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

Размещено на http://www.allbest.ru

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°С,200°С,…Tлик)при постоянной концентрации Mg и переменной концентрации AlиCaот0до10%.

Рисунок 1.1-Изотермический разрез Mg-Al-Сa при Т= 20 °С

Рисунок 1.2-Изотермический разрез Mg-Al-Ca при Т= 100 °С

Рисунок 1.3-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 200 °С

Рисунок 1.4-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 300 °С

Рисунок 1.5-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 400 °С

Рисунок 1.6-Изотермический разрез Mg-Al-Caпри Т= 500 °С

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 1/4, 1/2, 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, б- увеличенный 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=1/2

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, б- увеличенный фрагмент политермического(лучевой) лучевого разреза

Рисунок 2.14 - Политермический лучевой разрез сплава системы Mg-Al-Ca при соотношениях Al/Ca=1/4



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

Состав сплава	Tлик---, °С	Tсол, °С	Tнер.сол, °С
Mg-2%Al-2%Ca	630	525	526
Mg-2%Al-4%Ca	618	524	524
Mg-2%Al-6%Сa	604	523	520
Mg-2%Al-8%Ca	589	521	517
Mg-2%Al-10%Ca	571	520	517
Mg-4%Al-2%Ca	619	524	517
Mg-4%Al-4%Ca	608	525	525
Mg-4%Al-6%Ca	595	525	525
Mg-4%Al-8%Ca	578	525	525
Mg-4%Al-10%Ca	563	524	524
Mg-6%Al-2%Ca	610	530	432
Mg-6%Al-4%Ca	598	532	525
Mg-6%Al-6%Ca	585	525	525
Mg-6%Al-8%Ca	570	525	525
Mg-6%Al-10%Ca	554	525	525
Mg-8%Al-2%Ca	600	510	432
Mg-8%Al-4%Ca	587	530	432
Mg-8%Al-6%Ca	575	531	525
Mg-8%Al-8%Ca	531	525	525
Mg-8%Al-10%Ca	546	525	525
Mg-10%Al-2%Ca	588	485	432
Mg-10%Al-4%Ca	578	518	433
Mg-10%Al-6%Ca	565	530	432
Mg-10%Al-8%Ca	525	532	525
Mg-10%Al-10%Ca	537	525	525



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

Состав сплава	Tсол, °С	Tгом, °С	Mg1, %	MgZn2, %	Al2Re1, %
Mg-2%Al-2%Ca	525	515	23,58	0,96
Mg-2%Al-4%Ca	524	514	22,7	2,05
Mg-2%Al-6%Сa	523	513	21,7	3,17
Mg-2%Al-8%Ca	521	511	20,8	4,33
Mg-2%Al-10%Ca	520	510	19,85	5,51
Mg-4%Al-2%Ca	524	514	23,54		1,05
Mg-4%Al-4%Ca	525	515	22,66	1,21	0,92
Mg-4%Al-6%Ca	525	515	21,72	3,27
Mg-4%Al-8%Ca	525	515	20,78	4,42
Mg-4%Al-10%Ca	524	514	19,8	5,58
Mg-6%Al-2%Ca	530	520	23,5		1,11
Mg-6%Al-4%Ca	532	522	22,6		2,21
Mg-6%Al-6%Ca	525	515	21,7	1,3	2,01
Mg-6%Al-8%Ca	525	515	20,7	3,4	0,99
Mg-6%Al-10%Ca	525	515	19,8	5,6
Mg-8%Al-2%Ca	510	500	23,5		1,14
Mg-8%Al-4%Ca	530	520	22,6		2,28
Mg-8%Al-6%Ca	531	521	21,7		3,4
Mg-8%Al-8%Ca	525	515	20,7	1,39	3,13
Mg-8%Al-10%Ca	525	515	19,79	3,6	2,11
Mg-10%Al-2%Ca	485	475	23,6		1,15
Mg-10%Al-4%Ca	518	508	22,6		2,31
Mg-10%Al-6%Ca	530	520	21,6		3,48
Mg-10%Al-8%Ca	532	522	20,74		4,6
Mg-10%Al-10%Ca	525	525	19,7	1,49	4,28

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

Состав сплава	Tсол, °С	Tгом, °С	Mg1
			Mg, %	Al, %	Ca, %
Mg-2%Al-2%Ca	525	515	98,51	1,2	0,28
Mg-2%Al-4%Ca	524	514	98,89	0,75	0,36
Mg-2%Al-6%Сa	523	513	99	0,52	0,41
Mg-2%Al-8%Ca	521	511	99,2	0,39	0,44
Mg-2%Al-10%Ca	520	510	99,2	0,32	0,47
Mg-4%Al-2%Ca	524	514	97,8	2	0,16
Mg-4%Al-4%Ca	525	515	98,42	1,3	0,26
Mg-4%Al-6%Ca	525	515	98,46	1,26	0,27
Mg-4%Al-8%Ca	525	515	98,7	0,94	0,32
Mg-4%Al-10%Ca	524	514	98,9	0,74	0,36
Mg-6%Al-2%Ca	530	520	96,1	3,8	0,06
Mg-6%Al-4%Ca	532	522	97,9	1,86	0,17
Mg-6%Al-6%Ca	525	515	98,3	1,4	0,28
Mg-6%Al-8%Ca	525	515	98,4	1,3	0,26
Mg-6%Al-10%Ca	525	515	98,43	1,29	0,27
Mg-8%Al-2%Ca	510	500	94,2	5,76	0,0026
Mg-8%Al-4%Ca	530	520	96,37	3,55	0,007
Mg-8%Al-6%Ca	531	521	98,05	1,75	0,02
Mg-8%Al-8%Ca	525	515	98,4	1,3	0,026
Mg-8%Al-10%Ca	525	515	98,4	1,3	0,026
Mg-10%Al-2%Ca	485	475	92,2	7,79	0,0012
Mg-10%Al-4%Ca	518	508	94,46	5,51	0,0032
Mg-10%Al-6%Ca	530	520	96,6	3,3	0,007
Mg-10%Al-8%Ca	532	522	98,1	1,68	0,02
Mg-10%Al-10%Ca	525	525	98,4	1,3	0,02



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°С (20°С, 100°С, 200°С,…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 1/4, 1/3, 1/2, 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. 

Список литературы

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.

Размещено на Allbest.ru