ΑΣΚΗΣΗ 3 Θερμική ανάλυση μετάλλων, κραμάτων και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασιών

ΑΣΚΗΣΗ 3-2018 ΑΣΚΗΣΗ 3 Θερμική ανάλυση μετάλλων, κραμάτων και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασιών 1 Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η κατασκευή του διαγράμματος φάσεων ενός διμερούς κράματος Sn-Bi. Η μεταλλική φάση αποτελείται από ένα διμερές κράμα (Sn-Bi) διαφόρων αναλογιών, καθώς και από καθαρά υλικά. Η τήξη γίνεται σε θερμοκρασίες περίπου 200 μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία τήξεως του πιο δύστηκτου υλικού. Για να επιτευχθεί η θερμοδυναμική ισορροπία απαιτείται αργός και σταθερός ρυθμός ψύξης, ο οποίος επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση του δείγματος σε μονωμένο δοχείο. Με βάση τις σχεδιασμένες καμπύλες ψύξης προσδιορίζονται τα σημεία αλλαγής της κλίσης των καμπυλών και γίνεται η κατασκευή του διαγράμματος φάσεων. ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ διάγραμμα φάσεων p Τ ενός συστατικού, διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος, οι καμπύλες liquidus, solidus και solvus, θερμική ανάλυση, καμπύλη ψύξης, κανόνας του Gibbs, νόμος του Netwon, ευτηκτικό, ευτηκτοειδές, περιτηκτικό, περιτηκτοειδές, μονοτηκτικό, συντηκτικό. 2 Στοιχεία θεωρίας 2.1 Εισαγωγή Με τον όρο φάση ορίζονται τα ομοιογενή μέρη ενός ετερογενούς συστήματος τα οποία διαχωρίζονται με διεπιφάνειες. Τα διαγράμματα ισορροπίας φάσεων περιγράφουν γραφικά τους μετασχηματισμούς των φάσεων (στερεοποίηση, εξάτμιση, εξάχνωση (εικόνα 3.1)) σε συστήματα στα οποία μετέχουν ένα ή περισσότερα υλικά (συστατικά), όπως κράματα μετάλλων, συστήματα μικτών οξειδίων κ.α.. Οι πληροφορίες που παρέχουν τα διαγράμματα φάσεων είναι κυρίως: Πρόβλεψη των φάσεων που βρίσκονται σε ισορροπία για συγκεκριμένη σύσταση και θερμοκρασία. Προσδιορισμός της χημικής σύστασης κάθε φάσης. Υπολογισμός της ποσότητας κάθε φάσης. Τα διαγράμματα φάσεων απεικονίζουν συστήματα σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Όμως, πολλά σύγχρονα τεχνολογικά υλικά αναπαριστάνονται σε αυτά σε μετάσταση ή γενικότερα σε κατάσταση μη-ισορροπίας. Και στις δύο περιπτώσεις τα διαγράμματα φάσεων παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την πορεία του συστήματος για την αποκατάσταση της ισορροπίας, καθώς και για τις επιμέρους ισορροπίες. 1

Εικόνα 3.1: Τυπικό διάγραμμα φάσεων p Τ ενός συστατικού (διάγραμμα πίεσης θερμοκρασίας) 2.2 Κανόνας του Gibbs Η βασική εξίσωση που διέπει τα διαγράμματα ισορροπίας φάσεων είναι ο κανόνας των φάσεων ή κανόνας του Gibbs. Έτσι όταν ένα σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία ισχύει: F = C P + 2 (1) όπου F είναι οι βαθμοί ελευθερίας, C ο αριθμός των ανεξάρτητων συστατικών και Ρ ο αριθμός των φάσεων. Το 2 έχει αντικατασταθεί και εκφράζει τις δύο ανεξάρτητες μεταβλητές, την πίεση p και τη θερμοκρασία Τ. Η εξίσωση (1) μπορεί να περιγράψει όλα τα διαγράμματα φάσεων (εικόνα 3.1). Έτσι στις περιοχές που αναγράφεται "στερεό", "υγρό" και "αέριο" υπάρχουν 2 βαθμοί ελευθερίας (p και Τ). Στις καμπύλες που ορίζουν τα όρια των παραπάνω περιοχών (δηλ. τα σημεία τήξεως, εξάχνωσης και βρασμού) υπάρχει ένας βαθμός ελευθερίας (p ή Τ), ενώ στο τριπλό σημείο δεν υπάρχει κανένας βαθμός ελευθερίας. Σε όσα διαγράμματα πολλών συστατικών παραλείπεται η μία από τις δύο αυτές μεταβλητές (συνήθως η πίεση), ο νόμος του Gibbs γράφεται: F = C P + 1 (1 ) Στην περίπτωση που δύο συστατικά "συνδέονται" μεταξύ τους με χημική αντίδραση, τότε η σχέση (1) γίνεται: F = C P + 2 X (1β) όπου Χ είναι o αριθμός των χημικών αντιδράσεων που γίνονται και C είναι o αριθμός των συστατικών, δηλαδή C = C Χ. Από τις εξ.(1) και (1α) μπορεί να προσδιοριστεί ο αριθμός των παραμέτρων (πίεση, θερμοκρασία, συγκέντρωση) που μπορούν να μεταβληθούν ανεξάρτητα η μία από την άλλη, χωρίς να μεταβληθεί το σύστημα. 2

ΑΣΚΗΣΗ 3-2018 Οι καμπύλες ισορροπίας είναι γνωστές ως liquidus, solidus και solvus (εικόνα 3.2). Χαρακτηριστικά σημεία αποτελούν, εκτός των σημείων τήξεως των καθαρών συστατικών, τα ευτηκτικά και τα περιτηκτικά. Στην εικόνα 3.3 δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά σημεία που μπορούν να συναντηθούν σε ένα διάγραμμα φάσεων με τις αντίστοιχες ισορροπίες. Εικόνα 3.2: Τυπικό διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος πλήρους αναμιξιμότητας στην υγρή φάση και μερικής αναμιξιμότητας στη στερεή κατάσταση. Ευτηκτικό (eutectic) Ευτηκτοειδές (eutectoid) L α + β Περιτηκτικό (peritectic) γ α + β Περιτηκτοειδές (peritectoid) α + L β Μονοτηκτικό (monotectic) α + γ β Συντηκτικό (syntectic) L 1 α + L 2 L 1 + L 2 α Εικόνα 3.3: Χαρακτηριστικά σημεία διαγραμμάτων φάσεων δύο συστατικών. 3

Η μεταβολή των φάσεων με τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα των στοιχείων που αποτελούν το κράμα παριστάνεται γραφικά με τα διαγράμματα φάσεων ή διαγράμματα κραμάτων. Το διάγραμμα φάσεων του δεδομένου κράματος είναι πολύ σημαντικό διότι: Μαθαίνουμε για το συγκεκριμένο κράμα κάθε θερμοκρασία την οποία υφίσταται, καθώς και τις φάσεις από τις οποίες διέρχεται. Με βάση το διάγραμμα μπορούμε να υπολογίσουμε το βάρος κάθε φάσης δεδομένου του βάρους του κράματος. Παρατηρούμε τι συμβαίνει σε ένα κράμα αν το ψύξουμε ή το θερμάνουμε σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Εμπλουτίζουμε τις γνώσεις μας για την εξέλιξη της μικρογραφικής μορφής του κράματος κατά τη μεταβολή της θερμοκρασίας, δηλαδή πως εμφανίζονται οι κρυσταλλίτες των διαφόρων φάσεων από άποψη διαστάσεων, διασποράς, σχήματος και προσανατολισμού. Παρακολουθούμε τις αλλαγές που υφίσταται ένα κράμα όταν μεταβληθεί η περιεκτικότητα ενός από τα στοιχεία που το αποτελούν. Γενικά δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι τα διαγράμματα ισορροπίας φάσεων ισχύουν εφ όσον έχουμε ισορροπία των φάσεων. Γι αυτό είναι απαραίτητο οι μεταβολές της θερμοκρασίας να είναι πολύ βραδείς. 2.2.1 Θερμική ανάλυση Θερμική Ανάλυση είναι η πειραματική μέθοδος κατασκευής διαγραμμάτων ισορροπίας φάσεων. Πρόκειται για μια μέθοδο κατά την οποία δίνεται η δυνατότητα κατασκευής καμπυλών liquidus, solidus και solvus και χαρακτηριστικών σημείων του διαγράμματος, με τη βοήθεια των καμπυλών ψύξης (εικόνα 3.4-3.7), δηλαδή την παρακολούθηση του ρυθμού πτώσης της θερμοκρασίας υγρού συστήματος μέχρι την ελάχιστη θερμοκρασία, κατά την οποία συντελούνται οι αλλαγές φάσεων. 2.2.2 Νόμος του Netwon Ένα σύστημα που έχει θερμοκρασία Τ μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος Τ π, ψύχεται αποβάλλοντας προς το περιβάλλον θερμότητα, κυρίως μέσω συναγωγής και ακτινοβολίας. Γενικά, ο ρυθμός αποβολής θερμότητας αυξάνεται, όσο μεγαλώνει η διαφορά θερμοκρασίας και (μέσα σε ορισμένα όρια) είναι ευθέως ανάλογος της διαφοράς θερμοκρασίας και του χρόνου ψύξης (νόμος του Netwon). Ως ταχύτητα ψύξης ορίζεται η μείωση της θερμοκρασίας στη μονάδα του χρόνου. Η ταχύτητα ψύξης ενός σώματος είναι για κάθε χρονική στιγμή ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας του σώματος (T) και του περιβάλλοντος (Τ π ): και με ολοκλήρωση dt dt = k(t Τ π ) (2) ή dt/t Τ π = dt (3) ln(t T π ) = kt + C (4) 4

ΑΣΚΗΣΗ 3-2018 για t = 0 Τ = Τ o και C = In(Τ o Τ π. ). Αφαιρώντας τις δύο τελευταίες εξισώσεις προκύπτει ln(t T π ) ln(t ο T π ) = kt και T = T π + (T ο T π )exp kt (5) Η σταθερά k εξαρτάται από τη μάζα, την ειδική θερμότητα και τη φύση της επιφάνειας του σώματος. Από την εξίσωση (5) προκύπτει ότι όσο ελαττώνεται η θερμοκρασία του συστήματος και πλησιάζει ασυμπτωματικά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, τόσο ελαττώνεται και η ταχύτητα ψύξης του συστήματος. Μία χαρακτηριστική καμπύλη ψύξης (θερμοκρασίας-χρόνου ή T t) ενός καθαρού μετάλλου παρουσιάζεται στην εικόνα 3.4. Αρχικά στην καμπύλη η θερμοκρασία του καθαρού μετάλλου ελαττώνεται σταδιακά μέχρι τη θερμοκρασία πήξης, ( T f,, f = freezing). Στη συνέχειατης καμπύλης παρουσιάζεται ένα οριζόντιο βήμα (πλατό), διότι η στερεοποίηση ενός καθαρού μετάλλου πραγματοποιείται σε σταθερή θερμοκρασία (κανόνας των φάσεων F = 1 + 1 2 = 0 ). Με τη στερεοποίηση του μετάλλου, η θερμοκρασία αρχίζει να μειώνεται ομαλά. Εικόνα 3.4: Καμπύλη ψύξης μετάλλου με υστέρηση πήξης. Ένα σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, όταν η ταχύτητα ψύξης είναι πάρα πολύ μικρή. Σε αυτήν την περίπτωση ο ρυθμός ψύξης dt dt εμφανίζεται περίπου σταθερός (σχεδόν ευθεία). Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιείται περιβάλλον από πυριτική άμμο στην οποία περικλείεται το δοκίμιο που ψύχεται ή αλλιώς χρησιμοποιούνται μονωμένα δοχεία. Από την άλλη, εάν η ταχύτητα ψύξης είναι μεγάλη, τότε το σύστημα δεν βρίσκεται σε ισορροπία γιατί δεν διατίθεται ο απαιτούμενος χρόνος για τη διάχυση των ατόμων ώστε να εξισορροπηθούν οι συγκεντρώσεις μέσα στο υλικό. Σε αυτή την περίπτωση, παρατηρούνται φαινόμενα υπόψυξης (διακεκομμένη γραμμή στην εικόνα 3.4) και μετασταθείςες καταστάσεις που έχουν ως αποτέλεσμα την "παραμόρφωση" του διαγράμματος φάσεων που θα προκύψει. 2.2.3 Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος (δυαδικά κράματα) Οι εικόνες 3.5, 3.6 και 3.7 παρουσιάζουν τον τρόπο σχεδιασμού διαγραμμάτων ισορροπίας φάσεων από τις καμπύλες ψύξης των καθαρών μετάλλων (Α και Β) καθώς και των μιγμάτων τους για τρεις διαφορετικές περιπτώσεις: Με πλήρη αναμιξιμότητας (εικόνα 3.5) Με ευτηκτικό σημείο (εικόνα 3.6) Με ευτηκτικό σημείο και μερική αναμιξιμότητα στη στερεή κατάσταση (εικόνα 3.7). 5

Τα σημεία αλλαγής της κλίσης των καμπυλών T t αντιστοιχούν σε κάποια αλλαγή του συστήματος και κατά συνέπεια σε κάποιο χαρακτηριστικό σημείο του διαγράμματος. Τα οριζόντια τμήματα (πλατώ) αντιστοιχούν σε σημεία τήξεως καθαρών συστατικών ή ευτηκτικών μιγμάτων και οφείλονται στη λανθάνουσα θερμότητα τήξεως. Στις περιπτώσεις που η σύσταση και η θερμοκρασία του συστήματος βρίσκονται ανάμεσα στις γραμμές liquidus και solidus η αλλαγή της κλίσης οφείλεται στην "περιοχή σημείων τήξεως" του κράματος, δηλαδή η στερεοποίηση του υγρού γίνεται σε μία περιοχή θερμοκρασιών και όχι σε μία θερμοκρασία. Δυαδικά κράματα πλήρους αναμιξιμότητας στη στερεή κατάσταση (εικόνα 3.5) Η ύπαρξη δυαδικών συστημάτων πλήρους αναμιξιμότητας των δύο συστατικών προϋποθέτει την ικανοποίηση ορισμένων αναγκαίων συνθηκών (κανόνες των Hume Rothery): Η επίδραση του μεγέθους ατόμων: Η διαφορά των ακτινών των ατόμων των συστατικών να πρέπει να είναι μικρότερη από 15%. Η επίδραση της κρυσταλλικότητας: Τα συστατικά πρέπει να έχουν την ίδια κρυσταλλική δομή. Η επίδραση της διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας: Να μην παρουσιάζουν αισθητή διαφορά στην ηλεκτραρνητικότητα. Η επίδραση του σθένους: Να έχουν το ίδιο σθένος. Τα οριζόντια τμήματα (πλατό) των καμπυλών T t (αριστερό μέρος της εικόνας 3.5) αντιστοιχούν σε σημεία τήξεως των καθαρών συστατικών Α και Β και οφείλονται στη λανθάνουσα θερμότητα τήξεως. Ανάμεσα στις γραμμές liquidus και solidus συνυπάρχει το τήγμα με τους στερεούς μικτούς κρυστάλλους (στερεό διάλυμα δύο πλήρως αναμίξιμεων μεταξύ τους συστατικών). Για περιεκτικότητες του Β μεταξύ x > 0 και x < 100% το μίγμα δεν παρουσιάζει ένα ορισμένο σημείο τήξεως, αλλά μία περιοχή που περικλείεται από τις καμπύλες liquidus και solidus (δεξιό μέρος της εικόνας 3.5). Στην περίπτωση της σύστασης x 1 στην εικόνα 3.5 η στερεοποίηση του υγρού γίνεται σε μία περιοχή θερμοκρασιών (T 1 T 2 ) και όχι σε μία θερμοκρασία. Η αλλαγή της κλίσης οφείλεται στην «περιοχή σημείων τήξεως» του κράματος. 6

ΑΣΚΗΣΗ 3-2018 Εικόνα 3.5: Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος πλήρους αναμιξιμότητας στη στερεή και υγρή κατάσταση. Δυαδικά κράματα με ευτηκτικό σημείο (εικόνα 3.6) Εάν γίνει η ψύξη ενός κράματος με σύσταση x 1, τότε θα υπάρχει μια ομοιόμορφη πτώση της θερμοκρασίας μέχρι την Τ 1. Αυτό είναι το πρώτο κρίσιμο σημείο, και εκεί αρχίζει η πήξη του Β. Ο ρυθμός ψύξης μειώνεται λόγω της λανθάνουσας θερμότητας τήξεως που οφείλεται στη δημιουργία των πρώτων στερεών κρυστάλλων του συστατικού Β. Η στερεοποίηση προχωρά με τον ίδιο σχεδόν ρυθμό μέχρι τη θερμοκρασία Τ Ε, όπου παρουσιάζεται ένα οριζόντιο πλατό - η λεγόμενη ευτηκτική παύση. Στο σημείο αυτό ολοκληρώνεται η στερεοποίηση του κράματος και στη συνέχεια ο ρυθμός ψύξης μειώνεται ομαλά. Η ψύξη του κράματος με την ευτηκτική σύσταση x Ε (εικόνα 3.6) γίνεται ομαλά μέχρι τη θερμοκρασία Τ Ε, κατά την οποία παρουσιάζεται ένα μεγάλο οριζόντιο βήμα, λόγω της στερεοποίησης όλου του κράματος. Οι καμπύλες ψύξης δείχνουν ότι όλα τα κράματα των μετάλλων Α και Β (x 1 και x Ε στην εικόνα 3.6) στερεοποιούνται πλήρως σε σταθερή θερμοκρασία Τ Ε. Το γεγονός αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι και το μέρος του υγρού κράματος που στερεοποιείται στην ευτηκτική θερμοκρασία Τ Ε έχει σταθερή σύσταση (x Ε = ευτηκτική σύσταση). Με άλλα λόγια, η μεγαλύτερη ευτηκτική παύση (πλάτος) δίνει την ευτηκτική σύσταση και το σημείο τήξεως της. 7

Εικόνα 3.6: Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος πλήρους αναμιξιμότητας στην υγρή κατάσταση του οποίου τα συστατικά σχηματίζουν μηχανικό κράμα στη στερεή κατάσταση. Δυαδικά κράματα με ευτηκτικό σημείο και μερική αναμιξιμότητα στη στερεή κατάσταση (εικόνα 3.7) Το φαινόμενο αυτό, δηλαδή ο σχηματισμός ενός ποσού ευτηκτικού κράματος κατά τη διάρκεια της ψύξης (εμφάνιση πλατό), συμβαίνει μόνο όταν η καμπύλη ψύξης τέμνει την ευτηκτική ευθεία. Διαφορετικά (εικόνα 3.7 καμπύλες ψύξης για x 1 και x 2 ) δεν εμφανίζεται πλατό ισορροπίας και τα χαρακτηριστικά σημεία της καμπύλης πιστοποιούνται από την αλλαγή της κλίσης της καμπύλης ψύξης. Εικόνα 3.7: Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος πλήρους αναμιξιμότητας στην υγρή κατάσταση και μερικής αναμιξιμότητας στη στερεή κατάσταση. 2.3 Επιλογή υλικών χωνευτηρίων για πειράματα τήξεως μετάλλων Ένα πείραμα θερμικής ανάλυσης περιλαμβάνει την τήξη της μεταλλικής φάσης σε ένα χωνευτήριο. Η επιλογή του υλικού του χωνευτηρίου πρέπει να γίνεται με βάση τα ακόλουθα γενικά κριτήρια: 8

ΑΣΚΗΣΗ 3-2018 Το υλικό του χωνευτηρίου πρέπει να έχει σημείο τήξεως υψηλότερο από τη θερμοκρασία του πειράματος. Το υλικό του χωνευτηρίου πρέπει να είναι τέτοιο που να μην αλληλεπιδρά με τη μεταλλική φάση. Δεν πρέπει οι δύο φάσεις (χωνευτηρίου και μεταλλική) να έχουν καλή συνάφεια. Η τάση ατμών του χωνευτηρίου πρέπει να είναι μικρή για να αποφεύγεται ο κίνδυνος της εξάχνωσης. Το υλικό του χωνευτηρίου και η μεταλλική φάση πρέπει να έχουν παρεμφερείς συντελεστές θερμικής διαστολής. Έτσι αποφεύγονται μηχανικές τάσεις που μπορεί να προκαλέσουν ρωγμές στο χωνευτήριο. Το υλικό του χωνευτηρίου πρέπει να έχει μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, ώστε να μην δημιουργείται μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των θερμαντικών στοιχείων του φούρνου και του δοκιμίου. Το χωνευτήριο πρέπει να έχει καλή "εφαρμογή" με τα τμήματα του φούρνου. Πρέπει να αποφεύγεται τα υλικά των χωνευτηρίων να περιέχουν τοξικές ενώσεις π.χ. BeO. Τα παραπάνω κριτήρια ισχύουν και στην χρήση στο κενό ή σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου. 3 Πειραματική διάταξη 3.1 Όργανα συσκευές μέταλλα Bi και Sn και κράματα Bi-Sn διαφόρων αναλογιών υψηλής καθαρότητας, 99.99% Χωνευτήρια αλούμινας (Al 2O 3) με γυάλινα σωληνάκια, κλειστά στο ένα άκρο θερμοζεύγος (type K), φούρνος αντίστασης (KEL),. ηλεκτρονικό βολτόμετρο, PC 3.2 Διαδικασία Τα μέταλλα και τα κράματα τοποθετούνται κατάλληλα στα χωνευτήρια με ένα γυάλινο σωληνάκι, με το κλειστό άκρο προς το κάτω μέρος. Τα χωνευτήρια τοποθετούνται στο φούρνο, στους 400 C, μία θερμοκρασία που ξεπερνάει τη θερμοκρασία τήξεως και του πιο δύστηκτου συστατικού κατά 200 C ( Τ f(bi) = 271 C, Τ f(sn) = 231 C ). Τοποθετείται το χωνευτήριο επάνω σε ένα τραπεζάκι και τοποθετείται προσεκτικά ένα θερμοζεύγος στο γυάλινο σωληνάκι. Σημειώνεται η θερμοκρασία του δείγματος τουλάχιστον κάθε 10 δευτερόλεπτα με ηλεκτρονικό βολτόμετρο συνδεδεμένο με PC. 4 Εργαστηριακή Αναφορά -ΑΤΟΜΙΚΗ Κάθε φοιτητής/φοιτήτρια πρέπει να παραδώσει μια έκθεση, ακολουθώντας τις γενικές οδηγίες που έχουν δοθεί στο κεφάλαιο 2.3 Παρουσίαση Έκθεσης Εργαστηριακής Άσκησης (Εισαγωγή). Κάθε 9

έκθεση ελέγχεται για λογοκλοπή με το πρόγραμμα TRINITUS. Σε περίπτωση λογοκλοπής άνω του 30%, η έκθεση θα κριθεί με 0/10. Στο κομμάτι της θεωρίας απαντήστε μόνο τις παρακάτω ερωτήσεις: 1) Ποια είναι η κινητήρια δύναμη για την αλλαγή/τον μετασχηματισμό των φάσεων; 2) Εξετάστε τη δική σας πειραματική καμπύλη ψύξης για ένα μόνο συστατικό. Γιατί οι πειραματικές καμπύλες ψύξης δεν είναι ακριβώς ευθείες γραμμές ούτε στις μονοφασικές περιοχές; 3) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα Sn - Bi λεπτομερώς. Εξηγείστε τον όρο ευτηκτικό σημείο. Βρείτε τη σύνθεση με την πιο μεγάλη διαλυτότητα του Bi στο Sn (και του Sn στο Bi). Εικόνα 3.8: Ευτηκτικό διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Sn-Bi. «Constitution of Binary Alloys», M Hansen and K. Anderko, McGrawe-Hill Book company 1958. 4) Η ύπαρξη δυαδικών συστημάτων πλήρους αναμιξιμότητας δύο συστατικών στη στέρεη φάση προϋποθέτει την ικανοποίηση ορισμένων αναγκαίων συνθηκών (κανόνες των Hume Rothery). Ποιες ιδιότητες δεν είναι υπαρκτικές για τα δύο δεδομένα Sn και Bi, που δημιουργούνται σε ένα τέτοιο κράμα; Αναφέρετε τουλάχιστον 3 χαρακτηριστικά των κανόνων Hume Rothery (παραδείγματα σε αριθμούς ή σκίτσα). 5) Εξηγείστε γιατί ένα κράμα ευτηκτικής σύστασης σχηματίζει μία μικροδομή που αποτελείται από εναλλάξ στρώματα δύο στερεών φάσεων κατά την διαδικασία της στερεοποίησης. 10

ΑΣΚΗΣΗ 3-2018 Στο κομμάτι των αποτελεσμάτων: 1) Να σχεδιαστούν σε ένα κοινό διάγραμμα οι τέσσερεις καμπύλες ψύξης που ελήφθησαν πειραματικά (όπως την εικόνα 3.7). Εξηγείστε τις ομοιότητες και διαφορές που παρατηρείτε μεταξύ των καμπυλών. 2) Να σημειωθούν η περιεκτικότητα των πειραματικών δειγμάτων και τα χαρακτηριστικά σημεία θερμοκρασίας στον παρακάτω πίνακα 3.1. 3) Να κατασκευάσετε το ευτηκτικό διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Sn-Bi με βάση τα πειραματικά δεδομένα. Συμπληρώστε αυτό το διάγραμμα με περαιτέρω αποτελέσματα, τα οποία βρίσκετε σε μορφή πειραματικών καμπυλών ψύξης (*), ώστε, κατά την άποψή σας, το ευτηκτικό διάγραμμα είναι πλήρες. Αξιολογείστε αυτήν την επιλογή σας. Να σημειωθούν η περιεκτικότητα των επιπλέον δειγμάτων και τα χαρακτηριστικά σημεία θερμοκρασίας στον ίδιο παρακάτω πίνακα 3.1. (*) Δεδομένες καμπύλες ψύξης: ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 4 «ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΦΥΞΗΣ», Έγγραφα https://eclass.upatras.gr/courses/cmng2156/ Πίνακας 3.1: Η περιεκτικότητα των πειραματικών δειγμάτων και τα χαρακτηριστικά σημεία θερμοκρασίας δείγμα m Sn/g m total/g wt% Sn wt% Bi T Liquidus( o C) T solidus( o C) T solvus( o C) Sn - - 100 0 Κ1 11,288 11,926 Κ2 10,786 11,960 Κ3 8,268 11,969 Κ4 5,085 12,023 Κ5 3,494 12,012 Κ6 2,040 12,081 8 Bi - - 0 100 4) Ονομάστε το διάγραμμα. Εξηγείστε τις φάσεις-περιοχές και τις καμπύλες. 5) Να συγκρίνετε το δικό σας πειραματικό διάγραμμα με το δεδομένο στην Εικόνα 3.8 και να σχολιάστε τις ομοιότητες και διαφορές που τυχόν παρατηρείτε. Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα με τις τιμές του ευτηκτικού σημείου. Πίνακας 3.2: Η περιεκτικότητα και τα χαρακτηριστικά σημεία θερμοκρασίας στο ευτηκτρικό σημείο πειραματικό δεδομένο (Εικόνα 3.8) Ευτηκτικό σημείο wt% Sn wt% Bi T/ o C 11

6) Να προτείνετε προτάσεις βελτίωσης της πειραματικής τεχνικής, ώστε να βελτιωθεί η ακρίβεια και η ευκολία λήψης των μετρήσεων. 5 Βιβλιογραφία [1] W.D. Callister Επιστήμη και τεχνολογία των υλικών 5 η έκδοση, Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ (2008) ΙΣΒΝ 978-960-8050-90-1. [2] N.A. Κατσάνου, "Φυσικοχημεία, Βασική Θεώρηση", Κεφάλαιο IV, Έκδοση τρίτη, Εκδόσεις Παπαζήση, Αθήνα 1990. [3] K. Κονοφάγος "Μεταλλογνωσία", Αθήνα 1973, Τ.Ι, σ.204, "Τ.II. [4] Π. Νικολόπουλος "Μεταλλογνωσία", Πάτρα 1989, Κεφ. "Διαγράμματα ισορροπίας φάσεων". [5] Constitution of Binary Alloys, Max Hansen, Metallurgy and Metallurgical Engineering Series, McGraw-Hill Book Company, Inc, New York, 1958. 12