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）。
管外保持为纯氢气氛，有可能使管外表面的碳活度降低到最低限度。假设在碳氢气体中的碳活度是很高的，以致于在气氛中有固体颗粒碳。已知：在1127℃时，碳的扩散系数为D = 6×10-
6 cm 2/s 。试计算通碳氢气体100小时后，会有多少碳扩散到管的外面来 ? [简要解答] 该题是二维稳态扩散，可应用公式：
)
/ln(21212
r r C C D l dt dm -??-=π 现已知：l=100cm, r 1=0.8cm, r 2=1.2cm, C 2=0, t=36×104 s.
应该注意：左右两边的量纲单位要统一。已知条件中的单位要换算。
由Fe-C 相图知，1400K 时C 在奥氏体中最大固溶度为2%（质量分数）， ∴)/(15.08.7985.222
31cm g C =+= （C 的密度为2.5g/cm 3 ,Fe 的密度7.8 g/cm 3 ）
将已知条件代入公式得到：
M = 2 × 3.1416 × 100 × 6 × 10-6 × ( 0.15 / ln1.5 ) × 36 × 104 ≈ 502 (g)
答：100小时后，将有约502 g 的碳扩散到管外来。
12、有一容器，其外层是低碳钢，里层为不锈钢。里层的厚度是外层的1/100。现容器内充有氢气。已知：在试验温度下，低碳钢为α相，不锈钢为γ相；在这温度下氢气在α、γ两相界面处的重量百分浓度分别为C α=0.00028%，C γ=0.00045% ；并假设在试验温度下，D α=100 D γ。试问哪一层对阻止氢气的向外扩散起了决定性作用 ?
[简要解答] 这是两相系统中的稳态扩散问题，且该两层厚度与扩散物质H 无关。 所以有：γ
γγαααD f l D f l a a dt dm A ?+?-=?211 扩散物质的流量主要决定于具有最大D f l /?值的那个相，即这个相对扩散物质具有最大的阻力，所以在只要计算比较两个相的D f l /?值，就可以知道了。因为γαl l 100=，γαD D 100=。因为c f a ?=， 对外层低碳钢：00028
.01100100??=??=?γγαγγαααD a l C D a l D f l i i 对里层不锈钢：00045.01??=??=?γγγγγγγγD
a l C D a l D f l i i 所以，外层低碳钢/里层不锈钢 = 61.100028
.000045.000045.0100028.01
== 因此，外层低碳钢对阻止氢气的向外扩散起了决定性作用。
13、某低合金过共析钢（含0.9%C ）被加热到800℃，形成了奥氏体组织，然后被快速冷却到A 1温度以下保温，直到完全转变成珠光体组织。因为是过共析钢，所以在珠光体转
变前有自由渗碳体析出，会沿着晶界析出一层厚的渗碳体，损害钢的性能。已知：在550℃、650℃珠光体转变完成时间分别为10秒和10分钟。试计算在550℃转变的危害性大，还是650℃时转变的危害性大 ?
[简要解答] 用晶界薄膜沉淀公式，在两温度下比较它们的2l 的值：
22221211222212112221)()()()(600s 650
10s 550(t W D t W D t x D t x D l l ????=????=）℃，（）℃， 取)RT /148000exp(372.0-=D 公式计算D 值。由Fe-C 相图查得：650℃时，%6.0/=cem W γ；550℃时，%4.0/=cem W γ。
∴ 096.0923314.8148000e x p 372.0823314.8148000e x p 372.021=??
? ???-??? ???-=D D , ()92560.090.040.090.0/221=??? ??--=??W W ∴ 200160010925096.022
21≈??=l l 由此可知：650℃时转变要比550℃时转变危害性大。
14、一种没有合金化的具有粗大片状石墨的灰口铸铁，以相当缓慢的冷却速率通过A 1温度。发现其组织特点为：金属基体相主要是珠光体，但是每一片石墨都被一层先共析铁素体包围。假设通过试验已经知道，需要作为珠光体形核核心的渗碳体，直到710℃还不可能形成，另一方面，铁素体却很容易形核，如果冷却速率为1K / min 。取C 的扩散系数为： D α
=0.02exp(–Q / RT)， Q=83600 J / mol 。计算一下会形成多厚的铁素体层。作为近似计算，可认为是在中间温度区间的一个等温反应过程。如果是球状石墨周围形成了所谓的牛眼状铁素体（如题14图），在放大500倍条件下，经测量铁素体平均厚度为6.5mm ,在以上条件下，试估算其冷却速率。
题14图 铸态球铁珠光体+铁素体+球状石墨（500X ）
[简要解答] 用新相在原两旧相间形成长大（书2.30式），根据题目改变符号有：
l
x x x D dt dl ?-??-=)(αγγα
αα
∴ t x x x D l ?-??=)(22
αγγα
α ， 等温温度T 取（723+710）/2 = 717；因为速度V 为1K / min ，所以等温时间t = ΔT/V = (723-710) / 1 = 13min 。取：αx ?=0.025,γx =0.85,αγx =0.025。这里分子、分母都有浓度，所
以可直接用质量分数代入就可。经计算D α = 0.74×10-6 cm 2/s 。将有关数据代入公式得：
6013025.085.0025.01074.0262
??-???=-l ，∴cm l 0059.0= 对于如图所示的牛眼状铁素体，经测量牛眼状铁素体环形厚度为6.5mm ,放大500倍，所以实际厚为0.013mm 。求冷却速率，先需求得时间t 。（图的倍数已不正确了）
025
.01074.020013.0)025.085.0(62
????-=-t ，t = 37.7s ∴ V = ΔT / t = 13 / 37.7 = 0.345 K / s = 20.7 K / min
如采用原题片状铁素体的条件，采用球状长大相公式，求平均扩散距离R 2 ：
6/166/12025.01025.060131074.022??? ??-?????=???? ??-??=-αβααx x x t D R
R 2 = 0.0125cm (边界条件并不很吻合，因为C 原子同时向石墨和奥氏体中扩散) 根据照片设球形石墨的平均半径与牛眼状铁素体环形厚度相当，牛眼状铁素体环形厚度=R 2 – r(部分球形石墨)= 0.0125 - 0.0059 = 0.0066cm
15、为避免镍和钽直接反应，在镍和钽片中间插入一层厚0.05cm 的MgO ，如题15图所示。在1400℃时，Ni 离子将通过MgO 层向钽片扩散，试计算Ni 离子每秒的扩散量。
已知Ni 离子在MgO 中的扩散系数为9×10-12 cm 2 / s ，在1400℃时，Ni 的点阵常数是
3.6×10-8 cm 。
题15图 镍通过MgO 层的扩散偶
[简要解答] 在Ni/MgO 界面上，Ni 为100%，或：
322381057.8)106.3(4)/(cm atom s cm unitcell atom s
Ni
MgO Ni C ?=?=- 在Ta/MgO 界面上，Ni 为0%，这样，浓度梯度就可得到：
cm cm atoms cm cm atoms x
c ??-=?-=??3243221071.105.01057.80
Ni 原子通过MgO 层的扩散流量为：
133242121054.11071.1)/109(?=??? ?
???-?=??-=-cm cm atoms s cm x c D J [Ni 原子/（cm 2〃s ）] Ni 原子在每秒通过2cm ×2cm 界面的总量为：
132131016.6)2)(2(1054.1?=??? ?
???=cm cm s cm atoms J （Ni 原子/ s ） Ni 原子从Ni/MgO 界面上每秒离开的量：s cm /1072.010
57.81016.6392213
-?=?? 或Ni 层厚度的每秒减少的量：s cm cm
s cm /108.14/1072.01039--?=? 如10-
4 cm 的Ni 层要扩散消失，需时间为： h s s
cm cm 154556000/108.110104==?--
16、直径3cm 、长10cm 管子，一端装有浓度为0.5×1020atoms/cm 3的氮（N ）和0.5×1020atoms/cm 3的氢（H ），另一端装有1.0×1018atoms/cm 3的氮和1.0×1018atoms/cm 3的氢，中间用一体心立方结构的铁膜片隔开，如题16图所示。气体不断地引入这管子以保证氮和氢的浓度为常数。整个系统都是在700℃下进行。系统设计要求每小时扩散通过该膜片的氮不超过1%，而允许90%的氢通过该膜片。试设计该膜片的厚度。已知：在700℃的体心立方晶体铁中，N 原子的扩散系数D=3.64×10- 7 cm 2/s ，氢原子的扩散系数D=1.86×10-
4 cm 2/s 。
题16图 铁膜片设计示意图
[简要解答] 容器中N 原子的总量为：
（0.5 × 1020 N/cm 3）( π / 4)( 3cm )2 ( 10cm ) = 35.343 × 1020 N 原子
系统损失N 的最大量为1% ，每小时损失的N 原子为：
（0.01）( 35.343×1020 ) = 35.343×1018 N 原子/ h =0.0098×1018 N 原子/s
所以其扩散流量：
182181000139.0)
3()4/()/(100098.0?=??=cm s Natoms J π [N 原子/(cm 2〃s)] N 原子在700℃在体心立方晶体中的扩散系数经计算为：D=3.64×10-7 cm 2/s ∴181000139.0?=??
? ????-=x c D J [N 原子/cm 3 ] ()()[]
cm J c D x 0128.01000139.010*********.318
18
187=??-??-=?-=?- (最小的厚度) 允许90%的氢通过的最大厚度，用同样的方法可得到。每小时氢的损失W ：
W = 0.90 × 35.343 × 1020 = 31.80 × 1020 , 每秒氢的损失为0.0088×1020 .
J = 0.125 × 1018 [H 原子/（cm 2〃s ）]
已知氢原子的扩散系数D=1.86×10-4 cm 2/s ，所以 ()()
cm J c D x 0729.010
125.010491086.11818
4=???=?-=?- (最大的厚度) 因此，管的厚度在0.0128cm ~ 0.0729cm 之间是安全的。
17、设计一厚度为2cm 储存氢气的球罐。要求每年由于扩散损失的氢气小于50kg ，球罐的温度保持在500℃。球罐可用镍、铝、铜、铁金属来制造，氢气在这些金属中的扩散参数和用镍、铝、铜、铁金属来制造球罐的成本如表所示。
[答案要点] 分析：不同材料的扩散系数不同，在相同情况下，H 2的损失也不同。题意为从性能、成本方面选择设计的储存H 2的球罐。以每年50kg H 2为准，计算各材料球罐的体积，由材料密度和成本单价来计算比较球罐的总费用，来决定选择什么材料制造。 计算数据的准备：各材料的密度：ρNi = 8.90 g/cm 3 ; ρAl = 2.70 g/cm 3； ρCu = 8.92 g/cm 3； ρFe =7.86 g/cm 3 。各材料的扩散系数：D Ni =1.68×10-5 cm 2/s ; D Al =1.91×10-
4 cm 2/s ； D Cu =2.45×10-
5 cm 2/s ； D Fe =1.15×10-
4 cm 2/s 。球罐的体积：V=4/3·π（r 23 - r 13）,V =4/3·π(r 2-r 1)(4+3r 1r 2)。经查有关图，H 2在铁中的固溶度（500℃，质量百分数）为0.00015% 。成本单价中“lb”换算成kg ，lb = 0.454kg ，用符号f 来表示。所以，f Ni = 9.03 $ / kg , f Al = 1.32 $ / kg , f Cu = 2.42 $ / kg , f Fe = 0.33 $ / kg 。
近似设H 2在各材料中的最大固溶度C 都相同，为计算方便，量纲换算成g/cm 3 .
341/10117.086
.799985.990899.000015.000015.0cm g C -?=+= （0.0899为H 的密度） 首先计算Fe 球罐的费用F Fe ，根据稳态扩散的球壳公式，可得到:
t r r r r DC m ???-=)(4211
21π （这里，C 2为0） 代入有关数据，注意单位、量纲的统一。可得：
)(236524360010117.01015.14105021443
r r ????????=?--π 量纲分析：232)/()/(cm cm
s cm g s cm g ???= ∴ 22111.187542)(cm r r Fe = 因为球罐体积)34)((342112r r r r V +-=π，f
F M V ?==ρρ1 ，F 为总费用。所以： 34)(434)(4121221-??-=--=
f r r F r r V r r ρππ ， （其中，cm r r 212=-） ∴100033.086.724)3411.187542()(434)(1221????+=??-???? ??
+
=πρπFe Fe Fe Fe f r r r r F ∴ 8.12225=Fe F $
因为每年都损失50kg 的H 2 ，其他材料以铁为标准，或单独计算。经比较：
694.410
45.21015.1)()(54
2121=??==--Cu Fe Fe Cu D D r r r r ，∴ 11.187542694.4)(21?=Cu r r ∴477599=Cu F $
同理，可计算得到：10113=Al F $ ；2591038=Ni F $
所以，根据计算比较：Ni F > Cu F > Fe F > Al F 。
但铝(Al)的熔点约为660 ℃，铝合金的固溶温度一般在500 ℃左右，因为题意要求球罐保持在500 ℃下工作，铝罐的性能不能保证，故淘汰铝罐。
所以，根据性能和成本综合考虑，用铁制造球罐是最好的，实际上是钢制球罐。
18、一共析碳素钢在A 1温度于湿氢中进行脱碳处理，在钢的表面会形成一铁素体层。
该铁素体层将以一定速率增厚，增厚的速度由通过表面铁素体层的碳扩散速率来控制的。取扩散系数D α = 3.6×10-
7 cm 2/s 。试分别用稳态近似法和Wagner 方法计算，表面铁素体层长到1mm 厚需要多长时间 ?
[简要解答] 设共析含C 量为0.78(质量分数)，A 1=723℃。
Wagner 方法：)(11
11βf C C C C S ***
-=- ，∴ )(022.078.0022.0βf -=- 29.0)(=βf ，∴ 12.0=β
t D l ?=αβ2 ，∴t ???=-7106.312.021.0 ，t = 133.9 h
稳态近似法：用Fick 第一定律的近似公式求解：
t x x x D l ?-??=αγγααα22
，∴ h t 9.132022.0106.32)022.078.0(1.072=???-?=- 在这种情况下两者的计算方法所得结果是相近的。
19、含有0.3%C 和1%Al 的钢，淬火后进行回火，然后在550℃氮化处理25小时。如果氮在α-Fe 中的溶解度为T N /1580009.1)ln(%--=。问氮化层有多厚 ?
[简要解答] 氮化后钢的表层组织是含有许多AlN 颗粒的铁素体。Al 和N 结合力很强，形成AlN ，所以可由Al 含量估算出N 量。N 在α-Fe 中的溶解度取决于气体中N 的活度，
近似用sol N x 表示。渗入的N 只有通过氮化层在与α相的界面处发生反应而不断生成AlN ，使氮化层增厚。反应过程如题19图所示。
题19图 氮化过程界面处反应情况示意
氮在α-Fe 中溶解度（550℃）：823
1580009.1)ln(%--=N ，%N = 0.402 。 基本上是属于稳态扩散问题，经质量平衡原理可得到：t K l ?=2)(β
Al sol N N N n N x x D x x D K ?=??=αββα22, 或14272??=Al
sol N N W W D K α （质量分数） 式中，Al W 和sol
N W 分别为Al 和N 在钢中的含量，Al 原子量27，N 原子量14。
经查附表6有关数据有：??
? ???-?=RT D N 183.418300exp 0047.0α， 计算得s cm D N /1051.628-?=α 。
36002514271402.01051.62)(82
??????=-βl ∴ cm l
0953.0=β ，氮化层大约有1mm 厚
20、在缓慢冷却过程中，亚共析钢中已产生了铁素体和珠光体交替隔开的带状组织，为消除这种带状组织，需要进行扩散退火。由实验知，厚度为25mm 的钢板在900℃进行扩散处理，大约两天就够了。如果把这种钢板进一步轧制成5mm 厚的钢板，并在1200℃进行扩散，问：需要处理多长时间才能得到与前面同样的效果 ? 假设Q=20000R 。
[简要解答] 该问题就是使轧制后的振幅降为原来的1/5。达到同样的效果，则：
???
? ?
?-=???? ??-=2222202111204exp 4exp l t D A l t D A A t ππ ∴ ?????
? ?????? ???--=?????? ??????? ???-?-212022102)5/(1473exp 4exp 3600481173exp 4exp l t R Q D l R Q D ππ ??
? ???-?=1727829300exp 69122R Q t s ,假设Q=20000R ，则：t = 215 s 仅需要处理215秒时间就能得到与前面同样的效果。
21、碳素钢的魏氏组织是在较快冷却速度下得到的组织。但是这种组织首先是在含有10%Ni 的陨石中发现的，陨石中片状组织的厚度可达到5mm ，估算一下陨石必须具有多快的冷却速度，才能形成这种组织 ? 计算时使用以下数据：如碳素钢以100K/s 的冷速，可以得到2m μ厚度的铁素体。
[简要解答] 简单地估计，设两种情况的扩散系数是相同的，铁素体的厚度是和冷却速度成反比的，即冷却速度越慢，则铁素体越长大，厚度也越厚。厚度与时间是平方的关系，即 2
l ∝ t 。所以：
222211V l l V = ，00315.0/10)5.0(100)102(1022
41==??=--s K V K/年 非常缓慢的，难以使人相信。
22、在银的表面已经沉积了一层银的放射性元素，然后将整个系统进行退火，放射性元素将要扩散进入内部。为了使深度为L 的地方得到最高的放射性元素，必须中止退火工艺。如在试样表面沉积了m 居里/cm 2的放射性元素，计算在L 处的最高浓度是多少 ?
[简要解答] 这是高斯解的问题，S = 2m 居里/cm 2 ，所以，方程式为：
???? ??-=Dt y Dt m
C 4exp 422π 对上式求导，并令dt dC 为0 ，可得到 ：D
l t l 22
= ， 代入方程得：e l m l l l m C
l ?=???
? ??-??=ππ22exp 22222max
23、在奥氏体中硼（B ）的含量对钢的淬透性有很大的影响，即使只有0.001%的含量，对奥氏体转变还有明显的作用。假定在钢的表面涂了一层硼，其量为1mg/cm 2。把钢加热到900℃，保温15分钟进行奥氏体化，这时硼要向里面扩散。已知：硼的密度为2.34g/cm 3, 硼在γ-Fe 中的扩散系数尚未测定，假设硼是碳在γ-Fe 中扩散系数的1/10，设碳在γ-Fe 中扩散系数为D γ = D 0exp(–Q/RT)，其中D 0 = 0.372 cm 2/s ，Q=148000 J/mol 。问硼对奥氏体转变发生影响的表面层有多厚 ?
[简要解答] 根据题意，应用高斯解，求含0.001%B 的深度。t=15×60=900 s 高斯解：???? ??-=Dt y Dt S
C 4exp 42π s cm
D D C B /1011173314.8148000exp 372.01.010/28-?≈??
? ???-??==γγ 浓度单位需要换算：35/108.78
.7/999.9934.2/001.0001.0cm g C -?=+= 将数据代入公式：900104exp 900
104102108.782
83
5??-???=?----y π ∴ y = 0.019cm = 0.19mm
24、通过把一块相当薄的A 板夹在两块厚的B 板中热轧，制成一种复合板。如果在A 板表面染上了一种物质C ，因此，在复合板以后的退火工艺中，C 物质将扩散进入A 和B 板复合板。设C 物质在A 和B 板中有相同的溶解度与扩散系数。试计算：在什么时候在A 层中心将会得到最高的C 含量 ?这个数值有多高 ?
[简要解答] 根据题意，应采用两个高斯解函数，并设臵如题24图的坐标。
??
???????? ??--+???? ??-=Dt d y Dt y Dt S C 4)2(exp 4exp 42
2π
题24图 浓度分布及系统坐标
在y=d 时，其浓度为：
???? ??-=?????????? ??--+???? ??-=Dt d Dt S
Dt d Dt d Dt S C 4exp 424exp 4exp 422
2ππ 根据题意，要求得A 层中心获得最高C 含量的时间t ，及最高C 含量的值。
对上式求导，并令其导数为0，可得：
D d t 22= ，将其代入方程得：π
??=e d S C 2max
25、含0.5%C 的碳素钢不幸在750℃脱碳了，因此在钢的表面形成了一层铁素体，经测定，它的厚度为0.1mm 。如将此材料在保护气氛中加热到1000℃进行热处理，碳将会由内向外表面扩散。为了使表面的碳含量达到0.2%，问需要热处理多长时间 ?
已知:D γ
= 0.372exp(–148000/RT) cm 2/s [简要解答] 1000℃，样品处于奥氏体状态。根据题意，应该用两个误差解。设：
Dt h
y Cerf Dt h
y Berf A C 44-+++=
近似设脱碳层中的碳含量为0，脱C 层厚为h ，如图。初始条件和边界条件为： t = 0, y<-h , 0.5=A -B -C ； t = 0, -h
????
-++-=Dt h y erf Dt h y erf C 44225.0 （该式也可以直接引用） 现在要求y=0处，当C=0.2%时，所需要的时间t = ? . 代入数据：??????
-=Dt h
erf 415.02.0 ，∴ 查表得：595.04=Dt h ∴ 8.322810
31.04595.001.0622
'==???=-s t
该题也可用正弦解方法来求解，但计算结果有差别。
26、含0.85%C 的钢制模具在空气炉中加热到900℃，保温1小时，模具表面脱碳后的表面浓度为0%。模具技术条件要求模具表面最低含碳量为0.80%C 。已知在900℃时碳的扩散系数为)/exp(0RT Q D D -=,0D =0.21cm 2/s ,Q =142×103 J/mol 。试计算热处理后模具的最小切削余量。
[简要解答] 可直接采用脱碳公式来计算。
???
? ??=Dt x erf C C 40 这里，C 0 为0.85% ，C 为0.80 ，t = 3600s , 经计算D=0.94×10-
7 cm 2/ s 。 ???
? ?????=-36001094.0485.08.07x erf ，x=0.0493cm 热处理后模具的最小切削余量0.5mm 。
27、用一层薄的奥氏体不锈钢和一层厚的结构钢轧制在一起，制造复合钢板。在热轧时结构钢中的碳将会向不锈钢中扩散，因而有可能在不锈钢晶界上发生碳化铬的沉淀，从而影响复合板的性能。如果热轧本身是很快的，而后的冷却过程却很慢，假设相当于在850℃等温处理30分钟，试计算一下这种危害有多大 ? 假定轧制后的不锈钢厚度为0.1mm ，原来的碳量为0.03%，结构钢的碳量为0.4%。假定在不锈钢外表面层中的碳量达到0.1%时将会发生危险。同时还假定在两种钢的奥氏体中的碳活度系数相同（当然不是很好的近似）。已知：D γ
= D 0exp(–Q/RT)，其中D 0 = 0.372 cm 2/s ，Q=148×103 J/mol 。如果要使不锈钢的含C 量控制在0.1以下，工艺措施上如何改进?
[简要解答] 画出浓度分布示意图，如题27图所示。设轧制后界面是冶金结合的。
题27图 复合钢板在不锈钢中的浓度分布
可用两个误差函数解，一般式为：
Dt h
y Cerf Dt h
y Berf A C 44-+++= 扩散时间比较短时，可近似设14→Dt d
erf 。求A 、B 、C 常数：
初始条件：y=0, -0.005 < y < 0.005时：A + B – C = 0.03
边界条件：t = t ，y = - 0.005 , A – C = 0.4；t = t ，y = 0.005， A + B = 0.4
所以：A = 0.77，B = - 0.37，C = 0.37
∴ ??????
--+-=Dt h y erf Dt
h y erf C 4437.077.0 计算可得D （850℃）= 4.86 × 10-8 cm 2 / s , h = 0.005cm ，t = 1800 s 。
要计算：当y=0时，C=? ，将有关数据代入：
18001086.44005
.074.077.0474.077.08???-=-=-erf Dt h
erf C
∴ C = 0.77 - 0.74 × 0.297 = 0.55 ,实际情况最高为0.40，说明原工艺是危险的。 如果要使不锈钢的含C 量控制在0.1以下，工艺措施上如何改进?
t erf ???-=-81086.44005
.074.077.01.0
计算可得：t=92s 。即在850℃时停留的时间只能在92秒之内。
28、18-8型奥氏体不锈钢如果被加热到一临界温度范围内，则对晶界腐蚀很敏感。在热处理过程中，碳化铬（主要是Cr 23C 6型）会在晶界上沉淀析出，沿着晶界产生一层贫铬的奥氏体，从而失去了耐蚀性。
1）假设：在≤12%Cr 时，不锈钢的耐蚀性就消失；热处理过程为在600℃保温10分钟；在600℃时立即形成碳化铬核心，而且吸收铬是非常有效，以致在碳化铬和奥氏体界面
上的铬全部消失；碳化铬的厚度可忽略。已知：铬在600℃时在奥氏体中的扩散系数为γCr D =
5×10-17 cm 2/s ，试计算贫铬层的厚度 ?
2）假设该不锈钢经600℃保温10分钟的处理后，碳化铬析出已经稳定，即以后不再析出碳化铬了。如果要消除这已经产生的晶界贫铬层，需要在这温度下保温多长时间 ?
[简要解答]
(1) 根据题意，类似于表面脱碳情况，可用误差解。设一般表达式为：
Dt y
Berf A C 4+=
初始条件：C(y,0) = A + B erf (∞) = A + B = 18
边界条件：C(0,t) = A + B erf (0) = A = 0 (当t ≠ 0 ，y = 0时)
∴ Dt y
erf C 418= 。当y=l 时，C=12, ∴Dt y
erf 41812=
∴ nm cm l 86.2106.286010105469.0817=?=?????=--
因为只计算了晶界的半边，所以实际晶界贫化区厚度为5.72nm
(2) 近似地简化晶界处贫化区的浓度分布，如图。用两个误差解，由边界条件有：
Dt h
y erf Dt h
y erf C 494918-++-=
现在要求，当y = 0，C = 12时，t = ? 。这里的h 即是上面求得的2.86nm. 代入数据：6.52315610
543.0)106.28(413.01722
822'==????=?=--s D h t 所以在600℃保温10分钟后，晶界上的贫化区厚度为5.72nm ；为消除这贫化区，需要在600℃保温继续保温1小时左右即可消除。
该题（2）也可用正弦解，这种情况用误差解的误差是比较大的。
29、假定有一含0.2%C 的碳素钢，其中C 主要存在于宽度为10微米（m μ）的带状珠光体组织中。有人企图直接用高频感应加热淬火方法来硬化表面，假设高频感应加热淬火温度为1000℃，时间为1秒。为了使奥氏体中碳含量的变化范围控制在±0.01%C ，估算一下这样的加热是否足够 ?
[简要解答] 假设在1000℃高频感应加热条件下，奥氏体形核非常快。可应用正弦解方法估算。含C 量均为质量分数，C 0为0.2% , C max 为7.14%（渗碳体中含C 量，12/（56×3）, C min 设为0 ，l 为0.001cm 。扩散系数D 采用D=0.372×exp(-148000 / RT) (cm 2/s)，计算得D = 3.1 × 10-7
cm 2 / s 。 利用振幅公式：???
? ???-=2204exp l Dt A A t π
∴ ???
? ?????-?=-272001.0101.34exp 214.701.0t π ，t = 0.48 s 高频感应加热淬火1000℃×1秒，可使奥氏体中碳含量变化范围控制在±0.01%C 。
30、某试样原来不含B 元素，在其表面涂了一层B 元素，其量为M g /cm 2。然后在合适的温度下保温t 时间。试写出浓度分布式C( y , t )。为了使深度为L 的地方获得最高的B 元素含量，必须保温合适的时间。试求：在L 处获得最高浓度所需的时间是多少? L 处的最高浓度值是多少?
[简要解答] 根据题意，其边界条件适用高斯大解。表面量为M g /cm 2 ，在实际应用公
式时应为2M 。浓度分布式C( y , t )为：???? ??-?=Dt y Dt M
C 4exp 422π 对上式求导，并令其为0 ，即
044exp 424exp 2114222
22=????
? ??-?+???? ??-???? ??-?=Dt y Dt y Dt M Dt y t Dt M dt dC ππ
当l y =时，可得到 ：D
l t l 22
= ， 代入方程得：e
l M l l l M C
l ?=???? ??-??=ππ22exp 22222max
31、有一块含30%Zn 的黄铜，其成分分布不均匀,在宽度为0.03mm 的平行带中的Zn 含量为40%。设平行带是等距离分布的，在平行带中间的Zn 含量为29%，如题31图所示。为了使其成分均匀，加热到815℃退火，退火后允许Zn 含量的最大偏差为±0.01%，问需要退火多长时间 ?已知：在815℃时，Zn 的扩散系数为D Zn = 6.86×10-10 cm 2/s 。
[简要解答] 根据图中所示的Zn 在黄铜中的不均匀性分布情况，较适宜采用正弦解。 由几何关系，先需要计算出波长l ：
因为L （30-29）= 0.003(40-29) ，所以L=0.033cm ，实际扩散距离为l =L/2=0.0165cm 。 根据对称的方波基波振幅表达式可计算出基波的振幅。
题31图 Zn 在黄铜中的不均匀分布（平均成分为30%Zn ）
∵ )s i n (20g n n C A n ππ??=，其中g =00C C m ??=29402930--=11
1 ∴ %97.1294011sin 1)2940(2)0(1=??
? ??-????-?==ππt A 其基波的振幅将随时间而衰减，即：
???
? ??-?==22114exp )0()(l Dt t A t A π
???
? ?????-=-21020165.01086.64exp 97.101.0t π ∴ =t 0.5308×105 s ≈ 14.7h
计算结果：要达到退火后偏离平均成分最大偏差为0.01%Zn ，需要退火15小时左右。
32、一奥氏体不锈钢试样在1000℃进行热处理，不幸在开始1.5分钟内，保护气氛失效，
天津大学2008～2009学年第二学期期末考试试卷《合金固态相变》B卷 答案
天津大学2008～2009学年第二学期期末考试试卷《合金固态相变》B卷答案 一、名称解释(10分，每题2分) 1. 回火马氏体:淬火钢在低温回火时得到的组织。 2. 回火脆性:随回火温度升高，一般是钢的强度、硬度降低，塑性升高，但冲击韧性不一定总是随回火温度升高而升高，有些钢在某些温度回火时，韧性反而显著下降的现象。 3. 二次硬化现象:当M中K形成元素含量足够多时，500°C以上回火会析出合金碳化物，细小的弥散分布的合金K将使已经因回火温度升高而下降的硬度重新升高，故称二次硬化。 4. 晶粒度:设n为放大100倍时每645mm2(lin2)面积内的晶粒数，则下式中的N被用来表示晶粒大小的级别，被称为晶粒度。N=2N-1 5. 形状记忆效应:将某些金属材料进行变形后加热到某一特定温度以上时，能自动恢复原来形状的效应。 二、填空：(20分，每空0.5分) 1. M转变的切变模型有Bain模型，K-S模型，G-T模型。 2．奥氏体转变的四个阶段是A形核，A长大，渗碳体溶解，A均匀化。 3．固相界面根据其共格性有共格界面，半共格界面，非共格界面，其中非共格界面的弹性应变能最小。 4．A转变时，转变温度与临界点A1之差称为过热度，它随加热速度的增大而增大。5．奥氏体是碳溶于γ－铁固溶体，碳原子位于八面体中心位置，钢中马氏体是 碳在α铁中的过饱和固溶体，具有体心立方点阵 6．影响钢的Ms点的最主要因素是碳含量，Ms随碳含量升高而降低。 7．一般退火采取的冷却方式为炉冷，正火的冷却方式为空冷，正火后强度略高于于退火后的强度，组织更细小。 8．M回火加热时，回火转变过程依次为M中碳原子的偏聚和聚集，M的分解，残余A分解，碳化物类型变化，a相回复与再结晶。 9．时效硬化机制有内应变强化，切过颗粒强化，绕过析出相（Orowan机制）。 10．高碳钢为了改善其切削加工性能，淬火后进行高温回火，工业中也称为派登处理。11．马氏体转变时K-S关系是指｛110｝α’|| ｛111｝γ(晶面关系)，﹤111﹥α’|| ﹤110﹥γ(晶向关系)。 12.常用的淬火介质中，淬火时伴随有物态变化的介质有：水，水溶液（油）等；没有物态变化的介质有熔盐，碱（熔融金属）等。 三、选择(20分，每题1分) 1.亚共析钢在AC3下加热后的转变产物为__c_。 (a) F (b) A (c) F+A (d) P+F 2. 由于形成F与Fe3C的二相平衡时，体系自由能最低，所以A只要在A1下保持足够长时间，就会得到__c__的二相混合物P。 (a)A+P (b)A+Fe3C (c)F+Fe3C (d)A+F 3．合金时效时随时间的延长硬度发生下降是发生了_b__。 (a) 冷时效(b) 过时效(c) 温时效(d) 自然时效 4．选出过冷奥氏体向贝氏体转变时的相变阻力__b,c_ (a)新相和母相的自由能差(b)两相间的表面能(c)弹性应变能(d)塑性应变能 5．亚共析钢的先共析铁素体是在__d__以上向奥氏体转变的。 (a) AC1 (b) T0 (c) A1 (d) AC3
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固态相变原理考试试题 一、(20分) 1、试对固态相变的相变阻力进行分析 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。 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。为表面张力， 为偏摩尔自由能，为由于界面面积改变而引起的晶粒内部自由能变化 （1）共格界面的化学键数目、强度没有发生大的变化，σ最小；半共格界面产生错配位错，化学键发生变化，σ次之；非共格界面化学键破坏最厉害，σ最大。 （2）应变能 ①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。 ②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。 2、分析晶体缺陷对固态相变中新相形核的作用 固相中存在各种晶体缺陷，如空位、位错、层错、晶界等，如果在晶体缺陷处形核，随着核的形成，缺陷将消失，缺陷的能量将给出一供形核需要，使临界形核功下降，故缺陷促进形核。 （1）空位：过饱和空位聚集，崩塌形成位错，能量释放而促进形核，空位有利于扩散，有利于形核。 （2）位错： ①形成新相，位错线消失，会释放能量，促进形核 ②位错线不消失，依附在界面上，变成半共格界面，减少应变能。 ③位错线附近溶质原子易偏聚，形成浓度起伏，利于形核。 ④位错是快速扩散的通道。 ⑤位错分解为不全位错和层错，有利于形核。 Aaromon总结： 刃型位错比螺型位错更利于形核；较大柏氏矢量的位错更容易形核；位错可缠绕，割阶处形核；单独位错比亚晶界上位错易于形核；位错影响形核，易在某些惯习面上形成。 （3）晶界：晶界上易形核，减小晶界面积，降低形核界面能 二、(20分) 已知调幅分解浓度波动方程为： ，其中： 1、试分析发生调幅分解的条件 只有当R（λ）＞0，振幅才能随时间的增长而增加，即发生调幅分解，要使R（λ）＞0，得G”＜0且| G”|＞2η2Y+8π2k/λ2 令R（λ）=0得λc—临界波长，则λ＜λc时，偏聚团间距小，梯度项8π2k/λ2很大，R（λ）＞0，不能发生；λ＞λc时，随着波长增加，8π2k/λ2下降，易满足| G”|＞2η2Y+8π2k/λ2，可忽略梯度项，调幅分解能发生。 2、说明调幅分解的化学拐点和共格拐点,并画出化学拐点、共格拐点和平衡成分点在温度——成分坐标中的变化轨迹 化学拐点：当G”=0时。即为调幅分解的化学拐点； 共格拐点：当G”+2η2Y=0时为共格拐点，与化学拐点相比共格拐点的浓度范围变窄了，温度范围也降低了。 3、请说明调幅分解与形核长大型相变的区别
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
(完整版)金属固态相变原理考试复习思考题
复习思考题 1.复习思考题 1．固态相变和液－固相变有何异同点？ 相同点：（1）都需要相变驱动力（2）都存在相变阻力（3）都是系统自组织的过程 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。 2．金属固态相变有那些主要特征？ 相界面；位向关系与惯习面；弹性应变能；过渡相的形成；晶体缺陷的影响；原子的扩散。 3. 说明固态相变的驱动力和阻力？ 在固态相变中，由于新旧相比容差和晶体位向的差异，这些差异产生在一个新旧相有机结合的弹性的固体介质中，在核胚及周围区域内产生弹性应力场，该应力场包含的能量就是相变的新阻力—畸变自由焓△G畸。则有： △G = △G 相变+△G界面+△G畸 式中△G 相变一项为相变驱动力。它是新旧相自由焓之差。 当：△G 相变=G 新 -G 旧 <0 △G 相变小于零,相变将自发地进行 (△G界面+△G畸)两项之和为相变阻力。 (1)界面能△G界面 界面能σ由结构界面能σst和化学界面能σch组成。即：σ=σst+σch 结构界面能是由于界面处的原子键合被切断或被削弱，引起了势能的升高，形成的界面能。 （2）畸变能阻力—△G畸 4．为什么在金属固态相变过程中有时出现过渡相？ 过渡相的形成有利于降低相变阻力， 5. 晶体缺陷对固态相变有何影响？ 晶核在晶体缺陷处形核时，缺陷能将贡献给形核功，因此，晶体通过自组织功能在晶体缺陷处优先性核。 晶体缺陷对形核的催化作用体现在： （1）母相界面有现成的一部分，因而只需部分重建。 （2）原缺陷能将贡献给形核功，使形核功减小。 （3）界面处的扩散比晶内快的多。 （4）相变引起的应变能可较快的通过晶界流变而松弛。 （5）溶质原子易于偏聚在晶界处，有利于提高形核率。 6．扩散型相变和无扩散型相变各有那些特征？ （1）扩散型相变 原子迁移造成原有原子邻居关系的破坏，在相变时，新旧相界面处，在化学位差驱动下，旧相原子单个而无序的，统计式的越过相界面进入新相，在新相中原子打乱重排，新旧相排列顺序不同，界面不断向旧相推移，此称为界面热激活迁移，是扩散激活能与温度的函数。 新相与母相的化学成分不同。 （2）无扩散型相变 相变的界面推移速度与原子的热激活跃迁因素无关。界面处母相一侧的原子不是单个而无序的，统计式的越过相界面进入新相，而是集体定向的协同位移。界面在推移的过程中保持宫格关系。 新相与母相的结构不同，化学成分相同态相变具有形核阶段？ 固态相变分为有核相变与无核相变，大多数固态相变都是有核相变， 8．为什么金属固态相变复杂多样？ 见4页。 9．晶粒长大的驱动力?晶粒长大时界面移动方向与晶核长大时的界面移动方向有何不同？为什么？ 晶粒长大的驱动力：界面能或晶界能的降低。晶粒长大时界面移动方向与曲率中心相同，晶核长大时的界面移动方向与曲率中心相反。 10．什么是自组织？自组织的条件是什么？ 如果系统在获得其空间结构，时间结构过程中没有特定的外界干预，而是一个自发的组织化，有序化，系统化的过程，称自组织。其条件是：（1）开放系统（2）远离平衡态（3）随机涨落（4）非线性相互作用
固态相变考试题
一、名称解释(10分，每题2分) 1．回火马氏体 答：淬火钢在低温回火时得到的组织。 2．回火脆性 答：随回火温度升高，一般是钢的强度、硬度降低，塑性升高，但冲击韧性不一定总是随回火温度升高而升高，有些钢在某些温度回火时，韧性反而显著下降的现象。 3．组织遗传 答：合金钢构件在热处理时，常出现由于锻压、轧制、铸造、焊接等工艺而形成的原始有序粗晶组织。这些非平衡的粗晶有序组织（马氏体、贝氏体、魏氏组织等）在一定加热条件下所形成的奥氏体晶粒继承或恢复原始粗大晶粒的现象，称为组织遗传。 4．时效 答：过饱和的固溶体在室温放置或加热到一定温度下保持一段时间，使得溶质原子在固溶体点阵中的一定区域内析出、聚集、形成新相，引起合金的组织和性能的变化称为时效。5．形状记忆效应 答：将某些金属材料进行变形后加热到某一特定温度以上时，能自动回复到原来的形状的效应。 6. 二次硬化现象 当M中K形成元素含量足够多时，500°C以上回火会析出合金碳化物，细小的弥散分布的合金K将使已经因回火温度升高而下降的硬度重新升高，故称二次硬化。 7. 晶粒度 设n为放大100倍时每645mm2(lin2)面积内的晶粒数，则下式中的N被用来表示晶粒大小的级别，被称为晶粒度。N=2N-1 二、填空：(20分，每空0.5分) 1. 马氏体转变时K-S关系是指｛110｝α’ || ｛111｝γ(晶面关系)，﹤111﹥α’|| ﹤110﹥γ(晶向关系)。 2. 奥氏体是碳溶于γ－Fe固溶体，碳原子位于八面体中心位置，钢中马氏体是碳溶于a －Fe过饱和固溶体，具有体心正方点阵点阵。 3. 固相界面根据其共格性有共格，半共格，非共格，其中非共格界面的弹性应变能最小。 4. M回火加热时，回火转变过程依次为 M中碳原子的偏聚和聚集，M的分解，残余A分解，碳化物类型变化，a相回复与再结晶。 5. 由淬火时造成的三类内应力在回火时，随着回火温度的升高，三类应力消失或减小的顺序和原因为：第三类应力，原因是 M分解，造成碳原子析出;第二类应力，原因是碳化物的析出；第一类应力，原因是 a相再结晶。 6. 时效硬化机制有内应变强化，切过颗粒强化，绕过析出相（Orowan机制）。 7.A转变时，转变温度与临界点A1之差称为过热度,它随加热速度的增大而增大。 8. 奥氏体转变的四个阶段是 A形核，A长大，渗碳体溶解，A均匀化。 9. 影响钢的Ms点的最主要因素是含碳量，Ms随含碳量升高而降低。 10. 高碳钢为了改善其切削加工性能，淬火后进行高温回火，工业中也称为调质处理。 11. 一般退火采取的冷却方式为炉冷，正火的冷却方式为空冷，正火后强度略高于退火后的强度。 12. 分析物相组成的手段主要有三种，请举出其中的两种：中子衍射， X射线衍射。 13. M转变的切变模型有Bain模型，K-S模型，G-T模型。 14. 常用的淬火介质中，淬火时伴随有物态变化的介质有：水，水溶液（油）等；
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
金属固态相变原理
第2篇热处理原理及工艺 第7章钢的热处理 教学目标: 搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念; 掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识 掌握相变产物的形貌和物理本质。 第8章金属固态相变原理 §8钢的热处理 一、热处理的作用 机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。 拒初步统计，在机床制造中，约60% 70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70% 80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。 总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。 热处理的定义：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却, 以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程。 热处理三大要素：加热、保温和冷却 通过以上三个环节，材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。 例如：碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC,作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60?63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。 同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原
因是不同的热处理后内部组织截然不同。 热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定。材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。 所以，材料成分-加工工艺-组织结构-材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。 我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。 二、热处理的基本要素 如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。 1、加热 按加热温度的高低，加热分为两种：一种是在临界点A i以下加热, 此时一般不发生相变；另一种是在A i以上加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。
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__________ 、___________ 、___________。
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）
相变原理(复习题)
相变原理复习习题 第一章固态相变概论 相变：指在外界条件(如温度、压力等)发生变化时，体系发生的从一相到另一相的变化过程。 固态相变：金属或陶瓷等固态材料在温度和/或压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的改变。 共格界面：若两相晶体结构相同、点阵常数相等、或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，单存在一组特定的晶体学平面使两相原子之间产生完全匹配。此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。当两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，成为第二类共格。 半共格界面：半共格界面的特点：在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。在位错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。 非共格界面：当两相界面处的原子排列差异很大，即错配度δ很大时，两相原子之间的匹配关系便不在维持，这种界面称为非共格界面；一般认为，错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面；错配度大于0.25时易形成非共格界面；错配度介于0.05～0.25之间，则易形成半共格界面。 一级相变：相变前后若两相的自由能相等，但自由能的一级偏微商（一阶导数）不等的相变。特征：相变时：体积V，熵S，热焓H发生突变，即为不连续变化。 晶体的熔化、升华，液体的凝固、气化，气体的凝聚，晶体中大多数晶型转变等。 二级相变：相变时两相的自由能及一级偏微商相等，二级偏微商不等。特征：在临界点处，这时两相的化学位、熵S和体积V相同；但等压热容量Cp、等温压缩系数β、等压热膨胀系数α突变。 例如：合金的有序-无序转变、铁磁性-顺磁性转变、超导态转变等。 均匀相变：没有明显的相界面，相变是在整体中均匀进行的，相变过程中的涨落程度很小而空间范围很大。特点：A: 无需形核；B: 无明确相界面； 非均匀相变：是通过新相的成核生长来实现的，相变过程中母相与新相共存，涨落的程度很大而空间范围很小。特点：A：即为形核-长大型相变；B: 新旧相差别较大（结构或成分）； C: 相变过程中母相与新相共存 形核功：晶核长大到r* 所需克服的能垒，或所做的功。 晶核长大的两个伴随过程：即为界面过程（满足结构）；传质过程（满足成分） 相变动力学：研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。 新相颗粒的粗化：粗化是指在相变过程中所形成的新相颗粒平均尺寸增大的动力学过程
固态相变 习题学习资料
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________ 、________、 ________。
金属固态相变原理名词解释
1.固态相变:金属盒陶瓷等固体材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即从一种相状态到另一种相状态的转变 2.平衡转变；在缓慢加热或冷却时所发生的能获得复合平衡状态图的平衡组织的相变。 3.共析相变；合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变 4.平衡脱溶相变；在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程 5.扩散性相变；相变时相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变也称非协调型 6.无扩散性相变；相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变也称协同型 7.均匀形核；晶核在母相中无择优地任意均匀分布 8.形核率；单位时间形成的晶核数 9.混晶；置换固溶体，两种或多种元素相互溶解而形成的均匀晶相 10.异常长大:正常晶粒长大过程被第二相微粒、织构、表面热蚀沟等阻碍，使得大多数晶粒不能长大，从而使少数较大的晶粒得以迅速长大。 11.奥氏体；碳及各种化学元素在γ－Fe中形成的固溶体 12.珠光体；共析碳钢加热奥氏体化后缓慢冷却，在稍低于A1温度时奥氏体将分解为铁素体和渗碳体的混合物称为珠光体 13.粒状珠光体；通过片状珠光体中渗碳体的球状化而获得的 14.贝氏体；钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区间以上这一中温度区间(所谓“贝氏体转变温度区间”)转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织，即贝氏体转变的产物。 15.马氏体；对固态的铁基合金(钢铁及其他铁基合金)以及非铁金属及合金而言，是无扩散的共格切变型相转变，即马氏体转变的产物。就铁基合金而言，是过冷奥氏体发生无扩散的共格切变型相转变即马氏体转变所形成的产物。铁基合金中常见的马氏体，就其本质而言，是碳和(或)合金元素在α铁中的过饱和固溶体。就铁-碳二元合金而言，是碳在α铁中的过饱和固溶体。 16.屈氏体；通过奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物。是一种最细珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细 17.索氏体；马氏体于回火时形成的，在光学金相显微镜下放大五六百倍才能分辨出为铁素体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复相组织。 18.组织遗传；将晶界有序组织加热到Ac3,可能导致形成的奥氏体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向。 19.相变孪晶；相变过程中形成的孪晶。 20.热稳定化；淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中因停留而引起奥氏体稳定性提高，使马氏体转变迟滞的现象。 21.反稳定化；当等温温度超过一定限度后，随等温温度升高，奥氏体稳定化程度反而下降的现象。 22.不变平面应变；相变过程中虽然发生了变形，但变形为均匀切变，且相变过程中惯习面为不变平面的应变。 23.惯习面；固态相变时，新相往往在母相的一定晶面开始形成，这个晶面称 24.热弹性马氏体；在冷却转变与加热逆转变时呈弹性长大与缩小的马氏体 25.形状记忆合金；具有这种形状记忆效应的金属发生较大变形后，经加热至某一温度之上，能恢复到变形前形状的合金。 26.正方度；c/a表示晶格畸变程度，具有体心正方点阵结构的马氏体的c/a值。 27.伪共析组织；过冷奥氏体以极快冷速转变形成的p组织，其成分因奥氏体含碳量不同而不同。 28.回火；淬火处理后将工件加热到低于临界点的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的一种热处理操作。 29.回火屈氏体；铁素体加片状或者小颗粒状渗碳体的混合组织 30.回火马氏体；残余奥氏体向低碳马氏体和e-碳化物分解的过程，所得组织马氏体经分解后的立方马氏体+e-碳化物的混合组织。 31.回火索氏体；等轴铁素体加尺寸较大的粒状渗碳体的混合组织 32.回火脆性；随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象 33.二次硬化；当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500°c以上回火是将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高， -碳化物粗化而软化的刚再度硬化 34.二次淬火；在冷却回火是残余奥氏体转变为马氏体的现象叫二次淬火 35.时效；合金在脱溶过程中，其机械性能物理性能化学性能等均随之发生变化的现象 36.脱溶；从饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相
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）。
固态相变原理
固态相变原理 1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题： 1）相变能否进行，相变的方向 2）相变进行的途径及速度 3）相变的结果，即相变时结构转变的特征。 分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。 相变是朝着能量降低的方向进行； 相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行； 相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。 2、固态相变的特殊性 （相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。 固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。 3、相变驱动力和相变阻力 驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。 储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。 界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。 相变阻力是界面能和弹性应变能。 弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。 4、长大方式 新相晶核的长大分为协同（共格或半共格，切变）和非协同（非共格或扩散）两种，前者速度快，后者速度慢。原子只能短程扩散时，长大速度与过冷度（温度）存在极大值；长程扩散时，长大速度与扩散系数和母相的浓度梯度成正比，与相界面处两相的浓度差呈反比。 5、相变速率
相变速率满足Johnson-Mehl方程或Avrami经验方程。相变之初和相变结束其，相变速率最小，转变量约50%时，相变速度最大。扩散型相变的动力学曲线呈“C”形。是由驱动力和扩散两个矛盾因素共同决定的。 6、C曲线 “C”曲线建立的原理：一定外界条件下，只要发生了相变，宏观上就能检测出某种变化（组织，结构，性能等），确定该条件下这种变化与新相转变量的关系。相变进行的难以程度决定“C”曲线的位置。“C”曲线可分为六种类型，影响“C”曲线的因素有：化学成分，奥氏体化条件和奥氏体晶粒尺寸，原始组织及外界能量（塑性变形等）。凡是使过冷奥氏体稳定的因素均使“C”曲线右移（右移，说明相变所需要的临界冷却速率越小，相变越容易）。连续冷却时，“C”曲线“滞后”，即向右下方向漂移。 7、用TTT曲线和CCT曲线判断组织组成的原则。 只要过冷奥氏体经过或停留在那个区，就转变为该区对应的组织。过冷奥氏体全部转变完后，再经过任何区域都不会发现任何变化，是其自然冷却。冷速越快，硬度越高。冷速超过某临界值时（临界冷却速度），过冷奥氏体全部转变成马氏体。
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。
2017年北科大《固态相变》课程考试试题
2017年北科大《固态相变》课程考试试题 1.按照学势及其导数的连续性将相变分为一级相变和高阶相变，①什么是一级 相变？什么是二级相变？②请分别举一个举例字；③下图的的纵坐标是热力学函数，横坐标是温度？请说明各是那种相变？请说明原因。 ①② ? 第一类相变（一级相变）：凡是热力学势本身连续，而第一阶导数不连续的状态突变，称为第一类相变。第一阶导数不连续，表示相变伴随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。普通的气液相变、液固相变、金属和合金的多数固态相变、在外磁场中的超导转变，属于第一类相变。 第二类相变（二级相变）：热力学势和它的第一阶导数连续变化，而第二阶导数不连续的情形，称为第二类相变。这时没有体积变化和潜热，但膨胀率、压缩率和比热等物理量随温度的变化曲线上出现跃变或无穷的尖峰。超流、没有外磁场的超导转变、气液临界点、磁相变、合金中部分有序-无序相变，属于第二类相变。 从热力学函数的性质看，①是第一类相变点不是奇异点（singularity），它只是对应两个相的函数的交点。交点两侧每个相都可能存在，通常能量较低的的那个得以实现。这是出现“过冷”或“过热”的亚稳态以及两相共存的原因。②是第二类相变则对应热力学函数的奇异点，它的奇异性质目前并不完全清楚。在相变点每侧只有一个相能够存在，因此不容许“过冷”和“过热”和两相共存。 2.什么是块状转变？它的界面迁移过程和再结晶过程很相似，比较块状转变和 再结晶的速度那个更快？为什么？ ? 定义为：成分不变，通过相界扩散的形核-长大型相变；包括结构改变和有序化，产物一般呈块状组织，有时也呈平面边界，与母相晶粒没有完整的位向关系，没有点阵对应。 块状转变速率快，因为块状转变的驱动力比再结晶的要大几个数量级。 3.朗道理论的基本思想？什么是序参量，在结构转变和铁磁转变中可以选什么 作为序参量？连续相变的本质是什么？ ? 基本思想：用序参量的幂级数展开式来表示相变温度附近的自由能。 序参量：一个系统从高对称相转变为低对称相时，系统的某一个物理量η将
固态相变B(09)答案
一.填空题（每空1分，共10分） 1、在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小（选填大还是小）。可利用这一点调整残余奥氏体的量，以达到减少（选填减少还是增大）淬火工件体积变化的目的。 2、化学热处理的基本过程是——分解————、、———吸收———、————扩散————。 2、钢的淬透性主要取决于 ——临界淬火冷却速度 ——— ，钢的淬硬性主要取决于 ——— —含碳量 — 。 3、贝氏体主要有_上贝氏体__和__下贝氏体__两种，其中 _下_贝氏体强韧性好。二．单项选择题（每题2分，共20分，将答案填入下表） 1、钢在加热时，由于加热过高或保温时间过长导致晶粒粗大的现象是______。 A.氧化 B.脱碳 C.过热 D.过烧 2、防止或减小高温回火脆性的较为行之有效的方法是（） A．回火后缓冷 B．回火后空冷 C．回火后水冷或油冷 D．回火后保温 3、下列对珠光体团的描述中正确的是：（） A．珠光体团就是铁素体和渗碳体的混合物 B．珠光体团就是由一层（片）铁素体和一层（片）渗碳体所组成的区域C．一个奥氏体晶粒所占区域转变成珠光体后。就称为珠光体团 D．珠光体中由层（片）方向大致相同的区域称为珠光体团 4、某钢的A C3为780℃，如在820℃保温并随炉冷却。此工艺最有可能属于 A．完全退火B．再结晶退火
C．扩散退火D．球化退火 5、对奥氏体实际晶粒度的描述中不正确的是：（） A．某一热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸 B．奥氏体实际晶粒度比起始晶粒度大 C．加热温度越高实际晶粒度也越大 D．奥氏体实际晶粒度与本质晶粒度无关 6、在A1温度以下发生的P转变，奥氏体与铁素体界面上的碳浓度___奥氏体与渗碳体界面上碳浓度，引起奥氏体中的碳的扩散。 A.低于 B.高于 C.等于 D.小于等于 7、在A1下，_____的过冷奥氏体最稳定。 A.亚共析钢 B.共析钢 C.过共析钢 8、贝氏体转变时，由于温度较高，会存在____的扩散。 A.铁原子 B.碳原子 C.铁和碳原子 D.合金元素 9、某些钢淬火后在500～650℃回火后硬度又增加的现象称为____ 。 A.二次硬化 B.回火抗性 C.二次淬火 D.孪晶马氏体反稳定化 10、铝合金Al—Cu在一般情况下，其时效次序为____。 A. G.P.区→θ→θ′→θ″ B. G.P.区→θ″→θ′→θ C. θ→θ′→θ″→G.P.区三．问答题：（每题10分，共40分） 1、金属固态相变有哪些主要特征？ （1）新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊），按结构特点可分为：共格界面、半共格界面、非共格界面。 （2）新相晶核与母相间有一定的位向关系、存在惯习面 （3）产生应变能，相变阻力大 （4）易出现过渡相，以降低形核功. （5）母相中晶体缺陷起促进作用，可提供相变驱动力。 （6）固相中扩散速度慢，因此相变速度主要受扩散影响 2、分析马氏体具有高强度和高硬度的本质原因。 马氏体的强化机制为：相变强化、固溶强化、时效强化、孪晶强化、细晶强化。