Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Διαγράμματα Φάσεων Callister Κεφάλαιο 11, Ashby Οδηγός μάθησης Ενότητα 2

Transcript

1 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Διαγράμματα Φάσεων Callister Κεφάλαιο 11, Ashby Οδηγός μάθησης Ενότητα 2

2 Έννοιες που θα συζητηθούν Ορισμός Φάσης Ορολογία που συνοδεύει τα διαγράμματα και τους μετασχηματισμούς φάσης Ερμηνεία των διαγραμμάτων φάσεων Ισόμορφα και ευτηκτικά διαγράμματα Ανάπτυξη μικροδομών ισορροπίας, κατά την ψύξη

3 Διάγραμμα φάσεων H 2 O

4 Ορισμοί και βασικές αρχές Μεταλλικό κράμα είναι το μίγμα ενός μετάλλου με άλλα μέταλλα ή αμέταλλα. Συστατικό είναι καθαρά μέταλλα και/ή ενώσεις από τις οποίες συντίθεται ένα κράμα. (χημικά στοιχεία που σχηματίζουν τα κράματα) Στον ορείχαλκο τα συστατικά είναι ο χαλκός (Cu) και ο ψευδάργυρος (Zn) Ένα διμερές ή δυαδικό κράμα περιέχει δύο συστατικά. Ένα τριμερές ή τριαδικό κράμα περιέχει τρία; Ένα τετραπλό κράμα περιέχει τέσσερα κ.ο.κ.

5 Ορισμοί και βασικές αρχές Ο διαλύτης αντιπροσωπεύει εκείνο το στοιχείο ή το συστατικό που είναι παρόν στο μεγαλύτερο ποσοστό. Ο όρος διαλυμένη ουσία χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει το στοιχείο ή το συστατικό το οποίο βρίσκεται σε μικρότερη συγκέντρωση. Ως σύστημα είναι δυνατόν να εννοούμε ένα τμήμα υλικού που βρίσκεται προς μελέτη ή μπορεί να σχετίζεται με σειρές πιθανών κραμάτων τα οποία αποτελούνται από τα ίδια συστατικά χωρίς όμως να γίνεται λόγος για συγκεκριμένη σύσταση του κράματος. Ένα στερεό διάλυμα αποτελείται από άτομα τουλάχιστον 2 διαφορετικών τύπων. Τα άτομα της διαλυμένης ουσίας καταλαμβάνουν διαπλεγματικές θέσεις ή θέσεις υποκατάστασης στο πλέγμα των ατόμων του διαλύτη, ενώ παράλληλα η κρυσταλλική δομή του διαλύτη διατηρείται.

6 Διαγράμματα φάσεων σε συστήματα κραμάτων Στερεά διαλύματα Διαπλεγματικά ή υποκατάστασης Κατανόηση της μικροδομής (και άρα των ιδιοτήτων) ως συνάρτηση της περιεκτικότητας και θερμοκρασίας. Πληροφορίες σχετικά με την τήξη, τη χύτευση, την κρυστάλλωση κλπ Μικροδομή ενός απλού χάλυβα άνθρακα που περιέχει 0.44%C. Μαύρες περιοχές: Προευτηκτοειδής φερρίτης. Εναλλάξ περιοχές: Περλίτης (φωτεινές περιοχές φερρίτης, σκοτεινές περιοχές σεμεντίτης)

7 Φάσεις Φάση είναι το ομοιογενές τμήμα ενός συστήματος το οποίο έχει ομοιόμορφα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά Κάθε καθαρό συστατικό ενός υλικού είναι μία φάση π.χ. το σιρόπι είναι μια φάση, καθαρή ζάχαρη είναι μια άλλη Διαφορετικές φάσεις έχουν εν γένει διαφορετικές ιδιότητες φυσικές ή/και χημικές π.χ. πάγος και νερό, διαφορετικές φυσικές, ίδια χημικά π.χ σιρόπι ζάχαρης και νερού, διαφορετικές φυσικές και χημικές Μονοφασικά συστήματα καλούνται και ομοιογενή Πολυφασικά συστήματα καλούνται και ετερογενή

8 Φάσεις και μικροδομή Πολλές φυσικές ιδιότητες εξαρτούνται από την μικροδομή π.χ. μηχανική συμπεριφορά Μικροδομή: Χαρακτηρίζεται από τον αριθμό των φάσεων, από τις αναλογίες και τον τρόπο διάταξης των διαφόρων φάσεων Εξαρτάται από μεταβλητές όπως: Είδος παρόντων στοιχείων Συγκεντρώσεις Θερμική επεξεργασία (θερμοκρασία, χρόνο θέρμανσης, και ρυθμός ψύξης).

9 Ισορροπία φάσεων Ελεύθερη ενέργεια είναι συνάρτηση της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος και της τυχαιότητας ή της αταξίας των ατόμων/μορίων Ελεύθερη ενέργεια Gibbs, G: G=U+pV-TS= H- TS U: εσωτερική ενέργεια, V: όγκος, H: ενθαλπία, S: εντροπία Ισορροπία φάσεων ελαχιστοποίηση ελεύθερης ενέργειας (κάτω από δεδομένες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και σύστασης) Εσωτερική ενέργεια μείον εντροπία Καμία αλλαγή με την πάροδο του χρόνου Ένα κράμα στη συγκεκριμένη κατάσταση δεν δείχνει τάση μεταβολής είναι θερμοδυναμικά σταθερό

10 Ισορροπία φάσεων Στην υγρή και την στερεά κατάσταση (κατεργασία υλικών), το pv είναι μικρό άρα U H. Η πίεση έχει περιορισμένη επίδραση στην κατεργασία των υλικών. Θεωρούμε ότι στην υγρή και στερεή φάση τα υλικά ελέγχονται από την θερμοκρασία και τη σύνθεση Κατά την αλλαγή μιας παραμέτρου το σύστημα πάει στην νέα θέση ισορροπίας π.χ. στο σύστημα σιρόπι-ζάχαρη, με αύξηση της θερμοκρασίας, κάποια από την στερεή ζάχαρη θα περάσει στο σιρόπι Πρέπει να περιμένουμε ικανό χρόνο για να ισορροπήσει το σύστημα Στα μεταλλικά κράματα αυτό είναι σχεδόν αδύνατο - μετασταθή

11 Όριο διαλυτότητας Η μέγιστη συγκέντρωση ατόμων διαλυμένης ουσίας στον διαλύτη Επιπλέον άτομα δημιουργούν νέα φάση Παράδειγμα: σύστημα ζάχαρης-νερού

12 Διαγράμματα ισορροπίας φάσεων Τα διαγράμματα φάσεων (ή διάγραμμα ισορροπίας, ή καταστατικό διάγραμμα) δίνουν πληροφορίες σχετικά με την μικροδομή ή την δομή των φάσεων ενός κράματος. Τα διαγράμματα φάσεων δίνουν πληροφορίες σχετικά με: Σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και σύστασης σε ισορροπία Πρόβλεψη μετασχηματισμών φάσεων και μικροδομών Δυαδικά διαγράμματα φάσης είναι τα απλούστερα Είναι τα διαγράμματα κραμάτων 2 συστατικών Αυτά που θα μελετηθούν αναφέρονται σε σταθερές συνθήκες πίεσης (1 atm)

13 Σημείο τήξης, καμπύλη liquidus / solidus Θερμοκρασία τήξης: η μοναδική θερμοκρασία στην οποία το μέταλλο μεταβαίνει στην υγρή φάση, και σε αυτή την θερμοκρασία μπορούν να συνυπάρχουν στερεό με υγρό.

14 Σημείο τήξης, καμπύλη liquidus / solidus Το όριο φάσεων που καθορίζει το κάτω μέρος του υγρού πεδίου ονομάζεται γραμμή liquidus η γραμμή που καθορίζει το άνω όριο του μονοφασικού στερεού πεδίου ονομάζεται γραμμή solidus. Δεν υπάρχει μοναδικό σημείο τήξης - διαμέριση

15 Τυπικό ισόμορφο διάγραμμα Ισόμορφο διάγραμμα φάσεων αποτελείται από μία δομή. Η στερεά κατάσταση είναι ένα στερεό διάλυμα για όλες τις συνθέσεις από το καθαρό Α μέχρι το καθαρό Β. Η ατομική δομή είναι ίδια για όλες τις συνθέσεις (αλλάζει μόνο η αναλογία των ατόμων).

16 Διαγράμματα ισορροπίας φάσεων Δυαδικό διάγραμμα φάσης Cu-Ni Δυαδικό διάγραμμα φάσης Cu-Ag

17 Δυαδικό Cu-Ni Πλήρως διαλυτά (ισόμορφο = πλήρης διαλυτότητα τόσο στην στερεά όσο και στην υγρή φάση) FCC διάλυμα υποκατάστασης (ενδοκεντρωμένο κυβικό σύστημα) Σύσταση 0%Ni μέχρι 100% Ni 3 φάσεις: στερεό (α) υγρό (L) μείγμα (α+l) 2 διαχωριστικές: liquidus Solidus Σημεία τομής με κάθετο άξονα: Σημεία τήξης καθαρών στοιχείων Πλήρης μετατροπή για μεταβολή θερμοκρασίας

18 Πληροφορίες διαγραμμάτων φάσεων Μπορούμε να υπολογίσουμε (α) παρούσες φάσεις (β) συστάσεις των φάσεων (γ) τα % ποσοστά των φάσεων

19 Βρίσκουμε το αντίστοιχο σημείο στο διάγραμμα Π.χ. 60%-40% Ni-Cu στους 1100 ο C (Α): μόνο στερεό Παρούσες φάσεις Ni και Cu με FCC κρυσταλλική δομή, ταυτόσημες ατομικές ακτίνες και ηλεκτραρνητικότητες, παρόμοια σθένη Π.χ. 35%-65% Ni-Cu στους 1250 ο C (Β) υγρό και στερεό

20 Βρίσκουμε το αντίστοιχο σημείο στο διάγραμμα Εάν μονοφασική περιοχή, τότε είναι εύκολο Π.χ. 60%-40% Ni-Cu στους 1110 ο C (Α): στερεό 60%-40% Ni-Cu Εάν είναι διφασική, θέλει προσοχή Π.χ. 35%-65% Ni-Cu στους 1250 ο C (Β) υγρό (?) και στερεό (?) Δεν είναι το προφανές υγρό (35%-65%) και στερεό (35%-65%) Σύσταση φάσεων

21 Σύσταση φάσεων διφασικών περιοχών Αυτό που δεν αλλάζει μέσα στο διάλυμα είναι η θερμοκρασία Συνδετικές γραμμές ή ισόθερμες: παράλληλες γραμμές απο το σημείο B Βρίσκουμε τομές με τις γραμμές solidus και liquidus Φέρνουμε κάθετες και βρίσκουμε συστάσεις C L και C α C 0 : 35.0%-65.0% Ni-Cu C L : 31.5%-68.5% Ni-Cu C α : 42.5%-57.5% Ni-Cu

22 Ποσοστά φάσεων Με τα διαγράμματα φάσεων προσδιορίζονται και τα σχετικά ποσά των φάσεων που είναι παρούσες σε ισορροπία Όταν βρισκόμαστε σε διφασική περιοχή εφαρμόζεται ο κανόνας του μοχλού Χαράσσεται συνδετική γραμμή Συνολική σύσταση εντοπίζεται στην συνδετική γραμμή Κλάσμα φάσης υπολογίζεται βάση του μήκους της συνδετικής γραμμής, από τη συνολική σύσταση του κράματος μέχρι το σύνορο φάσεων της άλλης φάσης, διαιρώντας με το συνολικό μήκος της συνδετικής γραμμής

23 Ποσοστά φάσεων Έστω ποσοστό W L υγρού και W α στερεού (W L +W α =1) To Ni συμμετέχει κατά C L στο υγρό, και C α στο στερεό Διατήρηση μάζας για το Ni W L C L W C α α C 0 Λύνοντας ως πρός W L και W α W W α C C 0 C C α C C C C L L α 0 L α L R S R S S R Κανόνας του μοχλού

24 Ποσοστά φάσεων Στο προηγούμενο παράδειγμα του σημείου Β Χρησιμοποιούμε σύσταση Ni C 0 : 35.0%-65.0% Ni-Cu C L : 31.5%-68.5% Ni-Cu C α : 42.5%-57.5% Ni-Cu %(42.5% 57.5% Ni Cu) W α Γ %(31.5% 68.5% Ni Cu) W L Συνολικό Ni παραμένει 35%

25 Σύνοψη Ποιές φάσεις υπάρχουν Σύσταση κάθε φάσης Ποσοστό κάθε φάσης Στο προηγούμενο βρήκαμε δύο φάσεις Υγρή φάση με σύσταση 31.5%-68.5% Ni-Cu Στερεή φάση με σύσταση 42.5%-57.5% Ni-Cu Υγρή φάση σε ποσοστό 32% Στερεή φάση σε ποσοστό 68%

26 Ανάπτυξη μικροδομής Ψύξη ισορροπίας 35%-65% Ni- Cu Ενδιάμεσες μικροδομές φτιάχνονται και καταστρέφονται κατά την ψύξη άπειρα αργή ψύξη

27 Ανάπτυξη μικροδομής Ψύξη μή ισορροπίας 35%-65% Ni-Cu Ενδιάμεσες μικροδομές δεν καταστρέφονται κατά την ψύξη ρεαλιστική ταχύτητα ψύξης Πυρηνοειδής δομή Όχι ιδανική δομή, η μήτρα Ni γύρω από τους πυρήνες λειώνει γρηγορότερα θερμική επεξεργασία για ομοιογενοποίηση, σε θερμοκρασία κάτω της γραμμής solidus

28 Ανάπτυξη μικροδομής Ψύξη μή ισορροπίας 35%-65% Ni-Cu Αναπροσαρμογή των συστάσεων των υγρών και στερεών φάσεων μέσω διάχυσης στην υγρή και στην στερεά φάση, αλλά και στην διεπιφάνεια υγρού-στερεού Οι ρυθμοί διάχυσης είναι αργοί για την στερεά φάση Οι ρυθμοί διάχυσης είναι γρήγοροι για την υγρή φάση

29 Μηχανικές ιδιότητες ισόμορφων κραμάτων Ενίσχυση στερεού διαλύματος Κίνηση διαταραχών είναι μηχανισμός πλαστικής παραμόρφωσης Άτομα πρόσμιξης αλληλεπιδρούν με διαταραχές και μπλοκάρουν την κίνησή τους Αναγκαστικά τα κράματα εμφανίζονται σκληρότερα και ανθεκτικότερα από το κάθε συστατικό μόνο του

30 Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα Σύστημα χαλκού-αργύρου Μεγάλη διαφορά στην ατομική ακτίνα Cu: nm Ag: nm FCC και τα δύο Μικρή διαλυτότητα του ενός στο άλλο Είτε διάλυμα πλούσιο σε Cu (περιοχή α) Είτε διάλυμα πλούσιο σε A (περιοχή β)

31 Σύστημα χαλκού-αργύρου Τρεις μονοφασικές περιοχές Υγρό Στερεό α (πλούσιο σε Cu) Στερεό β (πλούσιο σε Ag) Όρια διαλυτότητας μικρή διαλυτότητα Μηδενική σε χαμηλή θερμ. Αυξάνει εως την ευτηκτική Μηδενίζεται στο σημείο τήξης Solvus κάτω της ευτηκτικής Solidus πάνω της ευτηκτικής Γραμμή Solidus-Ευτηκτική Τρεις διφασικές περιοχές α+l β+l α+β

32 Σύστημα χαλκού-αργύρου Η πρόσμιξη ελατώνει την θερμοκρασία τήξης Ισχύει και για τους δύο διαλύτες Γραμμές ΑΕ, FE Το σημείο Ε είναι το ευτηκτικό σημείο, ή αλλοιώς αναλοίωτο Τ E =779 o C C E =71.9% Ag Κατά την ψύξη στο Ε δημιουργούνται 2 φάσεις Κανόνας μοχλού Ευτηκτική ισόθερμη L( 71.9wt% Ag ) α(8.0wt% Ag ) β(91.2wt% Ag )

33 Γενικά για δυαδικά διαγράμματα Η αντίδραση στο Ε μένει σε σταθερή θερμοκρασία μέχρι να ολοκληρωθεί Σε κάθε περιοχή το πολύ 2 φάσεις Μόνο σε σημεία επιτρέπονται πάνω από 2 φάσεις Μονοφασικές περιοχές διαχωρίζονται πάντα απο διφασική περιοχή

34 Διμερές διάγραμμα

35 Όριο solvus Τα όρια μεταξύ των περιοχών μίας και δύο φάσεων

36 Παρούσες φάσεις

37 Σύσταση φάσεων

38 Ποσοστό φάσεων

39 Σύνοψη Παραδείγματα αλλαγών φάσεων: Το αλάτι οδηγεί σε αλλαγή φάσης του πάγου σε υγρό Αλλάζοντας τη θερμοκρασία του νερού μπορούμε να αλλάξουμε φάση Τα διαγράμματα φάσεων παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη δομή ισορροπίας ενός κράματος ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της σύνθεσής του Οι λεπτομέρειες του θερμικού ιστορικού διέπουν τον τρόπο που συμβαίνουν οι μετασχηματισμοί φάσεων, παράγοντας την μικροδομή του Σύνθεση + Κατεργασία Μικροδομή + Ιδιότητες