Построение диаграммы состояния олово-цинк

Цель работы: по кривым охлаждения нескольких сплавов построить диаграмму состояния олово - цинк и указать структурные составляющие и фазы для всех областей этой диаграммы.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление, то это находит графическое отображение в диаграмме состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния сплава, которые при данных условиях обладают минимальным запасом свободной энергии. Иногда диаграммы состояния называют диаграммами равновесия, так как они показывают, какие равновесные фазы существуют при данных условиях. Изменения в состоянии сплавов, которые отражает диаграмма в связи с изменением условий (например, температуры), относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения. Но равновесные превращения в действительности не могут совершаться. Поэтому диаграммы состояния представляют собой теоретический случай. На практике диаграммы состояния используют для изучения превращений в сплавах при малых скоростях нагрева и охлаждения.

Краткие сведения из теории

Диаграмма состояния показывает изменение состояния сплава в зависимости от температуры (давление для рассматриваемых случаев всегда постоянно) и концентрации. Диаграммы состояния двойных сплавов строят в координатах: температура - концентрация.

По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс - концентрацию. Общее содержание обоих компонентов в сплаве равно 100%. Каждая точка, взятая на оси абсцисс, соответствует определенному соотношению компонентов, т.е. указывает состав сплава. Точка С соответствует 30% В и 70% А; в точке Д 70% В и 30% А.

По мере удаления от точки А увеличивается процентное содержание компонента В. Крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам.

Каждая точка на диаграмме показывает концентрацию сплава при данной температуре. Изменение фазового состояния отмечается на диаграмме точкой. Линии, соединяющие одноименные точки, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых превращений.

Вид диаграммы зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состояниях, т.е. растворимы ли они в жидком и твердом состояниях или образуют механическую смесь и т.д.

Экспериментальное построение диаграммы

Диаграммы состояния строят по результатам термического анализа, т.е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перебегам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращения, определяют температуру превращения.

Температуру металлов измеряют с помощью термопары.

Температуру кристаллизации определяют следующим образом. Тигель 1 с металлом нагревают в печи до расплавления металла (рис.2). В жидкий металл помещают стальной колпачок 3, в который вставляют термопару. Холодные два конца термопары подсоединяют к гальванометру 5. Температуру охлаждаемого расплава фиксируют через определенный промежуток времени (через 5-10 сек.). Полученные значения температур наносят в координаты температура - время.

Появление изменений в агрегатном состоянии сплава в связи с выделением скрытой теплоты превращения отражается на кривых охлаждения в виде перегибов и остановок.

Порядок выполнения работы

Цель лабораторной работы состоит в построении диаграммы состояния Sn - Zn. Для построения диаграммы состояния необходимо:

1. Иметь шесть установок, изображенных на рисунке 2 с расплавами следующих составов: 1. 100% Sn; 2. 4% Zn + 96% Sn; 3. 8%Zn + 92%Sn; 4. 20%Zn + 80%Sn; 5. 40%Zn + 60%Sn; 6. 60%Zn + 40%Sn/

2. Построить кривые охлаждения указанных сплавов в координатах температура - время и определить по ним температуры, соответствующие началу и концу кристаллизации.

3. Нанести полученные точки в координаты температура - концентрация.

4. Одноименные точки (точки соответствующие началу и концу кристаллизации) соединить линиями.

5. Указать в каждой области полученной диаграммы фазы и структурные составляющие.

Группа, состоящая из двух студентов, получает один из семи расплавов. С помощью термопары и милливольтметра строят кривую охлаждения. По перегибам и горизонтальным участкам на кривой охлаждения студенты определяют температуры, соответствующие началу и концу кристаллизации. Все точки ликвидус и солидус, определенные для семи расплавов записываются в свободную таблицу.

Таблица 1

№ п/п	Химический состав сплава	Температура начала кристаллизации,С	Температура конца кристаллизации, С
1	100% Sn
2	4% Zn + 96% Sn
3	8% Zn + 92% Sn
4	20% Zn + 80% Sn
5	40% Zn + 60% Sn
6	60% Zn + 40% Sn
7	100% Zn

Определив температуры начала и конца кристаллизации для разных сплавов, студенты строят диаграмму состояния "олово - цинк" в координатах температура - концентрация. В поле координат проводят вертикальные линии, соответствующие по химсоставу указанным сплавам. На каждой вертикале нужно отложить две точки, соответствующие началу и концу кристаллизации расплава. Затем одноименные точки соединяют плавными линиями. Таким образом, строят диаграмму состояния "олово - цинк". В каждой области построенной диаграммы состояния Sn - Zn необходимо указать структурные составляющие.

Контрольные вопросы

1. Как и для чего строят кривые охлаждения?

2. Как определяют температуры начала и конца кристаллизации?

3. В каких координатах строится диаграмма состояния?

4. Опишите методику построения диаграммы состояния "олово - цинк".

5. Укажите для каждой области диаграммы состояния "олово - цинк" структурные составляющие.

6. Пользуясь правилом фаз и отрезков для каждой области диаграммы состояния "олово - цинк", определить фазы, их количество и химсостав жидкой и твердой фаз.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3