MATERIAŁOZNAWSTWO

LABORATORIUM NR 2

Temat: Analiza termiczna.

Emilia Ludwig

Zarządzanie i Inżynieria Produkcji (zaoczne)

I rok

II semestr

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:

              ...