ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O9-2017 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 09 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 o 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 δύο άκρα για να κόβουμε ένα μπλοκ του πάγου, αλλά το μπλοκ δεν διασπάται. Εξηγήστε 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 09 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 09 2017 SHB 20/10/2017 3
Πρόβλημα 3: Δυαδικά ισόμορφα συστήματα 1) Κατασκευάστε το διάγραμμα σκληρότητα (HV ann και HV cw ) συναρτήσει της συγκέντρωσης Rh 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 Rh Μέταλλο/κράμα HV ann HV cw TS ann 10 3 /psi TS cw 10 3 /psi Pt 40 90 18,1 49,0 Rh 100 81,0-125,0 215,0 Pt-10% Rh 90 150 45,0 90,0 Pt-20% Rh 115 200 68,0 133,5 Pt-30% Rh 130 235 75,0 152,0 Pt-40% Rh 145 290 83,5 178,0 HV (hardness Vickers) =Σκληρότητα VICKERS 2) Κράματα Pt - Rh θερμοστοιχεία (Thermocouple) Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται η μεταβολή των τιμών των ιδιοτήτων διαφόρων υλικών με τη θερμοκρασία. Αν η τιμή μιας ιδιότητας ενός υλικού ορίζεται μονοσήμαντα με τον καθορισμό της θερμοκρασίας του, τότε μπορεί να αντιστοιχηθεί η τιμή της ιδιότητας αυτής στη θερμοκρασία του υλικού. Οι ιδιότητες των σωμάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτόν το σκοπό είναι: α) η διαστολή στερεών, υγρών και αέριων σωμάτων, β) η ηλεκτρική αντίσταση, γ) η ένταση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης ενός ζεύγους μετάλλων και δ) η ένταση της φωτεινής και θερμικής ακτινοβολίας. a) Περιγράψτε το βασικό φυσικό φαινόμενο που εκμεταλλευόμαστε στη χρήση των θερμοζευγών. b) Παρουσιάστε τα γενικά χαρακτηριστικά των θερμοζευγών τα οποία βασίζονται μόνο σε κράματα Pt-Rh (εύρος λειτουργίας, γραμμικότητα, ακρίβεια, διάρκεια ζωής, απόκριση, δυνατότητα προσαρμογής σε όργανα ελέγχου, κόστος). c) Παρουσιάστε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους σε σύγκριση με άλλους τρόπους μέτρησης θερμοκρασίας. http://www.thermocoupleinfo.com/, http://www.heatconsensors.com/index.html [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 09 2017 SHB 20/10/2017 4
Πρόβλημα 4: Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα 1) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων Pb-Sn λεπτομερώς. Εξηγείστε τους σημαντικούς όρους: ευτηκτικό κράμα (και αντίδραση), υποευτηκτικό κράμα, και υπερευτηκτικό κράμα. Βρείτε το ευτηκτικό σημειο, τη σύνθεση με την πιο μεγάλη διαλυτότητα του Pb στο Sn και του Sn στο Pb. 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 = 25wt% Sn. 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 Pb-Sn http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/diagrams.php ή http://www.crct.polymtl.ca/fact/index.php OMADA 09 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 MnO-SiO2. a) Ονομάστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες στο διάγραμμα. b) Αναφέρετε τα σημεία τήξης για τα καθαρά οξείδια MnO και SiO 2, τα σημεία θερμοκρασίαςσύστασης στα οποία λαμβάνουν χώρα όλοι οι ευτηκτικοί, ευτηκτοειδείς και περιτηκτικοί μετασχηματισμοί. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τα ευρήματά 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). Θερμοκρασία τήξης Α Θερμοκρασία τήξης Β Ευτηκτικό (eutectic) Ευτηκτοειδές (eutectoid) Περιτηκτικό (peritectic) μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β μέγιστη διαλυτότητα του Β στο Α Χαρακτηριστικά σημεία διαγραμμάτων φάσεων δύο συστατικών. Γενική αντίδραση Ειδική αντίδραση / / / / Θερμοκρασία, T/ o C Παράδειγμα Σύσταση, x/wt% OMADA 09 2017 SHB 20/10/2017 6
Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος MnO-SiO 2 http://www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/ OMADA 09 2017 SHB 20/10/2017 7