固態(tài)相變習(xí)題與參考解答(參考版)
2025-03-27 23:52本頁(yè)面
【正文】 為維持亞穩(wěn)定平衡，小質(zhì)點(diǎn)將溶解，而大質(zhì)點(diǎn)會(huì)長(zhǎng)大。[答案要點(diǎn)] 根據(jù)吉布斯方程式：可知，在小質(zhì)點(diǎn)處的固溶度大，所以在大、小質(zhì)點(diǎn)之間存在濃度梯度，小質(zhì)點(diǎn)周?chē)娜苜|(zhì)有向大質(zhì)點(diǎn)處擴(kuò)散的趨勢(shì)。如中、高碳鋼的M以透鏡狀M為主，低碳鋼是板條狀M，中碳鋼是混合M型。所以有的合金易形成透鏡狀M，有的合金易形成板條狀M。（3）對(duì)給定的（ΔGN）min，一定有合適的c/r比值，c/r較小時(shí)，M為板條狀，c/r較大時(shí)，為透鏡狀。[答案要點(diǎn)] 設(shè)半徑為r厚度為c的扁橢球狀M，其單位體積的非化學(xué)自由能變化為： 。（6）在位錯(cuò)處相變形核，能降低位錯(cuò)本身存在的畸變能，使相變體系中ΔGε降低；位錯(cuò)處的溶質(zhì)原子往往容易富集，增加了過(guò)飽和度，也就使相變體系中的ΔGV 增大，提高了驅(qū)動(dòng)力；位錯(cuò)處是擴(kuò)散短路，使擴(kuò)散系數(shù)D增大，有利于提高相變形核速率。而增厚是由基體原子擴(kuò)散控制的，界面處的溶質(zhì)原子必須從奧氏體中擴(kuò)散走，才能使界面推移，使F長(zhǎng)大。所以必須使擴(kuò)散系數(shù)D小，因此可加入一些強(qiáng)碳（氮）化物形成元素V、Mo等，形成的第2相穩(wěn)定；相界面能σ小，使第2相與基體有相似的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)，界面上的錯(cuò)配度盡可能地??；基體中應(yīng)有很低的溶度C0 ，例Al2O3在鋼中C0很低，也可有效地穩(wěn)定組織。（4）根據(jù)Ostwald長(zhǎng)大規(guī)律：可知：耐熱合金關(guān)鍵是在使用過(guò)程中組織要非常穩(wěn)定，主要是第2相穩(wěn)定。而在冷卻過(guò)程中或時(shí)效初期在晶界附近產(chǎn)生一空位濃度分布，因?yàn)榭瘴荒軆?yōu)先被晶界吸收，所以晶界附近往往形成貧空位區(qū)。（3）置換型合金固溶處理獲得過(guò)飽和的空位。但兩者又是矛盾的：對(duì)界面能來(lái)說(shuō)，片狀最大，球狀最??；但對(duì)應(yīng)變能來(lái)說(shuō)，球狀最大，而薄片狀最小。所以脫溶時(shí)，往往產(chǎn)生中間過(guò)渡相，以減少相變阻力，逐步進(jìn)行使過(guò)程完成。但是固態(tài)相變的特點(diǎn)是相變阻力比較大，應(yīng)變能和界面能的影響最大。（6）位錯(cuò)促進(jìn)相變形核。（4）含有第二相粒子耐熱合金的設(shè)計(jì)，對(duì)第二相組元的擴(kuò)散系數(shù)D、第二相與基體的界面能σ、第二相組元在基體中的固溶度C0 ，一般都要求盡可能地小。（2）脫溶沉淀相的形貌有球狀、片狀、針狀等形態(tài)。[簡(jiǎn)要解答] 問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，只是正確進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和對(duì)概念的正確立即即可。已知形核率= 1000/ cm3?s，長(zhǎng)大率G=3105cm/s。其界面是可滑動(dòng)的。機(jī)理：發(fā)生熱彈性馬氏體相變時(shí)，馬氏體長(zhǎng)大有一種化學(xué)力和機(jī)械彈性力之間的平衡。[簡(jiǎn)要解答] ∵ ∴ ,令該式等于0，則得：， 3試述具備熱彈性馬氏體合金的必要條件及機(jī)理。設(shè)為臨界晶核自由能，為臨界晶核體積，系統(tǒng)自由能變化。在淬火與測(cè)量之間的時(shí)間間隔內(nèi)，就已經(jīng)發(fā)生了自然時(shí)效的效果，但在時(shí)效初期，可產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象，所以固溶體產(chǎn)生短暫的軟化傾向，表現(xiàn)為時(shí)效開(kāi)始階段硬度下降。大直徑試樣由于存在過(guò)飽和空位濃度，空位和溶質(zhì)原子對(duì)結(jié)合，形成了GP區(qū)，所以其點(diǎn)陣常數(shù)要比純鋁點(diǎn)陣常數(shù)大。另外，高溫的快速冷卻，存在很大的熱應(yīng)力。根據(jù)圖示結(jié)果給出Al5%Cu合金下述固溶體點(diǎn)陣常數(shù)和硬度變化特征的分析：（1）在單相區(qū)的淬火加熱溫度相同，但不同截面試樣淬火后固溶體點(diǎn)陣常數(shù)不同；（2）；（3）時(shí)效開(kāi)始階段硬度下降。由質(zhì)量平衡有： ， ∴ 因?yàn)镸n和Fe的原子量幾乎相同，所以近似計(jì)算可有：由Mn的質(zhì)量平衡得到： ， ∴ 將此數(shù)值代入方程可得Mn的影響：由于Si與Mn同時(shí)存在，共同作用，所以其總的變化為： ， ∴ 計(jì)算結(jié)果表明：加入1%Mn降低了碳的活度，使石墨化驅(qū)動(dòng)力有所降低。所以有：滲碳體的分子式為Fe3C，所以。假定奧氏體中的含C量與二元系中的相同。[簡(jiǎn)要解答] 分別計(jì)算Mn、Si效應(yīng)，再求得總效應(yīng)碳活度 。已知，在900℃時(shí)Si在滲碳體與奧氏體的分配系數(shù)為零，而Mn的分配系數(shù)為2。 2在白口鑄鐵中，碳的活度是很高的，因此有很高的石墨化驅(qū)動(dòng)力。采用誤差函數(shù)解，設(shè)晶界處的空位濃度為0，晶內(nèi)的空位濃度為C0，高溫時(shí)的空位濃度在冷卻時(shí)完全保留了下來(lái)。計(jì)算時(shí)，估計(jì)到空位濃度為C0 / 2處為止。作為近似，可用誤差函數(shù)來(lái)計(jì)算空位的濃度分布。其結(jié)果是沿著晶界會(huì)造成無(wú)沉淀區(qū)。容易通過(guò)在晶界上的沉淀來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣靠近晶界處的空位將快速減少，在那里的擴(kuò)散系數(shù)將很快地接近它的正常值。[簡(jiǎn)要解答] 實(shí)際是研究晶界處空位濃度的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，這種材料加熱到150℃時(shí)效保溫10分鐘，才觀察到有沉淀析出。這樣，靠近晶界的空位將要快速下降，而且在那里的擴(kuò)散系數(shù)將很快接近它的正常值。冷卻到低溫后，過(guò)剩的空位有消失的趨勢(shì)。其原因是由于淬火使合金在低溫下保存了過(guò)量的空位。在時(shí)效過(guò)程中，形成了許多很細(xì)小的析出物。（1） cm2/s由振幅： ,所以：解得：t1 =（2）解得：t2 =為縮短均勻化時(shí)間，可通過(guò)軋制等工藝，使?jié)舛炔ㄩL(zhǎng)變小,并且也使缺陷自多，有利于原子的擴(kuò)散，這樣可使所需的時(shí)間大為減少。2) 如果是銅鎳合金，情況同上，則需要多少時(shí)間 ?已知：在815℃時(shí)，鎳(Ni)在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)為D = 71011 m2 / s 。請(qǐng)使用公式計(jì)算使上述含Zn量之差降低到1%Zn所需的時(shí)間。計(jì)算結(jié)果：使碳在表層中的有害作用完全消除，至少要保溫6小時(shí)。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，表層的碳濃度逐漸下降，%，則其它地方就沒(méi)有問(wèn)題了。計(jì)算結(jié)果：在保溫期間，%。計(jì)算S值時(shí)，為一分鐘。當(dāng)然，在這里也可直接用平均擴(kuò)散距離求得。但不知高斯方程式中的S量。在數(shù)學(xué)上即對(duì)函數(shù)求導(dǎo)可求得極值點(diǎn)位置及極值。若令，則可求得達(dá)到最高濃度時(shí)所需的時(shí)間。2）長(zhǎng)期保溫時(shí)，表面吸收的碳會(huì)向內(nèi)部擴(kuò)散（）。在1000℃長(zhǎng)期保溫后，在保溫期間，使鋼表層內(nèi)含碳量達(dá)到的最大有害深度是多少 ?3)如果使碳在表層中的有害作用完全消除，問(wèn)至少要保溫多長(zhǎng)時(shí)間才可消除碳的有害影響?[簡(jiǎn)要解答] 1）因?yàn)榧僭O(shè)是在恒定碳勢(shì)下滲碳一分鐘，所以就可以用誤差函數(shù)解來(lái)求得深度。1）由于碳的有害作用是由表向里擴(kuò)展的，設(shè)原不銹鋼試樣中含碳量為0，使試樣表面層的性能受到損害的深度是多少 ?2），保護(hù)氣氛恢復(fù)了作用。設(shè)氣氛為恒定碳勢(shì)，%C?！? ，其中===∴ 其基波的振幅將隨時(shí)間而衰減，即：∴ 105 s ≈ 計(jì)算結(jié)果：%Zn，需要退火15小時(shí)左右。
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