Кратко изложить сущность термического метода построения диаграмм состояния
Обновлено: 02.07.2024
Термический анализ основан на фиксации тепловых эффектов превращений, т. к. переход из одного агрегатного состояния в другое, а также полиморфные превращения происходят с выделением тепла при охлаждении и поглощением тепла при нагревании металлов и сплавов.
Спроецировав точки перегибов и температурных остановок на ось ординат, определяют температуры начала и конца всех фазовых превращений, которые происходят в исследуемом сплаве.
Компоненты сплава Рb-Sb:
Свине́ц (Рb) – химический элемент 14-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Свинец – ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серого цвета.
Температура плавления: 327,5 °C.
Атомный номер: 82.
Сурьма́ (Sb) – химический элемент 15-й группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Сурьма – полуметалл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком, грубозернистого строения.
Температура плавления: 630,8 °C.
Атомный номер: 51.
Определение температур кристаллизации Рb, Sb и сплавов Рb-Sb
Температуру кристаллизации металлов и сплавов определяют на установке, схема которой изображена на рис. 8.
 |
| Рисунок 8 - Схема установки для определения температур кристаллизации металлов и сплавов |
Порядок выполнения работы
Работа выполняется звеньями (по два-три студента в каждом звене).
1. Изучить учебное пособие.
2. Получить жидкий сплав одного из составов (разд. 2), установить термопару в кварцевый наконечник, погруженный в сплав, записать показания температуры через 30 с. Замер прекратить при температуре 140°С.
3. Построить по полученным данным кривую охлаждения сплава в координатах температура-время (рис. 8).
4. Определить критические точки по перегибам кривой охлаждения, т. е. температуру начала и конца кристаллизации, отметить их на графике.
5. Указать в таблице критические точки сплавов, определенные другими звеньями студентов.
6. Построить диаграмму состояния олово-цинк (рис. 2):
а) отложить на левой вертикали температуру кристаллизации олова – 232°С;
б) отложить на правой вертикали температуру кристаллизации цинка – 419°С;
в) найти положение сплава эвтектического состава и отметить температуру его кристаллизации;
г) найти положение сплавов доэвтектического и заэвтектического составов и отметить точки начала и конца кристаллизации;
д) соединить плавной кривой все точки начала кристаллизации и прямой линией – точки конца кристаллизации.
7. Выполнить индивидуальное задание.
Содержание отчета
2. Кривая охлаждения заданного сплава.
3. Диаграмма состояния олово-цинк, на которой указаны:
а) линии ликвидус и солидус данной системы;
б) линия начала кристаллизации олова и цинка;
в) линия кристаллизации эвтектики;
г) эвтектическая точка.
4. Структура сплавов доэвтектического, заэвтектического и эвтектического составов (рис. 3).
5. Индивидуальное задание:
а) зарисовать данную преподавателем диаграмму состояния;
б) установить тип данной диаграммы;
в) определить структурный и фазовый состав различных ее областей;
г) определить положение сплава, данного преподавателем, на диаграмме состояния;
д) определить его критические точки, число степеней свободы в каждой критической точке по правилу фаз Гиббса и построить кривую охлаждения в координатах температура-время;
е) определить концентрацию компонентов в твердой и жидкой фазах по правилу отрезков, а также весовое количество фаз при заданной температуре;
ж) определить структуру заданного сплава.
6. Контрольные вопросы
1. Что такое диаграмма состояния?
2. Какой метод положен в основу построения диаграммы олово-цинк?
3. Что называется компонентом, фазой?
4. Как определяется концентрация фаз?
5. Как определяется соотношение масс фаз?
6. Каковы особенности эвтектического сплава?
7. Нарисовать диаграмму состояния с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и проставить все фазы.
8. Нарисовать диаграмму состояния, когда компоненты не растворяются друг в друге, когда образуется устойчивое химическое соединение, проставить все фазы.
9. Как определяется число степеней свободы в критических точках?
10. В чем сущность определения температур кристаллизации металлов и сплавов термическим методом?
11. Опишите установку и последовательность определения температур кристаллизации Рb, Sb и сплавов Рb-Sb.
12. Опишите методику построения диаграммы состояния Рb-Sb.
13. Какой тип диаграммы состояния образует сплав Рb-Sb?
14. Почему с момента начала кристаллизации (перегиб на кривой) скорость охлаждения сплава замедляется (ход кривой становится более пологим)?
15. Почему в сплавах некоторых систем на кривых охлаждения (нагревания) наблюдаются температурные остановки (горизонтальные площадки)?
16. Какой вид имеют кривые охлаждения (нагревания) при затвердевании чистых компонентов, сплавов из компонентов, образующих и жидкий, и твердый растворы; сплавов с наличием эвтектических превращений?
17. Определите структуру и фазовый состав исследуемых сплавов при комнатной температуре.
Ознакомление с методом термического анализа, экспериментальное построение диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов.
Теория
Процессы превращения, протекающие в сплавах, можно графически представить в виде так называемых диаграмм состояния (рис.4.1). Диаграмма состояния показывает функциональную зависимость между составом сплава, температурой и строением сплава. Она показывает равновесные состояния сплавов и превращения, протекающие в них (сплавах) при медленном охлаждении (нагреве), позволяет указать ожидаемый характер изменения структуры.
Рис.4.1. Диаграмма состояния системы свинец-сурьма, кривые охлаждения и схемы структур.
Превращения в зависимости от состава сплава могут протекать
различно, а следовательно, сплавы могут иметь разные по характеру температурные кривые охлаждения (рис.4.1).
Существует много методов построения диаграммы состояния, сущность которых сводится к определению критических точек при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими точками называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплавах.
Наиболее простым и удобным методом построения диаграммы состояния, позволяющим проследить за процессом кристаллизации из жидкого состояния, является метод термического анализа.
Большинство превращений, происходящих в металле (плавление при нагревании, кристаллизация при охлаждении, переход металла в твердом состоянии из одной формы кристаллического строения в другую), сопровождается выделением или поглощением тепла (фазовые переходы первого рода). Наблюдая за изменением температуры металла или сплава в процессе нагрева или охлаждения, по остановкам и перегибам на кривых температура – время, можно установить температуру превращения (критическую точку). При охлаждении расплавленного металла его температура непрерывно понижается. Однако, с началом кристаллизации непрерывность нарушается из-за теплового эффекта превращения (в данном случае переход из жидкой в твердую фазу), на кривой появляется горизонтальный участок или перегиб.
Кривые охлаждения изображены на рисунке 4.2 (б). Показаны два различных случая. В первом случае кристаллизация происходит при постоянной температуре (в данном эксперименте это соответствует чистым компонентам и сплаву III эвтектической концентрации), во втором случае сначала начинается кристаллизация одного компонента (перегиб на кривой), процесс протекает при переменной температуре, а оставшаяся часть жидкого сплава кристаллизуется при постоянной температуре (горизонтальный отрезок на кривых охлаждения). Отрезки всех кривых охлаждения после горизонтальных участков соответствуют охлаждению уже затвердевших сплавов.
Рис.4.2. Диаграмма фазового состояния системы свинец-сурьма (а) и кривые охлаждения чистых компонентов и сплавов разного состава (б).
Диаграмму состояния строят в координатах температура – концентрация сплавов (примеры диаграмм показаны на рисунках). Для построения диаграммы наносят точки начала и конца кристаллизации, полученные по кривым охлаждения для сплавов резной концентрации, и соединяют их кривыми. Кривая, соответствующая началу кристаллизации, носит название “ликвидус”, кривая конца кристаллизации “солидус”.
Методика эксперимента
Тигель со слитками исследуемого материала (сплава) нагревают на плитке несколько выше точки плавления. Затем сплав переносят на подставку, в металл погружают горячий спай термопары (в чехле) и записывают показания милливольтметра каждые 15 сек. до окончания процесса кристаллизации. Затвердевший сплав охлаждают, снимая показания еще 2-3 минуты. Строят кривую охлаждения для каждого сплава, а затем, по совокупности данных термического анализа для всех сплавов, диаграмму состояния исследуемой системы.
Лабораторная работа №5
Применение термического метода анализа для построения диаграмм состояния сплавов
Цель работы:практически освоить методику построения экспериментальных кривых охлаждения, определения критических точек и построения диаграмм состояния сплавов.
Порядок выполнения работы
1. Изучить методику термического анализа и возможности его применения для построения диаграмм состояния.
3. Определять критические точки заданного сплава по положению горизонтальных площадок или точек перегиба на кривой охлаждения. Полученные значения критических точек, соответствующих началу кристаллизации, и концу кристаллизации сплава, занести в сводную таблицу результатов.
5. Используя результаты, полученные всей подгруппой, подобным же образом обозначить критические точки для всех остальных исследованных сплавов и обоих чистых компонентов системы.
7. Обозначить фазовый состав и структуру во всех областях полученной диаграммы.
8. Составить отчёт по работе, включив в него:
• наименование работы и краткое описание методики построения кривых охлаждения и диаграммы;
• схему экспериментальной установки;
• таблицу результатов измерения температуры при охлаждении заданного сплава;
• экспериментальную кривую охлаждения заданного сплава, выполненную на миллиметровой бумаге, с обозначенными на ней критическими точками;
• сводную таблицу результатов определения критических точек для всех исследованных сплавов (см. таб. 1);
Необходимые материалы, приборы и оборудование:
2. Тигель с расплавом.
3. Термопара в чехле с проводами.
Термический метод анализа металлов и сплавов
Термический метод анализа является одним из основных методов, используемых в металловедении для определения температур фазовых превращений. Он основан на выделении или поглощении тепла (скрытой теплоты превращения) при фазовых превращениях.
Температуры начала и конца фазовых превращений, определяемые по кривым охлаждения, называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения - критическими точками.
В простейших случаях кривые охлаждения выглядят так, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Некоторые примеры кривых охлаждения при кристаллизации из
а) Чистого металла.
б) Твёрдого раствора.
Кристаллизация из жидкости характеризуется большим тепловым эффектом, чем превращения, происходящие в твёрдом состоянии. Поэтому при изучении вторичных превращений наряду с термическим методом используют измерение магнитных свойств, электросопротивления и т.д.
На рис. 2. показана схема установки для определения критических точек металлов и сплавов методом термического анализа.
Рис.2. Схема установки для определения критических точек.
Для получения более точной кривой охлаждения применяют фоторегистрирующие пирометры, позволяющие непрерывно записывать на фотобумаге показания прибора.
Понятия о диаграммах состояния и методика их построения
Диаграммы состояния графически показывают, как с изменением температуры и химического состава сплава изменяется его структура, количество и состав фаз, находящихся в равновесии.
По оси ординат откладывают температуру, до оси абсцисс -концентрацию сплавов. Следовательно, крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а между ними можно расположить множество ординат различных по составу между этими компонентами; например, 25% Zn и 75% Sn; 50%Zn и 50% Sn; 75% Zn и 25% Sn и т.д.
Сама диаграмма может быть построена только экспериментально, хотя в настоящее время разработаны теоретические методы расчёта диаграмм по термодинамическим функциям с применение ЭВМ. Используя термический метод анализа, строят кривые охлаждения для обоих чистых компонентов системы и для возможно большего количества сплавов с различной концентрацией этих компонентов.
Рис.4. Кривые охлаждения чистых компонентов и некоторых сплавов
Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении сплавов этой системы из жидкого состояния.
Линия АСВ, представляющая собой множество точек начала кристаллизации сплавов, называется линией ликвидус. Линия ДСЕ соответствует температурам окончания кристаллизации всех сплавов (кроме чистых компонентов) и называется линией солидус.
Для начала рассмотрим, как происходит кристаллизация сплава, содержащего 9% Zn и 91% Sn. Как видно из диаграммы и кривой охлаждения этого сплава, он имеет одну критическую точку, т.е. кристаллизуется при постоянной температуре, подобно чистому металлу. Отсюда следует, что из жидкой фазы одновременно выделяются кристаллы обоих компонентов, т.е. олова и цинка. Подобное превращение называется, эвтектическим, а образующаяся в результате структура - эвтектикой или эвтектической смесью. Она действительно представляет собой смесь кристаллов олова и цинка, так как оба компонента в твёрдом состоянии практически нерастворимы друг в друге и не взаимодействуют химически. Это приводит к образованию самостоятельных кристаллов каждого компонента. Схематически это превращение можно записать следующим образом:
Где стрелками показано, что при нагревании превращение идёт в обратную сторону. Окончательная структура такого сплава схематично изображена на рис. 6б.
Рис.6. Схема микроструктур сплавов различной концентрации системы
В сплавах с концентрацией цинка менее 9% (такие сплавы называются доэвтектическими) кристаллизация начинается на линии АС. При этом из жидкости начинают выделяться избыточные кристаллы чистого олова, так как концентрация олова в этих сплавах превышает эвтектическую. Такое превращение записывается следующим образом:
На линии ДСЕ оставшаяся жидкость кристаллизуется при постоянной температуре в смесь (Sn + Zn) по той же реакции, как и в предыдущем доэвтектическом сплаве. Окончательная структура подобных сплавов -избыточные кристаллы олова и эвтектика (рис.ба).
В заэвтектических сплавах (более 9% цинка) кристаллизация начинается с выделения кристаллов избыточного цинка, а затем оставшаяся жидкость на линии ДСЕ при постоянной температуре превращения в эвтектику. Структура заэвтектических сплавов, таким образом, состоит из кристаллов цинка и эвтектики (рис.бв).
Что касается кристаллизации чистых компонентов, то она происходит, как и у других металлов при постоянной температуре - 232°С для олова и 419,5°С для цинка. В результате получаются однородные кристаллы соответствующего металла.
Диаграмма состояний сплавов олова и цинка представляет собой крупное научное обобщение, она избавляет от необходимости запоминания громадного цифрового материала - всех температур затвердевания и плавления многочисленных сплавов. Проведя вертикаль, отвечающую любому составу сплава , по точкам пересечения её с линиями диаграммы определяют температуру начала и конца затвердевания или плавления сплава. Кроме того, диаграмма содержит в себе большое количество другой не менее важной информации.
Контрольные вопросы к работе
1. На чём основан метод термического анализа металлов и сплавов?
2. В какой системе координат строят кривые охлаждения?
3. По каким признакам выделяются критические точки на кривых охлаждения?
4. Чем вызвано образование площадок на кривых охлаждения чистых сплавов?
5. Что представляют собой линии ликвидус и солидус на диаграммах состояния?
6. Что называют критическими точками?
7. Что представляет собой установка, для определения критических точек?
8. В каких координатах строят диаграмму состояния?
9. Каков порядок построения диаграмм?
10.Каковы температурные условия кристаллизации эвтектического, доэвтектического и заэвтектического сплавов?
Химический состав сплавов
Температуры критических точек, определённые по кривым охлаждения
Список литературы:
© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.013)
Одной из важнейших задач практического металловедения является построение и изучение диаграмм состояния.
Диаграммой состояния называется графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в зависимости от их концентрации и температуры. По этой диаграмме можно качественно судить о структуре сплавов, их физико-химических, физических, механических и технологических свойствах.
Для системы сплавов, состоящих из двух компонентов А и В, диаграмма состояния изображается в двух измерениях: по оси абсцисс откладывается концентрация компонентов, а по оси ординат — температура (рис, 1).
Диаграммы состояния строятся экспериментально путем нахождения критических точек чистых компонентов А и В и ряда их сплавов.
Критическими точками называются температуры, при которых происходит изменение фазового состояния сплавов или чистых компонентов. Линии диаграммы являются геометрическими местами критических точек, соответствующих аналогичным изменениям фазового состояния.
Определение критических точек производится с помощью ряда методов физико-химического анализа: термического, металлографического, дилатометрического, измерения электрических, магнитных свойств и т.д. Любой из этих методов основан на том, что изменение фазового состояния сплава сопровождается скачкообразным изменением его свойств.
Одним из наиболее простых и широко используемых методов является термический. Термический метод основан на том, что при изменении фазового состояния металла или сплава меняется его теплосодержание, так как фазовые превращения, согласно принципу Ле-Шателье, происходят либо с выделением, либо с поглощением тепла.
Для определения критических точек металла или сплава термическим методом производится построение кривых охлаждения (или нагрева) в координатах температура — время. Тепловой эффект фазового превращения сказывается на скорости изменения температуры системы, в результате чего на кривой охлаждения появляется точка перелома, соответствующая критической точке материала. Превращение может происходить как при постоянной температуре (тогда на кривой охлаждения имеется площадка), так и в интервале температур (тогда на кривой охлаждения имеются две точки перелома: точка начала и точка конца превращения).
Для объяснения вида кривых охлаждения и нагревания пользуются правилом фаз Гиббса. Правило фаз дает количественную связь между числом степеней свободы системы (С), количеством фаз (Ф) и компонентов (К) и выражается уравнением С = К — Ф + 2.
Если принять, что фазовые превращения происходят при постоянном давлении, то правило фаз принимает следующий вид: С = К-Ф+ 1. Если С = 0, то фазовое превращение происходит при постоянной температуре, а если С = 1, — в интервале температур. На рис. 2 представлена кривая охлаждения чистого металла. Участок 1 — 2 соответствует охлаждению жидкого металла (на рис. 2, Ж — жидкий металл, Кр — кристаллический, твердый металл). В точке 2 начинается процесс кристаллизации, т.е. переход из жидкого в твердое состояние. Изменение фазового состояния металла приводит к появлению на кривой охлаждения точки перелома. Решая уравнение правила фаз для кристаллизации чистого металла, получаем С = 0, т.е. процесс кристаллизации в чистом металле происходит при постоянной температуре.
В точке 3 кристаллизация заканчивается, металл полностью переходит в твердое состояние. На кривой охлаждения снова появляется точка перелома. Точкам перелома 2 и 3 на кривой охлаждения соответствует температура кристаллизации металла, являющаяся его критической точкой. На участке 3 — 4 происходит охлаждение затвердевшего металла.
Нель работы — ознакомиться с термическим методом построения диаграммы состояния системы свинец — сурьма и проанализировать эту диаграмму.
Термический метод построения диаграммы состояния системы свинец — сурьма
Для исследования даны чистые металлы Sb и РЬ и их сплавы следующего состава: 6% Sb и 94% РЬ; 13% Sb и 87% РЬ; 80% Sb и 20% РЬ.
Экспериментальная установка (рис. 3) состоит из тигельной печи сопротивления 1, в которую помещен тигель 3 с расплавом
исследуемого металла или сплава. В перегретый расплав погружена термопара 2, соединенная с гальванометром 4.
Приступая к работе, студент выключает печь из сети и в процессе охлаждения через каждые 30 с записывает показания гальванометра. По полученным данным строится кривая охлаждения в следующих координатах: по оси абсцисс — время в минутах, по оси ординат — соответствующие показания гальванометра отградуированные в градусах Цельсия. Критическим точкам сплава (или чистого металла) соответствуют точки перелома на кривой охлаждения. Критическая температура определяется точкой перегиба показаний гальванометра в градусах по градуировочным кривым. Полученные критические точки вносятся в сводную таблицу (табл. 1).
Читайте также: