[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Nazwisko i Imię:
Mariusz Turek
Wydział :MiIM
Grupa:TC - 5
Temat:
Układy równowagi i analiza termiczna stopów
Data:
9.04.1999
Ocena:
Stopami nazywamy tworzywa wieloskładnikowe, powstałe przez stopienie metalu – stanowiącego składnik zasadniczy z co najmniej jednym metalem – dodatkiem stopowym.
Stopy możemy otrzymać przez stapianie i odlewanie, spiekanie, elektrolizę lub sublimację. Stopy posiadają lepsze własności wytrzymałościowe niż czyste metale, a plastyczność, przewodnictwo cieplne i elektryczne, odporność na korozję pogarszają się.
Fazą nazywamy jednorodną część układu pod względem chemicznym i krystalograficznym, oddzieloną od reszty układu powierzchnią powierzchnią rozdziału – granicą międzyfazową.
Układ to zbiór faz, jeśli fazy są w równowadze termodynamicznej, mówimy o stanie równowagi; istnieją układy jedno (homo-) i dwuskładnikowe (heterogeniczne) itp.
Składnikiem nazywamy substancje proste (pierwiastki) lub złożone (związki), które nie ulegają przemianom.
Równowaga fazowa ma miejsce gdy stosunki ilościowe między fazami układu są stałe.
Równowaga termodynamiczna jest pojęciem określającym stan układu, kryterium jest energia swobodna, która w warunkach równowagi osiąga minimum.
Liczba stopni swobody danego układu to liczba parametrów, którą można dowolnie zmieniać niezależnie od siebie, niezakłócając stanu równowagi układu, nie powoduje znikania i pojawiania się nowych faz.
Energia swobodna jest funkcja stanu układu. Funkcję tę możemy rozpatrywać w różnych warunkach termodynamicznych.
W badaniach metaloznawczych rozpatruje się najczęściej warunki w stopach przy ciśnieniu stałym. Wzór określający liczbę stopni swobody przyjmuje postać:
S=n-f+1 (reguła faz Gibbsa)
Mechanizm krzepnięcia polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i ich wzroście. Proces zarodkowania to powstawanie małych cząstek nowej fazy w roztworze pierwotnym. Zarodkowanie homogeniczne polega na samorzutnym tworzeniu się zarodków w jednorodnej cieczy lub fazie stałej. Zarodkowanie heterogeniczne to powstawanie zarodków na istniejącym w roztworze ciekłym podłożu.
Wykresy równowagi przedstawiają temperatury w których zachodzi zmiana liczby stopni swobody, w zależności od składu chemicznego stopu. Na podstawie tych wykresów możemy przewidzieć strukturę stopu.
Wykresy układów dwuskładnikowych pokazuje się na współrzędnych prostokątnych, gdzie na osi rzędnych mamy temperaturę, a na odciętych skład stopów w %.
Likwidus to krzywa na wykresie fazowym poniżej której pojawiają się pierwsze kryształy.
Solidus jest to krzywa na wykresie fazowym powyżej której pojawia się faza ciekła.
Na zajęciach analizowaliśmy cieplnie badany stop. Sporządziliśmy wykres nagrzewania i chłodzenia stopu w układzie temperatura-czas.
Urządzenie do analizy cieplnej składa się z pieca, tygla, badanego stopu, rurki ceramicznej, termoelementu i miliwoltomierza.
W piecu znajdował się tygiel z badanym stopem. Do stopu wkłada się termoelement w ceramicznej rurze. Temperaturę odczytuję się na powstającym wykresie.
Po doświadczeniu otrzymujemy krzywą studzenia badanego stopu.
T [°C]
222
195
t[s]
Po przeprowadzeniu analizy krzywej chłodzenia i odczytaniu odpowiednich temperatur, dochodzimy do wniosku, że badanym przez nas stopem jest Sn-Zn.
Wykres równowagi Sn-Zn.
T[°C] I II
419,5
L
232 L + Zn
221
200 L + Sn 199°C
a
a + Zn
5% 9% 12%
Na krzywej chłodzenia do punktu 3 występuje tylko faza ciekła, która jest ochładzana. Odcinek 3-2 charakteryzuje się 1 stopniem swobody, z upływem czasu obniża się temperatura i następuje wydzielenie fazy stałej (a+Zn). W dalszej analizie krzywej dochodzimy do punktu 2. Odcinek 2-1 charakteryzuje się stałą temperaturą (0 stopni swobody). Wskazuje to, że przemiana musi przechodzić przy T=const, stałym udziale faz stanowiących mieszaninę eutektyczną i stałym składzie fazy stałej.
Stała temperatura 195°C odpowiadająca odcinkowi 2-1 na krzywej chłodzenia jest najbardziej zbliżona do temperatury przemiany eutektycznej układu Sn-Zn wynoszącej 200°C.
Przeprowadzając prostą równoległą do osi składu układu Sn-Zn wychodząca z temperatury 222°C w punktach przecięcia z wykresem otrzymujemy dwa stopy o różnych składach, które spełniają krzywą chłodzenia.
Oszacowanie składu:
Skład stopu I:
5% Sn ; 95% Zn
Skład stopu II:
12% Sn ; 88% Zn
Wnioski:
Po wykonaniu doświadczenia i przeanalizowaniu danych stwierdziliśmy, że badanym stopem jest Sn-Zn. Porównując nasze wyniki z wynikami rzeczywistymi można zauważyć, że temperatura w której na wykresie zachodzi przystanek niewiele odbiega od naszej wyznaczonej. Bląd wynosi ok. 2,5% przy założeniu, że obliczoną temperaturę podnieśliśmy o ok. 20°C, ze względu na to, że układ odniesienia termopary nie był schłodzony do temp. 0°C.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]