ΑΣΚΗΣΗ 3 Θερμική ανάλυση μετάλλων, κραμάτων και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασιών

Σχετικά έγγραφα
ΑΣΚΗΣΗ 3 Θερμική ανάλυση μετάλλων, κραμάτων και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασιών

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O9-2017

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ /19

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O

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

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 3: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΟΜΑΔΑ 12

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O

ΜΕΛΕΤΗ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΦΑΣΕΩΝ

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

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ ΑΠΟ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Το πλεονέκτημα του κράματος ως προς το καθαρό μέταλλο είναι ότι το πρώτο έχει βελτιωμένες ιδιότητες, σε κάθε επιθυμητή κατεύθυνση.

Φάση ονοµάζεται ένα τµήµα της ύλης, οµοιογενές σε όλη την έκτασή του τόσο από άποψη χηµικής σύστασης όσο και φυσικής κατάστασης.

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 2 Ο ΜΕΡΟΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Διαγράμματα φάσεων-phase Diagrams

Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Μεταλλικών Υλικών

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ & ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΥΛΙΚΩΝ. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τμήμα Μηχανικών Μηχανολογίας και Κατασκευαστικής

Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών

Φυσικοί μετασχηματισμοί καθαρών ουσιών

ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ( ) (Βαρύτητα θέματος 25%)

Κατασκευή θερμικού διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος Α,Β σύνθετου ευτηκτικού τύπου. Οδηγίες για την κατασκευή του διαγράμματος

ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Π.Φ. ΜΟΙΡΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ

Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Δομικών Υλικών

Ιωάννης Πούλιος, Καθηγητής Εργ. Φυσικοχημείας Α.Π.Θ. Τηλ

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 5: Διαγράμματα φάσεων και ελεύθερη ενέργεια Gibbs. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1-ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΙ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΩΝ 2017

ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών

ΕΞΙΣΩΣΗ CLAUSIUS-CLAPEYRON ΘΕΩΡΙΑ

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Δομικών Υλικών

1 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΛΥΒΕΣ

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

ΧΗΜΕΙΑ ΘΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑ 6-ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας. Αρχή Le Chatelier.

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

6.2. ΤΗΞΗ ΚΑΙ ΠΗΞΗ, ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΕΣ

ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΧΥΤΕΥΣΕΩΝ. Πορώδες αερίων

Κεφάλαιο 20. Θερμότητα

Φάσεις και δομές στα σιδηρούχα κράματα. Το Διάγραμμα ισορροπίας των φάσεων Fe - C

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Πετρολογία Μαγματικών & Μεταμορφωμένων μ Πετρωμάτων Μέρος 1 ο : Μαγματικά Πετρώματα

Φυσικοχημεία 2 Εργαστηριακές Ασκήσεις

Πείραμα 2 Αν αντίθετα, στο δοχείο εισαχθούν 20 mol ΗΙ στους 440 ºC, τότε το ΗΙ διασπάται σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: 2ΗΙ(g) H 2 (g) + I 2 (g)

Εργαστήριο Υλικών Βίκτωρ Στιβανάκης και Σουζάννε Μπρόσvτα

Mετασχηματισμοί διάχυσης στα στερεά / Πυρηνοποίηση στην στερεά κατάσταση. Ομογενής πυρηνοποίηση στα στερεά/μετασχηματισμοί διάχυσης.

Πετρογένεση Πυριγενών Πετρωμάτων & Οφιολιθικών Συμπλεγμάτων

Τμήμα Χημείας Μάθημα: Φυσικοχημεία Ι Εξέταση: Περίοδος Ιουνίου (21/6/2017)

Εισαγωγή στην πυρηνοποίηση. Ομο- & ετερογενής πυρηνοποίηση: αρχικά στάδια ανάπτυξης υλικών ή σχηματισμού νέας φάσης.

Φυσικοχημεία 2 Εργαστηριακές Ασκήσεις

panagiotisathanasopoulos.gr

Τμήμα Πολιτισμικής Τεχνολογίας και Επικοινωνίας

ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ 1. Πυρηνοποίηση ελεύθερη ενέργεια όγκου Gv ελέυθερη επιφανειακή ενέργεια σ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ. όπου το κ εξαρτάται από το υλικό και τη θερμοκρασία.

Από πού προέρχεται η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον;

ΑΣΚΗΣΗ 2 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 8: Μετασχηματισμοί φάσεων στους χάλυβες. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. Ενότητα 5: ΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΤΑ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΗΜΜΥ

Δύο προσεγγίσεις Ποιοτική εκτίμηση: για τη μελέτη ενός γεωλογικού συστήματος ή την πρόβλεψη της επίδρασης φυσικοχημικών μεταβολών (P/T/ P/T/Χ) σε ένα

ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ. o o o f f 3 o o o f 3 f o o o o o f 3 f 2 f 2 f H = H ( HCl ) H ( NH ) 2A + B Γ + 3

1bar. bar; = = y2. mol. mol. mol. P (bar)

2.6.2 Φυσικές σταθερές των χημικών ουσιών

ΔΠΗΣΖΜΖ ΚΑΗ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΤΛΗΚΩΝ II

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ - 6 Η ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Ι. Ενότητα 10: Ισορροπίες φάσεων. Σογομών Μπογοσιάν Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Kefˆlaio 1. Jermìthta. 1.1 Ask seic. k 1. k 2 + L2

TΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ Fe-C ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ. ΕΙ Η ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Fe-C

1 IΔΑΝΙΚΑ ΑΕΡΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Ι

4.2 Παρα γοντες που επηρεα ζουν τη θε ση χημικη ς ισορροπι ας - Αρχη Le Chatelier

Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών

2η Εργαστηριακή Άσκηση Εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης από τη θερμοκρασία Θεωρητικό μέρος

ΧΗΜΕΙΑ Β ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΘΕΜΑΤΑ ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΩΝ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ

ΑΣΚΗΣΗ 2 η Εφαρμογή Βασικών Αρχών Θερμοδυναμικής - Διαγράμματα Φάσεων Δύο Συστατικών

3 Μετάδοση Θερμότητας με Φυσική Μεταφορά και με Ακτινοβολία

Φυσικοχημεία 2 Εργαστηριακές Ασκήσεις

Πετρογένεση Πυριγενών Πετρωμάτων και Οφιολιθικών Συμπλεγμάτων

4. Θερμοδυναμική κραμάτων και διαγράμματα ισορροπίας των φάσεων

Θεωρητική Εξέταση. Τρίτη, 15 Ιουλίου /3

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΧΑΛΥΒΩΝ

Επιστήμη και Τεχνολογία Συγκολλήσεων. Ενότητα 1: Εισαγωγή Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

ΙΑ ΙΚΑΣΙΕΣ ΥΨΗΛΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΙΣ ΠΑΡΑ ΟΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΡΑΔΙΠΠΟΥ ΣΧΟΛΙΚΗ ΧΡΟΝΙΑ ΓΡΑΠΤΕΣ ΠΡΟΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΟΥΝΙΟΥ 2011

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ

ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΡΑΔΙΠΠΟΥ ΣΧΟΛΙΚΗ ΧΡΟΝΙΑ ΓΡΑΠΤΕΣ ΠΡΟΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΟΥΝΙΟΥ Ονοματεπώνυμο:.

1 η ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΣΕ ΑΠΛΟ ΤΟΙΧΩΜΑ

ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ. Εισαγωγή. 3.1 Γενικά για τη χημική κινητική και τη χημική αντίδραση - Ταχύτητα αντίδρασης

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΑΘΑΡΩΝ ΟΥΣΙΩΝ.

Γραπτή εξέταση «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Ι»-Σεπτέμβριος 2016

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΤΡΙΑΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Η ΦΥΣΙΚΗ ΜΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ

ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΡΑΔΙΠΠΟΥ ΣΧΟΛΙΚΗ ΧΡΟΝΙΑ ΓΡΑΠΤΕΣ ΠΡΟΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΟΥΝΙΟΥ Ονοματεπώνυμο:.

Κεφάλαιο 7. Θερμοκρασία

Γραπτή εξέταση προόδου στο μάθημα «Επιστήμη & Τεχνολογία Υλικών Ι»-Ιανουάριος 2018

ΓΕΝΙΚO ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ

ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ. 2NH + 3Cl N + 6HCl. 3 (g) 2 (g) 2 (g) (g) 2A + B Γ + 3. (g) (g) (g) (g) ποια από τις παρακάτω εκφράσεις είναι λανθασµένη;

Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd stvrentzou@gmail.com

Transcript:

ΑΣΚΗΣΗ 3-2016 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 (Bi-Sn) διαφόρων αναλογιών, καθώς και από καθαρά υλικά. Η τήξη γίνεται σε θερμοκρασίες κατά 200 μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία τήξης του πιο δύστηκτου υλικού. Για να επιτευχθεί η θερμοδυναμική ισορροπία απαιτείται αργός και σταθερός ρυθμός ψύξης, ο οποίος επιτυγχάνεται με τοποθέτηση του δείγματος σε μονωμένο δοχείο. Από τις καμπύλες ψύξης που σχεδιάζονται, προσδιορίζονται τα σημεία αλλαγής της κλίσης 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 ομογενή 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 όπου 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 περιγράφουν συστήματα σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Όμως, πολλά σύγχρονα τεχνολογικά υλικά περιγράφονται σε αυτά σε μετασταθή ή γενικότερα σε κατάσταση μη-ισορροπίας. Και στις δύο περιπτώσεις τα διαγράμματα φάσεων παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την πορεία του συστήματος προς 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 είναι 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 τήξης, εξάχνωσης και βρασμού) υπάρχει ένας βαθμός ελευθερίας (p ή Τ), ενώ στο τριπλό σημείο δεν υπάρχει κανένας βαθμός ελευθερίας. Σε όσα διαγράμματα πολλών συστατικών, για λόγους εποπτείας, 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 συμβαίνουν 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. Οι καμπύλες ισορροπίας είναι γνωστές ως liquidus, solidus και solvus (εικόνα 3.2). Χαρακτηριστικά σημεία αποτελούν, εκτός των σημείων τήξης των καθαρών συστατικών, τα ευτηκτικά και τα περιτηκτικά. Στην εικόνα 3.3 δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά σημεία που μπορεί να συναντηθούν σε ένα διάγραμμα φάσεων με τις αντίστοιχες ισορροπίες. 2

ΑΣΚΗΣΗ 3-2016 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

2.2.1 Θερμική ανάλυση Θερμική Ανάλυση είναι η πειραματική μέθοδος κατασκευής διαγραμμάτων ισορροπίας φάσεων. 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 όπου συμβαίνουν αλλαγές φάσεων, είναι δυνατόν να κατασκευαστούν οι καμπύλες liquidus, solidus και solvus και τα χαρακτηριστικά σημεία του διαγράμματος. 2.2.2 Nόμος 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 είναι υψηλότερος, όσο μεγαλύτερη είναι 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 ελάττωση 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 = kdt (3) ln(t T π ) = kt + C (4) για t = 0 Τ = Τ o και C = In(Τ o Τ π. ). Αφαιρώντας τις δύο τελευταίες εξισώσεις προκύπτει και ln(t T π ) ln(t ο T π ) = kt 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 (2) προκύπτει ότι όσο ελαττώνεται η θερμοκρασία του συστήματος και πλησιάζει ασυμπτωτικά 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 (πλατώ) διότι η στερεοποίηση ενός καθαρού μετάλλου πραγματοποιείται σε σταθερή θερμοκρασία, (κανόνας των φάσεων F = 1 + 1 2 = 0). Όταν το μέταλλο στερεοποιηθεί πλήρως, τότε η θερμοκρασία αρχίζει ξανά να μειώνεται ομαλά. Ένα σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, όταν η ταχύτητα ψύξης είναι πάρα πολύ μικρή. Σε αυτήν την περίπτωση ο ρυθμός ψύξης 4 Εικόνα 3.4: Καμπύλη ψύξης μετάλλου με υστέρηση πήξης.

ΑΣΚΗΣΗ 3-2016 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 μετασταθείς καταστάσεις που έχουν ως αποτέλεσμα την "παραμόρφωση" του διαγράμματος φάσεων που θα προκύψει. 2.2.3 Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος 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: πλήρους αναμιξιμότητας (εικόνα 3.5), με ευτηκτικό σημείο (εικόνα 3.6) και με ευτηκτικό σημείο μερικής αναμιξιμότητας στη στερεή κατάσταση (εικόνα 3.7). Τα σημεία αλλαγής της κλίσης των καμπυλών T t αντιστοιχούν σε κάποια αλλαγή στο σύστημα και κατά συνέπεια σε κάποιο χαρακτηριστικό σημείο του διαγράμματος. Τα οριζόντια τμήματα (πλατώ) αντιστοιχούν σε σημεία τήξης καθαρών συστατικών ή ευτηκτικών μιγμάτων και οφείλονται στη λανθάνουσα θερμότητα τήξης. 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 τήξης" του κράματος, δηλαδή η στερεοποίηση του υγρού γίνεται σε μία περιοχή θερμοκρασιών και όχι σε μία θερμοκρασία. Πλήρης αναμιξιμότητα στη στερεή κατάσταση (εικόνα 3.5) Το στερεό διάλυμα δύο πλήρως αναμίξιμων μεταξύ τους συστατικών ονομάζεται μικτός κρύσταλλος (ΜΚ). Για περιεκτικότητες του Β μεταξύ 0 και 100% το μίγμα δεν παρουσιάζει ένα ορισμένο σημείο τήξης, αλλά μία περιοχή που περικλείεται από τις καμπμύλες liquidus και solidus (δεξιό μέρος της εικόνας 3.5). Η ύπαρξη δυαδικών συστημάτων πλήρους αναμιξιμότητας των δύο συστατικών προϋποθέτει την ικανοποίηση ορισμένων αναγκαίων συνθηκών: Η διαφορά των ακτίνων των ατόμων των συστατικών να είναι μικρότερη από 15%. Τα συστατικά πρέπει να έχουν την ίδια κρυσταλλική δομή. Να μην παρουσιάζουν αισθητή διαφορά στην ηλεκτραρνητικότητα. Να έχουν το ίδιο σθένος. Τα οριζόντια τμήματα (πλατώ) των καμπυλών T t (αριστερό μέρος της εικόνας 3.5) αντιστοιχούν σε σημεία τήξης των καθαρών συστατικών (Α και Β) και οφείλονται στη λανθάνουσα θερμότητα τήξης. Ανάμεσα στις γραμμές liquidus και solidus συνυπάρχει το τήγμα με τους στερεούς μικτούς κρυστάλλους. 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 τήξης" του κράματος. 5

Εικόνα 3.5: Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος πλήρους αναμιξιμότητας στη στερεή και υγρή κατάσταση. Ευτηκτικό σημείο (εικόνα 3.6) Εάν γίνει η ψύξη ενός κράματος με σύσταση x 1 του Α, τότε θα υπάρχει μια ομοιόμορφη πτώση της θερμοκρασίας μέχρι την Τ 1. Αυτό είναι το πρώτο κρίσιμο σημείο, και εκεί όπου αρχίζει η πήξη του Β. Ο ρυθμός ψύξης μειώνεται λόγω της λανθάνουσας θερμότητας τήξης 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 πλατώ : αυτή είναι η ευτηκτική παύση, με F = 0. Στο σημείο αυτό ολοκληρώνεται η στερεοποίηση του κράματος και στη συνέχεια ο ρυθμός ψύξης μειώνεται ομαλά. Η ψύξη του κράματος με σύσταση x Ε του Α (εικόνα 3.6) γίνεται ομαλά μέχρι τη θερμοκρασία Τ Ε, που έχει ευτηκτική σύσταση, και όπου 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 τήξης της. 6

ΑΣΚΗΣΗ 3-2016 Εικόνα 3.6: Κατασκευή διαγράμματος ισορροπίας διμερούς κράματος πλήρους αναμιξιμότητας στην υγρή κατάσταση του οποίου τα συστατικά σχηματίζουν μηχανικό κράμα στη στερεή κατάσταση. Ευτηκτικό σημείο μερικής αναμιξιμότητας στη στερεή κατάσταση (εικόνα 3.7) Το φαινόμενο αυτό, δηλαδή ο σχηματισμός ενός ποσού ευτηκτικού κράματος κατά τη διάρκεια της ψύξης (εμφάνιση πλατώ), συμβαίνει μόνο όταν η καμπύλη ψύξης τέμνει την ευτηκτική ευθεία. Διαφορετικά (εικόνα 3.7 καμπύλες ψύξης για x 1 και x 2 ) δεν εμφανίζεται πλατώ 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. 7

2.3 Επιλογή υλικών χωνευτηρίων για πειράματα τήξης 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: Το υλικό του χωνευτηρίου πρέπει να έχει σημείο τήξης υψηλότερο από τη θερμοκρασία του πειράματος. Το υλικό του χωνευτηρίου πρέπει να είναι τέτοιο που να μην αντιδρά 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 μη 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. Τα υλικά των χωνευτηρίων πρέπει να αποφεύγεται να περιέχουν τοξικές ενώσεις π.χ. BeO. Τα παραπάνω κριτήρια ισχύουν και για χρήση στο κενό ή σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου. 3 Πειραματική διάταξη 3.1 Οργανα συσκευές Χωνευτήρια αλούμινας (Al 2O 3), γυάλινα σωληνάκια, κλειστά στο ένα άκρο θερμοζεύγος (type K), μέταλλα Bi και Sn και κράματα Bi-Sn διαφόρων αναλογιών υψηλής καθαρότητας, 99.99% φούρνος αντίστασης (KEL). ηλεκτρονικό βολτόμετρο, PC 3.2 Διαδικασία Τα μέταλλα και τα κράματα τοποθετούνται κατάλληλα στα χωνευτήρια μαζί με ένα γυάλινο σωληνάκι, με το κλειστό άκρο προς το κάτω μέρος. Τα χωνευτήρια τοποθετούνται στο φούρνο, στους 350 C, μία θερμοκρασία που ξεπερνάει τη θερμοκρασία τήξης 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. 8

ΑΣΚΗΣΗ 3-2016 4 Εργαστηριακή Αναφορά Κάθε ομάδα φοιτητών παραδίδει μια αναφορά, ακολουθώντας. τις γενικές οδηγίες που έχουν δοθεί στο κεφάλαιο 2.3 Παρουσίαση Έκθεσης Εργαστηριακής Άσκησης (Εισαγωγή). Κάθε έκθεση ελέγχεται για λογοκλοπή με το πρόγραμμα EPHORUS. Σε περίπτωση άνω του 30% λογοκλοπής, η έκθεση θα κριθεί με 0/10. Στο κομμάτι της θεωρίας απαντήστε τις παρακάτω ερωτήσεις: 1) Ποιά είναι η διαφορά μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας; 2) Ποιά είναι η κινητήρια δύναμη για την αλλαγή/μετασχησματισμό των φάσεων; 3) Εξετάστε μία τυπική καμπύλη ψύξης για ένα συστατικό. Γιατί οι πειραματικές καμπύλες ψύξης δεν είναι ακριβώς ευθείες γραμμές ούτε στις μονοφασικές περιοχές; 4) Εξηγήστε γιατί ένα κράμα ευτηκτικής σύστασης σχηματίζει μία μικροδομή που αποτελείται από εναλλάξ στρώματα των δύο στερεών φάσεων κατά την διαδικασία της στερεοποίησης. Στο κομμάτι των αποτελεσμάτων: 1) Να σχεδιαστούν οι οκτώ καμπύλες ψύξης που λήφθησαν πειραματικά σε ένα κοινό διάγραμμα (όπως εικόνα 3.7). Εξηγείστε τις ομοιότητες και διαφορές που παρατηρείτε μεταξύ των καμπυλών. 2) Να σημειωθούν η περιεκτικότητα των δειγμάτων και τα χαρακτηριστικά σημεία στον παρακάτω πίνακα. δείγμα m Sn/g m total/g wt% Sn wt% Bi T Liquidus( o C) T solidus( o C) T solvus( o C) 1 Sn - - 100 0 2 (Κ1) 11,3419 11.9797 3 (Κ2) 10,8085 12.9017 4 (Κ3) 8,3871 11.9916 5 (Κ4) 5,1371 12.0106 6 (Κ5) 3,5850 11.9960 7 (Κ6) 2,4011 11.9743 8 Bi - - 0 100 3) Να κατασκευάστε το ευτηκτικό διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Sn-Bi από τα πειραματικά δεδομένα. Ονομάστε το διάγραμμα. Εξηγείστε τις φάσεις-περιοχές και τις καμπύλες. 4) Να συγκρίνετε το δικό σας πειραματικό διάγραμμα με το δεδομένο στηνεικόνα 3.8 και να σχολιάστε τις ομοιότητες και διαφορές που τυχόν παρατηρείτε. β) Να περιγράψτε την διαλυτότητα στην στέρεη φάση Να βρείτε την σύνθεση με την πιο μεγάλη δυαλυτότητα του Bi στο Sn (και του Sn στο Bi). 5) Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα με τις τιμές του ευτηκτικού σημείου. 6) Να αναφέρετε υποδείξεις ή προτάσεις για τη βελτίωση της πειραματικής τεχνικής, ώστε να βελτιωθεί η ακρίβεια και η ευκολία λήψης των μετρήσεων. 9

πειραματικό δεδομένο Ευτηκτικό σημείο wt% Sn wt% Bi T/ o C Εικόνα 3.8: Ευτηκτικό διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Sn-Bi. «Constitution of Binary Alloys», M Hansen and K. Anderko, McGrawe-Hill Book company 1958. 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, Εκδοση τρίτη, Εκδόσεις Παπαζήση, Αθήνα 1990. [3] K. Κονοφάγος "Μεταλλλογνωσία", 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. 10