Термический анализ

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.

Температура кристаллизации определяется следующим образом. В печь 1 помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав 3. Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 (защищенной фарфоровым или кварцевым колпачком 6) и выключают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через определенные промежутки времени. Появление изменений в агрегатном состоянии в связи с выделением скрытой теплоты превращения отражается на кривой температура - время.

Рисунок 3 – Схема установки для изучения процесса кристаллизации термическим методом: 1 — печь; 2 — тигель; 3 — расплавленный металл; 4 — горячий спай; 5 — термопара; 6 — колпачок; 7 — холодный спай; 8 — гальванометр

Имея достаточное количество сплавов, и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния. Для более точного построения диаграммы состояния в дополнение к термическому методу изучают с помощью микроскопа и рентгеновских лучей структуру сплавов разного состава и по-разному обработанных термически, измеряют разнообразнейшие физические свойства сплавов и т.д.

Предположим, что мы имеем систему из двух компонентов, взаимно нерастворимых в твердом состоянии и не образующих друг с другом химических соединений, но неограниченно растворимых в жидком состоянии. Можно принять с некоторым приближением, что такой системой является, например, система свинец-сурьма (фактически эти металлы ограниченно растворимы в твердом состоянии). Предположим далее, что имеется серия сплавов этих двух металлов: за процессом кристаллизации этих сплавов наблюдают по кривым охлаждения.

Рисунок 4 – Кривые охлаждения сплавов системы свинец-сурьма

Кривая (4а) относится к чистому свинцу. При температуре выше 327 ⁰С свинец находится в жидком состоянии. При 327 ⁰С происходит кристаллизация свинца и ниже 327 ⁰С свинец находится в кристаллическом состоянии. Следовательно, на кривой охлаждения свинца отрезок 0-1 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 1-1′ - кристаллизации и 1′-2 – охлаждению твердого тела.

Кривая на рисунке (4б) относится к сплаву с 95% Pb и 5% Sb. Кристаллизация начинается при температуре ниже 327 ⁰С (точка 1) и протекает при переменной температуре (от точки 1 до точки 2), а затем при 246 ⁰С оставшаяся часть жидкости кристаллизуется при постоянной температуре (отрезок на кривой охлаждения 2-2′). На отрезке 1-2, т.е. при переменной температуре, из жидкости выделяются кристаллы свинца. Это согласуется с правилом фаз, так как число степеней свободы в этом случае равняется единице. В данном случае компонентов два, число фаз равняется двум (жидкость и кристаллы свинца) и, следовательно: с = к – f + 1 = 2-2+1=1

Одновременная кристаллизация сурьмы и свинца должна протекать при постоянной температуре (отрезок 2-2′), так как в данном случае при этой температуре имеются три фазы (жидкость, кристаллы сурьмы и кристаллы свинца), число степеней свободы равно нулю: с = к – f + 1 = 2 – 3 + 1 = 0

На участке кривой охлаждения (отрезок 2-2′) происходит образование эвтектики – механической смеси двух и более фаз, кристаллизующихся из одной и той же жидкости при постоянной температуре и с одинаковой скоростью.

Так как на кривой кристаллизации 1-2 из жидкости непрерывно выделяется свинец, то жидкость по мере кристаллизации свинца обогащается сурьмой. Если к моменту начала кристаллизации свинца (в точке 1) жидкость исследуемого сплава содержала 5% Sb, то в точке 2 к моменту совместной кристаллизации сурьмы и свинца жидкость, как показывает опыт, содержит 13% Sb.

У сплава с 10% Sb кристаллизация будет происходить так же, как и у сплава с 5% Sb, только она начинается при более низкой температуре. Отметим, что совместная кристаллизация свинца и сурьмы у этого сплава начнется при той же температуре, что и у предыдущего сплава, и жидкость к моменту совместной кристаллизации свинца и сурьмы будет иметь такую же концентрацию, как и у предыдущего сплава, когда совместно кристаллизовались свинец и сурьма, т.е. 13% Sb и 87% Pb.

Если взять сплав, соответствующий этому соотношению, т.е. содержащий 13% Sb и 87% Pb, то у него из жидкости при одной температуре одновременно выделяется оба вида кристаллов без предварительного выделения свинца. Наконец, если взять сплав с содержанием сурьмы более 13%, то предварительно будет выделяться сурьма, и сплав по мере выделения сурьмы будет обогащаться свинцом; когда он в процессе кристаллизации охладиться до 246 ⁰С, то жидкость будет содержать 13% Sb и начнется совместная кристаллизация обоих видов кристаллов при постоянной температуре.

У рассмотренных пяти сплавов точки начала (t_н) и конца (t_к) кристаллизации будут находиться при следующих температурах:

№ п/п	Химический состав сплава	Температура начала кристаллизации, tн	Температура конца кристаллизации, tк
1.	100% Pb	327	327
2.	95% Pb + 5% Sb	300	246
3.	90% Pb + 10% Sb	260	246
4.	87% Pb + 13% Sb	246	246
5.	75% Pb + 25% Sb	340	246
6.	100% Sb	631	631

Если теперь полученные температуры нанести на диаграмму, где координатами будут температура и концентрация, и затем соединить точки ликвидус одной линией, а точки солидус – другой, то получим диаграмму состояния. Геометрическое место точек ликвидус образует линию ликвидус, а геометрическое место точек солидус – линию солидус. Выше линии ликвидус сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус – в твердом. У сплавов, содержащих меньше 13% Sb, из жидкости выделяется свинец. Следовательно, у этих сплавов в области, лежащей между линией ликвидус и солидус, имеем жидкую фазу и кристаллы свинца. Аналогично у сплавов с содержанием больше 13 % Sb между линией ликвидус и солидус имеем жидкость и кристаллы сурьмы.

Рисунок 5 - Диаграмма состояния сплавов свинец–сурьма, построенная по кривым охлаждения (рисунок 4)

Диаграмма, приведенная на рисунке 5, показывает состояние сплава данной системы, т. е. данной пары компонентов при любом их соотношении и при любой температуре. Вот почему такие диаграммы называют диаграммами состояния. По диаграммам состояния изучают природу сплавов, поэтому анализу этих диаграмм уделяют большое внимание при прохождении теоретического металловедения.