Кинетические кривые

С практической точки зрения ничтожная степень превращения в инкубационный период не принимается во внимание, поэтому вполне целесообразно говорить о конце инкубационного периода как о начале превращения, всегда мысленно подразумевая, что к «началу» превращения уже образовалось некоторое количество новой структурной составляющей.

Например, начало эвтектоидного превращения в стали фиксируется тогда, когда имеется 0,5 — 1% перлита.


Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения

Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения

Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения: T1>T2>T3>T4>T5.


Кинетические кривые при различных степенях переохлаждения и перегрева представлены на рисунках Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения и Кинетические кривые при разных степенях перегрева. В соответствии с закономерностями, графически изображенными на рисунках Зависимость скорости зарождения центров и линейной скорости и Зависимость средней скорости фазового превращения, вначале с увеличением степени переохлаждения уменьшается инкубационный период (oa1>оа2>оа3 на рисунке Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения) и уменьшается время полного превращения (ob1>ob2>ob3).

Это объясняется тем, что исходное фазовое состояние становится менее устойчивым. При определенной степени переохлаждения достигается наименьший инкубационный период (оа3). Дальнейшее увеличение переохлаждения приводит к возрастанию инкубационного периода (оа3<оа4<оа5) и увеличению времени полного превращения (ob3>ob4>ob5), так как уменьшается подвижность атомов. 


Кинетические кривые при разных степенях перегрева

Кинетические кривые при разных степенях перегрева

Кинетические кривые при разных степенях перегрева: T1>T2>T3>T4>T5.


С увеличением степени перегрева (рисунке Кинетические кривые при разных степенях перегрева) инкубационный период и время полного превращения прогрессивно уменьшаются (oa1>оа2>oa3>оа4>оа5 и ob1>ob2>ob3>ob4>ob5), так как одновременно с уменьшением термодинамической устойчивости исходного фазового состояния возрастает подвижность атомов (смотрите также рисунок Зависимость средней скорости фазового превращения).

Для решения многих вопросов термообработки не требуется построения кинетических кривых. Достаточно знать величину инкубационного периода и время полного превращения при разных температурах. Эти величины изображаются на диаграммах изотермического превращения.

На рисунке Диаграмма изотермического превращения а, представлена диаграмма изотермического превращения, которое происходит при переохлаждении. Эта диаграмма построена по кинетическим кривым, показанным на рисунке Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения. Отрезки на рисунке Диаграмма изотермического превращения, а, отложенные при соответствующих температурах по горизонтали от ординаты до точек a1, b1, а2, b2 и т. д., пропорциональны отрезкам оа1, ob1, оа2, ob2 и т. д. на рисунке Кинетические кривые при разных степенях переохлаждения.


Диаграмма изотермического превращения

Диаграмма изотермического превращения

Диаграмма изотермического превращения, протекающего при переохлаждении (а) и зависимость средней скорости превращения от степени переохлаждения (б). Т0 — температура фазового равновесия.


Для построения диаграммы изотермического превращения совершенно не обязательно предварительно строить кинетические кривые. Достаточно опытным путем при каждой температуре определить время инкубационного периода и время полного превращения. Для этого образец, нагретый до температуры выше T0, быстро переносят в термостат с температурой ниже T0 и фиксируют время появления новой структурной составляющей и время исчезновения остатков исходной структуры.

Левая кривая a1 а2 а3 а4 a5 является кривой начала превращения, показывающей зависимость величины инкубационного периода от степени переохлаждения. Правая кривая b1 b2 b3 b4 b5 является кривой конца превращения, показывающей зависимость времени полного превращения от степени переохлаждения. Обе кривые называются С-кривыми. Изгиб С-кривой соответствует максимальной скорости превращения. 


Диаграмма изотермического превращения

Диаграмма изотермического превращения

Диаграмма изотермического превращения, протекающего при перегреве.
Т0 — температура фазового равновесия.


Диаграмма изотермического превращения при перегреве представлена на рисунке Диаграмма изотермического превращения (сравните с кинетическими кривыми на рисунке Кинетические кривые при разных степенях перегрева). Кривые а1 а2 а3 а4 а5 и b1 b2 b3 b4 b5 показывают фиксируемые данным методом начало и конец превращения. При достаточно высокой температуре из-за большой подвижности атомов превращение протекает практически мгновенно. Поэтому кривые начала и конца превращения сливаются и попадают на ось ординат.

Впервые диаграмма изотермического распада аустенита в стали была построена в 1930 г. Бейном и Давенпортом. Метод изучения кинетики фазовых превращений с помощью подобных диаграмм, называемых также С-диаграммами или С-образными кривыми, оказался исключительно плодотворным в теории термической обработки.

Число опубликованных диаграмм изотермических превращений переохлажденной фазы для сталей измеряется величиной порядка 103, для титановых 102, алюминиевых (построенных совсем недавно) 102. С-диаграммы построены также для чугунов, некоторых медных, урановых и других сплавов.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Кинетика фазовых превращений

Кинетика кристаллизационных процессов в твердом состоянии определяется двумя параметрами — скоростью зарождения центров превращения и линейной скоростью роста из этих центров. Как было показано выше, оба параметра кристаллизации зависят от степени переохлаждения или перегрева. Кинетика фазового превращения при определенном переохлаждении или перегреве изображается кинетической кривой, которая показывает нарастание количества новой структурной составляющей во времени. Кинетика…

Термокинетические диаграммы

Широкому использованию диаграмм изотермических превращений способствует то, что они строятся в тех же координатах температура — время, в которых изображают режимы нагрева и охлаждения при термической обработке. С помощью С-диаграмм особенно удобно анализировать различные виды изотермических обработок, включающих ускоренное охлаждение и выдержку при постоянной температуре, например изотермический отжиг и изотермическую закалку (смотрите Разновидности отжига сталей…

Образование промежуточных метастабильных фаз

Образование стабильной фазы приводит систему в состояние с абсолютным минимумом свободной энергии. Однако при определенных условиях зарождается и растет не абсолютно стабильная, а метастабильная фаза, образование которой приводит систему в состояние с относительным минимумом свободной энергии. Рассмотрим условия равновесия исходной фазы а с новой стабильной фазой β, отличающейся от исходной структурой и составом. Используем для…

Разные метастабильные фазы в системе

Если в системе могут существовать разные метастабильные фазы, то при данной степени переохлаждения с увеличением времени выдержки вначале из-за большей скорости зарождения будет образовываться метастабильная фаза, у которой минимальна работа образования критического зародыша. Затем появятся метастабильные фазы с большей энергией образования критического зародыша и в последнюю очередь появится стабильная фаза, так как энергия активации ее…

Зарождение на границах зерен (равновесная сегрегация)

С ростом температуры равновесная сегрегация размывается тепловым движением и при достаточно высокой температуре практически полностью рассасывается. Так как вокруг атомов растворенного элемента в объеме кристалла решетка всегда искажена, то, следовательно, всегда существует упругое взаимодействие этих атомов с межзеренной границей. Получается, что все растворенные элементы в той или иной степени должны быть горофильны. Однако имеются экспериментальные…