Transcript IMPM-14-01
Faasipiirrokset, osa 2
Binääristen piirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 1 - Luento 4 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tavoite • Oppia tulkitsemaan 2-komponentti systeemien faasipiirroksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Binääriset koostumus lämpötilapiirrokset (paine vakio) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Binääriset koostumus lämpötilapiirrokset • Monimutkaisemmatkin piirrokset koostuvat tietyistä perustyypeistä – Aukoton liukoisuus – Eutektinen tasapaino – Peritektinen tasapaino – Monotektinen tasapaino – Välifaasit • Tulkinnan kannalta hallittava erilaiset tasapainotyypit sekä osattava käyttää ns. vipusääntöä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Binäärisysteemeissä esiintyvät tasapainot Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Milloin kaksi eri koostumusta ovat tasapainossa keskenään?
• Kun eri koostumuksen omaavilla systeemeillä on sama kemiallinen potentiaali – Graafisesti esitettynä: • Kuvataan Gibbsin vapaaenergian pitoisuusriippuvuus • Tälle käyrälle piirretty tangentti on Gibbsin vapaaenergian 1. derivaatta pitoisuuden suhteen (eli kemiallinen potentiaali) • Jos kahdelle eri koostumuspisteelle voidaan piirtää yhteinen tangentti, on näiden koostumusten omaavilla systeemeillä sama kemiallinen potentiaali • Ts. ko. koostumukset ovat tasapainossa keskenään Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Milloin kaksi eri koostumusta ovat tasapainossa keskenään?
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aukoton liukoisuus • Sulan ja kiinteän faasin vapaaenergia käyrät kaareutuvat alaspäin • Aukoton liukoisuus molemmissa faaseissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Eutektinen tasapaino • Aukoton liukoisuus sulassa tilassa • Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa • Kiinteän faasin vapaaenergiakäyrä kuvassa esitettyä muotoa (a) Kaksi kiinteää faasia, joilla sama kidemuoto Samalla käyrällä kaksi paikallista minimiä (b) Kaksi kiinteää faasia, joilla eri kidemuoto Kaksi käyrää, joilla omat minimit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Eutektinen tasapaino • Paikallisille minimeille piirretään yhteinen tangentti • Tangentti on vapaaenergiakäyrän 1. derivaatta pitoisuuden suhteen (= Kemiallinen potentiaali, ) • Leikkauspisteet rajaavat alueen, jossa kahdella eri koostumuksella on sama kemiallinen potentiaali • Ts. leikkauspisteiden väliin jää alue, jossa kaksi kiinteää faasia ovat tasapainossa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Eutektinen tasapaino Piirretty lämpötilassa T 5 a 1 Eutektinen lämpötila ja koostumus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014 a 2
Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Eutektoidinen tasapaino • Eutektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia • Esimerkki Fe-C systeemistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Peritektinen tasapaino • Aukoton liukoisuus sulassa tilassa • Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa • Erona eutektiseen tasapainoon kiinteäkäyrien minimit ovat samalla puolella sulakäyrän minimiä Peritektinen lämpötila Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Peritektoidinen tasapaino • Peritektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia • Esimerkki Fe 2 O 3 Al 2 O 3 systeemistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Monotektinen tasapaino • Liukoisuusaukko myös sulassa tilassa Kriittinen lämpötila Monotektinen lämpötila Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Monotektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Monotektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Monotektoidinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Välifaaseja sisältävät systeemit • Kaikki binäärisysteemit koostuvat edellä esitettyjen perustyyppien yhdistelmistä • Välifaasit – (Lähes) Vakiokoostumuksellinen yhdiste, jonka • Koostumus on puhtaiden komponenttien välissä • Kiderakenne poikkeaa puhtaiden komponenttien rakenteista – Voivat muodostua suoraan sulatteesta tai reaktion kautta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Välifaaseja sisältävät systeemit L (s) L (s) L + (s) (s) Muodostuminen suoraan sulatteesta (Congruent) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014 Muodostuminen reaktion kautta (Incongruent)
Suoraan sulatteesta muodostuva välifaasi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Reaktion kautta muodostuva välifaasi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla • Binäärisysteemi A-B, jossa – A kiteytyy -faasina – B kiteytyy -faasina – esiintyy liukoisuusaukko koostumuksesta c 1 koostumukseen c 2 – Tarkastelun kohteena kaksifaasialueella sijaitseva koostumus c -faasin osuus (x):
x
c c
2
c
1
c
1
m l
-faasin osuus (1-x): 1
x
c c
2 2
c
c
1
l n
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Fe-P systeemi Montako välifaasia esiintyy kuvan koostumusalueella? Muodostuvatko ne reaktion kautta vai suoraan sulatteesta? Mikä on välifaasien koostumus?
Mitä faaseja esiintyy systeemissä, joka koostuu sulasta, joka on jäähdytetty 900 C:een, ja jonka kokonaiskoostumus on 90 paino-% Fe (loput P)?
Mitkä ovat ko. systeemissä esiintyvien faasien osuudet ja koostumukset?
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Tasapainopiirrokset kuvaavat systeemissä esiintyvien faasien stabiilisuuksia eri olosuhteissa • Stabiilisuus on riippuvainen tarkastelun kohteena olevien aineiden reaktiivisuuksista (ts. aktiivisuuksista) Tasapainopiirrosten ja aktiivisuuksien välillä havaitaan tiettyjä riippuvuuksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Voimakkaan negatiivinen poikkeama Raoultin laista Merkki voimakkaista vetovoimista Yhdisteiden muodostuminen Välifaasit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Liuos käyttäytyy lähes ideaalisesti Liuoksen osaslajit toistensa kaltaisia Laajat liukoisuusalueet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
T X A = 0 % B = 100 % Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen X L X A X S Näytettä, jonka koostumus on X A , hehkutettiin lämpötilassa T X tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti.
Havaittiin 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus X S - Lasifaasi, jonka koostumus X L (lasifaasi on nopeasti jähmettynyttä sulaa) Pitoisuus A = 100 % B = 0 % Piste (X ovat X S A ,T X ) osuu kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ko. lämpötilassa ja X L Ts. mittaus kertoo tietoa A-B systeemistä myös muissa kuin koeolosuhteissa.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
T Y A = 0 % B = 100 % Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Toista näytettä, jolla on sama koostumus X T Y A , hehkutettiin korkeammassa lämpötilassa tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti.
Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus X S’ - Lasifaasi, jonka koostumus X L’ Piste (X A ,T Y ) osuu edelleen kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ovat nyt X S’ ja X L’ X L’ X A X S’ Pitoisuus A = 100 % B = 0 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
T Z Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Tarkastelu kolmannessa (matalamassa) lämpötilassa T Z .
Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus X S’’ - Lasifaasi, jonka koostumus X L’’ Saadaan puuroalueen koostumusrajat kolmannessa lämpötilassa.
A = 0 % B = 100 % X L’’ Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014 X A X S’’ Pitoisuus A = 100 % B = 0 %
Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Yhdistämällä kokeiden tulokset nähdään, miten puuroalueen koostumusrajat muuttuvat lämpötilan funktiona.
Voidaan hahmotella solidus- ja likviduskäyrät Kokeita jatkamalla saadaan selville, mihin lämpötiloihin asti puuroalue yltää.
A = 0 % B = 100 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014 Pitoisuus A = 100 % B = 0 %
Teema 1 Kotitehtävä 4 Deadline = 7.10.2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014