Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką Kilka definicji Faza Stan materii jednorodny wewnętrznie, nie tylko pod względem składu chemicznego, ale również własności fizycznych. Składnik Chemicznie niezależna substancja należąca do danego układu. Liczba składników: minimalna liczba chemicznie niezależnych substancji potrzebnych do zdefiniowania składu wszystkich faz układu. 1
2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Fazy Reguła faz Gibbsa Aby p faz pozostawało ze sobą w równowadze termodynamicznej w układzie c składnikowym, można zmienić maksymalnie f czynników f = c p +2 2
Przykłady diagramów fazowych f = c p +2 c= 1 f = 3 - p Woda, lód, para Przykłady diagramów fazowych f = c p +2 c= 2 f = 4 - p Arsenek galu: przemysł elektroniczny i optoelektroniczny. 3
Hel 3 Istnieją dwie nadciekłe fazy helu 3. f = c p +3 c= 1 f = 4 - p W silnym polu magnetycznym nawet trzy. Ciecz Temperatura α Solvus Solidus α + L α + β Liquidus Solidus β + L β Solvus Eutektyka X Wt% Y Y 4
Jak się naprawdę korzysta z układów równowagi fazowej DWA SKŁADNIKI tworzące roztwór stały Przebieg krystalizacji stopu w warunkach równowagowych 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. CZAS! 5
Przebieg krystalizacji stopu w warunkach równowagowych 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Przebieg krystalizacji stopu w warunkach nierównowagowych 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Dyfuzja nie zdąży zajść w odpowiednim stopniu: niejednorodny skład stopu. 6
Reguła dźwigni Skład fazowy w temperaturze 1250 o C układu 60% Cu-40% Ni 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. x - zawartość stałego stopu; x(45-40) = (40-32)(1-x) x = (40-32)/(45-32) = 8/13 = 0.62 Zastosowanie reguły dźwigni do poprzedniego przykładu: 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 1300 o C : 100 % L 1270 o C : % L = 50 40 100 50 37 % α = 40 37 100 50 37 1250 o C : % L = 45 40 100 45 32 % α = 40 32 100 45 32 1200 o C : 100 % α = 77% = 23% = 38% = 62% 7
Układy równowagi fazowej pomiędzy dwoma składnikami tworzącym roztwory stałe tylko w ograniczonym zakresie stężeń (mamy, zatem, trzy fazy) Liquid Temperatura α α + L α + β β + L β X W tym zakresie stężeń procesy krzepnięcia przebiegają tak jak poprzednio Wt% opisane Y Y 8
Przebieg chłodzenia α α +L β +L α +β β Pb X Sn Y ciecz α L + α α + β Krzywa chłodzenia Liquid Temperatura Liquid + α α α + β PX b α α +l β +l α +β β SY n Czas 9
Przebieg chłodzenia α α +l β +l β α +β ciecz Pb X Sn Y L + α + β Grubość warstw zależy od szybkości chłodzenia Mikrostruktura stopu o składzie eutektycznym: przykład 10
Krzywa chłodzenia Liquid Temperatura L + α + β α + β Czas Przebieg chłodzenia Temperatura α L E α + L α + β β + L β Liquid L + α + β Pb X Sn Y L + α α Eutektyka 11
Krzywa chłodzenia Liquid Temperature L + α + β Liquid + α α + β Time (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 12
Układ równowagi Fe-C Trójskładnikowe układy równowagi fazowej 13
Z Wt% X 80 % 60 % 40 % 20 % 80% 60% Wt% Z 40% 20% X 20% 40% 60% 80% Wt % Y Y Potrzebna czwarta oś: 14
Najczęściej rysuje się poziomice na 2D rysunku: Z układów równowagi fazowej można wyciągnąć wnioski dotyczące właściwości materiału 15
Zwiększenie wytrzymałości roztworów stałych Przykład: Cu + dodatki 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Wzmocnienie za pomocą wydzieleń innej fazy: gdy nie tworzy się roztwór stały 16
W rezultacie: Jaki skład stopu jest najlepszy? Oczywiście, zależy to od przeznaczenia materiału. Skład stopu ma jednak istotny wpływ na właściwości mechaniczne: (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Reguła faz Gibbsa: przemiany fazowe wcale nie są tak proste, jak to wynika z reguły Gibbsa Przyczyny: przesycenie pary, przegrzanie, przechłodzenie cieczy, energia związana z powierzchnią rozdziału między dwoma fazami,... 17
Przegrzanie i przechłodzenie Przegrzanie cieczy o temperaturze wrzenia: W nieobecności zarodków, tworzenie bąbli jest niekorzystne ponieważ ciecz jest stabilna względem bąbli, które muszą powstać aby zaszło wrzenie (mimo, że ciecz jest niestabilna względem pary) Przechłodzenie cieczy w punkcie krzepnięcia: W nieobecności zarodków, tworzenie kryształów jest niekorzystne (mały kryształ ma dużą energię swobodną z powodu przyczynku od energii powierzchniowej. Wodę można przechłodzić do 40 o C, przegrzać do 280 o C w 1 atm. Literatura Donald R. Askeland, Pradeep P. Phule, The Science and Engineering of Materials. Brian Taylor, University of Texas at Tyler. L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. 18