ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O 17-2017 Προφορικές εξετάσεις: Κάθε ομάδα ετοιμάζει μία παρουσίαση στο πρόγραμμα Power Point για ~60 λεπτά. Κάθε μέλος της ομάδας παρουσιάζει ένα από τα εξής μέρη: Πρόβλημα 1 - Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού - Η εξίσωση Clapeyron Πρόβλημα 2- Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού - Το θεώρημα του Le Chatelier Πρόβλημα 3 - Δυαδικά ισόμορφα συστήματα Πρόβλημα 4 - Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα Πρόβλημα 5 - Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Η ατομική παρουσίαση δεν θα πρέπει να διαρκέσει περισσότερο από 10 λεπτά και δεν θα πρέπει να περιέχει περισσότερα από 10 διαφάνειες. Μπορείτε να μοιράσετε τα μέρη μεταξύ σας κατά βούληση. OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 1
Πρόβλημα 1: Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (H 2 O) - Η εξίσωση Clapeyron 1) Κατασκευάστε το διάγραμμα φάσεων Η2Ο με τα δεδομένα τα οποία θα βρείτε στον παρακάτω πίνακα. a) Θα πρέπει να επιλέξετε ένα ημιλογαριθμικό διάγραμμα (lοg P T, Εξηγείστε γιατί). b) Εφαρμόστε την εξίσωση Clapeyron για την περίπτωση της τήξης και υπολογίστε την καμπύλη στη γειτονία του τριπλού σημείου ( 5 + 5 C). c) Συμπληρώστε το δικό σας διάγραμμα με αυτά τα αποτελέσματα. d) Ονομάστε τις 6 κύριες αλλαγές φάσεων. Ποιες είναι εξώθερμες, και ποιες ενδόθερμες. e) Εξηγείστε τον όρο «λανθάνουσα θερμότητα τήξεως». 2) Πώς λειτουργεί μία χύτρα; Να χρησιμοποιήσετε για την εξήγηση σας την καμπύλη εξάτμισης στο διάγραμμα. 3) Φανταζόμαστε μια πειραματική διάλεξη. Χρησιμοποιούμε ένα λεπτό σπάγκο με βάρη στα δυο άκρα για να κόβουμε ένα μπλοκ του πάγου, αλλά το μπλοκ δεν διασπάται. Εξηγείστε το φαινόμενο. 4) Ο 2 ο νόμος της θερμοδυναμικής υπαγορεύει ότι η εντροπία του σύμπαντος αυξάνει σε όλες τις πραγματικές διεργασίες. Όταν νερό πήξει στους 0 C η εντροπία του ελαττώνεται. Εξηγείστε πως αυτό είναι συμβατό με τον νόμο της θερμοδυναμικής. Θερμοκρασία, Τ/ o C Πίεση, P/bar Τριπλό σημείο 0,0098 611 10-3 Σημείο τήξης 0 1,013 Σημείο βρασμού 100 1,013 Κρίσιμο σημείο 374,15 218,3 τάση ατμών -10 300 10-3 -5 400 10-3 -2 520 10-3 -1 565 10-3 1 659 10-3 2 707 10-3 5 870 10-3 Ενθαλπία τήξης (1,013 bar, Σημείο τήξης) 6,008 kj/mol Ενθαλπία εξάτμισης: (1.013 bar Σημείο 40,656 kj/mol βρασμού) πυκνότητα στερεού 0,915 g/cm 3 πυκνότητα υγρού 0,999 g/cm 3 OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 2
Πρόβλημα 2: Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (Fe) - Το θεώρημα του Le Chatelier Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (Fe) [1] 1) Πόσα τριπλά σημεία βρίσκονται στο διάγραμμα φάσεων; Ποιες φάσεις συνυπάρχουν στα τριπλά σημεία; 2) Γιατί το Fe έχει διαφορετικές στερεές φάσεις, αλλά μόνο μία υγρή και μία αέρια; 3) Εφαρμόστε το νόμο του GIBBS και δώστε βαθμούς ελευθερίας για 3 σημεία (μονοφασικές, διφασικές και τριφασικές περιοχές). 4) Η γραμμή που χωρίζει τις μορφές BCC (α-fe) και FCC (γ-fe) είναι σχεδόν, αλλά όχι αρκετά κατακόρυφη. Nα προβλέψτε την κλίση της γραμμής και να εξηγείστε την απάντησή σας. 5) Λιωμένο σίδηρο ψύχεται σε πίεση 1 atm αργά μέχρι περίπου 1200 C και στη συνέχεια ψύχεται ταχέως σε θερμοκρασία δωματίου. Σίδερο σε μορφή FCC σχηματίζεται. Δείξτε με βέλη στο διάγραμμα αυτήν τη διαδικασία και να εξηγήστε γιατί η διαδικασία οδηγεί στη μετάσταση μορφή FCC ως φάση. 6) Αναφέρετε και συγκρίνετε τα βασικά χαρακτηριστικά των φάσεων α-fe και γ-fe (διαλυτότητα του άνθρακα, σκληρότητα, μαγνητικές ιδιότητες). [1] F.N. Rhines Phase Diagrams in Metallurgy McGra-Hill Co, Inc 1956. OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 3
Πρόβλημα 3: Δυαδικά ισόμορφα συστήματα 1) Κατασκευάστε το διάγραμμα σκληρότητα (HV ann και HV cw ) συναρτήσει της συγκέντρωσης Ir από τα δεδομένα τα οποία θα βρείτε στον παρακάτω πίνακα [1, 2]. a) Τι σημαίνει σκληρότητα στη μεταλλουργία; b) Εξηγείστε γιατί με την προσθήκη του δεύτερου μετάλλου η αντοχή αυξάνει. c) Συγκρίνετε την τελική σκληρότητα μετά από ανόπτηση (annealing) με την σκληρότητα μετά από ψυχρηλασία (cold working). Σκληρότητα (HV ann και HV cw ) συναρτήσει της συγκέντρωσης Ir Μέταλλο/κράμα HV ann HV cw TS ann 10 3 /psi TS cw 10 3 /psi Pt 40 90 18,1 49,0 Ir 210 18,0 - Pt-5% Ir 85 145 36,5 65,0 Pt-10% Ir 110 185 51,0 70,0 Pt-20% Ir 190 240 100,0 188,5 Pt-30% Ir 280 315 120,0 269,5 HV (hardness Vickers) =Σκληρότητα VICKERS 2) Κράματα Pt - Ir υλικά για την αντικατάσταση των δοντιών Τα βιολογικά υλικά είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να αντικαταστούν μόνιμα ή προσωρινά τμήματα του σώματος (δέρμα, αίμα, οστό, καρδιά κ.ά.). Μπορούν να είναι φυσικά (π.χ. κολλαγόνο, κελουλόζη) ή τεχνητά (μεταλλικά, πλαστικά, κεραμικά ή σύνθετα). Η χρήση στην ιατρική διαφόρων υλικών έδειξε πολύ γρήγορα την ανάγκη της διεπιστημονικής-ιατρικής συνεργασίας, ώστε να τεθούν οι ορισμοί της βιοσυμβατότητας, βίο-απορροφητικότητας και τοξικότητας. Χρυσές γέφυρες και σύρματα συγκράτησης π.χ. χρησιμοποιήθηκαν από Ετρούσκους οδοντιάτρους για τη σταθεροποίηση των σπασμένων δοντιών. Τα ευγενή μέταλλα και τα κράματά τους χρησιμοποιούνται και ακόμα στην οδοντιατρική. a) Ποια χαρακτηριστικά πρέπει να έχουν αυτά τα βιοσυμβατά υλικά; b) Εξηγείστε σύντομα τις προϋποθέσεις για τη χρήση ενός υλικού ως βιοϋλικό. c) Γιατί προτείνουμε κράματα; d) Δώστε πληροφορίες για τις κύριες ομάδες των κραμάτων που χρησιμοποιούνται στην οδοντιατρική. http://ekfe.reth.sch.gr/index.php?option=content&task=view&id=352 LinkedIn slide share search for precious metal alloys in http://www.slideshare.net/drvinaypavankumarkadavakolanu/precious-metal-alloys http://www.slideshare.net/uddent/dental-casting-alloys?next_slideshow=1 [1] Grigory Rakhtsaum, Platinum Metals Rev. 57(3) (2013), 202-213 (http://dx.doi.org/10.1595/147106713x668596) [2] R.F. Vines, The Platinum Metals and their alloys, ed. E.M. Wise, The International Nickel Company inc. New York, USA,(1941) OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 4
Πρόβλημα 4: Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα 1) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων Cd-Zn λεπτομερώς. Εξηγείστε τους σημαντικούς όρους: ευτηκτικό κράμα (και αντίδραση), υποευτηκτικό κράμα, και υπερευτηκτικό κράμα. Βρείτε το ευτηκτικό σημείο, τη σύνθεση με την πιο μεγάλη διαλυτότητα του A στο B και του B στο A. Σχηματίστε και περιγράψτε την διαλυτότητα στην στερεά φάση. 2) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων AB αλλά σε πιο μεγάλη μεγέθυνση για μια δεδομένη σύσταση x = 10 wt% Zn. a) Εξετάστε την χημική σύνθεση της στερεάς και ρευστής φάσης επάνω στην καμπύλη Liquidus, Solidus, σε μια θερμοκρασία κατά βούλησης στο εύρος ψύξης και στην περιοχή α + β (συνολικά 4 θερμοκρασίες). b) Εξετάστε για τις ίδιες θερμοκρασίες του a) και τη μάζα του στερεού. Εφαρμόστε τον κανόνα του μοχλού. Παρουσιάστε τα αποτελέσματα σε ένα πίνακα. c) Εξηγείστε γιατί το κράμα (ΑΒ) στην ευτηκτική σύσταση σχηματίζει μία μικροδομή που αποτελείται από εναλλάξ στρώματα των δύο στερεών φάσεων κατά την διαδικασία της στερεοποίησης. 3) Σχηματίστε σε ένα πρόχειρο διάγραμμα τις καμπύλες ψύξης (με τις κατάλληλες θερμοκρασίες από το διάγραμμα φάσεων) για ένα από τα δυο καθαρά μέταλλα (Α ή Β), για την ευτηκτική σύσταση και για ένα υπερευτηκτικό κράμα (σύσταση κατά βούλησης). Εξηγείστε ομοιότητες και διαφορές. 4) Ποια άλλα χαρακτηριστικά των μετάλλων και των κραμάτων μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία; Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Cd-Zn http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/diagrams.php ή http://www.crct.polymtl.ca/fact/index.php OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 5
Πρόβλημα 5: Διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος 1) Εξηγείστε τους όρους: φάση, κρυσταλλική δομή και μονοκρυσταλλικό υλικό. 2) Πώς δημιουργείται ένας κόκκος (από το κέντρο προς τα όρια ή αντίστροφα) ; 3) Σχεδιάστε σε ένα πρόχειρο διάγραμμα τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας G για τη ρευστή και τη στέρεη φάση συναρτήσει της θερμοκρασίας γύρω από την θερμοκρασία τήξης ενός συστατικού. Εξηγείστε συνοπτικά. 4) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων Na 2O-TiO 2. a) Ονομάστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες στο διάγραμμα. b) Αναφέρετε τα σημεία τήξης για τα καθαρά οξείδια Na 2O και TiO 2, τα σημεία θερμοκρασίαςσύστασης στα οποία λαμβάνουν χώρα όλοι οι ευτηκτικοί, ευτηκτοειδείς και περιτηκτικοί μετασχηματισμοί. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τα ευρήματα σας (για κάθε μετασχηματισμός ένα παράδειγμα, αν υπάρχει). c) Σχηματίζουν τα οξείδια ένα στερεό διάλυμα; Αν ναι, πού βρίσκετε στο διάγραμμα την μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β (και του Β στο Α). Χαρακτηριστικά σημεία διαγραμμάτων φάσεων δύο συστατικών. Θερμοκρασία τήξης Α Θερμοκρασία τήξης Β Ευτηκτικό (eutectic) Ευτηκτοειδές (eutectoid) Περιτηκτικό (peritectic) μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β μέγιστη διαλυτότητα του Β στο Α Γενική αντίδραση Ειδική αντίδραση / / / / Θερμοκρασία, T/ o C Παράδειγμα Σύσταση, x/wt% OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 6
Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Na2O-TiO2 http://www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/ OMADA 17 2017 SHB 20/10/2017 7