$$f_s = \frac{C_0 - C_L}{C_S - C_L}$$
$f_s + f_L = 1$(质量守恒)
仅在二相域(L+S)有效。假设平衡凝固。
交互操作Cu-Ni等温·Sn-Pb共晶·Fe-C包晶系的状态图。用杠杆定律瞬时计算固相率,实时可视化凝固过程。
$$f_s = \frac{C_0 - C_L}{C_S - C_L}$$
$f_s + f_L = 1$(质量守恒)
仅在二相域(L+S)有效。假设平衡凝固。
铸造工艺设计:为了预测铸件的凝固过程,识别产生收缩孔和缩孔的位置,使用状态图和凝固解析。例如,在汽车发动机缸体的铸造中,在最后凝固的位置设置浇道(储液池)的设计根据就来自于此。
焊接冶金:评估焊接部分快速加热·冷却过程中的组织变化。焊接金属的组成设计,以及防止热影响区(HAZ)脆化的预热·后热温度决定,都需要状态图的知识。
半导体焊料接合:Sn-Pb、Sn-Ag-Cu等焊料合金的状态图,是理解回流工艺中熔融·凝固行为、以及接合部形成的金属间化合物(IMC)种类和厚度的基础。
新材料开发:计算状态图(CALPHAD)被广泛应用于新合金设计的起点。可以基于状态图有效地探索具有所需高温强度或耐腐蚀性的组成和热处理条件。
首先要明确,这个模拟器处理的是平衡状态。用杠杆定律计算出的固相·液相的组成和量,是「无限缓慢冷却」理想情况下的结果。在实际铸造或焊接中,冷却速度很快,固体内的原子扩散跟不上,产生非平衡凝固,与计算结果不同。例如,Sn-Pb合金快速冷却时,不会产生计算预测的均一组织,而是产生中心和表面组成差异很大的芯偏析现象。
其次,「固相率50%=整体的一半是固体」这样的简单印象是危险的。杠杆定律得出的是质量分率。例如,固相和液相的密度差很大的合金(很多铸铁等),体积分率就不一样。预测缩孔需要体积变化,如果这里混淆了,实际设计就会出现偏差。
最后,注意工具参数设置中改变「初始组成C₀」时的行为差异。当C₀偏离共晶点(Sn-Pb的Sn为61.9wt%的点)时,开始凝固的温度(液相线)和结束凝固的温度(固相线)就会产生差异。这个温度范围(凝固温度范围)越宽的合金,谢尔凝固曲线的斜率越缓,越容易产生「蘑菇形」的宽义面凝固域。这意味着缩孔容易分散,浇道的设计也会变得困难。试着在模拟器上改变C₀,观察谢尔凝固曲线的形状如何变化,这是理解的捷径。
Cu-Ni合金初始浓度30%Ni、温度1250℃时,液相线上的组成为45%Ni,固相线上的组成为15%Ni。杠杆定律:fs=(CL-C0)/(CL-Cs)=(45-30)/(45-15)=0.5(50%固相率),fl=0.5(50%液相率)。固相为Ni浓度15%的低Ni相,液相为45%Ni的高Ni相共存,降温时通过谢尔凝固,固相组成逐渐上升到45%。