Основные теоретические сведения

Критическими точками называются температуры, при которых начинаются и заканчиваются структурные превращения. Для определения критических точек (температур) металлов и сплавов используют термический метод. Так в сплаве системы «Свинец – Сурьма» критическими точками являются температура начала и температура конца кристаллизации.

Термический метод определения критических точек (температур) основан на том, что структурные превращения сопровождаются тепловым эффектом, т. е. в момент структурных (фазовых) превращений происходит выделение или поглощение тепла. Процесс кристаллизации сплава сопровождается выделением тепла, а его плавление протекает с поглощением тепла. Это находит отражение на термических кривых сплавов.

Зависимость температуры от времени охлаждения (нагрева), изображённая графически в координатах температура – время, называется термической кривой охлаждения (нагрева) сплава.

Термический метод определения критических точек основан на том, что структурные превращения сопровождаются тепловым эффектом. Так процесс кристаллизации сплава сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Заметив, при каких температурах начинается и заканчивается выделение теплоты, мы тем самым определим критические точки в сплаве.

В отличие от чистых металлов, кристаллизующихся при постоянных температурах, большинство сплавов кристаллизуется в интервале температур. Начало кристаллизации соответствует перегибу на кривой (первая критическая точка); конец кристаллизации сплавов отмечается горизонтальным участком на кривой (вторая критическая точка) охлаждения.

Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация составляющих их компонентов при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре называются эвтектическими – им соответствует строго определённое процентное отношение компонентов.

Эвтектика – это физико-химическая смесь двух или более кристаллов компонентов или фаз, образующаяся в результате одновременной кристаллизации их из жидкого состояния. Во всех сплавах неэвтектического содержания начало кристаллизации сопровождается выделением кристаллов избыточного по отношению к эвтектическому содержанию компонента и продолжается до тех пор, пока весь избыточный компонент не закристаллизуется.

Для построения кривых охлаждения термическим методом и выявления критических точек изучаемых сплавов используется термоэлектрический пирометр. Термоэлектрический пирометр состоит из термопары и электроизмерительного прибора – милливольтметра (гальванометра), а для более точных измерений вместо милливольтметра применяют потенциометр. К клеммам этих приборов подсоединяют термопару.

Термопара представляет собой два проволочных электрода из разных металлов (сплавов), одни концы которых сварены между собой (горячий спай), другие свободные концы термопары (холодный спай) непосредственно или через соединительные провода присоединяются к электроизмерительному прибору.

Горячий спай термопары помещается в среду, объект, температуру которых необходимо измерить.

В замкнутой цепи, образованной из двух разнородных металлов  (сплавов) – электродов термопары, возникает термоэлектродвижущая сила (Т.Э.Д.С.) и термоэлектронный ток (Т.Э.Т.), если один конец (горячий спай) электродов этой цепи нагревается до более высокой температуры, чем другой. Величина возникающей Т.Э.Д.С. зависит от разности температур обоих концов цепи и природы металлов (сплавов), составляющих данную цепь, а величина Т.Э.Т., кроме того, и от сопротивления цепи.

Измерение Т.Э.Д.С. позволяет определить разность температур, а следовательно, и температуру нагрева, если известны температурная зависимость величины Т.Э.Д.С. для металлов, составляющих цепь, и температура более холодного конца цепи. При точных измерениях температуры холодный спай термопары должен находиться при постоянной температуре. С этой целью холодный спай помещают в специальные сосуды со льдом или располагают на значительном расстоянии от печи.

В зависимости от температуры нагрева исследуемых объектов применяются следующие термопары:

а) платина – платинородий (90 % Pt + 10 % Ro) при нагреве до 1600ºC, тип ПП.

б) хромель (89 % Ni + 10 % Cr + 1 % Fe) – алюмель (95 % Ni + 2 % Al + 2 % Mn + 1 % Si) при нагреве до 1100ºC, тип ХА.

в) хромель – копель (43-44 % Ni + 57-56 % Cu) при нагреве до 800ºC, тип ХК.

г) медь – копель при нагреве до 500ºC, тип МК.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1 Расплавить сплав, нагревая его в тигельной печи до температуры, заданной преподавателем.

2 Извлечь тигель со сплавом из печи, погрузить горячий спай термопары в сплав и через каждые 10 с записывать показания термоэлектрического пирометра. Замеры температуры прекратить по достижении 180ºC.

3 Полученные показания перенести в координатные оси «температура – время».

4 С помощью преподавателя построить схематизированную кривую охлаждения и определить по ней критические точки сплава.

Работа выполняется на сплавах, содержащих 5, 10, 20 и 40 % сурьмы, остальное до 100 % – свинец. Масса каждого сплава – 100 г.

 

ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЁТА

1 Изложить основные понятия.

2 Дать таблицу температур сплава в процессе охлаждения.

3 Построить термическую кривую охлаждения сплава с указанием на ней критических точек сплава.

4 Представить характеристику (достоинства и недостатки) термического метода в выводах по работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Что называется критическими точками сплава?

2 На чем основан термический метод определения критических точек сплава?

3 Как устроен термоэлектрический пирометр?

4 Сколько времени шел процесс кристаллизации (показать на кривой охлаждения)?

5 В каком температурном интервале протекал процесс кристаллизации сплава (показать на кривой охлаждения)?