CONSTRUCŢIA DIAGRAMELOR BINARE DE ECHILIBRU
6.1. SCOPUL LUCRĂRII
Lucrarea urmăreşte înţelegerea fenomenelor care stau la baza transformărilor pe care le suferă sistemele de aliaje în condiţiile variaţiei temperaturii, stabilirea temperaturii de turnare şi a posibilităţilor de tratament termic.
6.2. CONSIDERAŢII TEORETICE
Aliajele sunt materiale complexe, obţinute prin difuziunea a două sau mai multe elemente, din care cel puţin unul, şi anume cel de bază, este metal. Elementele care formează aliajul poartă numele de componenţi. Totalitatea aliajelor care se pot obţine din aceiaşi componenţi, dar în proporţii diferite, poartă numele de sistem de aliaje.
Pentru că majoritatea proceselor metalurgice au loc la presiunea atmosferică, care se poate considera constantă, variaţia stării unui sistem de aliaje în funcţie de temperatură şi concentraţie se poate urmării cu ajutorul unor diagrame de echilibru. Diagramele de echilibru reprezintă imagini clare, de ansamblu, ale proceselor care se petrec în timpul cristalizării aliajelor, în condiţiile unei răciri foarte lente. Ele arată temperaturile sau intervalele de topire, respectiv de solidificare, ale aliajelor, precum şi toate transformările care vor avea loc în stare solidă.
Deoarece proprietăţile tehnologice şi mecanice ale aliajelor sunt determinate în mare măsură de microstructura lor, cunoaşterea diagramelor de echilibru este foarte importantă din punct de vedere ştinţific şi practic, ele indicând dacă proprietăţile unui aliaj mai pot fi îmbunătăţite sau nu prin aplicarea unor tratamente termice.
Diagramele de echilibru se construiesc în coordonate temperatură-concentraţie. Pe ordonată se trec temperaturile, iar pe abscisă concentraţia de la 0 la 100%. Astfel, o orizontală trasată în câmpul diagramei de echilibru va reprezenta o temperatură constantă, adică o izotermă, o verticală va reprezenta un aliaj de o anumită concentraţie, iar un punct va reprezenta un aliaj la o anumită temperatură. Domeniile diagramei corespund stărilor omogene ale sistemului, adică fazelor, liniile diagramei despărţind domeniile între ele.
Diagramele de echilibru se construiesc pe cale experimentală, prin diferite metode. Dintre metodele utilizate pentru trasarea diagramelor de echilibru (metoda magnetică, electrică, dilatometrică, etc.), cea mai simplă şi în acelaşi timp suficient de precisă este metoda analizei termice. Metoda analizei termice permite determinarea punctelor de transformare din stare lichidă în stare solidă, ca şi a punctelor de transformare în stare solidă, prin trasarea curbelor de răcire, pe care vor apare inflexiuni sau paliere. Pentru aceasta, cele două metale pure şi câteva aliaje ale sistemului, se încălzesc până la topirea completă, după care se lasă să se răcească. În timpul răcirii se măsoară temperatura lor şi după datele obţinute se construiesc curbele de variaţie a temperaturii în funcţie de timp (curbele de răcire). Apoi punctele critice de pe curbele de răcire se transportă pe diagrama de echilibru construită în coordonate temperatură-concentraţie. Prin unirea punctelor respective se obţin liniile diagramei.
Topirea metalelor şi aliajelor se realizează în cuptoare electrice cu creuzet, iar temperatura se măsoară cu ajutorul pirometrului termoelectric.
Cuptoarele electrice cu creuzet folosite în acest caz sunt cuptoare cu rezistenţă electrică (fig.6.1), la care încălzirea se face cu o spirală crom-nichel 1, montată în jurul creuzetului cu şamotă 3. La trecerea curentului electric, rezistenţa se încălzeşte şi degajă o cantitate de căldură ce se poate determina cu relaţia :
În care Q este cantitatea de căldură (J);
R - rezistenţa electrică ();
I - intensitatea curentului (A);
t - timpul (s).
Căldura produsă încălzeşte creuzetul 3 în care se topeşte materialul metalic 4. Pentru a se păstra căldura, creuzetul se montează într-o manta metalică 5 căptuşită cu material calorifug 2, de exemplu cu vată de azbest.
6.1. SCOPUL LUCRĂRII
Lucrarea urmăreşte înţelegerea fenomenelor care stau la baza transformărilor pe care le suferă sistemele de aliaje în condiţiile variaţiei temperaturii, stabilirea temperaturii de turnare şi a posibilităţilor de tratament termic.
6.2. CONSIDERAŢII TEORETICE
Aliajele sunt materiale complexe, obţinute prin difuziunea a două sau mai multe elemente, din care cel puţin unul, şi anume cel de bază, este metal. Elementele care formează aliajul poartă numele de componenţi. Totalitatea aliajelor care se pot obţine din aceiaşi componenţi, dar în proporţii diferite, poartă numele de sistem de aliaje.
Pentru că majoritatea proceselor metalurgice au loc la presiunea atmosferică, care se poate considera constantă, variaţia stării unui sistem de aliaje în funcţie de temperatură şi concentraţie se poate urmării cu ajutorul unor diagrame de echilibru. Diagramele de echilibru reprezintă imagini clare, de ansamblu, ale proceselor care se petrec în timpul cristalizării aliajelor, în condiţiile unei răciri foarte lente. Ele arată temperaturile sau intervalele de topire, respectiv de solidificare, ale aliajelor, precum şi toate transformările care vor avea loc în stare solidă.
Deoarece proprietăţile tehnologice şi mecanice ale aliajelor sunt determinate în mare măsură de microstructura lor, cunoaşterea diagramelor de echilibru este foarte importantă din punct de vedere ştinţific şi practic, ele indicând dacă proprietăţile unui aliaj mai pot fi îmbunătăţite sau nu prin aplicarea unor tratamente termice.
Diagramele de echilibru se construiesc în coordonate temperatură-concentraţie. Pe ordonată se trec temperaturile, iar pe abscisă concentraţia de la 0 la 100%. Astfel, o orizontală trasată în câmpul diagramei de echilibru va reprezenta o temperatură constantă, adică o izotermă, o verticală va reprezenta un aliaj de o anumită concentraţie, iar un punct va reprezenta un aliaj la o anumită temperatură. Domeniile diagramei corespund stărilor omogene ale sistemului, adică fazelor, liniile diagramei despărţind domeniile între ele.
Diagramele de echilibru se construiesc pe cale experimentală, prin diferite metode. Dintre metodele utilizate pentru trasarea diagramelor de echilibru (metoda magnetică, electrică, dilatometrică, etc.), cea mai simplă şi în acelaşi timp suficient de precisă este metoda analizei termice. Metoda analizei termice permite determinarea punctelor de transformare din stare lichidă în stare solidă, ca şi a punctelor de transformare în stare solidă, prin trasarea curbelor de răcire, pe care vor apare inflexiuni sau paliere. Pentru aceasta, cele două metale pure şi câteva aliaje ale sistemului, se încălzesc până la topirea completă, după care se lasă să se răcească. În timpul răcirii se măsoară temperatura lor şi după datele obţinute se construiesc curbele de variaţie a temperaturii în funcţie de timp (curbele de răcire). Apoi punctele critice de pe curbele de răcire se transportă pe diagrama de echilibru construită în coordonate temperatură-concentraţie. Prin unirea punctelor respective se obţin liniile diagramei.
Topirea metalelor şi aliajelor se realizează în cuptoare electrice cu creuzet, iar temperatura se măsoară cu ajutorul pirometrului termoelectric.
Cuptoarele electrice cu creuzet folosite în acest caz sunt cuptoare cu rezistenţă electrică (fig.6.1), la care încălzirea se face cu o spirală crom-nichel 1, montată în jurul creuzetului cu şamotă 3. La trecerea curentului electric, rezistenţa se încălzeşte şi degajă o cantitate de căldură ce se poate determina cu relaţia :
În care Q este cantitatea de căldură (J);
R - rezistenţa electrică ();
I - intensitatea curentului (A);
t - timpul (s).
Căldura produsă încălzeşte creuzetul 3 în care se topeşte materialul metalic 4. Pentru a se păstra căldura, creuzetul se montează într-o manta metalică 5 căptuşită cu material calorifug 2, de exemplu cu vată de azbest.
Pirometrul termoelectric (fig.6.2) se compune din termocuplul T şi milivoltmetrul sau galvanometrul G. Termocuplul este construit din două sârme de metal sau aliaje diferite ce au capetele sudate în punctul a. Celelalte două capete b şi c sunt legate cu ajutorul conductorilor de legătură la galvanometru.
Dacă se încălzeşte sudura termocuplului, în circuit ia naştere un curent termoelectric a cărui mărime este înregistrată de milivoltmetru. Milivoltmetrul este alcătuit dintr-un magnet fix cu polii N şi S, dintr-o bobină mobilă B şi un cilindru C, construit din fier moale, instalat în interiorul bobinei. Cele două capete ale axului se sprijină pe reazeme care dau posibilitatea bobinei să se rotească în jurul axei sale. Rama bobinei are un ac indicator, care se mişcă pe o scară cu diviziuni. Curentul electric ce se dezvoltă în termocuplu, trecând prin bobină formează în jurul ei un câmp magnetic. Din interacţiunea acestui câmp magnetic cu cel al magnetului permanent rezultă un moment mecanic care roteşte bobina împreună cu acul indicator. Cu cât temperatura va fi mai mare cu atât forţa electromotoare va fi mai mare şi acul indicator se va deplasa mai mult. În cazul în care galvanometrul nu este etalonat direct în grade, atunci el trebuie să aibă o curbă sau un tabel de creştere a temperaturii în raport cu tensiunea. Dintre diferitele termocupluri cele mai întrebuinţate sunt:
- cupru-constantan, pentru temperaturi cuprinse între (200...400)C;
- fier-constantan, pentru temperaturi până la 600C;
- crom-nichel-constantan, pentru temperaturi până la 800 C;
- cromel-alumel, pentru temperaturi până la 950C;
- platină-platinrhodiu, pentru temperaturi până la 1200C şi pentru scurtă durată chiar până la 1600C.
6.3. MODUL DE LUCRU
Cu ajutorul instalaţiei din laborator se poate trasa, prin metoda analizei termice, diagrama de echilibru a sistemului Pb-Sb. Instalaţia este compusă din 4 cuptoare electrice cu creuzet în care se găsesc: plumb pur, un aliaj de plumb cu 10% stibiu, un aliaj de plumb cu 13% stibiu şi un aliaj de plumb cu 20% stibiu. Pentru urmărirea modului în care variază temperatura se folosesc 4 termocuple de tip cromel-alumel, legate la bornele a 4 milivoltmetre ce au scala indicatoare etalonată direct în grade Celsius. Măsurarea timpului în care se răcesc aliajele se face cu ajutorul a 4 cronometre.
Pentru executarea lucrării:
-se identifică instalaţia de încălzire, creuzetele şi aparatele indicatoare corespunzătoare;
-se conectează instalaţia de încălzire la reţea şi se cuplează fiecare creuzet în parte, prin apăsarea pe butoanele verzi ;
-se urmăreşte ca prin încălzire să nu se depăşească temperatura de 400C;
-la atingerea temperaturii de 400C se decuplează individual fiecare creuzet prin apăsare pe butonul roşu ;
-se măsoară din 30 în 30 de secunde temperatura din interiorul fiecărui creuzet până la atingerea temperaturii de 200C.
Datele obţinute se trec în tabelul 6.1.
- cupru-constantan, pentru temperaturi cuprinse între (200...400)C;
- fier-constantan, pentru temperaturi până la 600C;
- crom-nichel-constantan, pentru temperaturi până la 800 C;
- cromel-alumel, pentru temperaturi până la 950C;
- platină-platinrhodiu, pentru temperaturi până la 1200C şi pentru scurtă durată chiar până la 1600C.
6.3. MODUL DE LUCRU
Cu ajutorul instalaţiei din laborator se poate trasa, prin metoda analizei termice, diagrama de echilibru a sistemului Pb-Sb. Instalaţia este compusă din 4 cuptoare electrice cu creuzet în care se găsesc: plumb pur, un aliaj de plumb cu 10% stibiu, un aliaj de plumb cu 13% stibiu şi un aliaj de plumb cu 20% stibiu. Pentru urmărirea modului în care variază temperatura se folosesc 4 termocuple de tip cromel-alumel, legate la bornele a 4 milivoltmetre ce au scala indicatoare etalonată direct în grade Celsius. Măsurarea timpului în care se răcesc aliajele se face cu ajutorul a 4 cronometre.
Pentru executarea lucrării:
-se identifică instalaţia de încălzire, creuzetele şi aparatele indicatoare corespunzătoare;
-se conectează instalaţia de încălzire la reţea şi se cuplează fiecare creuzet în parte, prin apăsarea pe butoanele verzi ;
-se urmăreşte ca prin încălzire să nu se depăşească temperatura de 400C;
-la atingerea temperaturii de 400C se decuplează individual fiecare creuzet prin apăsare pe butonul roşu ;
-se măsoară din 30 în 30 de secunde temperatura din interiorul fiecărui creuzet până la atingerea temperaturii de 200C.
Datele obţinute se trec în tabelul 6.1.
Pe baza datelor din tabel se construiesc curbele de răcire pentru fiecare din cele 4 aliaje.
Se transpun punctele critice, determinate cu ajutorul curbelor de răcire, în câmpul diagramei de echilibru a sistemului. Se unesc între ele punctele critice de aceiaşi semnificaţie.
Observaţie: pentru a se evita erorile de paralaxă, în timpul citirii valorilor temperaturii, se va privi perpendicular pe cadranul aparatului indicator.
6.4. REZULTATE
Trasarea diagramei de echilibru şi a curbelor de răcire se va face pe hârtie milimetrică. Se vor nota punctele diagramei şi se vor stabili semnificaţiile liniilor. Se vor completa domeniile diagramei. Se va compara diagrama obţinută experimental cu cea teoretică.
Se transpun punctele critice, determinate cu ajutorul curbelor de răcire, în câmpul diagramei de echilibru a sistemului. Se unesc între ele punctele critice de aceiaşi semnificaţie.
Observaţie: pentru a se evita erorile de paralaxă, în timpul citirii valorilor temperaturii, se va privi perpendicular pe cadranul aparatului indicator.
6.4. REZULTATE
Trasarea diagramei de echilibru şi a curbelor de răcire se va face pe hârtie milimetrică. Se vor nota punctele diagramei şi se vor stabili semnificaţiile liniilor. Se vor completa domeniile diagramei. Se va compara diagrama obţinută experimental cu cea teoretică.
