材料相變原理總復習題

1、08年工大材料系材料相變原理總復習題 (貌似考研也能用 題:材料相變原理復習題第一章:1說明成分、相、結構和組織四個概念的含義,并討論 45#鋼室溫平衡狀態(tài)下的成分、相、 結構和組織。2 試述金屬固態(tài)相變的主要特征。3 哪些基本變化可以被稱為固態(tài)相變?4 簡述固態(tài)相變過程中界面應變能產生的原因。5 簡述固態(tài)相變形成新相的形狀與界面能和界面應變能的關系,6 擴散型相變和無擴散型相變各有哪些主要特點?第二章:1 試述鋼中奧氏體和鐵素體的晶體結構、 碳原子可能存在的部位以及碳原子在奧氏體和鐵素 體中的最大理論含量和實際含量。2 以共析鋼為例說明奧氏體的形成過程, 并說明為什么在鐵素體消失的瞬間還有部

2、分滲碳體 未溶解。3 試述影響奧氏體晶粒長大的因素。4 解釋下列概念:慣習面,非均勻形核,奧氏體的起始晶粒度、 實際晶粒度和本質晶粒度,鋼在加熱時的過熱 現象,鋼的組織遺傳和斷口遺傳。第三章:1 試述影響珠光體轉變動力學的因素。2 試述鋼中相間沉淀長生條件和機理。3 概念解釋:偽共析組織,魏氏組織,“派敦”處理。第四章:1 試述馬氏體的晶體結構及其產生原因。2 簡述馬氏體異常正方度的產生原因。3 試述馬氏體轉變的主要特點。4 試述鋼中板條狀馬氏體和片狀馬氏體的形貌特征和亞結構并說明它們的性能差異。5 Ms點的定義和物理意義。6 試述影響 Ms 點的主要因素。7 試述引起馬氏體高強度的原因。8

3、概念解釋:奧氏體的熱穩(wěn)定化,奧氏體的機械穩(wěn)定化,馬氏體的逆轉變,偽彈性,相變冷 作硬化,形狀記憶效應。第五章:1 試述貝氏體轉變的基本特征。2試述鋼中上貝氏體和下貝氏體的形貌特征和亞結構并說明它們的性能差異。3 試述影響貝氏體性能的基本因素。4 試比較貝氏體轉變與珠光體轉變和馬氏體轉變的異同。第七章:1 什么是回火?回火的目的是什么?2 試述淬火鋼回火轉變的基本過程。3 簡述第一類回火脆性的特點及產生原因。4簡述第二類回火脆性的特點及產生原因。5 簡述預防和減輕第二類回火脆性的方法。6 概念解釋:二次硬化,二次淬火,回火脆性敏感度,回火脆度。第八章:1 概念解釋:固溶處理,脫溶,時效,時效合金

4、的回歸現象,調幅分解。2 以 Al-Cu 合金為例,說明時效合金的脫溶過程及各種脫溶物的特征。一女生做的答案:1說明成分、相、結構和組織四個概念的含義,并討論 45#鋼室溫平衡狀態(tài)下的成分、相、 結構和組織。答:成分元素的組成和含量; 相具有相同物理化學性質且與其他部分以界面分開的 局暈部分;結構原子的排列;組織各相的大小形狀。 45#鋼 0.45%C+99.55%Fe a-Fe+Fe3C a-Fe體心立方點陣 片狀或層狀2 試述金屬固態(tài)相變的主要特征。答:相界面:金屬固態(tài)相變時,新相和母相的界面分為兩種。位相關系:兩相界面為共格或 半共格時新相和母相之間必然有一定位相關系, 兩項之間沒有位相

5、關系則為非共格界面。 慣 習面:新相往往在母相一定晶面上形成, 這個晶面稱為慣習面。應變能:圓盤型粒子所導致 的應變能最小, 其次是針狀,球狀最大。 固態(tài)相變阻力包括界面能和應變能。晶體缺陷的影 響:新相往往在缺陷處優(yōu)先成核。 原子的擴散:收擴散控制的固態(tài)相變可以產生很大程度的 過冷。 無擴散型的相變形成亞穩(wěn)定的過度相。 過度相的形成:固態(tài)相變的過程往往先形成亞 穩(wěn)相以減少表面能,因而常形成過度點陣。3 哪些基本變化可以被稱為固態(tài)相變?答:1、晶體結構的變化; 2、化學成分的變化; 3、固溶體有序化程度的變化。4 簡述固態(tài)相變過程中界面應變能產生的原因。答:新相和母相的比容不同, 新相形成時的

6、體積變化將受到周圍母相的約束而產生彈性應變。 兩項界面不匹配也引起彈性應變能,以共格界面為最大,半共格次之,非共格為 0.5 簡述固態(tài)相變形成新相的形狀與界面能和界面應變能的關系。答:圓盤形粒子所導致的應變能最小,其次是針狀,球形粒子最大。界面不共格時,盤狀應 變能最低,界面能較高,球形界面能最低,但應變能最大。6 擴散型相變和無擴散型相變各有哪些主要特點?答:擴散型:a 有原子擴散運動,轉變速率決定于擴散速度。 B 新相和母相成分往往不同。 C 只有因比容不同引起的體積變化,沒有形狀改變。 D 位相關系可有可無。無擴散形:a 存 在由于均勻切變引起的形狀改變, 相變過程中原子為集體的協(xié)同運動

7、, 所以使晶體外形發(fā)生 變化。 B 新相和母相化學成分相同 c 新相和母相之間存在一定的位相關系 d 相界面移動速度 極快,可接近聲速。1 試述鋼中奧氏體和鐵素體的晶體結構、 碳原子可能存在的部位以及碳原子在奧氏體和鐵素 體中的最大理論含量和實際含量。 答:奧氏體為 c 在 r-Fe 中的固溶體, c 原子在面心立方的 中心或棱邊的中點。 理論含量為 20%, 實際最大為 2.11%。 鐵素體 c 原子在體心立方晶胞的 八面體間隙處, c 理論含量為 39.1% 實際含量為 0.02%(重量百分濃度2 以共析鋼為例說明奧氏體的形成過程, 并說明為什么在鐵素體消失的瞬間還有部分滲碳體 未溶解。答

8、:1奧氏體晶核的形成:奧氏體晶核易于在鐵素體與滲碳體相界面形成 2奧氏體的長大:奧氏體中的碳含量是不均勻的,與鐵素體相接處碳含量較低,與滲碳體相接處碳含量較高, 引起碳的擴散, 破壞了原先碳濃度的平衡, 為了恢復碳濃度的平衡, 促使鐵素體向奧氏體轉 變以及 fe3c 的溶解, 直至鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體為止。 3殘余滲碳體的溶解:鐵素體比奧 氏體先消失,因此還殘留未溶解的滲碳體,隨時間的延長不斷融入奧氏體,直至全部消失。 4奧氏體均勻化:殘余滲碳體全部溶解時,奧氏體中的碳濃度依然是不均勻的,繼續(xù)延長保 溫時間,通過碳的擴散, 可使奧氏體碳含量逐漸趨于均勻。滲碳體殘余的原因:相界面向鐵 素體中的

9、推移速度比向滲碳體中推移速度快 14.8倍, 但是鐵素體片厚度僅比滲碳體片大 7倍, 所以鐵素體先消失,還有相當數量的剩余滲碳體未完全溶解。3 試述影響奧氏體晶粒長大的因素。答:受到加熱速度、保溫時間,鋼的成分,沉淀析出粒子性質、數量,大小和分布,以及原 始組織和加熱速度的影響。 1加熱溫度和保溫時間的影響:加熱溫度越高,保溫時間越長, 奧氏體晶粒將越粗大。 低溫時保溫時間影響較小, 高溫時保溫時間影響開始較大, 隨后減弱。 2加熱速度的影響:加熱速度越快,奧氏體起始晶粒度越細小。 3鋼的碳含量:在一定碳含 量范圍內奧氏體晶粒大小隨鋼中碳含量增加而增大, 超過限度時, 碳含量進一步增加, 奧氏

10、 體晶粒反而減小。 4合金元素的影響:鋼中加入適量形成難熔化合物的合金元素,強烈阻礙 奧氏體晶粒長大,使奧氏體晶粒粗化溫度顯著提高。4 解釋下列概念:慣習面,非均勻形核,奧氏體的起始晶粒度、 實際晶粒度和本質晶粒度,鋼在加熱時的過熱 現象,鋼的組織遺傳和斷口遺傳。答:固態(tài)相變時,新相往往在母相的一定界面上開始形成,這個晶面即稱為慣習面。非均勻 成核:新相核心主要是在母相的晶界、層錯、位錯等晶體缺陷處形成。奧氏體起始晶粒度:奧氏體形成剛結束, 其晶粒邊界剛剛相互接觸時晶粒的大小。 實際晶粒度:鋼經熱處理后獲 得的實際奧氏體晶粒大小。本質晶粒度:根據標準實驗方法,在 930+10度,保溫 38小時

11、 后測定的奧氏體晶粒大小。 鋼在加熱時的過熱現象:鋼在熱處理時, 由于加熱工藝不當而引 起的奧氏體實際晶粒度粗大, 以至在隨后淬火成正火時得到十分粗大的組織, 從而使鋼的機 械性能顯著惡化。 鋼的組織遺傳:在原始奧氏體晶粒粗大的情況下若鋼以非平衡組織加熱奧 氏體化, 則在一定的加熱條件下, 新形成的奧氏體化晶粒會繼承和恢復原始粗大的奧氏體晶 粒。鋼的斷口遺傳:原始奧氏體晶粒粗大的非平衡組織鋼,再次以中等加熱速度加熱到 ac3以上,奧氏體晶粒會明顯細化,但細晶粒纖維組織出現了粗晶斷口。1 試述影響珠光體轉變動力學的因素。珠光體的轉變決定于成核和長大的速度影響因素可以分為兩類:鋼本身內在的因素:1

12、、化學成分 2、組織結構的狀態(tài)。外界因素: 1、加熱因素,保溫時間。一、溫度。溫度太低 c 原子無法擴散,很難形成珠光體。二、碳含量的影響。三、奧氏體成分的均勻性和過剩相溶解情況的影響。四、奧氏體晶粒度的影響。 五、 奧氏體化溫度和時間 的影響。六、應力和塑性變形的影響。2 試述鋼中相間沉淀長生條件和機理。答:1、低碳。 2、強碳化合物合金元素。 3、適當的奧氏體化條件。 4、轉變條件:溫度、 冷卻速度。 5、應力和索性形變。3 概念解釋:偽共析組織,魏氏組織,“派敦”處理。答:偽共析組織:在 A1點以下,隨著過冷奧氏體轉變溫度的降低,亞共析鋼中先共析鐵素 體的數量和過共析鋼中先共析滲碳體析出

13、數量都減少,當過冷到 T2溫度轉變時,將不再析 出鐵素體和滲碳體在這種情況下過冷奧氏體全部轉變?yōu)橹楣怏w型組織, 但因合金的成分并非 共析成分魏氏組織:工業(yè)上將具有先共析片狀鐵素體或針狀滲碳體加珠光體的組織, 都成為魏氏組織。 前者為阿爾法 -Fe 魏氏組織,后者為滲碳體魏氏組織派頓處理:使高碳鋼獲得細珠光體,再經過深度冷拔,獲得高強度鋼絲、1 試述馬氏體的晶體結構及其產生原因。答:晶體結構:馬氏體是由 fe 元素和 c 元素組成的單向結構, 其中 fe 原子構成了體心立方, c 原子分布在八面體間隙中。產生原因:c 原子在馬氏體點陣中可能位置為由 fe 原子組成的 扁八面體空隙中, c 原子有

14、效半徑 >扁八面體孔隙在短軸方向上的半徑, 故在平衡狀態(tài)下, C 的溶解度極小,然而一般鋼中馬氏體碳含量遠遠超過這個數值,引起點陣畸變, C 溶入點陣 扁八面體空隙后,力圖使其變?yōu)檎嗣骟w,結果使短軸伸長, 另外兩個方向收縮, 從而使體 心立方轉向體心正方點陣。2 簡述馬氏體異常正方度的產生原因。答:正方度 =c/a異常低正方度產生原因:正方度是由 c 原子在同一個亞點陣間隙中分布而 造成的,所以在快冷的情況下,本來分布均勻的 c 原子要跑到同一亞點陣中需要運動時間, 所以鋼新生成時, c 原子還沒有運動分布到同一亞點陣中就開始測量, 因而出現異常正方度。 偏高:鋼形成時,若全部跑到同一

15、亞點陣中,結果就偏高,但是,計算發(fā)現即使全部 c 原子 占據第三亞點陣, 馬氏體正方度也不能達到實驗中測量的, 因此, 異常高正方度還與合金元 素的有序分布有關。3 試述馬氏體轉變的主要特點。答:1切變共格和表面浮凸現象, (1馬氏體形成以切變的方式實現的,同時馬氏體和奧氏 體之間界面上的原子是共有的,切變共格界面,且新相與母相之間永遠共格(2相變區(qū)和 未相變區(qū)表面上的浮凸現象 2馬氏體轉變的無擴散性, (1原子不發(fā)生擴散,只發(fā)生整體運 動,每個原子的相鄰關系和環(huán)境不變。 (2成分不發(fā)生變化(3轉變溫度低,轉變速度高, 低溫下擴散速度極小轉變不能以擴散方式進行。 3具有一定的位向關系和慣習面

16、(1馬氏體轉 變新相母相之間存在一定的位相關系。 KS 關系,西山關系, GT 關系。 (2馬氏體是在 母 相的一定晶面上開始形成的。隨馬氏體形成溫度下降慣習面有向高指數變化的趨勢。 4馬氏 體轉變是在一個 溫度范圍內形成的。 5 馬氏體 轉變具有可逆性, 一般將馬氏體直接向奧氏 體轉變稱為逆轉變, 但是逆轉變很難, 形狀記憶功能是存在于有可逆性的馬氏體中, 馬氏體 相變區(qū)別于其他相變的 最基本特點(1 相變以共格切變方式進行(2相變無擴散型4 試述鋼中板條狀馬氏體和片狀馬氏體的形貌特征和亞結構并說明它們的性能差異。 答:形貌特征:板條:慣習面為(111 r 。板條體常自奧氏體晶界向晶內平行排

17、列成群,一個奧氏體晶粒內包含幾個板條群，板條體之間為小晶界，板條群之間為大晶界。片狀：凸透 鏡片狀中間較厚，初生者較厚較長，橫貫奧氏體晶粒，次生者尺寸較小。在初生片與奧氏體 晶界之間，片間交角較大，互相撞擊，形成顯微裂紋。亞結構：板條狀：位錯網絡，位錯密 度隨 c 含量升高而增大，有時亦可見到少量細小孿晶。片狀：細小孿晶以中脊為中心組成相 變孿晶區(qū)， 隨 ms 點陣低， 相變孿晶區(qū)增大， 片的邊緣部分為復雜的位錯組列， 孿晶面為 （112） a'，孿晶方向為111a'。性能差異：屈服強度相同的條件下，位錯形馬氏體比孿晶形的韌性 好得多。板條狀馬氏體有相當高的強度，片狀馬氏體有高

18、的強度。 5 Ms 點的定義和物理意義。 答： 定義為奧氏體和馬氏體的兩項自由能之差達到相變所需的最小驅動力值時的溫度。 物理 意義為馬氏體的切變阻力大，需要足夠大的驅動力才能使相變發(fā)生，隨著溫度下降，馬氏體 驅動力上升，當 T 下降到可以克服相變阻力的時候，馬氏體可以發(fā)生轉變，此時對應的溫 度就是 ms 點 6 試述影響 Ms 點的主要因素。 答：1化學成分：c 含量上升，ms 點下降，合金元素：取代了 fe 的位置，使完美的形態(tài)受 到破壞，使 ms 點下降，但是 al 與 co 使 ms 上升。2形變與應力：形變量越大，轉變的 m 越多，形變溫度越低形成的 m 量也越多。拉應力或單向壓應力

19、使 ms 上升，多向壓縮應力 使 ms 下降。 3奧氏體化條件對 ms 點的影響： 加熱溫度和時間的增加會使 ms 點下降。 但是， 加熱溫度繼續(xù)上升，抑制了形核，使阻力變小了，ms 上升。另一角度，所有影響 a 晶核完 美的條件都會阻礙 m 的形成。4淬火速度：ms 點隨淬火速度上升而升高。冷卻慢時，易形 成 c 原子氣團，使 ms 下降，冷卻速度很快時，c 原子氣團來不及形成，使 ms 上升5磁場對 ms 的影響：加磁場只使 ms 點升高，對 ms 點一下的轉變行為并無影響。 7 試述引起馬氏體高強度的原因。 答：1相變強化：馬氏體相變的切變特征造成晶體內產生大量微觀缺陷，是馬氏體強化。

20、2 固溶強化：能否形成畸變偶極應力場是決定固溶強化的強度的標志。3時效強化：要靠 c 原 子的擴散，溫度越高越好。4M 的形變強化特征：馬氏體本身比較軟，但在外力作用下因塑 性變形而急劇加工硬化，所以 M 的形變強化指數很大，加工硬化率高。5孿晶對 M 強度的 貢獻6原始奧氏體晶粒大小和板條馬氏體束大小對馬氏體強度的影響：原始 A 晶粒越細小， 半條馬氏體束越小，則馬氏體的強度越高。 8 概念解釋：奧氏體的熱穩(wěn)定化，奧氏體的機械穩(wěn)定化，馬氏體的逆轉變，偽彈性，相變冷 作硬化，形狀記憶效應。 答：奧氏體的熱穩(wěn)定化：淬火時因緩慢冷卻或在冷卻過程中停留引起的奧氏體穩(wěn)定性提高， 而使馬氏體轉變遲滯的現

21、象。奧氏體的機械穩(wěn)定化：在 md 點以上的溫度下對奧氏體進行塑 性變形，會使隨后的馬氏體轉變發(fā)生困難，ms 點降低，引起奧氏體穩(wěn)定化。馬氏體的逆轉 變：在某些合金中奧氏體冷卻轉變成馬氏體，重新加熱時，已形成的馬氏體又可以通過逆向 馬氏體轉變機構轉化為奧氏體。偽彈性：具有熱彈性馬氏體相變的合金在 ms 點以上，md 點以下加應力，會誘發(fā)馬氏體相變，并產生宏觀應變，而當應力減少或撤除時，立即發(fā)生逆 轉變，同時宏觀應變恢復。相變冷作硬化：在非彈性馬氏體可逆轉變過程中，當經過一正一 反相變后，由馬氏體轉變來的逆轉變奧氏體與原始狀態(tài)奧氏體相比，已經有很大變化，其中 微觀缺陷密度大大升高并產生了內應力等逆

22、轉變， 奧氏體的性能與原始狀態(tài)比較， 強度明顯 升高，而塑性韌性下降的現象。形狀記憶效應：完全或部分馬氏體相變的試樣加熱到 Af 點 以上時，則其回復到原來母相狀態(tài)下所給予的形狀。 1 試述貝氏體轉變的基本特征。 答：1、貝氏體轉變需要一定的孕育期。2、貝氏體轉變是一種成核和長大的過程。3、貝氏 體轉變有一上限溫度，也有一下限溫度。4、鋼中貝氏體德碳化物分布狀態(tài)隨形成溫度的不 同而異。5、貝氏體轉變時，Fe 和金屬元素的原子不發(fā)生擴散，C 原子發(fā)生擴散。6、貝氏 體中鐵素體有一定的慣習面并與母相奧氏體之間保持一定的晶體學位向關系 2試述鋼中上貝氏體和下貝氏體的形貌特征和亞結構并說明它們的性能差

23、異。 答：形貌特征:上貝氏體:在光學顯微鏡下觀察時呈羽毛狀。 在掃描電鏡觀察為一群由奧氏體晶界內平行長大的板條狀或針狀鐵素體，在相鄰鐵素體條 （針）之間夾雜著斷續(xù)的短桿狀碳化物。 下貝氏體: 在光學顯微鏡下觀察時呈竹葉狀。 鐵素體呈片狀，片與片之間以一定角度相交。 （大部分呈60度和120度） ，在鐵素體片內部分 布碳化物。碳化物排列大部分與鐵素體片的長軸約成60度角。 亞結構：上：位錯纏結。下：纏結位錯。 性能差異：下貝氏體具有高的強度和韌性，高的耐磨性，沖擊韌性比上貝氏體好的多。 3 試述影響貝氏體性能的基本因素。 答：一、阿爾法Fe 的影響1、貝氏體中的阿爾法Fe 呈塊狀具有較高的硬度和

24、強度，隨 轉變溫度的下降，貝氏體中的阿爾法Fe 由塊狀向條狀、針狀或片狀轉化。2、貝氏體中的 阿爾法Fe 晶粒越小，強度越高，而韌性不僅不降低，甚至還有所提高。3、貝氏體中阿爾 法Fe 晶粒尺寸受 A 晶粒大小和轉變溫度的影響。4、貝氏體中的阿爾法Fe 的亞結構主 要為纏結位錯，這些位錯主要是由相變產生的，隨轉變溫度的降低，位錯密度降低，強度韌 性增高，雖貝氏體中鐵素體基元的尺寸的減小，強度和韌性也增高。 滲碳體的影響1、在滲碳體尺寸和大小相同的情況下，貝氏體中滲碳體數量越多，硬度和強 度越高，韌性、塑性越低。2、當鋼的成分一定時，隨著轉變溫度的降低，滲碳體的尺寸減 小，數量增多，硬度和強度增

25、高，但韌性和塑性均較少，3、滲碳體是粒狀的韌性高，細小 片狀的強度較高，斷續(xù)桿狀或層狀的脆性較大4、滲碳體等向均勻分布是，強度較高，韌性 較大。若不均勻分布，強度較低且脆性較大。 4 試比較貝氏體轉變與珠光體轉變和馬氏體轉變的異同。 答： 馬氏體轉變 較低溫度 切變共格 發(fā)生形變有表面浮凸現象 新相和母相之間 存在一定的位相關系和慣習面 新相和母相化學成分不同 界面移動的速度極快， 接近 聲速 無擴散性 貝氏體轉變 上貝：形成溫度高；下貝：較低 C：擴散 Fe：切變 不一定共格 只有應新相合母相比容不同引起的體積變化， 沒有形狀及表面浮凸 有一 定的位相關系和慣習面 新相和母相化學成分不同 轉

26、變的不完全性 長大速度很慢，轉變速度取決于 C 的擴散速度 擴散性 珠光體轉變 不一定共格 新相和母相化學成分不同 取決于原子的 擴散速度 擴散性 馬氏體轉變 較低溫度 切變共格 發(fā)生形變有表面浮凸現象 新相和母相之間 存在一定的位相關系和慣習面 新相和母相化學成分不同 界面移動的速度極快， 接近 聲速 無擴散性 貝氏體轉變 上貝：形成溫度高；下貝：較低 C：擴散 Fe：切變 不一定共格 只有應新相合母相比容不同引起的體積變化， 沒有形狀及表面浮凸 有一 定的位相關系和慣習面 新相和母相化學成分不同 轉變的不完全性 長大速度很慢，轉變速度取決于 C 的擴散速度 擴散性 珠光體轉變 不一定共格 新相和母相化學成分不同 取決于原子的 擴散速度 擴散性 1 什么是回火？回火的目的是什么？ 答：回火，淬火后將零件加熱到低于臨界點的某一溫度，保持一定時間，然后以適當的冷卻 方式冷卻到室溫的一種熱處理操作