第四章马氏体转变
概述
钢经奥氏体化后，快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变，为马氏体转变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段之一。因此，马氏体转变理论的研究与热处理实践有着十分密切的关系。
早在战国时期，人们已经知道可以用淬火，即将钢加热到高温后淬入水或油中急冷的方法提高钢的硬度。经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。但是在当时，对于淬火能提高钢的硬度的本质还不清楚。直到十九世纪未期，人们才知道，钢在加热与冷却过程中，内部相组成发生了变化，因而引起了钢的性能的改变。为了纪念在这一发展过程中作出杰出贡献的德国冶金学家Adolph Martens（阿道夫，马顿斯），法国著名的冶金学家Osmond（奥斯门德）建议将钢经淬火所得高硬度相称为马氏体，并因此而将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。马氏体的英文名称为-Martensite，常用M表示。
由于钢在生产上得到了最广泛的应用以及马氏体转变最先在钢的淬火过程中发现，因此，在十九世纪未，二十世纪初对马氏体的研究，主要局限于研究钢中的马氏体转变及转变所得的马氏体。
二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析方法测得钢中马氏体是C溶于α-Fe而形成的过饱和固溶体。马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳。因此，曾一度认为所谓马氏体即碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。
对于马氏体转变的研究，初期着重于了解马氏体转变与钢中其它转变的不同点，正是由于观察到了一系列不同于其它转变的特点，曾经有人认为马氏体转变与其它转变不同，是一个由快冷造成的内应力场所引起的切变过程。
四十年代后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到了冷却过程中发生的马氏体转变，还观察到了加热过程中所发生的马氏体逆转变。新观察到的马氏体转变的特征和钢中马氏体转变的特征相似，基于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修正为：凡相变的基本特征属于马氏体型的产物统称为马氏体。六十年代以来，由于电子显微镜技术的发展，揭示了马氏体的精细结构，使人们对马氏体的成分、组织结构和性能之间的关系有了比较清晰的概念，对马氏体的形成规律也有了进一步的了解。
在此期间，在了解了马氏体转变和其它转变不同点的基础上又进一步了解了马氏体转变和其它转变的共同点。由于确定了马氏体转变与一般固态转变之间的一系列共同特征，使我们有可能从固态相变的一般规律来考虑马氏体转变，而在马氏体转变进行的条件中去寻求马氏体转变与一般固态转变不同点的原因。
近年来，由于实验技术的进一步发展，使我们对马氏体的结构及马氏体转变的特征，又有了进一步的了解，对许多现象的认识也有了很大的进步，并因此而推动了热处理新工艺及新材料的发展。其中，最为脍炙人口的是，在热弹性马氏体的基础上发展起来的形状记忆合金。但是，我们应当看到，转变时成分不发生改变，仅仅是点阵发生改组，这种貌似简单的马氏体转变是相当复杂的。目前还有许多问题很不清楚，还有待于人们进一步研究。
4.1 钢中马氏体的晶体结构
4.1.1 马氏体的晶体结构
一、马氏体的晶格类型
Fe-C 合金的马氏体是C 在α-Fe
中的过饱和间隙固溶体。X-射线衍射
分析证实，马氏体具有体心正方点阵
（点阵常数之间的关系为：a=b ≠c ，
α=β=γ=90° c/a-称为正方度）。人
们通过X-射线衍射分析法，测定不同
碳含量马氏体的点阵常数，得出c 、a
及c/a 与钢中碳含量成线性关系，由
图7可见，随钢中碳含量升高，马氏
体点阵常数c 增大，a 减小，正方度c/a 增大。图中a γ为奥氏体的点阵常数。马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示：
????
?
+=-=+=γρβραρ1/00a c a a a c
式中 a 0为α-Fe 的点阵常数， a 0=2.861?；
α=0.116±0.002；
β=0.113±0.002；
γ=0.046±0.001；
ρ—马氏体的碳含量（重量百分数）。
图4－7 奥氏体与马氏体点阵常数和碳含量的关系
图4－8 奥氏体a)与马氏体b)的点阵结构 及溶于其中的碳原子所在的位置
显然，系数α和β的数值确定着C 原子在α-Fe 点阵中引起的局部畸变。
上式所表示的马氏体点阵常数和碳含量的关系，长期以来，曾为大量研究工作所证实，并且发现这种关系对合金钢也是适用的。马氏体的正方度c/a ，甚至已被成功地作为马氏体碳含量定量分析的依据。
二、碳原子在马氏体点阵中的位置及分布
C 原子在中α-Fe 可能存在的位置是铁原子构成体心立方点阵的八面体间隙位置中心。在单胞中就是各边中央和面心位置，如图4－8所示。体心立方点阵的八面体间隙是一扁八面体，其长轴为2a ，短轴为c 。根据计算，α-Fe 中的这个间隙在短轴方向上的半径仅0.19?，而C 原子的有效半径为0.77?。因此，在平衡状态下，C 在α-Fe 中的溶解度极小（0.006%）。一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值。因此，势必引起点阵发生畸变。图4－9中只指出了C 原子可能占据的位置，而并非所有位置上都有C 原子存在。这些位置可以分为三组，每组构成一个八面体，C 原子分别占据着这些八面体的顶点，通常把这三种结构称之为亚点阵。图中a ）称为第三亚点阵，C 原子在c 轴上；b ）称为第二亚点阵，C 原子在b 轴上；c ）称为第一亚点阵，C 原子在a 轴上；如果C 原子在三个亚点阵上分布的机率相等，即无序分布，则马氏体应为立方点阵。事实上，马氏体点阵是体心正方的，可见C 原子在三个亚点阵上的分布机率是不相等的，可能优先占据其中某一个亚点阵，而呈现为有序分布。
通常假设马氏体点阵中的C 原子优先占据八面体间隙位置的第三亚点阵，即C 原子平行于[001]方向排列。结果使c 轴伸长，a 轴缩短，使体心立方点阵的α-Fe 变成体心正方点阵的马氏体，研究表明，
并不是所有的C 原子都占据第三亚点阵的位置，通过中子辐照分析
的结论是近80%的C 原子优先占据第三亚点阵，而20%的C 原子分布其他两个亚点阵，即在马氏体中，C 原子呈部分有序分布。
4.1.2 马氏体的异常正方度
人们研究马氏体时发现，对许多钢中“新形成的马氏体”，正方度与碳含量的关系并不符合上述公式。有的与公式相比较，正方度相当 图4－9 C 原子在马氏体点阵中的可能位置构成的亚点阵
低，称为异常低正方度。有的与公式相比较，正方度相当高，称为异常高正方度。异常低正方度马氏体的点阵是正交对称的，即a≠b。而异常高正方度马氏体的点阵是正方的，即a=b。并且发现异常正方度与公式计算的正方度的偏差随钢C含量升高而增大。人们由此推测，马氏体的异常正方度现象可能与C原子在马氏体点阵中的某种行为有关。
在普通碳钢新形成的马氏体中及其他具有异常低正方度的新形成马氏体中，C原子也都是部分无序分布的。正方度越低，则无序分布程度越大，有序分布程度越小。只有异常高正方度马氏体中，C原子才接近全部占据八面体间隙的第三亚点阵。但是，计算发现，即使全部C原子占据第三亚点阵，马氏体的正方度也不能达到实验中所测得的异常正方度。因此，有人认为，在某些钢中马氏体的异常正方度还与合金元素的有序分布有关。
按上述模型，我们不难解释，具有异常低正方度的新形成马氏体，因其C原子是部分无序分布的，因而正方度异常低。正因为部分无序分布，所以有相当数量的碳原子分布在第一、第二亚点阵上，当它们在这两个亚点阵上的分布机率不等时，必引起a≠b，而形成了正交点阵。在温度回升到室温时，C原子重新分布，有序程度增大，故正方度增大，而正交对称性逐渐减小，以至消失。因此，新形成马氏体的正方度变化，是C原子在马氏体点阵中重新分布引起的。这个过程就是C原子在马氏体点阵中的有序-无序转变。这个转变的动力是C原子只在八面体间隙位置的一个亚点阵上分布时具有最小的弹性能。这与理论计算结果符合。
近几年发现经中子流、电子流、-射线辐照的马氏体有正方度的可逆变化。辐照后，正方度下降，随后在室温时效几个月，正方度复又上升。这种可逆变化可以被认为是C原子有序-无序转变过程存在的有力证明。马氏体经辐照后，由于缺陷密度升高，使C原子发生重新分布，部分C原子离开第三亚点阵向点阵缺陷处偏聚，因而正方度下降。时效时，由于点阵缺陷的密度下降，C原子又逐渐回到第三亚点阵上，因此正方度又逐渐上升。
4.2马氏体转变的主要特征
马氏体转变是在低温下进行的一种转变。对于钢来说，此时不仅铁原子已不能扩散，就是碳原子也难以扩散。故马氏体转变具有一系列不同于加热转变以及珠光体转变的特征。这里只提出几个最重要的转变特征，其它特征将在以后各有关的章节内讨论。
（一）马氏体转变的非恒温性
必须将奥氏体以大于临界冷却速度的冷却速度过冷到某一温度才能发生马氏体转变。也就是说马氏体转变有一上限温度。这一温度称为马氏体转变的开始温度，也称为马氏体点，用M S 表示。不同材料的M S 是不同的。当奥氏体被过冷到M S 点以下任一温度，不需经过孕育，转变立即开始，且以极大的速度进行，但转变很快停止，不能进行到终了如下图4－1所示。为了使转变能继续进行，必须降低温度，即马氏体转变是温度的函数，如图4－2所示，而与等温时间与无关，或者说，马氏体量只取决于冷却所达到的温度。当温度降到
某一温度以下时，虽然马氏体转变未达到100%，但转变已不能进行。该温度称为马氏体转变终了点，用M f 表示（图4－2）。如某钢的M S 高于室温而M f 低于室温，则冷却至室温时还将保留一定数量的奥氏体，称为残余奥氏体。如果继续冷至室温以下，未转变的奥氏体将继续转变为马氏体直到M f 点。深冷至室温以下在生产上称为冷处理。马氏体的这一特征称为非恒温性。
对于某些M S 点低于0℃的Fe-Ni-C 等合金来说，当过冷至M S 点以下时，马氏体可能爆发形成，即最初形成的马氏体有可能促发一定数量的奥氏体转变为马氏体，未转变的奥氏体样必须在继续冷却的情况下才能转变，且有可能再次爆发形成。在此情况下，马氏体转变量与温度的关系如图4－3所示。
也还有少数M S 点低于0℃的合金，如
Fe-Ni-Mn ，Fe-Ni-Cr 以及 图4－
1 马氏体等温转变曲线 图4
－2 马氏体转变与温度的关
图4－3 爆发式转变时的马氏体转变量与温度的关系
图4－4 Fe-23%Ni-3.7%Mn 合
金马氏体等温转变动力学曲线
高碳高锰钢等可以发生马氏体等温度转变。其动力学特征与珠光体等温转变很相似，也有“C ”型曲线（图4－4），不同点是等温转变量不多，转变不能进行到底。
（二）马氏体转变的切变共格与表面浮凸现象
马氏体转变时能在预先磨光的试样表面上形成有规则的表面浮凸，这表明马氏体转变是通过奥氏体的均匀切变进行的。奥氏体中已转变为马氏体的部分发生了宏观切变而使点阵发生改组，且带动靠近界面的还未转变的奥氏体也随之而发生了弹塑性切应变（图4－5a ），故在磨光表面出现部分突起部分凹陷的浮凸现象。如转变前在试样磨光表面刻一直线划痕STS ˊ，则转变后在表面产生浮凸时该直线既不弯曲，也不折断，而是形成了折线ST ˊTS ˊ如图3－5b ）。这也表明马氏体转变是通过切变进行的，直线划痕在界面不折断、在晶内不弯曲表明转变时，界面两侧的马氏体和奥氏体既未发生相对转动，该界面也未发生畸变，故该界面被称为不变平面。在新形成的马氏体片内的线段TT ˊ仍保持直线，只是长度有所改变。这表明，原奥氏体中的任一平面在转变成马氏体后仍为一平面。在转变时所发生的具有这一特点的应变只能是均匀应变，意即任何一点的位移与该点距不变平面的距离成正比的应变。这种在不变平面上所产生的均匀应变被称为不变平面应变。图4－6是三种不变平面应变，底面均为不变平面，第一种为简单的膨胀或压缩；
第二种为切变；第三种既有膨
胀又有切变，钢中马氏体转变
即属于这一种。
显然，界面上的原子的排
列规律既同于马氏体，也同于奥氏体，这种界面称为共格界
面。但不变平面可以是相界
面，如孪晶面，也可以不是相
界面。如图4－5的中脊面为
不变平面，但不是相界面，界
面是ABML 及DCNO 。为维
持这种界面关系，界面两侧的
奥氏体与马氏体必定要产生弹性切变。这种依靠弹性切变维持的共格称为第二类共格。 共格界面的界面能较非共格界面小，但由于靠切变维持的第二类共格在界面两侧都有弹性切应变，故又增加了一部分应变能。
（三）马氏体转变的无扩散性
图4－5
马氏体转变引起的表面浮凸的示意图 图3－6 三种不变平面应变，虚线为变形前形状，实线为变
形后形状，箭头表示变形方向，底为不变平面 a)膨胀（或压缩） b)切变 c)切变加膨胀
马氏体转变只有点阵改组而无成分的改变。如钢中的奥氏体转变为马氏体时，只是点阵由面心立方通过切变改组成体心立方（或体心正方），而马氏体的成分与奥氏体的成分完全一样，且碳原子在马氏体与奥氏体中相对于铁原子保持不变的间隙位置。这一特征称为马氏体转变的无扩散性。
无扩散并不是说转变时原子不发生移动，马氏体转变时出现浮凸说明原子不仅有移动，而且产生了肉眼能观察到的移动。所谓无扩散，指的是母相以均匀切变方式转变为新相。相界向母相推移时，原子以协作方式通过界面由母相转变为新相，类似于排成方阵的士兵以协作方阵变换成棱形。因此这样的转变被形象地称为军队式转变（military transformation）。此时每一个原子均相对于相邻原子以相同的矢量移动，且移动距离不超过原子间距，移动后仍保持原有的近邻关系。但如图4－5及图4－6所示，相隔距离较远的原子之间的相对位移可以为肉眼所观察到。扩散性相变则与此不同，相界面向母相推移时，原子以散乱方式由母相转移到新相，每一个原子移动的方向都是任意的，相邻原子的相对位移超过原子间距，原子的相邻关系遭到破坏。加热转变及珠光体转变时新相通过大角晶界的迁移长入与其无位向关系的母相即属于这种转变。这样的转变被形象地称为平民式转变（civilian transformation）。
以下三个试验证实了，马氏体转变的无扩散性。
1、具有有序结构的合金，发生马氏体转变之后，有序结构
不发生变化。
2、碳钢中马氏体转变前后C的浓度没有变化，奥氏体和马氏体的成分一致，仅发生晶格改组。而且，碳原子在铁原子中的间隙位置保持不变。
3、马氏体可以在相当低的温度范围内进行，并且转变速度极快。例如，Fe-C和Fe-Ni合金中，在-20~-196℃之间，每片马氏体的形成时间约为5×10-5~5×10-7s。甚至在4K时，形成速度仍然很高。在这样低的温度下，原子扩散速度极小，转变已不可能以扩散方式进行。（四）马氏体转变的位向关系及惯习面
1、位向关系
马氏体转变的晶体学特征是，马氏体与母相之间存在着一定的位向关系，这是由马氏体转变的切变机构所决定的。在钢中已经观察到的位向关系有K—S关系、西山关系和G—T关系。
（1）K—S关系（库尔久莫夫和萨克斯关系）
库尔久莫夫和萨克斯用X-射线结构分析方法测得含1.4%碳的碳钢中的马氏体与奥氏体之间存在着下列位向关系，称为K—S关系。
{110}αˊ∥{111}γ<111>αˊ∥<110>γ
按照这样的位向关系，马氏体在母相
中可以有24个不同的取向。如图4-11所
示，在每个{111}
γ面上，马氏体可能有六
种不同的取向，而立方点阵中有四个不同
的{111}
γ，因此共有24个可能的取向。
（2）西山（Nishiyama）关系
西山在测定Ni30%的Fe-Ni合金中的
马氏体与奥氏体之间的位向关系时发现，
在室温以上形成的马氏体与奥氏体之间存
在K—S关系，而在-70以下形成的马氏体
与奥氏体之间存在以下的位向关系，称为西山关系：
{110}αˊ∥{111}γ<110>αˊ∥<112>γ
在奥氏体的每个{111}上，各有三个不同的<112>方向。在每个方
向上，马氏体只可能有一个取向，故每个{111}
γ面上只能有三个不同
的马氏体取向，四个{111}
γ面共有12个可能的马氏体取向，如图4－12所示。
图4－13是西山关系和K—S关系的比较。可以看出，晶面的平行关系相同，而平行方向却有5°16ˊ之差。
（3）G—T（Greniger Troiano）关系（格伦宁格特赖雅诺）Greniger和Troiano精确测量了Fe-0.8%C-22%Ni合金的奥氏体与马氏体的位向，结果得出，二者之间的位向接近K—S关系，但略有偏差，称为G—T关系：
{110}αˊ∥{111}γ差1°<111>αˊ∥<110>γ差2°
2、惯习面
马氏体晶粒的外形可以有多种形态，或呈透镜片状，或呈板条状。实验证明，马氏体转变不仅新相和母相有一定的位向关系，而且马氏
其差在几度之内，
并且以平行惯习面的母相晶面指数来表
图4－11 钢中马氏体在奥氏体（111）
面上形成时可能有的取向
图4－12 钢中马氏体在（111）γ面上形
成时可能有的三种不同的西山取向
图4－13 西山关系与K—S关系的比较
示，如图3－10所示。此惯习面即前面所说
的马氏体转变的不变平面。对于透镜片状马
氏体来说，即马氏体片的中脊面。钢中马氏
体的惯习面随奥氏体的碳含量及马氏体的形
成温度而异，常见的有三种：（111）γ、（225）
γ、
（259）γ。含碳量小于0.6%时，为（111）γ；含碳量在0.6~1.4%之间，为（225）γ；含
碳量高于1.4%时，为（259）γ。随马氏体形成温度下降，惯习面有向高指数变化的趋势，
故对同一成分的钢，也可能出现两种惯习面，如先形成的马氏体惯习面（225）γ为，而后形成的马氏体惯习面为（259）γ。
（五）马氏体转变的可逆性
在某些铁合金中，奥氏体冷却时转变为马氏体，重新加热时，已形成的马氏体又可以逆马氏体转变为奥氏体，这就是马氏体转变的可逆性。一般将马氏体直接向奥氏体转变称为逆转变。逆转变开始点用A S 表示，逆转变终了点用A f 表示。通常A S 温度比M S 温度为高。 在Fe-C 合金中，目前尚未直接观察到马氏体的逆转变。一般认为，由于含碳马氏体是C 在α-Fe 中的过饱和固溶体，加热时极易分解，因此在尚未加热到A S 点时，马氏体就已经分解了，所以得不到马氏体的逆转变。因此有人认为，如果以极快的速度加热，使马氏体在未分解前即已加热到A S 以上，则有可能发生逆转变。曾有人以3000℃/S 的速度加热进行研究，只得到了一些初步的结果，尚不能完全证实合金Fe-C 中马氏体逆转变的存在。
还可以列举一些其他的马氏体相变特点。但是，应该说明，马氏体相变区别于其他相变的最基本的特点只有两个：一是相以共格切变方式进行，二是相变的无扩散性。所有其他特点均可由这两个基本特点派生出来。有时，在其他类型相变中，也会看到个别特点与马氏体相变特点相类似，比如在贝氏体转变中也会观察到表面浮凸现象，但这并不能说明它们也是马氏体相变。
4.3
钢及铁合金中马氏体的组织形态
淬火获得马氏体组织，是钢件达到强韧化的重要基础。由于钢的种类、成分不同，以及热处理条件的差异，会使淬火马氏体的形态和内部精细结构及形成显微裂纹的倾向性等发生很大变化。这些变化对马氏体的机械性能影响很大。因此，掌握马氏体组织形态特征并进而了解影响马氏体形态的各种因素是十分重要的。
图3－10 马氏体惯习示意图
4.3.1 马氏体的形态
近年，随着薄透射电子显微技术的发展，人们对马氏体的形态及其精细结构进行了详细的研究，发现钢中马氏体形态虽然多种多样，但就其特征而言，大体上可以分为以下几类。
一、板条状马氏体
板条状马氏体是低、中碳钢，
马氏体时效钢，不锈钢等铁系合
金中形成的一种典型的马氏体组
织。低碳钢中的典型组织如图4
－14所示。
（1）显微组织
马氏体呈板条状，一束束排
列在原奥氏体晶粒内。因其显微
组织是由许多成群的板条组成，
故称为板条马氏体。对某些钢因
板条不易浸蚀显现出来，而往往呈现为块状，所以有时也称之为
块状马氏体。又因为这种马氏体的亚结构主要为位错，通常也称为位
错型马氏体。这种马氏体是由若干个板条群组成的，也有群状马氏体之称。每个板条群是由若干个尺寸大致相同的板条所组成，这些板条成大致平行且方向一定的排列。
（2）晶体学特征
板条马氏体与母相奥氏体的晶体学位向关系是K —S 关系，惯习面为（111）γ，而18-8不锈钢中板条状马氏体的惯习面是（225）γ。 根据近年来的研究，板条马氏体显微组织的晶体学特征可以用图4－15表示。其中A 是平行排列的板条
状马氏体束组成的较大的区域，称为板
条群。一个原始奥氏体晶粒可以包含几
个板条群（通常为3~5）。在一个板条群
内又可分成几个平行的像图中B 那样的
区域。当用某些溶液腐蚀时，此区域有
时仅显现出板条群的边界，而使显微组
织呈现为块状，块状马氏体即由此而得
名。当采用着色浸蚀时（如用
100ccHCl+5gCaCl 2+100ccCH 3CH 溶液），
可在板条群内显现出黑白色调。同一色调区是由相同位向的马氏体板条组成图4－14 20CrMnTi 钢的淬火组织，板条马氏体
（1150℃加热，水淬）400×
图4－15 板条马氏体显微组织的晶体学特征
的，称其为同位束。按照K —S 位向关系，马氏体在母相奥氏体中可以有24个不同取向，其中能平行生成板条状马氏体的位向有六种，而一个同位束就是由其中的一种位向转变而来的板条。数个平行的同位向束即组成一个板条群。有人认为，在一个板条群内，只可能按两组可能位向转变。因此，一个板条群是由两组同位向束交替组成，这两组同位向束之间可以大角晶界相间。但也有一个板条群大体上由一种同位向束构成的情况，如图中C 所示。而一个同位向束又由平行排列的板条组成，如图中D 所示。
实验证明，改变奥氏体化温度，从而改变奥氏体晶粒大小，对板条宽度分布几乎不发生影响，但板条群的大小随着奥氏体晶粒的增大而增大，而且两者之比大致不变。所以一个奥氏体晶粒内生成的板条群数大体不变。
（3）亚结构
板条马氏体的特征是板条内有密度很高的位错。经电阻法测量其密度约为0.3~0.9×1012cm -2。此外，在板条内有时存在着相变孪晶，但只是局部的，数量不多，不是主要的精细结构形式。
二、片状马氏体
是铁系合金中出现的另一种典型的马
氏体组织，常见于淬火高、中碳钢及高Ni
的Fe-Ni 合金中。
（1）显微组织
高碳钢中典型的片状马氏体组织如图4
－16所示。这种马氏体的空间形态呈双凸
透镜片状，所以也称之为透镜片状马氏体。
因与试样磨面相截而在显微镜下呈现为针状或竹叶状，故又称之为针状马氏体或竹叶
状马氏体。片状马氏体的亚结构主要为孪
晶，因此又称其为孪晶型马氏体。
片状马氏体的显微组织特征是，马氏体
片大小不一，马氏体片不平行，互成一定夹
角。第一片马氏体形成时贯穿整个奥氏体晶
粒而将奥氏体分割成两半，使以后形成的马
氏体片大小受到限制，后形成的马氏体片逐
渐变小，即马氏体形成时具有分割奥氏体晶粒的作用。马氏体片的大小几乎完全取决于奥氏体晶粒的大小。如图
3－17所示。
片状马氏体常能见到有明显的中脊。关于中脊的形成规律目前尚不十分清楚。
图4－16 T12钢的过热淬火组织 （
1000℃加热，水淬）400× 图4－17 片状马氏体显微组织示意图
（2）晶体学特征
片状马氏体的惯习及位向关系与形成温度有关，形成温度高时，惯习面为（225）
γ，与奥氏体的位向关系为K—S关系；形成温度低时，惯习面、（259）
γ为，位向关系西山关系，可以爆发形成，马氏体片有明显的中脊。
（3）亚结构
片状马氏体的亚结构主要为相变孪晶，这是片状马氏体组织的重要特征。孪晶的间距大约为50?，一般不扩展到马氏体的边界上，在片的边际则为复杂的位错组列。一般认为这种位错是沿[111]αˊ方向呈点阵状规则排列的螺型位错。片状马氏体内的相变孪晶一般是（112）αˊ孪晶。但也发现了（110）αˊ孪晶与（112）αˊ孪晶混生的现象。孪晶方向为[11-1]αˊ。
片状马氏体内部亚结构的差异，可将其分为以中脊为中心的相变孪晶区（中间部分）和无孪晶区（在片的周围部分，存在位错）。孪晶区所占的比例随合金成分变化而异。在Fe-Ni合金中，含Ni量越高（M S点越低）孪晶区越大。根据Fe-Ni-C合金的研究表明，即使对同一成分的合金，随着M S点降低（如由改变奥氏体化温度引起）孪晶区所占的比例也增大。但相变孪晶的密度几乎不变。孪晶厚度始终约为50?。
板条状马氏体和片状马氏体是钢和合金中两种最基本、最典型的马氏体形态，他们的形态特征及晶体学特点对比列于下表中。
铁碳合金马氏体类型及其特征
三、 其他马氏体形态
（一）、蝶状马氏体
在Fe-Ni 合金或Fe-Ni-C 合金中，当马氏体在某一温度范围内形
成时，会出现具有特异形态的马氏体，如图4－18所示。这种马氏体的立体形状为细长杆状，其断面成蝴蝶状，故称碟状马氏体或蝴蝶状马氏体。蝶状马氏体的立体外形为V 形柱状，如图4－19。横截成则呈蝶状，两翼之间的夹角一般为136°。两翼的惯习面为{225}γ，两翼相交的结合面为{100}γ。与母相的晶体学关系大体上符合K-S 关系。在翼中可能有中脊,也可能没有中脊。两个{225}γ面的夹角除136°外，还有其它角度。现已发现，Fe-31%Ni 或Fe-29%Ni-0.26%C 合金在0~-60℃范围内形成蝶状马氏体，电镜研究确定其内部亚结构为高密度位错，看不到孪晶。在0~-20℃之间主要形成碟状马氏体，而在-20~-60℃之间则与片状马氏体共存。可见，对于上述两合金系，蝶状马氏体的形成温度范围是在板条状和片状马氏体的形成温度范围之间。
图4－18 蝶状马氏体（Fe-29Ni-0.26C ） 图4－19 蝶状马氏体的立体形状
蝶状马氏体的两翅接合部分象片状马氏体的中脊。有人设想是从此处开始向两侧沿不同位向长成马氏体（大概为孪晶关系），才呈现蝴蝶状。蝶状马氏体的接合部分，类似爆发形成的马氏体的两片接合部分，但其内部看不到孪晶，这与片状马氏体有很大差别。而从内部结构和显微组织看，蝶状马氏体与板条状较相近，但它并不成排地产生。到目前为止，关于蝶状马氏体不清楚的问题还很多。但它的形态特征和性能介于板条和片状马氏体之间，则是令人感兴趣的问题。
（二）、薄板状马氏体
在M S 点低于-100℃的Fe-Ni-C 合金中观察到了一种厚约3~10μm 的薄板状马氏体。这种马氏体的立体形态呈薄板状，与金相试样磨面相截得到宽窄一致的平直的带（图4－20）。薄板状马氏体可以曲折，分枝和交叉。薄板状马氏体的惯习为{259}γ，与奥氏体之间的位向关系为K —S 关系，内部亚结构为{112}α孪晶，孪晶的宽度随碳含量的升高而降低。平直的带中无中脊。
（三）、薄片状马氏体（εˊ马氏体）
上述各种马氏体的点阵均为体心立方或体心正方。
在层错能较低的Fe-Mn-C 或Fe-Cr-Ni 合金中有可能形成具有密排六方点阵的薄片状马氏体，称为εˊ马氏体，这种马氏体片极薄，仅1000~3000。惯习面为{111}γ，与奥氏体之间的位向关系为：{0001}εˊ∥{111}γ，<11-20>εˊ∥<1-10>γ。εˊ马氏体内的亚结构为大量层错。马氏体薄片沿{111}γ呈魏氏组织分布（图4－21）。
4.3.2 影响马氏体形态及内部亚结构的因素
钢中奥氏体可以转变成各种不同形态的马氏体。影响马氏体形态及其内部亚结构的因素很多，但到目前为止，还没有完全弄清楚哪些影响因素是主要的，哪些则是派生的。已经考虑到的影响因素有以下一些。
图4－20 薄板状马氏体（Fe-31Ni-0.23C ）
图4－21 薄片状εˊ马氏体（Fe-16.4Mn ）
一、化学成分的影响 母相奥氏体的化学成分是影响马氏体形态及其亚结构的主要因素。在奥氏体的化学成分中尤以碳含量最为重要。碳钢中含C0.3%以下为板条马氏体，C1.0%以上为透镜片状马氏体，C0.3~1.0%之间为板条马氏体与透镜片状马氏体的混合组织，如图3－22所示。由图中可见，碳含量小于0.4%的钢中基本没有残留奥氏体，M S 随碳含量的增高而下降，而孪晶马氏体量和残留奥氏体则随之升高。在Fe-Ni-C 合金中，马氏体的形态及亚结构也与含碳量有关，如图23。随含碳量增加，马氏体的形态由板条状往透镜片状及薄板状转化。按图中所示，透镜片状和薄板状马氏体的形成温度都随碳含量的增加而升高。 合金元素的影响：凡能缩小γ相区的均促使得到板条马氏体（如Cr 、Mo 、W 、V 等）；凡能扩大γ相区的，将促使马氏体形态从板条马氏体转化为透镜片状马氏体（如C 、N 、Ni 、Mn 、Cu 、Co 等）。能显著降低奥氏体层错能的合金元素将促使转化为薄片状εˊ马氏体，如Mn 。
二、马氏体形成温度
持这种观点的人认为马氏体的形态取决于M S 点。他们认为在Fe-C 合金中，含碳量增加
M S 降低，当低于某一温度（300~320℃）时，容易产生相变孪晶，因而便形成片状马氏体。
马氏体形态随M S 点的下降从板条状向片状转化的原因可作如下解释。低碳马氏体形成温度高，这时以切变量较大的（111）γ为惯习面，同时在较高的温度下滑移比孪生易于发生，而且在面心立方点阵中的{111}γ晶系较少，因此形成马氏体的起始位向数少，所以有利于在同一奥氏体中形成群集状马氏体。而随着M S 点温度降低，孪生变得比滑移更易于发生，同时以{225}γ或{259}γ为惯习面形成马氏体，图4－22 碳含量对M S 点、板条马氏体量和残留奥氏体的影
响 图4－23 Fe-Ni-C 合金的马氏体形态与
含碳量与M S 点的关系
由于晶系较多，形成马氏体的起始位向数增多，因此在同一奥氏体中易于形成相邻马氏体片互不平行的孪晶片状马氏体。
对Fe-Ni-C 系合金可通过改变奥氏体化温度而使M S 发生变化。利用这种现象，可以在同一成分合金中获得不同的M S 点。观察冷却到稍低于相应的M S 点时生成的马氏体形态变化，结果发现，随着M S 点即形成温度的降低会发生从蝶状→片状→薄板状变化，同时亚结构也从位错转化为孪晶。
三、奥氏体的层错能
奥氏体层错能低时，易于形成薄片状εˊ马氏体，这已是大家公认的。但是层错能的大小对其它形态马氏体的影响还有争议。目前比较流行的看法是层错能越低，越难于形成相变孪晶，故越趋向于形成位错板条马氏体。如层错能很低的Fe-Cr8%-C1.1%合金要液氮温度下也只能形成位错板条马氏体。
四、奥氏体和马氏体的强度
这是由Davis 和Magee 等提出的假说。他们用合金化的方法改变奥氏体的强度，研究了马氏体形态变化和奥氏体强度之间的对应关系。结果表明，马氏体形态是以M S 点处的奥氏体屈服强度（约为206Mpa ）为界限而变化，在这个界限以上，形成惯习面为的（259）γ片状马氏体，在这个界限以下，形成惯习面为（111）γ的板条马氏体或惯习面为（225）γ的片状马氏体。由此，他们认为奥氏体强度是影响马氏体形态（惯习面）的决定性因素。他们还进一步研究了马氏体的强度。当奥氏体的强度低于206Mpa 时有两种情况，形成的马氏体强度较高时，为（225）γ马氏体。而形成的马氏体强度较低时为板条状马氏体。
这个假说是建立在这样的基础上的，即如果马氏体内相变应力的松弛只以孪生变形方式进行，则得到惯习面为（259）γ的马氏体，如果相变应力的松弛一部分在奥氏体内以滑移方式进行，一部分在马氏体内部以孪生方式进行，则得到惯习
面为（225）γ的马氏体，如果在马氏
体内也以滑移方式进行，则得到惯习
面为（111）γ的马氏体。
五、马氏体的滑移和孪生变形的临界
切应力大小
这种假说强调马氏体内部结构取
决于相变时的变形方式是滑移还是孪
生，所以归根到底是受二者的临界切
应力大小所支配，图4－24示意地表示出马氏体滑移或孪生的临界切应力图4－24 引起马氏体滑移或孪生的临界切应
力
和M S -M f 温度对形成的马氏体形态 的影响
和M S 、M f 温度对形成马氏体形态的影响。图中的箭头表示相应线条可能移动的方向，这种移动是合金成分变化引起的。线条的移动将导致滑移孪生曲线交点的移动。由图中可见，对低碳钢（M S 点和M f 点均较高），引起滑移所需要的临界切应力低于引起孪生所需要的临界切应力，因而得到含高密度位错的板条马氏体。相反，如果是高碳钢（M S 点和M f 点均较低），引起孪生所需要的临界切应力较小，从而得到含大量孪晶的片状马氏体。如果碳量中等，M S 点和M f 点恰如图中所示之位置，在马氏体相变过程中，先形成板条马氏体，然后又可形成片状马氏体。即形成两种马氏体的混合组织。
4.4 马氏体转变热力学条件
过去，曾有不少人认为，马氏体转变不是热学性的，转变的驱动力不是马氏体与奥氏体的自由能之差。四十年代，人们在大量工作的基础上得出马氏体转变与液态金属的凝固以及钢的加热转变等是一样的，即转变的驱动力也来自新旧相的化学自由能差。但也应看到，马氏体转变确有很多不同于其它转变的在表面上看来难以用热学性质观点加以解释的特点，现已逐步弄清，这些特点是马氏体转变的特定条件所决定的。
一、 相变驱动力 马氏体转变和一般相变一样，
相变的驱动力是新相与母相的化学
自由能差。同一成分合金的马氏体
与奥氏体的化学自由能和温度的关
系如图25所示。图中T 0为两相热力
学平衡温度，即温度为T 0时
αγ'=G G
式中为高温相之自由能，G αˊ为马氏
体之自由能。在其它温度两相自由
能不相等，则 γααγG G G -=?''→ 当上式为正时，马氏体自由能高于奥氏体的自由能，奥氏体比马氏体稳定，不会发生奥氏体向马氏体转变；反之，当上式为负时，则马氏体比奥氏体稳定，奥氏体有向马氏体转变的趋势，ΔG γ→αˊ即称为马氏体相变的驱动力。显然，在T 0温度处，ΔG γ→αˊ=0。马氏体转变开始点M S 必定在T 0以下，以便由过冷提供相变所需要的化学驱动力。而逆转变开始点A S 必然在T 0以上，以便由过热提供逆转变所需要的图3-25 奥氏体和马氏体的自由焓与温度的关系
化学驱动力。
通常把M S与T0之差称为热滞，热滞的大小视合金的种类和成分而异。Fe系合金热滞可高达200℃以上，而有的合金的热滞仅为十几度到几十度，如Au-Cd、Ag-Cd合金。
铁系合金的马氏体转变的热力学特点是，具有很大的热滞，即必须在很大的过冷度下才能发生马氏体转变，一般的马氏体转变都需要在降温过程中不断进行，等温保持马氏体转变将立即中止进行。
逆转变的热力学特征与冷却时的则好相反，相变必须在一定的过热度下才能进行，只有在A S点以上相变才能进行，而且转变是在升温过程中进行的，终了点为A f。A S与M S之差的大小视合金各类不同而异。
二、M S的定义
母相与马氏体两相之间的体积自由能之差达到相变所需的最小驱动力值时的温度。
三、马氏体相变的阻力
马氏体相变的驱动力来自马氏体与奥氏体的化学自由能之差ΔG V，从一般相变理论的能量方程来看，相变时自由能变化为：
ΔG=ΔG V+ΔG D+ΔG S+ΔG e
其中，ΔG V为马氏体和奥氏体的化学自由焓差；ΔG D为奥氏体晶体缺陷所提供的能量；两者为相变的驱动力，过冷度越大ΔG V也越大。而ΔG S（界面能）和ΔG e（弹性能）为相变的阻力。在马氏体形成时，除形成新的相界面而消耗界面能，并因相变时比容增大和维持第二类共格关系而消耗弹性应变能之外，还需克服奥氏体的切变阻力作功。同时，马氏体形成时不仅有宏观的均匀切变，使周围的奥氏体发生塑性变形而产生表面浮凸，而且还有微观的不均匀切变，在马氏体内产生滑移和孪生，形成高密度位错和孪晶。因此，对马氏体相变来说，除ΔG S和ΔG e这两项能量消耗外，还需要在这两项之后加上若干个正项，以考虑上述各项能量消耗，可用下式表示：
ΔG=ΔG V+ΔG D+ΔG S+ΔG e+ΣΓ
可见，马氏体相变所以热滞如此之大，是由于这种相变的切变物性而引起额外的能量消耗所造成的。
四、M d、A d的定义
T0、M S、A S都是合金成分的函数。不同的合金系A S与M S之差是不同的，例如，Fe-Ni合金中A S较M S高420℃，Au-Cd合金中A S 较M S仅高16℃。实验证明，A S与M S之间的温度差可以因为引入塑性变形而减小。
如果在M S 点以上对奥氏体进行塑性变形，会诱发马氏体转变而引起M S 点升高到M d ，同样塑性变形也可以使A S 下降到点M d 。M d 和A d 分别称为形变马氏体点和形变
奥氏体点。因形变诱发马氏体转变而
产生的马氏体，常称为形变马氏体，
同样形变诱发马氏体逆转变而产生的奥氏体称为形变奥氏体。
M d 的物理意义：可以获得形变马
氏体的最高温度。若在高于M d 点的
温度对奥氏体进行塑性变形，就会失
去诱发马氏体转变的作用。
A d 的物理意义：可以获得形变奥氏体的最低温度。若在低于A d 点的温度对马氏体进行塑性变形，就会失去诱发马氏体逆转变的作用。 按马氏体相变的热力学条件，我们可以知道M d 的上限和A d 的下限均为T 0。实验证明，Co-Ni 合金中M d 和A d 可以重合，即M d =A d =T 0。如果某合金系中M d 和A d 不重合，一般可取T 0=（M d +A d ）/2。 形变诱发马氏体转变的原因：根据M S 点的物理意义可知，形变之所以能诱发马氏体转变，是因为塑性变形为相提供了一定的相变驱动力。可用图3-26加以说明。ΔG V γ→α是M S 时的相变驱动力，而形变能为相变所提供的能量为机械驱动力。当T=M S 时，化学驱动力刚好等于ΔG V γ→α，图中ab 线代表在化学驱动力上迭加上去的一部分机
械驱动力。在T 1温度下，化学驱动力为mn ，若该温度下能提供pm 的机械驱动力，则pm+mn 刚好等于ΔG V γ→α，而T 1 五、影响钢M S 点的因素 Ms 点是钢的一个重要的性能指标，其高低决定了钢中奥氏体从高温冷却时所发生的马氏体转变温度范围及冷到室温时所得的组织状态。因此有必要弄清影响因素。 一、奥氏体化学成分的影响 奥氏体化学成分对M S 的影响十分显著，般说来，M S 主要取决于钢的化学成分，其中又以C 含量的影响最为显著。 （1）碳的影响 随奥氏体碳含量的增加， M S 和M f 均显著下降，但二者下降的趋势不同，随C%增加M S 基本上呈连续平缓的下降，而M f 在C%<0.6%图3-26 形变诱发马氏体转变原理示意图 下降很激烈，在C%>0.6%以后，M f 下降又变得很缓慢。C%=0.6%时，M f 约为0℃。可以看出，在C%小于0.6%以前，随C%的增加，马氏体形成的温度间隔增大。 氮（N ）对M S 和M f 的影响与碳的影响规律基本相似。 （2）合金元素的影响 钢中常见的合金元素，除Al 和Co 可以提高M S 外，其它合金元素均使M S 点降低。降低M S 点的元素，按其影响的强烈顺序排列为：Mn 、Cr 、Ni 、Mo 、Cu 、W 、V 、Ti ，钢中单独加入Si 对M S 的影响不大，但是在Ni-Cr 钢中Si 可以降低钢的M S 点。 原因： 主要取决于合金元素对平衡温度T 0的影响及对奥氏体的强化效应。凡强烈降低T 0又强化奥氏体的元素，就强烈降低M S 点，如Mn 、Cr 、Ni 、Cu 与C 类似，即降低T 0温度，又增奥氏体的屈服强度σs ，所以降低M S 点。Al 、Co 、Si 、Mo 、W 、V 、Ti 等均提高T 温度，但也不同程度地增加奥氏体的屈服强度σs ，若提高T 0的作用大时，则使M S 点升高，如Al 、Co ；若强化奥氏体的作用大时，则使M S 点降低；若两方面的作用大致相当时，则对M S 点的影响不大，如Si 。 的增加，合金元素影响程度增大。多种合金元素同时加入时的影响更为复杂。 二、加热规范的影响 加热温度和保温时间的影响较为复杂。加热温度高保温时间长，有利于奥氏体的合金化，可以提高奥氏体的合金化程度，使M S 点下降；但是，温度高时间长奥氏体晶粒粗大、晶体学缺陷减少，这又会图3-27 碳含量对Ms 点的影响 图3-28 合金元素对钢Ms 点的影响 金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法, 铸锭三晶区 的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据Rk= 1..，T可知当过冷度T为零时临界晶核半 径R k为无穷大，临界形核功（1订2 ）也为无穷大。临界晶核半径R k与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。 基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 相律：f = c -p + 1其中，f为自由度数，c为组元数，p为相数。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。 合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。 四、铁碳合金 重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算 基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。 钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计算；五种渗碳体的来源及形态。 第十章钢的热处理工艺 10-1 何谓钢的退火？退火种类及用途如何？ 答： 钢的退火：退火是将钢加热至临界点AC1以上或以下温度，保温一定时间以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 退火种类：根据加热温度可以分为在临界温度AC1以上或以下的退火，前者包括完全退火、不完全退火、球化退火、均匀化退火，后者包括再结晶退火、去应力退火，根据冷却方式可以分为等温退火和连续冷却退火。 退火用途： 1、完全退火：完全退火是将钢加热至AC3以上20-30℃，保温足够长时间，使 组织完全奥氏体化后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 其主要应用于亚共析钢，其目的是细化晶粒、消除应力和加工硬化、提高塑韧性、均匀钢的化学成分和组织、改善钢的切削加工性能，消除中碳结构钢中的魏氏组织、带状组织等缺陷。 2、不完全退火：不完全退火是将钢加热至AC1- AC3（亚共析钢）或AC1-ACcm （过共析钢）之间，保温一定时间以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。对于亚共析钢，如果钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火达到消除应力、降低硬度的目的。对于过共析钢，不完全退火主要是为了获得球状珠光体组织，以消除应力、降低硬度，改善切削加工性能。 3、球化退火：球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的热处理工艺。 主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、改善切削加工性能，均匀组织、为淬火做组织准备。 4、均匀化退火：又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻轧坯加热至略低于固相 线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。 5、再结晶退火：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当时间，然后 缓慢冷却至室温的热处理工艺。其目的是使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留应力，使钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。 6、去应力退火：在冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，保温一段时间 然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。其主要目的是消除铸件、锻轧件、焊接件及机械加工工件中的残留应力（主要是第一类应力），以提高尺寸稳定性，减小工件变形和开裂的倾向。 10-2 何谓钢的正火？目的如何？有何应用？ 答： 钢的正火：正火是将钢加热到AC3或Accm以上适当温度，保温适当时间进行完全奥氏体化以后，以较快速度（空冷、风冷或喷雾）冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。 目的：细化晶粒、均匀成分和组织、消除应力、调整硬度、消除魏氏组织、带状组织、网状碳化物等缺陷，为最终热处理提供合适的组织状态。 1、热处理的定义：根据钢件的热处理目的,把钢加热到预定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以预定的速度冷却下来的一种综合工艺。钢的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。凡是材料体系（金属、无机材料）中有相变发生，总可以采用热处理的方法，来改变组织与性能。 2、Ac1、Ac 3、Accm的意义：对于一个具体钢成分来说，A1、A3、Acm是一个点，而且是无限缓慢加热或冷却时的平衡临界温度。加热时的实际临界温度加注脚字母“C”，用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际临界温度加注脚字母“r”，用Ar1、Ar3、Arcm表示。 3、什么是奥氏体化？奥氏体化的四个过程？是什么类型的相恋？将钢加热到AC1点或AC3点以上，使体心立方的α-Fe铁结构转变为面心立方结构的γ-Fe，这个过程就是奥氏体化过程。从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Accm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化。共析钢的奥氏体化过程包括以下四个过程：形核；长大；残余渗碳体溶解；奥氏体成分均匀化。加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。是扩散型相变。 4、碳钢与合金钢的奥氏体化有什么区别？为什么？在同一奥氏体化温度下，合金元素在奥氏体中扩散系数只有碳的扩散系数的千分之几到万分之几，可见合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。 5奥氏体晶粒的三个概念（初始晶粒、实际晶粒和本质晶粒）？奥氏体的初始晶粒：指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒，这时的晶粒大小就是初始晶粒度。奥氏体实际晶粒：指在热处理时某一具体加热条件下最终所得的奥氏体晶粒，其大小就是奥氏体的实际晶粒度。奥氏体的本质晶粒：指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢；晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢； 6为什么要研究奥氏体晶粒大小？奥氏体晶粒大小会显著影响冷却转变产物的组织和性能。 7、工厂中对奥氏体晶粒大小的表征方法是什么？本质晶粒度的测试方法？统一采用与标准金相图片比较，来确定晶粒度的级别。生产中为了便于确定钢的本质晶粒度，只需测出930度左右的实际晶粒度，就可以判断。 8过冷奥氏体：奥氏体冷至临界温度以下，牌热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。 9、钢的共析转变？珠光体组织的三种类型？钢的共析转变：钢奥氏体化后，过冷到A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织，其反应如下：γ→P(α+Fe3C)结构：FCC、BCC、正交；含碳：0.77%、0.0218%、6.69%珠光体的三种类型：珠光体，索氏体，屈氏体。 10、什么叫钢的C曲线？如何测定？影响C曲线的因素？过冷奥氏体等温转变曲线，也称TTT曲线。因曲线形状象英文字母“C”，故常称C曲线。在过冷奥氏体的转变过程中有组织（相变）转变和性能变化，因此可用金相法、硬度法、膨胀法或磁性法等来测定过冷奥氏体的等温转变过程，其中金相法是最基本的。金相法测定过冷奥氏体等温转变图---C曲线（基本方法），以共析钢为例：①用共析钢制成多组圆片状试样(φ10×1.5)；②取一组试样加热奥氏体化；③迅速转入A1以下一定温度熔盐浴中等温；④各试样停留不同时间后分别淬入盐水中，使未分解的过冷奥氏体变为马氏体；⑤这样在金相显微镜下就可以观察到过冷奥氏体的等温分解过程。钢的成分和热处理条件都会引起C曲线形状和位置的变化1)含碳量的影响2)合金元素的影响3)奥氏体化温度和保温时间的影响 11、什么叫CCT曲线？如何测定？连接冷却曲线上相同性质的转变开始点和终了点，得到钢种的连续冷却转变图称为CCT曲线。与测定C曲线的方法相同，一般也都用膨胀法或金相-硬度法等来测定CCT(Continuous Cooling Transformation)图；在测定时，首先选定一组具有不同冷却速度的方法，然后将欲测试样加热奥氏体化，并以各种冷却速度进行冷却，同时测 第1章金属和合金的晶体结构 1.1金属原子的结构特点：最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。 金属键的特点：没有饱和性和方向性 结合力：当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。结合力＝吸引力＋排斥力结合能＝吸引能＋排斥能（课本图1.2） 吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力 排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力 固态金属原子趋于规则排列的原因：当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，原子间也必须保持一定的平衡距离。 1.2晶体：基元在三维空间呈规律性排列。晶体结构：晶体中原子的具体排列情况， 也就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 晶格：将阵点用直线连接起来形成空间格子。晶胞：保持点阵几何特征的基本单元 三种典型的金属晶体结构（要会画晶项指数，晶面指数） 共带面：平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面叫做共带面 晶带轴：同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条直线。 多晶型转变或同素异构转变：当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变。 1.3合金：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。固溶体：合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。 固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置：置换固溶体与间隙固溶体。按溶质原子在固体中的溶解度：分为有限固溶体和无限固溶体。按溶质原子在固溶体内分布规则：分为有序固溶体和无序固溶体 固溶强化：在固体溶液中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性韧性下降。 间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物。间隙化合物：与间隙相相反（比值大于0.59）。 1.4点缺陷：⑴空位⑵间隙原子⑶置换原子。线缺陷：线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。（刃型位错、螺型位错、混合型位错）滑移矢量：表示位错的性质，晶格畸变的大小的物理量（刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直；螺形位错的柏氏矢量与其位错线平行。）。 面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、 小角度晶界、大角度晶界：两相邻晶粒位向差小于或大于10° 相界面的结构有三类：共格界面、半共格界面、非共格界面 习题3 、5做一下 第2章纯金属的结晶 2.1结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。 同素异构转变：金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷是结晶的必要条件。（金属不同过冷度也不同，金属纯度越高过冷度越大。过冷度的速度取决于，冷却速度越大过冷度越大实际洁净无度越低，反之） 金属结晶:孕育—出现晶核—长大—金属单晶体 2.2从液体向固体的转变使自由能下降.液态金属结晶时，结晶过程的推动力是 自由能差降低（△F）是自由能增加，阻力是自身放热 金属学与热处理期末练习题（含答案） 1、金属的机械性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有____强度_______、_____硬度______、_________塑性__。衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有_______韧性____和____疲劳强度_______。 2、常见的金属晶格类型有___面心立方晶格____ 、___体心立方晶格___ ____和__密棑六方晶格_ ________。 3、常用的回火方法有低温回火、_中温回火__________ 和____高温回火_______ 。 4、工程中常用的特殊性能钢有___不锈钢______、耐热钢_________和耐磨刚。 5、根据铝合金成分和工艺特点，可将铝合金分为__变形铝合金_________和铸造铝合金两大类。 6、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分，碳钢分为_镇静钢________、半镇静钢_________、特殊镇静钢_________和__沸腾钢_______。 7、铸铁中_________碳以石墨形式析出___________________的过程称为石墨化，影响石墨化的主要因素有_化学成分__________ 和冷却速度。 8、分别填写下列铁碳合金组织符号： 奥氏体A、铁素体F、渗碳体fe3c 、 珠光体P 、高温莱氏体ld 、低温莱氏体ld’。 9、含碳量小于%的钢为低碳钢，含碳量为的钢为中碳钢，含碳量大于% 的钢为高碳钢。 10、三大固体工程材料是指高分子材料、复合材料和陶瓷材料。 二、选择题（每小题1分，共15分） （ b ）1、拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大拉应力称为材料的（）。 A 屈服点 B 抗拉强度 C 弹性极限 D 刚度 （b）2、金属的（）越好，其锻造性能就越好。 A 硬度 B 塑性 C 弹性 D 强度 （ c ）3、根据金属铝的密度，它属于（）。 A 贵金属 B 重金属 C 轻金属 D 稀有金属 （ d ）4、位错是一种（）。 第一章 1、为什么钢中的硫和磷一般情况下总是有害的？控制硫化物形态的方法有哪些？ 答：S与Fe形成FeS，会导致钢产生热脆；P与形成Fe3P，使钢在冷加工过程中产生冷脆性，剧烈降低钢的韧性，使钢在凝固时晶界处发生偏析。 硫化物形态控制：a、加入足量的锰，形成高熔点MnS；b、控制钢的冷却速度；c、改善其形态最好为球状，而不是杆状，控制氧含量大于0.02%；d、加入变形剂，使其在金属中扩散开防止聚焦产生裂纹。 2、钢的强化机制有哪些?为什么一般钢的强化工艺采用淬火加回火？答：a、固溶强化（合金中形成固溶体、晶格畸变、阻碍位错运动、强化） b、细晶强化（晶粒细化、晶界增多、位错塞积、阻碍位错运动、强化） c、加工硬化（塑性变形、位错缠绕交割、阻碍位错运动、强化） d、弥散强化（固溶处理的后的合金时效处理、脱溶析出第二相、弥散分布在基体上、与位错交互作用、阻碍位错运动、强化） 淬火处理得到强硬相马氏体，提高钢的强度、硬度，使钢塑性降低；回火可有效改善钢的韧性。淬火和回火结合使用提高钢的综合性能。 3、按照合金化思路，如何改善钢的韧性？ 答：a、加入可细化晶粒的元素Mo、W、Cr； b、改善基体韧性，加Ni元素； c、提高冲击韧性，加Mn、Si元素； d、调整化学成分； e、形变热处理； f、提高冶金质量； g、加入合金元素提高耐回火性，以提高韧性。 4、试解释40Cr13属于过共析钢，Cr12钢中已出现共晶组织，属于莱氏体钢。 答、Cr元素使共析点左移，当Cr量达到一定程度时，共析点左移到碳含量小于0.4%，所以40Cr13属于过共析钢；Cr12中含有高于12%的Cr元素，缩小Fe-C平衡相图的奥氏体区，使共析点右移。 5、试解释含Mn钢易过热，而含Si钢高淬火加热温度应稍高，且冷作硬化率高，不利于冷变性加工。 答：Mn在一定量时会促使晶粒长大，而过热就会使晶粒长大。 6、合金钢中碳化物形成规律①②③④⑤⑥⑦ 答：①、K类型：与Me的原子半径有关；②、相似相容原理；③、强碳化物形成元素优先于碳结合形成碳化物；④、NM/NC比值决定了K类型；⑤、碳化物稳定型越好，溶解越难，析出越难，聚集长大也越难。 第二章 1、简述工程钢一般服役条件、加工特点和性能要求。 答：服役条件：静载、无相对运动、受大气腐蚀。 加工特点：简单构件是热轧或正火状态，空气冷却，有焊接、剪切、 金属学与热处理复习题 第一章复习题 晶向指数相同，符号相反的为同一条直线 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向 晶面指数的数字和顺序相同，符号相反则两平面互相平行 晶面的空间位向不同但原子排列相同的所有晶面 当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl）平行时hu+kv+lw=0 当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl）垂直时h=u，K=v，l=w 晶体的各向异性原因: 在不同晶面上的原子紧密程度不同 纯铁冷却时在912 发生同素异晶转变是从结构转变为结构，配位数，致密 度降低，晶体体积，原子半径发 生。 面心立方晶胞中画出） 11晶面和]211[晶向 （2 刃型位错的四个特征（作业） 螺型位错的四个特征（作业） 面心立方（FCC）体心立方（BCC）密排六方（HCP）晶胞原子数 原子半径 配位数 致密度 同素异构转变定义--18页 晶体缺陷的分类： 常见的点缺陷： 常见的面缺陷： 第二章复习题 一、填空 1、金属结晶两个密切联系的基本过程是和 2 、金属结晶的动力学条件为 3 、金属结晶的结构条件为 4 、铸锭的宏观组织包括 5、如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的晶粒更细，高 温浇注的铸件晶粒比低温浇注的晶粒粗大，采用振动浇注的铸件晶 粒比不采用振动的晶粒更细，薄铸件的晶粒比厚铸件晶粒更细。 二、问答 1、金属的结晶形核45页 2、金属的长大的要点52页 2、铸锭三晶区名称及形成过程（柱状晶为重点） 3、影响柱状晶生长的因素56-57页 三、名词解释： 1、细晶强化 2、变质处理 3、铸造织构 第三章二元合金的相结构与结晶作业题（复习题） 1、概念 合金、相、固溶体、固溶强化、、离异共晶、伪共晶 2、填空 《金属学与热处理》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 四、简答 1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分） 2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分） 3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐蚀？如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀？ 4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？ 5、什么是交滑移?为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？ 6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？ 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？ 8、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？ 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？ 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的？如何消除？ 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？ 14、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？ 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ-Fe相区进行会有什么结果？ 17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。 18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 19、位错密度有哪几种表征方式？ 20、淬透性与淬硬性的差别。 21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征？（12分） 23、加工硬化的原因？（6分） 24、柏氏矢量的意义？（6分） 25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象？（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数0.365nm，（011）晶面间距是多少？（5分） 27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式？（4分） 28、影响成分过冷的因素是什么？（9分） 29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分） 30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分） 钢的热处理总结 晶向指数[UVW]，晶向族 6. 能量起伏：液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。 7. 均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，是液态金属绝对纯净、无任何杂质，喝不喝型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接生核的理想过程。临界半径 8. 非均匀形核：液态金属中总是存在一些微小的固相杂质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，需要的过冷度较小。 临界半径 非均匀形核的临界球冠半径与均匀形核的临界半径是相等的。 晶核长大的微观结构：光滑界面和粗糙界面。 晶粒大小的控制：控制过冷度；变质处理；振动、搅动。 表面细晶区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。 柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。 中心等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。 10. 固溶体与金属化合物的区别：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。固溶体相对来说塑韧性好，硬度较低，金属化合物硬而脆。 11. 影响置换固溶体溶解度的因素：原子尺寸因素；电负性因素；电子浓度因素；晶体结构因素。 本答案非标准答案，仅作参考，祝大家期末取的好成绩！ 金属学与热处理铸造合金及其熔炼考试题纲 1．铁碳相图的二重性及其分析 从热力学观点上看，Fe-Fe3C相图只是介稳定的，Fe-C相图才是稳定的；从动力学观点看，在一定条件下，按Fe-Fe3C相图转变也是可能的，因此就出现了二重性。 分析：1）稳定平衡的共晶点C’的成分和温度与C点不同 2）稳定平衡的共析点S’的成分和温度与S点不同 2．稳定态和亚稳定态铁碳相图异同点 稳定平衡态的Fe-C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一点； 在共晶温度时，稳定平衡态的奥氏体的含碳量小于亚稳态平衡下奥氏体的含碳量。 3．用铁碳相图分析铸铁碳钢一二次结晶异同点 一次结晶：铁液降至液相线时，有初析石墨和初析奥氏体析出。温度继续下降，熔体中同时析出奥氏体和石墨，铸铁进入共晶凝固阶段。 当钢液温度降低至液相线时，有高温铁素体析出。温度下降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体。温度继续下降，穿过L+γ区时，又有奥氏体自钢液中析出，此析出过程进行到固相线温度为止。 二次结晶：铸铁的固态相变即二次结晶。继续冷却，奥氏体中的含碳量沿E’S’线减小，以二次石墨的形式析出。当奥氏体冷却至共析温度以下，并达到一定的过冷度，就开始共析转变。两个固体相α与Fe3C相互协同地从第三个固体相长大（成对长大），形成珠光体。当温度下降至GS和PS线之间的区域是，有先共析铁素体α相析出。随着α相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完了后，钢的组织基本上不在变化。 4．分析球状石墨形成过程 目前已基本肯定，球状石墨可以和奥氏体直接从熔体中析出。 在亚共晶或共晶成分的球墨铸铁中，首批小石墨在远高于平衡共晶转变温度就已成形，这是不平衡条件所造成的，但随着温度的下降，有的小石墨球会重新解体，而有的则能长大成球，随着这一温度的进行，又会出现新的小石墨球，说明石墨球的成核可在一定的温度范围内进行。 某些石墨球能在熔体中单独成长至一定尺寸，然后被奥氏体包围，而有的石墨球则很早的就被奥氏体包围，形成奥氏体外壳。总之，石墨球的长大包括；两个阶段，即：1）在熔体中直接析出核心并长大2）形成奥氏体外壳，在奥氏体外壳包围下成长。 5．灰铸铁的金相组织及其性能特点 灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨所组成，还有少量非金属夹杂物。 特点：强度性能差；硬度特点，同一硬度时，抗拉强度有一个范围，同一强度时，硬度也有一定的范围；较低的缺口敏感性；良好的减震性；良好的减磨性。 6．流动性的概念及其影响因素 历年试题 材料成型与控制专业01级金属学与热处理试题 一. 名词解释（每小题2分，共2０分）： 1.晶体 2.正火 3.无限固溶体 4. 金属间化合物 5.晶界 6.相起伏 7.共晶转变 8.比重偏析 9.马氏体 10. 同素异构转变 二. 在同一个立方晶胞中画出以下晶面和晶向：（111）、（110）、（122）、[110]、[210]。（5分） 三. 晶粒大小对合金的常温力学性能有何影响？试分析其原因。(15分) 四.T8钢的过冷奥氏体等温冷却曲线如图所示，试分析以图中标明的几种冷却条件冷却之后各得到什么组织？对比这几种组织各具有什么样的力学性能特点．(10分) 五.．(15分) 六.冷塑性变形后的金属，在重新加热时其组织结构和力学性能各有何变化？(15分) 七．简述T8钢的奥氏体化过程由哪几个阶段组成？分析其中奥氏体晶核长大机理。(10分) 八.具有网状渗碳体的T12钢要获得回火马氏体，应进行哪些热处理？试说明每种热处理的加热温度和冷却条件。(10分) 02级材料加工各专业金属学与热处理期末考试题B 一. 名词解释（每小题3分，共30分） 1.非自发形核 2.滑移 3.再结晶 4.间隙固溶体 5.铁素体 6.珠光体 7.本质晶粒度 8.淬火 9.各向异性 10.合金 二. 填空（每空1分，共15分） 1.一个体心立方晶胞中包含（）个原子，一个面心立方晶胞中包含（）个原子，一个密排六方晶胞中包含（）个原子。 2. 纯铁在加热时，在912℃纯铁的晶格由（）转变为（），在1394℃纯铁的晶格由（）转变为（）。 3.结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个基本过程分别是（）和（）。 4.纯金属的最低再结晶温度和熔点的关系是（）。 5.马氏体的显微组织形态主要有（）、（）两种。其中（）的韧性比较好。 6.钢的淬透性越高，则其C曲线位置越靠（），说明临界冷却速度越（）。 三. 选择（每题1分，共10分） 1.具有体心立方晶格的金属有（） a)Cu b)α-Fe c)γ-Fe 2.具有面心立方晶胞的金属有（）个滑移系。 a) 6 b)8 c)12 3.固溶体的晶体结构（）。 a) 与溶剂相同 b)与溶质相同 c) 与溶质和溶剂都不相同 4. 铁碳两个元素可能形成的相有（）。 a) 间隙固溶体 b)间隙化合物 c) 置换固溶体 5. 下列金属中塑性最好的是（） a) α-Fe b)Al c) Mg 6.冷变形金属再结晶后，（）。 a) 形成等轴晶，强度升高 b)形成柱状晶，强度升高 c) 形成等轴晶，塑性升高 7.与铁素体相比，珠光体的力学性能特点是（）。 金属学与热处理 一、填空题（30分，每空1分） 1、常见的金属晶体类型有__________晶格、__________晶格和密排六方晶格三种。 2、金属的整个结晶过程包括__________、__________两个基本过程组成。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体分为__________与__________两种。 4、工程中常用的特殊性能钢有_________、_________、耐磨钢。 5、常用的常规热处理方法有__________、正火和淬火、__________。 6、随着回火加热温度的升高，钢的__________和硬度下降，而__________和韧性提高。 7、根据工作条件不同，磨具钢又可分为__________、__________和塑料磨具用钢等。 8、合金按照用途可分为__________、__________和特殊性能钢三类。 9、合金常见的相图有__________、__________、包晶相图和具有稳定化合物的二元相图。 10、硬质合金是指将一种或多种难熔金属__________和金属粘结剂，通过__________工艺生产的一类合金材料。 11、铸铁的力学挺能主要取决于__________的组织和石墨的基体、形态、__________以及分布状态。 12、根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为__________、__________和麻口铸铁三类。 13、常用铜合金中，__________是以锌为主加合金元素，__________是以镍为主加合金元素。 14、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有__________和__________,属于金属化合物的有__________，属于混合物的有__________和莱氏体。 二、选择题（30分，每题2分） 1、铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只需加热到一定温度即使晶粒细化，其原因是（） A 铁总是存在加工硬化，而铜没有 B 铜有加工硬化现象，而铁没有 C 铁在固态下有同素异构转变，而铜没有 D 铁和铜的再结晶温度不同 α-是具有（）晶格的铁。 2、Fe A 体心立方 B 面心立方 第四章金属材料的基础知识和热处理的基本知识 第一部分：学习内容 1、钢的分类：|（1）-碳钢:含碳量低于2%的铁碳合金;-合金钢:在钢中特意加入一种或几种其它合金元素组成的钢;-生铁:含碳量高于2%的铁碳合金.,可通过铸造方法制造零件,所以又称铸铁. （2）按化学成分分类： 碳钢-低碳钢:含碳量小于0.25%;-中碳钢:含碳量为0.25~0.55%;-高碳钢:含碳量大于0.55%. 合金钢-低合金钢:合金元素总含量小于3.5%;-中合金钢:合金元素总含量3.5~10%;-高合金钢:合金元素总含量大于10%; 2、洛氏硬度与布氏硬度值近似关系： HRC≈1/10HB 3、热处理及其常用工艺方法 热处理的定义-利用钢在固态下的组织转变,通过加热和冷却获得不同组织结构,从而得到所需性能的工艺方法统称热处理. 常用热处理工艺方法：退火-将钢加热到一定温度,保温一段时间,然后随炉一起缓慢冷却下来,以期得到接近平衡状态组织的一种热处理方法. 4、完全退火:AC3以上30~50℃,用于消除钢的某些组织缺陷和应力,改善切削加工性能; 等温退火:加热到AC3,以上30~50℃,较快的冷却到略低于Ar1的温度,并在此温度下等温到奥氏体全部分解为止,然后出炉空冷.适用于亚共析钢、共析钢，尤其广泛用于合金钢的退火。优点是周期短，组织和硬度均匀。 5、正火-正火和退火加热方法相似，只是冷却速度比退火稍快（空冷），得到的是细片状珠光体（索氏体），强度、硬度比退火的高，与退火相比，工艺周期短，设备利用率高。主要用于低碳钢获得满意的机械性能和切削性能、过共析工具钢消除网状渗碳体、中碳钢代替退火或作为淬火前的预先热处理。 6、淬火-将钢加热到AC1以上30~50℃(共析钢、过共析钢）或AC3以上30~50℃（亚共析钢），保温一段时间，然后快冷得到高硬度的马氏体组织的工艺方法。用以提高工件的耐磨性。 7、回火-将淬火后的工件加热到A1以下某一温度，保温一段时间，然后以一定的方式冷却（炉冷、空冷、油冷、水冷等） -目的：1）降低淬火工件的脆性，消除内应力（热应力和组织应力），使淬火组织趋于稳定，同时也使工件尺寸趋于稳定；2）获得所需的硬度和综合机械性能。 8、焊后消除应力热处理(PWHT、ISR):目的是消除应力、降低硬度、改善组织、稳定尺寸,避免制造和使用过程产生裂纹; 9、试述T8A的含义：含碳量为8‰的高级优质碳素工具钢。 10、怎样区别无螺纹的黑铁管与直径相似的无缝钢管？ 答：无缝钢管是用优质碳钢、普通低合金钢、高强耐热钢、不锈钢等制成。不镀锌的瓦斯管习惯上称为黑铁管，从管子内壁有无焊缝和管子直径来判断。 11、何谓钢的热处理？ 答：所谓钢的热处理就是在规定范围内将钢加热到预定的温度，并在这个温度保持一定的时间，然后以预定的速度和方法冷下来的一种生产工艺。 12、试述T7的含义。 答：T7的含义为：含碳量为7‰的碳素工具钢。 13，退火：将钢加热到一定的温度，保温一段时间，随后由炉中缓慢冷却的一种热处理工序。其作用是：消除内应力，提高强度和韧性，降低硬度，改善切削加工性。应用：高碳钢 一、名词解释（每小题2分，共14分） 1. 结构起伏：短程有序的原子集团就是这样处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态之中仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样，这种不断变化着的短程有序的原子集团称为结构起伏。 2. 非自发形核：在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，这种形核方式就是非自发形核。 3. 相：相是指合金中结构相同、成份和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 4. 柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近偏聚的溶质原子好像形成一个溶质原子“气团”，成为“柯氏气团” 5. 选择结晶：固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相的化学成分不同的结晶称为选择结晶。 6. 形变强化：在塑形变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，随着变形过程的增加，金属的强度、硬度增加，而塑形、韧性下降，这一现象称为形变强化。 7. 晶胞：晶格中能够完全反应晶格特征的最小几何单元。 二、选择题 1.下列元素中能够扩大奥氏体相区的是（ d ）。 A W B Mo C Cr D Ni 2.属于强碳化物形成元素的是（ c ）。 A W，Mo, Cr B Mn, Fe, Ni C Zr, Ti, Nb D Si, Be, Co 3.不能提高钢的淬透性的合金元素是（ a ）。 A Co B Cr C Mo D Mn 4.调质钢中通常加入（ c ）元素来抑制第二类回火脆性。 A Cr B Ni C Mo D V 5. 下列钢种属于高合金钢的是（ d ） A 40Cr B 20CrMnTi C GCr15 D W18Cr4V 6. 选出全是促进石墨化的元素的一组（ b ） A V、Cr、S B Al、Ni、Si C W、Mn、P D Mg、B、Cu 7. 选出适合制作热作模具的材质（ d ） A 20CrMnTi B Cr12 C 2Cr13 D 5CrNiMo 三、填空 1. 铸锭组织的三个典型区域是（表层细晶粒区）、（内部柱状晶区）和（中心等轴晶区）。2．金属热加工与冷加工的界限是再结晶温度）。 3．滚动轴承钢GCr15的最终热处理工艺是（淬火加低温回火）使用状态下的组织是（M+A’+颗粒状碳化物）。 金属学与热处理章节重点总 结 -标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 第1章金属和合金的晶体结构 1.1金属原子的结构特点：最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。 金属键的特点：没有饱和性和方向性 结合力：当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。结合力＝吸引力＋排斥力结合能＝吸引能＋排斥能（课本图1.2） 吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力 排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力 固态金属原子趋于规则排列的原因：当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，原子间也必须保持一定的平衡距离。 1.2晶体：基元在三维空间呈规律性排列。晶体结构：晶体中原子的具体排列情况， 也就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 晶格：将阵点用直线连接起来形成空间格子。晶胞：保持点阵几何特征的基本单元 三种典型的金属晶体结构（要会画晶项指数，晶面指数） 共带面：平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面叫做共带面 晶带轴：同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条直线。 多晶型转变或同素异构转变：当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变。 1.3合金：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。固溶体：合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。 固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置：置换固溶体与间隙固溶体。按溶质原子在固体中的溶解度：分为有限固溶体和无限固溶体。按溶质原子在固溶体内分布规则：分为有序固溶体和无序固溶体 固溶强化：在固体溶液中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性韧性下降。 间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物。间隙化合物：与间隙相相反（比值大于0.59）。 1.4点缺陷：⑴空位⑵间隙原子⑶置换原子。线缺陷：线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。（刃型位错、螺型位错、混合型位错）滑移矢量：表示位错的性质，晶格畸变的大小的物理量（刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直；螺形位错的柏氏矢量与其位错线平行。）。 面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、 小角度晶界、大角度晶界：两相邻晶粒位向差小于或大于10° 相界面的结构有三类：共格界面、半共格界面、非共格界面 习题3 、5做一下 第2章纯金属的结晶 2.1结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。 同素异构转变：金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷是结晶的必要条件。（金属不同过冷度也不同，金属纯度越高过冷度越大。过冷度的速度取决于，冷却速度越大过冷度越大实际洁净无度越低，反之） 金属结晶:孕育—出现晶核—长大—金属单晶体 2.2从液体向固体的转变使自由能下降.液态金属结晶时，结晶过程的推动力是金属学与热处理知识点总结
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