Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

Transcript

1 Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης

2 Διαγράμματα Φάσεων Δημιουργία κραμάτων: διάχυση στοιχείων που έρχονται σε άμεση επαφή Πως συμπεριφέρονται τα επιμέρους άτομα των στοιχείων που αναμιγνύονται; Ποιες είναι οι ιδιότητές τους (δομικές, μηχανικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές, οπτικές) και με ποιους τρόπου εξαρτώνται από την σύσταση των κραμάτων; Πως μπορούμε να προβλέψουμε την συμπεριφορά ενός κράματος αν γνωρίζουμε την στοιχειακή του σύνθεση; Ποια είναι τα σημεία τήξης των κραμάτων και πως εξαρτώνται από την στοιχειομετρία τους; Πιο απλές περιπτώσεις (αλλά και συνήθως χρησιμοποιούμενες): δυαδικά κράματα και αντίστοιχα διαγράμματα φάσεων.

3 Ορολογία Στοιχείο: στοιχείο του περιοδικού πίνακα. π.χ.: H, O, N, C, Fe, Ni, Cu, Si, Ag,. Συστατικό: στοιχείο ή χημική ένωση από τα οποία αποτελείται ένα κράμα/σύστημα. π.χ.: ορείχαλκος : κράμα Cu & Zn, μπρούτζος (κρατέρωμα): κράμα Cu & Sn χάλυβας: κράμα Fe & C, ή Fe & Fe3C Στοιχειομετρία: ατομική αναλογία του κράματος ή της χημικής ένωσης. π.χ.: Fe 2 O 3, Cu 36 Ni 64, Si B , Zn 0.95 Ni 0.05 O, Fe 1-x Al x O (x=0.1, 0.2),

4 Ορολογία Σύσταση : στοιχειομετρία ή σχετική αναλογία (κατά βάρος, μάζα ή όγκο) των συστατικών ενός κράματος (υγρού ή στερεού διαλύματος). π.χ.: σύσταση Fe 3 O 4 : Fe/O=3/4 ατομικά, Fe/O 72/28 κατά μάζα ή βάρος σύσταση διαλύματος ζάχαρης (C 12 H 22 O 11 ) στο νερό (H 2 O) Όριο διαλυτότητας: μέγιστη συγκέντρωση (στοιχειομετρία ή σύσταση) της διαλυμένης ουσίας στον διαλύτη (για μεγαλύτερη συγκέντρωση δεν υπάρχει ομοιογένεια στο κράμα ή το διάλυμα). π.χ.: όριο διαλυτότητας της ζάχαρης στο νερό όριο διαλυτότητας C στον Fe

5 Ορολογία Σύστημα: τμήμα του υπό μελέτη υλικού ή γενικότερη έννοια του κράματος ή της χημικής ένωσης. π.χ.: σύστημα των φάσεων της δομής του χάλυβα το σύστημα Ni-Cu, το σύστημα Fe 2 O 3 -Cr 2 O 3, το σύστημα Pb-Sn, Το κάθε ξεχωριστό "μέρος" του "συστήματος" αποτελεί μία "συνιστώσα", οπότε μπορούμε να έχουμε μονομερή, διμερή, τριμερή κ.ο.κ συστήματα. Φάση: ένα ομοιογενές τμήμα ενός συστήματος, το οποίο έχει ομοιόμορφα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά. π.χ.: η στερεά, η υγρή και η αέρια φάση του αζώτου (Ν), όταν το νερό λιώνει περιέχει ταυτόχρονα δύο διαφορετικές φάσεις, στερεά και υγρή, χωρίς διαφορά στην χημική τους στοιχειομετρία, ο σίδηρος (Fe) εμφανίζεται σε δυο διαφορετικές κρυσταλλογραφικές φάσεις (αλλοτροπία) ανάλογα με την θερμοκρασία: για Τ<912 C παρουσιάζεται στην χωροκεντρωμένη bcc φάση (α-fe, φερρίτης) ενώ για Τ>912 C στην εδροκεντρωμένη fcc φάση (γ-fe, ωστενίτης) ο χάλυβας με σύσταση 1% κατά βάρος C περιέχει δύο διαφορετικές φάσεις σε θερμοκρασία δωματίου: την bcc φάση του Fe (α-fe, φερρίτης) και την φάση Fe 3 C (σεμεντίτης). Μονοφασικό, διφασικό, τριφασικό, πολυφασικό υλικό ή σύστημα: ένα υλικό ή σύστημα που αποτελείται από μία, δύο, τρεις, ή και περισσότερες φάσεις.

6 Ορολογία Μικροδομή ενός κράματος: η σύσταση και ο τρόπος διασύνδεσης σε ατομικό επίπεδο των φάσεων του κράματος. Η μικροδομή εξαρτάται από την σύσταση αλλά και την χημική, μηχανική, οπτική, μαγνητική και θερμική επεξεργασία του κράματος και την εν γένει «ιστορία» του. π.χ.: μικροδομή του κράματος Fe-C σε διαφορετικές συστάσεις. Χαμηλή περιεκτικότητα σε C Υψηλή περιεκτικότητα σε C ανοιχτόχρωμες περιοχές: α-fe (φερρίτης), σκουρόχρωμες περιοχές: περλίτης (α-fe + Fe 3 C)

7 Ορολογία Ισορροπία: η κατάσταση στην οποία η «ελεύθερη ενέργεια» ενός συστήματος (συνάρτηση της εσωτερικής του ενέργειας και της εντροπίας) είναι ελάχιστη (σε συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και σύστασης. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος δεν μεταβάλλονται με τον χρόνο. Το σύστημα μπορεί να μεταβαίνει από μία σε μία άλλη κατάσταση ισορροπίας αν αλλάξει κάποιο από τα μεγέθη των συνθηκών. π.χ.: διάλυμα ζάχαρης νερού Μη-Ισορροπία ή μετασταθής κατάσταση: η ενδιάμεση κατάσταση κατά την διαδικασία μετάβασης μεταξύ καταστάσεων ισορροπίας. Στην μετασταθή κατάσταση ο χρόνος μεταβολής μεταξύ των δύο καταστάσεων ισορροπίας μπορεί να είναι μικρός ή και πολύ μεγάλος. Οι μετασταθείς καταστάσεις παρουσιάζουν πολλές φορές «ιδιαίτερες» ή «εξωτικές» ιδιότητες που δεν συναντώνται στις καταστάσεις ισορροπίας και όταν ισχύει και «συμφέρει» αυτό π.χ. για συγκεκριμένες εφαρμογές γίνεται προσπάθεια να αυξηθεί ο χρόνος παραμονής του μελετώμενου συστήματος σ αυτές μέσω της επέμβασης στην δομή του υλικού με διάφορες μεθόδους (π.χ. επέμβαση στην στοιχειομετρία, στην διαδικασία σύνθεσης κ.α.).

8 Διαγράμματα (διμερή) ισορροπίας φάσεων Παράσταση των φάσεων που σχηματίζονται σε ένα διμερές (ή δυαδικό) κράμα (που το αποτελούν δύο συνιστώσες π.χ. στοιχεία/ενώσεις) σε άξονες θερμοκρασίας (κάθετος) σύστασης (οριζόντιος) υπό συνθήκες σταθερής πίεσης (1 atm). Ισόμορφο σύστημα: πλήρης διαλυτότητα των δύο στοιχείων-συστατικών στο σύστημα σε όλο το εύρος των συστάσεων. Σημειολογία: χρήση ελληνικών γραμμάτων α, β, γ, δ, η, θ, = κράματα (π.χ. διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις) στην ίδια φυσική κατάσταση (στερεά φάση). L = υγρή φάση C 1085 C

9 Διαγράμματα φάσεων δυαδικών κραμάτων Προσδιορισμός της σύστασης των φάσεων συνδετική γραμμή ή ισόθερμη σημείο προσδιορισμού C L : 31.5 wt% Ni-68.5 wt% Cu C α : 42,5 wt% Ni-57,5 wt% Cu

10 Διαγράμματα φάσεων δυαδικών κραμάτων Προσδιορισμός του ποσοστού των φάσεων Κανόνας μοχλού συνδετική γραμμή ή ισόθερμη σημείο προσδιορισμού W α

11 Πολυφασικά κράματα και κλάσματα όγκου φάσης Μετατροπή από κλάσμα μάζας σε κλάσμα όγκου Για ένα σύστημα με δύο φάσεις (διφασικό) το κλάσμα όγκου της κάθε φάσης υ α και υ β : όγκοι των δύο φάσεων στο κράμα V α + V β =1 ρ α και ρ β : πυκνότητες των δύο φάσεων

12 700 C J Ι K 5 wt% Ag 30 wt% Ag 6 wt% Cu Σύσταση των φάσεων στους 700 C για 30 wt% Ag Ποσοστά κ.β. των φάσεων για 30 wt% Ag στους 700 C α+β α: 5 wt% Ag, 95 wt% Cu β: 94 wt% Ag, 6 wt% Cu IK (94 30)% wtag JI (30 5)% wtag Κανόνας Μοχλού α : = 72% β : = 28% JK (94 5)% wtag JK (94 5)% wtag

13 Διάγραμμα φάσεων (πιέσεως-θερμοκρασίας) καθαρού (απεσταγμένου) νερού (Η 2 Ο) διάγραμμα φάσεων μίας συνιστώσας (H 2 O) Σημείο τήξης (1 atm) (0 C) Τριπλό σημείο Σημείο βρασμού (1 atm) (100 C)

14 Υπέρκορο κράμα α σύστασης C 0 Θερμική κατεργασία κατακρήμνισης ή καταβύθισης (precipitation) Διαδικασία γήρανσης

15 Θερμική κατεργασία κατακρήμνισης ή καταβύθισης (precipitation) σε κράμα Al-Cu