Для определения высоких температур служат пирометры, действие которых может быть основано на различных принципах. Чаще используются термопары, принцип действия которых основан на свойстве разнородных электрических проводников (металлов или сплавов) создавать в замкнутой цепи электродвижущую силу при нагреве места их спая выше комнатной температуры, если другие концы проводников имеют постоянную (обычно комнатную) температуру.
Величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) зависит от материала проводников и температуры горячего спая.
Для легкоплавких металлов используется термопара из сплавов железа с хромом и алюминием (хромель-алюмель). Спай двух проводников из разного состава, изолированный фарфоровым или кварцевым колпачком, помещается в расплавленный металл, вторые концы проводов термопары соединены с гальванометром. По показанию гальванометра можно судить о температуре сплава (рис.2. 7).
Рис.2.7. Экспериментальная установка для термического анализа сплавов:
1 – корпус печи; 2 – жидкий сплав; 3 – крышка; 4 – фарфоровая трубка;
5 – горячий спай термопары; 6 – холодные спаи термопары; 7 – гальванометр
Для оценки характера поведения сплавов при нагреве и охлаждении служат диаграммы состояния сплавов различных систем.
Диаграмма состояния сплава – это график, построенный в координатах температура – состав сплава, отображающий состояние сплава в зависимости от температуры.
Диаграммы состояния строятся по критическим точкам, полученным из кривых охлаждения исходных металлов и нескольких сплавов данной системы. Для этого температурные значения критических точек наносятся на координатную сетку диаграммы состояния: t °С (ордината) – % элемента в сплаве (абсцисса).
Соединяя нанесенные на сетку диаграммы точки начала кристаллизации сплавов, получают линию, которая называется ликвидус.
Ликвидус –геометрическое место температур начала кристаллизации всех сплавов данной системы.
Соединение точек конца кристаллизации дает линию, называемую линией солидус
Солидус – геометрическое место температур конца кристаллизации сплавов.
На рисунке 1.3 приведена диаграмма состояния сплавов системы свинец – сурьма (Pb – Sb).
После нанесения критических точек на соответствующие исследуемым сплавам вертикали и построения линий ликвидус и солидус получаем диаграмму состояния сплавов системы Pb – Sb.
Анализируя ее, можно убедиться, что один из сплавов (13% Sb,
87 % Pb) в отличие от других сплавов, имеет не две, а одну критическую точку, т.е. постоянную температуру кристаллизации (t = 246 °С) и подобно чистым металлам затвердевает при постоянной температуре. Такой сплав является эвтектическим, структура этого сплава после охлаждения называется эвтектикой и представляет собой тонкую смесь кристаллов двух фаз (свинца и сурьмы), одновременно выделившихся при постоянной температуре (246 °С) из одной жидкой фазы.
Сплавы, имеющие меньше 13% Sb, называются доэвтектическими. В этих сплавах при кристаллизации выделяются сначала кристаллы Pb, а оставшийся жидкий сплав, обедняющийся свинцом с понижением температуры по линии ликвидус до 87%, затвердевает при t = 246°С, образуя эвтектику. После кристаллизации доэвтектические сплавы имеют структуру: кристаллы Pb + эвтектика (кр. Pb + кр.Sb).
Сплавы, имеющие сурьмы более 13 %, называются заэвтектическими. При кристаллизации этих сплавов сначала выделяется кристаллы сурьмы (Sb), а оставшаяся жидкая часть, достигнув эвтектического состава (13 % Sb + 87 % Pb) при t = 246 °С, затвердевает, образуя эвтектику.
При нагревании сплавов превращения будут происходить в обратном порядке, а именно: до температуры линии солидуса (246 °С) никаких превращений в сплавах не наблюдается; на линии солидус эвтектический сплав (13% Sb + 87% Pb) перейдет полностью в жидкое расплавленное состояние при постоянной температуре 246 °С. В доэвтектических сплавах при температуре, соответствующей линии солидус (246 °С), расплавится только эвтектика и при дальнейшем повышении температуры до линии ликвидус постепенно расплавятся кристаллы свинца. В заэвтектических сплавах процесс пойдет в такой же последовательности, как и в доэвтектических, с той лишь разницей, что после расплавления эвтектики при температуре 246 °С будут расплавляться кристаллы сурьмы Sb.
Полное расплавление сплавов различного состава произойдет при температурах, соответствующих температурам линии ликвидус.
Вид кривых охлаждения компонентов сплавов свинца и сурьмы, доэвтектических и заэвтектических сплавов приведен на рис.1.3.
Под диаграммой состояния сплавов строится структурный треугольник (рис.1.3, б), по которому можно определить количество эвтектики и избыточных компонентов (сурьмы или свинца) в процентах для любого сплава этой системы.
Для построения структурного треугольника отрезок а 3 b 3 на линии, проходящей через эвтектический сплав III принимается за сто процентов эвтектики. Количество эвтектики в точках а и к равно 0. Следовательно, можно соединить точки a и b 3, а также b 3 и к.
Количество эвтектики и избыточного компонента в любом сплаве можно оценить по построенному структурному треугольнику (аb3к), опустив перпендикуляр из точки, соответствующей составу заданного сплава. Так сплав IV после затвердевания состоит из Х % эвтектики и (100 – Х) % кристаллов Sb. Зная размер отрезков a 3 b 3 и a4b4 в мм, определяем количество эвтектики в сплаве IV:
а 3 b 3 соответствует 100% эвтектики (Э);
a 4 b 4 соответствует X% эвтектики (Э).
| a4b4 ·100 |
| Кр. Sb =100 - Э, % |
| а3b3 |
Состав и количество жидкой и твердой части сплавов между линиями ликвидус и солидус являются переменными в зависимости от температуры, с понижением которой количество твердой части увеличивается, жидкой – уменьшается. Жидкая часть меняет свой состав в соответствии с характером изменения линии ликвидус. Твердая часть в диаграммах подобного типа при любой температуре имеет постоянный состав (100% Sb или 100% Pb).
Для определения химического состава жидкой и твердой части производятся следующие построения (рис.1.3, V):
через точку заданной температуры l проводится горизонтальная прямая до пересечения ее с линиями, ограничивающими исследуемую область (точки n и m). Проекции этих точек на линию состава покажут химический состав жидкой и твердой части сплава (соответственно точки m 1 и n 1): жидкая фаза содержит m 1 % Sb и (100 - m 1) % Pb. Твердая фаза соответствует точке n 1,т.е. 100 % Sb.
Для определения количества жидкой (Qж) и твердой фазы (Qтв) для заданного сплава при конкретной температуре используют правило отрезков: необходимо из точки заданного процентного состава сплава восстановить перпендикуляр до пересечения с горизонтальной линией mn, проведенной через точку заданной температуры.
Отрезки этой линии ml и nl обратно пропорциональны количествам фаз Qтв и Qж, т.е.:
На рис.2.8 приведена микроструктура свинца (а), сурьмы (д), доэвтектического (б), эвтектического (в) и заэвтектического сплавов (г):
· структура чистых металлов свинца и сурьмы имеет крупнокристаллическое строение с резко выраженными границами зерен;
· структура эвтектического сплава состоит из одной эвтектики, представляющей собой мелкодисперсную смесь кристаллов свинца и сурьмы;
· структура доэвтектического сплава представляет собой избыточные кристаллы свинца плюс эвтектика;
Рис.1.4. Микроструктуры компонентов сплавов системы Pb – Sb (х200):
a – чистый Pb; б – доэвтектический сплав; в – эвтектический сплав; г – заэвтектический сплав; д – чистый Sb
Лекция 3.Пластическая деформация металла, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла - 1час Механические свойства металлов и сплавов - 1 час
Упругая и пластическая деформация. Наклеп. Рекристаллизация.
Свойства металлов и сплавов. Стандартные механические свойства материалов (прочность, пластичность), определяемые при одноосном растяжении и при динамических испытаниях (ударная вязкость). Твердость металлов и сплавов. Свойства сплавов, определяющие долговечность изделия (износостойкость, сопротивление усталости, контактная выносливость, конструкционная прочность).