1. Podstawowe wiadomości wstępne

Analizą termiczną nazywa się badania polegające na określaniu temperatur początku i końca krzepnięcia (lub topnienia) oraz temperatur przemian zachodzacych w stanie stałym podczas ochładzania lub ogrzewania metali i ich stopów. Badania te mają na celu wykreślenie krzywych przebiegu ogrzewania lub ochładzania , na których wszystkie efekty cieplne występujące podczas zmian fazowych uwidaczniają się w postaci przystanków temperaturowych załamań. Krzywe te z kolei służą do zbudowania tzw. wykresów równowagi stopów metali, przedstawiających położenie granic faz w funkcji temperatury i składu chemicznego.

Wykresy równowagi obrazują:

• przemiany w stanie ciekłym (zmiany rozpuszczalności);

• zmiany stanu skupienia (krzepnięcie, topnienie);

• przemiany w stanie stałym (zmiany rozpuszczalności przemiany alotropowe, eutektoidalne)

• tworzenie się lub rozpad faz międzymetalicznych w stanie ciekłym, w czasie zmiany stanu skupienia lub w stanie stałym.

Wykresy równowagi podają więc w zasadzie tylko budowę fazową stopów, tzn. można z nich wnioskować z jakich faz stop jest zbudowany, w jakim te fazy pozostają stosunku ilościowym i jaki jest ich skład chemiczny. Inaczej mówiąc, wykresy równowagi przedstawiają graficznie stan stopu. Jeśli zachodzi zmiana jego składu chemicznego, temperatury lub ciśnienia, zmienia się również stan stopu, co znajduje odwzorowanie graficzne na wykresie równowagi.

Wykres równowagi obrazuje stany trwałe stopu, tj. stany, którym w danych warunkach odpowiada najmniejszy zasób energii swobodnej układu. Również zmiany stanu stopu odwzorowane na wykresie odpowiadają warunkom równowagi, tzn. nie uwzględniają zjawisk przegrzania lub przechłodzenia, które w rzeczywistości mają zawsze miejsce (oczywiście w różnym stopniu). Dlatego wykres równowagi stopu jest wykresem teoretycznym, a posługiwanie się nim jest uwarunkowane rozpatrywaniem przemian przy małych szybkościach nagrzewania lub chłodzenia, gdy zjawiska przegrzania lub przechłodzenia występują w minimalnym stopniu i praktycznie można je pominąć.

Ogólne zasady określające współistnienie trwałych faz odpowiadających teoretycznym warunkom równowagi wyraża matematycznie tzw. reguła faz, zwana także regułą Gibbsa. Podaje ona ilościową zależność między liczbą stopni swobody danego stopu, a liczbą składników i faz. Przy założeniu, że w rozpatrywanym układzie wszystkie przemiany zachodzą przy stałym i niezmiennym ciśnieniu, reguła faz wyraża się wzorem:

S - liczba stopni swobody układu - jest to liczba zewnętrznych i wewnętrznych czynników (temperatura, ciśnienie i skład chemiczny), które można zmieniać bez spowodowania zmiany liczby faz w danym układzie.

m - liczba składników - jest to liczba substancji tworzących dany układ.

f - liczba faz - jest to liczba jednorodnych części układu oddzielonych od innych jego części (faz) powierzchnią rozdziału czyli granicą fazy, po przekroczeniu której własności fizyczne czy też struktura zmieniają się w sposób nieciągły.

Dla rzeczywistych układów wielofazowych liczba stopni swobody wynosi zwykle 0,1 lub 2.

Gdy S=0 układ jest niezmienny. Nie można zmieniać ani temperatury, ani składu chemicznego, bez spowodowania zmiany liczby faz w układzie.

Gdy S=1 układ jest jednozmienny. Oznacza to, że bez zmiany liczby faz w układzie możliwe są zmiany (w pewnych granicach) bądź temperatury, bądź składu chemicznego.

Gdy S=2 układ jest dwuzmienny. Oznacza to, że bez zmiany liczby faz w układzie możliwe są zmiany (w pewnych granicach) i temperatury i składu chemicznego.

Budowa stopów podwójnych

Najprostrzymi stopami są połączenia dwóch metali lub metalu z niemetalem, czyli tzw. stopy dwuskładnikowe. Zależnie od własności poszczególnych pierwiastków w dwuskładnikowych układach równowagi obserwuje się:

1. rozpuszczalność nieograniczoną w stanie ciekłym, a w stanie stałym rozpuszczalność nieograniczoną lub rozpuszczalność ograniczoną, lub brak rozpuszczalności.

1. rozpuszczalność ograniczoną w stanie ciekłym, a w stanie stałym rozpuszczalność ograniczoną lub brak rozpuszczalności.

1. brak rozpuszczalności w stanie ciekłym oraz brak rozpuszczalności w stanie stałym.

W przypadku, gdy układowi równowagi odpowiada całkowitej rozpuszczalności wzajemnej składników zarówno w stanie ciekłym jak i stałym, wszystkie stopy w stanie stałym niezależnie od składu mają jednakową strukturę złożoną z kryształów roztworu stałego α. Przy całkowitej rozpuszczalności wzajemnej składników w stanie ciekłym i ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym, mogą występować dwie postacie układów tego typu, a mianowicie z eutektyką i z perytektyką. Przemiana eutektyczna polega na krystalizacji z cieczy jednocześnie dwu faz stałych. Przemiana perytektyczna polega na reagowaniu cieczy z wcześniej wydzielonymi kryształami i tworzeniu się nowego rodzaju kryształów. W celu sporządzenia wykresu równowagi wykorzystuje się metodę analizy termicznej, polegającej na wykreśleniu krzywych chłodzenia. Przystanki, załamania tych krzywych określają temperatury tych przemian.

2. Stanowisko pomiarowe

Stanowisko pomiarowe składa się z pieca, w którym ogrzewane są tygle ceramiczne z metalem lub stopem, oraz z termopary, przy pomocy której dokonuje się pomiaru temperatur podczas chłodzenia. Odczytu temperatur dokonałem na termometrze elektronicznym w C⁰.

3. Przebieg doświadczenia

Doświadczenie polegało na zbudowaniu krzywych chłodzenia stopu Pb i Sn, wyznaczenie temperatur początku i końca krzepnięcia, naniesienie ich na wykres równowagi faz, a następnie porównanie tych temperatur z odpowiadającymi im temperaturami na wykresie.

Pomiary przeprowadzono dla stopów o następującej zawartości poszczególnych składników:

I. Pb 100% Sn 0%

II. Pb 60% Sn 40%

III. Pb 40% Sn 60%

W celu zbudowania krzywych chłodzenia, tygiel z badanym metalem lub stopem umieściłem w piecu, gdzie zawartość tygla ulegała stopieniu. Po wyjęciu tygla, za pomocą tkwiącej w nim osłoniętej termopary, oraz termomertu elektronicznego dokonywałem pomiarów temperatur w odstępach czasowych 30s. Identycznie postępowałem dla wszystkich badanych próbek stopów. Po skrzepnięciu metalu wykreśliłem krzywą chłodzenia w układzie temperatura-czas. Temperatury przemian fazowych określone przystankami lub załamaniami odpowiednich krzywych chłodzenia zaznaczyłem na wykresie równowagi, na osiach pionowych odpowiadających odpowiednim próbkom stopów.

3. Zestwienie odczytów temperatur

I II III

1. 400 277 277

2. 387 271 271

3. 373 265 265

4. 361 258 259

5. 349 252 253

6. 337 246 248

7. 330 241 243

8. 327 238 238

9. 325 234 233

10. 323 231 228

11. 320 228 224

12. 314 224 219

13. 306 221 215

14. 297 217 211

15. 289 214 208

16. 282 209 204

17. 275 206 201

18. 368 202 196,6

19. 261 198,7 193,4

20. 265 195,1 190,1

21. 250 191,7 186,9

22. 244 188,1 183,6

23. 238 184,8 180,6

24. 233 181,4 178,6

25. 228 178,5 178,4

26. 223 175,9 179,1

27. 219 175,1 180,2

28. 215 176,7 180,9

29. 178,3 181,5

30. 179,3 181,6

31. 179,6 181,5

32. 179,5 181,4

33. 179,1 181,3

34. 178,4 181,1

35. 176,8 180,8

36. 172,5 180,5

180,1

179,5

178,6

(Poszczególne odczyty dokonanywano podczas chłodzenia próbek w odstępach co 30 sekund).

4. Wnioski z przeprowadzonego doświadczenia

Dokonując analizy uzyskanych wyników, a na ich podstawie położenie punktów początka i końca krzepnięcia stopu uzyskane podczas ćwiczenia zauważyć można różnicę pomiędzy nimi, a temperaturami na wykresie równowagi faz. Wynikają one najprawdopodobniej z niedokładności pomiaru i dużych odstępów czasu pomiędzy poszczególnymi odczytami temperatury. Przeprowadzanie częstrzego, bądź ciągłego pomiaru temperatur spowodowałoby możliwość zredukowania błędu pomiarowego do minimum, a uzyskane wyniki odczytru pokrywałyby się z temperaturami z wykresu równowagi faz. W badanych stopach dwuskładnikowych ciekawym jest zjawisko, w którym podczas chłodzenia temperatura w pewnym momencie znów rośnie aż do momentu osiągnięcia temperatury krzepnięcia stopu. Związane jest to ze zjawiskiem przechłodzenia materiału badanego. Uwzględniając te główne powody występowania różnic w odczytach można uznać, że przeprowadzone doświadczenie potwierdziło przewidywania.

LABORATORIUM Z FIZYKI METALI

ĆWICZENIE NR 5. str. 1

___________________________________________________________________________

---