Лабораторна робота №1 кристалізація металів та проведення термічного аналізу сплаву Sn-Pb

1.1 Мета роботи: вивчення процесу кристалізації солі тіосульфату натрію за допомогою біологічного мікроскопу і проектору та методом термічного аналізу визначити температуру кри­сталізації сплаву, користуючись правилом відрізків визначити невідомий склад сплаву Sn-Pb.

1.2 Теоретичні відомості

Метали мають специфічні властивості: високу електропровідність і теплопровідність, металевий блиск, високу міцність і ковкість.

Наявність вільних електронів обумовлює високу електро- і теплопровідність металів і металевих сплавів.

Усі метали і металеві спливи є кристалічні тіла. На відзнаку від аморфних тіл в кристалічному тілі атоми (точніше, позитивні іони) розташовуються в строго певному порядку і в просторі утворюють кристалічну гратку.

Елементарною кристалічною коміркою називається такий найменший об'єм, який дає нам уявлення про взаємне розташування атомів у всьому кристалі. В кристалографії розглядають 14 типів елементарних комірок, Переважна більшість металів має одну з елементарних кристалічних комірок: кубічну об'ємоцентровану (ОЦК), кубічну гранецентровану (ГЦК), гексагональну щільноукладену (ГПУ) , тетрагональну (рисунок1.1)

Будова і властивості кристалічних ґраток характеризується наступними параметрами:

1)періодом кристалічної комірки а, b, с - відстаню між центрами сусідніх атомів, які знаходяться в вузлах кристалічної гратки;

2)координаційним числом, яке показує, скільки атомів знаходиться на найбільш близькій і однаковій відстані від будь якого атома;

3)базисом кристалічної гратки - числом атомів, які знаходяться в одній елементарній комірці.

а - об'ємноцентрована кубічна; б - гранецентрована кубічна; в - гексагональна щільно укладена

Рисунок 1.1 - Основні типи елементарних кристалічних комірок

Правильне розташування атомів в монокристалах обумовлює неоднакову щільність заповнення атомами різних кристалографічних площин і напрямків. Властивості монокристалів залежать від вибраного напрямку, тобто від того, як щільно розташовані атоми в напрямку, вздовж котрого ведеться вимір.

В аморфних тілах властивості не залежать від напрямку, такі тіла називаються ізотропними.

Кристалічні тіла анізотропні, тобто їх властивості залежать від кристалографічного напрямку.

Рисунок 1.2 - Графік зміни вільної енергії F рідкого і твердого

станів залежності від температури.

Кристалізація металів - це процес термодинамічний, самостійно протікаючий згідно з другім законом термодинаміки (система прямує до мінімізації надлишкової енергії) (рисунок 1.2).

Fp - надлишкова енергія рідини; Fкр. - надлишкова енергія кристалі­чного стану речовини; Тs - теоретична температура кристалізації; Тф - фа­ктична температура кристалізації; t - температура переохолодження.

Кристалізація можлива тільки при переохолодженні рідкого металу. Це пов'язано з закономірностями надлишкової енергії в рідкому стані і твердому стані в залежності від температури.

При Тф Fкр. < Fp, тому речовина знаходиться у твердому стані; при температурі більш Тs Fкр. > Fp, тому речовина знаходиться у рідкому ста­ні.

Із графіку також видно: чим більше значення t, тим більше різниця Fкр. – Fp, тим інтенсивніше протікає перехід речовини з рідкого в твердий стан.

Кристалізація - процес дифузійного переходу атомів (молекул) з рі­дини в кристалічний стан.

Механізм кристалізації складається з двох одночаснсицр'отікаючих процесів: процесу утворення центрів кристалізації (ц.к.) і процесу росту кристалів (р.к.).

Процес кристалізації вивчають за кривими охолодження (рисунок 1.3). Зниження температури викликає охолодження розплаву (ділянка ав). Процес кристалізації починається при температурі Ткр., яка менше від тем­ператури Тs на величину температури переохолодження t.

З початком кристалізації відвід тепла в навколишнє середовище буде компенсуватися виділенням схованої теплоти плавлення. На кривій охолодження з'явиться горизонтальна ділянка (ВС). При завершенні процесу кристалізації (крап­ка С) почнеться охолодження твердого металу (СД).

Рисунок 1.3 - Крива охолодження чистого металу

Збільшення температури переохолодження ( t) викликає збільшення центрів кристалізації і швидкості росту кристалів. Здрібнювання зерна в сплавах досягається шляхом модифікування, тобто введення в розплав ди­сперсних частинок, які грають роль додаткових центрів кристалізації.

При кристалізації металів і їх сплавів утворюються дендритні крис­тали (деревоподібні).

Діаграма стану сплаву показує зміну стану в залежності від температури і концентрації. Діаграма стану будується за результатами термічного аналізу кривих охолодження. За кривими охолодження в місцях пе­регину визначають температури ліквідус (початок кристалізації) солідус (кінець кристалізації). Будують криві охолодження для декількох составів сплавів. Креслять діаграму в координатах Т°С - концентрацій. На осі кон­центрації у точках, що відповідають вибраним сплавам, проводять темпе­ратурні вертикалі. На вертикалях відкладають точки 1 і s. З'єднують точки і одержують лінії ліквідус і солідус.

Діаграма стану сплаву Sn-Pb (рисунок 3.1) відповідає діаграмі ІІІ-го роду: компоненти, необмежено розчиняються у рідкому стані, частково - у твердому і утворюють евтектику. Сплави Sn-Pb використовуються як м'які припої. Температура плавлення РЬ складає 327°С, Sn - 232°С, темпе­ратура плавлення евтектики - 183°С, склад евтектики: 61,9% Sn, 32,1% Pb. Pb і Sn утворюють тверді розчини.

Користуючись діаграмою стану, визначають склад припою, темпера­туру пайки. При пайці припої рекомендується нагрівати на 35...90°С вище температури плавлення з метою отримання необхідної рідиннотекучості і змочування.

Рисунок 3.1 – Діаграма стану сплаву Pb- Sn