．控制奥氏体晶粒大小的措施有：（），（），（），（）。 5．奥氏体是Fe-C合金中的一种重要的相，一般是指（），碳原子位于（）。 6. 绘图说明共析钢奥氏体的形成过程。 7. 奥氏体易于在铁素体和渗碳体的相界面处成核的原因是什么？ 8. 简述连续加热时奥氏体转变的特点。 9. 说明组织遗传的定义和控制方法。 10. 从奥氏体等温形成动力学曲线出发说明珠光体到奥氏体的转变特征。第四章自测题试卷 1、填空题 1) 根据片层间距的大小，可以将珠光体分为________ 、________、________。 2) 获得粒状珠光体的途径有________ 、__________ 、___________ 、___________ 。 3) 珠光体的长大方式有__________ 、___________ 、___________。

固态相变习题与解答.

1、解释下列名词：自扩散、化学扩散、间隙扩散、置换扩散、互扩散、晶界扩散、上坡扩散 2、什么叫原子扩散和反应扩散? 3、什么叫界面控制和扩散控制?试述扩散的台阶机制? [简要解答] 生长速度基本上与原子的扩散速率无关，这样的生长过程称为界面控制。相的生长或溶解为原子扩散速率所控制的扩散过程称为扩散控制。如题3图，α相和β相共格，在DE、FG处，由于是共格关系，原子不易停留，界面活动性低，而在台阶的端面CD、EF处，缺陷比较多，原子比较容易吸附。因此，α相的生长是界面间接移动。随着CD、EF的向右移动，一层又一层，在客观上也使α相的界面向上方推移，从而使α相生长。这就是台阶生长机制，当然这种生长方式要慢得多。题3图台阶生长机制 4、扩散的驱动力是什么?什么是扩散热力学因子? 5、显微结构的不稳定性主要是由哪些因素造成的 ? 6、什么是Gibbs-Thomson效应?写出其表达式。 7、什么是Ostwald Ripening Process ? 写出描述其过程的表达式，总结其过程规律 ? 8、在500℃时，Al在Cu中的扩散系数为2.6×10-17 m2/s，在1000℃时的扩散系数为1×10-12 m2/s。求：1）这对扩散偶的D0、Q值；2）750℃时的扩散系数。 9、当Zn向Cu内扩散时，已知：X点处的Zn含量为2.5×10-17 a/cm3，在离X点2mm 处的Y 点，在300℃时每分钟每mm2要扩散60个原子。问：Y点处的Zn浓度是多少? 10、将Al扩散到硅单晶中，问：在什么温度下，其扩散系数为10-14 m2/s ? (已知：Q = 73000 cal./mol, D0 = 1.55×10-4 m2/s ) 11、在1127℃某碳氢气体被通入到一低碳钢管（管长1m，管内径8 mm，外径12 mm）。

材料热力学练习题

1、由5个粒子所组成的体系，其能级分别为0、ε、2ε及3ε，体系的总能量为3ε。试分析5个粒子可能出现的分布方式；求出各种分布方式的微观状态数及总微观状态数。 2、有6个可别粒子，分布在4个不同的能级上(ε、2ε、3ε及4ε)，总能量为10ε，各能级的简并度分别为2、2、2、1，计算各类分布的Ωj 及Ω总。 3、振动频率为ν的双原子分子的简谐振动服从量子化的能级规律。有N 个分子组成玻耳兹曼分布的体系。求在温度T 时，最低能级上分子数的计算式。 4、气体N 2的转动惯量I =1.394?10-46kg ?m 2，计算300K 时的Z J 。 5、已知NO 分子的Θυ=2696K ，试求300K 时的Z υ。 ν~J υ7、计算300K 时，1molHI 振动时对内能和熵的贡献。 8、在298K 及101.3kPa 条件下，1molN 2的Z t 等于多少？ 9、在300K 时，计算CO 按转动能级的分布，并画出分子在转动能级间的分布曲线。 10、计算H 2及CO 在1000K 时按振动能级的分布，并画出分子在振动能间的分布曲线；再求出分子占基态振动能级的几率。 11、已知HCl 在基态时的平均核间距为1.264?10-10m ，振动波数ν~=2990m -1。计算298K 时的Θm S 。 12、证明1mol 理想气体在101.3kPa 压力下 Z t =bLM 3/2(T /K )5/2 (b 为常数) 13、计算1molO 2在25?C 及101.3kPa 条件下的Θm G 、Θm S 及Θm H 。设Θ0U 等于零。 14、已知300K 时金刚石的定容摩尔热容C V ,m =5.65J ?mol -1?K -1，求ΘE 及ν。 15．已知300K 时硼的定容摩尔热容C V ,m =10.46J ?mol -1?K -1，求(1) ΘD ； (2) 温度分别为30K 、50K 、100K 、700K 、1000K 时的C V ,m 值；(3) 作C V ,m 值? T 图形。 16、试根据Einstein 热容理论，证明Dulong-Petit 经验定律的正确性。 17、假设?H 及?S 与温度无关，试证明金属在熔点以上不可能发生凝固。 18、在25?C 、0.1MPa 下，金刚石和石墨的摩尔熵分别为 2.45J ?K -1?mol -1和 5.71J ?K -1?mol -1，其燃烧热分别为395.40J ?K -1?mol -1和393.51J ?K -1?mol -1，其密度分别为3.513g ?cm -3和2.26g ?cm -3，试求此时石墨→金刚石的相变驱动力。 19、已知纯钛α/β的平衡相变温度为882?C ，相变焓为14.65kJ ?mol -1，试求将βTi 冷却到800?C 时，β→α的相变驱动力。 20、除铁以外的所有纯金属的加热固态相变有由密排结构向疏排结构的转变的规律，试用热力学解释这一规律。 21、空位在金属的扩散与相变中都发挥着重要的作用，试推算在平衡状态下，纯金属中的空位浓度。

相变原理作业和答案

第一章作业： 1.奥氏体形成机理，分为几个阶段？答：1，A的形核2，A的长大3，A中残余碳化物的溶解4，A的均匀化 2.为什么亚共析钢在加热过程中也会有残余碳化物的形成？答：随着温度的升高，长大速度比n>7.5时，就会有残余碳化物产生 3影响奥氏体形成动力学的因素？（形成动力学即指形成速度）答：1，加热温度T越高A形成速度越快2，钢的原始含碳量C%越高A形成速度越快3，原始组织越细A形成速度越快4，加热速度越快A形成速度越快5，合金元素存在即减弱A形成速度。（①影响临界点，降低临界点的加速，提高的减速②影响C元素的扩散，A形成速度降低③自身扩散不易，使A形成速度降低） 4：什么是起始晶粒度，实际晶粒度，本质晶粒度和他们的决定因素。答：起始晶粒度：A转变刚完成，A晶粒边界刚一接触一瞬间的大小。影响因素：形核率和长大速度之比实际晶粒度：实际生产或实验条件下得到A晶粒的大小。影响因素：加热和保温条件。本质晶粒度：将钢加热到930℃±10℃保温3-8小时再测量A晶粒的大小，表征钢加热过程中A晶粒长大的倾向或趋势。决定因素：炼钢工艺 5影响A晶粒长大的因素：答：1，加热温度和保温时间：温度越高长大越容易，时间越长长大越充分。温度主要影响。2，加热速度：加热速度越高A转变温度越高。形核率和长大速度越高，晶粒越细小 3,含碳量：一定温度下C%越高越容易长大，超过一定C%晶粒会越细小。4，合金元素：于C 形成强或中碳化物的元素抑制长大，P,O,Mn等促进，，Ni,Si无影响。5，原始组织：原始组织越细A晶粒越细，不利于长大。第二章 1什么是珠光体片层间距？答：一片铁素体F和一片渗碳体的厚度之和，用S0表示。 2珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条件，组织形态和性能方面有哪些不同？答：分为片状P和粒状P两种。①片状P渗碳体呈片状，是由A以接近平衡的缓慢冷却条件下形成的渗碳体和F组成的片层相间的机械混合物，还可以细分为珠光体P，索氏体S和屈氏体T。性能主要取决于层片间距S0，强度和硬度随S0减小而增加，S0越小则塑性越好，过小则塑性较差。②粒状P是渗碳体呈粒状分布在连续的F基体上，可由过冷A直接分解而成，也可由片状P球化而成。还可由淬火组织回火而成，于片状P相比，硬度强度较低但塑性和韧性较好。 3片状和粒状P的转变机理。答：片状是形核长大的过程，有先共析相，（亚共析钢为F，过为Fe3C），在A晶界和相界处形核，交替长大。粒状是由片状P球化退火产生。 4亚共析钢和过共析钢的先共析相和性能特点。答：网状组织：沿A晶界呈网状分布。网状Fe3C使强度下降，脆性上升，加工性能下降块状组织（亚共析钢）：等轴块状。随铁素体增多强度硬度下降，塑性升高。晶内片状组织（魏氏组织）：针片状由晶界向晶内分布。使韧性降低。 5影响P转变动力学的因素。 ①C%对于亚共析钢随C%升高C曲线右移，对过共析钢C曲线左移2，奥氏体状态：A晶粒越大P转变速度越慢，A均匀度：越均匀P转变速度越慢3，A化温度和时间：T越高时间越长P转变速度越慢4，单向拉应力有利于A转化成P，多向拉应力不利于A转化，A状态下塑性变形有利于A转化5，合金元素的影响。

《固态相变理论》作业2

《固态相变理论》作业 2 1.试对珠光体片层间距随温度的降低而减小做出定性的解释。答：珠光体片层间距S与ΔT成反比，且 3 010 02 . 8 T S ，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，ΔT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ΔT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ΔG V不变，σS 增加，必然使相变驱动力过小，而使相变不易进行。可见，S与ΔT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. 试述粒状珠光体的形成机制。答：由铁素体和粒状碳化物组成的机械混合物。它由过共析钢经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。（1）片状渗碳体的表面积大，界面能高，球化退火时，将会自发球化。（2）与渗碳体尖角接壤处的铁素体碳浓度Cα-k大于与平面接壤处的碳浓度，在铁素体内将引起碳原子扩散，结果界面碳浓度平衡被打破，为维持碳浓度平衡，渗碳体尖角处会溶解，而平面处会向外生长，最后形成各处曲率半径相近的粒状渗碳体。（3）渗碳体片内亚晶界的存在，会产生界面张力，为保持界面张力平衡，在亚晶界处会出现沟槽。由于沟槽两侧曲率半径较小，此处渗碳体将溶解，而使曲率半径增大，破坏了界面张力的平衡，为恢复平衡，沟槽将进一步加深，直至渗碳体溶断。（4）当奥氏体化不充分时，也会以未溶颗粒状渗碳体作为形核核心，直接形成球状珠光体。 3. 分析影响珠光体转变动力学的因素。答：（1）Ｐ转变的形核率与长大速度。与温度的关系：随温度降低先增后减，550o C 达最大值。与时间的关系：I随等温时间增大而增大，随时间延长，晶界上形核位置达到饱和，Ｉ急剧下降到零；v与时间无关。（2）形核率为界面厚度，L晶粒平均直径，i=0,1,2分别表示界隅，界线，界面，Q为原子扩散激活能，v为原子振动频率。（3）形核率与长大速度与温度的关系：随温度降低先增后减，550o C达最大值与时间的关系：I随等温时间增大而增大，随时间延长，晶界上形核位置达到饱和，Ｉ急剧下降到零；v 与时间无关 4 . 试述马氏体相变的主要特征，并作简要的分析说明。答：（1）马氏体相变的无扩散性。钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。原子以切变方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。（2）表面浮凸现象和不变平面应变①表面浮凸现象，如下图 1

固态相变

作业一 2.奥氏体形核时需要过热度△T ，那么金属熔化时（S-L ）,要不要过热度，为什么？答：固态金属熔化时会出现过热度。原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生取决于液相自固态金属熔化时会出现过热。原因：自由度是否低于固相的自由度，即0<-=?S L G G G ，只有当温度高于理论结晶温度Tm 时，液态金属的自由能才能低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属。因此，金属熔化时移动要有过热度。 3.相变热力学条件是什么？答：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达到稳定状态的自发趋势。若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，则新相自由能必须低于旧相自由能。新旧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。 4.简述固态相变的主要特征。答：⑴相界面：根据界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。 ⑵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。 ⑶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。 ⑷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，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。 ⑸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。 ⑹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控制因素。 5.固态相变的阻力是哪几项？答：固态相变阻力包括界面能和应变能。这是由于发生相变时形成新界面，比容不同都需要消耗能量。（1）界面能：是指形成单位面积的界面时，系统的赫姆霍茨自由能的变化值。与大小和化学键的数目、强度有关。共格界面的化学键数目、强度没有发生大的变化，最小；半共格界面产生错配位错，化学键发生变化，次之；非共格界面化学键破坏最厉害，最大。（2）应变能 A ．错配度引起的应变能（共格应变能）共格界面由错配度引起的应变能最大；半共格界面次之，非共格界面最小。 B ．比容差引起的应变能（体积应变能）和新相的形状有关，球状由于比容差引起的应变能最大，针状次之，片状最小。 6.什么是共格界面，根据其共格性界面有哪几类？请比较它们的界面能和弹性应变能的大小。答：共格界面是指在两相界面上，原子成一一对应的完全匹配，即界面上的原子同时处于两相晶格的节点上，为相邻晶体所共有的界面。 7.综述奥氏体的主要性能。（200字以内）

知识点热力学与材料热力学部分

材料科学基础知识总结

第十一章固态相变与材料处理第一节固态相变总论一．固态相变的特点与分类固态相变时至少存在以下变化之一：晶体结构的变化；化学成分的变化；有序度的变化，如合金的有序化转变，即点阵中原子的配位发生变化相变的驱动力是新相和母相间的自由能之差驱动力靠过冷度来获得阻力: 新相晶核形成时引起的界面能和体积应变能，固态相变也符合最小自由能原理。1）固态相变的特点 1.固态相变阻力大 2.原子迁移率低 3.非均匀形核 4.新相有特定形状 5.相界面结构关系 6.存在一定的位向关系和惯习面 2）固态相变的分类 1. 按热力学分类一级相变：有体积变化，有相变潜热（放热或吸热），大多数相变属于一级相变；二级相变：二级相变时仅有材料的压缩系数、比热容、热膨胀系数变化。如磁性转变、有序转化。 2. 按动力学分类：依据原子运动特征分扩散型相变：相变时有原子长距离扩散（超过原子间距），导致成分变化，大多数相变属于扩散型；无扩散型相变：没有原子扩散，相变前后没有成分变化；（如马氏体相变） 3. 按相变方式分类：形核-长大型相变：新相与母相间有界面，大多数相变为此类；无核相变：新旧相之间无明显界面，如调幅分解。二. 相变的热力学 1）相变时自由能的变化假设在均匀母相α中形成一个半径为r的球形新相β，则系统总自由能变化量为：ΔG ΔG= Gβ-Gα Gα代表原始相（即母相）的Gibbs自由能 Gβ代表生成相（即新相）的Gibbs自由能固态相变时形成半径为r的球形晶胚所引起系统自由能的变化（ΔG）为： △G=-(4π/3)r3(△GV+△GE)+4πr2γαβ ΔGν----形成单位体积晶核时的自由能变化,常为负值； ΔGE----形成单位体积晶核时所产生的应变能； γ----晶核与基体之间交界面的单位面积界面能化学自由能使系统的总自由能降低，是相变的驱动力；而界面能和应变能是相变的阻力。相变发生的条件是系统的总自由能的下降，即△G<0 2）相变时临界形核条件

金属固态相变原理

*本答案基本根据录音整理所得，课本有的标了页码* 金色固态相变原理简答题 1．简述共析钢加热奥氏体化的过程。(P42) 答：（1）奥氏体形核奥斯体的形核是通过形核和长大完成的。奥氏体的晶核是依靠系统的能量起伏、浓度起伏和结构起伏形成的；(2 )奥氏体晶核长大奥氏体的长大过程是两个新旧界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程，驱动力为奥氏体中的碳浓度差；（3）剩余碳化物的溶解奥氏体中铁素体的溶解速度大了渗碳体的溶解速度，使渗碳体过剩而逐渐溶入奥氏体中；（4）奥氏体的均匀化继续加热或保温，借助碳原子的扩散使碳原子的分布趋于均匀。 2．马氏体相变的主要特征有哪些？(P76) 答：（1）切变共格和表面浮突现象马氏体转变时奥氏体中的原子基集体有规则的向新相中迁移，形成切变共格界面，表面产生浮突效应；（2）无扩散性仅由面心立方点阵通过切边改组为体心立方点阵，而无成分的变化；（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温度在Ms-Mf完成，但是转变不能完全进行，有一定量的残余奥氏体存在；（5）可逆性 3．什么是第一类回火脆性，避免其发生的方法有哪些？(P143) 答：在250-400°C之间出现的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低温回火脆性，也称为不可逆回火脆性。避免方法：（a）降低钢中杂质元素的含量；（b）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素以细化奥氏体晶粒；（c）加入Mo、W等能减轻第一类回火脆性的合金元素；（d）加入Cr、Si以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度；（e）采用等温淬火工艺代替淬火加回火工艺。 4．板条马氏体和片状马氏体那种会出现显微裂纹，为什么？(根据录音所得) 答：片状马氏体。显微裂纹是片状马氏体形成是产生的，先形成的第一片马氏体贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分成两个部分，而后形成的马氏体片大小受到限制，所以马氏体的大小是不同的。后形成的马氏体片不断的撞击先形成的马氏体。由于马氏体的形成速度非常快，所以相互撞击，同时还与奥氏体晶界撞击，产生较大的应力场，另外片状马氏体的含碳量比较高，不能通过滑移和孪晶等变形方式消除应力，所以片状马氏体容易出现显微裂纹。板条马氏体之间的夹角比较小，基本上是平行的，相互撞击的几率较小，残余奥氏体的存在可以缓解应力，所以板条马氏体没有出现显微裂纹。 5．什么是材料的热处理？其目的是什么？常见的热处理工艺有哪些？（根据录音所得）答：材料的热处理是通过特定的加热保温和冷却方式来获得工程上所需的组织的一种工艺过程的总称。目的：改变金属及合金的内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求。常见的热处理工艺有淬火、正火、退火和回火。 6．如何区别高碳钢中的回火马氏体与下贝氏体？（根据录音所得）答：（1）高碳钢回火马氏体表面浮突呈锥字型，它的相变是通过共格切变机制完成的。而下贝氏体的表面浮突是不平行的相交成V字形，而且它的铁素体不是通过切变共格完成的；（2）高碳钢回火马氏体中存在位错和孪晶，而下贝氏体中的铁素体中只有位错盘结没有孪晶结构存在，其韧性较好。（3）下贝氏体中碳沿着与贝氏体长轴呈50-60°倾斜的直线规则排列与相间析出相似。回火马氏体中碳在铁素体中是均匀分布的。 7．奥氏体的晶核最容易在什么地方形成？为什么？（P40）

补充2 固态相变前沿与实践

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