Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 03 Θερμική Ανάλυση Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεώνη Ασημακοπούλου Δρ Θεόδωρος Λούτας Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα 2011
Στερεοποίηση (πήξη) Πήξη: μετάβαση ρευστού στη στερεά κατάσταση με μείωση της θερμοκρασίας Για τα κρυσταλλικά υλικά: Κρυστάλλωση Για τα άμορφα υλικά: Στερεοποίηση 2
Κρυστάλλωση Κρυστάλλωση: διαδικασία στερεοποίησης τήγματος σε κρυσταλλική δομή Ψύξη μείωση κινητικής ενέργειας ατόμων δημιουργία κρυσταλλικών δομών (ομοιογενών πυρήνων) γύρω από τις οποίες προσκολλώνται και άλλα άτομα αναπτύσσοντας κρυστάλλους τυχαία προσανατολισμένους 3
Διαδικασία κρυστάλλωσης 1. Δημιουργία πυρήνων στερεοποίησης (φύτρες) 2. Προσκόλληση ατόμων στις επιφάνειες των φυτρών και ανάπτυξη κρυστάλλων 3. Δημιουργία κόκκων από κρυστάλλους κοινού προσανατολισμού 4. Όρια κόκκων ορατά στο μικροσκόπιο 4
Διαδικασία κρυστάλλωσης 1. Δημιουργία πυρήνων στερεοποίησης (φύτρες) 2. Προσκόλληση ατόμων στις επιφάνειες των φυτρών και ανάπτυξη κρυστάλλων 3. Δημιουργία κόκκων από κρυστάλλους κοινού προσανατολισμού 4. Όρια κόκκων ορατά στο μικροσκόπιο 5
Επίδραση μεγέθους κόκκων Το μέγεθος των κόκκων καθορίζει τη μηχανική συμπεριφορά του υλικού Λεπτόκοκκα υλικά: καλύτερη μηχανική συμπεριφορά Τρόποι δημιουργίας λεπτόκοκκων υλικών: 1. Αύξηση αριθμού φυτρών (προσθήκη άλλων στοιχείων) 2. Μείωση ενεργών διατομών υλικού 3. Διέλαση, σφυρηλάτηση (προσανατολισμός κόκκων) 6
Μονοκρύσταλλοι Τα μονοκρυσταλλικά υλικά: 1. αποτελούνται από έναν μόνο κρύσταλλο 2. παρουσιάζουν λιγότερες ατέλειες πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες 3. χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές όπως εργαλεία, πτερύγια στροβιλομηχανών... 7
Διαγράμματα ψύξης Ζn 1. Ομαλή ψύξη θερμοκρασία ( ο C) 460 380 T m =419 A B 0 χρόνος (sec) 180 ΑΒ: Κρυστάλλωση απελευθέρωση θερμότητας σταθεροποίηση θερμοκρασίας 8
Διαγράμματα ψύξης Ζn 2. Σχετικά γρήγορη ψύξη 460 θερμοκρασία ( ο C) T m =419 Κρυστάλλωση εφ όσον η εκλυόμενη θερμότητα είναι αρκετή: ΔΤ < 0.15Τ m 380 0 χρόνος (sec) 120 9
Διαγράμματα ψύξης Ζn 3. Ταχεία ψύξη θερμοκρασία ( ο C) 460 380 T m =419 0 χρόνος (sec) 60 Δημιουργία κρυστάλλων + στερεοποίηση σε άμορφη δομή: ΔΤ > 0.15Τ m 10
Κόκκοι κραμάτων Κόκκοι με 1 είδος ατόμου: κράμα αδιάλυτο στη στερεά κατάσταση Κόκκοι με 2 ή περισσότερα είδη ατόμων: κράμα ευδιάλυτο στη στερεά κατάσταση 11
Θερμική ανάλυση Τammann Αφορά σε κράματα 2 στοιχείων, ευδιάλυτα στη στερεά κατάσταση: Διάγραμμα κατάστασης κράματος με συνιστώσες Α και Β 12
Δημιουργία διαγράμματος φάσεων Διαγράμματα ψύξης Διάγραμμα κατάστασης (φάσεων) 100% Β 100% Α 13
Ανάλυση διαγράμματος φάσεων Έστω κράμα με σύσταση 40% Α και 60% Β: το κράμα στερεοποιείται μεταξύ των θερμοκρασιών Τ 1 και Τ 2 Οι πρώτοι κρύσταλλοι δημιουργούνται σε θερμοκρασία Τ 1. Τήγμα υπάρχει έως και τη θερμοκρασίατ 2 14
Ανάλυση διαγράμματος φάσεων Έστω κράμα με σύσταση 40% Α και 60% Β: το κράμα στερεοποιείται μεταξύ των θερμοκρασιών Τ 1 και Τ 2 σύσταση πρώτων κρυστάλλων: 90% Α 10% Β σύσταση τελευταίου τήγματος: 5% Α 95% Β 15
Ανάλυση διαγράμματος φάσεων Έστω κράμα με σύσταση 40% Α και 60% Β: το κράμα στερεοποιείται μεταξύ των θερμοκρασιών Τ 1 και Τ 2 σύσταση κρυστάλλων στη θερμοκρασία Τ: 76% Α 24% Β σύσταση τήγματος στη θερμοκρασία Τ: 25% Α 75% Β 16
Πειραματικό μέρος Σκοπός του πειράματος είναι η χάραξη της καμπύλης ψυξης τήγματος κασσιτέρου (Sn). 1. Μικρά τεμάχια Sn τοποθετούνται σε πυρίμαχο καλούπι πορσελάνης. 2. Το καλούπι εισάγεται σε κλίβανο σε θερμοκρασία ανώτερη του σημείου τήξης του κασσίτερου. 3.Με την ολοκλήρωση της τήξης βγάζουμε το απόψυξη του τήγματος στον ελεύθερο αέρα. 4. Βυθίζουμε ένα θερμόμετρο στο τήγμα 5. Με χρονομέτρο μετράμε τη θερμοκρασία του τήγματος εώς τη στερεοποίηση του. 17
...Πειραματικό μέρος Το θερμόμετρο που χρησιμοποιείται στην πειραματική διαδικασία είναι θερμόμετρο υδραργύρου και ανήκει στην κατηγορία των θερμόμετρων διαστολής. Αντί για κοινό γυαλί ως περίβλημα, χρησιμοποιείται γυαλί από χαλαζία (περιοχή μέτρησης φτάνει τους 800 ο C). 18