Что показывают кривые охлаждения и как они строятся

Кристаллизация металлов. Построение кривых охлаждения

. Процесс образования кристаллов при затвердевании металла называется кристаллизацией. При кристаллизации металла выделяется теплота, при переходе же металла из твердого состояния в жидкое происходит поглощение теплоты.

Сначала температура понижается равномерно. В на­чальный период образования кристаллов вследствие выделения скрытой теплоты при формировании кристаллической решетки падение температуры прекращается, и она остается неизменной до полного затвердения металла. После того, как весь металл затвер­деет, температура снова начинает понижаться. Температура, соот­ветствующая горизонтальной площадке, называется критической.

Последовательные этапы процесса кристаллизации показаны на рисунке 1.5. Первый этап — появление зародышей кристаллов. По мере остывания металла к зароды­шам присоединяются все новые и новые атомы жидкого металла, которые группируются в определенном порядке один возле дру­гого, образуя элементарные ячейки кристалличес­кой решетки (элементарная ячейка изображена в виде прямо­угольников). Этот процесс продолжается до тех пор, пока не закон­чится кристаллизация.

Кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и разнообразную внешнюю форму, что объясняется условиями крис­таллизации. В процессе кристаллизации увеличивается количе­ство кристаллов (в 1 мм 3 может образоваться свыше 1000 кристал­лов). При соприкосновении грани смежных кристаллов мешают друг другу принять геометрически правильную внешнюю форму.

Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называ­ются кристаллитами, или зернами. Размер зерен зависит от ус­ловий кристаллизации, и прежде всего, от скорости охлаждения металла.

а — появление зародышей кристаллов; б — рост кристаллов и образование новых центров; в — рост кристаллов; г — границы кристаллов (зерен) затвердевшего металла

Чем больше скорость охлаждения металла, тем быстрее он затвердевает, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, тем меньшего размера по­лучаются зерна. В тонких быстро охлаждающихся се­чениях литых деталей металл имеет более мел­кое зерно, чем в толстых массивных охлаждение медленнее. Однако скорость охлаждения не всегда можно регу­лировать. Мелкое зерно при затвердевании металла образуется в случае создания искус­ственных центров кристаллизации. Для это­го в расплавленный металл вводят специаль­ные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусс­твенного регулирования размеров зерен называется моди­фицированем.

Форма растущих кристаллов зависит не только от условий их столкновения между собой, но также от состава сплава, наличия примесей и условий охлаждения.

Механизм образования крис­таллов в большинстве случаев носит так называемый дендритный характер. При дендритной кристаллизации рост зародышей кри­сталлов происходит с неравномерной скоростью. После образова­ния зародышей их развитие идет в тех направ­лениях решетки, которые имеют наибольшую плотность располо­жения атомов (минимальное межатомное расстояние). В этих на­правлениях возникают длинные ветви будущего кристалла — оси первого порядка. От осей первого порядка под опреде­ленными углами растут новые оси — оси второго порядка 1, от осей второго порядка — оси третьего порядка 2. По мере кри­сталлизации образуются оси более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют нее проме­жутки, ранее занятые жидким металлом.

Для определения критических температур кристаллиза­ции и других параметров металлов строят кривые охлаждения.

Для медленно охлаждающегося чистого металла кривая ох­лаждения будет иметь вид. Кривая ох­лаждения свидетельствует о том, что жидкий металл охлаждается равномерно до точки А. В точке А понижение температуры пре­кращается. Между точками А и Б находится участок критической температуры, при которой начинается и закан­чивается кристаллизация металла. Далее температура вновь по­нижается равномерно. Кривая охлаждения сплава (она станет понятна после изучения аллотропи­ческих превращений).

Охлаждение аморфного тела протекает плавно, так как оно постепенно отвердевает вследствие умень­шения подвижности частиц. Кажущееся твердым аморфное те­ло по структуре представляет собой переохлажденную жидкость.

Дата добавления: 2015-11-10 ; просмотров: 5759 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

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

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

Кривые охлаждения

Основы термического анализа

Основой термического анализа является построение кривых охлаждения. Кривые охлаждения – графические зависимости температуры охлаждающейся смеси от времени охлаждения. Для построения диаграммы плавкости требуется, как минимум, пять кривых охлаждения. Каждая кривая охлаждения будет соответствовать определенному составу охлаждаемой смеси и иметь свой вид.

1. Вначале охлаждается расплав гомогенной однокомпонентной однофазной системы. При достижении Т_пл.А из расплава начинают выпадать кристаллы компонента А, система становиться однокомпонентной, двухфазной и инвариантной. На кривой охлаждения наблюдается температурная остановка. Так как тепло, выделяющееся при кристаллизации, компенсирует теплопотерю при охлаждении. Температурная остановка будет продолжаться настолько долго, пока в системе будет существовать две фазы. Остановка закончится тогда, когда из системы исчезнет последняя капля расплава, и она станет однокомпонентной, однофазной, моновариантной.

5. Вначале охлаждается расплав гомогенной однокомпонентной однофазной системы. При достижении Т_пл.В из расплава начинают выпадать кристаллы компонента В, система становиться однокомпонентной, двухфазной и инвариантной. На кривой охлаждения наблюдается температурная остановка до тех пор, пока не останется ни капли расплава, и система станет однокомпонентной, однофазной, моновариантной. Температура вновь начинает уменьшаться.

Данные типы кривых охлаждения будут выполняться только в идеальных условиях, когда скорость охлаждения четко фиксируется путем постоянной разницы температур между охлаждающейся смесью и окружающей средой.

1. Диаграммы плавкости с образованием устойчивых химических соединений.

2. Диаграмма плавкости с образованием неустойчивого химического соединения.

3. Диаграммы плавкости двухкомпонентных систем с образованием твердых растворов.

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