L4_analiza_termica

1. PRINCIPIUL LUCRĂRII La încălzirea materialelor metalice până la topire sau la răcirea lor din stare topita 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 determina experimental prin înregistrarea curbei de variaţie a unei mărimi fizice cum este căldura specifică, densitatea, permeabilitatea magnetică, conductibilitatea electrică etc, funcţie de temperatura 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 termica, metoda termica 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 in timp a temperaturii in cursul procesului de încălzire de la temperatura ambianta pana 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 intr-un sistem de coordonate concentraţie - temperatura, valorile temperaturilor de transformare determinate pe curbele de răcire trasate pentru un număr de aliaje, aşa cum se prezintă spre exemplificare in figura 1. Pentru exemplificare se foloseşte un aliaj datorită temperaturii de topire − solidificare redusă a elementelor componente ale aliajului (TsSn = 2340C, TsPb = 3270C).

LUCRAREA NR. 4 ANALIZĂ TERMICĂ

Îndrumar – Studiul şi Ingineria Materialelor

L4 - 2

Fig. 1 - Diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje binar (Pb – Sn) la care componentele au solubilitate totala in stare lichida, sunt complet insolubile in stare solida si 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 totala in stare lichida, sunt complet insolubile in stare solida si au capacitatea de a forma un amestec mecanic la un anumit raport p al concentraţiilor. Cu cat numărul de aliaje pentru care se trasează curbele de răcire in 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 - 62%Sn (38%Pb)

Aliajul IV - 69%Sn (%31Pb)

Universitatea Petrol – Gaze din Ploieşti

L4 - 3

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 canti-tăţi 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 lipiri 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 umezire 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 lipiri 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 1 Aliaje de lipit , codificări şi unele proprietăţi PbSn

Temperaturi de topire (ºC) Marca

aliajului

Simbol de

marcare

%Sn %Pb

început sfârşit

Conductibilitate electrică

(% faţă de Cu)

Conductibilitate termică

(% faţă de Cu) Utilizări

BPb62Sn 183-245 Lp37 36-38 183 245 9,9 9,5

Lipire manşoane de Pb la conducte şi cabluri

BPb59Sn 183-233 Lp40 39-41 183 225 10,1 10,2

Lipirea conductorilor în electrotehnică, lipirea pieselor din aliaje Cu-Zn

BSn49Pb 183-215 Lp50 49-51 183 215 11,0 11,0

Lipirea pieselor, în electronică şi electrotehnică

BSn59Pb 183-190 Lp60 59-61 183 190 11,5 -

Lipituri fine în electronică şi electrotehnică


L4 - 4

Temperaturi de topire (ºC) Marca

aliajului

Simbol de

marcare

%Sn %Pb

început sfârşit

Conductibilitate electrică

(% faţă de Cu)

Conductibilitate termică

(% faţă de Cu) Utilizări

BSn62Pb 183-185 Lp63 62-64 183 185 11,5 11,9

Lipituri fine în electronică, pe cablaje imprimate, pentru SMD-uri

BSn64Sn 183-185 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.

Tabelul 2 Număr

aliaj Compoziţia

chimică Temperatura de încălzire(*)

[oC] Temperatura sfârşitului

determinărilor [oC] 1 0%Sn (100%Pb) 360 150 2 19%Sn (81%Pb) 320 150 3 62%Sn (38%Pb) 220 150 4 69%Sn (31%Pb) 220 150 5 100%Sn (0%Pb) 270 150

(*) 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:


L4 - 5

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 temperatura 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. 4 Creuzetul introdus în cuptorul electric

Fig. 5 Cuptor electric

Fig. 6 Aparat multimetru digital APPA 305 conectat la un calculator


L4 - 6

4. CONŢINUTUL REFERATULUI Referatul lucrării va cuprinde următoarele elemente: tabelele cuprinzând rezultatele timp-temperatura 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 temperatura-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 geometrica (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 PLOIEŞTI

3. După ce s-a depăşit temperatura de încălzire recomandată, a aliajului cercetat, corespunzătoare indicaţiilor din tabelul 1, se întrerupe alimentarea cuptorului iar creuzetul (oala refractară) ce conţine 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 temperatura corespunzătoare indicaţiilor din tabelul 1, softul având posibilitatea atât să salveze un fişier text care conţine perechile de valori temperatură-timp determinate experiment precum şi să traseze grafic dependenţa temperatură-timp (figura 8).

Fig. 8 Trasarea graficului dependenţei temperatură-timp


L4 - 7

FACULTATEA: I.M.E. CATEDRA T.C.U.P. DISCIPLINA: STUDIUL ŞI INGINERIA MATERIALELOR DATA ...............................

FIŞA LUCRĂRII NR. 4 Tema: analiză termică Instalaţie folosită: marca ........................

provenienţa ..................….. anul fabricaţiei ....................

caracteristici tehnice: .......................................................................................

Datele experimentale obţinute

Grafic 1: 0 % Sn si 100 % Pb

050

100150200250300350400

0 5 10 15 20 25

Timp

Tem

pera

tura


050

100150200250300350400

0 5 10 15 20 25

Timp

Tem

pera

tura


050

100150200250300350400

0 5 10 15 20 25

Timp

Tem

pera

tura


050

100150200250300350400

0 5 10 15 20 25

Timp

Tem

pera

tura


050

100150200250300350400

0 5 10 15 20 25

Timp

Tem

pera

tura


L4 - 8

Δτ [s] 1

0 % Sn – 100 % Pb

2

19 % Sn – 81 % Pb

3

62 % Sn – 38 % Pb

4

69 % Sn – 31 % Pb

5

100 % Sn – 0 % Pb

0.

15.

30.

45.

60.

75.

90.

105.

120.

135.

150.

151.

152.

153.

154.

155.

156.

157.

158.

159.

160.

161.

162.

163.

* Înregistrarea se face la Δτ = 15 secunde.

Întocmit: Verificat: Nume ................ Prenume ............ Grupa.................. Semnătura............

Documents

L4_analiza_termica