Термодинамические расчеты и анализ фазовых диаграмм многокомпонентных систем. Учебное пособие

4. РАСЧЕТ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СОСТАВА ФАЗ

Программа Thermo-Calc (TCW5) позволяет проводить расчет ко- личества фаз (массовая доля) и состава фаз присутствующих в сплаве при заданной температуре в равновесных условиях.

Для этого необходимо открыть окно «DATA», нажав на кнопку «Elements» в главном меню (см. рис. 2.1, а). Затем, выбрав интере- сующую базу данных в окне «Database», выбираем элементы рас- сматриваемой системы, начиная с основного. Например, для расчета в сплавах системы Al–Si–Cu на основе Al выбираем базу данных TTAl5 и затем последовательно элементы Al, Si, Cu. После чего на- жимаем на кнопку «Next».

В открывшемся окне «CONDITIONS» (рис. 4.1, 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 изо- термического разреза при переменной концентрации двух компонен- тов (в нашем случае Cu и Si) напротив значков этих элементов впи- сываем концентрацию, соответствующую составу сплава. Поле ос- новного элемента (в нашем случае Al) остается пустым. В окне «System Size» выбираем единицы измерения количества фаз («Mass») и правее вводим значение «100», соответствующее количеству грамм, иными словами расчет ведется на 100 г вещества или на 100 %. 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 началом расчета во вкладке «Phases» возможно выбрать/удалить

(ENTERED/SUSPENDED) имеющиеся фазы (см. рис. 2.1, в).

После ввода исходных данных нажимаем на кнопку «Compute» (см. рис. 4.1, а). В окне «MAIN» (рис. 4.1, б) представляется резуль- тат расчета, содержащий сведения о содержании элементов в сплаве, их активности, химическом потенциале и о количестве и составе фаз, находящихся в равновесии при заданной температуре. В данном слу- чае количество Al твердого раствора составило 99,98 % масс. («Mass 9,9983E+01» на рис. 4.1, б), состав которого следующий: 98,16 % Al; 1 % Cu; 0,84 % Si («Mass fractions: AL 9,80168E-01…..» на рис. 4.1, б),

а количество Si равно 0,02 %.

21

5. РАСЧЕТ НЕРАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Расчет неравновесной кристаллизации в программе Thermo-Calc ведется по модели Sheil, предполагающей, что кристаллизация идет в условиях полного подавления выравнивающей диффузии в твердом состоянии и полного прохождения двух других диффузионных про- цессов: разделительной диффузии на фронте кристаллизации и вы- равнивающей диффузии в расплаве.

Кривые Sheil представляют собой зависимость изменения массовой доли твердых фаз в процессе неравновесной кристаллизации. По этим зависимостям можно проследить последовательность образования фаз при неравновесной кристаллизации, а также определить температуры ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса сплава.

Для расчета неравновесной кристаллизации необходимо открыть окно «SHEIL», нажав на кнопку 2 в главном меню» (см. рис. 1.1, а). Затем, выбрав интересующую базу данных в окне «Database», вы- брать элементы рассматриваемой системы, начиная с основного. На- пример, для расчета в сплавах системы Al–Si–Cu на основе алюми- ния выбираем базу данных TTAl5 (TCAL1) и затем последовательно элементы Al, Si, Cu. Перед началом расчета во вкладке «Phases» воз- можно выбрать/удалить (ENTERED/SUSPENDED) имеющиеся фазы. После чего нажимаем на кнопку «Next» (рис. 5.1, а).

В открывшемся окне «SHEIL CONDITIONS» (рис. 5.1, б) необхо- димо ввести исходные данные для расчета. В окне «Start Temperature» по умолчанию задана начальная температура для расчета 2000 °С, ко- торую можно варьировать. В окне «Temperature Step» задается тем- пературный шаг, с которым будет проведен расчет (по умолчанию 1 °С). В окне «Composition Unit» выбираем единицы измерения кон- центрации легирующих компонентов, обычно массовые проценты («Mass-percent»). Напротив значков элементов вписываем концен- трацию, соответствующую составу сплава (например, 2% Si и 2% Cu). 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 перечис-

ленные поля, чтобы в окне «Number of Missing Conditions» стоял «0».

После ввода исходных данных нажимаем на кнопку «Next». В ок- не «SHEIL DIAGRAM» (рис. 5.1, в) можно выбрать координаты, в которых будет рассчитана зависимость (доля твердых фаз (мольная

23

или массовая) от температуры (°С)). После нажатия на кнопку «Next» в открывшемся окне «GRAPH» предоставляется результат расчета (рис. 5.1, г).

а

б

24

По рассчитанной зависимости (см. рис. 5.1, г) изменения доли твердых фаз в процессе неравновесной кристаллизации для сплава Al–2Si–2Cu температура ликвидуса составила примерно 645 °С, тем- пература неравновесного солидуса 525 °С. Также, поставив галочку в окне «Show Equilibrium Line», программа рассчитает аналогичную зависимость для равновесных условий кристаллизации (пунктирная линия на рис. 5.1, г). При неравновесной кристаллизации в сплаве Al–2Si–2Cu в первую очередь образуется фаза FCC_A1 (фаза с ГЦК решеткой), т.е. алюминиевый твердый раствор (Al), затем кремние- вая фаза SILICON в составе эвтектики с (Al) и в результате послед- него превращения образуется фаза AL2CU (Al2Cu).

26

6. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ THERMO-CALC ДЛЯ РАСЧЕТА ФАЗОВОГО СОСТАВА ПРОМЫШЛЕННЫХ СПЛАВОВ

Для анализа фазового состава промышленных сплавов необходи- мо использовать многокомпонентные диаграммы состояния, расчет которых достаточно легко и достоверно позволяет проводить про- грамма Thermo-Calc. В данном разделе будет приведен пример рас- чета многокомпонентных диаграмм состояния, по которым возможно проводить анализ фазового состава существующих промышленных сплавов цветных металлов (на примере алюминиевых сплавов), их фазового состава на различных этапах обработки и расчета неравно- весной кристаллизации.

В табл. 6.1 приведены составы некоторых промышленных алю- миниевых сплавов по ГОСТ.

Таблица 6.1

Составы промышленных литейных (ГОСТ 1583–93) и деформируемых (ГОСТ 4784–97) алюминиевых сплавов (основные легирующие элементы)

АМг10. Для анализа фазового состава сплава АМг10 можно вос- пользоваться двойной диаграммой, однако влияние введения Ti можно проанализировать по тройной системе Al–Mg–Ti. На рис. 6.1, а пред- ставлен рассчитанный политермический разрез тройной системы при переменной концентрации Ti до 0,3 %. Как видно из разреза, при введении Ti, начиная уже с сотых процента, резко возрастает ликви- дус в системе, по которому образуются первичные кристаллы фазы AL3M_DO2 (Al3Ti). Также можно отметить, что в равновесных усло- виях в твердом состоянии при содержании титана более 0,02 % при-

сутствуют фазы: AL3MG2 (Al3Mg2), AL3M_DO2 (Al3Ti) и FCC_A1 ((Al)), при этом фаза AL3MG2 (Al3Mg2) образуется в твердом состоя- нии (вторичные выделения). Равновесный солидус в системе Al–10Mg–(0…0,3)Ti составляет примерно 500 °С, а как показывает расчет неравновесной кристаллизации (рис. 6.1, б) солидус сплава Al–10Mg–0,1Ti составляет 450 °С. В процессе неравновесной кри-

27

сталлизации образуются следующие фазы: AL3MG2 (Al3Mg2), AL3M_DO2 (Al3Ti) и FCC_A1 ((Al)).

а

б

Ри. 6.1. Политермический разрез системы Al–10Mg–Ti (а)

и кривая Sheil сплава Al–10Mg–0,1Ti (б)

28

Как показал расчет, в литом состоянии рассматриваемый сплав содержит фазу Al3Mg2. Из-за хрупкости фазы Al3Mg2 литой сплав АМг10 малопластичен. При нагреве под закалку фаза Al3Mg2 полно- стью переходит в твердый раствор, как видно из политермического разреза (см. рис. 6.1, а), поэтому закаленные сплавы отличаются вы- сокой пластичностью. В связи с этим сплав используется только в закаленном состоянии.

По результатам полученных расчетов можно выбрать режимы не- обходимой термической обработки для устранения последствий не- равновесной кристаллизации (растворения избыточных фаз).

АК8М3ч. Сплав АК8М3ч является термически упрочняемым, по- этому он используется в закаленном и состаренном состоянии. Для анализа фазового состава сплава АК8М3ч можно воспользоваться четверной диаграммой Al–Si–Cu–Mg, однако влияние введения тита- на и примеси железа можно проанализировать по системе Al–Si–Cu– Mg–Ti–Fe.

На рис. 6.2 представлены рассчитанные политермический разрез системы Al–8Si–Cu–Mg при переменных концентрациях Cu и Mg в соотношении их концентраций в сплаве (15/2) и изотермический разрез при подсолидусной температуре 500 °С. Как видно из разреза поли- термического разреза, в системе Al–8Si–Cu–Mg образуются первич- ные кристаллы фазы FCC_A1 ((Al)). Также можно отметить, что в равновесных условиях в твердом состоянии при содержании Cu бо- лее 2,5 % (Mg соответственно >0,33) присутствуют фазы: AL5CU2M G8SI6 (Al5Cu2Mg8Si6), FCC_A1 ((Al)), SILICON (Si), AL2CU (Al2Cu),

при этом последняя образуется в твердом состоянии. Равновесный со- лидус сплава Al–8Si–3Cu–0,4Mg составляет примерно 520 °С.

Изотермический разрез при 500 °C (рис. 6.2, б) позволяет опреде- лить область концентраций Cu и Mg, при которых эти элементы мо- гут полностью перейти в (Al) при нагреве под закалку (фазовая об-

ласть FCC_A1 ((Al))+SILICON (Si)).

Проследить влияние на фазовый состав примесей и малых доба- вок можно по политермическому разрезу (рис. 6.3, а) многокомпо-

нентной системы Al–8Si–3Cu–0,4Mg–Fe–Ti (Fe/Ti = 4/1). Присутст-

вие примеси Fe приводит к образованию железосодержащих фаз: AL8FEMG3SI6 (Al8FeMg3Si6) и ALFESI_BETA (Al5FeSi), морфология которых и количество могут существенно сказываться на свойствах сплава. Анализ неравновесной кристаллизации (рис. 6.3, б) сплава Al–8Si–3Cu–0,4Mg–0,4Fe–0,1Ti показывает, что процесс кристаллизации приводит к образованию следующих фаз: AL8FEMG3SI6 (Al8FeMg3Si6),

29

ALFESI_BETA (Al5FeSi), AL5CU2MG8SI6 (Al5Cu2Mg8Si6), FCC_A1 ((Al)), SILICON (Si), AL2CU (Al2Cu), AL7CU2FE (Al7Cu2Fe).

а

б

Рис. 6.2. Политермический разрез системы Al–8Si–Cu–Mg (Cu/Mg = 15/2) (а) и изотермический при 500 °С и переменной концентрации Cu и Mg (б)

30