固态相变的合金能扩散退火

合金中的扩散与相变习题（相变部分）

1. 名词解释

形核驱动力、相变驱动力，调幅分解、惯析面、连续脱溶、不连续脱溶、热弹性马氏体。

2（1）如果不考虑畸变能，第二相粒子在晶内析出是何形态？在晶界析出呢？（2）如果不

考虑界面能，析出物为何种形态？是否会在晶界优先析出呢？

3 已知?、?、?、?相的自由能-成分曲线如图所示，

G γ 从热力学角度判断浓度为C0的?相及?相应析出的相，

δ

并说明理由，同时指出在所示温度下的平衡相（稳定相） α

β 及其浓度。

4 指出固溶体调幅分解与形核分解两之间的的主要区别。

C0 B A

5 假设将0.4%C的铁碳合金从高温的单相γ状态淬到

750℃时，从过冷γ中析出了一个很小的α晶核.试回答:

(1) 在Fe-Fe3C相图下方,作出α、γ、Fe3C在750℃的自由能-成分曲线。 (2) 用作图法求出最先析出晶核的成分，并说明之。

‘’

6 沉淀相θ呈圆盘状，厚度为2.0 nm，其失配度δ约为10%。已知弹性模量E=7×1010Pa，共格界面因失配而造成的一个原子应变能为?V?3VE?2（V为一个原子所占体积）。今假2‘’

设共格破坏后的非共格界面能为0.5J/m2，求共格破坏时θ

圆盘的直径。

合金中的扩散与相变习题（相变部分）

1. 名词解释

形核驱动力、相变驱动力，调幅分解、惯析面、连续脱溶、不连续脱溶、热弹性马氏体。

2（1）如果不考虑畸变能，第二相粒子在晶内析出是何形态？在晶界析出呢？（2）如果不

考虑界面能，析出物为何种形态？是否会在晶界优先析出呢？

3 已知?、?、?、?相的自由能-成分曲线如图所示，

G γ 从热力学角度判断浓度为C0的?相及?相应析出的相，

δ

并说明理由，同时指出在所示温度下的平衡相（稳定相） α

β 及其浓度。

4 指出固溶体调幅分解与形核分解两之间的的主要区别。

C0 B A

5 假设将0.4%C的铁碳合金从高温的单相γ状态淬到

750℃时，从过冷γ中析出了一个很小的α晶核.试回答:

(1) 在Fe-Fe3C相图下方,作出α、γ、Fe3C在750℃的自由能-成分曲线。 (2) 用作图法求出最先析出晶核的成分，并说明之。

‘’

6 沉淀相θ呈圆盘状，厚度为2.0 nm，其失配度δ约为10%。已知弹性模量E=7×1010Pa，共格界面因失配而造成的一个原子应变能为?V?3VE?2（V为一个原子所占体积）。今假2‘’

设共格破坏后的非共格界面能为0.5J/m2，求共格破坏时θ

圆盘的直径。

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） 2） 3）

相变能否进行，相变的方向 相变进行的途径及速度

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

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） 2） 3）

相变能否进行，相变的方向 相变进行的途径及速度

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

第一章

（1）一、固态相变：（包括纯金属及合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化的统称，是以材料热处

理的基础

二、热处理定义：将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加

工工艺。

三、按平衡状态图金属固态相变的类型分为平衡转变和不平衡转变

其变化在于三个方面：结构、成分、有序化程度（发生固态相变时，其中至少伴随这三种变化之一）： ⑴ 晶休结构的变化。如纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、马氏体转变、块状转变等； ⑵ 化学成分的变化。如单相固溶体的调幅分解；

⑶有序程度的变化。如合金的共析转变、包析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀、有序化转变、磁性转变、超导转

变等。

四、按动力学分类(原子迁移情况、形核和长大特点

1.扩散型相变 2 非扩散型相变 3半扩散型相变

（2）一、 1、固态相变的阻力大 2、新相一般有特定的形状 3、新相与母相之间往往存在特定的位

向关系和惯习面 4 原子迁移率低，多数相变受扩散控制 5 相变时容易 产生亚稳相 6 普遍存在新相的非均与形核

二、 固态相变与

固态相变的驱动力？两相自由焓之差哪些因素构成相变组里？界面能和畸变能组成 晶体缺陷对固态相变有何影响？

a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。

b 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。

扩散型相变化和无扩散型相变各有哪些特征？扩散型相变：旧相原子单个地、无序地、统计地跃过相界面进入新相，改变原子邻居关系；无扩散型相变：原子经集体的协同位移进入新相，保持原子共格关系。

晶粒长大的驱动力?晶粒长大时的晶界移动方向与晶核长大时的晶界移动方向有何不同？为什么？晶核长大的驱动力是新旧相自由焓之差（再结晶晶核长大的驱动力：储存能），晶粒长大的驱动力是界面能减少（再结晶晶粒长大的驱动力：界面能）；晶核长大晶界移动方向背向曲率中心，晶粒长大时的晶界移动方向指向曲率中心；驱动力不同导致界面移动方向不同:因为相同体积下，球形的表面积最小界面能最低，最为稳定。

单晶体在滑移时为什么还发生晶体转动？晶体

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？

固态相变理论

1.推导Johnson-Mehl方程。

设新相β在母相α中成核，并经过一段孕育期τ以后长大成球状， 新相半径：r?u(t??)

44一个新相体积：????r3??u3(t??)3

33dτ时间间隔内成核的β相数目为：VId?

?则这些新相长大到时间t时的转变体积：dVex?IVd???? ??所以不同时间内形核的β相在时间t的转变总体积：Vex ??dVex0t4??Vex??Iu3V??t???d??IVu3t4

033t?为扩张体积，重复计算 Vex①已转变的体积不能再成核

②新相长大到相互接触时，不能继续长大

?所以Vex?V?（真正的转变体积） ?为了校正Vex和V?的偏差 ?dVexdV??在dτ时间内有： ?VV?V??所以 dVexV?dV ?V?V?积分得：Vex??Vln(V?V?)?C ?初始条件：当t=0时，V??0,Vex?0

所以C?VlnV

?V?Vex??Vln??1?V????? ??V?ln??1?V???Vex?34?????Iut?V3 ???V?????1?exp??Iu3t4? V?3?

2.奥氏体形核时需要过热度△T，那么金属熔化时（S-L）,要不要过热度，为什么？

由热力学可知，在某

固态相变试卷

一、选择题(单项选择) 每题2分，共30分

1、在A,B两组元组成的置换固溶体中，若ra>rb，两组元的热力学因子FA?1???dln?dlnXAA??和?

FB?1?????之间的关系是：

dlnXB?dln?B A) FA>FB B) FA

?r??的扭距项，才能维持晶界不动。那么多晶体平

衡时，不同晶界的扭矩项是靠 A) 晶界热激活提供 B) 晶界的相互作用提供 C) 晶界上的第二相提供 D) 晶界上的杂质原子提供 8、再结晶的驱动力和晶粒长大的驱动力 A) 相同，因为是同一过程的两个阶段 B) 相同，因为它们的驱动力都是减少系统界面能 C) 不同，因为再结晶驱动力是消除晶粒中的应变能，而晶粒长大是减少界面能 D) 不同，因为再结晶的驱动力是减少晶粒的界面能，而晶粒长大是减少体积自由能 9、若?+?两相合金中，?和?之间是K-S位相关系，则?/?相界是 A) 完全共格界面 B) 由小台阶组成的复杂半共格界面 C) 由小台阶组成的非共格界面 D) 平直的半共格界面 10、Al-Ag系中GP区是球状，而Al-Cu系中GP区是层状，这是因为 A) Al-Ag系中GP区错配度?为正值,

第一章

从铁碳合金相图中知道，碳素钢在加热和冷却过程中，经过PSK（A1）线，发生珠光体向奥氏体的相互转变，经过GS（A3）线，发生铁素体向奥氏体的相互转变，经过ES（Acm）线，发生渗碳体向奥氏体的转变。所以任一含碳量的碳素钢，其在缓慢加热和冷却过程中固态组织转变的临界点，就是依据A1、A3和Acm线确定。共析钢仅有一个临界点A1，亚共析钢有两个临界点A1和A3点，过共析钢也有两个临界点A1和Acm点。A1、A3和Acm均为平衡临界点，实际转变过程不可能在平衡临界点进行，为示区别，将加热转变点以C

表示，冷却转变点以r表示。% d% a% @, g. u2 i5 `, a' P; }

开始转变

AC1——加热时 P A 温度: {8 M p5 }8 y! C/ ~

开始转变

Ar1——冷却时 A P 温度8 a# Q- s\

) {2 N1 Y/ i/ f' Q9 j& g# S# U2 f

全部转变

AC3——加热时 F A 终了温度

开始析出

Ar3——冷却时 A