Legeringer og fasediagrammer Frey Publishing 1
Faser En fase er en homogen del av et materiale En fase har samme måte å ordne atomene, som lik gitterstruktur eller molekylstruktur, over alt. En fase har tilnærmet lik kjemisk sammensetting over alt. Det finnes en definert grense mellom en fase og omgivelsene. 2
Eksempel: Magnesium Egner magnesium seg til deler i et romfartøy? Trykket i verdensrommet er svært lavt, og vi ser at ved litt under ½ atmosfæres trykk går magnesium over fra fast fase til dampfase ved ca. 700 C (Sublimasjon) 3
Smeltekurve for vann Is, vann og damp er tre faser av H2O 4 Tenk deg en bøtte med vann som blir stående ute en kald vinternatt. Vannet fryser til is. Et termometer viser at temperaturen i isen er -20 C. 1. Tar vi bøtta inn i varmen, stiger temperaturen jevnt, siden vi tilfører isen varme. Etter en stund er det en blanding av is og vann i bøtta. Da viser termometeret 2. 0 C, som er smeltepunktet til is. Isen fortsetter å smelte så lenge vi tilfører varme. Temperaturen holder seg konstant helt til all isen har smeltet. 3. Fortsetter vi å tilføre vannet varme, stiger temperaturen inntil vannet koker. Da viser termometeret 100 C. 4. Mer varmetilførsel fører til mer damp. Setter vi lokk på bøtta, får vi en beholder med en blanding av vann og damp. Temperaturen holder seg på 100 C så lenge det er både damp og vann i beholderen. 5. Fortsetter å tilføre dampen varme etter at alt vannet har fordampet, stiger temperaturen til dampen. Kjøler vi av dampen igjen, reverseres prosessen. Når beholderen igjen inneholder en blanding av vann og damp, viser termometeret 100 C. Ved fortsatt avkjøling, blir det issørpe i beholderen. Igjen viser termometeret 0 C, som er frysepunktet til vann. Fortsatt avkjøling fører til at alt vannet fryser til is.
Størkningsdiagram for et rent metall Rene metaller størkner på tilsvarende måte som vann fryser til is. I et delvis smeltet rent metall regnes smeltet metall som en fase og størknet metall som en annen fase Et smeltet metall kalles ei smelte i støperisammenheng. Når metaller størkner, er det en overgang fra smelte til fast fase. Faseovergangen starter med at det kimdannes ørsmå krystaller i smelta. Deretter vokser krystallene inntil hele smelta er brukt opp (størknet). 5
Drivkraften i størkningprosessen Når temperaturen i en smelte synker til like under smeltepunktet, begynner størkninsprosessen fordi energien lagret i fast stoff er mindre enn energien lagret i smelta. Energiforskjellen kalles fri energi Gibbs frie energi: Entalpi varme G = h - TS Drivende kraft: Minimum Gibbs fri energi Konsekvens: Vann fryser ikke ved 0 ºC og fordamper ikke ved 100 ºC Det skjer heller ikke noe i smelta før det har foregått en viss underkjøling 6
Underkjøling av vann Vann kan eksistere under frysepunktet uten å fryser til is. Et eksempel på det er underkjølt regn, det vil si regndråper med lavere temperatur enn 0 C. Når dråpene treffer bakken, krystalliserer de momentant. Det kan vises at vann krever underkjøling ned til -40 C dersom det skal dannes is uten å ha en flate 7 å krystallisere på.
Legeringer Metaller blir nesten aldri brukt i ren form. Så godt som alle metallene rundt oss er legeringer En legering er en sammensmeltet eller sammensintret stoffblanding som inneholder minst ett metall og har metalliske egenskaper 8
Løselighet Olje og vann er ikke løselige i hverandre Vann og alkohol er fullstendig løselige i hverandre. Det samme er nikkel og kobber Salt er bare delvis løselige i vann. Dersom vi heller mye salt i et vannglass, får vi to faser; saltvann og salt. Blander vi mer enn 30 % sink i kobber, får vi to faser; en kobberfase som inneholder 30 % sink og overskytende sink. 9
Betingelser for fullstendig blandbarhet - legeringer Fullstendig blandbarhet fordrer lik gitterstruktur, omtrent lik atomstørrelse og like elektrokjemiske egenskaper. Gitteret inneholder begge atomslagene Den ferdige legeringen inneholder bare en fase 10
Størkningsdiagram for to fullstendig blandbare metaller Hva skjer når vi kjøler av en legering med 60 % kobber og 40 % nikkel fra flytende tilstand til romtemperatur? Rent kobber størkner ved 1083 C. Rent nikkel størkner ved 1453 C. I legeringen begynner størkningen ved 1282 C. Hele smelta er brukt opp ved 1211 C. I motsetning til rene metaller har legeringer et temperaturområde der det både eksisterer smelte og fast fase. Vi sier at legeringer har et størkningsintervall eller smelteintervall. Størkningsintervallet for legeringen er mellom 1282 C og 1211 C. Når temperaturen er lavere enn 1211 C, eksisterer det bare fast fase. Fasen er blandkrystaller der nikkelatomer er fast løst i gitteret til kobber. Fasen kalles α. 11
Fasediagram for legeringer Fasediagrammet viser hvilken tilstand en legering befinner seg i som funksjon av temperatur og sammensetting Ut fra fasediagrammet kan vi bestemme sammensettingen til de ulike fasene Vi bruker fasediagrammer for å forutse hvordan en legering vil bli og hvilke egenskaper vi kan forvente av den 12
Hvordan et binært fasediagram for to fullstendig blandbare elementer kan konstrueres Dersom vi endrer den kjemiske sammensetningen, får vi forskjellige avkjølingskurver. I tabellen nedenfor finner du størkningsintervall for 9 ulike kobbernikkel - legeringer samt smeltepunktene til kobber og nikkel. Legering Nr Blandingsforhold Størkningsintervall C Smeltepunkt C 1 100 % Cu 1083 2 90 % Cu 10 % Ni 1143 1110 3 80 % Cu 20 % Ni 1195-1144 4 70 % Cu 30 % Ni 1241-1175 5 60 % Cu 40 % Ni 1282-1211 6 50 % Cu 80 % Ni 1321-1250 7 40 % Cu 60 % Ni 1355-1289 8 30 % Cu 70 % Ni 1385-1327 9 20 % Cu 80 % Ni 1410-1368 10 10 % Cu 90 % Ni 1431-1410 11 100 % Ni 1453 13
Fasediagram for NiCu 14
Størkning - konsentrasjon 15
Masseberegning 16
Fasediagram for to metaller som ikke er blandbare 17
Eutektisk legering 18
Undereutektisk legering 19
Grense for løselighet Rent vann er en fase, rent sukker er en fase. Sirup, som er en homogen blanding av sukker og vann, må også kunne karakteriseres som en fase Det finnes en grense for hvor mye sukker sirup kan løse Løseligheten øker når temperaturen øker Slike grenser finner vi igjen i en rekke legeringer 20
Fasediagram for to metaller som er delvis løselige i hverandre Linjen ABC viser løseligheten av kobber i sølv Linjen FGH viser løseligheten av sølv i kobber 21
22
23
24
25
26
Faseomdanninger i fast tilstand Dersom en legering reduserer den frie energien ved å forandre fase, gjør den det. Drivende kraft: Reduksjon av fri energi G = H-TdS Den drivende kraften er proporsjonal med underkjølingen 27
Diffusjon Faseomdanning i fast tilstand krever diffusjon Diffusjon er forflytting av atomer mellom fasene. Atomene vandrer fra områder med høy konsentrasjon til områder med lav konsentrasjon. Diffusjon tar tid. Små, interstitielt løste atomer diffunderer lettere enn store, substitusjonelt løste atomer 28
Omdanningshastighet 29
Utskilling starter i korngrensene 30
Widmanstättenutskillinger Ved felles trekk i gitterstruktur vokser den nye fasen lettere i visse plan som smale skiver. 31
Eutektoid omdanning Eutektoid betyr Som ligner eutektisk Omdanningen ligner den eutektiske. Forskjellen er at her foregår omdanningen fra en fast fase til en annen 32
Danning av eutektoide kolonier 33
Proeutektoide utskillinger 34
Oppsummering Fullstendig blandbare metaller danner blandkrystaller som inneholder begge atomslag Ikke blandbare metaller danner eutektiske legeringer Delvis blandbare metaller danner legeringer med blandkrystaller og eutektikum Strukturer som bråkjøles til romtemperatur kan bevares evig Eutektoid ligner eutektisk, men faseomdanningen skjer fra en fast fase til en annen 35