Transcript anyagismeret_7_eloadas - BME

1. Megszilárdulás (kristályosodás)
Fázisátalakulás: olvadék  szilárd (lásd: H2O megfagyása)
A stabil fázisok csíráinak keletkezésével járó szabadenergia
változás
G 
4
   r 3  Gv  4    r 2   SL
3
Felületi tag mindig
pozitív!
A térfogati tag az egyensúlyi hőmérséklet alatt negatív!
GV: fázisátalakulással járó
szabadenergia-változás,
GV<0,
r: csíra sugara,
ha T<Tm
SL: felületi feszültség az olvadék
és szilárd felület határán
Ha az átalakulást, mint a túlhűlés mértékét (vagy mint időbeni
eseményt) nézem,
A kritikus csíra mérete:
2   SL
r*  
GV
r* 
2   SL  TE
L  T
r*: kritikus csíra sugara,
TE: átalakulás egyensúlyi
hőmérséklete (olvadáspont),
L: olvadáshő,
ΔT: túlhűtés mértéke
2. Ötvözetek képződése
Ötvözet
• fémes tulajdonság
• két vagy több fémből illetve metalloid elemből áll (C, N, O, Si, B, P, H).
Előállítás
• komponensek direkt bemérése  olvasztás
• elektrokémiai módszer  együtt leválasztás
• mechanikai ötvözés  őrlés golyósmalomban
• kémiai reakció: Fém – H
A komponensek kapcsolatai
• szilárd oldat képződése
• fémes vegyület képződése
• nincs oldódás, sem vegyületképződés
2. Ötvözetek képződése
A kémiai összetétel hatása a termodinamikai
állapotfüggvényekre – Elegyedési entalpia
Elegyedési entalpia
H= Hi + He
elegyedési entalpia
Hi= xAHA + (1-xA)HB
összetevők entalpiájának súlyozott összege
koncentráció
2. Ötvözetek képződése
Elegyedési entrópia
N
S e  k  lnW  k  ln   k  N x  ln x  1  x   ln1  x 
n
ahol
N: a rácspontok száma (A és B fém atomjai)
n: a B fém atomjai
x: koncentráció, azaz n=xN
2. Ötvözetek képződése
A kémiai összetétel hatása a termodinamikai
állapotfüggvényekre
Ge=He - T·Se
T·Se
T·Se
He
0
0
He
Ge
Ge
negatív oldódási entalpia
pozitív oldódási entalpia
3. Kétalkotós ötvözetek és kristályosodásuk
Az egyensúlyi fázisdiagramok
Hőmérséklet-összetétel diagramok: Tammann ábrák
Miről szólnak?
Adott hőmérsékleten és összetételnél milyen fázisok vannak
egymással egyensúlyban.
A Gibbs fázisszabály
A Gibbs fázisszabály
F + Sz = K + 2
F: fázisok száma
Sz: szabadsági fokok száma (szabadon változtatható
állapothatározók száma)
K: komponensek száma
Ha a nyomás változásának lehetőségétől eltekintünk, azaz p = konst.
F + Sz = K + 1
Sz = K – F + 1
(3 - F két komp. esetén, 2 - 1 egy komp. esetén)
Milyen legfontosabb típusaik vannak?
1. Szilárd oldatok
Amelyekben az elegyedés korlátlan.
Feltételei a Hume-Rothary szabályok teljesülése, minden
összetételnél azonos fázis van azonos kristályszerkezettel.
2. Eutektikus rendszerek
két alcsoport:
• szilárd állapotban egyáltalán nincs oldódás
• szilárd állapotban korlátos oldódás van
3. Vegyületképző rendszerek
4. Peritektikus rendszerek
5. Monotektikus rendszerek
A szilárd oldatok fázisdiagramja és a megszilárdulás
mechanizmusa
A két alkotó (komponens) olvadék és szilárd fázisban egyaránt
korlátlanul oldódik egymásban.
T
T
olvadék
TopA
likvidusz
szolidusz
TopB
szilárd oldat
A
B
Szilárd oldatok képződésének feltételei (Hume-Rothary)
A korlátlan elegyedés feltételei
• atomi átmérők különbsége: maximum 15%
• azonos vegyérték
• elektronegativitásuk közel azonos
• azonos rácsszerkezet
Szilárd oldat
• helyettesítéses (szubsztitúciós)
• rácsközi (interstíciós)
• rendezett
• rendezetlen
G
T2
Gszil
A
Golv
B
A szilárd oldatok
fázisdiagramja és a
megszilárdulás
mechanizmusa
A két alkotó (komponens)
olvadék és szilárd fázisban
egyaránt korlátlanul oldódik
egymásban.
A mérlegszabály, a fázisok tömegaránya
szilárd fázis
x
d


folyékonyfázis 1  x c
Példák a korlátlan elegyedésre
Példák a korlátlan elegyedésre
A ssessed A u - C u p h ase d i ag r am .
rendezetlen (magas T)
rendezett (alacsony T)
Az eutektikus összetétel, az eutektikus kristályosodás
Eutektikus: könnyen olvadó.
Kiemelkedő jelentőségűek:
• szerkezeti anyagok;
• kompozitok;
• acélokban lejátszódó folyamatok megértése szempontjából.
Lényege: kémiailag homogén fázisból egyidejűen egymástól és a
kiinduló fázis összetételétől is eltérő összetételű (és
kristályszerkezetű) fázis keletkezik. „Csatolt kristályövekedés.”
Eutektikus rendszerek, egymásban szilárd állapotban nem
oldódó komponensekkel
Az eutektikus megszilárdulás (csatolt kristálynövekedés olvadékból)
Eutektikus rendszerek, egymásban szilárd állapotban
korlátoltan oldódó komponensekkel
A komponensek szilárd állapotban korlátoltan oldják egymást!
Eutektikus rendszerek, egymásban szilárd állapotban
korlátoltan oldódó komponensekkel
A komponensek szilárd állapotban korlátoltan oldják egymást!
Eutektikus rendszerek, egymásban szilárd állapotban
korlátoltan oldódó komponensekkel
A komponensek szilárd állapotban korlátoltan oldják egymást!
Az eutektikus megszilárdulás mechanizmusa
Eutektikus rendszer, amelyben a komponensek korlátoltan
oldódnak egymásban
Vegyület kristályosodásának nyílt maximumos diagramja
Példa: