资料：固态相变作业(一)
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模板资料 资源共享 材料相变作业（一）
3120102244 陈丹科
1、金属固态相变有哪些特征？试述相变的驱动力和阻力。
金属固态相变的特征：
1) 金属固态相变具有相界面：金属固态相变时，新旧两相都是固相，可产生共格界面、半共格界面和非共格界面。
2) 金属固态相变时新相和母相之间往往存在一定的位相关系，而且新相往往在在母相一定的晶面上开始形成，即存在惯习面。
3) 金属固态相变时，由于受到周围母相的约束，新相不能自由胀缩，因此新相与其周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外地增加了一项弹性应变能。
4) 新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。
5) 固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，金属固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。
6) 在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，金属固态相变必须通过某些组元的扩散才能进行，这时扩散便成为相变的控制因素。原子扩散速度对固态相变有显著的影响。
相变的驱动力：新旧两相的自由能差
相变的阻力：界面能，弹性应变能
2、分析晶体缺陷对固态相变中新相形核的作用。
晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时， 模板资料 资源共享 原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。新旧两相自由能差∆G=V∆GV+Sσ+εV−∆Gd，其中∆Gd为缺陷消失所降低的能量，因此，可以认为晶体缺陷提供了形核的一部分驱动力。在固态相变中，均匀形核的形核功最大，空位形核功次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。
3、计算金属固态相变中均匀形核时临界形核功和临界晶核尺寸。
∆G=−Vβ∆GV+Vβ∆Gε+Aβσαβ
Vβ：β相体积 ∆GV：β的自由能变化 ∆Gε：单位体积的应变能
Aβ：相界面积 σαβ：单位面积的界面能
当晶核为球形时，∆G=−43πr3∆GV+43πr3∆Gε+4πr2σαβ
对于 r 求导：d（∆G）dr=0，
可得临界晶核尺寸：r∗=2σαβ∆GV−∆Gε，
形成临界晶核的形核功：∆G∗=16σαβ33（∆GV−∆Gε）2
4、简述固态相变形成新相的形状与界面能和界面应变能的关系。
当弹性应变能起主导作用，则形成盘（片）状新相以降低弹性应变能；当弹性应变能作用不大，界面能其主导作用，则形成球状新相以降低界面能。共格界面界面能小，弹性应变能大，因此一般形成盘（片）状新相；非共格界面弹性应变能大，界面能小，因此一般形成球状新相。
5、简述金属固态相变过程中出现过渡相的原因。
当稳定的新相和母相的晶体结构差异较大时，两者之间只能形成高能量的非共格界面。此时新相的临界尺寸很小，单位体积新相有较大的界面面积，界面能对形核的阻碍作用很大，并且非共格界面的界面能和形核功较大，相变 模板资料 资源共享 不容易发生。在这种情况下，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成成分与母相接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。此时，过渡相往往具有界面能较低的共格晶面或半共格晶面，以降低形核功，使形核容易进行。即，金属固态相变出现过渡相主要是为了降低界面能。
6、分析影响钢的TTT曲线的因素。
1) 合金元素的影响
除Co和Al以外的合金元素均使TTT曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性。且使Ms点下移。
2) 奥氏体晶粒尺寸的影响
奥氏体晶粒细小时，其晶界总面积增大，有利于形核，从而促进转变，是珠光体转变曲线右移。对贝氏体转变的影响小。
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，原始组织越细小，所得到的奥氏体成分越均匀，冷却时新相形核及长大过程中所需的扩散时间就越长，TTT曲线因此右移并且Ms点下降。
当原始组织相同，提高奥氏体化温度或延长奥氏体化时间，将促使碳化物溶解、奥氏体成分均匀和奥氏体晶粒长大，导致TTT曲线右移。
4) 奥氏体塑性变形的影响
奥氏体的形变量越大，珠光体转变孕育期越短，即加速珠光体转变，TTT曲线左移。
7、简述片状、粒状析出相的粗化机制。
1) Oswald熟化：设相中有两个半径不等的相邻的β相颗粒，Gibbs-Thomson 模板资料 资源共享 定律表明半径小的颗粒溶解度大，因此半径小的颗粒优先溶解并在大颗粒表面析出，从而大颗粒趋于长大。
2) Rayleigh失稳
3) 缺陷迁移：片状组织的缺陷成为其组织粗化的发源地。扩散使得中断的片层缩短，附近的两个片层加厚。
8、以共析钢为例说明奥氏体的形成过程，并说明为什么在铁素体消失的瞬间还有部分渗碳体未溶解。
T=780 ºC时，奥氏体向铁素体的推移速度为：Gγ→α≈K′0.41−0.02
奥氏体向渗碳体的推移速度为：Gγ→cem≈K′6.69−0.89
两者之比为：Gγ→αGγ→cem≈6.69−0.890.41−0.02≈14.9
共析钢中铁素体与渗碳体的比值为88%:12%≈7.33
14.9>7.33，因此奥氏体的形成过程铁素体先消失，部分渗碳体会有剩余。
9、分析影响奥氏体晶粒长大的因素，如何控制奥氏体晶粒？
影响因素：
1) 加热温度和保温时间的影响：加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒将越粗大。
2) 加热速度的影响：加热速度越大，过热度就越大，即奥氏体实际形成温度就越高。快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒，而且，加热速度越快，奥氏体起始晶粒就越细小。但若长时间保温，晶粒反而更加粗大。
3) 钢中碳含量的影响：在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物的情况下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大；当碳含量超过一定限度时， 模板资料 资源共享 由于形成未溶解的二次渗碳体，反而阻碍奥氏体的晶粒长大。
4) 合金元素的影响：强碳化物形成元素将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。当几种合金元素同时加入时，其相互影响十分复杂。
5) 冶炼方法的影响：钢的冶炼方法也影响奥氏体晶粒长大的倾向。用Al脱氧的钢，奥氏体晶粒长大倾向较小；用Si、Mn脱氧的钢，奥氏体晶粒长大倾向较大。
6) 原始组织的影响：原始组织越细，碳化物弥散度越大，相界面越多，形核率越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。
如何控制奥氏体晶粒：
选择合适的加热温度、保温时间、加热速度，控制钢中的碳含量、合金元素含量，选择合适的冶炼方法，控制原始组织。如要获得本质细晶粒钢，可以加入稀土元素，也可以添加合金元素引入钉扎相。
10、 简述快速加热对钢的奥氏体形成的影响。
加热速度越大，过热度就越大，即奥氏体实际形成温度就越高。快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒，而且，加热速度越快，奥氏体起始晶粒就越细小。但由于起始晶粒细小，加之温度较高，奥氏体晶粒很容易长大，因此不宜长时间保温，否则晶粒反而更加粗大。所以，在保证奥氏体成分均匀的前提下，快速加热并短时保温能获得细小的奥氏体晶粒。
