ЛР №15. Визначення складу сплаву за кривою охолодження.

Теоретичні відомості.

Перехід металу з рідкого стану в тверде з утворенням кристалів називається кристалізацією. Особливістю переходу з рідкого стану в твердий являється те, що в чистих металах він протікає при постійних температурах, які залежать від природи металу і тиску.

Розташування атомів в рідині характеризується відсутністю далекого порядку, тобто відсутністю правильного розташування атомів, що періодично повторюється в трьох вимірах.

Внутрішня енергія неврегульованої рідини більше впорядкованої будови твердого тіла, тому при переході з одного стану в інше спостерігається виділення (чи поглинання) тепла.

Теплота, що виділяється під час переходу металу з рідкого стану в твердий, називається прихованою теплотою плавлення. Температура кристалізації визначається як температура, при якій вільні енергії рідкої і твердої фаз рівні. Зміна вільної енергії рідкого і твердого станів залежить від температури (рис.1).

Температура Тs називається рівноважною температурою кристалізації (плавлення). Процес кристалізації при цій температурі не відбувається, оскільки в цих умовах вільні енергії рідкого і твердого станів рівні.

Процес кристалізації починається, коли виникає різниця вільних енергій, яка утворюється внаслідок меншої вільної енергії твердого металу в порівнянні з рідким. Таким чином, для переходу металу з рідкого стану в тверде потрібне переохолодження нижче рівноважної температури кристалізації.

Для проведення термічного аналізу випробовуваний материал помещают в тигель і доводять до плавлення. Після цього метал повільно охолоджують з постійною швидкістю і через рівні проміжки часу заміряють його температуру. Для виміру високих значень температур зазвичай використовують термоелектричні пірометри. Термоелектричні пірометри складаються з термопари і реєструючого пристрою.

Термопара складається з двох провідників різних металів або сплавів і має ту властивість, що якщо з'єднати (зварити) одні кінці проввідників, а інші приєднати до гальванометра, то при нагріві спаю виникає електрорушійна сила, що викликає відхилення стрілки гальванометра. Величина електрорушійної сили залежить від матеріалу термопари і температури замкнених кінців кола. Результуюча ЕРС тим більше, чим більше різниця температур гарячого і холодного спаїв. При постійній температурі одного з кінців, виведених до вимірювального приладу (званого холодним спаєм), результуюча ЕРС визначається температурою другого кінця (гарячого спаю), який вводиться в розплавлений метал.

В якості термопар застосовують наступні поєднання металів: платинородій (10% Rh) - платина (ПП1); платинородій (30% Rh) - платинородій(ПР30/6), хромель-алюмель (ХА); хромель-копель(ХК).

Гарячий спай термопари, захищений від контакту з рідким металом, занурюється в метал з таким розрахунком, щоб спай знаходився в середині об'єму металу, що дозволяє характеризувати його дійсну температуру. Холодний спай термопари виводять до вимірювальних приладів. За показамии цих приладів - по окремих замірах температури через певні проміжки часу отримують графіки

Т=f(τ), в координатах температура - час (рис.2).

Сплав ця речовина, отримана сплавлянням двох або більше компонентів. Будова сплаву залежить від типу взаємодії компонентів. У металевих сплавах можливе одержання механічної суміші, хімічних сполук і твердих розчинів.

Діаграми стану сплаву будують експериментальним шляхом, які представляються в графічній формі і показують зміну складу залежно від вмісту компонентів і температури. Діаграми стану дозволяють визначити, яку структуру матимуть повільно охолоджені сплави, а також вирішити питання про те, чи можна змінити мікроструктуру в результаті термічної обробки сплаву.

Вид діаграми визначається характером взаємодії, які виникають між компонентами в рідкому і твердому станах.

Sn % Pb Pb

Рис.6. Інженерний варіант діаграми стану системи Sn - Pb:

1 − рідкий стан; 2 − рекомендована температура припою при змочуванні;

3 − ліквідус; 4 − кашкоподібний стан; 5 − солідус; 6 − евтектика (α + β);

7 − твердий розчин свинцю в олові (β); 8 − твердий розчин олова у

свинці (α); 9 − твердий сплав

Порядок виконання роботи.

5. Побудувати графік залежності температури від часу (криву охолодження).

6. Визначити температури фазових переходів.

7. Визначити склад сплаву та зробити висновки.

Порядок виконання роботи.

1. Встановлюємов піч зразок матеріалу і нагріваємо його вище температури плавлення.

2. Витягаємо лодочку з розплавленим матеріалом з зони робочої температури, розмішуємо розплав і занурюємо в нього термопару, захищену чохлом з нержавіючої сталі.

3. Знімаємо залежність температури матеріалу від часу при охолодженні, роблячи заміри температури щопівхвилини.

4. Дані заносимо до таблиці:

Рис.7.

Заносимо кімнатну температуру у мВ до комірки D2 і у стовпчику Е додаємо значення стопчика С до комірки D2.

Рис.8.

Перетворюємо значення мВ у стовпчику Е у значення температури в ^оС (стовпчик F).

Для створення формули Excel використовуємо наступні рівняння:

Рис.9

5. Будуємо графік залежності температури від часу.

Рис.10.

6. Визначаємо температури фазових переходів.

Визначаємо критичні точки Т₁ (~230 ^оС) і Т₂(~177 ^оС), порівнюємо з інженерною

діаграмою стану системи Sn – Pb і знаходимо вміст олова у припої (~45 %).