Главная Процесс термической обработки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 [ 31 ] 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 Раздел второй ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА Отжиг 2-го рода основан на использовании диффузионных (нормальных) фазовых превращений при охлаждении металлов и сплавов. Принципиальную возможность применения к сплаву отжига 2-го рода можно установить по диаграмме состояния. В твердом состоянии протекают разнообразные фазовые превращения: полиморфное, эвтектоидное, растворение одной фазы в другой при нагреве и обратное выделение при охлаждении и др. Отжиг 2-го рода можно проводить с полным изменением фазового состава, когда фазы, существовавшие при комнатной температуре, исчезают при нагреве, а фаза, стабильная при повышенной температуре, исчезает при охлаждении. Примером- является превращение перлита в аустенит и распад аустенита с образованием перлита (см. ниже рш. Ш). Если изменение фазового состава связано только с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии, то основная фаза, в которой растворяется избыточная фаза, стабильна и при низких, и при высоких температурах. В сплавах этого типа при нагреве и охлаждении изменяется только количественное соотношение фаз (включая полное исчезновение одной из них при нагреве). Примером является переход CuAlg в алюминиевый раствор при нагреве и выделение этого интерметаллида из твердого раствора при охлаждении (см. рис. 7). Практически целесообразность отжига 2-го рода определяется тем, насколько сильно структурные изменения влияют на свойстга металла или сплава. Его целевое назначение весьма разнообразно и будет указано при рассмотрении конкретных разновидностей отжига. Основные параметры отжига 2-го рода: температура нагрева, время выдержки при этом температуре и скорость охлаждения. Температура нагрева и время выдержки должны обеспечить необходимые структурные изменения, например полное растворение избыточной фазы. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала, чтобы при понижении температуры успели пройти обратные фазовые превращения, в основе которых лежит диффузия (или самодиффузия). Обычно при отжиге изделия охлаждают вместе с печью или на воздухе вне печи. Так как отжиг 2-го рода основан на использовании фазовых превращений в твердом состоянии, то вначале рассмотрим общие закономерности таких превращений. * О механизме нормальных превращений см. в § 33 4* 99 Глава IV ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ § 16. ТЕРМОДИНАМИКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ Как известно, при постоянных температуре и объеме все самопроизвольные процессы в системе идут в сторону уменьшения свободной энергии. Равновесное состояние характеризуется минимальным значением свободной энергии. Свободная энергия (или изохорно-изотермный потенциал), являющаяся характеристической функцией системы, определяется, следующим соотношением: f==t;-TS, (17) где и - внутренняя энергия; S - энтропия; Г - абсолютная температура. В металлических сплавах фазовые превращения в твердом состоянии сопровождаются относительно небольшими изменениями объема. Пренебрегая этими малыми объемными изменениями, можно использовать свободную энергию для анализа закономерностей фазовых превращений в металлах и сплавах. Из обобщенного уравнения первого и второго законов термодинамики следует, что (дР1дТ\ = - 5 и фР1дТ\ = - {дЗ/дТ) т. е. и первая, и вторая производные - отрицательные величины. Это означает, что с ростом температуры свободная энергия всегда уменьшается, а, кривые, показывающие зависимость свободной энергии фаз от температуры (рис. 55), должны быть обращены вогнутостью к оси температур (а не наоборот, как их часто неверно изображают). с.зм 1 г-10 -OfiOr Теппература 7 Рис. 55. Зависимость свободной энергии двух фаз от температуры о W0 200 300 Ш Степень переохлатдения, °С I \ j I I 723 623 523 i23 323 Температура превращенияС Рис. 66. Зависимость скорости зарождения центров и линейной скорости роста перлитных колоний от степени переохлажде-ния в стали с 0,8% С (по И. Л. Миркину) Рассмотрим фазовое превращение в однокомпонентной системе, в частности полиморфное превращение в металле. Если две фазы однокомпонентной системы могут находиться в равновесии, то кривые свободных энергий этих фаз должны пересекаться (рис. 55). Точка пересечений кривых показывает равенство свободных энергий двух фаз и соответствует температуре их устойчивого равновесия (Го). Из графика на рис. 55 видно, что ниже температуры ТоЯ-фаза обладает меньшей свободной энергией, чем Р-фаза. Так как система стремится уменьшить свою свободную энергию, то при охлаждении р-фаза должна при температурах ниже То превратиться в а-фазу. Температура превращения при охлаждении лежит ниже, чем температура обратного фазового превращения при нагреве. Это явление называется тепловым гистерезисом превращения. Например, белое олово превращается в серое только при сильных морозах, хотя температура равновесия белой и серой модификаций равна 4-13° С. Разность между температурой устойчивого равновесия двух фаз (Го) и фактической температурой превращения при охлаждении называется степенью переохлаждения (AT). Степень переохлаждения растет с увеличением скорости охлаждения. Следовательно, переохлаждение связано с какими-то затруднениями в фазовом превращении. Г. Тамман ввел количественные характеристики процесса кристаллизации расплава - число центров, возникающих в единицу времени в единице объема, т. е. скорость зарождения центров (с. 3. ц.) и линейную скорость роста кристаллов из этих центров (л. с. р.). С увеличением переохлаждения обе эти характеристики растут, достигают максимума и при больших переохлаждениях падают до нуля. Графики зависимости скорости зарождения центров кристаллизации и линейной скорости роста кристаллов от переохлаждения называют кривыми Таммана. Позднее было установлено, что кристаллизационные процессы образования фаз в твердом состоянии подчиняются тем же общим закономерностям, что и процессы кристаллизации жидкости На рис. 56 показаны кривые Таммана для эвтектоидного распада в стали. Зависимости, полученные экспериментально, можно объяснить, используя представления термодинамики и статистической физики. На первый взгляд кажется, что зародышем кристаллизации может явиться сколь угодно малая совокупность атомов, например одна элементарная ячейка новой фазы, которая растет вследствие постепенного присоединения атомов из материнской фазы. Более подробный анализ показывает, что это не так. Рассмотрим изотермический процесс образования а-фазы в материнской р-фазе при некоторой температуре Г1 ниже температуры Го (см. рис. 55). |
© 2011 - 2024 www.taginvest.ru
Копирование материалов запрещено |