Построить кривую охлаждения для сплава алюминия содержащего

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).

Кривые охлаждения необходимо строить, начиная с жидкого состояния. На каждом участке кривой должны быть обозначены число степеней свободы
(С = . ) и структуру. На горизонтальных участках обозначают превращения, например, А→Ф+Ц.

На рис. 5 приведен пример построения кривой охлаждения заэвтектоидной стали содержащей 1,5%С.

Выше линии ликвидус сплав находится в жидком однофазном состоянии. В соответствии с правилом фаз (С=2-1+1=2, фаза — жидкий раствор) система в этой области бивариантна, фазовых превращений не происходит, и температура до точки 1 снижается достаточно интенсивно (крутой участок кривой охлаждения).

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 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:

Процесс первичной кристаллизации в данном случае идет при понижении температуры, что согласуется с правилом фаз (С=2-2+1=1; фазы — жидкий раствор и аустенит). Таким образом, система в этой области моновариантна, в процессе превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации, замедляющая снижение температуры, поэтому участок кривой охлаждения будет пологим. Первичная кристаллизация сплава заканчивается в точке 2.

В интервале между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. Система при этом бивариантна (C=2-1+1=2; фаза —
аустенит), участок кривой охлаждения будет крутым.

При температуре, соответствующей точке 3, достигается предел насыщения аустенита углеродом. Ниже этой точки аустенит становится перенасыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и здесь выделяется в виде вторичного цементита. Процесс кристаллизации вторичного цементита, в соответствии с правилом фаз, протекает с понижением температуры сплава (С=2-2+1=1; фазы — аустенит и цементит). Таким образом, система моновариантна, выделяющаяся скрытая теплота кристаллизации замедляет снижение температуры, и участок кривой охлаждения будет пологим. Концентрация углерода в аустените при этом изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S и достигает эвтектоидной (0,8%С) при температуре 727°С (точка 4). При этой температуре и концентрации, аустенит превращается в перлит (эвтектоидное превращение):

Согласно правилу фаз при эвтектоидном превращении система нонвариантна (С=2-3+1=0; фазы — аустенит, цементит, феррит), процесс идет при постоянной температуре, и на кривой охлаждения будет горизонтальный участок.

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.

Читайте также:  Cgpods 5 0 наушники алюминий

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.

Источник

Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE .

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Рисунок 2 : а – диаграмма железо-цементит,

б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,5% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

где С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 4,5 %С, называется заэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – цементит (первичный) + ледебурит (перлит + цементит).

Источник

Построение кривых охлаждения сплавов

Теория

Сплав— это вещество, полученное сплавлением нескольких химических элементов (в на­шем случае — двух).

Химические элементы, оставляющие сплав, называются его компонентами. В общем виде будем их обозначать А и В.

Для одних и тех же компонентов множество сплавов, отличающихся только концентрацией компонентов, составляют систему сплавов, которую принято именовать по перечню компо­нентов. Например, сплавы системы А — В — это множество сплавов из компонентов А и В, отли­чающихся содержанием А и В. Поскольку в двойных сплавах суммарная концентрация компонен­тов составляет 100%:

то любой конкретный сплав системы А — В принято указывать содержанием в нем компонента В (например: сплав, содержащий 10% В).

Внутри сплава его компоненты распределены в общем случае неравномерно (сплав — не про­сто смесь компонентов), они находятся внутри различных структурных и фазовых составляющих. Свойства сплава полностью определяются его внутренними составляющими (фазовым составом, структурой), которые можно определить путем анализа диаграммы состояний.

Читайте также:  Заводы россии по выпуску алюминия

Диаграмма состояния сплавов системы А — В — это графическое изображение воз­можных фазовых и структурных состояний любых сплавов системы А — В при любых температу­рах. Диаграммы состояний изображаются в координатах: температура — хим. состав сплава. В на­шем случае хим. состав любого сплава однозначно задается указанием содержания в нем компо­нента В. Таким образом, координаты диаграммы состояний: температура сплава — содержание в нем компонента 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);

3)образовывать легкоплавкую механическую смесь, которая называется эвтектикой.
Важнейшими элементами внутреннего строения любых сплавов являются его фазовые составляющие (или короче — фазы).

Фаза— это однородная (иногда — очень малая по размерам) часть сплава, отделенная от других частей границей раздела, при переходе которой наблюдается скачок физико-механических свойств вещества.

В соответствии с этим определением в общем случае фазами в сплавах могут быть:

1)компоненты А, В;

2)жидкий раствор компонентов — жидкость L;

3)твердые растворы компонентов друг в друге — а, β.

Следует, обратить внимание, что механическая смесь неоднородна, следовательно, эвтектика — не фаза! (Это смесь нескольких фаз).

Каждой фазе, существование которой возможно в сплавах системы А — В, на диаграмме со­стояний этой системы соответствует однофазная область, то есть область температур и составов, при которых фаза способна существовать с присущими ей физическими свойствами.

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 1: т. b указывает фазу А, т. с — фазу L, т.е. в заданной точке а сплав имеет фазовый состав A+L.

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.

В примере 1: в фазе А (т. b cодержится 0% В, в фазе L (т. с) — с’% В.

В примере 2: в фазе А (т. О — 0% В, в фазе В (т. е) — 100% В.

В примере 3: в А (т. h) — 0% В, в L (т. i) — \’ % В, в В (т. к) — 100% В.

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

Читайте также:  Название комплексных соединений алюминия

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:

где К — число компонентов в сплаве;

Ф — число фаз в рассматриваемом состоянии сплава;

С — число степеней свободы сплава, в нашем простейшем случае анализа — это число возможно­стей у сплава уменьшить свою температуру при отводе от него тепла.

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

На вертикальном разрезе I диаграммы состояний, проходящем через точку а, произвольно выбираем начальную точку в области L и затем последовательно нумеруем критические точки сплава, т.е. точки 1, 2 пересечения разреза I с линиями диаграммы. Проводим оси координат: тем­пература Т — время т, в которых будет построена кривая охлаждения; проектируем на них уровни температур в критических точках.

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.

Участок 2-2 ‘ . В точке 2 на диаграмме состояния по правилу отрезков легко установить, что в сплаве в равновесии находятся три фазы: А (т. F), Цт. С) и В (т. G), причем L=L3BT(C / 0 /o В). Таким образом, по правилу фаз, Ф=3 и С=0. Следовательно, при температуре критической точки 2 на кривой охлаждения будет горизонтальный участок 2 -2 ‘ с постоянной температурой сплава. При­роду процесса, происходящего внутри сплава на этом участке, выясним следующим образом. Как видно из диаграммы состояния, ниже т. 2 (то есть, ниже уровня температуры линии FCG) невозможно существование в сплаве жидкой фазы L. Поэтому ясно, что на участке 2 -2 ‘ с одной сто­роны, должна «исчезать» фаза L3BT, с другой стороны, поскольку в конце процесса должно быть С =1 (чтобы сплав смог далее снижать свою температуру), то эта фаза должна превращаться в смесь двух других:

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.

В более общем случае конечную структуру устанавливают по совокупности твердых кри­сталлов, выделившихся на разных участках кривой охлаждения, и не подвергавшихся после этого внутренним изменением. В нашем случае структуру сплава образуют кристаллы А, выделившиеся на участке 1 — 2, и кристаллы эвтектики, образовавшиеся на участке 2 -2 ‘ : А+эвт(А+В).

Источник

Adblock
detector