Термодинамические расчеты и анализ фазовых диаграмм многокомпонентных систем. Учебное пособие
.pdf
Рис. 1.4. Расчет зависимости энергии Гиббса от концентрации Si в системе Al–Si при 550 °С
а
11
б
Рис. 1.5. Построение тройных систем:
а – выбор элементов; б – проекция поверхности ликвидуса
12
2. РАСЧЕТ ПОЛИТЕРМИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ
Политермические разрезы строят в координатах температура– концентрация, они дают качественную информацию о фазовом со- ставе сплавов в зависимости от температуры и концентрации леги- рующих элементов в равновесных условиях. Программа позволяет строить разрезы при переменной концентрации одного из компонен- тов (нелучевые) или двух (лучевые при постоянном их соотношении) и постоянной остальных.
Для построения политермических разрезов необходимо открыть ок- но «DATA», нажав на кнопку «Elements» в главном меню (рис. 2.1, а). Затем, выбрав интересующую базу данных в окне «Database», выби- раем элементы рассматриваемой системы, начиная с основного. На- пример, для построения разрезов в системе Al–Si–Cu со стороны алюминия выбираем базу данных TTAl5 (TCAL1) и затем последова- тельно элементы Al, Si, Cu. После чего нажимаем на кнопку «Next».
В открывшемся окне «CONDITIONS» (рис. 2.1, б) необходимо ввести исходные данные для расчета. Начальная температура для расчета (726,85 °С) и постоянное давление (101325 Па) задаются ав- томатически. В окне «Composition Unit» выбираем единицы измере- ния концентрации легирующих компонентов, обычно массовые про- центы («Mass-percent»). Для построения политермического разреза при переменной концентрации одного из компонентов, например Cu в системе Al–8 Si –Cu (где 8 % Si), напротив элемента Si (во вкладке «Components») вписываем его концентрацию, напротив концентра- ции переменного элемента – любую находящуюся внутри интере- сующего интервала. Поле основного элемента (в нашем случае Al) остается пустым. Все введенные данные отображаются в окне «All Defined Conditions in SI Units». Для начала расчета необходимо за-
полнить все перечисленные поля, чтобы в окне «Number of Missing Conditions» стоял «0». Перед началом расчета во вкладке «Phases» возможно выбрать/удалить (ENTERED/SUSPENDED) имеющиеся фазы (рис. 2.1, в). После ввода исходных данных нажимаем на кнопку
«Next». В открывшемся окне «MAP/STEP DEFENITION» (рис. 2.1, г)
необходимо задать граничные координаты для расчета. По оси абс- цисс («Axis 1») в окне «Variable» выбираем элемент, концентрация которого будет переменной, и задаем минимальную («Min %») и максимальную («Max %») концентрации и количество шагов внутри заданного интервала, по которым будет проводиться расчет. Анало- гичным образом по оси ординат («Axis 2») задаем температурный
13
интервал. Затем нажимаем «Next» и программа проводит расчет, после чего в появившемся окне «DIAGRAM DEFENITION» выводятся сведе- ния о введенных ранее данных, и снова нажав «Next» программа в от- дельном окне «GRAPH» выводит построенный разрез (рис. 2.1, д).
а
б
14
в
г
15
д
Рис. 2.1. Расчет политермического разреза (нелучевого) в системе Al–Si–Cu
Для построения лучевых разрезов при заданном соотношении ле- гирующих элементов, например, в той же системе Al–Si–Cu при от- ношении концентраций Si/Cu равным 1/2, в окне «CONDITIONS» во вкладке «Advanced Conditions» (риc. 2.2, а) необходимо ввести урав- нение, описывающее данное соотношение:
W(SI) |
= |
1 |
2 * W(SI) − 1* W(CU) = 0. |
(2.1) |
|
|
|||
W(CU) 2 |
|
|
||
При этом во вкладке «Components» в окне концентраций пере- менных элементов (в нашем случае Cu и Si) концентрация одного из них не указывается (поле остается пустым), подразумевая, что она будет меняться из расчета по формуле (2.1). Затем повторяем все действия, описанные выше, и программа выводит рассчитанный раз-
рез (рис. 2.2, б).
16
а
б
Рис. 2.2. Расчет политермического разреза (лучевого) в системе Al–Si–Cu
17
3. РАСЧЕТ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ
Изотермическим разрезом называется сечение пространственной диаграммы состояния плоскостями, параллельными плоскости кон- центрационного треугольника, они дают качественную информацию о фазовом составе сплавов в зависимости от концентрации легирую- щих элементов в равновесных условиях при заданной температуре.
Для построения изотермических разрезов необходимо открыть окно «DATA», нажав на кнопку «Elements» в главном меню (см. рис. 2.1, а). Затем, выбрав интересующую базу данных в окне «Database», выби- раем элементы рассматриваемой системы, начиная с основного. На- пример, для построения разрезов в системе Al–Si–Cu со стороны Al выбираем базу данных TTAl5 и затем последовательно элементы Al, Si, Cu. После чего нажимаем на кнопку «Next».
В открывшемся окне «CONDITIONS» (рис. 3.1, а) необходимо ввести исходные данные для расчета. В окне «Temperature» вводим температуру для расчета (например, 520 °С). Постоянное давление (101 325 Па) задается автоматически. В окне «Composition Unit» вы- бираем единицы измерения концентрации легирующих компонентов, обычно массовые проценты («Mass-percent»). Для построения изотер- мического разреза при переменной концентрации двух компонентов (в нашем случае Cu и Si) напротив значков этих элементов вписываем любую концентрацию, находящуюся внутри интересующего интервала. Поле основного элемента (в нашем случае Al) остается пустым. Все введенные данные отображаются в окне «All Defined Conditions in SI Units». Для начала расчета необходимо заполнить все перечисленные поля, чтобы в окне «Number of Missing Conditions» стоял «0». Перед на-
чалом расчета во вкладке «Phases» возможно выбрать/удалить
(ENTERED/SUSPENDED) имеющиеся фазы (см. рис. 2.1, в). После вво-
да исходных данных нажимаем на кнопку «Next». В открывшемся окне «MAP/STEP DEFENITION» (рис. 3.1, б) необходимо задать гра-
ничные координаты для расчета. По оси абсцисс («Axis 1») в окне «Variable» выбираем первый элемент, концентрация которого будет переменной, и задаем минимальную («Min %») и максимальную («Max %») концентрации и количество шагов внутри заданного ин- тервала, по которым будет проводиться расчет. Аналогичным обра- зом по оси ординат («Axis 2») задаем второй переменный элемент и его концентрационные границы. Затем нажимаем «Next» и програм- ма проводит расчет, после чего в появившемся окне «DIAGRAM
18
DEFENITION» выводятся сведения о введенных ранее данных. Сно- ва нажав «Next», программа в отдельном окне «GRAPH» выводит построенный разрез (рис. 3.1, в).
а
б
19
в
Рис. 3.1. Расчет изотермического разреза в системе Al–Si–Cu
20