Analiza termiczna

wszystkie rysunki czy tabele zawarte są razem z treścia w załączniku.

Cel laboratorium

Celem laboratorium nr 2 jest zapoznanie się ze sposobem wyznaczania krzywych chłodzenia i sposobem konstrukcji wykresów równowagi fazowej oraz strukturami metali i stopów.



1. Podstawowe pojęcia dotyczące wykresów równowagi fazowej.

Równowaga fazowa – występuje, gdy stosunki ilościowe między fazami układu, tj. skład fazowy pozostają stałe.

Równowaga termodynamiczna – jest funkcją stanu układu.

Układ – jest to zbiór faz.

Składniki układu – tak nazywamy pierwiastek lub związek niezbędny do utworzenia wszystkich faz występujących w całym układzie, np. stop żelaza z węglem, gdzie żelazo i węgiel są składnikami, natomiast ciekły węgiel w żelazie tworzy roztwory stałe węgla Fe - α ferryt), Fe - γ (austenit) oraz Fe3C (cementyt), które są fazami.

Faza – jest to część układu jednorodna pod względem fizycznym i krystalograficznym, oddzielona od reszty układu resztą międzyfazową (α, β, γ, …).
Istnieją układy jednoskładnikowe (H2O) – pojedyncze, Dwuskładnikowe – podwójne.

Kryterium równowagi termodynamicznej jest energia swobodna, która osiąga wartość minimalną.

Energia swobodna – jest jednoznaczną funkcją stanu układu, np. energia Helmoltza (F) jest to układ o stałej temperaturze i objętości.

F= E – TS

E – energia wewnętrzna
S – entropia

Reguła faz (Gibbsa) – określa liczbę stopni swobodnych [S] układu, tzn. liczbę zewnętrznych czynników, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby faz w układzie.

S = n – f + 1

n – liczba składników
f – liczba faz

S = 0 – jest to układ niezmienny
S = 1 – jest to układ jednozmienny
S = 2 – jest to układ dwuzmienny, można zmienić dwa czynniki



Reguła dźwigni (reguła odcinków) – służy do określania procentowego udziału faz w stopie przy danej temperaturze w stanie równowagi.














Likwidus – linia powyżej, której znajduje się ciecz.

Solidus – linia poniżej, której znajduje się ciało stałe.



WYKRESY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
























Wykres fazowy z przemianą eutektoidalną






















Wykres fazowy z przemianą eutektyczną, gdy składniki rozpuszczają się w stanie stałym



























Wykres fazowy dla składników nie rozpuszczających się wzajemnie w stanie stałym
























Wykres fazowy dla składników o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym


















Wykres fazowy z przemianą perytektyczną

















Tworzenie się fazy pośredniej AB (γ) podczas przemiany perytektycznej




2. Krzywa nagrzewania i chłodzenia.

Metoda sporządzania krzywych nagrzewania (chłodzenia) należy do najprostszych i najwcześniej zastosowanych w metaloznawstwie metod analizy termicznej, w której wykorzystuje się efekty wydzielania (lub pochłaniania) utajonego ciepła przemiany fazowej pierwszego rodzaju, ujawniające się na krzywych nieciągłością zmian temperatury w czasie. Schemat stanowiska do analizy cieplnej przedstawiono na rysunku 1.













Rys. 1 Urządzenie do wyznaczania krzywych chłodzenia metali.

Badaną próbkę lub tygiel ze stopem (2) umieszcza się w piecu (1) i nagrzewa ze stałą szybkością do określonej temperatury, a następnie chłodzi. Jednocześnie mierzy się temperaturę termoelementem (3) połączonym z mikrowoltomierzem (4), w stałych odstępach czasu. Wyniki pomiarów umożliwiają sporządzenie wykresów chłodzenia (nagrzewania) stopu w układzie temperatura – czas. Aktualnie wykresy takie kreślą urządzenia samopiszące, elektryczne lub elektroniczne (kompensatory).
Na rysunku 2 przedstawiono schematy uzyskanych w ten sposób krzywych chłodzenia substancji ze stanu ciekłego. Krzywa I przedstawia chłodzenia ciała bezpostaciowego (szkła). Krzywa II jest charakterystyczna dla chłodzenia czystych metali, związków chemicznych i międzymetalicznych o stałym składzie stopów o składzie punktu eutektycznego, a krzywa III dla stopów krzepnących w zakresie temperatur. Występujące na krzywych chłodzenia załamania i przystanki są wynikiem wydzielania utajonego ciepła krzepnięcia. Nieciągłości te mają charakter poziomych odcinków równoległych do osi czasu (przemiana fazowa w stałej temperaturze) lub załamania na krzywej (przemiana fazowa w zakresie temperatur T1-Ts).
















Rys. 2 Krzywe chłodzenia różnych substancji.

Długości poziomych odcinków przy przemianach równowagowych czystych metali zależą głównie od objętości stopu i wartości utajonego ciepła przemiany. Największe wartości ciepła przemiany są związane ze zmianą stanu skupienia. I tak na przykład, utajone ciepło krzepnięcia dla czystego żelaza wynosi 15,5 kJ/mol, natomiast ciepło przemiany alotropowej Feα -> Feγ w stanie stałym tylko 0,878 kJ/mol. Wyraźnie zaznaczony na krzywej chłodzenia przystanek ułatwia jednoznaczną ocenę temperatury przemiany. W związku z powyższym metoda krzywych chłodzenia (nagrzewania) daje najdokładniejsze wyniki przy ocenach temperatur topnienia (krzepnięcia) w stopach i jest stosowana przy budowie wykresów równowagi układów.


Zmiany mikrostruktury w stopie eutektycznym podczas bardzo powolnego chłodzenia













Zmiany mikrostruktury w stopie nadeutektycznym podczas bardzo powolnego chłodzenia






















Zmiany mikrostruktury w stopie podeutektycznym podczas bardzo powolnego chłodzenia


























Ćwiczenie I

Cel ćwiczenia:

Wyznaczenie krzywej chłodzenia dla czystego metalu (Sn).

Przebieg ćwiczenia:

Tabela przedstawia zestawienie temperatury [0C] oraz wartości mikrowoltomierza mierzonych przez 16 minut przy odczytach pomiarów co 1 minutę.

T, 0C Wartość mikrowoltomierza t, czas [min]
252 0920 1
250 0911 2
248 0896 3
242 0880 4
237 0861 5
232 0843 6
226 0824 7
223 0808 8
228 0828 9
229 0832 10
230 0835 11
232 0837 12
230 0832 13
231 0831 14
231 0831 15
231 0831 16




Wyniki pomiarów zostały umieszczone również na wykresie w układzie temperatura – czas.




Struktura cyny po przemianie:




Wnioski:

Przemiana czystego metalu – cyny ze stanu ciekłego w stały zaszła w temperaturze 2310C, powinna była zajść w temperaturze 2320C. Powodem, dla którego temperatura przemiany w ćwiczeniu jest niższa o 10C od temperatury prawidłowej może być:
· tzw. „błąd studenta”, czyli błąd w odczycie temperatury otoczenia;
· błąd pomiarowy aparatury użytej do wykonania ćwiczenia.