Московский государственный технический университет им.

Н.Э.Баумана

Калужский филиал

Е.В.Акулиничев, Л.А.Московских

Применение термического метода анализа для построения

диаграмм состояния сплавов.

Методическое пособие к лабораторным работам по курсу

«Материаловедение»

Под редакцией проф. Лебедева В.В.

Калуга 2003 г.

Аннотация. Методическое указание содержит:

• Основные представления о диаграммах состояния;

• Методику построения диаграмм состояния методом термического анализа;

Выполнение этой работы - важнейший этап при изучении курса

«Материаловедение».

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.

2. Экспериментально построить кривую охлаждения одного из сплавов

системы «олово-цинк». С этой целью в процессе охлаждения расплава в

тигле через каждые 30 секунд фиксировать его температуру по

показаниям милливольтметра. Результаты эксперимента оформить в

виде таблицы, а затем нанести на систему координат «температура-

время», графическую часть выполнять на миллиметровой бумаге.

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.

4. В системе координат «температура-концентрация сплавов» на

ординате, соответствующей заданному сплаву, отметить его

критические точки.

5. Используя результаты, полученные всей подгруппой, подобным же

образом обозначить критические точки для всех остальных

исследованных сплавов и обоих чистых компонентов системы.

6. Построить диаграмму состояния сплавов системы «олово-цинк»,

соединив плавными линиями точки начала кристаллизации всех сплавов

(линия «ликвидус») и точки конца кристаллизации (линия «солидус»).

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);

• диаграмму состояния «олово-цинк», построенную по данным всей

подгруппы на миллиметровой бумаге;

выводы, в которых должны быть отображены особенности

кристаллизации различных сплавов системы «олово-цинк», в качестве

примера нарисовать три кривые охлаждения разных сплавов, обозначив

на них соответствующие превращения.

Необходимые материалы, приборы и оборудование:

1. Электропечь.

2. Тигель с расплавом.

3. Термопара в чехле с проводами.

4. Милливольтметр.

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.

Термический метод заключается в непрерывном фиксировании

температуры металла или сплава при его охлаждении (нагревании) с

последующим построением кривых охлаждения (нагревания). Кривые

охлаждения изображаются в координатах «температура-время». Так как

фазовые превращения (например, кристаллизация) сопровождаются

тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения можно наблюдать

либо горизонтальные площадки - тогда превращения протекают при

постоянных температурах, либо точки перегиба за счёт изменения

скорости охлаждения - тогда превращения происходят в некотором

интервале температур.

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

жидкости:

а) Чистого металла.

б) Твёрдого раствора.

На приведённых кривых точки 1 показывают температуру начала

кристаллизации точки 2 - конец кристаллизации. Отсюда видно, что

чистый металл (кривая «а») кристаллизуется при постоянной

температуре, в то время как твёрдый раствор (кривая «б») - в интервале

температур. Образование площадок или точек перегиба вызвано

выделением некоторого количества тепла, (скрытая теплота

кристаллизации) которое компенсирует потерю тепла при охлаждении.

Величина теплового эффекта зависит от природы металла, а также от

условий кристаллизации, в частности, от массы и скорости его

охлаждения.

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.

Установка состоит из электропечи 1, в которую помещен тигель 2 с

исследуемым металлом или сплавом, термопары 3, термостата4,

соединительных проводов 5 и милливольтметра 6. Температура сплава

измеряется с помощью термоэлектрического пирометра, состоящего из

термопары и милливольтметра. «Горячий» спай термопары,

защищенный металлическим или фарфоровым чехлом, погружают в

изучаемый расплав, а «холодный» спай - в термостат с постоянной

температурой (0° С или 20 ° С). В этом случае показания прибора будут

пропорциональны температуре «горячего» спая.

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.

Если система однокомпонентная (например, чистый металл), то её

диаграмма состояния будет иметь одно измерение (шкала температур),

и соответствующие точки на вертикальной прямой покажут

равновесную температуру изменения агрегатного состояния. Если

в системе два компонента, то диаграмму строят в координатах

« температура - концентрация сплава» (рис.3.)

Рис.3. Система координат для диаграммы состояний сплавов «олово-

цинк».

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.

Так, например, в системе «олово - цинк» кривые охлаждения некоторых

сплавов имеют вид, представленный на рис.4.

Рис.4. Кривые охлаждения чистых компонентов и некоторых сплавов

системы «олово-цинк».

По кривым охлаждения для каждого сплава определяют его

критические точки. В рассматриваемой системе « олово-цинк» у

сплавов может быть не более двух критических точек, причём первая из

них соответствует началу кристаллизации, а вторая - концу

кристаллизации.

Далее в системе координат « температура - концентрация сплавов»

каждый из исследованных сплавов обозначают соответствующей ему

ординатой, на которую наносят критические точки данного сплава.

Соединив плавными линиями точки, соответствующие началу

кристаллизации всех сплавов, и точки конца кристаллизации всех

сплавов, получают геометрический образ диаграммы состояний

системы «олово - цинк». Наконец, в каждой из областей расставляют

присутствующие в них фазы. Диаграмма практически готова.

Окончательный вид диаграммы состояний системы «олово - цинк»

показан на рис.5.

Рис.5. Диаграмма состояний сплавов системы «олово - цинк».

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:

Ж↔(Sn + Zn),

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

«олово - цинк».

а) Доэвтектический.

б) Эвтектический.

в) Заэвтектический.

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?

Таблица 1.

Сводная таблица результатов определения критических точек

сплавов системы «олово - цинк»

№

сплавов

Химический состав

сплавов

Температуры критических

точек, определённые по кривым

охлаждения

Начало

кристаллизации, °С

Конец

кристаллизации, °С

1 100%Sn

2 95% Sn и 5%Zn

3 91% Sn и 9%Zn

4 80%Sn и 20%Zn

5 70%Sn и 30%Zn

6 60%Sn и 40%Zn

7 50%Sn и 50%Zn

8 40% Sn и 60%Zn

9 30%Sn и 70%Zn

10 20%Sn и 80%Zn

11 10% Sn и 90%Zn

12 100% Zn

Список литературы:

1. А.П.Гуляев. Металловедение. М., «Металлургия», 1986г.

2. Ю.М.Лахтин. Металловедение. М., «Металлургия»; 1990г.

3. Б.Н.Арзамасов. Металловедение. М., «МГТУ им. Н.Э.Баумана»,

2001г.

4. И.И.Сидорин. Основы материаловедения, М.,

«Машиностроение», 1986г.

Литература.

1. А.П.Гуляев. «Металловедение», М, «Металлургия», 1986 г, глава 3, с.

55-70.

2. Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г.Мухин. «Материаловедение»,

М., «МГТУ им. Н.Э.Баумана»,2001г, глава 2, с.47-57.

3. В.С.Золотаревский, «Механические свойства металлов»,

М., «Металлургия», 1983г, с.350.

4 Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева, «Материаловедение», М,«Машиностроение», 1990г.