Программа для чтения pdfфайлов. Загл с этикетки диска
 Скачать 5.98 Mb.
|
|
16 Градуировочную кривую строят по известным температурам кристаллизации чистых металлов и соответствующим им значениям электродвижущей силы (ЭДС), которые определяются по экспериментальным кривым охлаждения. По результатам построения градуировочной кривой устанавливают зависимость между ЭДС в мВ и температурой в 0 С (рисунок 1.11), проводя, тем самым, градуировку термопар. Рисунок 1.11 – Градуировочная кривая термопары Применяемое лабораторное оборудование В данной работе для проведения термического анализа чистых металлов мы используем следующее оборудование: 17 Малая муфельная печь (рисунок 1.12); Рисунок 1.12 – Малая муфельная печь Тигель с исследуемым металлом; Тигель – емкость для нагрева из огнеупорного материала цилиндрической формы (рисунок 1.13). Рисунок 1.13 – Тигель огнеупорный Термоэлектрический пирометр. Термоэлектрический пирометр состоит из термопары (рисунок 1.14) и регистрирующего устройства – милливольтметра. Термопара представляет собой две проволочки из разных металлов и сплавов и обладает таким свойством, что если одни концы проволок 18 соединить (сварить), а другие концы подсоединить к милливольтметру, то при нагреве спая возникает электродвижущая сила (ЭДС), вызывающая отклонения стрелки милливольтметра. Величина ЭДС изменяется в зависимости от состава материала термопары и от температуры замкнутых концов цепи. Чем больше разность температур горячего и холодного спая, тем больше результирующая ЭДС. Один конец термопары, имеющий постоянную температуру, выводится к измерительному прибору и называется холодным спаем, а температурой второго конца, который называется горячим спаем и вводится в расплавленный металл, определяется результирующая ЭДС. Рисунок 1.14 – Хромель-алюмелевая термопара В качестве термопары применяют следующие сочетания металлов: платинородий (10% Rh) - платина (ПП1); платинородий (30% Rh) - платинородий (6% Rh) (ДР30/6), хромель-алюмель (ХА); хромель-копель (ХК). Таблица 1.2 – Химический состав сплавов для термопар Хромель Алюмель Константан Платинородий Ni - 89,0 % Cr - 9,8 % Fe - 1,0 % Mn - 0,2 % Ni - 94 % Al - 2 % Si - 1,0 % Fe - 0,5 % Ni - 40 % Cu - 59 % Mn - 1 % Pt - 90 % Rh - 10 % 19 Mn - 2,5 % Таблица 1.3 – Области применения различных термопар Термопара Температурный предел, 0 С Медь-константан Серебро-константан Железо-константан Хромель-алюмель Платина-платинородий 400 600 650 900 1600 Горячий спай термопары, защищен огнеупорным колпачком от контакта с жидким металлом. Он опускается в металл с таким расчетом, чтобы спай находился в середине объема металла, что позволяет характеризовать его действительную температуру. Холодный спай термопары выводится к милливольтметру (рисунок 1.15). Рисунок 1.15 – Милливольтметр Милливольтметр — вольтметр для измерения малых напряжений. Цель лабораторной работы Проведение термического анализа чистых металлов: олова (Sn), свинца (Pb), цинка (Zn), построение градуировочной кривой применяемой термопары. 20 Задание 1. Провести термический анализ чистых металлов: олова(Sn), свинца(Pb), цинка(Zn) 2. Построить кривые охлаждения для чистых металлов. 3. По кривым охлаждения определить значения ЭДС, характеризующие температуры кристаллизации чистых металлов. 4. Построить градуировочную кривую для хромель-алюмелевых термопар. Методика проведения лабораторной работы В лабораторной работе используются чистые металлы: олово, свинец, цинк. 1. Тигель с металлом установить в малую муфельную печь и нагревать выше температуры плавления исследуемого металла; 2. В расплавленный металл опустить термопару, защищенную огнеупорным колпачком; 3. Малую муфельную печь выключить. Металлы охлаждать вместе с печью; 4. С момента начала охлаждения, показания милливольтметра через каждые 30 секунд записывать в табличной форме, согласно таблице 1.4. Порядок оформления отчета В отчете приводятся: 1. Цель работы и задания по ее выполнению; 2. Краткие сведения по теории кристаллизации чистых металлов; 3. Результаты измерения ЭДС для всех исследуемых металлов в табличной форме (таблица 1.4); 21 4. Кривые охлаждения в координатах: ЭДС – время, выполненные на миллиметровой бумаге; 5. Таблица со значениями ЭДС кристаллизации исследуемых металлов (таблица 1.5); 6. График - градуировочная кривая для хромель-алюмелевой термопары, выполненная на миллиметровой бумаге. Таблица 1.4. – Результаты измерения ЭДС Номер опыта Показания милливольтметра мВ Примечания 1 …. n Таблица 1.5. – Значения ЭДС кристаллизации Металл Температура плавления, 0 С ЭДС кристаллизации мВ олово 232 свинец 327 цинк 419 22 Контрольные вопросы 1. Чистые материалы, применяемые в работе: основные химические характеристики. 2. Принцип работы термопары. Конструкция, применяемые материалы. 3. Суть термического анализа чистых металлов. 4. Условия кристаллизации из расплава чистых металлов. 5. Определение «теоретической температуры кристаллизации». Чем она отличается от фактической температуры кристаллизации. 6. Объяснить термин «степень переохлаждения». 7. Методика проведения термического анализа. 8. Методика построения градуировочного графика термопары. 9. Влияние скорости охлаждения на степень переохлаждения. 10. Центры кристаллизации и скорость роста кристаллов. 11. Оборудование проведения термического анализа. 12. Порядок проведения работы. 23 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВИНЦОВО-СУРЬМЯНИСТЫХ СПЛАВОВ И ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» Вследствие того, что чистые металлы обладают в основном низкой прочностью и невысокими технологическими свойствами, в технике, главным образом, применяют сплавы. Сплавы представляют собой сложные вещества, полученные путем сплавления двух или более компонентов. В качестве компонентов в металлических сплавах используют не только металлы, но и неметаллы. Состояние сплава характеризуется числом и типом образующихся в нем фаз. Тип фаз в сплавах зависит от физико-химического взаимодействия компонентов, входящих в этот сплав. Свойства сплава определяются фазовым составом и структурой, которые, в свою очередь, зависят от состава и технологии обработки сплава. В сплавах возможно образование следующих видов фаз: жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения. В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- или многофазными. В жидком состоянии компоненты сплавов неограниченно растворяются друг в друге, тем самым образуя жидкие растворы. В твердом же состоянии компоненты могут образовывать: 1) механические смеси; 2) химические соединения; 3) твердые растворы. Механическая смесь представляет собой смесь двух компонентов А и Б, которые способны растворяться друг в друге в жидком состоянии, не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения [2]. По структуре такая смесь представляет собой неоднородное тело и состоит из кристаллов двух 24 разных компонентов А и B, каждый из которых имеет свою кристаллическую решетку. Пример микроструктуры механической смеси приведен на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 – Схема микроструктуры механической смеси Химическое соединение представляет собой однородное твердое тело, в котором атомы входящих в него компонентов А и В, взаимодействуя друг с другом, образуют новую кристаллическую решетку отличную от кристаллических решеток обоих компонентов (рисунок 2.2). Рисунок 2.2 – Схема кристаллической решетки соединения NaCl 25 Химическое соединение характеризуется определенным соотношением компонентов и может быть выражено в виде формулы А n В m При образовании химического соединения типа металл-металл возникает металлическая связь, а при образовании соединения типа металл- неметалл – ионная связь. Твердый раствор – это фаза, в которой сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов (растворителя А), а атомы второго компонента (растворенного В), утратив свою кристаллическую решетку, располагаются в решетке растворителя. Пример микроструктуры твердого раствора приведен на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 – Схема микроструктуры твердого раствора В отличие от механической смеси твердый раствор по структуре состоит из одного вида кристаллов и имеет одну кристаллическую решетку, то есть представляет собой однофазный раствор. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций [2]. В зависимости от характера расположения атомов растворенного компонента в кристаллической решетке растворителя различают два основных типа твердых растворов (рисунок 2.4): 26 твердые растворы замещения; твердые раствора внедрения. Твердый раствор замещения образуется путем частичного замещения атомов растворителя А атомами растворенного компонента В в кристаллической решетке основного металла (рисунок 2.4, б). Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атомов растворенного компонента В между атомами растворителя А (рисунок 2.4, в). Рисунок 2.4 – Кристаллическая решетка ОЦК: а – чистый металл; б – твердый раствор замещения; в – твердый раствор внедрения Сплав системы Pb-Sb представляет собой сплав типа «механическая смесь». Особенность кристаллизации сплавов типа механические смеси рассмотрим на примере трех сплавов системы Pb-Sb, имеющих следующий состав: 1. 5%Sb и 95%Pb 2. 13%Sb и 87%Pb 3. 30%Sb и 70%Рb На рисунках 2.5, 2.6, 2.7 представлены кривые охлаждения этих сплавов. Кривая охлаждения первого сплава, в состав которого входит 5% Sb и 95% Pb, имеет четыре участка (рисунок 2.5): 1 участок - охлаждение сплава в жидком состоянии (Ж); 27 2участок - кристаллизация избыточного компонента(Pb) в интервале температур– T1÷T2 (Ж+Pb); 3 участок - одновременная кристаллизация Pb и Sb при постоянной температуре T 2 (Ж→Pb+Sb); 4 участок - охлаждение сплава в твердом состоянии (Pb+(Pb+Sb)). Рисунок 2.5 - Кривая охлаждения доэвтектического сплавас концентрацией компонетов 5% Sb и 95% Pb Процесс кристаллизации сплава, состоящего из 5% Sb и 95% Pb, начинается при температуре T 1 (верхняя критическая температура) и протекает при изменяющейся температуре до температуры T 2 (нижняя критическая температура). В интервале верхней и нижней критических температур T1÷T2 из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы избыточного компонента (Рb). Когда из жидкости выделяются кристаллы свинца (Pb), его концентрация в жидкой фазеуменьшается, а концентрация сурьмы (Sb) в жидкой фазе соответственноувеличивается. В процессе кристаллизации 28 концентрация компонентов Pb и Sb в жидкой фазе изменяется и стремится к такой концентрации (13% Sb и 87% Pb), при которой оба компонента кристаллизуются из жидкости одновременно при постоянной температуре. Во втором сплаве, состоящем из 13 % Sb и 87 % Pb, из жидкой фазы одновременно кристаллизуются оба компонента (рисунок 2.6), в результате чего образуется однородная механическая смесь. Структура, состоящая из двух или более твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой. Риcунок 2.6 – Кривая охлаждения эвтектического сплава с концентрацией компонентов 13%Sb и 87%Pb В третьем сплаве, имеющем в составе 30% Sb и 70% Pb, процесс кристаллизации начинается при температуре T 1 . Из жидкости начинают выделяться кристаллы компонента, который находится в избытке относительно эвтектической концентрации, то есть сурьмы (Sb)(рисунок 29 2.7). Если из жидкой фазы выделяются кристаллы сурьмы (Sb), то в процессе кристаллизации она обогащается свинцом (Pb). Когда концентрация компонентов Pb и Sb в жидкости достигнет эвтектической концентрации (т.е. 13% Sb и 87% Pb), то начнется одновременная кристаллизация обоих компонентов при постоянной температуре T 2 Рисунок 2.7 – Кривая охлаждения заэвтектического сплава с концентрацией компонентов 30%Sb и 70%Рb Кривые охлаждения показывают, что все сплавы системы Pb -Sb окончательно затвердевают при постоянной температуре - T 2 . Это дает основание считать, что затвердевшая при постоянной температуре - T 2 часть жидкого сплава имеет постоянный состав. Такому составу соответствует сплав, содержащий 13 %Sbи 87 % Pb. Для сплавов типа механические смеси температура конца кристаллизации не зависит от концентрации сплава, она постоянна для всех сплавов. Температура начала кристаллизации изменяется в зависимости от концентрации компонентов в сплаве. 30 Диаграмма состояния – это графическое изображение структурно- фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Под фазой понимают однородную часть неоднородной системы, отделенную от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачком [2]. Под структурой понимают размеры, форму и взаимное расположение фаз в сплаве [5]. Таким образом, однородная жидкость – это однофазная система, а механическая смесь – это двухфазная система, так как состоит из двух видов кристаллов, отделенных один от другого поверхностью раздела и отличающихся друг от друга по составу или строению. Компоненты – это вещества, образующие систему. Чистый металл – это однокомпонентная система, а сплав двух металлов – это двухкомпонентная система. Химические соединения могут рассматриваться в виде компонентов только в том случае, если не диссоциируют на составляющие в исследуемых интервалах температур. Диаграмму состояния строят с помощью кривых охлаждения сплавов исследуемой системы, полученных в результате термического анализа. Точки остановки или перегиба на этих кривых называются критическими точками и соответствуют температурам, при которых в сплавах начинают протекать или заканчиваются какие-либо фазовые превращения [3]. Точкой ликвидус называется точка, соответствующая началу процесса кристаллизации, а линия, объединяющая геометрическое место точек начала кристаллизации называется линией ликвидус. Точкой солидус называется точка, соответствующая концу процесса кристаллизации, а линия, объединяющая геометрическое место точек конца кристаллизации называется линией солидус. 31 Правило фаз Диаграмма состояния дает представление о процессах кристаллизации сплавов, показывает области существования сплавов в жидком и твердом состояниях и интервал кристаллизации, позволяет определять равновесный состав жидкой и твердой фаз на любой стадии кристаллизации [6]. Процесс кристаллизации подчиняется закону Гиббса или правилу фаз, которое дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов. Другими словами правило фаз – это математическое выражение условия равновесия системы. Число степеней свободы (вариантность) системы – это число внешних и внутренних факторов, которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. В качестве внешних факторов, которые влияют на состояние сплава, выступают давление и температура, однако при применении правила фаз к металлам, обычно считают, что все превращения в них происходят при неизменном давлении. Для таких условий правило фаз выражается следующим уравнением 2.1: С=k f +1 (2.1) где: С - число степеней свободы системы; k - число компонентов; f - число фаз. Число степеней свободы не может быть дробным числом и не может быть меньше нуля, следовательно, k f + 1 ≥ 0, f ≤ k = 1. Таким образом, число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии, не может быть больше, чем число компонентов, плюс единица [1]. 32 Описание диаграмм состояния для различных систем Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода) (рисунок 2.8). Компоненты данной системы: вещества А и В (k=2). Согласно определению механической смеси в жидком состоянии оба компонента неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений. Фазы данной системы: жидкость (Ж), кристаллы А и кристаллы В (максимальное значение f=3). Рисунок 2.8 – Диаграмма состояния I рода Линия ACB – линия ликвидус, линия DCE – линия солидус. При охлаждении на линии AC начинают выделяться кристаллы компонента A, а 33 на линии CB – кристаллы компонента B.На линии DCE из жидкой фазы с концентрацией C одновременно выделяются кристаллы обоих компонентов A и B. Зная правило отрезков и правило фаз можно проследить за процессом кристаллизации сплавов с разной концентраций компонентов. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (II рода) (рисунок 2.9). Компоненты данной системы: А и В (k=2). В данной системе оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях, но не образуют химических соединений [2]. Фазы данной системы: жидкий раствор (Ж), твердый раствор (α) (максимальное значение f=2). Рисунок 2.9 – Диаграмма состояния II рода В случае, когда два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, возможно существование только двух фаз – жидкого |