LUCRAREA NR. 4 ANALIZA TERMICĂ 1. PRINCIPIUL LUCRĂRII La încălzirea materialelor metalice până la topire sau la răcirea lor din stare topită se produc transformări ale stării de agregare (transformarea de topire-solidificare) şi ale structurii cristaline (transformări în stare topită), însoţite de modificarea proprietăţilor fizico-mecanice ale acestora. Temperaturile la care se produc transformările de stare sau structură ale unui material metalic se numesc temperaturi de transformare sau puncte critice. Cunoaşterea acestora este importantă pentru precizarea compoziţiei şi proprietăţilor fizico- mecanice ale materialelor metalice la diferite temperaturi. Punctele critice se determină experimental prin înregistrarea curbei de variaţie a unei mărimi fizice cum este căldura specifică, densitatea, permeabilitatea magnetică, conductibilitatea electrică etc, funcţie de temperatură şi identificarea discontinuităţilor acesteia, care corespund punctelor critice ale materialului cercetat. Metodele cele mai des utilizate pentru determinarea punctelor critice ale materialelor metalice sunt metoda termică, metoda termică diferenţială, metoda dilatometrică şi metoda magnetică. În continuare se prezintă principial modul de determinare a principalelor elemente legate de modificarea stării sau structurii materialelor metalice folosind metoda analizei termice. Analiza termică este o metodă de cercetare care permite determinarea punctelor critice ale transformărilor de fază, pe baza observaţiei că orice transformare de fază are un efect termic însoţitor care provoacă modificări ale alurii curbei termice (de răcire sau de încălzire). 1.1. Determinarea curbelor de răcire / încălzire ale materialelor metalice
Transcript
LUCRAREA NR. 4 ANALIZA TERMICĂ
1. PRINCIPIUL LUCRĂRII
La încălzirea materialelor metalice până la topire sau la răcirea lor din stare topită se produc transformări ale stării de agregare (transformarea de topire-solidificare) şi ale structurii cristaline (transformări în stare topită), însoţite de modificarea proprietăţilor fizico-mecanice ale acestora.
Temperaturile la care se produc transformările de stare sau structură ale unui material metalic se numesc temperaturi de transformare sau puncte critice. Cunoaşterea acestora este importantă pentru precizarea compoziţiei şi proprietăţilor fizico-mecanice ale materialelor metalice la diferite temperaturi.
Punctele critice se determină experimental prin înregistrarea curbei de variaţie a unei mărimi fizice cum este căldura specifică, densitatea, permeabilitatea magnetică, conductibilitatea electrică etc, funcţie de temperatură şi identificarea discontinuităţilor acesteia, care corespund punctelor critice ale materialului cercetat.
Metodele cele mai des utilizate pentru determinarea punctelor critice ale materialelor metalice sunt metoda termică, metoda termică diferenţială, metoda dilatometrică şi metoda magnetică. În continuare se prezintă principial modul de determinare a principalelor elemente legate de modificarea stării sau structurii materialelor metalice folosind metoda analizei termice.
Analiza termică este o metodă de cercetare care permite determinarea punctelor critice ale transformărilor de fază, pe baza observaţiei că orice transformare de fază are un efect termic însoţitor care provoacă modificări ale alurii curbei termice (de răcire sau de încălzire).
1.1. Determinarea curbelor de răcire / încălzire ale materialelor metalice
Pentru determinarea curbei de răcire a unui material metalic, acesta este încălzit până la o temperatură corespunzătoare stării topite şi apoi este răcit cu viteză mică, în timpul răcirii măsurându-se temperatura la intervale de timp egale. Perechile de valori temperatură-timp obţinute se transpun într-un sistem de coordonate, permiţând astfel trasarea curbei de răcire a materialului metalic cercetat.
Curba de încălzire a unui material metalic se obţine asemănător, urmărind modificarea în timp a temperaturii în cursul procesului de încălzire de la temperatura ambiantă până la topire.
1.2. Determinarea diagramei de echilibru a sistemelor de aliaje binare
Diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje binar se construieşte transpunând într-un sistem de coordonate concentraţie - temperatură, valorile temperaturilor de transformare determinate pe curbele de răcire trasate pentru un număr de aliaje, aşa cum se prezintă spre exemplificare în figura 1. Pentru exemplificare, se foloseşte un sistem de aliaje cu temperatura de topire solidificare redusă a elementelor componente ale aliajelor (tsSn = 232 0C, tsPb = 3270C).
Îndrumar – Studiul şi Ingineria Materialelor
Fig. 1 - Diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje binar (Pb – Sn) la care componentele au solubilitate totală în stare lichidă, sunt parțial solubile in stare solidă și au capacitatea de a forma un amestec mecanic la un raport fix al
concentraţiilor.
Diagrama din figura 1 corespunde unui sistem de aliaje binar la care componentele au solubilitate totală în stare lichidă, sunt parțial solubile în stare solidă și au capacitatea de a forma un amestec mecanic la un anumit raport p al concentraţiilor. Cu cât numărul de aliaje pentru care se trasează curbele de răcire în scopul determinării punctelor critice este mai mare, cu atât precizia de construire a diagramei de echilibru este mai mare.
Aliajul II - 19%Sn (81%Pb)
Aliajul III – 61,9%Sn (38,1%Pb)
Aliajul IV - 69%Sn (%31Pb)
2
Universitatea Petrol – Gaze din Ploieşti
Aliajul V - 100% Sn (0%Pb)
Staniul (cositor) este un metal alb-argintiu cu nuanţe albăstrui, maleabil, rezistent la coroziune, cu oxidare lentă. La temperaturi sub –13,2ºC, Sn suferă o modificare alotropică însoţită de o schimbare bruscă de volum care duce la transformarea într-o pulbere cenuşie. Din acest motiv, Sn pur nu se utilizează pentru lipire. Se utilizează însă aliat, deoarece cantităţi de peste 0,3 – 0,5% Bi sau peste 0,5% Pb înlătură aproape complet transformarea. Staniul este scump şi deficitar.
Plumbul este un metal cenuşiu-albăstrui, cu luciu caracteristic după secţionare; se oxidează repede, formând o peliculă cenuşie, aderentă, care protejează metalul de atacurile mediului. Este moale, ductil, puţin rezistent la rupere, dar foarte rezistent la acizi. Având temperatură de topire ridicată şi umectare redusă pe cupru, pentru lipituri, plumbul se foloseşte aliat cu staniul. Este ieftin.
Însuşirile de lipire ale aliajelor Sn+Pb depind de compoziţie: aliajele cu conţinut mare de Sn (65 – 98% Sn) sunt foarte bune pentru lipire, stabile, dar scumpe
- nu se folosesc pentru lipituri în electronică; aliajele cu conţinut mărit de Sn (50 – 65% Sn) au cele mai scăzute temperaturi de topire (183 –
220ºC), sunt foarte bune pentru lipituri (fluiditate şi capacitate de umectare bună) şi sunt de departe cele mai folosite în electronică (şi electrotehnică);
aliajele cu conţinut mediu de Sn (30 – 50% Sn) lipesc bine multe metale (inclusiv fier şi aliaje de fier) şi sunt mult folosite în general; având temperaturi de topire mai mari, sunt relativ puţin folosite în electronică;
aliajele cu conţinut redus de Sn (sub 30% Sn) au temperaturi de topire destul de mari, nu lipesc prea bine şi nu se folosesc în electronică.
Pentru lipituri în electronică cele mai folosite sunt aliajele Sn+Pb de înaltă puritate (total impurităţi sub 0,5 %); unele caracteristici ale acestora apar în tabelul 1.
Tabelul 1Aliaje de lipit , codificări şi unele proprietăţi ale aliajelor Sn - Pb
Marca aliajului
Simbol de
marcare
%Sn %Pb
Temperaturi de topire [ºC]
Conductibilitate electrică
(% faţă de Cu)
Conductibilitate termică
(% faţă de Cu)Utilizări
început sfârşit
BPb62Sn183-245
Lp37 36-38 183 245 9,9 9,5Lipire manşoane de Pb la conducte şi cabluri
BPb59Sn183-233
Lp40 39-41 183 225 10,1 10,2
Lipirea conductorilor în electrotehnică, lipirea pieselor din aliaje Cu-Zn
BSn49Pb183-215
Lp50 49-51 183 215 11,0 11,0Lipirea pieselor, în electronică şi electrotehnică
BSn59Pb183-190
Lp60 59-61 183 190 11,5 - Lipituri fine în electronică şi
L4 - 3
Îndrumar – Studiul şi Ingineria Materialelor
Marca aliajului
Simbol de
marcare
%Sn %Pb
Temperaturi de topire [ºC]
Conductibilitate electrică
(% faţă de Cu)
Conductibilitate termică
(% faţă de Cu)Utilizări
început sfârşitelectrotehnică
BSn62Pb183-185
Lp63 62-64 183 185 11,5 11,9
Lipituri fine în electronică, pe cablaje imprimate, pentru SMD-uri
BSn64Sn183-185
Lp65 64-66 183 185 - -
Lipituri fine în electronică, pe cablaje imprimate, pentru SMD-uri
Codificare, denumire şi compoziţie - după STAS 96-80 şi 10881-77; total conţinut impurităţi: sub 0,5 %.
2. CONŢINUTUL ŞI SCOPUL LUCRĂRII
Analiza termică este o metodă de cercetare care permite determinarea punctelor critice ale transformării de fază. Orice transformare de fază are un efect termic însoţitor care provoacă modificări ale alurii curbei termice.
Lucrarea cuprinde: a) trasarea curbelor de răcire şi determinarea temperaturilor de transformare pentru cinci aliaje
din sistemul Sn-Pb, având concentraţiile (tabelul 2): aliajul 1: 0%Sn (100%Pb); aliajul 2: 19%Sn (81%Pb); aliajul 3: 62%Sn (38%Pb); aliajul 4: 69%Sn (31%Pb); aliajul 5: 100%Sn (0%Pb);
b) construirea aproximativă, pe baza valorilor punctelor critice determinate experimental pentru cele cinci aliaje, a diagramei de echilibru a sistemului Sn-Pb.
Scopul lucrării reprezintă dobândirea de câtre studenţi a cunoştinţelor teoretice şi deprinderilor practice necesare cercetării comportării la încălzire sau răcire a metalelor şi aliajelor prin metoda analizei termice.
(*) Temperatura de topire Sn = 232 oC, temperatura de topire Pb = 327 oC
3. MODUL DE LUCRU ŞI APARATURA NECESARĂ
Pentru efectuarea lucrării se utilizează cinci aliaje din sistemul Sn-Pb, având concentraţiile precizate în paragraful anterior. Etapele de lucru şi aparatura necesară realizării practice, pentru un aliaj, sunt exemplificate în următoarea succesiune de imagini:
4
Universitatea Petrol – Gaze din Ploieşti
1. Într-o etuvă electrică, aşa cum se arată în figura 2, se încălzeşte, în intervalul de temperaturi 120 – 2200C, un izolator din cărămidă refractară prezentat în figura 3.
Fig. 2 Etuvă electrică Fig. 3 Izolator din cărămidă refractară
2. Aliajul, aflat într-un creuzet (oală refractară), aşa cum se prezintă în figura 4, este încălzit în locaşul unui cuptor electric, prezentat în figura 5, la o temperatură corespunzătoare indicaţiilor din tabelul 1, temperatură măsurată cu ajutorul unui aparat multimetru digital APPA 305 conectat la un calculator prin intermediul unei sonde de temperatură, prezentat în figura 6
Fig. 5 Cuptor electric
Fig. 4 Creuzetul introdus în cuptorul electric
Fig. 6 Aparat multimetru digital APPA 305 conectat la un calculator
3. După ce s-a depăşit temperatura de încălzire recomandată pentru aliajul cercetat, corespunzătoare indicaţiilor din tabelul 1, se întrerupe alimentarea cuptorului, iar creuzetul (oala refractară) ce conţine
L4 - 5
Îndrumar – Studiul şi Ingineria Materialelor
aliajul topit se introduce în izolatorul din cărămidă refractară, care a fost scos din etuvă. În acelaşi timp se introduce sonda conectată la aparatul multimetru digital APPA 305 în creuzet (oala refractară) conform figurii 7
Fig. 7 Amplasarea creuzetului şi sondei în izolator
4. Cu ajutorul unui soft specializat în achiziţionarea datelor (D.I.M.M) se urmăreşte evoluţia în timp a temperaturii materialului metalic cercetat, prin măsurare la intervale de 10 … 15 secunde, până la răcirea acestuia la o temperatură corespunzătoare indicaţiilor din tabelul 1, softul având posibilitatea atât să salveze un fişier text care conţine perechile de valori temperatură-timp determinate experimental, precum şi să traseze grafic dependenţa temperatură-timp (figura 8).
Referatul lucrării va cuprinde următoarele elemente: tabelele cuprinzând rezultatele timp-temperatură determinate pentru materialele metalice cercetate, în cursul răcirii acestora; curbele de răcire ale celor cinci aliaje; diagrama de echilibru Sn-Pb; concluzii privind metoda folosită şi rezultatele determinărilor. Folosind perechile de valori temperatură-timp determinate experimental, se trasează la scară pe hârtie milimetrică curbele de răcire ale materialelor metalice şi se consemnează punctele critice ale fiecăruia, prin identificarea variaţiilor de formă geometrică (paliere, puncte de inflexiune) ale curbelor trasate;
Se transpun valorile punctelor critice determinate pentru toate cele cinci aliaje într-un sistem de coordonate concentraţie-temperatură, trasându-se astfel, aşa cum s-a precizat la paragraful 1.2, diagrama de echilibru a sistemului de aliaje.
UNIVERSITATEA PETROL-GAZE DIN PLOIEŞTIFACULTATEA: I.M.E. DISCIPLINA: STUDIUL ŞI INGINERIA MATERIALELOR
6
Universitatea Petrol – Gaze din Ploieşti
DATA ...............................
FIŞA LUCRĂRII NR. 4
Tema: analiză termică
Instalaţie folosită: marca ........................ provenienţa ..................….. anul fabricaţiei ....................
