МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
 |
У Т В Е Р Ж Д А Ю
Зав. кафедрой ФЭУ, проф., д.ф.-м.н.
В.И.Бойко
«»2012г.
ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВИНЦОВО-ОЛОВЯННЫХ СПЛАВОВ И ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫСОСТОЯНИЯ
методические указания по выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления 140800 "Ядерные физика и технологии"
Цель работы
Ознакомиться с методиками проведения термического анализа сплавов и экспериментального построения диаграмм состояния.
Задание
1. Произвести термический анализ свинцово-оловянных сплавов с различным соотношением компонентов.
2. Определить значения критических температур для каждого исследуемого сплава.
3. Построить диаграмму состояния для свинцово-оловянных сплавов.
4. Изучить правила фаз и правило отрезков.
Оборудование
Для проведения опытов по проведению термического анализа используется муфельная печь (электропечь сопротивления камерная лабораторная СНОЛ 6/11-В), предназначенная для термообработки изделий, не выделяющих агрессивных компонентов, в воздушной среде до температуры 11500С, термометр.
Устройство и принцип работы печи
Электропечь (рис.1) состоит из металлического корпуса 1, в верхней части которой расположена нагревательная камера, в нижней части – блок управления. В блоке смонтирована пусковая и регулирующая аппаратура.
Рабочее пространство электропечи образовано керамическим муфелем с вмонтированным в него спиральными нагревателями из железохромалюминиевой проволоки. Нагреватели расположены на боковых стенках и своде печи.
Футеровка печи включает в себя два слоя: огнеупорный и теплоизоляционный из легких и сверхлегких материалов на основе шамотно-волокнистых плит и базальтового волокна. Электропечь загружается через проем, закрываемый дверцей 2. Садка устанавливается на керамическую подставку.
На лицевой панели размещены регулятор температуры 3 и выключатель клавишный с подсветкой 4. В нагревательной камере на задней стенке расположена термопара.
Для удаления продуктов сгорания из рабочей камеры печи предусмотрено вытяжное устройство 5.
В электрической схеме печи предусмотрен предохранитель для защиты силовых цепей от короткого замыкания, симисторный контактор и магнитный пускатель в качестве исполнительного устройства, регулятор температуры для проведения технологического режима нагрева.[1,2].
Рисунок 1. Муфельная печь
Диаграммы состояния и кристаллизация металлических сплавов.
Диаграммы состояния показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Однако истинное равновесие достигается редко, наиболее часто системы находятся в метастабильном состоянии (неустойчивом), и под воздействием внешних факторов могут переходить в другие более устойчивые состояния.
Правило фаз
Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное состояние сплавов, то есть после того как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние зависит от внешних условий (Т0 С; Р, МПа) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением
С = К - Ф + 2,
где С - число степеней свободы системы (или вариантность);
К - число компонентов, образующих систему;
2 - число внешних факторов (Т и Р);
Ф - число фаз, находящихся в равновесии.
Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
При нормальных условиях изменяется только один фактор -Т0С, Р =const, тогда:
С=К - Ф + 1.
Число степеней свободы не может быть меньше нуля, тогда К-Ф+1>0, а Ф<К+1, то есть число фаз в сплаве, не может быть больше чем число компонентов плюс единица. Таким образом, в двойной системе может быть не более трёх фаз.
При С = 0 - существует в равновесии сразу три фазы - имеется нонвариантное равновесие (безвариантное). При таком равновесии сплав может существовать только при условии - постоянная температура и определённый состав всех фаз, находящихся в равновесии. То есть кристаллизация (или превращение) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Если С =1 или 2, то кристаллизация или превращение протекает с течением времени в интервале температур.
Процесс кристаллизации сплавов
В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяется друг в друге, образуя однородный раствор.
Кристаллизация в сплаве начинается только при переохлаждении, с образованием зародышей и их последующего роста.
Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерофазные (по плотности) флуктуации, но и флуктуации концентрации (рис.2).
 |
Рисунок 2.
Флуктуациями концентрации называют временно возникающие отклонения химического состава сплава в отдельных малых объёмах жидкого раствора от среднего его состава. Такие флуктуации возникают вследствие диффузионного перемещения атомов вещества.[3,5]