3450 МАТЕРІАЛОВЕДЕННЯ - Сторінка 3

Лабораторна робота №10

Дослідження процесу кристалізації металів на основі побудови кривих охолодження та діаграм стану сплавів

Ознайомитись з методикою термічного аналізу металів та сплавів на основі побудови кривих охолодження та діаграм стану сплавів.

Короткі теоретичні відомості

Перехід металу з рідкого стану в кристалічний називається кристалізацією.

Процес кристалізації, як уперше встановив Д.К.Чернов, починається з утворення кристалічних зародків (центрів кристалізації) і продовжується в процесі зростання їх числа та розмірів. Поки кристали, що утворилися, ростуть вільно, вони мають більш-менш правильну геометричну форму. Однак при зіткненні кристалів, що ростуть, їх правильна форма порушується, тому що в цих областях зростання граней припиняється. Зростання триває тільки в тих напрямках, де є вільний доступ «живильної» рідини. Зростаючі кристали, що мали спочатку геометрично правильну форму, після затвердіння набувають неправильної зовнішньої форми і називаються кристаллітами або зернами.

Явища, які у процесі кристалізації, складні і різноманітні. Однією з методів вивчення кристалізації є термічний метод, у якому визначають критичні точки, тобто. ті температури, за яких у металах і сплавах відбуваються фазові перетворення. За даними теоретичного аналізу будують криві нагріву та охолодження, що є основою для побудови діаграм стану сплавів.

Процес утворення твердої кристалічної фази рідкого сплаву називається первинної кристалізацією. Тверда кристалічна фаза характеризується певним закономірнимрозташуванням атомів у просторі — просторовими кристалічними ґратами.

Багато чистих металів і сплавів при різних температурах нижче температури плавлення можуть мати два або більш стійкі типи кристалічних решіток. Це називається алотропією чи поліморфізмом. Перекристалізація в твердому стані при нагріванні або охолодженні називається вторинною кристалізацією. Процес фазового переходу, при якому відбувається зміна типу кристалічних ґрат, називається алотропічним перетворенням. Температури початку та кінця фазових перетворень називаються критичними, а відповідні їм точки на кривих охолодження - критичними точками. Так, наприклад, для чистого заліза характерні алотропічні форми (які зазвичай позначаються початковими літерами грецького алфавіту) і відповідні їм види кристалічних решіток, показані на рис. 1:

-до 911 ° С - об'ємоцентровані грати (Fea);

-911 ° С-1392 ° С - гранецентровані грати (Feg);

-1392 ° С-1539 ° С - об'ємоцентровані грати (Fed).

При температурі 768° З зміни виду кристалічних ґрат не відбувається, проте змінюються магнітні властивості заліза. Ця критична точка відповідає точці Кюрі. Зміна у будові ґрат завжди супроводжується зміною властивостей: Fea майже не розчиняє вуглець, а Feg розчиняє його до 2,14%. Тому визначення критичних точок іноді використовують метод вимірювання будь-яких фізичних величин (магнітні властивості, теплопровідність, рухливість носіїв заряду та інших.).

Як очевидно з рис.1, зміна фазового складу, котрий іноді будь-яких фізичних властивостей межах однієї фази, призводить до кривих охолодження до зупинку температури, тобто. при охолодженні металу температура залишається незмінною протягомдеякого інтервалу часу. Це пояснюється тепловими ефектами кристалізації, тобто. виділення так званої внутрішньої енергії кристалізації під час фазового переходу.

Розмір теплового ефекту залежить від низки чинників: природи металу, маси матеріалу та інших умов, у яких відбувається перетворення. Кристалізація з рідкого стану характеризується, зазвичай, більшим тепловим ефектом, ніж у умовах вторинної кристалізації, тобто. при перетворенні на твердому стані.

Криві охолодження рідкого стану будують при дуже повільному охолодженні, щоб забезпечити рівноважний стан системи. Рівноважними вважаються умови, у яких процеси протікають оборотно, тобто. процеси, що протікають при охолодженні, повністю відшкодовуються процесами, що протікають під час нагрівання. Інакше кажучи, процес при нагріванні йде у зворотному напрямку за тієї ж температури, що і при охолодженні.

В реальних умовах через енергетичні бар'єри, описані вище, для кристалізації необхідно переохолодження, ступінь якого визначається чистотою металу і швидкістю охолодження. Тому при нагріванні процеси починаються і протікають за вищих температур, ніж при охолодженні, тобто. існує температурний гістерезис - різниця температур перетворень при нагріванні та охолодженні. Теоретична температура кристалізації завжди відрізняється від відповідної величини, отриманої при знятті кривих охолодження, і ця відмінність тим більше, чим вищий ступінь переохолодження.

Отже, процес кристалізації може протікати лише за переохолодженні металу. Якщо позначити через Тп - температуру плавлення метал, а через Тк - температуру кристалізації, то різниця між температурами Тп і Тк, за яких може протікати процес кристалізації,носить назву ступеня переохолодження:

Термічні криві, що характеризують процес кристалізації чистих металів при охолодженні з різною швидкістю (v), наведено на рис. 2. При дуже повільному охолодженні ступінь переохолодження невеликий і процес кристалізації протікає при температурі, близькій до Тп (рис.2, крива v1).

Зі збільшенням швидкості охолодження ступінь переохолодження зростає (криві v2, v3) і процес кристалізації протікає при температурах, що лежать значно нижче Тп.

Ступінь переохолодження залежить від природи та чистоти металу. Чим чистіший рідкий метал, тим більше він схильний до переохолодження. При твердінні дуже чистих металів ступінь переохолодження DТ може бути дуже великий, проте частіше ступінь переохолодження вбирається у 10-30° З.

У сплавах фазові переходи можуть відбуватися як за постійної температури, так і в інтервалі температур. В останньому випадку на кривих

охолодження повинні спостерігатися перегини за рахунок зміни швидкості охолодження.

Визначення кривих охолодження для сплавів різного складу дає можливість побудувати за ними діаграму стану, спосіб побудови якої зрозумілий з рис.3. На діаграмі стану лінія acb – початок затвердіння сплавів – лінія ліквідусу. Вище за цю лінію всі сплави знаходяться в рідкому стані. Лінія dce – закінчення процесу кристалізації – лінія солідуса. Нижче цієї лінії усі сплави перебувають у твердому стані. Між цими лініями частина сплаву рідкому, частина в твердому стані. По лінії ac із рідкого сплаву виділяються кристали компонента А, по лінії cb — кристали компонента.

Діаграма стану (рис.3) й у компонентів, необмежено розчинних у рідкому стані і нерозчинних, тобто. утворюють механічну суміш у твердому стані. Цедіаграма стану І типу. Для компонентів, що мають інші властивості, діаграми стану мають інший вигляд, але методика їхньої побудови залишається тією ж. У сплавах із вторинною кристалізацією діаграми стану мають складніший вигляд.

На рис. 4 наведені криві охолодження конкретних елементів, зокрема свинцю, сурми та сплавів свинець-сурма. З наведених кривих видно, що три криві охолодження — для свинцю, сурми та сплаву 87% Pb та 13% Sb мають одну критичну точку (горизонтальний майданчик). Горизонтальні майданчики для чистих металів - свинцю при 327 ° С та сурми при 631 ° С (рис. 4, а, д) є температурами їх затвердіння. Для сплаву 87% Pb і 13% Sb (рис. 4, в) горизонтальний майданчик при 246° є температурою затвердіння даного сплаву з утворенням механічної суміші кристалів свинцю і сурми. Така механічна суміш називається евтектикою; температура, за якої вона утворюється - евтектичної, а відповідний склад сплаву - евтектичним складом. Для двох інших сплавів свинець-сурма (рис. 4, б, г) є дві критичні точки, що вказують на те, що ці сплави тверднітимуть в інтервалі температур. У таких сплавах добавка одного компонента до іншого знижує температуру початку затвердіння металу. Температура кінця затвердіння залежить від складу сплаву, однакова всім сплавів, які з даних компонентів, і відповідає евтектичної. З кривих охолодження можна побудувати діаграму стану Pb-Sb.

Опис установки для зняття кривих нагріву та охолодження

Зняття кривих нагріву та охолодження та визначення критичних точок проводиться на установці, схема якої представлена на рис.5.

Установка складається з кварцового тигля 2 з вміщеним досліджуваним сплавом.Для реєстрації температури в сплав вміщена термопара 3. Залежно від температури нагрівання застосовують різні термопари (табл.1).