Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
10
PAGE 3
Ткр
Т
Тs
Рис. 2. Кривые охлаждения при кристаллизации
Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояния металла в зависимости от температуры
Тs
Рис. 3. Скорость роста кристаллов (1) и число центров кристаллизации (2) в зависимости от степени переохлаждения металла
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ И
ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ
Цель работы
Ознакомиться с методикой проведения термического анализа чистых металлов и градуировки термопар.
Задание
1. Произвести термический анализ чистых металлов и построить для них кривые охлаждения.
2. По кривым охлаждения определить значения ЭДС, характеризующие температуры кристаллизации чистых металлов.
3. Построить градуировочную кривую для хромель-алюмелевых термопар.
Основные сведения
Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов называется кристаллизацией. Особенностью перехода из жидкого состояния в твердое является то, что в чистых металлах он протекает при постоянных температурах, которые зависят от природы металла и давления.
Расположение атомов в жидкости характеризуется отсутствием дальнего порядка, т.е. отсутс твием правильного расположения атомов, периодически повторяю щегося в трех измерениях.
Внутренняя энергия неупорядоченной жидкости больше упорядоченного строения твердого тела, поэтому при переходе из одного состояния в другое наблюдается выделение (или поглощение) тепла.
Теплота, выделяющаяся при переходе металла из жидкого сос тояния в твердое, называется скрытой теплотой плавления. Темпера тура кристаллизации определяется как температура, при которой свободные энергии жидкой и твердой фаз равны. Изменение свобод ной энергии жидкого и твердого состояний зависит от температуры (рис.1).
Температура Тs называется равновесной температурой кристаллизации (плавления). Процесс кристаллизации при этой температуре не происходит, т.к. в этих условиях свободные энергии жидкого и твердого состояний равны.
Процесс кристаллизации начинается, когда возникает разность сво-
бодных энергий, которая образуется вследствие меньшей сво бодной энергии твердого металла по сравнению с жидким. Следо вательно, для перехода металла из жидкого состояния в твердое необходимо переохлаждение ниже равновесной температуры крис таллизации.
Для проведения термического анализа испытуемый металл, если определяют температуру кристаллизация, помещают в тигель и доводят до плавления. После этого металл медленно охлаждают с постоянной скоростью и через равные промежутки времени замеряют его температуру. Для измерения высоких значений температур обычно используют термоэлектрические пирометры. Термоэлектрические пирометры состоят из термопары и регистрирующего устройства (милливольтметра, потенциометра ).
Термопара состоит из двух проволочек разных металлов или сплавов и об ладает тем свойством, что если соединить (сварить) одни концы проволок, а другие присоединить к гальванометру, то при нагре ве спая возникает электродвижущая сила, вызывающая отклонения стрелки гальванометра. Величина электродвижущей силы зависит от состава материала термопары и температуры замкну тых концов цепи. Результирующая ЭДС тем больше, чем больше раз ность температур горячего и холодного спая. При постоянной тем пературе одного из концов, выведенных к измерительному прибору (называемого холодным спаем), результирующая ЭДС определяется температурой второго конца (горячего спая), который вводится в расплавленный металл.
В качестве термопары применяют следующие сочетания метал лов: платинородий (10% Rh) - платина (ПП1) ; платинородий (30% Rh ) - платинородий (6 % Rh ) (ДР30/6), хромельалюмель (ХА); хромель-копель(ХК).
Таблица 1
Химический состав сплавов для термопар
|
Хромель |
Алюмель |
Константан |
Платинородий |
|
Ni - 89,0 % Cr - 9,8 % Fe - 1,0 % Mn - 0,2 % |
Ni - 94 % Al - 2 % Si - 1,0 % Fe - 0,5 % Mn - 2,5 % |
Ni - 40 % Cu - 59 % Mn - 1 % |
Pt - 90 % Rh - 10 % |
Таблица 2
Область применения термопар
|
Термопара |
Температурный предел, 0 С |
|
Медь- константан Серебро-константан Железо-константан Хромель-алюмель Платина-платинородий |
400 600 650 900 1600 |
Горячий спай термопары, защищенный огне упорным колпачком от соприкосновения с жидким металлом, опуска ется в металл с таким расчетом, чтобы спай находился в середине объема металла, что позволяет характеризовать его действитель ную температуру. Холодный спай термопары выводят к измеритель ным приборам. По показаниям этих приборов - по отдельным заме рам температуры через определенные промежутки времени получают графики Т= () , в координатах ЭДС - время ( рис.2 ).
На кривой охлаждения можно выделить три участка:
1 - охлаждение металла в жидком состоянии,
2 - период кристаллизации,
3 - охлаждение металла в твердом состоянии.
На кривой охлаждения при кристаллизации появляется горизонтальная площадка ( остановка в падении температуры ), причиной которой является выделение скрытой теплоты кристаллизации.
Фактическая температура кристаллизации ниже теоретической температуры. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения
Т = Ts –Tkp
Степень переохлаждения зависит от природы, чистоты металла и скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переох лаждения, и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже теоретической температуры кристаллиза ции.
Механизм кристаллизации состоит в образовании центров кристаллизации и последующем их росте.
При достижении температуры кристаллизации в жидком металле возникают мельчайшие частицы кристаллов, называемые "зародыша ми" или "центрами кристаллизации", из которых с определенной скоростью растут кристаллы. Пока кристаллы окружены жидкостью, они имеют правильную форму. При столкновении растущих кристал лов их правильная форма нарушается. Форма кристаллов зависит от условий их соприкосновения в процессе роста.
Скорость процесса кристаллизации зависит от скорости зарож дения центров кристаллизации (ч.ц) и скорости роста кристаллов из этих центров (с.к.). Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов определяются степенью переохлаждения.
С увеличением степени переохлаждения с.к. и ч.ц. возрас тают, достигают максимума при определенной степени переохлаждения, после чего снижаются (рис.3).
Размер образовавшихся кристаллов зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при данной степени переохлаждения. При небольших степенях переохлаждения в жидкости образуется малое количество центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов из этих центров велика, в результате образуются немногочисленные крупные кристаллы. С увеличением степени пере охлаждения число центров кристаллизации увеличивается и размер зер на в затвердевшем металле уменьшается. Для получения высоких механических, в частности, прочностных свойств желательно получение мелкозернистой структуры.
Зависимость между ЭДС в мВ и температурой в 0С устанавливают по результатам построения градуировочной кривой, т.е. проводят градуировку термопар.
Градуированную кривую строят по известным температурам плавления (кристаллизации ) чистых металлов и соответствующим им значениям ЭДС, определяемым по экпериментальным кривым охлаждения.
Методика проведения работы
В экспериментах используются чистые металлы: олово, свинец, цинк, сурьма.
1. Тигель с металлом установить в электропечь и нагрева ть несколько выше температуры плавления исследуемого металла.
2. В расплавленный металл опустить термопару, защищенную огнеупорным колпачком..
3. Печь выключить. Металл охлаждается вместе с печью.
4. С момента начала охлаждения показания милливольтметра через каждые 30 секунд записывать в табличной форме.
Таблица 3
Номер опыта |
Показания милливольтметрамВ |
Примечания |
В отчете приводятся:
1. Цель работы и задание по ее выполнению.
2. Краткие сведения по теории кристаллизации металлов.
3. Результаты измерения ЭДС для всех исследуемых металлов в табличной форме (табл. 3 ) .
4. Кривые охлаждения в координатах: ЭДС - время.
5. Таблица со значениями ЭДС кристаллизации исследуемых металлов (табл. 4 ) .
Таблица 4
|
Металл |
Температура плавления, 0С |
ЭДС кристаллизации мВ |
|
олово |
232 |
|
|
свинец |
327 |
|
|
цинк |
419 |
|
|
сурьма |
630 |
6. График - градуировочная кривая для хромель-алюмелевой термопары.
Литература
1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е. И., Войткун Ф. Материаловедение.- М.: МИСиС. 1999, 477 с.
2.. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1993 . 447 с.