ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 3: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΟΜΑΔΑ 1

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 3: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΟΜΑΔΑ 1 Προφορικές εξετάσεις/αναφορές: Κάθε ομάδα ετοιμάζει μία παρουσίαση (στο πρόγραμμα Power Point για ~30 45 λεπτά, διαφάνειες και με βάση την αναφορά), και κάθε μέλος της ομάδας παρουσιάζει ένα από τα εξής μέρη: Πρώτο Εισαγωγή και Θεωρία, Δεύτερο πρόβλημα 1, Τρίτο πρόβλημα 2, Τέταρτο πρόβλημα 3, Πέμπτο πρόβλημα 4. Μπορείτε να μοιράσετε τα μέρη μεταξύ σας κατά βούληση. Εισαγωγή και Θεωρία Εισαγωγή Η εισαγωγή περιγράφει την ανάγκη και το σκοπό της εργαστηριακής άσκησης. Στο σημείο αυτό δίνονται αρκετές προκαταρκτικές πληροφορίες, ώστε ο αναγνώστης να είναι σε θέση να κατατάξει την εργασία στο γενικότερο πλαίσιο της γνώσης στο συγκεκριμένο τομέα (Γιατί χρειαζόμαστε διαγράμματα φάσεων; Δώστε παραδείγματα.) Θεωρία Aπαντήστε μόνο αυτά τα ερωτήματα: 1. Ποιά είναι η διαφορά μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας; 2. Ονομάστε τις 6 κύριες αλλαγές φάσεων (πρώτου βαθμού). Ποιές είναι εξώθερμες, και ποιές ενδόθερμες. Δώστε καθημερινά παραδείγματα. 3. Ποιά είναι η κινητήρια δύναμη για την αλλαγή/μετασχησματισμό φάσεων; 4. Σχεδιάστε σε ένα πρόχειρο διάγραμμα την μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας G για την ρευστή και την στέρεη φάση συναρτήσει της θερμοκρασίας γύρω από την θερμοκρασία τήξης ενός συστατικού. Εξηγείστε συνοπτικά. O1_2012.doc 8/10/2012 1

2 Πρόβλημα 1: Τυπικό διάγραμμα φάσεων P Τ ενός συστατικού (S) Διάγραμμα 1.1: Τυπικό διάγραμμα φάσεων P Τ ενός συστατικού (S) Κατάσταση V o 298 (cm 3 /mol) S o (J/mol K) S rhombic S monoclinic Εξηγείστε τις φάσεις περιοχές, τις καμπύλες..., Ποιά είναι τα βασικά χαρακτηριστικά ενός διαγράμματος φάσης για ένα συστατικό; 2. Τι σημαίνει πολυμορφισμός και αλλοτροπία; 3. Ποιό είναι το σημείο τήξης και βρασμού; 3.1. Πόσα τριπλά σημεία βρίσκονται στο διάγραμμα φάσης; Ποιές φάσεις συνυπάρχουν στα τριπλά σημεία; 3.2. Ποιά φάση είναι σταθερή σε θερμοκρασία T=100 o C και πίεση p=1atm; 4. Εξετάστε την αντίδραση: S rhombic S monoclinic (1) 4.1. Ποιό είναι το ΔV για την αντίδραση (1); Ποιά από τις δύο φάσεις είναι πυκνότερη; Ποιά είναι η πιο σταθερή σε υψηλή πίεση; 4.2. Ποιό είναι το ΔS για την αντίδραση (1); Ποιά φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή θερμοκρασία; 5. Σχηματίστε και περιγράψτε την κρυσταλλική δομή του S rhombic και S monoclinic. O1_2012.doc 8/10/2012 2

3 Πρόβλημα 2: Διάγραμμα ισορροπίας δίμερους κράματους πλήρους αναμιξιμότητας (μέταλλα) 1. Από τις ιδανικές καμπύλες ψύξης (διάγραμμα Τ vs t) σχεδιάστε το διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματους πλήρους αναμιξιμότητας (Bi Sb). Ονομάστε τις φάσεις περιοχές και τις καμπύλες. Ποιά είναι τα βασικά χαρακτηριστικά ενός διαγράμματος ισορροπίας πλήρους αναμιξιμότητας; 2. Εξετάστε μία καμπύλη ψύξης (κατά βούληση) για μόνο ένα συστατικο. Γιατί οι πειραματικές καμπύλες ψύξης δεν είναι ακριβώς ευθείες γραμμές, ούτε στις μονοφασικές περιοχές; 3. Παρουσιάστε το διάγραμμα φάσεων αλλά σε ποιό μεγάλη μεγέθυνση στην περιοχή οποία εντοπίζεται η σύσταση για ένα μίγμα αρχικής περιεκτικότητας χ Bi =30 mole% Σχηματίστε και περιγράψτε την ανάπτυξη μικροδομής κατά την ισορροπία στερεοποίηση για αυτήν την σύσταση (αργή ψύξη) Εξετάστε την χημική σύνθεση της στέρεης και ρευστής φάσης στο εύρος ψύξης Εξετάστε στο εύρος ψύξης για μία θερμοκρασία (κατά βουλήση) και την μάζα του τήγματος και του στερεού. (Εφαρμόστε τον κανόνα του μοχλού). Διάγραμμα 2.1: Καμπύλες ψύξης διμερούς κράματος Bi Sb. O1_2012.doc 8/10/2012 3

4 Πρόβλημα 3: Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Sn Bi Να δοθεί λεπτομερής περιγραφή της διαδικασίας και των χειρισμών που έγιναν για να ληφθούν τα πειραματικά αποτελέσματα. Να αναφερούν οι μετρήσεις οι οποίες έγιναν και τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν. Ο βασικός σκοπός κατά την περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας είναι να παράσχει αρκετές πληροφορίες, ώστε να μπορεί κάποιος άλλος πειραματιστής να επαναλάβει την πειραματική εργασία όπως ακριβώς έγινε στην δική σας μελέτη. 1. Κατασκευάστε το ευτηκτικό διάγραμμα φάσεων δίμερους κράματος Sn Bi aπό τα πειραματικά δεδομένα (4 6 καμπύλες ψύξης, πίνακας). Ονομάστε το διαγραμμα. Εξηγείστε τις φάσειςπεριοχές, τις καμπύλες..., Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά ενός ευτηκτικού διαγράμματος. X Sn 100 T, o C Liquidus T, o C Solidus 0 2. Υπολογίστε την μεταβολή της γραμμής Liquidus με τη θερμοκρασία καθώς και το ευτηκτικό σημείο και σχεδιάστε ένα δεύτερο «θεωρητικό» διάγραμμα. Συγκρίνετε τα διαγράμματα. Συζητήστε τις διαφορές που τυχόν παρατηρείτε. Να παρουσιαστούν επίσης τα δεδομένα και οι σημαντικότερες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να υπολογιστούν τα διάφορα ζητούμενα μεγέθη. O1_2012.doc 8/10/2012 4

5 Πρόβλημα 4: Μέθοδοι έρευνας των υλικών (κεραμικά) 1. Συνοπτική περίληψη των μετασχηματισμών φάσεων δευτέρου βαθμού (ευτηκτικό, ευτηκτοειδές και συντηκτικό). 2. Σε μία πειραματική άσκηση πρέπει να διακρίνετε την στερεή περιοχή του κεραμικού συστήματος ZrO 2 και του μεταλλικού συστήματος Ni. Δώστε πληροφορίες για τα δύο υλικά (κρυσταλλική δομή, διαμοριακή δύναμη, πυκνότητα, ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, θερμοκρασία τήξης...). Με βάση τις σημαντικές διαφορές ανάμεσα στα κεραμικά και στα μεταλλικά υλικά επιλέξτε και περιγράψτε έναν τρόπο εξέτασης με καταστροφή του εξεταζόμενου συστήματος ή χωρίς καταστροφή. 3. Ονομάστε στο διάγραμμα 4.1 (La 2 O 3 SiO 2 ), τα τρία σημεία και δώστε την αντίστοιχη αντίδραση. Πόσα τριπλά σημεία βρίσκονται στο διάγραμμα φάσης; Ποιές φάσεις συνυπάρχουν στα τριπλά σημεία; Διάγραμμα 4.1: Phase diagram La 2 O 3 SiO 2 O1_2012.doc 8/10/2012 5