金属学热处理下册答案.docx

第八章 扩散 8-1 何为扩散？固态扩散有哪些种类？ 答：扩散是物质中原子〔或〕分子的迁移现象，是位置传输的一种方式 根据扩散过程是否发生浓度变化可分为：自扩散、互扩散 根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同可分为：下坡扩散、上坡扩散 根据扩散过程是否出现新相可分为：原子扩散、反响扩散 8-2 何为上坡扩散和下坡扩散？举例说明 答： 下坡扩散：原子或分子沿浓度降低的方向进行扩散，使浓度趋于均匀化比方 铸件的均匀化退火、工件的外表渗碳过程均属于下坡扩散 上坡扩散：原子或分子沿浓度升高的方向进行扩散，即由低浓度向高浓度方向 扩散，使浓度趋于两极分化例如奥氏体向珠光体转变过程中，碳原子从浓度 较低的奥氏体中向浓度较高的渗碳体中扩散 8-3 扩散系数的物理意义是什么？影响因素有哪些？ 答：扩散系数的物理意义：浓度梯度为 1 时的扩散通量D 越大，扩散速度越 快 影响因素： 1、温度：扩散系数与温度呈指数关系，随温度升高，扩散系数急剧增大 2、键能和晶体结构：键能高，扩散激活能大，扩散系数减小；不同的晶体结构 具有不同的扩散系数：例如从晶体结构来考虑，碳原子在铁素体中的扩散系 数比在奥氏体中的大 3、固溶体类型：不同类型的固溶体，扩散激活能不同，间隙原子的扩散激活能 比置换原子的小，扩散系数大。

4、晶体缺陷：晶体缺陷处，自由能较高，扩散激活能变小，扩散易于进行 5、化学成分：当合金元素提高合金熔点，扩散系数减小；假设降低合金熔点，扩 散系数增加 8-4 固态合金中要发生扩散必须满足那些条件？为什么？ 答： 1、扩散需有驱动力扩散过程都是在扩散驱动力的作用下进行的，如没有扩散 驱动力，也就不能发生扩散 2、扩散原子要固溶扩散原子在基体中必须由一定的固溶度，形成固溶体，才 能进行固态扩散 3、温度要足够高固态扩散是依靠原子热激活而进行的，温度越高，原子的热 振动越剧烈，原子被激活发生迁移的可能性就越大 4、时间要足够长原子在晶体中每跃迁一次最多只能移动 0.3-0.5nm 的距离， 只有经过相当长的时间才能形成物质的宏观定向迁移 8-5 铸造合金均匀化退火前的冷塑性变形对均匀化过程有和影响？是加速还是减 缓？为什么？答：加速 原因：铸造合金经非平衡结晶后，会出现不同程度的枝晶偏析根据扩散第二 定律可得知，铸锭均匀化退火所需时间与枝晶间距的平方成正比，与扩散系数 成反比所以在退火前对合金进行冷塑性变形可破碎枝晶，减小枝晶间距，另 外塑形变形使金属内部的位错密度增加，缺陷越多，扩散系数 D 越大，扩散越 快，因此可以缩短均匀化的时间。

8-6 计算扩散系数 答：477℃时×10 -11 cm 2 /s， 497℃时×10 -11 cm 2 /s 8-7〔消除枝晶偏析时间计算〕 答：477℃时×10 5 s=115h 497℃时×10 5 s=67h 8-8 可否用铅代替铅锡合金做对铁进行钎焊的材料，试分析说明之？ 答：不能 原因： 因为钎焊过程只是钎料熔化，母材仍处於固体状态因此要求钎料与母材不但 液态时能互溶，固态时也必须互溶，依靠他们之间的互扩散形成牢固的金属结 合而铅是不固溶于铁的，因此如果以铅来做钎料，铁做母材，那么铅是无法扩 散到母材中的，无法起到钎焊的效果 8-9 答：在压力使两块板实现分子间贴合，高温长时间加热发生扩散现象，因此两 块板子会焊接在一起〔压力焊原理〕，根据相图纯铜板结合处室温下组织是α+ 〔α+β〕，纯银板结合处室温下组织是β+〔α+β〕β，由此可见内部出现了 共晶组织，共晶组织的熔点低，分布在晶界处，易熔化而出现过烧现象，因此 工艺要通过控制温度和时间来控制相互溶解的量，防止出现共晶组织 8-10 渗碳是将零件置于渗碳介质中使碳原子进入工件外表，然后以下坡扩散的 方式使碳原子从表层向内部扩散的热处理方法。

试问： 1〕温度上下对渗碳速度有何影响？ 2〕渗碳应在奥氏体中还是铁素体中进行？ 3〕空位密度、位错密度和晶粒大小对渗碳速度有何影响？ 答： 1〕温度越高，渗碳速度越快因为扩散系数随温度升高，急剧增大 2〕在奥氏体中进行虽然碳在铁素体中的扩散系数比在奥氏体中大，但是当把 钢加热至奥氏体时，一方面温度升高，扩散系数急剧增加；另一方面，奥氏 体的溶碳能力急剧增大，可增加渗层深度 3〕空位密度和位错密度越多，渗碳速度越快因为缺陷处能量较高，扩散激活 能降低，增大扩散系数晶粒越小，渗碳速度越快因为晶粒越小，晶界面 积越大，而原子沿晶界的扩散速度较快 第九章 钢的热处理原理 9-1 金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变的阻力？ 答： 固体相变主要特征：1、相变阻力大 2、新相晶核与母相晶核存在一定的晶体学位向关系 3、母相中的晶体学缺陷对相变其促进作用 4、相变过程中易出现过渡相 相变阻力构成： 1、外表能的增加 2、弹性应变能的增加，这是由于新旧两相的比体积不同，相变时必然发生体积 的变化，或者是由于新旧两相相界面的不匹配而引起弹性畸变，都会导致弹 性应变能的增加 3、固态相变温度低，原子扩散更困难，例如固态合金中原子的扩散速度为 10 -7 —10 -8 cm/d，而液态金属原子的扩散速度为10 -7 cm/s。

9-2 何谓奥氏体晶粒度？说明奥氏体晶粒大小对钢的性能影响？ 答： 奥氏体晶粒度：是奥氏体晶粒大小的度量当以单位面积内晶粒的个数或每个 晶粒的平均面积与平均直径来描述晶粒大小时，可以建立晶粒大小的概念通 常采用金相显微镜 100 倍放大倍数下，在 645mm2 范围内观察到的晶粒个数来 确定奥氏体晶粒度的级别 对钢的性能的影响： 奥氏体晶粒小：钢热处理后的组织细小，强度高、塑性好，冲击韧性高 奥氏体晶粒大：钢热处理后的组织粗大，显著降低钢的冲击韧性，提高钢的韧 脆转变温度，增加淬火变形和开裂的倾向当晶粒大小不均匀 时，还显著降低钢的结构强度，引起应力集中，容易产生脆性 断裂 9-3 试述珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片、粒状珠光体的形成过程？ 答： 珠光体形成时碳的扩散：珠光体形成过程中在奥氏体内或晶界上由于渗碳体和 铁素体形核，造成其与原奥氏体形成的相界面两侧形成碳的浓度差，从而造成 碳在渗碳体和铁素体中进行扩散，简言之，在奥氏体中由于碳的扩散形成富碳 区和贫碳区，从而促使渗碳体和铁素体不断地交替形核长大，直至消耗完全部 奥氏体 片状珠光体形成过程：片状珠光体是渗碳体呈片状的珠光体。

〔完全奥氏体化且 冷速缓慢如炉冷时形成片状珠光体〕 首先在奥氏体晶界形成渗碳体晶核，核刚形成时与奥氏体保持共格关系，为减 小形核的应变能而呈片状渗碳体长大的同时，使其两侧的奥氏体出现贫碳 区，从而为铁素体在渗碳体两侧形核创造条件，在渗碳体两侧形成铁素体后， 铁素体长大的同时造成其与奥氏体体界面处形成富碳区，这又促使形成新的渗 碳体片渗碳体和铁素体如此交替形核长大形成一个片层相间大致平行的珠光 体区域，当其与其他部位形成的珠光体区域相遇并占据整个奥氏体时，珠光体 转变结束，得到片状珠光体组织 粒状珠光体的形成过程：粒状珠光体是渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上 〔非完全奥氏体化且冷速缓慢如炉冷时形成粒状珠光体〕 粒状珠光体可以有过冷奥氏体直接分解而成(如组织为α+P的亚共析钢，加热到α+γ时，假设短时间保温γ成分不均匀中有贫碳区和富碳区，富碳区就是渗碳 体的形核部位)，也可以由片状珠光体球化而成(如组织为P+Fe3C的过共析钢， 加热到γ+Fe3C时，在缓冷时形成粒状珠光体〕，还可以由淬火组织回火形成如 回火索氏体〕 原始组织不同，其形成机理也不同 这里只介绍由过冷奥氏体直接分解得到粒状珠光体的过程： 要由过冷奥氏体直接形成粒状珠光体，必须使奥氏体晶粒内形成大量均匀弥散 的渗碳体晶核，即控制奥氏体化温度，使奥氏体内残存大量未溶的渗碳体颗 粒；同时使奥氏体内碳浓度不均匀，存在高碳区和低碳区。

再将奥氏体冷却至 略低于 Ar1 以下某一温度缓冷，在过冷度较小的情况下就能在奥氏体晶粒内形 成大量均匀弥散的渗碳体晶核，每个渗碳体晶核在独立长大的同时，必然使其 周围母相奥氏体贫碳而形成铁素体，从而直接形成粒状珠光体 9-4 试比拟贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同 答： 贝氏体转变：是在珠光体转变温度以下马氏体转变温度以上过冷奥氏体所发生 的中温转变 与珠光体转变的异同点： 相同点：相变都有碳的扩散现象；相变产物都是铁素体+碳化物的机械混合物 不同点：贝氏体相变奥氏体晶格向铁素体晶格改组是通过切变完成的，珠光体 相变是通过扩散完成的并且贝氏体中铁素体中碳的过饱和度大，上贝氏体碳 化物是不连续的短杆状，下贝氏体的碳化物分布在铁素体内〔原因：产物的温 度降低，碳的扩散变慢〕 与马氏体转变的异同点〔可扩展〕 ： 相同点：晶格改组都是通过切变完成的；新相和母相之间存在一定的晶体学位 相关系 不同点：贝氏体是两相组织，马氏体是单相组织；贝氏体相变有扩散现象，可 以发生碳化物沉淀，而马氏体相变无碳的扩散现象 9-5 简述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征和亚结构，并说明它们在性能 上的差异。

答： 板条马氏体的形貌特征：其显微组织是由成群的板条组成一个奥氏体晶粒可 以形成几个位向不同的板条群，板条群由板条束组成，而一个板条束内包含很 多近乎平行排列的细长的马氏体板条每一个板条马氏体为一个单晶体，其立 体形态为扁条状，宽度在 0.025-2.2 微米之间在这些密集的板条之间通常由含 碳量较高的剩余奥氏体分割开 板条马氏体的亚结构：高密度的位错，这些位错分布不均匀，形成胞状亚结 构，称为位错胞 片状马氏体的形貌特征：片状马氏体的空间形态呈凸透镜状，由于试样磨面与 其相截，因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状，而且马氏体片互相不平行，大 小不一，越是后形成的马氏体片尺寸越小片状马氏体周围通常存在残留奥氏 体 片状马氏体的亚结构：主要为孪晶，分布在马氏体片的中部，在马氏体片边缘 区的亚结构为高密度的位错板条马氏体与片状马氏体性能上的差异: 马氏体的强度取决于马氏体板条或马氏体片的尺寸，尺寸越小，强度越高，这 是由于相界面阻碍位错运动造成的 马氏体的硬度主要取决于其含碳量 马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构 差异性： 片状马氏体强度高、塑性韧性差，其性能特点是硬而脆 板条马氏体同时具有较高的强度和良好的塑韧性，并且具有韧脆转变温度低、 缺口敏感性和过载敏感性小等优点。

9-6 试述钢中典型的上、下贝氏体的组织形态、立体模型并比拟它们的异同 答： 上贝氏体的组织形态、立体模型： 在光学显微镜下，上贝氏体的典型特征呈羽毛状在电子显微镜下，上贝氏体 由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的 断续的、短杆状的渗碳体组成其立体形态与板条马氏体相似呈扁条状，亚结 构主要为位错 下贝氏体的组织形态、立体模型： 在光学显微镜下，下贝氏体呈黑色针状在电子显微镜下，下贝氏体由含碳过 饱和的片状铁素体和其内部析出的微细ε-碳化物组成其立体形态与片状马氏 。