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

мин

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 С_1-2 = 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 С_2-3 = 2;

— от точки 3 до точки 4: превращение две фазы, число степеней свободы С_3-4 = 1;

— в точке 4: эвтектоидное превращение три фазы; число степеней свободы С₄ = 0. Так как система безвариантна, кристаллизация перлита происходит при постоянной температуре.

Источник

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 – Q_A=(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.

Источник

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 (Q_сп) 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.

Источник

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 соединенияA_mB_n:

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= Q_L=

В примере 2: Q_A = 100%, Q_B = 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

Q_эвт=

Доля кристаллов В в структуре сплава

Q_{B= 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

(Q_A = 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.

Источник