考试科目：材料科学基础 考试时间：120分钟 试卷总分100分 注意：本试卷共两部分，第一部分为金属学；第二部分为热处理。 第一部分：金属学（60分） 一、画出立方晶系中（011）晶面和[231]晶向。（本题4分） 二、试判断位错反应能否进行？（本题4分） 三、根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。（本题6分） 四、何谓钢的热脆性？是怎样产生的？如何防止？（本题6分） 五、什么叫珠光体？试计算珠光体中Fe3C的相对含量。（本题6分） 六、试分析0.77%的碳钢从液态冷到室温时的 结晶过程。画出结晶过程示意图。（本题8分） 七、根据Pb-Bi-Sn相图的投影图（图1）写出P′ 点的反应式，并指出反应类型 （本题4分） 八、试写出Hall-Petch公式，说明室 温下金属晶粒越细强度高而塑性好 的原因。（本题4分） 九、为什么钢的渗碳在奥氏体中进行而不在铁素体中进行？（本题6分） 十、什么叫金属材料的热变形？现已知铁的熔点为1538℃，试估算铁的最低再结晶温度。（本题8分） 第二部分：热处理（40分） 一、计算题（10分） 共析钢780℃时珠光体等温转变为奥氏体，根据公式（1）估算奥氏体向铁素体侧和向渗碳体侧推移速度之比（已知780℃时与铁素体相接的奥氏体碳浓度为0.41，与渗碳体相接的奥氏体碳浓度为0.89）  （1） 式中：G—相界面推移速度 K—常数 —碳在奥氏体中的扩散速度 dc/dx —相界面处奥氏体中碳的浓度梯度 ΔCB—相界面浓度差 二、简答题（10分） 1. 简述为什么Fe-C合金片状马氏体容易形成显微裂纹。（6分） 2. 根据图2解释共析钢过冷奥氏体转变为珠光体的形核率（N）和长大速度（G）具有极大值的特征。（6分） 三、论述题（10分） 影响Ms点的因素较多，试说出三个影响因素并加以论述。 四、论述题（8分） 试述马氏体具有高强度的主要原因。 参考答案 第一部分：金属学 图3，ABEF：（011）；ON：[231]。 二、几何条件：左= ==右；满足。 能量条件：左= 右= =；所以能进行。 三、1.增加?T；2.变质处理；3.振动，搅拌。 四、由Fe+FeS为低熔点共晶体，熔点989℃，熔化开裂称热脆。含氧更高时（Fe+FeS+FeO）熔点更低的共晶体。 脱硫防止，使钢中＜0.04%。 五、P为（Fe3C+F）两相机械混合物。 Fe3C%≈12%。 六、0.77%碳钢从液态冷到室温时 结晶过程示意图如图4。 100% P 七、P?：L+Pb Sn+Pb2Bi 为共晶反应。 八、σs=σs+kd-1/2。 由Hall-Petch公式知，d减小，σs增加；另d减小，位错塞积小，塑性好。 九、γ-Fe即奥氏体中溶碳量为2.11%，而α-Fe仅能溶解0.0218%碳；另γ-Fe为高温相，D值大，所以γ-Fe在中渗碳。 十、指在T再以上温度进行的变形（轧、煅等）； T再=0.4×（1538+273）-273=450（℃）。 第二部分：热处理 一、答：根据公式，奥氏体界面向某一侧推移速度 （1分），等温转变时，、 dc/dx均为常数，则，若忽略碳在铁素体中的扩散，则：奥氏体界面向铁素体一侧推移的速度= （5分）， 奥氏体界面向渗碳体一侧推移的速度= （2分）， =14.8 （2分）。 二、答：1、显微裂纹是由于马氏体形成时相互碰撞造成的，片状马氏体形成时，第一片马氏体贯穿整个奥氏体晶粒，后形成的马氏体不断撞击先形成的马氏体（2分），由于马氏体的形成速度极快，相互碰撞或与原奥氏体晶界相撞时因冲击而引起相当大的应力场（2分）；同时，由于片状马氏体含碳量较高，马氏体很脆，不能通过滑移或孪生等变形来消除应力，因此容易产生显微裂纹。（2分） 2、是因为随着转变温度的降低，过冷度增加，奥氏体与珠光体的自由能差增大，珠光体的形核率增加，但随着过冷度增大，原子活动能力减弱，因而又使形核率（N）减小，故形核率与转变温度的关系曲线具有极大值（3分）；由于珠光体相变是典型的扩散型相变，珠光体长大速度（G）与原子扩散密切相关，随着转变温度的降低，原子扩散速度减慢，使珠光体长大速度减慢，但转变温度降低，使靠近珠光体的奥氏体中的碳浓度差增大，增大了碳的扩散速度，又有促进珠光体的长大作用（3分）。 三、答：（本题㈠、㈡、㈢、㈣、㈤任选其中三个回答即可。） ㈠　化学成分的影响：奥氏体的化学成分对Ms点的影响十分显著，钢的Ms点主要取决于化学成分。（1分）⑴含碳量的影响：含碳量对的影响最为显著，钢中随着含碳量的增加，Ms点呈连续下降趋势，这是由于含碳量增加，奥氏体中碳的溶解度增加，碳原子对奥氏体的固溶强化作用增强，过冷奥氏体的稳定性随之增强，因此，Ms点随含碳量增加而呈连续下降趋势（2分）。⑵合金元素的影响。合金元素对Ms点的影响主要决定于它们对平衡温度T0的影响及对奥氏体的强化效应，凡剧烈降低T0温度及强化的奥氏体的元素，均剧烈降低Ms点。钢中常见的合金元素均有使Ms点降低的作用，但效果不如C显著，只有Al、Co有使Ms点提高的作用。（1分）强碳化物形成元素如W、V、Ti等在钢中多以碳化物形式存在，淬火加热时一般溶入奥氏体中很少，对Ms点影响不大。另外，几种合金元素同时存在时，对Ms点的影响比较复杂。（2分）㈡ 形变与应力对Ms点的影响。过冷奥氏体冷至Ms点以上，Md点以下的温度范围进行塑性变形，会诱发马氏体相变，其原因是形变提供的机械驱动力加上化学驱动力刚好等于该温度下马氏体相变所需的驱动力，因此使过冷奥氏体转变为马氏体的Ms点升高。由于马氏体相变时必然产生体积膨胀，因此多向压应力阻碍马氏体的形成，因而降低Ms点（2分）。㈢ 奥氏体化条件对Ms点的影响。加热温度和保温时间对Ms点的影响较为复杂。加热温度和时间增加有利于碳和合金元素进一步溶入奥氏体中，使Ms点下降。但是，加热温度升高，有会引起奥氏体晶粒长大，并使其中的晶体缺陷减少，使马氏体形成时的切变阻力减小，使Ms点升高。一般奥氏体晶粒长大在1000℃才比较显著，所以，晶粒大小对Ms点的影响并不显著（2分）。㈣ 淬火速度对Ms点的影响。高速淬火时Ms点随淬火冷却速度增大而升高，淬火速度低时，Ms点不随淬火速度变化，相当于钢的名义Ms温度，在很高的淬火速度下，出现Ms保持不变的另一个台阶，这个台阶比名义Ms温度高，在上述两种淬火速度之间，随淬火速度的增大而升高。（2分）㈤ 磁场对Ms点的影响。外加磁场使奥氏体与马氏体两相平衡温度T0升高，Ms温度随之升高，外加磁场实际上是用磁能补偿了一部分化学驱动力，由于磁力诱发马氏体相变在Ms点以上即可发生。（2分） 四、答：马氏体具有高强度的原因是多方面的，其中主要包括相变强化、固溶强化和时效强化。（2分） 相变强化：马氏体相变的切变性造成在晶体内产生大量的微观缺陷（位错、孪晶以及层错），使马氏体得到强化。（2分） 固溶强化：过冷奥氏体切变形成马氏体时，使得α相中的C%过饱和，C原子位于α相扁八面体中心，C原子溶入后形成以C原子为中心的畸变偶极应力场，这个应力场与位错产生强烈的交互作用，使马氏体的强度升高。（2分） 时效强化：溶质原子（C、N）偏聚到位错线处，钉扎位错使得马氏体的强度升高。（2分）