材料科学基础(课后习题讲解)

《材料科学基础(课后习题讲解)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础(课后习题讲解)（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,金属热处理原理与工艺,习题讲解,2,1-3 固态相变时形成新相的形状与过冷度大小有何关系？,3,1-3-1 固态相变时形成新相的形状与过冷度大小关系是（b ） （A）过冷度大时容易出现球状； （B）过冷度大时容易出现薄片状； （C）过冷度大时容易出现针状； （D）过冷度大时容易出现几何形态,1-3-2 固态相变时形成新相的形状与过冷度大小有很大的关系，一般过冷度大时新相的形态呈现出( 盘 )状；而过冷度比较小时，当新旧两相的比容差小时，新相的形态是（ 球状 ） ；当新旧两相的比容差大时，新相的形态是（ 针状 ）。,1-3-3 改错题,4,1-4 金属固态相变有哪些主要特征？那些因素构成相变

2、阻力？那些因素构成相变驱动力？,金属固态相变有哪些主要特征 新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊） 新相晶核与母相间的晶体学关系（有一定的位向关系、存在惯习面） 相变阻力大（应变能的产生） 母相晶体缺陷的促进作用 易出现过渡相 原子迁移率低,5,2. 那些因素构成相变阻力？ 界面能和应变能均是相变的阻力 应变能（由共格应变能和比容差应变能构成） 3.那些因素构成相变驱动力？ 均匀形核：新旧相的体积自由能差Gv 非均匀形核：Gv和Gd（缺陷消失释放能）,1-4-1 固态相变均匀形核的驱动力是（ c ） （A）界面能差； （B）应变能差； （C）新旧相的体积自由能差；（D）体系自由能差,6,2-

3、2 奥氏体晶核在什么地方优先形核？为什么？,界面两侧两相的碳含量相差很大（0.0218%和6.69%），因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏； 界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动能力较强，比较容易满足结构起伏； 界面上原子排列不规则，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较容易满足能量起伏； 同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。,在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释：,7,2-2-1 珠光体奥氏体化时奥氏体晶核优先形核的部位是( c ),（A）在铁素体内 ； （B

4、）在渗碳体内； （C）在铁素体和渗碳体相界上；（D）在珠光体团边界,8,2-5 为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩余？ 按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。,9,2-10 为什么对奥氏体晶粒长大及控制的研究对于热处理生

5、产具有重要的意义？,奥氏体晶粒的大小对钢的力学性能有至关重要的影响，奥氏体的晶粒越细小，冷却后奥氏体的转变产物的室温组织也越小，钢的强度和韧性也越好； 确定热处理的加热方式； 确定热处理的加热温度和保温时间,10,3-2 试对珠光体片层间随转变温度的降低而减少做出定性的解释。,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降时，过冷度T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），所以片层间距离S与T成反比关系。 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GV不变，GS增加，必然使相

6、变驱动力过小，而使相变不易进行。可见，S与T必然存在一定的定量关系。,11,3-4 为什么说珠光体转变是以扩散为基础并受扩散所控制？, + Fe3C 碳含量C% 0.77 0.0218 6.69 晶格类型 面心立方 体心立方 复杂斜方,珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程： 一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体； 另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。,12,3-17 说明先共析铁素相不同形态及形成条件,先共析相为块状组织：长大受扩散控制，新旧相的界面是非共格界面，含碳量远离共析成分； 先共析相为片状组织（魏氏组织）：先共

7、析相与奥氏体的界面时共格或半共格界面，中低碳钢，冷却速度适中； 先共析相为网状组织：碳含量靠近共析成分，奥氏体晶粒粗大，冷却速度慢。,13,3-23 说明球化退火的目的，并解释常用的三种球化退火工艺。,共析钢和过共析钢球化退火得到球状珠光体组织，具有低的硬度和高的塑性以便进行切削加工。,14,3-27 说明正火的目的和应用范围。为了获得最佳的切削加工性，为什么对不同碳含量钢要选用不同的热处理工艺？,目的: 消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3C（除网）。 2.最终热处理:用于力学性能要求不

8、 高的普通零件。,15,4-1 试说明钢中马氏体的晶体结构，马氏体的正方度取决于什么？为何出现反常正方度？,1. 马氏体的晶体结构类型有两种： 体心立方结构（WC0.2%）,（a）C原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置； （b）C原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况；,2。马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方度愈大。,16,4-2 马氏体传变有哪些特点？,马氏体转变的非恒温性 马氏体转变的切变共格性和表面浮凸现象 马氏体转变的无扩散性 马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面 马氏体转变的可逆性,17,4-4 简述钢中马氏体结构特征、晶体学特点和力学性能,18,1、奥氏

9、体化学成份的影响 （1）碳的影响,在含碳量小于0.6%左右时Mf比Ms的下降更为显著。因而扩大了马氏体的转变温度范围；当碳含量大于0.6%时， Mf 下降很缓慢，且因Mf点已降到0以下，致使这类钢在淬火冷至室温的组织中将存在较多的残余奥氏体。,（2）合金元素的影响 一般规律：钢中常见的合金元素，除Al和Co可以提高Ms外，其它合金元素均使Ms 降低。,2、奥氏体化条件对Ms的影响 在完全奥氏体条件下，温度高时间长，将使Ms有所提高（约在几度到几十度范围内）,4-5 影响Ms点的主要因素有哪些？,19,3、冷却速度的影响 在一般的生产条件下，冷却速度对Ms无影响。,、形变的影响 在Md 、Ms之

10、间对奥氏体进行塑性变形，可使Ms升高，马氏体转变提前发生。,5、应力的影响 单向的拉应力和压应力都促进马氏体转变，使Ms升高。 多向压应力阻碍马氏体转变，使Ms降低。,6、磁场的影响 磁场的存在可使Ms升高，在相同温度下马氏体转变量增加，但磁场对Ms以下的转变行为无影响。,20,4-9 影响马氏体的强韧性的因素有哪些？,一、强度 1、相变强 2、固溶强化 3、时效强化 4、其他强化因素 ：a)、亚结构 b)、奥氏体晶粒度,二、马氏体的韧性： 马氏体的韧性也主要取决于马氏体的碳含量和亚结构,21,5-1 试述贝氏体组织分类、形貌特征及形成条件,22,5-2 试比较珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特

11、征,23,5-7 贝氏体的机械性能与等温温度的关系如何？试分析影响贝氏体机械性能的因素,贝氏体的机械性能决定于其组织形态。等温温度对组织和性能有重要影响，一般来说，下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性差。,24,（一）影响贝氏体强度的因素有： 1、贝氏体铁素体条或片的粗细 如果将贝氏体条（片）的大小看作是贝氏体的晶粒，则可用Hall-Petch的关系式估算贝氏体的强度。即贝氏体铁素体的晶粒直径越细小，则其强度越高。,2、弥散碳化物质点 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对下贝氏体强度的贡献也较大；而上贝氏体中碳化物颗粒较粗，且分布在铁素条间，分布极不均匀，

12、所以上贝氏体的强度要比下贝氏体低得多。,3、其它因素的强化作用 对贝氏体的强化，铁素体晶粒的细化强化和碳化物的弥散强化是主要的。其它如碳和合金元素的固溶强化和位错亚结构的强化，也有一定的作用。,（二）贝氏体的韧性 可以看出下贝氏体的韧性优于上贝氏体。从整体上看随贝氏体的形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加，这是贝氏体组织力学性能变化的重要特点，也是人们对贝氏体组织感兴趣的主要原因。,25,6-2 IT图有哪些基本类型？主要受哪些因素影响？为何从不同资料中查到的同一钢种的IT图难免会有一定的差别？,26,影响奥氏体等温转变图的因素 1、化学成分 （1）碳含量的影响 对珠光体

13、部分：亚共析钢，随碳含量的增加C曲线右移。 过共析钢，随碳含量的增加C曲线左移。 对贝氏体部分：随碳含量的增加C曲线总是右移的。 （2）合金元素的影响 一般规律：除Co、Al以外，常用的合金元素均增加过冷奥氏体的稳定性，推迟转变和降低转变速度，使等温转变曲线右移，延长过冷奥氏体转变开始和终了时间，对P和B转变有分离作用。Al的作用，对B转变与Co相同。,27,2、奥氏体晶粒尺寸的影响 A晶粒愈细小，等温转变的孕育期愈短，加速过冷A向P的转变，对B转变有相同的作用，但不如对P的作用大，相反A晶粒粗大将C曲线右移。 3、原始组织、加热温度和保温时间的影响 在相同的加热条件下，原始组织越细，越容易得

14、到均匀的A，使等温转变曲线右移，Ms降低。 当原始组织相同时，提高A化温度，延长保温时间，将促进碳化物溶解，也会使C曲线右移。 4，塑性变形的影响 无论高温和低温塑性变形，均加速过冷A的转变。 原因：未经变形的A向P转变时仅在晶界形核，而变形后，过冷A在等温转变时，可出现晶内形核。,28,从纵轴由A1开始作冷却曲线与TTT图开始线相切，该冷却曲线所代表的冷却速度VC，可用下式描述：,考虑到CCT图位于TTT图的右下方，将上式修正，即得到近似的VC：,注意：只适用于VC决定抑制P转变的临界冷却速度的情况。,6-5 何谓淬火临界速度？如何用IT图进行估计？,淬火临界速度：保证过冷奥氏体不发生分解而

15、全部得到马氏体的最小冷却速度。,29,6-5 钢的CT曲线为何总是处于IT曲线的右下方？,钢在连续转变时的转变过程是在一个温度范围内，随着冷却温度的降低原子的扩散速度减慢，转变过程相对于同温度的等温转变向下转移； 相对于同温度的等温转变过冷奥氏体的转变推迟，孕育期延长.,30,7-2 淬火加热温度确定的基本原则是什么？在实际生产厂中根据某些具体情况应怎样进行调整？是举例加以说明,淬火加热温度确定应考虑钢的化学成分、工件尺寸和形状、技术要求、奥氏体的晶粒长大倾向、淬火介质和淬火方式。,对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（3050)，过共析钢则为Ac1+(3050)。之所以这样确定，因为对

16、亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。比Ac3点高3050的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。 对过共析钢来说，淬火加热温度在Ac1Ac3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体(孪晶马氐体)，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。高于Ac1点3050的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于Ac1。,31,在规定条件下，钢在淬火时获