Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

1. Faasipiirrokset, osa 2Binääristen piirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 4

2. Tavoite • Oppia tulkitsemaan 2-komponentti-systeemien faasipiirroksia

3. Binääriset koostumus-lämpötilapiirrokset (paine vakio)

4. 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

5. Binäärisysteemeissä esiintyvät tasapainot

6. Aukoton liukoisuus • Sulan ja kiinteän faasin vapaaenergia-käyrät kaareutuvat alaspäin • Aukoton liukoisuus molemmissa faaseissa

7. Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta

8. Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta

9. Kaksi käyrää, joilla omat minimit Samalla käyrällä kaksi paikallista minimiä Eutektinen tasapaino • Aukoton liukoisuus sulassa tilassa • Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa • Kiinteän faasin vapaaenergiakäyrä kuvassa esitettyä muotoa (a) Kaksi kiinteää faasia, joilla sama kidemuoto (b) Kaksi kiinteää faasia, joilla eri kidemuoto

10. 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

11. Piirretty lämpötilassa T5 a1 a2 Eutektinen lämpötila ja koostumus Eutektinen tasapaino

12. Eutektinen tasapaino

13. Eutektinen tasapaino

14. Eutektinen tasapaino

15. Eutektoidinen tasapaino • Eutektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia • Esimerkki Fe-C-systeemistä

16. Peritektinen lämpötila Peritektinen tasapaino • Aukoton liukoisuus sulassa tilassa • Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa • Erona eutektiseen tasapainoon kiinteäkäyrien minimit ovat samalla puolella sulakäyrän minimiä

17. Peritektinen tasapaino

18. Peritektinen tasapaino

19. Peritektoidinen tasapaino • Peritektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia • Esimerkki Fe2O3-Al2O3-systeemistä

20. Kriittinen lämpötila Monotektinen lämpötila Monotektinen tasapaino • Liukoisuusaukko myös sulassa tilassa

21. Monotektinen tasapaino

22. Monotektinen tasapaino

23. Monotektoidinen tasapaino

24. 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

25. L  (s) L  (s) L + (s) (s) Välifaaseja sisältävät systeemit Muodostuminen suoraan sulatteesta (Congruent) Muodostuminen reaktion kautta (Incongruent)

26. Suoraan sulatteesta muodostuva välifaasi

27. Reaktion kautta muodostuva välifaasi

28. Välifaaseja sisältävät systeemit

29. Välifaaseja sisältävät systeemit

30. Välifaaseja sisältävät systeemit

31. Välifaaseja sisältävät systeemit

33. Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla -faasin osuus (x): -faasin osuus (1-x): • Binäärisysteemi A-B, jossa • A kiteytyy -faasina • B kiteytyy -faasina • esiintyy liukoisuusaukko koostumuksesta c1 koostumukseen c2 • Tarkastelun kohteena kaksifaasialueella sijaitseva koostumus c

34. Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla

35. 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?

36. 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

37. Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Voimakkaan negatiivinen poikkeama Raoultin laista  Merkki voimakkaista vetovoimista  Yhdisteiden muodostuminen  Välifaasit

38. Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Liuos käyttäytyy lähes ideaalisesti  Liuoksen osaslajit toistensa kaltaisia  Laajat liukoisuusalueet

39. Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana

40. Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset • Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana

41. Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Näytettä, jonka koostumus on XA, hehkutettiin lämpötilassa TX tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti. Lämpötila Havaittiin 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus XS - Lasifaasi, jonka koostumus XL (lasifaasi on nopeasti jähmettynyttä sulaa) TX Piste (XA,TX) osuu kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ko. lämpötilassa ovat XS ja XL Pitoisuus Ts. mittaus kertoo tietoa A-B-systeemistä myös muissa kuin koeolosuhteissa. A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % XL XA XS

42. Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Lämpötila Toista näytettä, jolla on sama koostumus XA, hehkutettiin korkeammassa lämpötilassa TY tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti. TY Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus XS’ - Lasifaasi, jonka koostumus XL’ Piste (XA,TY) osuu edelleen kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ovat nyt XS’ ja XL’ Pitoisuus A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % XL’ XA XS’

43. Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Lämpötila Tarkastelu kolmannessa (matalamassa) lämpötilassa TZ. Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus XS’’ - Lasifaasi, jonka koostumus XL’’ Saadaan puuroalueen koostumusrajat kolmannessa lämpötilassa. TZ Pitoisuus A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % XL’’ XA XS’’

44. Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Lämpötila Yhdistämällä kokeiden tulokset nähdään, miten puuroalueen koostumusrajat muuttuvat lämpötilan funktiona. Voidaan hahmotella solidus- ja likviduskäyrät Kokeita jatkamalla saadaan selville, mihin lämpötiloihin asti puuroalue yltää. Pitoisuus A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 %

45. Teema 1 - Kotitehtävä 4 Deadline = 8.10