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1、1. 从热力学角度分析固态相变的主要特征并与液固相变进行比较。答：从热力学角度来说，固态相变与液固相变相比，一些规律是相同的，其共同点是：相变驱动力都是新旧两相之间的自由能差；相变都包含形核与长大两个基本的过程。而二者在相变特点上的区别在于固态相变的母相为固体，其具有确定形状、有较高切变强度、内部原子按点阵规律排列，并且不同程度地存在着成分不均匀的结构缺陷。相变以晶体为母相，必然与液固相变相比存在一系列新的特征。具体变现在以下几方面：(1) 相变驱动力来源于两相自由能之差，差值越大，越有利于转变的进行。相变阻力大 固态相变与固液相变相比，相变阻力更大是因为多出了一项应变能和扩散更难进行。(2)
2、 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系；新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。(3) 惯习现象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成( 沿应变能最小的方向和界面能最低的界面 )。通过降低界面能和应变能而减小相变阻力是惯习现象出现的原因。(4) 母相晶体缺陷促进相变：固态金属中存在各种晶体缺陷，如位错、空位、晶界和亚晶界等。母相中存在缺陷，由于缺陷周围有晶格畸变，自由能较高，在此处形成同样大小的晶核比其他区域获得更大的驱动力，新相晶核往往优先在这些缺陷处形成。母相晶粒越细小，晶界越多，晶内缺陷越多，形核率越高，转变速度越快。(5) 易出现过渡相：过渡相是一种亚稳定相，其成分和
3、结构介于新相和母相之间。因为固态相比阻力大，原子扩散困难，尤其是当转变温度较低，新、旧相成分相差较远时，难以形成稳定相。过渡相是为了克服相变阻力而形成的一种协调性的中间转变产物。通常是现在母相中形成与母相成分接近的过渡相，界面能增加额外弹性应变能：比体积差扩散困难（新、旧相化学成分不同时）然后在一定条件下由过渡相逐渐转变为自由能最低的稳定相。2. 结合综合转变动力学曲线，从进行条件，组织形态特征，精细结构，相变机制，力学性能及其实际应用等方面，对比性的分析钢中的固态相变。答：钢中的三种基本固态相变的对比：内容 P 转变 B 转变 M 转变形成温度范围 高温 A1550 中温 550Ms 低温
4、Ms 点以下转变上限温度 A1 Bs Ms领先相共析钢和过共析钢为Fe3C；亚共析钢为铁素体 F。铁素体 F 无形核部位 奥氏体晶界处 上 B 在 A 晶界处；下 B 在 A 晶内。 过冷奥氏体晶内转变机制依靠碳原子扩散，形成局部的贫碳或富碳而促进相变的发生。亚结构切变和碳原子扩散迁移共同促进相变发生，半扩散型相变。转变温度低，扩散来不及进行，切变共格，无扩散型相变。碳原子扩散 有碳原子扩散，为扩散型相变。 有碳原子扩散，半扩散型相变。 一般认为，没有碳原子的扩散，切变型相变。铁及 Me 的扩散 有 无 无等温转变完全性 完全 视温度而定 不完全转变产物 FFe 3C FFe 3C 过饱和 主
5、要形态及亚结构片状，一片较粗的铁素体加一片渗碳体；或粒状。 PF 中几乎不存在碳，位错密度低，无孪晶。上 B 为羽毛状，即条状铁素体和分布于其间的细杆状碳化物；下 B 为针状，渗碳体在针内析出。BF 中有亚单元，位错密度高，有孪晶。低碳钢中呈板条状 M，亚结构为高密度位错；高碳钢中呈针状 M，亚结构为层错或孪晶；超高碳钢种呈闪电状、蝶状或枣核状。性能（强度、塑性） 强度低，但塑性好。F能够缓解应力集中。上 B 硬而脆，下 B 强度、硬度高。强度、硬度高，但塑性较差。应用：GCr15 系轴承钢的制备工艺为：下料锻造球化退火820840油淬150200回火最终材料表面硬度大于 62元素含量：GCr
6、15 与 GCr15SiMn 的 C 含量为 0.951.05%，属于过共析钢，Cr 含量为 1.301.65%，而后者的 Si、Mn 含量较高。合金元素作用：GCr15 系轴承钢中的合金元素有 Cr、Si 和 Mn。Cr 的作用主要是提高钢的淬透性，钢种部分 Cr 溶于渗碳体中，增大其稳定性，使淬火加热时奥氏体晶粒不易长大；而溶于奥氏体中的 Cr 能够提高马氏体的回火稳定性。Cr 的加入能够有效地使钢在热处理后获得较高的硬度、强度和耐磨性。对大型轴承钢件而言，Si、Mn 的加入使淬透性进一步提高，适量的 Si 能提高钢的强度和弹性极限，淬火时不易产生开裂。热处理方式及作用：GCr15 系滚动
7、轴承钢的热处理主要是球化退火、淬火和低温回火。球化退火是预备热处理，其目的是获得粒状珠光体组织，使钢获得较低的硬度（HB207229） ，以保证易于切削加工获得较高的表面质量，并为淬火作组织上的准备。球化退火一般将钢加热到 790800，在 710720保温 34 小时，使得组织全部球化。淬火和低温回火是决定轴承性能的关键。如果淬火温度过高，会出现过热组织，使轴承的韧性和疲劳强度下降；温度过低，使得奥氏体中溶解的 Cr 量不足，影响淬火后硬度。由于 Cr 的加入使奥氏体稳定程度增加，C 曲线右移，临界冷却速度减小，可在油介质中淬火，减小淬火产生的应力。回火的作用是去除淬火时产生的应力，以提高韧
8、性、稳定零件尺寸。最终得到极细的回火马氏体组织和分布均匀的细粒状碳化物及少量残余奥氏体。为了进一步提高 GCr15 系轴承钢的淬透性、淬硬性、疲劳寿命和使用寿命，在GCr15SiMn 的基础上研发出 GCr15SiMo 轴承钢， Mo 的加入不仅提高淬透深度和硬度，还提高了材料的回火稳定性，最终使使用寿命较 GCr15SiMn 提高 2 倍。3. 除了珠光体相变还有哪些相变属于扩散型相变，请描述各自的形成特点。答：扩散型相变的形核与长大主要依靠原子进行长程扩散，相变依靠相界面的扩散移动而进行。因而，扩散在此类相变中起控制作用。除了珠光体相变外，纯金属的同素异构转变、脱溶转变、调幅分解和有序-无
9、序转变都属于扩散型相变。同素异构转变：纯金属在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变，如 Fe 的三种同素异构转变。脱溶转变：从单相区冷却经过溶解度饱和线进入两相区时，发生脱溶分解，即从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质原子聚集区已经亚稳定过渡相的过程。脱溶是一种扩散型相变，具有这种转变的基本条件是：合计在相图上有固溶度的变化，并且固溶度随温度的降低而减小。在温度较高是发生平衡脱溶，析出平衡第二相；而温度较低，则首先形成亚稳过渡相。合金在脱溶过程中，其机械、物理和化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。调幅分解：过饱和固溶体在一
10、定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。调幅分解是自发的脱溶过程，它不需要形核，而是通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的纳米尺度共格微畴，以连续变化的溶质原子富集区与贫化区彼此交替地均匀分布于整体中。有序-无序转变：某些替代式固溶体，当温度甚低时，不同种类的原子在点阵位置上呈规则的周期性排列，称有序相，而在某一温度以上，这种规律性就完全不存在了，称无序相。固溶体在这一温度（称为相变温度或居里点）发生的这种排列的规律性的产生或丧失，同时伴有结构的对称性的变化，被称为有序无序相变。许多固溶体在高温时，溶质与溶剂原子在点阵中的分布是随机的，而在低温时溶质原子与溶剂原子却分别
11、位于某些特定位置上，这种现象称为有序化或由无序到有序的转变。其开始发生有序化的温度称为有序化温度或有序化的临界点。有序化以后的固溶体称为有序固溶体，或称超点阵。4. 解析钢的各种强韧化方法。答：钢中的强韧化方法主要有以下四种机制。(1) 形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加
12、，根据公式 =bG1/2 ，可知强度与位错密度（ ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等） 。形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用
13、带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。(2) 固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。间隙原子、置换原子与位错相互作用形成柯氏气团，柯氏气团增加位错移动的阻力；溶质原子造成晶格畸变，增加位错移动的摩擦阻力，使强度提高，这就是固溶强化的机理。固溶强化规律：在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。方法：合金化，即加入合金
14、元素。(3) 第二相强化钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。网状特别是沿晶界析出的连续网状 Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。符合 s=0KS 0-1/2 的规律，S 0 片层间距。第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，符合 Gb的规律， 粒子之间的平均距离。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。方法：合金化，即加入合金元素，通
15、过热处理或变形改变第二相的形态及分布。(4) 细晶强化细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据 0n，应力集中越小，所以材料的强度越高。细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式s=0Kd -1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服强度（ s）越高。细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。基于以上四种强化方式，对于马氏体钢而言，可通过以下几种具体方式使材料强韧化。相变强化，通过切变产生大量位错；固溶强化，碳原子溶入间隙位置形成过饱和固溶体；时效强化，通过时效处理，使第二相粒子以碳化物的形式弥散析出；细晶强化，通过降低原始 A 晶粒大小和 M 板条间距，细化晶粒，提高强度。
