冷卻曲線

冷卻曲線（Cooling   curve）金屬熱處理過(guò)程中，工件加熱后的冷卻溫度和時(shí)間曲線。可用等距、單對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪圖。

冷卻曲線可表示：淬火時(shí)的冷卻方式淬火介質(zhì)的冷卻能力鋼在連續(xù)或等溫冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變焊后空冷過(guò)程中焊接件的脆性敏感性高溫合金高溫淬火后冷卻過(guò)程中強(qiáng)化相的析出等。另外，在金屬的熱分析中，熔融金屬?gòu)囊簯B(tài)到固態(tài)的溫降和時(shí)間參數(shù)曲線也稱(chēng)為冷卻曲線，其水平線為結(jié)晶溫度。

冷卻曲線又稱(chēng) 階梯冷卻曲線，是用熱分析法繪制凝聚體系相圖的重要依據(jù)。階梯冷卻曲線上的平臺(tái)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)代表了一定溫度下相變的信息，根據(jù) 階梯冷卻曲線可以繪制二元凝聚體系的相圖。傳統(tǒng)的手工繪圖方法不僅麻煩，而且不可避免地引入人為錯(cuò)誤隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，可以使用計(jì)算機(jī)編輯。

冷卻曲線

冷卻曲線是記錄不同變形條件下的金屬材料以不同的冷卻速度冷卻時(shí)，時(shí)間與溫度的關(guān)系的溫度時(shí)間曲線。它顯示了沒(méi)有變形的材料的轉(zhuǎn)變點(diǎn)和有變形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)經(jīng)過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)鋁和鋁合金在這兩種情況下有明顯的區(qū)別。利用相變過(guò)程中體積變化的原理，可以在熱模擬器上測(cè)量動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)在材料熱加工過(guò)程中，溫度變化不伴隨應(yīng)變，變形對(duì)相變的產(chǎn)生有影響所以這種動(dòng)態(tài)過(guò)程中記錄的溫度時(shí)間關(guān)系曲線是隨著連續(xù)的變形過(guò)程而變化的，所以稱(chēng)之為冷卻曲線。

在這種曲線上，一般都標(biāo)明了相變的條件和材料的名稱(chēng)；通過(guò)使用這種曲線，可以控制變形、以獲得所需材料的結(jié)構(gòu)和性能。材料在極端的加熱和冷卻速度下，或同時(shí)存在變形的條件下發(fā)生相變的溫度和時(shí)間，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)。借助特殊設(shè)備，可以獲得常規(guī)方法一般難以測(cè)量的極端條件下的相變。

動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)的含義如下：1）建議在常規(guī)加熱或冷卻速率下難以獲得的結(jié)構(gòu)可以在高速加熱或冷卻速率下獲得。圖2顯示了低碳鋼在不同加熱速率下的連續(xù)加熱曲線。該圖表明。加熱速度提高到100℃/在S點(diǎn)，點(diǎn)A和A上升在這個(gè)速度以上，鋁和鋁合金隨著速度的增加而減少；

2）隨著變形的進(jìn)行，相變點(diǎn)也發(fā)生變化，這是由于材料內(nèi)部的變形能、結(jié)構(gòu)的界面能、表面能等等都變了。

純金屬的結(jié)晶是在一定的溫度下進(jìn)行的，通常用熱分析法來(lái)測(cè)量。首先，金屬被熔化，然后緩慢冷卻。在冷卻過(guò)程中，每隔一段時(shí)間測(cè)量一次溫度，最后將測(cè)量結(jié)果繪制在溫度時(shí)間坐標(biāo)上，即可得到圖形（a）純金屬的冷卻曲線如圖所示。

從冷卻曲線可以看出，隨著時(shí)間的推移，熔融金屬的溫度降低。當(dāng)冷卻到一定溫度時(shí)，冷卻曲線上出現(xiàn)一條水平線段，這條水平線段對(duì)應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度（T）另外從圖（b）從曲線中還可以看出，在實(shí)際的結(jié)晶過(guò)程中，金屬必須從液態(tài)冷卻到理論溫度（T）以下才開(kāi)始結(jié)晶。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度T和實(shí)際結(jié)晶溫度T之間的差值T稱(chēng)為過(guò)冷。實(shí)驗(yàn)研究表明，金屬在結(jié)晶過(guò)程中的過(guò)冷度不是一個(gè)恒定值，它與冷卻速度有關(guān)冷卻速度越大，過(guò)冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。

在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶必須在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行，這是金屬結(jié)晶的必要條件。

通過(guò)觀察成分固定的材料的冷卻曲線，可以獲得很多關(guān)于材料結(jié)晶過(guò)程的信息。所謂冷卻曲線，就是以溫度為時(shí)間的函數(shù)繪制的冷卻循環(huán)曲線，相變點(diǎn)作為特征點(diǎn)出現(xiàn)在曲線上。

對(duì)于鉛-錫合金系統(tǒng)，圖中給出了六種不同成分的冷卻曲線。曲線I示出了純鉛從液態(tài)開(kāi)始冷卻，并且在液態(tài)中觀察到平滑的曲線。當(dāng)達(dá)到結(jié)晶點(diǎn)A時(shí)，結(jié)晶開(kāi)始。由于結(jié)晶潛熱的釋放，出現(xiàn)了A-aˊ溫度保持線。從a開(kāi)始，新形成的固相繼續(xù)冷卻，溫度沿平滑曲線下降。這條曲線的特點(diǎn)是純金屬和具有確定熔點(diǎn)的物質(zhì)的共同特征，如曲線ⅵ所示的純錫的冷卻曲線。

對(duì)于61.9%Sn合金，可以觀察到由圖中曲線ⅳ確定的熔點(diǎn)。與純金屬不同，它是由兩種成分不同結(jié)構(gòu)的固相形成的機(jī)械混合物，稱(chēng)為共晶反應(yīng)，即，

L←→α+β

需要指出的是，共晶反應(yīng)是在固定的溫度下發(fā)生的，在反應(yīng)中，合金液和結(jié)晶后的兩個(gè)固相是固定的。

圖中曲線ⅲ為40°%錫合金的冷卻曲線。合金液體被連續(xù)冷卻到K點(diǎn)，并且Sn在Pb中的固溶體開(kāi)始在液相中形成（α）小顆粒，并釋放能量，所以曲線的斜率突然減小。這些小晶粒的形成使剩余合金液中Sn的濃度增加，從而使結(jié)晶點(diǎn)降低。為了繼續(xù)形成新的固相，必須繼續(xù)冷卻。更多固相的連續(xù)形成使得剩余合金液體中Sn的濃度更高，這進(jìn)一步降低了結(jié)晶點(diǎn)因此，出現(xiàn)了固化溫度范圍，并且對(duì)應(yīng)的上特征溫度是初始結(jié)晶溫度，下特征溫度是最終結(jié)晶溫度。當(dāng)溫度達(dá)到k’在點(diǎn)，剩余合金液體的成分達(dá)到點(diǎn)e（61.9%Sn）所以此時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，剩余的合金液結(jié)晶成兩種成分不同結(jié)構(gòu)的固相形成的機(jī)械混合物，在冷卻曲線上也可以觀察到等溫保留線。隨后，固體混合物繼續(xù)冷卻。圖中冷卻曲線ⅴ與ⅲ相似，分析方法相同，不同的是先析出Pb在Sn中的固溶體β。

圖中曲線ⅱ為13%錫合金的冷卻曲線。曲線h”上面類(lèi)似曲線ⅲ，而白h”起初，曲線的斜率突然下降，這是由于自h”首先從α固溶體中析出第二相β固溶體，同時(shí)釋放能量。

現(xiàn)在，所有的相變點(diǎn)都可以根據(jù)冷卻曲線上相同的溫度轉(zhuǎn)移到溫度上—分量坐標(biāo)，并將物理意義相同的特征點(diǎn)連接成曲線，得到上圖所示的導(dǎo)聯(lián)—錫相圖。圖中A-E-b是所有合金處于液態(tài)時(shí)的最低溫度，稱(chēng)為液相線；A-C-E-D-B線是所有合金處于固態(tài)的最高溫度，稱(chēng)為固相線。在液相線和固相線之間，液體、固體和兩相的共存稱(chēng)為液體—固兩相區(qū)。