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-cm/d,而液态金属原子的扩散速度为10- 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645mm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。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。粒状珠光体可以有过冷奥氏体直接分解而成, 也可以由片状珠光体球化而成,还可以由淬火组织回火形成。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试比较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。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 高的残余奥氏体分割开。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、立体模型并比较它们的异同。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 -碳化物组成。其立体形态与片状马氏体 一样,也是呈双凸透镜状,亚结构为高密度位错。异同点:相同点:都是铁素体和碳化物的机械混合物,组织亚结构都是高密度的位错。 不同点:组织形态不同,立体模型不同,铁素体和碳化物的混合方式不同。9-7何谓魏氏组织?简述魏氏组织的形成条件、对钢的性能的影响及其消除方法?答:魏氏组织:含碳小于0.6%的亚共析钢或大于1.2%的过共析钢在铸造、锻造、轧 制后的空冷,或者是焊缝热影响区的空冷过程中,或者当加热温度过高并以较快 速度冷却时,先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界沿一定的晶面向晶内生 长,并且呈针片状析出。在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界生长出来的近 乎平行或其他规则排列的针状铁素体或渗碳体以及其间存在的珠光体组织, 这类格时,试计算器体积膨胀。b)经X射线测定,在912C时丫 -Fe的晶格常数为0.3633nm, a -Fe的晶格常数为0.2892nm,当由丫 -Fe转变为a -Fe,试求其体积膨胀,并与a)相比较,说明其差别的原因。答:⏺由此可以说明在面心立方晶格向体心立方晶格转变过程中, Fe原子的原子半径发生了变化,并不遵守刚体模型,从而导致实际体积膨胀率要远小于钢球模型的理论膨胀率1- 10已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为 0.286nm和0.3607nm,求1crn中铁和铜的原子数。
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-cm/d,而液态金属原子的扩散速度为10- 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645mm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。
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。
粒状珠光体可以有过冷奥氏体直接分解而成, 也可以由片状珠光体球化而成,还
可以由淬火组织回火形成。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试比较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。
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 高的残余奥氏体分割开。
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、立体模型并比较它们的异同。
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 -碳化物组成。其立体形态与片状马氏体 一样,也是呈双凸透镜状,亚结构为高密度位错。
异同点:
相同点:都是铁素体和碳化物的机械混合物,组织亚结构都是高密度的位错。 不同点:组织形态不同,立体模型不同,铁素体和碳化物的混合方式不同。
9-7何谓魏氏组织?简述魏氏组织的形成条件、对钢的性能的影响及其消除方
法?
答:
魏氏组织:含碳小于0.6%的亚共析钢或大于1.2%的过共析钢在铸造、锻造、轧 制后的空冷,或者是焊缝热影响区的空冷过程中,或者当加热温度过高并以较快 速度冷却时,先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界沿一定的晶面向晶内生 长,并且呈针片状析出。在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界生长出来的近 乎平行或其他规则排列的针状铁素体或渗碳体以及其间存在的珠光体组织, 这类
格时,试计算器体积膨胀。b)经X射线测定,在912C时丫 -Fe的晶格常数
为0.3633nm, a -Fe的晶格常数为0.2892nm,当由丫 -Fe转变为a -Fe,试求
其体积膨胀,并与a)相比较,说明其差别的原因。
答:⏺
由此可以说明在面心立方晶格向体心立方晶格转变过程中, Fe原子的原子半径
发生了变化,并不遵守刚体模型,从而导致实际体积膨胀率要远小于钢球模
型的理论膨胀率
1- 10已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为 0.286nm和0.3607nm,求1crn中铁
和铜的原子数。
题目解答
答案
解:
已知铁在室温下是体心立方晶格,每个体心立方晶胞共占有 2个Fe原子
铜在室温下是面心立方晶格,每个面心立方晶胞共占有 4个Cu原子。
已知铁在室温下的晶格常数为 0.286nm,
所以每个体心立方晶胞的体积=(0.286 ) 3=0.0234nm3
Icml 中的晶胞数 n=1 cm3/0.0234nm3~4.27 X1022
1cm 中的原子数 N=2n« 8.54 X1022
已知铜在室温下的晶格常数为 0.3607nm,
所以每个体心立方晶胞的体积=(0.3607) 3=0.0469nH"
1cn1 中的晶胞数 n=1 cm3/0.0469nm3~2.13 X1022
解析
本次题目主要涉及金属材料科学中固态相变、奥氏体晶粒度、珠光体、贝氏体、马氏体、魏氏组织等相关知识，以及铁和铜的原子数计算问题。具体解析如下：
9-2 奥氏体晶粒度及对钢性能的影响
- 奥氏体晶粒度：指奥氏体晶粒大小的度量，通常采用金相显微镜100倍放大下，在645mm²范围内观察到的晶粒个数确定级别。
- 对性能的影响：
- 晶粒细小：热处理后组织细小，强度、塑性、冲击韧性高；
- 晶粒粗大：热处理后组织粗大，冲击韧性显著降低，韧脆转变温度升高，淬火变形和开裂倾向增加；晶粒不均匀时，结构强度下降，易脆性断裂。
9-3 珠光体形成时碳的扩散及片、粒状珠光体的形成
- 碳的扩散：珠光体形成时，渗碳体和铁素体形核导致奥氏体中碳浓度差，碳扩散形成富碳区（渗碳体）和贫碳区（铁素体），交替形核长大。
- 片状珠光体形成：
- 奥氏体晶界形核渗碳体（片状，共格关系）；
- 渗碳体长大导致两侧奥氏体贫碳，铁素体在渗碳体两侧形核；
- 铁素体长大导致奥氏体富碳，新渗碳体片形成，交替进行直至奥氏体消耗完毕。
- 粒状珠光体形成：
过冷奥氏体直接分解：控制奥氏体化温度保留未溶渗碳体，冷却至Ar₁以下缓冷，奥氏体晶粒内均匀形核渗碳体，周围形成铁素体，直接得到粒状组织。
9-4 贝氏体与珠光体、马氏体转变的异同
- 与珠光体转变：
- 相同：均有碳扩散，产物均为铁素体+碳化物；
- 不同：贝氏体相变通过切变改组晶格，珠光体通过扩散改组。
- 与马氏体转变：
- 相同：均通过切变改组晶格，新相母相有确定晶体学位相关系；
- 不同：贝氏体为两相组织（铁素体+碳化物），马氏体为单相；贝氏体有碳扩散，马氏体无碳扩散。
9-5 板条马氏体与片状马氏体的特征、亚结构及性能
- 板条马氏体：
- 形貌：成群板条组成，一个奥氏体晶粒形成几个板条群，板条束内平行细长板条；
- 亚结构：高密度位错（位错胞）；
- 性能：强度高、塑韧性好，韧脆转变温度低，缺口敏感性小。
- 片状马氏体：
- 形貌：光学下针/竹叶状，空间凸透镜状，大小不一，互不平行；
- 亚结构：中部孪晶，边缘高密度位错；
- 性能：硬而脆，塑性韧性差。
9-6 上、下贝氏体的组织形态及异同
- 上贝氏体：
- 形态：光学下羽毛状，电镜下条状铁素体+条间断续短杆状渗碳体；
- 立体：扁条状，亚结构位错。
- 下贝氏体：
- 形态：光学下黑色针状，电镜下片状铁素体+内部微细ε-碳化物；
- 立体：双凸透镜状，亚结构高密度位错。
- 异同：
- 相同：均为铁素体+碳化物，亚结构均含高密度位错；
- 不同：组织形态、碳化物分布（上贝氏体条间，下贝氏体内部）、立体模型不同。
9-7 魏氏组织的形成、影响及消除
- 定义：含碳≤0.6%亚共析钢或≥1.2%过共析钢，空冷或快冷时，先共析铁素体/渗碳体从奥氏体晶界沿晶面生长成针片状，与珠光体共存的组织。
- 形成条件：加热温度过高、冷却速度较快（空冷或焊缝热影响区）。
- 性能影响：显著降低塑性和韧性，使钢变脆。
- 消除方法：退火（细化晶粒）、正火（适当加热后空冷）或淬火+回火（细化组织）。
补充计算：1cm³中铁和铜的原子数
- 铁（体心立方，2个/晶胞）：
晶胞体积=(0.286nm)³=0.0234nm³=0.0234×10⁻²¹cm³
晶胞数=1cm³/(0.0234×10⁻²¹cm³)≈4.27×10²²
原子数=2×4.27×10²²≈8.54×10²² - 铜（面心立方，4个/晶胞）：
晶胞体积=(0.3607nm)³≈0.0469nm³=0.0469×10⁻²¹cm³
晶胞数=1cm³/(0.0469×10⁻²¹cm³)≈2.13×10²²
原子数=4×2.13×10²²≈8.52×10²²