固态相变_(考试必备)

固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种状态到另一种相态的转变，这种转变称之为固态相变。 固态相变的阻力有哪些：金属固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大。当界面不共格时，盘(片)状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。

为什么固态相变中出现过渡相?晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.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。此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。2.晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。

为什么新相形成的时候，常常呈薄片状或针状？如果新相呈球状，新相与母相之间是否存在位相关系？①金属固态相变时，因新相与母相恶比容不同，可能发生体积变化，但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀产生弹性应变能。而片状或针状的弹性应变能最小，所以新相形成时常常呈片状或针状 ②存在位相关系。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相关系，且新相呈球状时与母相的弹性应变能最大，是由新、母相的比容不同或两相界面共格或半共格关系造成的，所以必然存在一定的位相关系。

TTT 曲线的建立：将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定的转变量所对应的时间绘制在温度—时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及转变50%点分别连接成曲线，则可得到过冷奥氏体等温转变图，即TTT 曲线。

TTT 图的作用：TTT 图反映了在临界点以下温度等温或以一定冷却速度冷却时过冷奥氏体的转变规律，综合显示了合金元素等对转变动力学的影响以及等温温度或冷却速度对转变产物和性能的影响。可清楚的看出：①某相过冷到临界点以下某一温度保温时，相变何时开始，何时转变能量达50％，何时转变终止 ②相变速率最初是随温度下降而逐渐增大，达到一最大值后又逐渐减小。TTT 图可以为正确选择钢的热处理工艺、分析热处理后的组织和性能以及合理选用钢材等提供依据。 奥氏体的形成过程可分为四个阶段：①奥氏体形核 ②奥氏体晶核向

及C Fe 3两个方向长大 ③剩余碳化物溶解 ④

奥氏体均匀化。 影响奥氏体形成速度的因素：①加热温度的影响，即加热温度越高，奥氏体形成速度就越快②碳含量的影响，钢中碳含量越高，奥氏体形成速度就越快 ③原始组织的影响，在钢的成分相同的情况下，原始组织中碳化物的分散度越大，则相界面就越多，形核率也就越大，刚的原始组织也越细，奥氏体的形成速度就越快 ④合金元素的影响，强碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散系数，并形成特殊碳化物且不易溶解，所以显著减慢奥氏体的形成速度。非碳化物则加速奥氏体的形成速度。 本质细晶粒钢与本质粗晶粒钢的区别：奥氏体晶粒度在5～8级者称为本质细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1～4级者称为本质粗晶粒钢。对于本质细晶粒钢，当加热温度超过950～1000摄氏度时也可能得到十分粗大的实际晶粒。对于本质粗晶粒钢，当加热温度略高于临界点时也可能得到比较细的奥氏体晶粒。 影响奥氏体晶粒长大的因素：①加热温度和保温时间的影响，加热温度越高，加热时间越长，奥氏体晶粒将越粗大 ②加热速度的影响，加热速度越大，过热度就越大，奥氏体实际形成温度就越高，快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒 ③钢中碳含量的影响，在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物的情况下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大。当碳含量超过一定限度时，反而阻碍奥氏体晶粒的长大 ④合金元素的影响，钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著提高。加入适量形成易溶化合物的合金元素，则阻碍程度中等。⑤冶炼方法的影响⑥原始组织的影响，原始组织越细，碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。 片状与粒状珠光体性能的比较：在成分相同的情况下，与片状珠光体相比，粒状珠光体的强度、硬度稍低，而塑性较高。粒状珠光体的切削性好，对刀具的磨损小，冷挤压时的成形性也好。粒状珠光体的性能还取决于碳化物颗粒的形态、

大小和分布。在相同抗拉强度下，粒状珠光体比片状马氏体的疲劳强度有所提高。 粒状珠光体的形成过程：粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球状化而获得的。若将片状珠光体加热至略高于1A 点

的温度，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织。在此温度下保温将使片状渗碳体球状化。然后缓慢冷却至1A 点以下时，奥氏体转变为珠光体，最后得到渗碳体呈颗粒状分布的粒状珠光体。 影响珠光体转变动力学的因素：①化学成分的影响，对于亚共析钢，随着奥氏体中碳含量的增高，析出先共析铁素体的孕育期增长，析出速度减慢。各种合金元素，除钴以外，都推迟珠光体转变的进行。②加热温度和保温时间的影响，提高加热温度或延长保温时间，转变速度低 ③奥氏体晶粒度的影响，奥氏体晶粒细小，单位面积内的晶界面积增大，珠光体的形核部位增多，将促进珠光体的形成 ④应力和塑性变形的影响，对奥氏体施加拉应力或进行塑性变形，促进珠光体的形核和晶体长大，加速珠光体的转变。 马氏体相变的主要特征：①切变共格和表面浮突现像 ②无扩散性 ③具有特定的位相关系和惯习面 ④在一个温度范围内完成相变 ⑤可逆性。

影响钢中Ms 点的主要因素：①化学成分的影响，Ms 点主要取决于钢的化学成分，钢中碳含量增加，马氏体相变的温度范围下降，合金元素除铝、钴外，均使Ms 点降低 ②形变与应力的影响，多向压缩应力将阻止马氏体的形成，因而降低Ms 点。而拉应力或单向压应力往往有利于马氏体的形成，使Ms 点升高 ③奥氏体化条件的影响，加热温度升高和保温时间延长，使Ms 点下降，若不发生化学成分变化，则使Ms 点升高。在奥氏体成分一定的情况下，晶粒细化会使Ms 点下降 ④淬火冷却速度的影响，在正常淬火条件下，对奥氏体起强化作用。而极快的淬火速度会使Ms 点升高。当冷却速度足够大时，Ms 点不随淬火速度增大而升高 ⑤磁场的影响，外加磁场将诱发马氏体相变，与不加磁场相比，Ms 点升高。 马氏体的点阵结构和畸变：C 原子分布在

α―Fe 体心立方单胞的各棱边中央和面心，可视为处于一个Fe 原子组成的扁八面体孔隙之中，长轴为2a ，短轴为c 。由于C 在α―Fe 中溶解度小，钢中马氏体的C ％较高，所以将引起点阵畸变，使体心立方点阵变成体心正方点阵，该畸变称为畸变偶极。 使马氏体具有高硬度、高强度的主要因素：①相变强化，马氏体相变的切变特性造成了马氏体在晶体内产生大量的微观缺陷，使马氏体强化 ②固溶强化，C 原子溶入Fe 原子所组成的扁八面体后发生不对称畸变，形成以C 为中心的畸变偶极应力场，且与位错产生强烈的交互作用，使马氏体强度升高 ③时效强化，马氏体在室温下只需几分钟甚至几秒钟就可以通过原子扩散而产生时效强化，发生C 原子偏聚和析出，从而产生时效强化作用 ④马氏体的形变强化特性 ⑤孪晶对马氏体强度的贡献 ⑥原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响，原始奥氏体晶粒越细，马氏体板条群越细，马氏体强度越高。 钢中贝氏体的组织形态：①在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形 ②在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，呈暗黑色针状或片状，而各片之间都有一定的交角 ③粒状贝氏体 ④无碳化物贝氏体 ⑤低碳合金钢中的I B 、II B 、III B 。 影响贝氏体机械性能的因素：①贝氏体中铁素体的影响，贝氏体中铁素体晶粒越细小，贝氏体的强度就越高，而且韧性有时还有所提高 ②贝氏体中渗碳体的影响，碳化物颗粒尺寸越小、数量越多，对强度的贡献就越大，在渗碳体尺寸相同的情况下，渗碳体越多，则贝氏体硬度和强度就越大，韧性和塑性就越低 ③其他因素的影响，奥氏体化温度不同，贝氏体化的不完全性都会影响贝氏体的性能。 回火时机械性能的变化：1.随回火温度升高，硬度和强度降低，钢中加入合金元素能减小硬度和强度降低的趋势 2.淬火钢在回火时，随回火温度的升高，塑性升高。但高碳钢低温回火时，塑性几乎为零，而冲击韧性不一定随温度而单调增高，可能出现两个温度区域韧性减小 3.影响第一类回火脆性的因素：①有害杂质元素，S 、P 、As 、Sb 、Cu 、N 、H 、O 等 ②促进第一类回火脆性的元素, Mn 、Si 、Cr 、Ni 、V 等 ③减弱第一类回火脆性的元素,Mo 、W 、Ti 、Al 等 减轻第一类回火脆性的措施：①降低刚中杂质元素的含量 ②用Al 脱氧或加入Nb 、V 、Ti 等合金元素以细化奥氏体晶粒 ③加入Mo 、W 等减轻第一类回火脆性的合金元素 ④加入Si 、Cr 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 ⑤采用等温淬火工艺代替淬火加回火工艺。 1．简述共析钢加热奥氏体化的过程。 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的分布趋于均匀。

2．马氏体相变的主要特征有哪些？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？答：在250-400C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？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？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？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？答：奥氏体晶核的形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界面上。原因有三点：（1）碳原子的浓度差较大，有利于获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；（2）在两相界面处，原子排列不规则，铁原子可能通过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，从而促使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小；（3）在两相界面处，杂质几其他的晶体缺陷较多，具有较高的畸变能，新相形核是可消除部分的晶体缺陷而使系统的自由能降低。

一、贝氏体转变和珠光体转变有哪些异同点？答：（1）贝氏体转变和珠光体转变都是在一定的上限温度下进行的，而且珠光体上限转变温度是Ａ1，贝氏体对应的温度是Ds；（2）两者转变的产物都是铁素体和碳化物所组成的两相混合物。珠光体是层片状的，而贝氏体是非层片状的；（3）贝氏体和珠光体都可以等温形成，都是通过形核和长大过程来完成的；

（4）与珠光体不同，贝氏体的等温转变不能进行到终了，具有转变的不完全性；（5）珠光体转变时，铁原子和碳原子均可以扩散。贝氏体转变时只有碳原子能扩散，而铁原子不能进行扩散；（6）贝氏体的晶体学特征包括位向关系和惯习面均与珠光体不同。贝氏体中铁素体在形成的时候，抛光表面可以引起浮突效应，而珠光体中是没有的。

二、合金元素对钢中珠光体转变动力学有何影响？答：（1）降低碳在奥氏体中的扩散速度；（2）降低铁原子的自扩散速度；（3）对相变临界点的影响，除了Mn、Ni之外均可使A1点升高，过冷度增大，孕育期缩短，TTT曲线左移；（4）对相界面的阻碍作用，对于亚共析钢合金元素Mn、Mo可以阻碍r/a相界面的移动，降低先析出铁素体的形成速度，使奥氏体转变为珠光体的孕育期增长；（5）强碳化物形成元素V、Ti、Zr、Nb可以溶入奥氏体中稳定奥氏体使“C“型曲线右移。

三、TTT图和CCT图表示的是什么？两者的区别是什么？答：TTT图是过冷奥氏体等温转变动力学图，CCT图是过冷奥氏体连续冷却转变动力学图。区别：（1）连续冷却转变CCT曲线都是处于同种材料的等温转变TTT曲线的右下方；（2）从形状上看，CCT曲线不论是珠光体转变区还是贝氏体转变区都只有相当于TTT曲线的上半部；（3）碳钢连续冷却时可使中温的贝氏体转变被抑制；（4）合金钢连续冷却时可以有珠光体转变而无贝氏体转变，也可以有贝氏体转变而无珠光体转变，或者两者兼而有之。

四、什么是过冷奥氏体？过冷奥氏体冷却时转变为那些不平衡组织？答：奥氏体是钢中的高温稳定相，当钢冷至临界点以下奥氏体就不在稳定，一称为过冷奥氏体。将奥氏体降至适当温度时可以发生高温珠光体转变、中温贝氏体转变和低温马氏体转变，分别得到的是珠光体、贝氏体和马氏体组织。珠光体是由铁素体和渗碳体组成的层片相间的机械混合物，随着过冷度的增大片层间距减小，性能逐渐变好。贝氏体是铁素体和碳化物组成的非层片状组织，典型的组织有上贝氏体和下贝氏体，下贝氏体的综合力学性能较好。典型的马氏体有平行板条状马氏体和透镜片状马氏体，其强度和硬度较高，塑性和韧性较差，多经过回火来改变其性能。

1、共格界面:当界面上的原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置两相在

界面上的原子可以一对一相互匹配,这种界面叫做共格界面。

2、回火脆性:指在回火过程中韧性下降的现象。

4、淬透性:指钢在淬火时能够获得马氏体组织的倾向。

5、时效:钢(或合金)经固熔处理后,其固熔体中的溶质元素(合金元素)将处于过饱和状态,如果在室温或某一定高温下溶质原子仍具有一定的扩散能力,随时间的延续,过饱和固熔体中溶质元素将发生脱熔(或析出)从而使钢(或合金)的性能发生变化,此即时效。

1、共析钢淬火后回火,根据回火温度可分为低温回火、中温回火、高温回火,分别得到回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体组织。

2、调质处理的钢与正火钢相比,不仅强度较高而且塑性、韧性也高于正火钢,这是由于调质处理后钢中渗碳体呈粒状而正火后的渗碳体呈片状。

3、化学热处理通常可分为分解、吸收、扩散三个基本过程。

4、淬火冷却时产生的组织应力是由于工件的表面和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。

1、低碳马氏体可以在淬火状态下使用。答:正确。自回火现象及低碳钢本身淬火应力较小。

2、正火的冷却速度比退火稍慢

火是采用随炉冷却,,强度和硬度比退火高。

3、淬透性是钢材的固有属性

答:错误。淬透性是钢材的固有属性.它只取决于钢的淬火临界冷却速度的大小。

4、本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢小。

,本质细晶粒钢也可以获得粗大的奥氏体晶

粒。

1、试分析下贝氏体中碳化物排布规律的形成原因。答:下贝氏体的组织形态为板条状或片状的铁素体再加上基体上沉

55~60℃的方向较整齐地排列。形成这种排布规律的机理为:①下贝氏体中的铁素体片是由若干个亚单元所组成,当一个亚单元长大到一定尺寸时,在其附近又会诱发形核并长大,便构成了铁素体

,其长大速度较快,但整个铁素体的长大速度受碳原子扩散所控制,当亚单元长大到一定尺寸时便会发生停顿,是一种不连续生长.

始形核,并以一定的角度,大致为55~60℃.向另一边发展,最后终止在某一个位置上。在成长过程中,碳原子可不断通过铁素体-奥氏体相界面向生长前沿奥氏体一侧扩散和聚集,并从中析出碳化物,由于碳化物的析出,又使其附近奥氏体中出现贫碳区,

2、马氏体转变为什么需要深度过冷:从固态相变的阻力进行分析,相比来讲,比液态金属结晶的阻力要大得多。说明马氏体转变过程中的固态阻力,

3、答:根据奥氏体形成规律讨论细化奥氏体晶粒的途径。,注意原始组织的准备,如预先热处理,形变等。形核地点多则晶粒细。②加热温度,奥氏体化温度不要太高,温度高则扩散快,则晶粒易长大。③加热时间,加热时间不要太长,

,

4、试分析珠光体转变与贝氏体转变有哪些主要异同点:1、两者均有一定的上限转变温度.2、两者转变产物均为α相与碳化物所组成的两相混合物,P为层片状组织,而B为非层片状.3、两者均可等温形成。4、与P转变不同，B转变具有不完全性。

5、P转变时碳和铁原子均可扩散，而B转变只有碳原子的扩散，而铁原子不能扩散。

6、B的晶体学特征与P不同，且B中的F在形成时有表面浮突效应。

五、分析题 1、有一批丝锥原定有T12钢制造，要求硬度为HRC60~64，但材料中混入了少量的35钢，问混入的35钢仍按T12钢的工艺进行淬火处理，这些35T12钢

为过共析钢，其淬火加热温度的选择为Ac1+30~50℃。丝锥性能要求高硬度高耐磨性，采用这个加热温度范围可以满足要求。而35钢为亚共析钢，其淬火加热温度为Ac3+30~50℃。选择T12钢的工艺进行淬火处理，淬火加热温度低，组织为A+F淬火后性能达不到要求。