Определение температур превращений металлов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Ивановский государственный политехнический университет»

Кафедра технологических машин и оборудования

Определение температур превращений металлов

Методические указания к лабораторным работам по физическому материаловедению для студентов направления подготовки

22.03.01 Материаловедение и технология материалов

Иваново 2015

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 22.03.01 Материаловедение и технология материалов, и содержат теоретические сведения и описание лабораторного оборудования, необходимого для проведения термического анализа металлов и сплавов.

Составитель канд. техн. наук, доц.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. Н.Е. Егорова

Редактор

Подписано в печать 16.09.2015.

Формат 1/16 60х84. Плоская печать.

Усл. печ. л. 0,7. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 20 экз.

Заказ №_______

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет»

Издательский центр ДИВТ

153000, г. Иваново, пр. Шереметевский, 21

Цель работы:

1. Научиться изготавливать термопару.

2. Освоить методику тарировки термопары.

3. Освоить методику проведения термического анализа.

Теоретическая часть

В замкнутой цепи, образованной двумя разнородными металлами или сплавами, возникает электродвижущая сила. Её величина зависит от химического состава электродов. Направление возникающего тока определяется работой выхода свободных электронов в металлах. В более электроотрицательном металле работа выше, поэтому он обогащается электронами и его потенциал становится отрицательным. Направление тока можно определить по термоэлектрическому ряду, в котором посередине стоит платина: те из металлов, которые находятся правее, будут положительнее (Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, C, Hg, Pt, Na, Pb, K, Ni, Co, Bi и т. д.).

В 1834 г. часовщик Пельтье открыл обратный термоэффект: при пропускании тока через разные контакты металлов один из контактов нагревался, а другой охлаждался. В настоящее время обратный эффект используют в охлаждающих устройствах микросхем и космических холодильников.

Прямой термоэффект (эффект Зеебека) используется в датчиках температуры, а также в генераторах электроэнергии.

ЭДС чувствительна к температуре: чем выше температура контакта металлов, тем выше ЭДС (рис. 1, а). Можно фиксировать ток гальванометром или измерять разность потенциалов. Для каждой температуры будет своё характерное показание прибора. Чтобы повысить точность измерения температуры, необходимо сравнивать показания прибора с эталоном. С этой целью добавляют еще один электрод (рис. 1, б).

а б

Рис. 1. Конструкции термопар: а – двухэлектродная система без холодного спая (холодный спай на измерительном приборе),

б – трехэлектродная система

Один из спаев электродов помещают в сосуд Дьюара с тающим льдом. Этот спай называется холодным. Другой спай используют в качестве датчика для измерения температуры. Он называется горячим. Результирующая термоЭДС (ТЭДС) тем больше, чем больше разность температур между спаями:

Е = Е2(Т2) – Е1(Т1).

Металлы электродов, составляющих термопару, должны удовлетворять следующим требованиям:

– развивать в паре ТЭДС, значительную и плавно изменяющуюся в широком интервале температур, что возможно в отсутствие фазовых превращений в сплавах электродов;

– обладать стабильностью ТЭДС за длительный период эксплуатации;

– быть химически стойкими в различных условиях использования, в том числе в воздухе и газовой среде.

В составе электродов термопар наиболее часто применяют металлы и сплавы, а также их сочетания:

платинородий (10% Rh) – платина;

хромель – алюмель (хромель – сплав никеля и 9,5 % хрома, алюмель – сплав никеля с 2% марганца, 2% алюминия, 1,5% кремния);

хромель – копель (копель – сплав меди с 43% никеля и 0,5% марганца); платинородий (30% Rh) – платинородий (6% Rh).

Для высоких температур используют сплавы вольфрама с рением, а для низких температур – медь и копель.

Значения ТЭДС различных термопар в зависимости от температуры нагрева приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения ТЭДС различных термопар в зависимости от температуры нагрева

Температура горячего спая, °С	ТЭДС различных термопар (холодный спай при 0°С), мВ
платинородий – платина (ПП-1)	хромель – алюмель (ХА)	хромель – копель (ХК)	платинородий – платинородий (ПР - 30/6)
0	0	0	0	0
100	0,64	4,095	6,88	0
200	1,42	8,137	14,59	0
300	2,31	12,207	22,88	0,46
400	3,24	16,395	31,49	0,81
500	4,21	20,640	40,28	1,27
600	5,22	24,902	49,11	1,82
700	6,25	29,128	57,85	2,47
800	7,32	33,277	66,47	3,20
900	8,43	37,325	-	4,02
1000	9,57	41,269	-	4,91
1100	10,74	45,108	-	5,88
1200	11,95	48,828	-	6,90
1300	13,15	-	-	7,98
1400	14,37	-	-	9,11
1500	15,55	-	-	10,27
1600	16,76	-	-	11,47
1700	-	-	-	12,69

Зависимость результирующей термоЭДС описывается полиномом:

Е = аТ + вТ2 + сТ3+ …, где а, в, с – коэффициенты, зависящие от состава электродов.

При выборе электродов ориентируются на рабочие температуры и агрессивность среды.

Точность измерения температуры зависит от способа изготовления термопары: чем больше скорость изменения температуры и меньше размер нагреваемых или охлаждаемых образцов, тем меньше должна быть инерционность спая и меньше его размеры. Горячий спай лучше получать электродуговой сваркой.

Провода термопары изолируют друг от друга стеклянными или фарфоровыми трубками. Если термопара будет работать в агрессивной среде, то ее запаивают в стальную рубашку.

Чтобы отдалить холодный спай от горячего, используют компенсационные провода из меди и медных сплавов НМ, МТ, ТП, МН.

Для контроля ТЭДС используют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметры – приборы магнитоэлектрического типа, показания которых основаны на взаимодействии поля, создаваемого термотоком, проходящим через измерительную рамку, с магнитным полем постоянного магнита. В результате рамка поворачивается на угол, пропорциональный величине тока.

Милливольтметры могут быть стрелочными или зеркальными. Точность показания прибора зависит от сопротивления внешней цепи. Поэтому истинная ТЭДС определяется по формуле:

где Еизм. – показания прибора.

Для определения температуры, следовательно, необходимо вводить поправку.

В потенциометрах измеряемая ТЭДС компенсируется известной ЭДС от эталонного или вспомогательного источника, и величина электросопротивления всей цепи термопары не влияет на показания прибора.

Перечисленные приборы обладают инерционностью измерения. В случае нагрева токами высокой частоты, электронным лучом, лазерным лучом, импульсным магнитным полем применяют измерение при помощи осциллографа. Им можно регистрировать процессы, протекающие быстрее 1нс.

На точность термического анализа влияет величина теплового эффекта, которая зависит от массы исследуемого вещества и скорости изменения температуры, так как на фазовые превращения оказывает влияние равномерность прогрева, количество выделяемой или поглощаемой энергии. Слишком медленный нагрев или охлаждение не повышает точность, так как эффект сглаживается теплоемкостью окружающей среды. Рекомендуется скорость нагрева от 1 до 50 °С/мин. Масса вещества при плавлении (кристаллизации) не менее 100 – 200 г.

Экспериментальная часть

Изготовление термопары

Приборы и материалы: проволока из металлов и сплавов для изготовления термопары, сварочный трансформатор (можно ЛАТР), клеммы для крепления электродов, емкость с электролитом, фарфоровые или стеклянные изоляторы, наждачная бумага.

Порядок выполнения работы

1.  Отмерить проволоку для изготовления электродов термопары. По заданию преподавателя изготовить двухэлектродную или трехэлектродную термопару.

2.  Выполнить зачистку концов электродов наждачной бумагой. Скрутить оголенные и зачищенные концы на два витка.

3.  Подсоединить свободный конец проволочного электрода к одной клемме сварочного трансформатора, а к другой клемме – емкость с электролитом.

4.  Установить рекомендуемое напряжение на сварочном трансформаторе. Оно определяется сечением свариваемых электродов. (Можно установить опытным путем – пробным опусканием свариваемых электродов в электролит.)

5.  Опустить в электролит свариваемые электроды. При касании их с поверхностью жидкости происходит короткое замыкание цепи. Возникает дуговой разряд, и свариваемые электроды оплавляются. Благодаря наличию жидкости происходит охлаждение электродов и образование круглого шарика (рис. 2).

Рис. 2. Изготовление спая термопары

6.  Надеть на электроды изоляторы. При необходимости поместить горячий спай в стальную трубку. Термопара готова.

Тарирование термопары

Приборы и материалы: ЛАТР, муфельная печь, тигель, сосуд Дьюара, вода, лед, олово, свинец, сурьма.

Градуировочная кривая строится по температуре плавления или кристаллизации чистых веществ – металлов или солей. Эти вещества расплавляют в тигле, а затем, опуская термопару в расплавленные вещества, фиксируют изменения ТЭДС. Температуры затвердевания приведены в табл. 2. Можно проводить градуирование по эталонной термопаре.

Таблица 2

Вещества, применяемые для градуирования термопар

Вещество	Температура затвердевания или плавления, °С	Материал тигля	Предохранительное покрытие
Ртуть	-38,39	Стекло	Без покрытия
Вода	0	Любой	Без покрытия
50,5% КNO3+49,5% NaNO3	218	Нержавеющая сталь	Без покрытия
Олово	231,85	Графит, фарфор	Графит, уголь
Свинец	327,30	Графит, фарфор	Графит, уголь
Цинк	419,40	Графит, фарфор	Графит, уголь
35% BaCl2+65% CaCl2	600	Нержавеющая сталь	Без покрытия
Сурьма	630	Графит, фарфор	Графит, уголь
NaCl	801	Нержавеющая сталь	Без покрытия
BaCl2	940	Нержавеющая сталь	Без покрытия
Серебро	960	Графит, фарфор	Графит, уголь
Золото	1063	Графит, фарфор	Графит, уголь
CaSO4	1360	Платина	Без покрытия

Порядок выполнения работы

1.  Если есть холодный спай, то необходимо поместить его в сосуд Дьюара с тающим льдом.

2.  Поместить горячий спай в тающий лед.

3.  Подготовить таблицу для записи результатов (табл. 3):

Таблица 3

№ опыта	Температура, °С	Показания милливольтметра, мВ

4.  Выданные преподавателем вещества по одному поместить в тигель и расплавить в муфельной печи. В расплав поместить горячий спай термопары и записать показания в табл. 3.

5.  По данным табл. 3 построить градуировочную кривую зависимости показания милливольтметра от температуры.

Термический анализ

Приборы и материалы: ЛАТР, муфельная печь, тигель, сосуд Дьюара, лед, сплавы олова, свинца, сурьмы, висмута.

Любое изменение состояния металлов и сплавов (фазовое, внутрифазовое, структурное) вызывает изменение энтальпии, а потому фиксируется изменением температуры тела во времени:

dH=dQ+d(pV),

где dH – изменение энтальпии, dQ – изменение количества теплоты, d(pV) – изменение давления и объёма.

Появление теплового эффекта проявляется в виде ступеней и перегибов на кривой «температура-время» (рис. 3). Плавление и затвердевание относятся к фазовым превращениям 1-го рода и сопровождаются резким изменением энтальпии. Теплота кристаллизации алюминия 394 КДж/кг, меди 180 КДж/кг, никеля 306 КДж/кг, железа 272 кДж/кг. На кривой «температура-время» будет видна площадка (см. рис. 3 а, б). Кристаллизация смесей и сплавов может происходить не только при постоянной температуре, но и в интервале температур, поэтому резкого изменения энтальпии нет и на термограмме наблюдается перегиб, свидетельствующий об изменении скорости нагрева или охлаждения, что связано с выделением или поглощением тепла (см. рис. 3, в).

Для фазовых превращений 2-го рода тепловой эффект значительно ниже. Например, превращение аустенита в перлит при охлаждении стали происходит с выделением тепла около 70 КДж/кг, а мартенсита в перлит при отпуске стали – с выделением тепла около 30 КДж/кг.

а	б	в

Рис. 3. Вид кривых нагрева сплавов: а – с эндотермическим эффектом,

б – с экзотермическим эффектом, в – с эндотермическим эффектом в интервале температур

Порядок выполнения работы

1.  Получить сплав у преподавателя (Pb-Sb, Bi-Sb, Zn-Sn, Sn-Bi, Pb-Sn).

2.  Ознакомиться с устройством печи и термопары.

3.  Нагреть в печи стальной тигель. Поместить в тигель сплав и засыпать его древесным углем. Расплавить сплав в печи, перемешать и поместить в расплав горячий спай термопары, находящийся в стальном или стеклянном чехле. Печь закрыть асбестом и отключить или уменьшить напряжение на ЛАТР.

4.  Показания милливольтметра, подключенного к термопаре, записывать через каждые 30 с до температуры 100°С в табл. 4.

Таблица 4

Время, с	Показания милливольтметра, мВ	Температура, °С
30
60
90
120

5.  Оформить график зависимости «температура – время» и найти по нему характерные точки. Объяснить процессы, протекающие при кристаллизации.