Описание термического анализа

 

Изменения состояния металлов и сплавов, в том числе и фазовые превращения, процессы кристаллизации и плавления, сопровождаются изменением энтальпии (теплосодержания), а следовательно тепловым эффектами – выделением или поглощением тепла. Регистрация этих эффектов может быть осуществлена различными физическими методами, наибольшее распространение среди которых получил термический анализ. Он основан на измерении температуры нагреваемого или охлаждаемого металла или сплава, фиксируемой в функции времени.

Плавление и затвердевание относятся к числу фазовых превращений I рода и поэтому сопровождаются резким изменением энтальпии и, поэтому значительными тепловыми эффектами. Например, теплота кристаллизации железа составляет 272 кДж/кг, меди – 180 кДж/кг, алюминия –394 кДж/кг.

В условиях равномерного нагрева или охлаждения, когда изменение температуры тела пропорционально времени, изменение энтальпии, вызванное указанными превращениями, сопровождается нарушением этой пропорциональности t от τ. Поэтому о фазовых превращениях судят по точкам перегиба или горизонтальным площадкам на кривых нагрева (охлаждения). На рис. 4.1 приведены примеры кривых охлаждения для чистого металла А и сплавов системы А-В (I, II, III). Для кривых охлаждения чистых металлов и инвариантных превращений (в данной системе - эвтектического) характерно появление горизонтальных площадок, обусловленных интенсивным выделением скрытой теплоты этих превращений, что компенсирует непрерывное снижение температуры. Начало кристаллизации сплавов, доэвтектических или заэвтектических, выражено менее отчетливо, что соответствует точке перегиба на кривой охлаждения (рис. 4.1, кривая II). Построив по экспериментальным данным кривые охлаждения сплавов различных составов системы можно определить критические температуры начала и завершения процесса кристаллизации, других фазовых превращений. По полученным значениям температур можно построить диаграмму состояния выбранной системы.

Для этого необходимо сделать навески сплавов одной системы, но различных составов, а также чистых металлов весом не менее 150 – 200г каждая. Чем больше подобрано составов, тем точнее удается построить диаграмму. Каждую навеску сплава 5 помещают в фарфоровый или кварцевый тигель 3, который помещают в электропечь I (рис. 4.2). Сплав расплавляют, нагревая несколько выше точки плавления. После полного расплавления жидкий сплав перемешивают фарфоровой или графитовой палочкой и устанавливают в него термопару 6, защищенную чехлом, или кварцевой трубочкой 4. Термопару подключают к милливольтметру 8. После этого тигель закрывают асбестом 7 и печь выключают для охлаждения сплава. С момента начала охлаждения записывают показания милливольтметра через каждые 30 – 60 с вплоть до завершения процесса кристаллизации и охлаждения в течение 2 – 3 мин уже полностью затвердевшего сплава. Результаты записи оформляют графически в виде кривых в координатах температура-время. По кривым охлаждения определяют характерные точки начала и конца кристаллизации.

 

Порядок выполнения работы

 

4.3.1 Для построения диаграммы берут навески чистых металлов Sn и Zn, а также сплавов: доэвтектического (5 % Zn и 95 % Sn), эвтектического (9 % Zn и 91 % Sn) и заэвтектического (20 % Zn и 80 % Sn) составов. В целях экономии времени указанные металлы и сплавы заранее отвешиваются (по 150-200г) и помещаются в тигли.

 

 

Рисунок 4.1 – Диаграмма состояния (а) и кривые охлаждения чистого металла – І, и ряда сплавов на его основе ІІ, ІІІ (б)

 

 

Рисунок 4.2 – Схема установки термического анализа: 1 – электропечь; 2- электронагреватель; 3 – тигель; 4 – кварцевая пробирка; 5 – кристаллизующийся сплав; 6 – термопара; 7 – крышка печи; 8 - милливольтметр

4.3.2 Тигли помещают в электропечь, где сплавы и чистые металлы нагревают до полного расплавления. Расплавы перемешивают.

4.3.3 В расплавы помещают термопары, тигли прикрывают асбестом, печи выключают.

4.3.4 Студенты записывают показания милливольтметра через каждые 30 с. до завершения кристаллизации и охлаждения сплавов.

4.3.5 По полученным данным строятся кривые охлаждения и определяются точки начала и конца кристаллизации, которые заносят в таблицу 4.1.

4.3.6 По результатам определения температур начала и конца кристаллизации строят диаграмму состояния Sn – Zn.

4.3.7 Изучается и зарисовывается микроструктура сплавов: доэвтектического (5 % Zn и 95 % Sn), эвтектического (9 % Zn и 91 % Sn) и заэвтектического (20 % Zn и 80 % Sn) составов.

 

Таблица 4.1 - Результаты определения критических температур сплавов системы Sn – Zn.

 

Содержание элементов, мас.%	Температура кристаллизации, ºС	Микро- структура
Zn	Sn	начала	конца

Содержание отчета

 

Ø Наименование и цель работы.

Ø Описание термического анализа.

Ø Принципиальная схема установки.

Ø Таблицы результатов измерений температуры во времени.

Ø Кривая охлаждения данного сплава.

Ø Результаты определения критических точек начала и конца кристаллизации чистых металлов и всех полученных сплавов в виде таблицы.

Ø Построенная диаграмма состояния Sn – Zn.

Ø Зарисовки микроструктур.

Ø Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Почему фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами?

2. Какие фазовые превращения относятся к превращениям I рода?

3. Как изменение энтальпии связано с температурой металла или сплава?

4. По каким признакам оцениваются тепловые эффекты в термическом анализе?

5. На каком физическом явлении основана работа термопары?

6. В чем сущность термического анализа?

7. Что такое кривая охлаждения (нагрева), в каких координатах она изображается?

8. Для каких превращений характерны горизонтальные площадки и точки перегиба на кривых охлаждения?

9. Какова методика построения диаграммы состояния по критическим точкам, полученным термическим методом?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5