Задание по работе. 1 Изучить процесс приготовления микрошлифов

1 Изучить процесс приготовления микрошлифов.

2 Изучить процесс травления микрошлифов.

3 Изучить устройство микроскопа и освоить приемы работы на нем. Зарисовать схему хода лучей в микроскопе.

4 Исследовать микрошлиф после травления и зарисовать структуру.

5 Определить цену деления окуляр-микрометра.

6 Определить величину зерна материала микрошлифа и установить его номер.

7 Составить письменный отчет о работе.

Лабораторная работа № 5. Построение диаграммы состояния методом термического анализа

Цель работы: изучение методики проведения термического анализа, приобретение практических навыков работы с оборудованием, построение диа­грамм состояния.

Термический анализ является одним из методов определения температур фазовых превращений вещества, сопровождающихся тепловыми эффектами. Метод основан на построении кривых охлаждения (нагрева) в координатах « температура вещества – время охлаждения (нагрева) ». Если при охлаждении (нагревании) в веществе не происходят фазовые превращения кривая охлаждения имеет вид плавной нисхо­дящей линии. При фазовых превращениях на кривой появляются гори­зонтальные (изотермические) участки или изгибы, обусловленные выделением (поглощением) тепла, вызывающем изменение скорости охлаждения (нагрева).

Процесс кристаллизации металлических сплавов и некоторые закономерности в их строении описываются с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Они построены для условий равновесия. Равновесное состояние соответствует минимуму свободной энергии и в связи с этим является стабильным. При данных температуре и давлении в условиях равновесия свободная энергия должна оставаться постоянной.

Прежде, чем перейти к рассмотрению диаграмм состояния, дадим точные определения основным понятиям, которыми нам придется оперировать.

Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачком. Однородная жидкость является однофазной системой, смесь жидкости и твердого вещества – двухфазной, твердый раствор – однофазная система, механическая смесь двух твердых растворов – двухфазная система.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл – это однокомпонентная система, сплав двух металлов — двухкомпонентная.

Под числом степеней свободы системы понимается число внешних и внутренних факторов, которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. К внешним факторам, влияющим на состояние сплава, относятся температура и давление, к внутренним – концентрация.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением

С = К + 2 - Ф,

где С – число степеней свободы (или вариантность);

К – число компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

2 – число внешних факторов.

Если число степеней равно нулю (нонвариантная система), то изменение факторов (температуры, давления, концентрации) будет приводить к изменению числа фаз.

При применении правила фаз к металлам можно считать изменяющимся только один внешний фактор – температуру, так как давление, за исключением очень высокого, мало влияет на число фаз металлических сплавов в твердом и жидком состоянии. Тогда уравнение примет следующий вид:

С = К + 1 - Ф.

Число степеней свободы системы не может быть меньше нуля и не может быть дробным числом.

К - Ф +1 ³ 0,

тогда Ф £ К + 1, т. е. число фаз в сплаве, находящемся в равновесии, не может быть больше, чем число компонентов плюс единица.

Следовательно, в двухкомпонентной системе в равновесии может находиться не более 3-х фаз, в трехкомпонентной – 4-х. Если в равновесии находится максимальное число фаз, то число степеней свободы системы равно нулю (С = 0). Такое равновесие называется нонвариантным (безвариантным).

При нонвариантном равновесии сплав может существовать только в совершенно определенных условиях: при t = const и определенном составе всех фаз, находящихся в равновесии. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при определенной температуре. Например, чистый металл при затвердевании состоит из двух фаз – твердой и жидкой одинакового состава. В этом случае система нонвариантна, так как С = 1 + 1 – 2 = 0, т. е. процесс кристаллизации будет протекать при t = const.

Сплав из двух компонентов при затвердевании, допустим, состоит из двух фаз. В этом случае С = 2 + 1 – 2 = 1 (это значит, что процесс кристаллизации может протекать при переменной температуре) – следовательно температуру в данном случае можно изменять без изменения числа фаз.

Диаграмма состояния строится в координатных осях, по которым от­кладывают температуру (в градусах Цельсия) и массовую долю компонен­тов (от 100 % одного до 100 % другого). Линии на диаграмме являются геометриче­ским местом критических температур, под которыми понимаются температуры фазовых превращений. Для их определения строят кривые охлаждения для сплавов различного состава и по остановкам и перегибам на этих кривых определяют температуры превращений – критические точки.

Схема установки для термического анализа приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Схема установки для исследования процесса кристаллизации сплавов методом термического анализа

В печь 1 помещают тигель 2 с исследуемым сплавом. Сплав расплавляют и опускают в него горячий спай тер­мопары 3, защищенной фарфоровым или кварцевым чех­лом 4. Печь выключают, и начинается охлаждение спла­ва. К холодным концам 5 термопары протекает электри­ческий ток, возникающий из-за разности потенциалов в горячем спае. Ток по компенсационным проводам 6 идет к гальванометру 7, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия. Сила тока в термопаре пропорцио­нальна температуре сплава. Через определенные корот­кие равные отрезки времени фиксируют температуру и записывают в таблицу. После полного охлаждения сплава строят график « температура – время » (кривая охлаждения).

Рассмотрим конкретный пример построения диаграм­мы состояния системы « олово – цинк » (рисунок 5.2). Термиче­скому анализу подвергают ряд сплавов системы, вклю­чая и чистые компоненты. При охлаждении расплавлен­ного олова (рисунок 5.2, а) первоначально наблюдается монотонное понижение температуры во времени (участок 0-1 на кривой охлаждения а). Расчет правила фаз (С = К – Ф + 1 = 1 – 1 + 1 = 1) подтверждает моновариант­ность системы (можно менять температуру, не нарушая фазового равновесия). При 232 °С понижение температу­ры прекращается. Горизонтальная площадка на кривой охлаждения сви­детельствует о переходе олова из жидкого состояния в твердое (кристаллизация). В процессе кристаллизации, протекающей в течение периода времени 1-1′, потери теплоты в окружающую среду при охлаждении сплава компенсируются выделяющейся теплотой кристаллиза­ции, поэтому температура на отрезке 1-1′ остается по­стоянной. Правомерность наличия горизонтальной пло­щадки на кривой охлаждения подтверждается правилом фаз (С = К – Ф + 1 = 1 – 2 + 1 = 0). Система безвариантна (нонвариантна) и до тех пор, пока

a – 100 % Sn,; б – 4% Zn + 96% Sn; в – 9% Zn + 91% Sn; д – 60% Zn + 40% Sn; е – 100% Zn

Рисунок 5.2 – Диаграмма состояния сплавов системы Sn-Zn (г) и кривые охлаждения

идет кристаллизация, не имеет ни одной степени свободы (температуру нельзя менять, иначе нарушится фазовое равновесие и изменит­ся число фаз). В точке 1′ кристаллизация заканчивается, и при дальнейшем понижении температуры происходит охлаждение уже закристаллизовавшегося олова (С = 1). Микроанализ выявляет однородную равновесную поли­кристаллическую структуру металла. Кривая охлажде­ния цинка (см. рисунок 5.2, е) имеет аналогичный характер и от­личается лишь температурным уровнем площадки (418 °С).

Полученные критические точки кристаллизации олова и цинка переносят с кривых охлаждения на график (см. рисунок 5.2, г ) « температура - содержание компонентов » (точка, соответствующая периоду 1-1′ для 100 % Sn с кривой охлаждения а, и точка 1, 1′ для 100 % Zn с кривой охла­ждения е).

Кристаллизация сплава, содержащего 4 % Zn и 96 % Sn, начинается при более низкой температуре (см. рисунок 5.2, б), чем кристаллизация чистого олова, и первоначально (от точки 1 до точки 2) характеризуется лишь изменением скорости охлаждения (перегиб кривой), что подтвержда­ется правилом фаз (С = К - Ф + 1 = 2 – 2 + 1 = 1). Как по­казывают микроанализ и химический анализ, кристаллы, выпадающие из жидкости в интервале температур

1 – 2, представляют собой чистое олово. Выделение олова и рост его кристаллов при охлаждении от точки 1 до точки 2 вызывает обеднение жидкой части сплава оловом и со­ответственно обогащение цинком. Как только достигает­ся соотношение 9 % Zn и 91 % Sn, выделение и рост кри­сталлов олова прекращаются, а жидкая часть сплава кри­сталлизуется в виде смеси мелких кристаллов Sn и Zn (эвтектики). Такая одновременная кристаллизация двух фаз называется эвтектической и обычно изображается следующим образом:

Ж_С Э (Sn + Zn).

Эта реакция читается так: жидкость состава точки С при t =200 °С кристаллизуется в виде эвтектики (олово плюс цинк).

В период эвтектического превращения в равновесии одновременно находятся три фазы: жидкая и эвтектиче­ские кристаллы Sn и Zn, поэтому С = 2 – 3 + 1= 0. Систе­ма нонвариантна. Ниже точки 2' никаких фазовых пре­вращений не происходит, и сплав состоит из кристаллов Sn и эвтектики (С = 1). Система моновариантна, что сви­детельствует о возможности изменения либо температуры, либо содержания компонентов (температура явля­ется зависимой переменной) без нарушения фазового равновесия.

Сплав, содержащий 9 % Zn и 91 % Sn (см. рисунок 5.2, в), имеет строго эвтектический состав, предельно насыщен обоими компонентами, поэтому кристаллизация его про­исходит при постоянной температуре (t = 200 °С). Этот сплав называют эвтектическим.

У сплава, содержащего 60 % Zn и 40 % Sn (см. рисунок 5.2, д ), кривая охлаждения подобна кривой, приведенной на рисунке 5.2, б. Принципиальное отличие первой заключа­ется в том, что в данном случае эвтектическому превращению предшествует выделение кристаллов избыточного цинка.

Соединив на графике « температура – концентрация » критические точки начала кристаллизации сплавов, полу­чим линию ликвидус АСВ, а точки конца кристаллизации образуют линию солидус DCF (см. рисунок 5.2, г). В целом это и есть диаграмма состояния системы « олово – цинк ». Ли­ния ликвидус показывает температуру начала кристал­лизации при охлаждении или окончания плавления при нагреве сплавов; линия солидус – температуру оконча­ния кристаллизации сплавов. Ниже линии солидус спла­вы находятся в твердом состоянии. Она показывает окончание их кристаллизации и начало плавления (соот­ветственно). Все сплавы системы Sn-Zn делятся эвте­ктическим сплавом на доэвтектические и заэвтектические. Доэвтектические сплавы состоят из кристаллов олова и эвтектики, эвтектические – из эвтектики, заэвтектиче­ские – из кристаллов цинка и эвтектики.