Giriş: Çelik Mikroyapımının Termodinamik Sürücüleri
Çelik, modern mühendislikte en yaygın kullanılan yapısal materyali kalır ve mekanik özellikleri öncelikle mikro ölçekli karbon ve demir atomların performansları ile belirlenir. Bu aşamaların oluşumuna yol açan temel mikroyapısal seçmenler arasında, çimentolu (Fe3C) ve incitoid lamellar, sertlik ve çimentolu karışımlar için önemlidir.
Yüksek sıcaklıktan gelen dönüşüm, yüksek sıcaklık ve soğutma üzerine indüksiyona sadece sıcaklık değişikliğinin bir sonucu değildir; bu makale, Gibbs serbest enerji minimi ve incelalasyonunu analiz ederek, entropiyi ve faz equilibria, demir-karbon fazını tarif ederek, mühendislere verilen soğutma koşulları ve alaşım kompozisyonları altında hangi mikroyapılar oluşturacaktır.
Demir-Carbon Faz Diagram ve Anahtar Fazlar
Tam termodinamik analiz demir-karbon (Fe-C) faz diyagramı ile başlar. diagram, sıcaklık ve karbon içeriğinin işlevleri olarak istikrarlı aşamaları gösterir. Çelikler için (tipik olarak 0.008-2.11% C), önemli aşamalar şunlardır:
- [FONT:0)Austenite ( ⁇ -Fe): ), Bir yüz merkezli bir metre (FCC) demirde karbon çözümü, yukarıdakilerin üzerinde stabil, ~727°C eutectoid kompozisyonlar için.
- Ferrite (α-Fe): Bir vücut merkezli bir metre (BCC) çok düşük karbon çözünürlükle sağlam bir çözüm (<0.02 oda sıcaklığında% 0.02 wt).
- [0]Cementite (Fe3C): Sabit stoichiometri ile bir intermetallik bileşik (~6.67 wt% C), sert ve sert.
Pearlite ayrı bir aşama değil, mikro bir temel-tameller ferrit ve çimentolu bu formların austenitesi ile eutectoid kompozisyon (0.76 wt% C) yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaştır.
Faz Dönüşümlerinin Termodinamik Temelleri
Gibbs Free Energy ve Sürüş Gücü
Herhangi bir aşama dönüşümü, sadece bir sistemin toplam Gibbs ücretsiz enerjisini azaltırsa, verilen bir sıcaklık için:0)T) ve basınç )P[D[Dönetici: 9, Gibbs ücretsiz enerji) bir fazı azalır.G = H – TS)H)
[FONT:0) ^ [FONT=0)[DÜye: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
Eğer akıp gidenler ise, s...................................................................................
nükleasyon için gerekli olan alt ısıyınır (sürekli) ve nükleksiyon için daha büyük sürüş gücü, nükleksiyon ve büyüme için daha büyük.Bu ilişki lamellar spacing ve genel dönüşüm oranını kontrol etmek için merkezidir.
Enthalpy ve Entropy Contributions
Entalpy değişimi:0) {{H[DÜDÜT:1) Ürün ve tepki veren aşamalar arasındaki bağ enerjilerini yansıtıyor. ⁇ + ⁇ dönüşümü için, ental ve vibrasyonel bozuklukta, sistem çimentolu ve daha istikrarlı bir BCC ferrite olarak serbest bırakılırsa, [DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD=DD=DDD=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D)
Çimento Formasyon: Nucleation ve Büyüme
Çimento (Fe3C) metastable bir aşamadır - paragrafın Fe-C sisteminde gerçek denge karbon-zengin fazdır, ancak formlarının çeliklere veya termodinamik olarak engellendiği için, demir atomik kristal yapısına bağlıdır.
Çimentonın Nucleation, serbest enerji bariyerinin (nükleasyon için enerji) en küçük olduğu, kritik yarıçaklı:0))) nükleusu için (Dönetici) verilen stabil bir nüklemi için (Dönetici) tercih edilir.
[FONT=0)[==2 ⁇ / {{G).
[FONT=0] [DÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
İncilik Formasyon: Eutectoid Dönüşüm
İncirlik, yüksek oranda ısıtılmış karbon çelikleri arasında en yaygın eutectoid mikro yapıdır.Sadece 727 °) ve çimentolu ( ⁇ ) ve yüksek oranda homojenleşme gücü ile karakterize edilir.
İncilliğin büyümesi bir kooperatif süreçtir. Çimento plakaları ilk önce bir planlı önlerde nüklepere plakaları oluşturur ve sonra çimento plakalarına bitişiktir, çünkü yerel karbon konsantrasyonu azalır. İki aşama, bir planlı önlüğe birlikte büyür.
Zener'in incir büyümesi teorisi, interlamellar spacingürFLT:0) altında soğutmak için ).
[FONT:0) · 4 ⁇ [DÜDÜT:2)[Üye: 4)[Üye/Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye)[Üye Olmayanlar (Üye)
[FONT=0] ⁇ [DÜDÜDÜDÜ:2] [DÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
Termodinamik Hesaplamalar ve Ücretsiz Enerji Modelleri
Calorimetrik Veriler ve Calphad Methodology
Çelik dönüşümlerin sayısal termodinamik analizi deneysel calorimetri ve hesaplama termodinamik (Calphad) Çimentonın ental oluşumu için yaklaşık +21 kJ /mol (entropi ve α-Fe) ile belirlenir. Örneğin,hidrasyonel ölçümler ısı kapasitesi ölçümlerinden dolayı belirlenir.)).
Bu verileri kullanarak, TCFE (Thermo-Calc) veya SGTE gibi termodinamik veritabanı, herhangi bir çelik kompozisyon için faz stabilitelerini ve güçlerini hesaplamasına izin verir. Fe-C sistemi katkı içerir:
- [0]Ideal Mix Entropi[[Dönetici ve ferrite karbonun üzerine kuruludur.
- [0]Tamamlı ücretsiz enerji[Dönetici:0) Karbon ve demir arasındakiide olmayan etkileşimleri nedeniyle.
- [0]Magnetic sipariş enerji ferrite (BCC demiri 7 °C altında ferromanyatiktir).
Bu modeller, eutectoid kompozisyon ve sıcaklık tahminini ve karbon içeriği ve alaşım eklemeleri ile sürüş gücünün varyasyonunu sağlar.
Pearlite Formasyon için 345G hesaplamak
Her aşamadaki molar serbest enerjilerini entegre etmek için, 700 °C (27°C altında) ile çelik için (27°C) arasındaki pratik bir hesaplama, ücretsiz enerji farkı genellikle 650°C'de - 100 J /mol. Bu küçük değer, neden incelal büyümenin düşük derecede düşük derecede düşük sıcaklık azalırken, sürüş kuvvetinin yaklaşık olarak yüzde 10'u arttırır.
Mühendisler genellikle ifadeyi kullanırlar:
[FONT:0) ⁇ + ⁇ ) ⁇ - {{S)[Dönetici][/FONT][/FONT)[D][/FONT][/FONT][/FONT)
[FONT:0) {{S[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
Yüzeydinamik üzerine Alaşımlama Elements Etkisi
Çoğu ticari çelik, manganese, silikon, kromyum, nikel ve molybdenum gibi alaşım elemanları içerir. Bu elementler austenite, ferrite ve çimentoit serbest enerjilerini değiştirir, böylece eutectoid kompozisyonu ve sıcaklığı değiştirir.
- [FONT:0]Manganese[[DÜT 1: 1), austeniteyi stabilize eder, eutectoid ısıyı azaltır ve eutectoidin karbon içeriğini arttırır.
- [FONT:0]Silicon[[[DÜT:1], eutectoid ısıyı yükseltir ve ferrite oluşumunu destekler; aynı zamanda çimentoyu da stabilize eder.
- [FONT=0)Chromium[[Dönetici:0) Daha istikrarlı tır (örneğin M23C6, M7C3) ve kısmen çimentolu demir için yerine geçebilir ve termodinamik stabilitesini azaltır.
- [FONT:0)Nickel, austenite faz alanını genişletir ve eutectoid sıcaklıklarını azaltır, manganese ile benzer ama daha zayıf bir etki ile.
Örneğin, 1 wt% Mn, yaklaşık 10-15 J /mol için sürüş kuvvetini azaltır, çünkü Mn bölmeleri bir termodinamik veritabanında hesaplanabilir. Örneğin, istenen mikroyapıyı elde etmek için 1 ⁇ + ⁇ + ⁇ için sürüş kuvvetini azaltır.
Kinetics Versus Termodinamik: Neden Tüm olası Fazlar Formunu Değil
Termodinamik, denge aşamalarını belirlerken, gerçek mikroyapı genellikle metazofaj aşamaları veya karışımlardan oluşur. Fe-C sisteminde, gerçek stabil karbon-zengin fazı grafiksel bariyerdir, ancak nükleksiyon için aktivasyon enerjisinin metastable fazı için önemli ölçüde daha yüksek olduğunu gösterir.Bu konsept, çimentolu ve en önemlisi çelik işlemenin bir karışımından daha yüksek bir serbest enerjiye sahiptir.
Benzer şekilde, yüksek karbonlu çeliklerde, infertilitenin oluşumu, martensite oluşumu için hızlı soğutma ile atılabilir - büyük kimyasal sürüş gücü tarafından yönlendirilen difüzyonsuz dönüşüm, ancak karbonun diferansiyel hesaplamaları ile kısıtlanabilir.[Düzgödüşünmeler için).[Düzücükler için 8,8 )[Düzücük sıcaklıkları tanımlayın[Döneticileri için)[Düzücük ve ısıtılabilirlik[Düz.
Çelik İşleme için Pratik İmplikasyonlar
Soğutma Oranı ile Pearlite Morpholoji Kontrol
Çelik yuvarlanma ve ısı tedavisi, soğutma oranı, incelalasyon ve böylece incelalasyon için sürüş kuvveti belirler. Yavaş soğutma (e.g., soğutma) coarse inciitli yüksek hızlarda ancak düşük güç sağlar. Hızlı soğutma veya zorlamak için hava durumu.
Örneğin, demiryolu çelik üretiminde (tipik olarak 0.7-0.8% C), iyi incir oluşturmak için kontrollü soğutma (sorbite) aşınma direncini geliştirir ve sonraki ısı tedavisi için gerekli olan gereksinimi azaltır. Termodinamik modelleme, sonlu ısı transfer simülasyonları ile bütünleşik hale getirir.
Hardenability için Kumaş Tasarımı
İncirlik oluşumu istenmeyen olduğunda (örneğin, yüksek sertliği giderken gerekli bileşenler), martenifet sıcaklığına kadar alaşımların gecikmesi için kullanılır. Bu elementler sürüş kuvveti azaltır veya sürekli soğutma (CCT) eğrilerini daha uzun zamana kadar değiştirir.
Manganese, kromyum ve molybdenum bu amaçla ortak ekler. Serbest enerji üzerindeki termodinamik etki, tam sertleştirici için kritik soğutma oranları tahmin etmek için kinetik modellerinde bir araya gelir.
Annealing ve Spheroidizasyon Tedavilerini İyileştirmek
Yüksek karbonlu araç çelikleri için, lamellar incirit genellikle Fe-C sistemi ile uzun ısıtma ile kısaltılır, kombinasyon için sürüş gücü, globular morfolojideki azalmadan gelir: işlem ilk infaksiyonun iyi olduğu gibi hızlanmış olur.
Gelişmiş Konular: İlk-Principles Hesaplamalar ve Yüksek-Throughput Ekranlama
Modern hesaplama malzemeleri bilimi, ilk prensiplerden termodinamik özelliklerini (density functional Theory, DFT) etkinleştirebilir ve bu kuantum mekaniksel girişlerin termodinamik özelliklerini test edebilir. DFT hesaplamaları, formasyon entalpi, modulus ve hatta çimentolu entropiyi deneysel verilere güvenliğe güvenebilir.
[Dış bağlantı 1: [[0|İlk önce termodinamiğin incelenmesi – Acta Materialia).
Yüksek kod tarama, Calphad yöntemleri ile birlikte, araştırmacıların geniş bir kompozisyon ve sıcaklık aralığındaki infeksiyon için güç hesaplamalarına izin verir. Bu yaklaşım, otomotiv levha çelik, boru hatları ve araçlama gibi talep edilen uygulamalar için yeni çelik notların keşfini hızlandırır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Çeliklerdeki çimento ve indük oluşumu, sistemin Gibbs serbest enerjilerini azaltma eğilimini ifade eden temel termodinamik ilkeler tarafından yönetilir.Inkümental ve ferrite-cementite karışımları ile entalpi ve entropi, metaluristler faz stabilitesini tahmin edebilir ve dönüşüm sıcaklıklarını azaltırlar.
Metaller termodinamik manzaraları değiştirir, eutectoid noktası ve dönüşüm kinetiğine dair kasıtlı ayarlamalar sağlar. Pratik ısı-tedavi süreçleri -annealing, normalleştirme, gidering ve mizaç - bu termodinamik öngörüleri belirli mekanik özellikler için terziye dayalı çelik mikroyapılar.Depresif veritabanlı hesaplama araçları, Calphad databases'ten ilk önce hesaplamalara kadar, anlayışımıza devam edin ve gelecek nesillere giden yollar sunmaya devam edin.
Daha fazla okuma için faz-dönüşüm termodinamik, yazara dayalı referanslar:0) Metaller ve yüzeylerdePhase Dönüşümleri) (Porter, Paskalya ve Sherif) ve çimentolu termodinamiğe ilişkin online kaynaklar bulunabilir.