Диаграммы состояния сплавов олово-цинк.

Задачи работы:

Освоить методику построения кривых охлаждения металлов и сплавов и определения на них критических точек методом термического анализа.,построить диаграмму состояния сплавов олово-цинк.

Теоретические сведения:

Диаграмма состояния сплавов является графическим изображением изменения фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их концентрации и температуры.Наиболее часто для построения диаграммы состояния используется термический метод.Этот метод отличается простотой и достаточной надежностью.Он основан на том,что любые изменения в состоянии металла или сплава,происходящие в них при нагревании или охлаждении,сопровождаются поглощением или выделением тепла.Температуры,при которых происходят эти изменения,а также соответствующие им точки на кривой нагрева или охлаждения сплава,называются критическими.

Кривая охлаждения для чистого металла имеет точки а и б имеют одну критическую температуру и соответствуют началу и концу затвердевания металла.Определение температур кристаллизации-затвердевания металлов и сплавов- обычно проводят с помощью термоэлектрического пирометра,состоящего из термопары и высокочувствительного гальванометра(рис.7)

Рис.7.Схема установки для определения критических точек металлов:

1-электропечь., 2-тигель., 3-термопара., 4-расплавленный металл.,

5-гальванометр.

В работе изучается построение диаграммы состояния сплавов олово-цинк,которые в жидком состоянии образуют раствор с неограниченной растворимостью,а в твердом состоянии мелкую механическую смесь этих элементов-эвтектику.Для построения диаграммы состояния используют чистые металлы олово и цинк и ряд их сплавов,например доэвтектический (4% цинка и 96% олова ),эвтектический (9% цинка и 91 олова) и заэвтектический (30% цинка и 70% олова ).Чем больше взято сплавов,тем точнее получается диаграмма.Затем для каждого сплава и металлов строят кривые охлаждения,определяют на них положение критических точек и соответствующие им температуры.Построение кривых охлаждения показано в левой части рисунка .

Рассмотрим процесс кристаллизации доэвтектического сплава на примере его кривой охлаждения .Для анализа кривых охлаждения применяют правило фаз (правило Гиббса),которое выражается формулой

С=К-Ф+1

где С-число степеней свободы,т.е.число внешних факторов (температура и

концентрация ),которые можно изменять без изменения числа фаз в

сплаве.,

К-число компонентов,в сплавах олово-цинк К=2 (олово и цинк ).,

Ф-число фаз.

Фазой называется химически однородная часть сплава,отделенная от других его частей поверхностью раздела.Фазами могут быть химические элементы,химические соединения,жидкости и твердые растворы.

Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии (Ж) и имеется одна фаза и тогда С=2-1+1=2.При двух степенях свободы в этой области может изменяться концентрация и температура и сплав остается однородным жидким.Кривая охлаждения круто опускается вниз

В точке 1 на линии ликвидус начинается процесс кристаллизации-выделение кристаллов олова из жидкого сплава,который продолжается до точки 2,и кривая охлаждения снижается полого.Между точками 1 и2 существуют две фазы-жидкая и твердая и С=2-2+1=1.При одной степени свободы независимой переменной является только температура.

Концентрация жидкой части сплава из-за выпадания из нее олова с понижением температуры меняется по линии АС и в точке 2 на линии DСЕ достигает эвтектического содержания,соответствующего определенной концентрации (точка С).Вследствие этого между точками 2-2 (линия DСЕ) оставшийся жидкий сплав кристаллизуется в эвтектику,состоящую из олова и цинка,и имеются три фазы (кристаллы олова,кристаллы цинка и жидкий сплав ).Число степеней свободы С=2-3+1=0.При этом настолько много выделяется тепла,что температура остается постоянной.

Порядок выполнения работы:

Работа выполняется несколькими бригадами студентов.Количество бригад соответствует числу тиглей со сплавами и чистыми металлами.

1.Взять тигли с чистыми оловом,цинком и тремя сплавами: доэвтектическим (4% цинка),эвтектическим (9% цинка ) и заэвтектическим (30% цинка ),нагреть на 20-30ºС выше температуры плавления металла.Температуру нагрева замерить гальванометром термопары.

2.Выключить ток и охлаждать тигли с расплавленными металлами и сплавами,фиксируя показания гальванометра через 10-15 сек.После затвердения металла и получения температурной площадки на кривой охлаждения снимается еще 3-5 показаний гальванометра.

3.По результатам опытов построить на миллиметровой бумаге кривые охлаждения и для каждой кривой указать процентный состав сплава.

4.По кривым охлаждения построить диаграмму состояния сплавов олово-цинк.Критические точки кривых охлаждения,перенесенные для соответствующих концентраций на диаграмму состояния,обвести кружками.В случае рассева опытных точек допустимо проведение средних линий.

Содержание отчета:

В отчет необходимо включить назначение термического метода построения диаграмм состояния.,схему установки для исследования металлов и сплавов термическим методом.,протокол опытных данных.,кривые охлаждения и диаграмму состояния сплавов олово-цинк и чистых металлов.В выводах сделать анализ превращений при охлаждении или нагревании одного из сплавов с применением правила фаз.

Контрольные вопросы:

1.Для чего используется диаграмма состояния?

2.Какие точки называют критическими?

3.Что называется фазой?

4.Для чего используется правило фаз?