[科普中国]-冷却曲线

冷却曲线（cooling curve），金属热处理工艺中，工件加热后冷却温度与时间关系的曲线。可用等距、单对数或双对数坐标绘制。

冷却曲线可表示：淬火时的冷却方式，淬火介质的冷却能力，钢在连续或等温冷却时的组织转变，焊接件焊后空冷时的脆性敏感及高温合金高温淬火后冷却时强化相的析出情况等。此外，在金属热分析时，熔融金属从液态到固态的温度下降与时间参数曲线也称冷却曲线，其水平线即为结晶温度。

简介冷却曲线又叫步冷曲线，是热分析法绘制凝聚体系相图的重要依据。步冷曲线上的平台和转折点表征某一温度下发生相变的信息，二元凝聚体系相图可根据步冷曲线来绘制。常规的手工绘图方法不仅繁琐而且不可避免地会引入人为误差，随着计算机技术在数据处理方面的应用，可利用计算机编辑。

冷却曲线，将不同变形条件下的金属材料以不同的冷却速度冷却时相变开始和完成的时间和温度关系记录下来的温度一时间曲线。显示了材料无变形时的相变点与存在变形时的相变点，进行比较后表明两种情形的Al与Al合金均有明显差异。动态相变点可以在热模拟机上利用相变时体积有变化的原理测出曲线无应变在材料热加工时伴随有温度的变化，而变形对相变的产生是有影响的，因此，在这种动态过程中所记录下的温度一时间的关系曲线，随变形过程的连续进行而有所变化，故称为冷却曲线。1

特点在这类曲线上，一般标明相变发生的条件与材料的名称;利用这类曲线，可通过控制变形量、温度及冷却速度来获取所需材料的组织与性能。在极端的加热与冷却速度下，或者在有变形同时存在的条件下，材料发生相变时的温度和时间，称为动态相变点。借助专门设备，可获得一般情况下用常规方法难以测得的极端条件下的相变。

动态相变点的含义有：（1）劝在高速加热或冷却速度下可以得到常规加热或冷却速度下难以得到的组织。图2给出了低碳钢在不同加热速度下的连续加热曲线。该图表明。加热速度升至100℃/s时，A和Aˊ点上升，高于该速度以后，Al和Al合金随速度增高而降低；

（2）随着变形的进行，相变点也有所变化，其原因在于材料内部的变形能、结构的界面能、表面能等发生了变化所致。1

冷却曲线与过冷度纯金属的结晶是在一定温度下进行的，通常都用热分析法进行测量。首先将金属熔化，然后以缓慢的速度冷却。在冷却过程中，每隔一定时间都测定一次温度，最后将测量结果绘制在温度一时间坐标上，即可得到如图（a）所示的纯金属冷却曲线。

从冷却曲线可见，金属液随着时间的推移，温度不断下降。当冷却到某一温度时，在冷却曲线上出现水平线段，这个水平线段所对应的温度就是金属的理论结晶温度（T0）。另外从图（b）中的曲线还可看出，金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论温度（T0）以下才开始结晶。这种现象称为过冷。理论结晶温度T0和实际结晶温度T1之差T，称为过冷度。试验研究指出，金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，其与冷却速度有关，冷却速度越大过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低。

在实际生产中，金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过冷是金属结晶的必要条件。2

事例对具有固定成分的材料冷却曲线进行观察，可获得材料结晶过程的大量信息。所谓冷却曲线，是以温度作为时间的函数画出的冷却循环曲线，相变点在曲线上以特征点形式出现。

对于铅-锡合金系，在图中给出了六条不同成分的冷却曲线。曲线Ⅰ表示纯铅由液态开始冷却，在液态时观察到一光滑曲线。当达到结晶点a时，开始结晶。由于结晶潜热的放出，出现a-aˊ温度保持线。从aˊ开始，刚生成的固相继续冷却，温度沿一光滑曲线下降。这种曲线的特点是纯金属及具有确定熔点物质的共同特性，如曲线Ⅵ所示的纯锡冷却曲线。

对于61.9%Sn的合金，可观察到一个如图中曲线Ⅳ所确定的熔点。与纯金属的区别在于自合金液中同时结晶出两种成分且结构不同的固相形成的机械混合物，此过程称为共晶反应，即

LE ←→αC+βD

应指出，共晶反应在固定温度发生，且反应中，合金液及结晶后两固相成分固定。

图中曲线Ⅲ是40%Sn合金的冷却曲线。合金液连续冷却到k点，液相中开始形成Sn在Pb中的固溶体（α）的小晶粒，并释放出能量，因而曲线斜率突然减小。这些小晶粒的形成，使得剩下的合金液中Sn浓度增大，从而结晶点下降。为了继续形成新的固相，必须继续冷却。更多的固相不断生成使得剩余合金液中Sn浓度更高，使结晶点进一步下降，因此出现了一凝固温度范围，相应的上特征温度为始结晶温度，下特征温度为终结晶温度。当温度达到k’点时，剩余合金液成分达到E点（61.9%Sn）成分，所以，此时发生共晶反应，剩余合金液结晶成两成分且结构不同的固相形成的机械混合物，冷却曲线上亦可观察到一段等温保持线。随后，固相混合物继续冷却。图中冷却曲线Ⅴ与Ⅲ相似，分析方法亦相同，区别在于先析出的是Pb在Sn中的固溶体β。

图中曲线Ⅱ是13%Sn合金的冷却曲线。曲线h”以上与曲线Ⅲ相似，而白h”开始，曲线斜率突然下降，这是由于自h”开始，从α固溶体中析出二次相β固溶体，同时放出能量所引起的。

现在可以把各相变点按冷却曲线上相同的温度转移到温度—成分坐标上，并将物理意义相同的特征点连成曲线，便得到上图所示的铅—锡相图。图中A-E-B为所有合金处于液态时的最低温度，叫做液相线；A-C-E-D-B线是所有合金处于固态的最高温度，叫做固相线。液相线和固相线之间，液、固两相共存，称为液—固两相区。3

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学