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 и Нагрев и охлаждение при закалке сталей). По С-диаграмме можно прямо определять время начала и конца превращения переохлажденной фазы при заданной температуре и в соответствии с поставленной задачей выбирать режим изотермической обработки.

Более сложно по диаграмме изотермических превращений анализировать процессы фазовых превращений, протекающие при непрерывном охлаждении, а именно такие процессы и преобладают в практике термической обработки. Некоторые качественные выводы при их анализе можно сделать по диаграмме изотермических превращений.

Например, на рисунке кривая 1 указывает начало превращения переохлажденной β-фазы в изотермических условиях. Кривые υ1 и υ2 относятся к двум режимам непрерывного охлаждения. Если принять, что точки а1 и а2 определяют «начало превращения при непрерывном охлаждении, то рисунке наглядно показывает, что при более высокой скорости охлаждения υ2 превращение начинается при большем переохлаждении (Т0 — Т2 > Т0 — Т2).


Кривые начала превращения переохлажденной фазы

Кривые начала превращения переохлажденной фазы

Кривые начала превращения переохлажденной фазы в изотермических
условиях (1) и при непрерывном охлаждении (2).


Качественно этот вывод правилен. Количественно же нельзя определять начало превращения при непрерывном охлаждении па пересечению кривой охлаждения с С-кривой, построенной в изотермических условиях. Дело в том, что инкубационный период оа1 получен исследованием образца во время изотермической выдержки при температуре Т1.

Нас же сейчас интересует образец, непрерывно охлаждающийся по режиму υ1. Этот образец в инкубационный период находился при переменных температурах, которые были выше температуры Т1. Но при более высоких температурах превращение в инкубационном периоде протекает более медленно, чем при температуре Т1 следовательно, в непрерывно охлаждающемся образце по достижении температуры Т1 степень превращения должна быть меньше, чем в образце, который то же самое время находился в изотермических условиях при температуре Т1.

Поэтому в образце, непрерывно охлаждаемом по режиму υ1 температура фиксируемого начала превращения должна лежать ниже температуры которая определяется точкой пересечения кривой охлаждения и С-кривой, построенной в изотермических условиях.

Для количественного анализа превращений, протекающих при непрерывном охлаждении, следует использовать диаграммы, которые получили название термокинетических. Термокинетические диаграммы фазовых превращений строят используя непрерывное охлаждение образцов, температура которых в период охлаждения записывается, например, осциллографом. Можно измерять какую-либо характеристику образца в процессе его охлаждения (например, его длину при дилатометрическом методе) и по отклонению этой характеристики от плавного изменения определять начало превращения.

Другой способ состоит в охлаждении по одинаковому режиму серии образцов, которые в разные моменты времени закаливают в воде, а затем исследуют их структуру или свойства, определяя по ним начало и конец превращения (или определенную степень превращения) при одном режиме непрерывного охлаждения. Например, точки r1 и r2 указывают начало превращения при скоростях охлаждения V1 и V2.

Соответствующая кривая 2 на рисунке указывает начало превращения при непрерывном охлаждении с разными скоростями. Эта кривая относится к термокинетической диаграмме, на которой можно аналогичным способом построить кривые конца превращений и кривые, соответствующие определенной степени превращения при непрерывном охлаждении с разной скоростью.

Расхождение в положении одинаковых по смыслу линий термокинетической диаграммы и диаграммы изотермических превращений может быть весьма существенным, как в случае сталей, и небольшим, как в случае дуралюминов. Заранее предсказать величину этого расхождения невозможно. Предложенные методы пересчета диаграмм изотермических превращений в термокинетические дают слишком грубые оценки.

Поэтому оптимально построение для промышленных сплавов диаграмм превращений двух типов, хотя термокинетические диаграммы строить трудно. Опыт использования даже одних только диаграмм изотермических превращений показывает, что они позволяют более обоснованно разрабатывать режимы термообработки и успешно анализировать причины брака. Научное же значение диаграмм изотермических превращений трудно переоценить.

«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…

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…

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…

Гомогенное и гетерогенное зарождение фаз

Зарождение новой фазы, происходящее совершенно случайным образом в разных местах объема исходной фазы, называют гомогенным. Одним из механизмов гомогенного зарождения является флуктуационное образование критических зародышей (смотрите Термодинамика фазовых превращений). Сами флуктуации энергии и концентрации являются результатом хаотичного теплового движения, и возникновение их в разных участках исходной фазы носит вероятностный характер. Поэтому и распределение по объему…