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. отсутс­твием правильного расположения атомов, периодически повторяю­щегося 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 сос­тояния в твердое, называется скрытой теплотой плавления. Темпера­тура кристаллизации определяется как температура, при которой свободные энергии жидкой и твердой фаз равны. Изменение свобод­ной энергии жидкого и твердого состояний зависит от температуры (рис.1).

Температура Т_s 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 сво­бодной энергии твердого металла по сравнению с жидким. Следо­вательно, для перехода металла из жидкого состояния в твердое необходимо переохлаждение ниже равновесной температуры крис­таллизации.

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 об­ладает тем свойством, что если соединить (сварить) одни концы проволок, а другие присоединить к гальванометру, то при нагре­ве спая возникает электродвижущая сила, вызывающая отклонения стрелки гальванометра. Величина электродвижущей силы зависит от состава материала термопары и температуры замкну­тых концов цепи. Результирующая ЭДС тем больше, чем больше раз­ность температур горячего и холодного спая. При постоянной тем­пературе 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 метал­лов: 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 огне­упорным колпачком от соприкосновения с жидким металлом, опуска­ется в металл с таким расчетом, чтобы спай находился в середине объема металла, что позволяет характеризовать его действитель­ную температуру. Холодный спай термопары выводят к измеритель­ным приборам. По показаниям этих приборов - по отдельным заме­рам 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 переох­лаждения, и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже теоретической температуры кристаллиза­ции.

Механизм кристаллизации состоит в образовании центров кристаллизации и последующем их росте.

При достижении температуры кристаллизации в жидком металле возникают мельчайшие частицы кристаллов, называемые "зародыша­ми" или "центрами кристаллизации", из которых с определенной скоростью растут кристаллы. Пока кристаллы окружены жидкостью, они имеют правильную форму. При столкновении растущих кристал­лов их правильная форма нарушается. Форма кристаллов зависит от условий их соприкосновения в процессе роста.

Скорость процесса кристаллизации зависит от скорости зарож­дения 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. возрас­тают, 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 пере­охлаждения число центров кристаллизации увеличивается и размер зер­на 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 нагрева­ть 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 милливольтметра мВ	Примечания

Порядок оформления отчета

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.