Построение диаграммы состояния системы олово-свинец термическим методом и определение эвтектической точки

Плавление и кристаллизации вещества являются фазовым переходом первого рода и для незапятнанных веществ плавление характеризуется определенной температурой, являющейся константой данного вещества. В противоположность незапятнанным субстанциям, многокомпонентные консистенции кристаллизуются не при одной температуре, а в неком интервале температур. Потому плавление и кристаллизация сплава данной концентрации характеризуется температурами начала и конца кристаллизации, которые очень зависят от состава сплава. Для суждения о зависимости температуры кристаллизации расплавов от их состава результаты измерений комфортно представить в виде диаграммы состояния. Диаграмма состояния есть графическое изображение конфигурации сбалансированного состояния сплавов зависимо от температуры и концентрации. Разумеется, что внешний облик диаграммы состояния различен для разных композиций веществ и будет определяться нравом взаимодействия меж компонентами сплава. Простой вид диаграмма состояния имеет в этом случае, когда вещества владеют неограниченной растворимостью как в водянистой, так и в жесткой фазе. Таким свойством владеют системы Cu-Ni ; Ag-Au; Вi-Sb и др. Диаграмма состояния таких сплавов (типа сигары) приведена на рис. 1, где по оси ординат нанесены температуры, а по оси абсцисс – концентрации. Линия аNKb именуется линией ликвидуса, линия аМLb – линией солидуса. Выше полосы ликвидуса имеется однородная жидкость. Ниже полосы солидуса – однородный жесткий раствор. Заштрихованная область является областью расслоения на водянистую и твердую фазы. При построении кривой остывания сплава концентрации С видно, что она имеет две критичные точки К и М (рис. 2), надлежащие началу и концу затвердевания соответственно.

Изменение наклона кривых показывает на наличие температурного интервала, в каком происходит выделение теплоты кристаллизации, в отличие от незапятнанного компонента, у которого выделение теплоты кристаллизации происходит при одной строго определенной температуре. В этом случае, когда вещества владеют неограниченной растворимостью в водянистой фазе и совершенно не растворяются друг в друге в жесткой (Bi-Cd; Ag-Pb), они образуют диаграмму с наличием эвтектики (рис. 3). На диаграмме точками а и b обозначены температуры затвердевания незапятнанных веществ А и В. Линия аЕb – температуры начала кристаллизации в зависимости от состава консистенции (линия ликвидуса). Точка Е, в какой пересекаются обе кривые кристаллизации, именуется эвтектической точкой, а кристаллы, выделяющиеся в ней, именуются эвтектикой. Эвтектика представляет собой мелкодисперсную смесь кристаллов незапятнанных компонент.

рис. 3

И, в конце концов, вещества, владеющие неограниченной растворимостью в водянистой и частичной растворимостью в жесткой фазе, образуют диаграмму, представленную на рис. 4.

рис.4 рис.5 К таким композициям относятся Рb-Bi; Bi-Sn; Pb-Sb. Для других композиций веществ вид диаграмм состояния может быть существенно труднее. Разглядим процесс затвердевания сплава концентрации веществ, дающих чисто эвтектическую диаграмму состояния (рис. 3). Кривая , есть кривая конфигурации температуры начала кристаллизации вещества А зависимо от его концентрации в расплаве. Потому ордината точки М есть температура , при которой из данного расплава начинают выделяться кристаллы вещества А в чистом виде. По мере выпадения кристаллов А расплав становится богаче веществом В, а как следует выделение кристаллов А должно происходить при более низкой температуре, чем ; вправду, сразу с кристаллизацией вещества А температура расплава снижается. Когда температура расплава достигнет эвтектической температуры (точка N), а концентрация сплава, соответственно концентрации эвтектического сплава (), начинается затвердевание эвтектики. В процессе затвердевания сплава эвтектической концентрации температура не меняется. Кривая зависимости температуры охлаждающегося расплава концентрации от времени представлена на рис.5.

рис.6 рис.7

Таким макаром, кристаллизация сплава начинается при температуре тем паче низкой, чем поближе концентрация сплава к эвтектической, и завершается при эвтектической температуре. На основании произнесенного видно, что для веществ, имеющих чисто эвтектическую диаграмму состояния, линией солидуса является линия KNEL (рис.3). Для веществ с ограниченной растворимостью кривые остывания сплавов концентраций и (см. рис. 4) представлены, на рис.6. Цель работы состоит в построении диаграммы состояния системы Pb-Sn и определении эвтектической точки. Хотя диаграмма состояния сплава Pb-Sn и не принадлежит к числу чисто эвтектических (эти вещества владеют маленькой обоюдной растворимостью, диаграмма типа рис.4), рабочие концентрации выбраны так, что построение диаграммы для простоты можно вести так же, как и эвтектической.

Выполнение работы. Для построения диаграммы тепловым способом необходимо получить кривые остывания незапятнанных металлов Pb и Sn и ряда их сплавов. В расплавленный и незначительно нагретый металл погружается термопара, присоединенная к милливольтметру. Через определенные (15-30 сек) промежутки времени записываются показания милливольтметра. Остывание незапятнанного металла идет согласно кривой остывания, изображенной на рис. 7, где - исходная температура металла, - температура затвердевания металла. При снижении температуры от к показания прибора однообразно уменьшаются. В промежутке времени показания прибора остаются постоянными, а потом снова начинают уменьшаться. Показание милливольтметра в момент остановки и будет соответствовать температуре затвердевания. При охлаждении сплавов, как было сказано выше, кривая может иметь несколько критичных точек (рис. 5,6), которые определяются по месту конфигурации наклона на кривой остывания. По приобретенным критичным точкам строится диаграмма состояния свинец – олово и находится эвтектическая точка. Диаграмма строится последующим образом: по оси абсцисс откладывается процентное содержание исследуемых сплавов, а на ординаты, надлежащие этим сплавам, наносятся отысканные критичные температуры. Приобретенные точки соединяются плавными линиями. Минимум кривой дает эвтектическую точку. При маленьких разбросах температуры окончания затвердевания исследованных сплавов эта температура находится как среднее арифметическое.