Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle

Podobne dokumenty
Diagramy fazowe graficzna reprezentacja warunków równowagi

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

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

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

Termodynamika materiałów

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

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

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

Czym się różni ciecz od ciała stałego?

KARTA KURSU (realizowanego w module specjalności) Biologia z przyrodą

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

Właściwości kryształów

Zadania treningowe na kolokwium

Modelowanie molekularne

EWA PIĘTA. Streszczenie pracy doktorskiej

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Pytania do egzaminu inżynierskiego, PWSZ Głogów, Przeróbka Plastyczna

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

Właściwości defektów punktowych w stopach Fe-Cr-Ni z pierwszych zasad

Modelowanie molekularne

Szkła. Forma i odlewy ze szkła kwarcowego wykonane w starożytnym Egipcie (około roku 2500 p.n.e.)

Krystalizacja. Zarodkowanie

Karta modułu/przedmiotu

Podstawy termodynamiki

Marek Lipiński WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH WARSTW I OBSZARÓW PRZYPOWIERZCHNIOWYCH NA PARAMETRY UŻYTKOWE KRZEMOWEGO OGNIWA SŁONECZNEGO

Warunki izochoryczno-izotermiczne

WYKAZ NAJWAŻNIEJSZYCH SYMBOLI

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

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Dotyczy to zarówno istniejących już związków, jak i związków, których jeszcze dotąd nie otrzymano.

Analiza termiczna Krzywe stygnięcia

Wykład 8. Równowaga fazowa Roztwory rzeczywiste

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

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

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RBM s Punkty ECTS: 6. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

TERMODYNAMIKA PROCESOWA

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Modelowanie molekularne w projektowaniu leków

Nanofizyka co wiemy, a czego jeszcze szukamy?

Termodynamiczne warunki krystalizacji

Struktura elektronowa σ-kompleksu benzenu z centrum aktywnym Fe IV O cytochromu P450

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

Powierzchnie cienkie warstwy nanostruktury. Józef Korecki, C1, II p., pok. 207

1. Przedmiot chemii Orbital, typy orbitali Związki wodoru z innym pierwiastkami

Kontakt. Badania naukowe:

Teoria kinetyczno cząsteczkowa

Chemia. Chemistry. Energetyka I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

mgr Anna Hulboj Treści nauczania

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Ćwiczenie 4: Modelowanie reakcji chemicznych. Stan przejściowy.

Chemia techniczna Technical chemistry

Budowa stopów. (układy równowagi fazowej)

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH NA WŁASNOŚCI STOPU ALUMINIUM KRZEM O NADEUTEKTYCZNYM SKŁADZIE

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Adres do korespondencji: Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków, ul. Reymonta 25

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

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Ćwiczenie VII: RÓWNOWAGA W UKŁADZIE DWUSKŁADNIKOWYM CIAŁO STAŁE CIECZ

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Chemia Fizyczna Technologia Chemiczna II rok Wykład 1. Kierownik przedmiotu: Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Roztwory rzeczywiste (1)

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Spis treści. Przedmowa Obraz makroskopowy Ciepło i entropia Zastosowania termodynamiki... 29

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

Wykresy równowagi fazowej. s=0

I nformacje ogólne. nie dotyczy

KONSPEKT PRZEDMIOTU PIERWSZEGO POZIOMU STUDIÓW STACJONARNYCH

Podstawy chemii. dr hab. Wacław Makowski. Wykład 1: Wprowadzenie

Metalurgia - Tematy Prac Magisterskich Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych

Komputerowe wspomaganie projektowania leków

Kwantowo-chemiczne badania struktur kompleksów neonikotyny z jonami miedzi (II) oraz cynku (II)

1,2 1,2. WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI 1. Brak

Podstawy teoretyczne technologii chemicznej / Józef Szarawara, Jerzy Piotrowski. Warszawa, Spis treści. Przedmowa 13

SPIS TREŚCI ««*» ( # * *»»

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Dr Andrzej Bąk Wykład KRIOGENIKA

Zasady obsadzania poziomów

Termodynamika fazy powierzchniowej Zjawisko sorpcji Adsorpcja fizyczna: izoterma Langmuira oraz BET Zjawiska przylegania

Podstawowe pojęcia 1

Studia I stopnia kierunek: chemia Załącznik nr 3

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Termodynamika (1) Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka. poniedziałek, 23 października 2017

Rzędy wiązań chemicznych

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Metody obliczeniowe ab initio w fizyce struktur atomowych. Wykład 1: Wstęp

BUDOWA STOPÓW METALI

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

Transkrypt:

Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle Marcela Trybuła Władysław Gąsior Alain Pasturel Noel Jakse

Plan: 1. Materiał badawczy 2. Eksperyment Metodologia 3. Teoria Metodologia 4. Podsumowanie

Materiał badawczy: Stopy: Al Li Al Zn Li Zn Al Li Zn

Materiał badawczy: Stopy: Al Li, Li Zn, Al Zn, Al Li Zn * nowe rozwiązania technologiczne: materiały do magazynowania wodoru stop Al Li Zn * lekkie stopy metali: Al Li, Li Zn, Al Li Zn mały ciężar właściwy, wysoki moduł Younga, duża wytrzymałość * znajomość równowag fazowych w obszarze bogatym w Al projektowanie i kontrola właściwości stopów

Eksperyment: Metodologia: * metoda elektrochemiczna pomiar siły elektromotorycznej (SEM) G ex i zfe RT ln x i * metoda Roach-Henein jednoczesny pomiar gęstości, lepkości i napięcia powierzchniowego (metoda swobodnego wypływu cieczy z otworu w tyglu pod wpływem grawitacji) Problemy: dobór materiału na tygiel wymagana duża objętość cieczy

Teoria: Metodologia: Klasyczna dynamika molekularna CMD Dynamika molekularna ab initio AIMD Metoda obliczeń diagramów fazowych - CALPHAD

Teoria: * symulacja własności fizykochemicznych i strukturalnych opis natury oddziaływań badanie dynamiki zachodzących procesów * przewidywanie właściwości objętościowych (stałe sieciowe, stałe elastyczne, etc) * opis właściwości energetycznych i powierzchniowych * symulacja właściwości termicznych: entalpia mieszania, ciepło właściwe, współczynnik ekspansji termicznej * charakterystyka stopów wieloskładnikowych termodynamika (Al-Li-Zn) równowagi faz, temperatura linii likwidus, solidus

V[A] Klasyczna dynamika molekularna CMD : potencjały oddziaływania: Empirical Oscillating Pair Potential EOPP Embedded Atom Model EAM Modified Embedded Atom Model - MEAM 0.20 AlAl AlZn ZnZn Oprogramowanie: LAMMPS 0.15 0.10 0.05 Stop Al-Zn 0.00 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 r[a]

g AlZn (r) g ZnZn (r) g AlAl (r) CMD Stop Al90-Zn10 Właściwości strukturalne: 3.0 2.5 2.0 CMD DFT * Cząstkowa radialna funkcja gęstości atomów funkcja korelacji par - g ij (r) g( r) n( r)/(4 r) 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 r[a] 3.5 3.0 CMD DFT 3.5 3.0 CMD DFT 2.5 2.5 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 r[a] 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 r[a] N.Jakse et al. J.Chem. Phys. 137 (2012)

CMD StopyAl90-Zn10 Właściwości transportowe - dyfuzja: 300 250 200 MSD Al 150 MSD Al w Al90Zn10 - MSD Al MSD Zn w Al90Zn10 - MSD Zn 0 10 20 30 40 50 60 t[ps] MSD - Al90Zn10 - MSD AlZn 100 50 0 CMD DFT 300 250 250 200 200 150 MSD AlZn 150 100 MSD Zn 100 50 50 CMD DFT 0 0 10 20 30 40 50 60 t[ps] CMD DFT 0 0 10 20 30 40 50 60 t[ps] N.Jakse et al. J.Chem. Phys. 137 (2012)

CMD Stop Au-Si Właściwości strukturalne: * Cząstkowa radialna funkcja gęstości atomów funkcja korelacji par - g ij (r) g( r) n( r)/(4 r) N.Jakse et al. J.Chem. Phys. 137 (2012)

CMD Stop Au-Si 1400 K Właściwości transportowe - dyfuzja: 400 K <R 2 (t)> Au w AuSi - <R 2 (t)> Au/AuSi <R 2 (t)> Si w AuSi - <R 2 (t)> Si/AuSi <R 2 (t)> - AuSi - <R 2 (t)> AuSi Kwadrat średniego przesunięcia atomu < R 2 (t) > 2 R ( t) 1 N N i 1 [ r ( t) i r ( t i 0)] CMD1 CMD2 eksperyment Dyfuzja < R 2 (t) > 2 R ( t) D lim t 6t N.Jakse et al. J.Phys.Condes.Matter. 137 (2012)

Metoda ab-initio: * Teoria Funkcjonału Gęstości - DFT kwantowo-mechaniczny opis oddziaływani między elektronami a rdzeniem atomowym definicja funkcjonału korelacyjno-wymiennego E xc : przybliżenie lokalnej gęstości LDA przybliżenie uogólnionego gradientu GGA baza zbioru orbitali przybliżenie fal płaskich kontrola zbieżności i dokładność obliczeń sił, ciśnienia, naprężeń wprowadzenie pseudopotencjału istotny do obliczeń metali z orbitalami powłok d i f Oprogramowanie: GAUSSIAN John Pople VASP (Vienna ab-inito Simulation Package) Georg Kresse i Jurgen Hafner

* dynamika molekularna ab initio - AIMD Entalpia mieszania Au-Si 1375K --- CMD AIMD CALPHAD eksperyment N.Jakse et al. J.Phys.Condes.Matter. 137 (2012)

* dynamika molekularna ab initio - AIMD współczynnik samo-dyfuzji Au w stopie Au-Si MEAM1 MEAM zmodyfikowany AIMD eksperyment N.Jakse et al. J.Phys.Condes.Matter. 137 (2012)

* dynamika molekularna ab initio - AIMD lepkość Cu - Zr --- 1200K 1500K eksperyment N.Jakse and A.Pasturel Phys Rev B. 137 (2008)

CALPHAD: * metody obliczenia diagramu fazowego CALPHAD konieczność posiadania danych eksperymentalnych dokładność modelowania równowag faz praktyczne zastosowanie w projektowaniu materiałów

T[C] T[C] Metodologia: * metody obliczenia diagramu fazowego CALPHAD PANDAT Al-Li-Zn 973 K 500 400 x(al)/x(zn)=0.12/0.88 współczynnik aktywności litu 1.0 300 0.8 200 0.6 a Li 0.4 100 0.2 exp Guo [7] Mugg [9] 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 x(li) x(li) X Li

Metodologia: * metody obliczenia diagramu fazowego CALPHAD badanie relacji między składem a procesami (przejście fazowe) temperatura krzywej likwidus obliczanie funkcji termodynamicznych zależnych od temperatury, ciśnienia i składu chemicznego modele termodynamiczne: model podsieci stały roztwór metaliczny model przypadkowe mieszanie random mixing atomu centralnego ciekłe roztwory metaliczne??

Atom swobodnej objętości FVM gęstość energia Gibbsa, entropia entalpia mieszania Atom swobodnej objętości gęstość entalpia mieszania

FVM termodynamika nadmiarowe funkcje (energia Gibbsa, Roztwory metaliczne entropia) z entalpii mieszania i gęstości 8 7 T S exp [24] H mix G mix [kj/molk] T S mix [kj/molk] 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 T S old T S new H mix G exp [24] G old G new β Al Zn old 0.52 0.54 new 0.29 0.40 Al-Zn - 1000K -5 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X Zn

Podsumowanie: * wzajemna komplementarność metod w ocenie właściwości fizykochemicznych, strukturalnych, transportowych: klasyczna dynamika molekularna CMD metody ab-initio: DFT metoda CALPHAD * uniwersalność metody Roach-Henein jednoczesny pomiar gęstości, lepkości i napięcia powierzchniowego

Zastosowanie: * nierównowagowe krzepnięcie stopów * modelowanie procesów technologicznych * analiza procesów na granicy stop/żużel

Dziękuję za uwagę