冷卻曲線是將純金屬加熱到液體狀態(tài)，然后緩慢冷卻，在冷卻過(guò)程中，可以測(cè)定并畫(huà)出溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，即冷卻曲線。
從冷卻曲線可以看出，液態(tài)金屬隨冷卻時(shí)間增長(zhǎng)，由于熱量的散失，溫度將不斷下降，但當(dāng)冷卻至某一溫度時(shí)，溫度不再繼續(xù)下降，并開(kāi)始略有回升，這時(shí)的溫度叫實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶溫度，溫度回升是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱的緣故，當(dāng)放出的結(jié)晶潛熱與散失的熱量相等時(shí)，冷卻曲線出現(xiàn)平臺(tái)。當(dāng)金屬液全部凝固，不再放出結(jié)晶潛熱時(shí)，溫度又開(kāi)始下降，對(duì)于某一金屬來(lái)說(shuō)，過(guò)冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過(guò)冷度越大，即金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。
如果由于成核不良產(chǎn)生過(guò)冷，則冷卻曲線降至低于凝固溫度的位置，固體最終成核后，出現(xiàn)枝晶長(zhǎng)大，然而潛熱卻被過(guò)冷液體吸收，從而使溫度回升至凝固溫度，這種現(xiàn)象稱之為復(fù)輝（Recalescence），剩余液體的溫度升至凝固溫度之后發(fā)生熱滯，直至凝固過(guò)程由于平面長(zhǎng)大而結(jié)束。
簡(jiǎn)介
冷卻曲線又叫 步冷曲線，是熱分析法繪制凝聚體系相圖的重要依據(jù)。步冷曲線上的平臺(tái)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)表征某一溫度下發(fā)生相變的信息，二元凝聚體系相圖可根據(jù) 步冷曲線來(lái)繪制。常規(guī)的手工繪圖方法不僅繁瑣而且不可避免地會(huì)引入人為誤差，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用，可利用計(jì)算機(jī)編輯。
冷卻曲線，將不同變形條件下的金屬材料以不同的冷卻速度冷卻時(shí)相變開(kāi)始和完成的時(shí)間和溫度關(guān)系記錄下來(lái)的溫度一時(shí)間曲線。顯示了材料無(wú)變形時(shí)的相變點(diǎn)與存在變形時(shí)的相變點(diǎn)，進(jìn)行比較后表明兩種情形的Al與Al合金均有明顯差異。動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)可以在熱模擬機(jī)上利用相變時(shí)體積有變化的原理測(cè)出曲線無(wú)應(yīng)變?cè)诓牧蠠峒庸r(shí)伴隨有溫度的變化，而變形對(duì)相變的產(chǎn)生是有影響的，因此，在這種動(dòng)態(tài)過(guò)程中所記錄下的溫度一時(shí)間的關(guān)系曲線，隨變形過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行而有所變化，故稱為冷卻曲線。
特點(diǎn)
在這類曲線上，一般標(biāo)明相變發(fā)生的條件與材料的名稱；利用這類曲線，可通過(guò)控制變形量、溫度及冷卻速度來(lái)獲取所需材料的組織與性能。在極端的加熱與冷卻速度下，或者在有變形同時(shí)存在的條件下，材料發(fā)生相變時(shí)的溫度和時(shí)間，稱為動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)。借助專門設(shè)備，可獲得一般情況下用常規(guī)方法難以測(cè)得的極端條件下的相變。
動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)的含義有：（1）勸在高速加熱或冷卻速度下可以得到常規(guī)加熱或冷卻速度下難以得到的組織。圖2給出了低碳鋼在不同加熱速度下的連續(xù)加熱曲線。該圖表明。加熱速度升至100℃/s時(shí)，A和Aˊ點(diǎn)上升，高于該速度以后，Al和Al合金隨速度增高而降低；
（2）隨著變形的進(jìn)行，相變點(diǎn)也有所變化，其原因在于材料內(nèi)部的變形能、結(jié)構(gòu)的界面能、表面能等發(fā)生了變化所致。
與過(guò)冷度
純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進(jìn)行的，通常都用熱分析法進(jìn)行測(cè)量。首先將金屬熔化，然后以緩慢的速度冷卻。在冷卻過(guò)程中，每隔一定時(shí)間都測(cè)定一次溫度，最后將測(cè)量結(jié)果繪制在溫度一時(shí)間坐標(biāo)上，即可得到如圖（a）所示的純金屬冷卻曲線。
從冷卻曲線可見(jiàn)，金屬液隨著時(shí)間的推移，溫度不斷下降。當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，這個(gè)水平線段所對(duì)應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度（T）。另外從圖（b）中的曲線還可看出，金屬在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，從液態(tài)必須冷卻到理論溫度（T）以下才開(kāi)始結(jié)晶。這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度T和實(shí)際結(jié)晶溫度T之差T，稱為過(guò)冷度。試驗(yàn)研究指出，金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度并不是一個(gè)恒定值，其與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大過(guò)冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就越低。
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，過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。
事例
對(duì)具有固定成分的材料冷卻曲線進(jìn)行觀察，可獲得材料結(jié)晶過(guò)程的大量信息。所謂冷卻曲線，是以溫度作為時(shí)間的函數(shù)畫(huà)出的冷卻循環(huán)曲線，相變點(diǎn)在曲線上以特征點(diǎn)形式出現(xiàn)。
對(duì)于鉛-錫合金系，在圖中給出了六條不同成分的冷卻曲線。曲線Ⅰ表示純鉛由液態(tài)開(kāi)始冷卻，在液態(tài)時(shí)觀察到一光滑曲線。當(dāng)達(dá)到結(jié)晶點(diǎn)a時(shí)，開(kāi)始結(jié)晶。由于結(jié)晶潛熱的放出，出現(xiàn)a-aˊ溫度保持線。從aˊ開(kāi)始，剛生成的固相繼續(xù)冷卻，溫度沿一光滑曲線下降。這種曲線的特點(diǎn)是純金屬及具有確定熔點(diǎn)物質(zhì)的共同特性，如曲線Ⅵ所示的純錫冷卻曲線。
對(duì)于61.9%Sn的合金，可觀察到一個(gè)如圖中曲線Ⅳ所確定的熔點(diǎn)。與純金屬的區(qū)別在于自合金液中同時(shí)結(jié)晶出兩種成分且結(jié)構(gòu)不同的固相形成的機(jī)械混合物，此過(guò)程稱為共晶反應(yīng)，即
L←→α+β
應(yīng)指出，共晶反應(yīng)在固定溫度發(fā)生，且反應(yīng)中，合金液及結(jié)晶后兩固相成分固定。
圖中曲線Ⅲ是40%Sn合金的冷卻曲線。合金液連續(xù)冷卻到k點(diǎn)，液相中開(kāi)始形成Sn在Pb中的固溶體（α）的小晶粒，并釋放出能量，因而曲線斜率突然減小。這些小晶粒的形成，使得剩下的合金液中Sn濃度增大，從而結(jié)晶點(diǎn)下降。為了繼續(xù)形成新的固相，必須繼續(xù)冷卻。更多的固相不斷生成使得剩余合金液中Sn濃度更高，使結(jié)晶點(diǎn)進(jìn)一步下降，因此出現(xiàn)了一凝固溫度范圍，相應(yīng)的上特征溫度為始結(jié)晶溫度，下特征溫度為終結(jié)晶溫度。當(dāng)溫度達(dá)到k’點(diǎn)時(shí)，剩余合金液成分達(dá)到E點(diǎn)（61.9%Sn）成分，所以，此時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，剩余合金液結(jié)晶成兩成分且結(jié)構(gòu)不同的固相形成的機(jī)械混合物，冷卻曲線上亦可觀察到一段等溫保持線。隨后，固相混合物繼續(xù)冷卻。圖中冷卻曲線Ⅴ與Ⅲ相似，分析方法亦相同，區(qū)別在于先析出的是Pb在Sn中的固溶體β。
圖中曲線Ⅱ是13%Sn合金的冷卻曲線。曲線h”以上與曲線Ⅲ相似，而白h”開(kāi)始，曲線斜率突然下降，這是由于自h”開(kāi)始，從α固溶體中析出二次相β固溶體，同時(shí)放出能量所引起的。
現(xiàn)在可以把各相變點(diǎn)按冷卻曲線上相同的溫度轉(zhuǎn)移到溫度—成分坐標(biāo)上，并將物理意義相同的特征點(diǎn)連成曲線，便得到上圖所示的鉛—錫相圖。圖中A-E-B為所有合金處于液態(tài)時(shí)的最低溫度，叫做液相線；A-C-E-D-B線是所有合金處于固態(tài)的最高溫度，叫做固相線。液相線和固相線之間，液、固兩相共存，稱為液—固兩相區(qū)。
參考資料 >