Budowa stopów (układy równowagi fazowej)
Równowaga termodynamiczna Stopy metali są trwałe w stanie równowagi termodynamicznej. Równowaga jest osiągnięta, gdy energia swobodna układu uzyska minimum lub potencjały chemiczne składników we wszystkich fazach układu są równe. Ustaje wtedy przepływ składników przez granice faz. Energia swobodna Helmholtza: F = E TS E energia wewnętrzna jest sumą energii potencjalnej (wzajemnego oddziaływania atomów) i energii kinetycznej atomów układu, energia wzrasta ze wzrostem temperatury, a jej przyrost E = Q (przyrost ciepła) + L (przyrost pracy) T temperatura bezwzględna S entropia czyli termodynamiczna funkcja stanu określająca kierunek procesów samorzutnych (bez udziału czynników zewnętrznych) w układzie. Jeżeli układ przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego samorzutnie, entropia rośnie. Równowaga: S=0, zmiana: S = - Q / T Energia swobodna Gibbsa: G = E + pv TS (p,v ciśnienie, objętość) Zmiany v w czasie przemian metali są nieznaczne, pv można pominąć.
Energia swobodna faz stopu Każdorazowo trwała jest faza o mniejszej energii swobodnej.
Wykresy równowagi fazowej Układy równowagi fazowej (budowę stopów) przedstawia się w postaci wykresów równowagi. Wykresy są opracowane doświadczalnie Bada się przemiany fazowe, m.in. metodą analizy termicznej, polegającej na rejestrowaniu zmian temperatury w funkcji czasu chłodzenia od stanu ciekłego do temperatury pokojowej lub niższej (lub podczas nagrzewania). Analizuje się wiele stopów danego układu, różniących się stężeniami poszczególnych pierwiastków Punkty odpowiadające temperaturom przemian odczytane z każdej krzywej nanosi się na układ współrzędnych temperatura-stężenie składników, łączy się punkty odpowiadające tym samym przemianom i uzyskuje się wykres równowagi.
Zmiany temperatury w funkcji czasu chłodzenia od stanu ciekłego: 1-3 materiały krystaliczne, 4 materiał amorficzny
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
% masy B Reguła dźwigni określa udział faz w stopie w danej temperaturze. Np. w wypadku stopu I w temperaturze odpowiadającej poziomemu odcinkowi bc, udział fazy L określa długość odcinka ac, natomiast udział fazy α -długość odcinka ab.
Badania mikrostruktury stopów Badania polegają na obserwacji powierzchni zgładów metalograficznych przy pomocy mikroskopów metalograficznych Etapy przygotowania zgładów: Wycięcie próbki Zatopienie w żywicy (inkludowanie) Szlifowanie na płótnach i papierach ściernych Polerowanie mechaniczne lub elektrolityczne Trawienie powierzchni odczynnikami
Mikroskop metalograficzny świetlny 1. Stolik przedmiotowy 2. Głowica rewolwerowa z obiektywami 3. Okular 4. Oświetlacz 5. Pokrętło przesuwu makro 6. Pokrętło przesuwu mikro
Reguła faz Gibbsa z = s f + p z - liczba stopni swobody układu jest to liczba czynników (temperatura, stężenie składników), które mogą zmieniać się niezależnie nie wywołując zmian liczby faz f w układzie, s liczba składników, p - liczba czynników fizycznych wpływających na stan układu W stopach metali p=1 (ciśnienie nie ma wpływu), czyli z=s-f+1, a w układach 2-składnikowych S=3-f Wnioski Równowaga 4 i więcej faz w układzie 2-składnikowym jest niemożliwa Równowaga 3 faz w tym układzie jest możliwa w stałej temperaturze przy określonym stężeniu składników fazach, S=0 2 fazy są w równowadze gdy S=1, czyli przy zmianie stężenia składników w fazach, bądź temperatury Gdy istnieje 1 faza, S=2; bez naruszenia stanu równowagi zmianom mogą ulegać niezależnie stężenia i temperatura
% masy B te LE A+ B= E t
L(c E) α(c J ) + β(c K ) = E t % masy B
Reakcja perytektyczna: L(c β ) + α(c α ) β(c β )
Przykład wykresu równowagi faz układu dwuskładnikowego z fazą międzymetaliczną i 2 odmianami alotropowymi drugiego składnika
Wykresy równowagi faz układu trójskładnikowego
Rysunki - slajdy 3,4: L. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT Gliwice-Warszawa 2002