Физика металлов. Раздел : физические свойства металлов и сплавов

№470 

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 

Кафедра металловедения цветных металлов 

Одобрено Методическим 
советом HHCTHiyra 

Физика металлов 

Раздел: Физические свойства металлов и сплавов 

Лабораторный npaicrHicyM 

для студентов специальности 110500 

Под редакцией проф.|ГМ. Кузнецова 

Москва 2000 

АННОТАЦИЯ 

В лабораторном пракпшуме представлены работы по терми* 
ческому» дилапометрнческому, электрическому, магнитному анализ 
и определению плотности сплавов цветных и черных металлов. 

Практикум может быть также использован студентами специальностей 110800 **Композиционные и порошковые материалы, покрытия**, 110600 **Обработка металлов давлением'*, 110300 **Теплофизика, автоматизащи и экология промышленных печей**, специализация "Экология тешювых агрегатов в металлургии**. 

© Московский 
государс1венный 
инсппут 
стали 
и 
сплавов 

(мисисхгооо. 

Содержание 

Введение 
.;\ 
4 

Термичес1снй анализ 

Лабораторная работа 1. Определение температур фазовых 
превращений в системе Al-Cu методом 
дифференциального термического анализа 
5 

Дилатометрнчес1еий авалш 

Лабораторная работа 2. Определение коэффициента 

термического расширенной температур фазовых 
превращений в сплавах....^ 
64 

Электрический анализ 

Лабораторная работа 3. Измерение удельного электрического 
сопротивления сплавов на основе алюминия 
потенциометрическим методом 
98 

Лабораторная работа 4. Измерение удельно1х> электрического 

сопротивления методом двойного моста 
120 

Лабсфаторкая работа S. Измерение удельной элешрической 
проводимости сплавов системы Al-Mg 
злектроицдукционным методом 
...128 

Магйитный аваляз 

Лабораторная работа 6. Измерение магнитной восприимчивости 

диаг и парамагнетиков 
145 

Лаборкюривл работа 7. Построение 1фивой намагничивания с 

помощью баллистического метода и определтие проницаемосп! магнигномягких ферромагнетиков 
163 

Оцределенне плиугвостш 

Лабораторная работа 8. Опре;деяеняе шютиостн металлов я 

сплавов методом гцдроспгтчесхоп) взвешнвашш 
187 

Лабораторная работа 9. Опрсдаяеняе воэффицневп» днффузни по 
результатам лаэержжх) воздеАвтвия на типа и 
его сплавы 
..Л95 

Лабораторный практикум 

Введение 

Основными задачами лабораторного практикума являются: 
закрепление знаний, полученных на лекциях^ формирование Навьпцр 
самостоятельного практического применения теоретических знашй 
при анализе полученных результатов, формирование навыков работы 
на исследовательском оборудовании, обучение оценке систематических и случайных погрешностей измерений, методике записи и представления данных. 

В ходе выполнения лабораторных работ студент приобретает 
навыки использования'знаний физических свойств сплавов цветных и 
черных металлов для реше1^ия металловедческих задач, умение выбрать правильные условия эксперимента, сопоставить полученные 
результаты с уже известными данными, проводить математическую 
обработку полученных данных, анализировать надежность полученных данных, сопоставлять теоретические и экспериментальные данные. 

Каждую лабораторную работу студенты проводят бригадой из 
2А человек. Однако каждый студент при проведении данной работы 
получает от преподавателя индивидуальное задание, 1|^воляю|цее 
глубже проанализировать полученный в работе экспернмешвльныЙ 
материал. 
^ 

Продолжительность каждой лабораторной работы 4 часа. Допуск к проведению лабораторных работ осуществляется после ввод*^ 
ного инструктажа по технике безопасности, что фиксируется в специальном документе. Перед проведением лаб<фаторной работы студент 
должен подготовть нужное ее описание и таблицы для запио! ре» 
зультатов экеперимеита. Оформление отчета по лабораторным работам дояжно лроводшься в полном ооот8етс1вии с указаниями, еде* 
ланньши в лаб<Ч)аторном практикуме. 

Настоящее пособие явлмпся перерабогганньш и дополненным 
изданием пособия Кузнецова Г.М. и Барсукова A^l "МегшююмццвШе 
цветных и редких мсталяо»**, раздел "Физические ^ойствд ц в е т ш 
металлов** - М.: изд. МИСиС, 1983. 

Авторы выражают благодцрметъ МамзурниоЙ О.И. за помощь в офо|ммяейш1 рукописи. 

ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 

Лабораторная работа 1 

Определение температур фазовых превращений в 

сплавах системы Al-Cu методом 

дифференциального термического анализа 

{4 часа) 

1. Цель работы 

Определение температуры фазовых превращений в металлах 
и сплавах методом дифференциального термического анализа. 

Определение вида температурной зависимости теплоемкости 
и величин ее электронной и фононной составляющих на основе данных по теплоемкости. 

2. Теоретическое введение 

Термический анализ является одним из основных методов определения темперап1ур фазовых превращений. Он основан на том, что 
в мометы начала или окончания фазовых превращений в сплаве на* 
чинается или заканчивается процесс выделения или поглощения теплоты (скрытой теплоты превращения), и это приводит к изменению 
хараюгера 1фивых нагревания или охлаэвдения (термограмм) сплава. 

Возможны несколько способов записи термограмм. Можно 
производить запись BL координатах температура образца Т - время / 
(простая термограмма), но чаще всего в координатах разность температур эталона и образца ЛГ» время t (дифференциальная термограмма). При этом в качестве эталона используют такой материал, который в исследуемом шггерваде температур ж имеет фазовых превращений, а эксперимент проводят в условиях, пмгда прапически отсутствует теплообмен между образцом pi эталоном. 

На рис. 1.1 приведены идеальные схемы термограмм нагревания или охлаждения сплавов, когда превращение npcmKocf^c посто

Лабораторный прауткум 
янным темпом. Напомним, что под темпом превращения, протекающего в интервале температур, понимают величину dm/dTy т.е. производную массы т превратившегося вещества по температуре Г. Когда 

АТ.Т 

^.*>*4^*^ 

\ 
\ 

АТ.Т п 

В 

Ъ^ \ 

At.T 

\ 
\ 

ЩЦ^ЫгшЩ 
и III 

»«* 
^•тпром1фечмм 

говорят, что темп превращения постоянен, это значит, что при изменении температуры на один градус количество прореагировавшего 
вещества является величиной постоянной во всем интервале температур превращения, т.е. um/dT = const. В том случае, когда 
dm/dT Ф const, темп превращения будет изменяться с изменением 
температуры (увеличиваться или уменьшаться). 

Вид термограммы зависит от того, проходило ли фазовое превращение в образце при постоянной температуре (фазовое превращение, соответствующее нонвариантному равновесию), или в интервале 
температур. 

Если превращение протекает при постоянной температуре на 
термограмме Г - х наблюдается горизонтальная площадка при 
Гп = const' (точки 1-2,). 

Вид термограммы охлаждения аналогичного сплава приведен 
на рис. 1.1, б. На дифференш1альной термограмме ДГ- т началу превращения соответствует перелом (точка Г, рис. 1.1, а), а концу превращения - максимум отклонения (точка 2*, рис. 1.1, а). Участки термограмм 2-3 и 2*-3* (рис. 1.1, а) отразкают только процесс выравнивания температур эталона и образца при его дальнейшем нагреве. Запись дифференциальной термограммы проводят таким образом, чтобы при поглощении теплоты в процессе фазового превращения соответствующий ему пик располагался экстремальной точкой вниз, а при 
выделении - вверх. Температуру превращения легко определить, зная 
масштаб по оси температур и спроектировав на эту ось точку, соотвеггствующую температуре горизонтальной площадки на простой 
термофамме (рис. 1.1, а). 

На рис. 1 Л, в и 1.1, г представлены термограммы (нагревания 
и охлаждения) сплава, в котором превращение идет в интервале температур, при постоянном темпе приращения. В этом случае переломы 
на простой и дифференциальной термограммах соответствуют началу 
превращения, а второй перелом на простой термограмме и максимум 

' Горизонтальна! площадка на термограммах нагревания шш охлаяшеяия появляется, 
жогаа скорость подвода (или отвода) тепла к образцу (или от образца) доспгточно 
мала и вся подвсоенная к образцу теплота полностыо поглощается при фазовом 
превращении шш отводимая тепяош будет компенсироваться в образце выделением теплоты превращения. В противном случае вместо горизошального участка 1-2 
на термограмме воявяяегся нахяонный участок, и она булет выглядеть аналогично 
термограммс^ где превращеинендетг в интервале температур. 

Лабораторный практикум 
отклонения на дифференциальной термограмме соответствуют концу 
превращения. 

На рис. 1.2 приведены реальные термограммы нагревания 
сплавов, которые несколько отличаются от идеальных, представленных на рис. Ы. Видно, что вместо четких переломов, соответствующих началу превращения, на простой и дифференциальной термограммах наблюдается плавное изменение наклона. Концу превращения на простой термограмме также соответствует плавное изменение 
наклона, а на дифференциальной - плавные минимум (при нагревании) или максимум (при охлаждении), а не четкий излом* как на рис. 
1.1, в. 

ATJ 

^ f 

•* т 

Рис. \ 2. Ремьные термограммы нагреикю сплава» в котором превращение проходит 
в нкгервалетемлераяур 

Такой ВИД у термограмм получается псггому^ что термопара, 
измеряющая тем1юратуру образца» находшся в отверстии в це1лральной части образца» а превращение начинаепся с поверхности. Поэтому периферийные участки достигают темпера1уры начала превращу 

ния раньше, чем центральная часть образца. Процесс превращения, 
протекающий с поглощением тепла на периферии образца, приводит 
к замедлению нагревания центральной части образца^ что вызывает 
появление плавных закруглений на простой и дифференциальной 
термограммах. При охлаждении начавшееся с выделением теплоты 
превращение в периферийных областях образца приведет к уменьшению скорости охлаждения образца» что также вызовет появление 
плавных переходов на простой и дифференциальной термограммах. 

Поскольку превращение на периферии образца заканчивается 
раньше, чем в центре, и количество непрореагировавшего вещества к 
этому моменту мало, то начинается ускоренный нагрев или охлаждение образца- Это также приводит к появлению плавных закруглений 
на тех участках простой и дифференциальной термограмм, которые 
соответствуют окончанию превращения. 

Для того чтобы найти температуры» соответствующие началу 
и концу превращения, нужно привести реальные термограммы в соответствие с идеальными, представленными на рис. 1.1. Для этого, 
нужно продлить прямолинейные участки abucd.cdHef^klH 
тп, тп и 
pq до пересечения их в точках 1, 2» Г и 2' соответственно и уточнить 
положение точек 1 и 2, спроектировав точки Г и 2* на простую термограмму. Зная масштаб по оси температур» нетрудно определить температуры начала и конца превращения. 

Необходимо отметить, что моменты начала и конца превращения гораздо точнее определяются с помощью дифференциальной 
термограммы. Именно поэтому для увеличения точности определения температур начала и конца превращения необходимо спроеюировать соответствующие точки на простую термо1рамму. 

В подавляющем большинстве случаев темп фазовых превращений, идущих в интервале температур, не является постоянной величиной. Поэтому необходимо рассмотреть, как изменяется в этом 
случае характер термограмм. 

На рис. 1.3, а представлены термоп)аммы на1ревания сплава, 
в котором превращение проходит в интервале температур, когда в 
начальный момент темп превращения велик, а по мере протекания 
превращения с увеличением температуры образца он убывает. В этом 
случае четко фикс1фуется момент начала превращения, особенно на 
дифференциальной кривой (точка <аО. Поскольку темп превращения 
убывает, то участок cfV на дифференциальной кривой оказывается 
вогнутым. В последние моменты превращения его темп незначиге

Лабораторный практикум 
лен. Поэтому при нагреве теплота, поступающая к образцу, уже не 

• дт,т| 

4 ^ 

АТ,Т 

Рмс. ХЗ.Ожтл-пршяршт 
темшрпур с персяммным TBI 
•еяих, а з«гсм убимгг, б -1 

соявлоШщ ш вторых 
«-темп 
шшпллт 

mrr » mntpMiie 
1 нгииышй мометышя, лтвшшоэршспп 

10