Как сделать кривую охлаждения
Построение кривых охлаждения заданных сплавов
Используя диаграмму состояния можно построить схематическую кривую охлаждения сплава любой концентрации, которая отобразит характер кривой охлаждения, полученной экспериментально.
В местах ее пересечения с линиями диаграммы отмечаем критические точки 1, 2, 3 и 4, температуры которых сносим на координатную систему «температура—время». При построении схематической кривой следует учитывать, что при наличии в системе процессов, сопровождающихся выделением тепла, температура понижается медленнее при одновариантном равновесии или будет температурная остановка при безвариантном состоянии. Температура понижается быстрее, если в системе не происходит процесс с выделением тепла. Скорости охлаждения характеризуются углами наклона отдельных участков кривой охлаждения.
%С |
t, о C |
1,2% |
С = 1; охлаждение П + ЦII |
С4 = 0; |
С3-4 = 1; |
С = 2; охлаждение жидкой фазы Ж |
4 4 / |
С2-3 = 2; охлаждение аустенита А |
t, о C |
|
С1-2 = 1; |
Рис. 4.2. Построение схематической кривой охлаждения сплава с
содержанием 1,2% углерода по диаграмме состояния Fe-Fe3C
В нашем примере охлаждение жидкого сплава происходит быстро, в процессе кристаллизации будет замедление охлаждения, т. к. тепло кристаллизации в течение длительного времени частично компенсирует теплоотдачу в окружающую среду. После окончания кристаллизации скорость охлаждения увеличивается, температура снова будет понижаться быстро. При выделении второй фазы из твердого раствора охлаждение вновь замедляется. При эвтектическом или эвтектоидном превращениях в двухкомпонентной системе происходят температурные остановки.
Правильность построения кривой охлаждения проверяется определением вариантности системы по правилу фаз. Для рассмотренного выше заэвтектоидного сплава, содержащего 1,2% С, превращения, происходящие при охлаждении, можно записать так (рис. 4.2):
— до точки 1 – охлаждение жидкой фазы Ж, С = 2;
— от точки 1 до точки 2: превращение , две фазы; число степеней свободы С1-2 = 1, идет процесс кристаллизации с понижением температуры;
— от точки 2 до точки 3 фазовых превращений нет, идет охлаждение аустенита А, фаза одна, число степеней свободы С2-3 = 2;
— от точки 3 до точки 4: превращение две фазы, число степеней свободы С3-4 = 1;
— в точке 4: эвтектоидное превращение три фазы; число степеней свободы С4 = 0. Так как система безвариантна, кристаллизация перлита происходит при постоянной температуре.
Построение кривых охлаждения сплавов
Рассмотрим в качестве примера построение кривой охлаждения для сплава эвтектического типа (рис.3.6).
Рис. 3.6. Пример построения кривой охлаждения
Участок 1-2. Для любой точки b на этом участке по правилу отрезков устанавливаем фазовый состав сплава: L (т. e) + А (т. d), следовательно, f = 2 и по правилу фаз c = 1. Значит, этот участок кривой охлаждения, как и предыдущий, будет изображаться плавной линией, возле которого следует указать: L + А, c = 1. В точке 1 кривой охлаждения будет излом, так как здесь изменяется число степеней свободы сплава от c = 2 к c = 1.
Перемещая т. b от т.1 к т. 2 и, определяя весовую долю твердых кристаллов А – QA=(be/de) 100%, и химический состав жидкости в сплаве (е% В), можно легко установить, что на этом участке кривой охлаждения, начиная от т. 1, происходит выделение из жидкости твердых кристаллов А, а содержание компонента В в остающейся жидкости в сплаве постепенно увеличивается от а % В в т. 1 к значению с’ % В для т. 2, то есть из жидкости выделяются кристаллы компонента, избыточного по отношению к эвтектическому составу. В конце участка 1-2 сплав будет состоять из кристаллов А и оставшейся жидкости эвтектического состава.
Конечный участок кривой охлаждения (после т. 2). После окончания эвтектического превращения в сплаве останутся две фазы: А и В, что легко проверяется правилом отрезков для любой точки диаграммы на участке 2-а. Таким образом, f = 2 и c = 1, так что сплав монотонно снижает свою температуру до комнатной.
Построение кривых охлаждения
При построении кривых охлаждения необходимо пользоваться правилом фаз: с=k – f + 1,
где с – вариантность системы (число степеней свободы), k – число компонентов, f – число фаз.
Количество компонент в данной системе всегда равно 2 – это железо и углерод.
Количество фаз находят, используя диаграмму.
Не следует путать фазы со структурными составляющими, так как последние могут быть однофазными и многофазными, а одна и та же фаза может входить в разные составляющие. Например, в доэвтектических чугунах при комнатной температуре цементит вторичный, цементит перлита и цементит ледебурита является одной и той же фазой. Структура этого чугуна – перлит + ледебурит + цементит, а фазовый состав – феррит + цементит. Рассуждения: перлит это двухфазная структурная составляющая, состоящая из феррита и цементита; ледебурит при комнатной температуре состоит из перлита и цементита, в свою очередь, перлит сам по себе тоже неоднороден и является смесью феррита и цементита; а структурная составляющая цементит – однофазна. Схематично эти рассуждения можно представить следующим образом:
Зная количество фаз и количество компонент, можно определить число степеней свободы. На линиях эвтектического, эвтектоидного и перитектического превращений система Fе – Fе3С находится в трехфазном состоянии, которое согласно правилу фаз является для двухкомпонентных систем нонвариантной: C=2-3+1=0. Все превращения при С = 0 происходят при постоянных температурах, и на кривой охлаждения они характеризуются горизонтальным участком.
В двухфазных областях диаграммы системы являются моновариантным:
С = 2-2+1=1, в связи с чем, превращения в сплавах в этих областях происходят в интервале температур. Выделение скрытой теплоты кристаллизации замедляет темп снижения температуры, поэтому участки кривых охлаждения в таких случаях будут пологими (с меньшим наклоном). Начало и конец превращений, когда изменяется вариантность системы, фиксируют на кривых охлаждения перегибами.
В однофазных областях системы биварианты: C=2-1+1=2. При этом с изменением температуры никаких превращений не происходит, и на кривых охлаждения будут крутые участки (с большим наклоном).
На рис. 5 приведен пример построения кривой охлаждения заэвтектоидной стали содержащей 1,5%С.
В точке 1 начинается процесс первичной кристаллизации, продолжающийся до точки 2, из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. По мере охлаждения сплава от точки 1 до точки 2 концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JЕ от точки J к точке 2, а в жидкости – согласно линии BC от точки 1 к точке 2¢ (рис. 3). Составы и количества фаз определяют по правилу отрезков. Например, в точке m состав жидкой фазы найдем проекцией точки n на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки k.
Рис. 5. Диаграмма состояния Fe – C и кривая охлаждения для стали,
содержащей 1,5%С.
Количество фаз определяют из соотношения отрезков:
Ниже температуры 727°С в рассматриваемом сплаве практически не происходит превращений. По теоретическим данным, из феррита здесь выделяется третичный цементит, вследствие чего система будет моновариантной (С=2-2+1=1; фазы – феррит и цементит). Но феррит здесь содержится только в составе перлита, третичный цементит выделяется в незначительном количестве и металлографически не обнаруживается, так как сливается с цементитом перлита. Таким образом, в структуре стали данного состава при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой вторичного цементита.
Превращения в сплавах в процессе нагрева происходят в обратной последовательности при некотором их перегреве выше температур равновесного состояния.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений
Определение количественного соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке m):
Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды. Рассмотрим проведенную через точку m коноду и ее отрезки.
Количество всего сплава (Qсп) определяется отрезком pq.
Отрезок, прилегающий к линии ликвидус pm, определяет количество твердой фазы.
Отрезок, прилегающий к линии солидус (или к оси компонента) mq, определяет количество жидкой фазы.
Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в компонентов в твердом состоянии (механические смеси).
Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис. 6.
Рис. 6. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)
Проведем анализ диаграммы состояния.
1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);
2. Число фаз: f = 3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза).
3. Основные линии диаграммы:
— линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;
— линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их;
Диаграмму состояния строят в координатах температура-концентрация.
Рис. 7. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси.
Построение кривых охлаждения сплавов
Теория
Химические элементы, оставляющие сплав, называются его компонентами. В общем виде будем их обозначать А и В.
Вид диаграммы состояния полностью определяется характером физико-химического взаимодействия его компонентов между собой. Будем в дальнейшем рассматривать лишь такие сплавы, которые могут быть полностью расплавлены. Тогда можно считать, что при достаточно высоких температурах любые сплавы представляют собой однородный жидкий раствор компонентов, который на всех диаграммах будем обозначать через L (жидкость).
В твердом состоянии компоненты внутри сплава могут в общем случае взаимодействовать следующим образом:
1)химически реагировать друг с другом с образованием нового вещества –химического соединенияAmBn:
2)растворяться в кристаллической решетке друг друга полностью либо частично, при этом образуются твёрдые растворы (например, твердый раствор А в В);
В соответствии с этим определением в общем случае фазами в сплавах могут быть:
При проведении анализа диаграммы состояний необходимо сначала по характерным линиям диаграммы определить вид взаимодействия компонентов в сплавах данной системы, затем выявить однофазные области на диаграмме. После этого с помощью правила отрезков (см. ниже) определить фазовый состав сплавов в остальных (двухфазных) областях диаграммы состояний и, на конец, построением кривых охлаждения для конкретных сплавов системы определить возможные структуры сплавов в охлажденном состоянии.
Правило отрезков
Правило отрезков служит для определения:
1)фазового состава сплава в заданной точке диаграммы состояния;
2)химического состава фаз, имеющихся в сплаве;
3)весовой доли каждой фазы
С этой целью, вначале из заданной точки на диаграмме состояния необходимо провести отрезок горизонтали влево и вправо до пересечения с границами ближайших однофазных областей, а затем на этом отрезке необходимо определить все точки его контакта (т.е. пересечения и касания) с однофазными областями (рис. 1).
Рис. 1. Применение правила отрезков при анализе диаграмм состояний.
1.Задана т. а, проведен отрезок bac, определены точки b и с.
2.Задана т. d, проведен отрезок fde, отмечены точки f и е.
3.Задана т. q, проведен отрезок hiqk, отмечены точки h, i, k.
В дальнейшем, по определенным (отмеченным) точкам пересечения и касания с однофазными областями можно для заданной начальной точки определить фазовый состав сплава, химический состав фаз в сплаве и весовую долю каждой фазы.
1)Фазовый состав сплава определяется по принадлежности каждой отмеченной точки к однофазной области
В примере 2: в заданной т. d фазовый состав сплава: А+В.
В примере 3: заданной т. q фазовый состав сплава: A+B+L.
2)Химический состав фаз определяется по проекциям отмеченных точек на ось концентраций.
3)Весовую долю фазы- определяют по правилу рычага, как отношение противолежащей фазе части отрезка ко всей его длине
В примере 1: Q А=
QL=
В примере 2: QA = 100%, QB =
100%.
Замечание: при наличии в сплаве более двух фаз применять правило рычага не следует.
Помимо определения фазового состава сплава, с помощью правила отрезков можно определить и структурный состав. В этом случае отрезок горизонтали необходимо проводить до пересечения с границами областей структурных составляющих. Например, если задана т. l(рис.2), то проводим отрезок nlm, и отмеченные точки nиmуказывают, что в заданной точке l сплав имеет структуру: эвт (А+В)+ кристаллы В; в эвтектике содержится n ‘ % B (проекция т.n); в кристаллах B-100%В (проекция т.m);
100% В (проекция т. т); весовая доля эвтектики в структурном сплаве
Qэвт=
Доля кристаллов В в структуре сплава
QB= 100%
Правило фаз (правило Гиббса)
В данной работе это правило используется, в основном, для контроля хода кривых охлаждения сплавов. Правило имеет вид:
Если С>0 (т.е. С = 1 или 2), то температура сплава будет монотонно понижаться при отводе тепла от сплава. Если в некоторой точке происходит изменение от С = 1 к С = 2 или наоборот, то изменяется скорость снижения температуры сплава, т.е. в этих точках на кривой охлаждения будут изломы.
Если С = 0, то несмотря на отвод тепла от сплава, его температура будет оставаться постоянной до тех пор, пока не завершится какой-то процесс внутри сплава, благодаря чему в нем уменьшится число фаз и окажется C>0. На кривой охлаждения сплава этому процессу будет соответствовать горизонтальный участок.
Построение кривых охлаждения сплавов
Рассмотрим в качестве примера построение кривой охлаждения для сплава эвтектического типа (рис.2).
Рис.2.Пример построения кривой охлаждения
Начальный участок кривой охлаждения (выше т. 1). Для любой точки этого участка фазовый состав сплава: L, так как этот участок находится в однофазной области диаграммы. Следовательно, число фаз в сплаве Ф = 1, и по правилу фаз, число степеней свобода сплава С = 2. Следовательно, при отводе тепла температура сплава монотонно понижается и этот участок кривой охлаждения изобразится плавной падающей линией: возле этого участка на кривой охлаждения указываем фазовый состав и число степеней свободы сплава: L, С = 2.
Участок 1-2. Для любой точки b на этом участке по правилу отрезков устанавливаем фазовый состав сплава: L (т. е) + А (т. d), следовательно, Ф = 2 и по правилу фаз С = 1. Значит, этот участок кривой охлаждения, как и предыдущий, будет изображаться плавной линией, возле которого следует указать: L + А, С = 1. В точке 1 кривой охлаждения будет излом, т.к. здесь изменяется число степеней свободы сплава от С = 2 к С = 1.
Перемещая т. b от т.1 к т. 2 и определяя весовую долю твердых кристаллов А
(QA = 100%) и химический состав жидкости в сплаве (е ‘ % В), можно легко установить, что на этом участке кривой охлаждения, начиная от т. 1, происходит выделение из жидкости твердых кристаллов А, а содержание компонента В в остающейся жидкости в сплаве постепенно увеличивается от а % В в т. 1 к значению с’ % В для т. 2, т.е. из жидкости выделяются кристаллы компонента, избыточного по отношению к эвтектическому составу. В конце участка 1-2 сплав будет состоять из кристаллов А и оставшейся жидкости эвтектического состава.
то есть на участке 2—2 / в сплаве идет эвтектическое превращение.
Конечный участок кривой охлаждения (после т. 2 / ). После окончания эвтектического превращения в сплаве останутся две фазы: А и В, что легко проверяется правилом отрезков для любой точки диаграммы на участке 2-а. Таким образом, Ф = 2 и С = 1, так что сплав монотонно снижает свою температуру до комнатной.
На этом участке необходимо указать конечную структуру сплава. В данном простом случае это можно сделать по правилу отрезков (для структурных составляющих) на участке 2-а диаграммы.