MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska



Podobne dokumenty
STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Budowa stopów. (układy równowagi fazowej)

Wykresy równowagi fazowej. s=0

Analiza termiczna Krzywe stygnięcia

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Diagramy fazowe graficzna reprezentacja warunków równowagi

Ćwiczenie 7. Układ dwuskładnikowy równowaga ciało stałe-ciecz.

Wykład 8 Wykresy fazowe część 1

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

Efekty strukturalne przemian fazowych Marek Faryna

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

powierzchnia rozdziału - dwie fazy ciekłe - jedna faza gazowa - dwa składniki

Ćwiczenie VII: RÓWNOWAGA W UKŁADZIE DWUSKŁADNIKOWYM CIAŁO STAŁE CIECZ

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

Laboratorium z chemii fizycznej. Zakres zagadnień na kolokwia

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Wykład 8 Wykresy fazowe część 2

Chemia fizyczna. Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Wykresy równowagi układu żelazo-węgiel. Stabilny żelazo grafit Metastabilny żelazo cementyt

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Wykład 8B. Układy o ograniczonej mieszalności

Zastosowanie programu DICTRA do symulacji numerycznej przemian fazowych w stopach technicznych kontrolowanych procesem dyfuzji" Roman Kuziak

Podstawy termodynamiki

Termodynamika materiałów

Równowaga. równowaga metastabilna (niepełna) równowaga niestabilna (nietrwała) równowaga stabilna (pełna) brak równowagi rozpraszanie energii

Równowaga fazowa. Przykładowo: 1. H 2 O (c) w mieszaninie H 2 O (c) + H 2 O (s) 2. mieszanina opiłek żelaza i sproszkowanej siarki

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Kalorymetria. 1. I zasada termodynamiki, Prawo Hessa, Prawo Kirchhoffa (graficzna interpretacja), ciepło właściwe, termodynamiczne funkcje stanu.

BUDOWA STOPÓW METALI

Prowadzący. telefon PK: Pokój 210A (Katedra Biotechnologii i Chemii Fizycznej C-5)

KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH NA WŁASNOŚCI STOPU ALUMINIUM KRZEM O NADEUTEKTYCZNYM SKŁADZIE

Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych

BADANIE RÓWNOWAG FAZOWYCH W UKŁADACH TRZECH CIECZY

Kinetyka zarodkowania

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

STRUKTURA STOPÓW CHARAKTERYSTYKA FAZ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Zasady termodynamiki

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

I piętro p. 131 A, 138

Prężność pary nad roztworem

Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

Ćwiczenie 1 ANALIZA TERMICZNA STOPÓW METALI *

IDENTYFIKACJA CHARAKTERYSTYCZNYCH TEMPERATUR KRZEPNIĘCIA ŻELIWA CHROMOWEGO

Stopy żelaza z węglem

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

Termodynamiczne warunki krystalizacji

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

PARAMETRY EUTEKTYCZNOŚCI ŻELIWA CHROMOWEGO Z DODATKAMI STOPOWYMI Ni, Mo, V i B

I. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest wykonanie analizy termicznej stopu metali oraz wyznaczenie składu eutektyku i jego temperatury krzepnięcia.

14. DIAGRAM GIBBSA. Sprawdzono w roku 2014 przez A.Klimek-Turek

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Para pozostająca w równowadze z roztworem jest bogatsza w ten składnik, którego dodanie do roztworu zwiększa sumaryczną prężność pary nad nim.

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Wykresy CTP Kinetyka przemian fazowych ułamek objętości Na podstawie krzywych kinetycznych tworzy się wykresy CTP

WYKŁAD 7. Diagramy fazowe Dwuskładnikowe układy doskonałe

Dr Andrzej Bąk Wykład KRIOGENIKA

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

KARTA KURSU (realizowanego w module specjalności) Biologia z przyrodą

14. IZOTERMA ROZPUSZCZALNOŚCI UKŁADU TRÓJSKŁADNIKOWEGO ROZPUSZCZALNIKÓW

6. UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ STOPÓW DWUSKŁADNIKOWYCH. Opracował: dr inż. Janusz Krawczyk

3. Przejścia fazowe pomiędzy trzema stanami skupienia materii:

Nauka o materiałach III

Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

II Zasada Termodynamiki c.d.

Ćwiczenie 3: Wpływ temperatury na równowagę w układzie ciecz-ciecz

W8 40. Para. Równanie Van der Waalsa Temperatura krytyczna ci Przemiany pary. Termodynamika techniczna

EGZAMIN pisemny z TERMODYNAMIKI TERMODYNAMIKA TECHNICZNA I CHEMICZNA. Lista pytań opisowych (semestr zimowy 2015/16)

Klasyfikacja przemian fazowych

Podstawy termodynamiki

Temat 2. Równowaga fazowa i diagramy fazowe

Kryteria samorzutności procesów fizyko-chemicznych

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

MATERIAŁ UZUPEŁNIAJĄCY DO WYKŁADU - MATERIAŁOZNAWSTWO WBiIŚ, sem. 02

Wykład 3. Diagramy fazowe P-v-T dla substancji czystych w trzech stanach. skupienia. skupienia

OKREŚLENIE TEMPERATURY I ENTALPII PRZEMIAN FAZOWYCH W STOPACH Al-Si

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym

Transkrypt:

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I dr inż. Hanna Smoleńska

UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Równowaga termodynamiczna pojęcie stosowane w termodynamice. Oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu, takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Na równowagę termodynamiczną składają się: równowaga chemiczna (brak makroskopowego przepływu cząstek i reakcji chemicznych), mechaniczna (nie występują niezrównoważone siły) termiczna (nie występuje przepływ energii).

Równowaga termodynamiczna - jest to stan, który ustala się samorzutnie i pozostaje niezmienny w czasie, podczas gdy parametry stanu tego układu (np. ciśnienie, objętość) nie ulegają zmianie w czasie. Dla zachowania równowagi termodynamicznej układu, musi być zachowana jego:

Równowaga termodynamiczna Stan równowagi: gdy układ osiąga minimum energii swobodnej lub gdy wystąpi równość potencjałów chemicznych składników tworzących fazy (nie ma wówczas przepływu przez granice fazowe) Energia swobodna Helmholtza: F = E TS gdzie: E energia wewnętrzna, T temp. bezwzględna, S - entropia

Energia wewnętrzna E układu jest sumą energii potencjalnej, tj. energii wzajemnego oddziaływania, i energii kinetycznej wszystkich atomów układu w kryształach znaczna część energii E wiąże się z drganiami atomów w sieci. temp. powoduje amplitudy wychyleń i E o E zmiana energii wewnętrznej: E = Q + W gdzie Q przyrost ciepła, W przyrost pracy

Równowaga termodynamiczna cd. Entropia S jest funkcją stanu i określa równowagę układu gdy S = 0 oraz kierunek przemiany Zmiana entropii: S = - Q / T Zarówno E jak i S są własnościami pojemnościowymi więc są proporcjonalne do ilości materiału. Gdy układ znajduje się w stałej temp. i działa na niego stałe ciśnienie po ustaleniu się równowagi energia swobodna Gibbsa G jest minimalna G = E + pv TS Entalpia: H = E + pv

Energia swobodna faz stopu

Wykresy układów równowagi faz stopowych ilustrują skład fazowy stopów oraz przemiany fazowe jakie w nich zachodzą w funkcji składu chemicznego stopów i temperatury. Wykresy są graficznym odpowiednikiem rzeczywistych układów równowagi fazowej. Wykres taki zawiera informację na temat obszarów lub punktów współistnienia, w których istnieją jednocześnie różne fazy. Wyznacza się je doświadczalnie. Do tego celu służy analiza cieplna polegająca na pomiarze temperatur występujących w czasie nagrzewania lub chłodzenia poszczególnych stopów rozważanego układu równowagi.

Mierząc temperaturę podczas chłodzenia wybranego stopu w określonych odcinkach czasu, można wyznaczyć dla niego krzywą chłodzenia i otrzymać charakterystyczne (krytyczne) punkty, które mogą odpowiadać temperaturom: krzepnięcia przemian fazowych w stanie stałym. Układ zbiór faz w stanie równowagi termodynamicznej, należących do stopów zbudowanych z tych samych składników, od temperatury topnienia do temperatur najniższych o praktycznym znaczeniu.

Reguła faz Gibbsa Analizowanie i interpretację układów równowagi ułatwia reguła faz Gibbsa Ujmuje ona zależność między liczbą składników, liczbą faz i liczbą czynników określających stan faz w wielofazowych układach znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej Stan termodynamiczny opisują: T temperatura, p ciśnienie, m masa i stężenie faz c. Wielkości te mogą się zmieniać niezależnie W danych warunkach : F (T, p, m, c) = 0

Liczba stopni swobody układu jest to liczba czynników (temperatura, stężenie składników), które mogą zmieniać się niezależnie nie wywołując zmian liczby faz f w układzie (równowagi układu) Równowagę faz opisuje reguła faz Gibbsa: s = n c f + p gdzie: s - liczby stopni swobody n liczba składników niezależnych układu c - liczba reakcji chemicznych odwracalnych f - liczby faz p liczba czynników fizycznych układu (ciśnienie, temperatura) Przyjmując, że w układzie nie zachodzą reakcje chemiczne c=0 W stopach metali p=1 (ciśnienie nie ma wpływu), czyli w układach 2-składnikowych s = n f + 1

Konsekwencje reguły Gibbsa: s = n f + 1 Równowaga czterech i więcej faz w układach dwuskładnikowych jest niemożliwa (p = const) Równowaga trzech faz w tych układach jest możliwa w stałej temperaturze przy określonym stężeniu składników w fazach (eutektyki lub perytektyki): f = 3 s = 0 Dwie fazy są w równowadze nawet przy zmianie bądź stężenia składnika w fazie, bądź temperatury: f = 2 s=1 Dla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia, i temperatury: f = 1 s = 2

Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej Z nieograniczoną rozpuszczalnością składników stanie stałym O całkowitym braku rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką O ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką O ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z perytektyką Z fazami międzymetalicznymi UWAGA: składniki tworzące wymienione układy, w stanie ciekłym rozpuszczają się w sobie w sposób nieograniczony.

Układ równowagi fazowej z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym I I II Linia likwidus II L Temperatura Linia solidus L+ α α Czas 100% Ni 100% Cu Czas Krzywa chłodzenia I dla 100 % Ni Krzywa chłodzenia II dla 60 % Ni i 40% Cu

Wyznaczanie składu chemicznego fazy α i cieczy L oraz % udziału fazy α i cieczy L Temperatura L L+ α A Linia solidus α Linia likwidus O B % udział fazy α OB AB α = 100% % udział fazy L AO AB L = 100% 100% Ni 100% Cu α: (55% Ni, 45%Cu) L: (20% Ni, 80%Cu) Reguła faz s = n f+1

Układ równowagi fazowej z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym c.d Faza α jest roztworem stałym ciągłym, której skład chemiczny może się zmieniać w sposób ciągły od 0 do 100% Ni (różnowęzłowym). Pod mikroskopem ziarna fazy α wyglądają zawsze tak samo niezależnie od składu chemicznego.

Układ równowagi fazowej bez rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką Temperatura Linia likwidus I II L L+ Bi L+ Cd Linia solidus Bi+Cd B Czas 100% Bi 100% Cd Czas Krzywa chłodzenia dla I Przemiana eutektyczna: te LE Bi + Cd = E t Krzywa chłodzenia dla II

Układ równowagi fazowej bez rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką c.d. Eutektyka czyli mieszanina faz, w analizowanym przypadku czystych metali bizmutu i kadmu krzepnie zawsze z cieczy, w stałej, najniższej temperaturze. Może występować w postaci na przemian ułożonych płytek lub słupków. Wzrost szybkości chłodzenia cieczy powoduje rozdrobnienie eutektyki (mniejsza grubość płytek) co powoduje wzrost własności mechanicznych np. twardości, wytrzymałości na rozciąganie, czy udarności.

Układ równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką L 2 α 1 + β 3 Temperatura α Linia likwidus I II L L+ β L+α 1 2 3 α + β β Linia solidus Czas Krzywa chłodzenia dla I 100% Sn Przemiana eutektyczna L 2 α 1 + β 3 100% Pb Czas Krzywa chłodzenia dla I

Układ równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką c.d. W tym przypadku eutektyka jest mieszaniną nie czystych metali tylko roztworów stałych granicznych, oznacza się je małymi greckimi literami alfabetu (α,β,γ). W analizowanym przypadku faza α jest roztworem stałym granicznym ołowiu w cynie. Faza β jest z kolei roztworem stałym granicznym cyny w ołowiu. Słowo graniczny oznacza, że rozpuszczalność ołowiu jest tylko do pewnej zmiennej granicy zależnej od temperatury.

Roztwór wtórny β

Układ równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i perytektyką I I II II temperatura L+α 1 5 2 4 3 α L+β α+β β α+β temperatura α 1 +L 3 β 2 czas A B czas Przemiana perytektyczna α 1 +L 3 β 2 ciecz kryształ α kryształ β

Układ równowagi fazowej z fazą międzymetaliczną A m B n L+α L+γ α α +E γ+e γ L+γ L+β β α + γ α + γ γ+β E+γ E+β β +γ A B

Układ równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie ciekłym 4 L+A L 1 +L 2 1 2 L+A A+E(A+B) 3 L+B B+E(A+B) L 4-1 L 4-2 L 1 L 2 +A L 2-3 A L 3 E(A+B) A B

Schematy układów równowagi z przemianami fazowymi w stanie stałym

Układy równowagi fazowej ceramik

Wykres równowagi fazowej Al 2 O 3 Cr 2 O 3

Wykres równowagi fazowej MgO -Al 2 O 3

Wykres równowagi fazowej SiO 2 - Al 2 O 3

Wieloskładnikowe układy równowagi fazowej

Płaski wykres trójskładnikowy z kładami wykresów dwuskładnikowych

Wyznaczanie składu chemicznego stopu w układzie trójskładnikowym Wyznaczyć skład stopu K: przeprowadzić proste równoległe do boków trójkąta, równoległa do boku BC odcina na boku AC odcinek a, proporcjonalny do zawartości składnika A w stopie, równoległa do boku AC odcina na boku AB odcinek b, proporcjonalny do zawartości składnika B w stopie, równoległa do boku AB odcina na boku BC odcinek c, proporcjonalny do zawartości składnika C w stopie, stop K zawiera 20% A, 40% B i 40% C.

Przekroje izotermiczne wykresów trójskładnikowych

Przekroje stężeniowe wykresów trójskładnikowych

Układy czteroskładnikowe

Z układów równowagi fazowej można wyciągnąć wnioski dotyczące właściwości materiału