八章固相反应西北工业大学 刘智恩.docx
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八章固相反应西北工业大学刘智恩
1.分析固态相变的阻力。
2.分析位错促进形核的主要原因。
3.下式表示含n个原子的晶胚形成时所引起系统自由能的变化。
式中:
∆Gv——形成单位体积晶胚时的自由能变化;
γα/β——界面能;
Es——应变能;
a、b——系数,其数值由晶胚的形状决定。
试求晶胚为球形时,a和b的值。
若∆Gv,γα/β,Es均为常数,试导出球状晶核的形核功∆G*。
4.A1-Cu合金的亚平衡相图如图8-5所示,试指出经过固溶处理的合金在T1,T2温度时效时的脱溶顺序;并解释为什么稳定相一般不会首先形成呢?
5.xCu=0.046的Al-Cu合金(见图4-9),在550℃固熔处理后。
α相中含xCu=0.02,然后重新加热到100℃,保温一段时间后,析出的θ相遍布整个合金体积。
设θ粒子的平均间距为5nm,计算:
(1) 每立方厘米合金中大约含有多少粒子?
(2) 假设析出θ后,α相中的xCu=0,则每个θ粒子中含有多少铜原子(θ相为fcc结构,原子半径为0.143nm)?
6.连续脱熔和不连续脱熔有何区别?
试述不连续脱熔的主要特征?
7.试述Al-Cu合金的脱熔系列及可能出现的脱熔相的基本特征。
为什么脱溶过程会出现过渡相?
时效的实质是什么?
8.指出调幅分解的特征,它与形核、长大脱溶方式有何不同?
9.试说明脱熔相聚集长大过程中,为什么总是以小球熔解、大球增大方式长大。
10. 若固态相变中新相以球状颗粒从母相中析出,设单位体积自由能的变化为108J/m2,比表面能为1J/m2,应变能忽略不计,试求表面能为体积自由能的1%时的新相颗粒直径。
11. 试述无扩散型相变有何特点。
12. 若金属B熔入面心立方金属A中,试问合金有序化的成分更可能是A3B还是A2B?
试用20个A原子和B原子作出原子在面心立方金属(111)面上的排列图形。
13. 含碳质量分数wc=0.003及wc=0.012的甲5mm碳钢试样,都经过860℃加热淬火,试说明淬火后所得到的组织形态、精细结构及成分。
若将两种钢在860℃加热淬火后,将试样进行回火,则回火过程中组织结构会如何变化?
1. 固态相变时形核的阻力,来自新相晶核与基体间形成界面所增加的界面能Eγ,以及体积应变能(即弹性能)Ee。
其中,界面能Eγ包括两部分:
一部分是在母相中形成新相界面时,由同类键、异类键的强度和数量变化引起的化学能,称为界面能中的化学项;另一部分是由界面原子不匹配(失配),原子间距发生应变引起的界面应变能,称为界面能中的几何项。
应变能Ee产生的原因是,在母相中产生新相时,由于两者的比体积不同,会引起体积应变,这种体积应变通常是通过新相与母相的弹性应变来调节,结果产生体积应变能。
从总体上说,随着新相晶核尺寸的增加及新相的生长,(Eγ+Ee)会增加。
当然,Eγ、Ee也会通过新相的析出位置、颗粒形状、界面状态等,相互调整,以使(Eγ+Ee)为最小。
母相为液态时,不存在体积应变能问题;而且固相界面能比液—固的界面能要大得多。
相比之下,固态相变的阻力大。
2. 如同在液相中一样,固相中的形核几乎总是非均匀的,这是由于固相中的非平衡缺陷(诸如非平衡空位、位错、晶界、层错、夹杂物等)提高了材料的自由能。
如果晶核的产生结果使缺陷消失,就会释放出一定的自由能,因此减少了激活能势垒。
新相在位错处形核有三种情况:
一是新相在位错线上形核,新相形成处,位错消失,释放的弹性应变能量使形核功降低而促进形核;二是位错不消失,而且依附在新相界面上,成为半共格界面中的位错部分,补偿了失配,因而降低了能量,使生成晶核时所消耗的能量减少而促进形核;三是当新相与母相成分不同时,由于溶质原子在位错线上偏聚(形成柯氏气团)有利于新相沉淀析出,也对形核起促进作用。
4. 脱溶顺序为:
T1温度,α-θ’-θ;
T2温度,α-θ”-θ’-θ。
判断一个新相能否形成,除了具有负的体积自由能外,还必须考虑新相形成时的界面能和应变能。
由临界形核功
可知,只有当界面能γα/β和应变能Es,尽可能减小,才能有效地减小临界形核功,有利于新相形核。
在析出初期阶段,析出相很细小,此时应变能较小,而表面能很大。
为了减小表面能,新相往往形成与母相晶格接近,并与母相保持共格的亚稳过渡相,以使体系能量降低,有利于相变。
在析出后期,由于析出相粒子长大,应变能上升为相变的主要阻力,则新相形成与母相非共格的稳定相,以降低体系总能量。
随时效温度不同,由于界面能和应变能的不同作用,将出现不同的亚稳过渡相。
6. 如果脱熔是在母相中各处同时发生,且随新相的形成母相成分发生连续变化,但其晶粒外形及位向均不改变,称之为连续脱熔。
与连续脱熔相反,当脱熔一旦发生,其周围一定范围内的固熔体立即由过饱和状态变成饱和状态,并与母相原始成分形成明显界面。
在晶界形核后,以层片相间分布并向晶内生长。
通过界面不但发生成分突变,且取向也发生了改变,这就是不连续脱熔。
其主要差别在于扩散途径的长度。
前者扩散场延伸到一个相当长的距离,而后者扩散距离只是片层间距的数量级(一般小于1m)
不连续脱熔有以下特征:
(1) 在析出物与基体界面上,成分是不连续的;析出物与基体间的界面都为大角度的非共格界面,说明晶体位向也是不连续的。
(2) 胞状析出物通常在基体(α’)晶界上形核,而且总是向。
’相的相邻晶粒之一中长大。
(3) 胞状析出物长大时,熔质原子的分配是通过其在析出相与母相之间的界面扩散来实现的,扩散距离通常小于1m。
6. A1—Cu合金的脱溶系列有:
GP区-θ"过渡相-θ’过渡相-θ平衡相
脱熔相的基本特征:
GP区为圆盘状,其厚度为0.3~0.6nm,直径约为8nm,在母相的{100}面上形成。
点阵与基体α相同(fcc),并与α相完全共格。
θ"过渡相呈圆片状,其厚度为2nm,直径为30~40nm,在母相的{100}面上形成。
具有正方点阵,点阵常数为a=b=0.404nm,c=0.78nm,与基体完全共格,但在z轴方向因点阵常数不同而产生约4%的错配,故在θ"附近形成一个弹性共格应变场。
θ'过渡相也在基体的{100}面上形成,具有正方结构,点阵常数a=b=0.404nm,c=0.58nm,其名义成分为CuAl2。
由于在z轴方向错配量太大,所以只能与基体保持局部共格。
θ相具有正方结构,点阵常数a=b=0.607nm,c=0.487nm,这种平衡沉淀相与基体完全失去共格。
时效的实质,就是从过饱和固熔体分离出一个新相的过程,通常这个过程是由温度变化引起的。
时效以后的组织中含有基体和沉淀物,基体与母相的晶体结构相同,但成分及点阵常数不同;而沉淀物则可以具有与母相不同的晶体结构和成分。
由于沉淀物的性质、大小、形状及在显微组织中的分布不同,合金的性能可以有很大的变化。
7. 调幅分解是指过饱和固熔体在一定温度下分解成结构相同、成分和点阵常数不同的两个相。
调幅分解的主要特征是不需要形核过程。
调幅分解与形核、长大脱熔方式的比较如附表2.6所示。
附表2.6 调幅分解与形核、长大脱熔方式的比较
脱熔类型
自由能成分曲线特点
条 件
形核特点
界面特点
扩散方式
转变速率
颗粒大小
调幅分解
凸
自发涨落
非形核
宽泛
上坡
高
数量多、颗粒小
形核长大
凹
过冷度及临界形核功
形核
明晰
下坡
低
颗粒大、数量少
8. 若固态合金中,含有大小不同的沉淀相粒子,在高温退火时,将会出现小粒子熔解,大粒子长大的现象。
其物理实质:
假定始态只有附图2.23(a)所示的两种尺寸的第二相粒子。
由粒子大小对固熔度的影响可知,小粒子的固熔度较大,因而在。
相内,从小粒子到大粒子之间,有一个从高到低的熔质浓度梯度,小粒子周围的熔质有向大粒子周围扩散的趋势。
这种扩散发生后,破坏了亚稳平衡,使小粒子周围的熔质浓度(Cr2)小于亚稳平衡时的熔质浓度(Cr1),如附图2.23(b)所示,因而小粒子熔解而变得更小,如附图2.23(c)所示;而大粒子周围的熔质浓度(Cr2’)又大于亚稳平衡时的熔质浓度(Cr1’),因而发生沉淀,使大粒子长大,如附图2.23(c)所示。
因此,不均匀尺寸的固相粒子粗化,是通过小粒子继续熔解以及大粒子继续长大而进行的。
9. 直径2r=6×10-6m。
10. 无扩散型相变具有如下特点:
(1) 存在由于均匀切变引起的形状改变,使晶体发生外形变化。
(2) 由于相变过程无扩散,新相与母相的化学成分相同。
(3) 母相与新相之间有一定的晶体学位向关系。
(4) 相界面移动速度极快,可接近声速。
13. 860℃加热,两种钢均在单相区(见Fe—Fe3C相图),淬火后均为M体。
WC=0.012的碳钢中有一定量的残余奥氏体。
WC=0.003的碳钢,其马氏体成分为WC=0.003,形态为板条状,精细结构为位错。
WC=0.012的碳钢,其马氏体成分为WC=0.012,形态为针状,精细结构为孪晶。
WC=0.003的碳钢,在200℃以下回火时,组织形态变化较小,硬度变化也不大。
但碳原子向位错线附近偏聚倾向增大。
当回火温度高于250℃时,渗碳体在板条间或沿位错线析出,使强度、塑性降低;当回火温度达300~400℃时,
析出片状或条状渗碳体,硬度、强度显著降低,塑性开始增高,当400~700℃回火时,发生碳化物的聚集、长大和球化及。
相的回复、再结晶。
此时,硬度、强度逐渐降低,塑性逐渐增高。
WC=0.012的碳钢,低于100℃回火时,碳原子形成富碳区;100~200℃回火时,析出大量细小碳化物,因此,硬度稍有提高;200~300℃回火时,残留奥氏体转变为回火马氏体(或贝氏体)使硬度升高,但同时,马氏体的硬度降低,因此,总体上硬度变化不大;高于300℃回火时,碳化物继续析出,随后便是碳化物长大及球化,而α相发生回复、再结晶,使硬度降低,韧性增高。
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