Термодинамический расчет и анализ фазовых превращений в тройной диаграмме состояния Mg-Al-Ca

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный Исследовательский Технологический Университет

«МИСиС»

Институт экотехнологий и инжиниринга Кафедра металловедения цветных металлов

Курсовая работа

Термодинамический расчет и анализ фазовых превращений в тройной диаграмме состояния Mg-Al-Ca

Студент: Решимов А.

Группа: МФП-14−2

Руководитель: к.т.н.Чеверикин В. В.

• Москва 2015

• Введение

Цель курсовой работы - освоение и применение программы Thermo-Calc для расчета многокомпонентных диаграмм состояния. Курсовая работа содержит расчеты изотермических и политермических разрезов, фазового состава (количества фаз) и состава фаз при заданной температуре и неравновесной кристаллизации (Sheil) для четверных систем на основе алюминия.

Для решения проблем современного материаловедения, необходимо изучать многокомпонентные диаграммы состояния, в чем может помочь программы Thermo-Calc.

Программа Thermo-Calc позволяет проводить расчеты равновесных диаграмм состояния (проекций плоскостей ликвидуса и солидуса), количества и состава фаз, температур ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса, образования фаз в неравновесных условиях (расчет по модели Sheil). Программа содержит базы данных по сплавам на основе Fe, Ni, Al, Ti, Mg, по припоям, шлакам и другое.

Thermo-Calc представляет собой программный пакет, содержащий большое количество термодинамических данных, для выполнения расчетов и построения фазовых диаграмм состояния. Расчеты, основанные на термодинамических базах данных, производится путем экспертной оценки экспериментальных данных с использованием метода CALPHAD.

CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) — методрасчетафазовыхдиаграмм. Под равновесными фазовыми диаграммами обычно понимают диаграммы зависимости состава химической системы от температуры. На фазовой диаграмме отмечаются области существования соединений и растворов (то есть фаз) и области их сосуществования. Фазовые диаграммы — очень мощный инструмент для прогнозирования состояния системы при различных условиях. Впервые они появились как графический метод обобщения экспериментальной информации о равновесии. Подход CALPHAD базируется на том факте, что фазовая диаграмма — это проявление равновесных термодинамических свойств системы, которые слагаются из свойств составляющих систему фаз. Таким образом, существует возможность расчета фазовой диаграммы путем начальной оценки термодинамических свойств всех фаз системы.

Метод CALPHAD объединяет всю экспериментальную информацию о фазовых равновесиях в системе и всю термодинамическую информацию, полученную при проведении термохимических и теплофизических исследований. Затем набор термодинамических свойств каждой фазы описывается математической моделью, содержащей настраиваемые параметры. Параметры вычисляются оптимизацией модели под всю информацию, включая сосуществующие фазы. После этого возможен пересчет фазовой диаграммы и термодинамических свойств составляющих систему фаз. Концепция метода CALPHAD состоит как в получении непротиворечивого описания фазовой диаграммы, так и в достоверном предсказании множества стабильных фаз и их термодинамических свойств в тех областях фазовой диаграммы, где отсутствует экспериментальная информация, а также метастабильных состояний путем моделирования фазовых превращений[1].

1. Расчет изотермических разрезов

Изотермическим разрезом называется сечение пространственной диаграммы состояния плоскостями параллельными плоскости концентрационного треугольника, они дают качественную информацию о фазовом составе сплавов в зависимости от концентрации легирующих элементов в равновесных условиях при заданной температуре.

В данной части работы представлены расчеты изотермических разрезов при температурах от Tкомн домаксимальной температуры ликвидуса в системе с шагомв100°С (20°С, 100 °C, 200 °C,…Tлик)при постоянной концентрации Mg и переменной концентрации AlиCaот0до10%.

Рисунок 1.1-Изотермический разрез Mg-Al-Сa при Т= 20 °C Рисунок 1.2-Изотермический разрез Mg-Al-Ca при Т= 100 °C Рисунок 1.3-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 200 °C Рисунок 1.4-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 300 °C Рисунок 1.5-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 400 °C Рисунок 1.6-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 500 °C С увеличением температуры от 20 до 500⁰С происходит исчезновения имеющихся в сплаве фаз и увеличение области существования твердого раствора на основе Mg. При температуре 400⁰С образуется расплав, но еще существует широкая область существования твердого раствора (Mg) cрасплавом, при дальнейшем увеличении температуры происходит постепенное увеличение расплава.

2. Расчет политермических разрезов

Политермические разрезы строят в координатах «температура — концентрация», они дают качественную информацию о фазовом составе сплавов в зависимости от температуры и концентрации легирующих элементов в равновесных условиях. Программа позволяет строить разрезы при переменной концентрации одного из компонентов (нелучевые) и двух (лучевые при постоянном их соотношении) и постоянной остальных.

В данной части работы представлены расчеты политермических разрезов (нелучевых и лучевых).

Расчеты политермических разрезов (нелучевых) необходимо провести при постоянной концентрации Mg и Al, и переменной концентрации Mn до 10%, при этом, изменяя концентрацию Al от 0 до 10% с шагом 2%. Затем провести аналогичный расчет при постоянных концентрациях Mg, Al и переменной концентрации Mn.

Расчеты политермических разрезов (лучевых) необходимо провести при постоянной концентрации элемента Mg и переменных концентрациях Al и Mn в соотношениях Al/Mn равных ¼, ½, 1/3, 1/1, 2/1, 3/1, 4/1.

Рисунок 2.1-Политермический (нелучевой) разрез Mg-1Al-2Ca

(а)

(б) а — общий вид политермического (нелучевой) разреза, бувеличенный фрагмент политермического (нелучевой) разреза Рисунок 2.2-Политермический (нелучевой) разрез Mg-1Al-4Ca

Рисунок 2.3 — Политермический (нелучевой) разрез Mg-1Al-6Ca

Рисунок 2.4-Политермический (нелучевой) разрез Mg-1Al-8Ca

Рисунок 2.5 -Политермический (нелучевой) разрез Mg-1Al-10Ca

Рисунок 2.6 -Политермический (нелучевой) разрез Mg-2Al-1Ca

Рисунок 2.7 -Политермический (нелучевой) разрез Mg-4Al-1Са Рисунок 2.8 -Политермический (нелучевой) разрез Mg-6Al-1Са Рисунок 2.9 -Политермический (нелучевой) разрез Mg-8Al-1Са Рисунок 2.10 -Политермический (нелучевой) разрез Mg-10Al-1Са Из политермическихнелучевых разрезов видно, что с изменением содержания концентрации Al и Са происходит изменение областей гомогенности фаз, но новых фаз не появляется. Также видно количество и расположение фаз при различных температурах.

Рисунок 2.11 — Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Сa при соотношениях Al/Ca=1/1

Рисунок 2.12 — Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Ca=½

Рисунок 2.13 — Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Ca=1/3

(а)

(б) а — общий вид политермического (лучевой) разреза, бувеличенный фрагмент политермического (лучевой) лучевого разреза Рисунок 2.14 — Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Ca=¼

Рисунок 2.15 -Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Сa=2/1

Рисунок 2.16 — Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Ca=3/1

Рисунок 2.17 — Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Ca=4/1

3. 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 процессов: разделительной диффузии на фронте кристаллизации и выравнивающей 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, и также определить температуры ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса сплава.

Необходимо провести расчет неравновесной кристаллизации (Sheil) для сплавов системы Mg (2−10)%—Al-(2−10)%-Са-(2−10)% при переменной концентрации Al и Ca с шагом в 2%. В отчете приведены все рассчитанные зависимости, по ним определены температуры ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса (Таблица 1).

политермический разрез кристаллизация ликвидус Таблица 1-Температуры ликвидуса, равновесного солидуса и неравновесного солидуса системы Mg-Al-Ca

Рисунок 3.1 — Кривая Sheil для сплава Mg-2%Al-2%Са Рисунок 3.2 — Кривая Sheil для сплава Mg-2%Al-4%Са Рисунок 3.3 — Кривая Sheil для сплава Mg-2%Al-6%Са Рисунок 3.4 — Кривая Sheil для сплава Mg-2%Al-8%Са Рисунок 3.5 — Кривая Sheil для сплава Mg-2%Al-10%Са Рисунок 3.6 — Кривая Sheil для сплава Mg-4%Al-2%Са Рисунок 3.7 — Кривая Sheil для сплава Mg-4%Al-4%Са Рисунок 3.8 — Кривая Sheil для сплава Mg-4%Al-6%Са Рисунок 3.9 — Кривая Sheil для сплава Mg-4%Al-8%Са Рисунок 3.10 — Кривая Sheil для сплава Mg-4%Al-10%Са Рисунок 3.11 — Кривая Sheil для сплава Mg-6%Al-2%Са Рисунок 3.12 — Кривая Sheil для сплава Mg-6%Al-4%Са Рисунок 3.13 — Кривая Sheil для сплава Mg-6%Al-6%Са Рисунок 3.14 — Кривая Sheil для сплава Mg-6%Al-8%Са Рисунок 3.15 — Кривая Sheil для сплава Mg-6%Al-10%Са Рисунок 3.16 — Кривая Sheil для сплава Mg-8%Al-2%Са Рисунок 3.17 — Кривая Sheil для сплава Mg-8%Al-4%Са Рисунок 3.18 — Кривая Sheil для сплава Mg-8%Al-6%Са Рисунок 3.19 — Кривая Sheil для сплава Mg-8%Al-8%Са Рисунок 3.20 — Кривая Sheil для сплава Mg-8%Al-10%С Рисунок 3.21 — Кривая Sheil для сплава Mg-10%Al-2%Са Рисунок 3.22 — Кривая Sheil для сплава Mg-10%Al-4%Са Рисунок 3.23 — Кривая Sheil для сплава Mg-10%Al-6%Са Рисунок 3.24 — Кривая Sheil для сплава Mg-10%Al-8%Са Рисунок 3.25 — Кривая Sheil для сплава Mg-10%Al-10%Са

4. Расчет фазового состава и состава фаз

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

Проведен расчет фазового состава и состава магниевого твердого раствора для сплавов системы Mg-(2−10)%Al-(2−10)%Mnпри температуре гомогенизации (на 10−15 °С ниже температуры солидусаT_сол) при переменной концентрации Al и Mn с шагом в 2%. Расчет представлен в таблицe 2 и 3. Проанализировать влияние состава сплава на фазовый состав и состав алюминиевого твердого раствора при температуре гомогенизации.

Таблица 4.1-Расчет фазового состава сплавов системы Mg-Al-Ca при температуре гомогенизации

Таблица 4.2-Расчет магниевого твердого раствора (Mg) в сплавах системыMg-Al-Ca при температуре гомогенизации

Выводы

В ходе расчета многокомпонентной диаграмм состояния с использованием программы Thermo-Calc была исследована система Mg-Al-Са. Для исследования использовалась база данных TTMG3. В ходе исследования были построены изотермические разрезы, политермические нелучевые и лучевые разрезы, а также кривые Шайля. При помощи построенных разрезов и кривых были произведены расчёты изотермических и политермических разрезов, расчёты неравновесной кристаллизации, а также расчёт фазового состава и состава фаз.

В результате проделанной работы можно сделать ряд выводов:

1. Расчеты изотермических разрезов при температурах от T_комн до максимальной температуры ликвидуса в системе Mg-Al-Са с шагом в 100 °C (20°С, 100 °C, 200 °C,…Tлик) при постоянной концентрации Mgи переменной концентрации Alи Ca от 0 до 10% показали, что при увеличении температуры число фаз уменьшается, увеличивается область твердого раствора на основе Mgи при 500⁰С образуется жидкость.

2. Расчеты политермических разрезов (нелучевых и лучевых) при постоянной концентрации Mg и переменной концентрации Al и Ca до 10%, изменяя от 0 до 10% с шагом в 2%, показали увеличении температуры кристаллизации.

Расчеты политермических разрезов (лучевых) при постоянной концентрации Mgи переменных концентрациях Alи Ca в соотношениях Al/Ca равных ¼, 1/3, ½, 1/1, 2/1, 3/1, 4/1 показали увеличение температуры начало кристаллизации.

3. Расчет неравновесной кристаллизации (Sheil) для сплавов системы Mg-(0−10)%Al-(0−10)% Са при переменной концентрации Al и Са с шагом в 2%. показал зависимости, по которым можно определить температуры ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса, представленные в таблицах.

1.Поздняков А. В., Чеверикин В. В. Термодинамические расчеты и анализ фазовых диаграмм многокомпонентных систем: Учебно-методическое пособие.- М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. — 43 с.