MATERIAŁOZNAWSTWO

LABORATORIUM NR 2

Temat: Analiza termiczna.

Emilia Ludwig

Zarządzanie i Inżynieria Produkcji (zaoczne)

I rok

II semestr

Cel laboratorium

Celem laboratorium nr 2 jest zapoznanie się ze sposobem wyznaczania krzywych chłodzenia i sposobem konstrukcji wykresów równowagi fazowej oraz strukturami metali i stopów.

1. Podstawowe pojęcia dotyczące wykresów równowagi fazowej.

Równowaga fazowa - występuje, gdy stosunki ilościowe między fazami układu, tj. skład fazowy pozostają stałe.

Równowaga termodynamiczna - jest funkcją stanu układu.

Układ - jest to zbiór faz.

Składniki układu - tak nazywamy pierwiastek lub związek niezbędny do utworzenia wszystkich faz występujących w całym układzie, np. stop żelaza z węglem, gdzie żelazo i węgiel są składnikami, natomiast ciekły węgiel w żelazie tworzy roztwory stałe węgla Fe - α ferryt), Fe - γ (austenit) oraz Fe₃C (cementyt), które są fazami.

Faza - jest to część układu jednorodna pod względem fizycznym i krystalograficznym, oddzielona od reszty układu resztą międzyfazową (α, β, γ, …).

Istnieją układy jednoskładnikowe (H₂O) - pojedyncze, Dwuskładnikowe - podwójne.

Kryterium równowagi termodynamicznej jest energia swobodna, która osiąga wartość minimalną.

Energia swobodna - jest jednoznaczną funkcją stanu układu, np. energia Helmoltza (F) jest to układ o stałej temperaturze i objętości.

F= E - TS

E - energia wewnętrzna

S - entropia

Reguła faz (Gibbsa) - określa liczbę stopni swobodnych [S] układu, tzn. liczbę zewnętrznych czynników, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby faz w układzie.

S = n - f + 1

n - liczba składników

f - liczba faz

S = 0 - jest to układ niezmienny

S = 1 - jest to układ jednozmienny

S = 2 - jest to układ dwuzmienny, można zmienić dwa czynniki

Reguła dźwigni (reguła odcinków) - służy do określania procentowego udziału faz w stopie przy danej temperaturze w stanie równowagi.

Likwidus - linia powyżej, której znajduje się ciecz.

Solidus - linia poniżej, której znajduje się ciało stałe.

WYKRESY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Wykres fazowy z przemianą eutektoidalną

Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy składniki rozpuszczają się w stanie stałym

Wykres fazowy dla składników nie rozpuszczających się wzajemnie w stanie stałym

Wykres fazowy dla składników o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym

Wykres fazowy z przemianą perytektyczną

Tworzenie się fazy pośredniej AB (γ) podczas przemiany perytektycznej

2. Krzywa nagrzewania i chłodzenia.

Metoda sporządzania krzywych nagrzewania (chłodzenia) należy do najprostszych i najwcześniej zastosowanych w metaloznawstwie metod analizy termicznej, w której wykorzystuje się efekty wydzielania (lub pochłaniania) utajonego ciepła przemiany fazowej pierwszego rodzaju, ujawniające się na krzywych nieciągłością zmian temperatury w czasie. Schemat stanowiska do analizy cieplnej przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1 Urządzenie do wyznaczania krzywych chłodzenia metali.

Badaną próbkę lub tygiel ze stopem (2) umieszcza się w piecu (1) i nagrzewa ze stałą szybkością do określonej temperatury, a następnie chłodzi. Jednocześnie mierzy się temperaturę termoelementem (3) połączonym z mikrowoltomierzem (4), w stałych odstępach czasu. Wyniki pomiarów umożliwiają sporządzenie wykresów chłodzenia (nagrzewania) stopu w układzie temperatura - czas. Aktualnie wykresy takie kreślą urządzenia samopiszące, elektryczne lub elektroniczne (kompensatory).

Na rysunku 2 przedstawiono schematy uzyskanych w ten sposób krzywych chłodzenia substancji ze stanu ciekłego. Krzywa I przedstawia chłodzenia ciała bezpostaciowego (szkła). Krzywa II jest charakterystyczna dla chłodzenia czystych metali, związków chemicznych i międzymetalicznych o stałym składzie stopów o składzie punktu eutektycznego, a krzywa III dla stopów krzepnących w zakresie temperatur. Występujące na krzywych chłodzenia załamania i przystanki są wynikiem wydzielania utajonego ciepła krzepnięcia. Nieciągłości te mają charakter poziomych odcinków równoległych do osi czasu (przemiana fazowa w stałej temperaturze) lub załamania na krzywej (przemiana fazowa w zakresie temperatur T₁-T_s).

Rys. 2 Krzywe chłodzenia różnych substancji.

Długości poziomych odcinków przy przemianach równowagowych czystych metali zależą głównie od objętości stopu i wartości utajonego ciepła przemiany. Największe wartości ciepła przemiany są związane ze zmianą stanu skupienia. I tak na przykład, utajone ciepło krzepnięcia dla czystego żelaza wynosi 15,5 kJ/mol, natomiast ciepło przemiany alotropowej Feα -> Feγ w stanie stałym tylko 0,878 kJ/mol. Wyraźnie zaznaczony na krzywej chłodzenia przystanek ułatwia jednoznaczną ocenę temperatury przemiany. W związku z powyższym metoda krzywych chłodzenia (nagrzewania) daje najdokładniejsze wyniki przy ocenach temperatur topnienia (krzepnięcia) w stopach i jest stosowana przy budowie wykresów równowagi układów.

Zmiany mikrostruktury w stopie eutektycznym podczas bardzo powolnego chłodzenia

Zmiany mikrostruktury w stopie nadeutektycznym podczas bardzo powolnego chłodzenia

Zmiany mikrostruktury w stopie podeutektycznym podczas bardzo powolnego chłodzenia

Ćwiczenie I

Cel ćwiczenia:

Wyznaczenie krzywej chłodzenia dla czystego metalu (Sn).

Przebieg ćwiczenia:

Tabela przedstawia zestawienie temperatury [⁰C] oraz wartości mikrowoltomierza mierzonych przez 16 minut przy odczytach pomiarów co 1 minutę.

T, ^0C	Wartość mikrowoltomierza	t, czas [min]
252	0920	1
250	0911	2
248	0896	3
242	0880	4
237	0861	5
232	0843	6
226	0824	7
223	0808	8
228	0828	9
229	0832	10
230	0835	11
232	0837	12
230	0832	13
231	0831	14
231	0831	15
231	0831	16

Wyniki pomiarów zostały umieszczone również na wykresie w układzie temperatura - czas.

Struktura cyny po przemianie:

Wnioski:

Przemiana czystego metalu - cyny ze stanu ciekłego w stały zaszła w temperaturze 231⁰C, powinna była zajść w temperaturze 232⁰C. Powodem, dla którego temperatura przemiany w ćwiczeniu jest niższa o 1⁰C od temperatury prawidłowej może być:

• tzw. „błąd studenta”, czyli błąd w odczycie temperatury otoczenia;

• błąd pomiarowy aparatury użytej do wykonania ćwiczenia.

8

---