Side 1 av 6 Fasediagrammer, noen eksempler på anvendelse Om faser Alle stoffer kan opptre i gass- flytende og fast fase. Men stoffer og materialer kan også opptre på andre måter, som betegnes faser. For metaller der dette er viktig ved forklaring av legeringers sammensetning og egenskaper. Med ordet fase mener vi da et område/mengde av et stoff/material som har veldefinert, enhetlig struktur. Det kan f.eks. være et bcc-krystall (korn) i jern eller et fcc-krystall (korn) i aluminium. Det er viktig å være klar over at fase og kjemisk komponent ikke er det samme. Tenk f.eks. på olje og vann i et glass. Vannet synker til bunns, mens oljen flyter ovenpå. Vi vil betegne disse to komponentene med oljefasen og vannfasen, for å ha et navn på delene, som ikke er rene. Det er litt olje i vannfasen (tenk på hva det ville smake hvis man drakk vannet!) og litt vann i oljefasen. Det samme er tilfellet med metalliske materialer. I pressmessing er det kobberkrystaller, som innholder opp til over 30% sink. Vi kaller dem kobberkrystaller likevel, fordi de har fcc-struktur, dvs. det er kobber som bestemmer, men kobber kan låne ut inntil 30% av gitterplassene til sink (som har hcp-stuktur når det danner egne krystaller). Vi betegner disse krystallene med kobberfasen (og ikke kobber for det betyr kjemisk rent kobber). Et krystall (korn) av en fase trenger altså ikke bestå av bare en atomsort. Vi har fra avsnittet om defekter i krystaller at et krystall kan inneholde oppløste fremmedatomer. Et jernkrystall i stål vil alltid inneholde litt oppløst karbon. Karbon har lav løselighet i jern da karbon er et ikke-metall, og vil løses interstisielt. Løseligheten er spesielt liten i bcc-jern. Når stålet varmes til smitemperatur, går krytallformen over til fcc, som løser vesentlig mer karbon, men likevel ikke mer enn ca 2,5 vekt% (Vi sier 2,5 % - det er underforstått at vi mener vekt%, eller egl. masseprosent). Karbon er også her interstisielt løst. Jern kan derimot løse større mengder av f.eks krom (helt blandbart over 800 C) eller nikkel (ca 6% for bcc-fe og helt blandbart for fcc-fe). Dette er metaller og de vil løses ved substitusjon. I mange tilfeller danner blandingen av elementer egne krystaller. For eksempel danner jern og karbon fasen cementitt, Fe 3 C. Legg merke til ordet fase! Fe 3 C har eksakt sammensetningen 3 jern og ett karbon i hele krystallet, og betegnes en støkiometrisk fase. Kobber og sink kan danne en fase (dvs. krystaller) i blandingsforholdet ca. 1:1 (mht. atomer, og ca det samme for vektprosent, da atomvekten er ganske lik). Denne er litt tolerant og blandingsforholdet kan avvike litt fra 1:1. Dette kalles en intermetallisk fase. I messing med ca 40% sink er det to faser (er det noe under 40% er det bare en fase). Fasediagrammer For å holde oversikt over disse forholdene, benytter man fasediagrammer, som viser blandingsforholdet på førsteaksen og temperaturen på andre aksen. Vi skal kun ta for oss binære fasediagrammer, altså for legeringer med to kjemiske komponenter. Som kilde er benyttet ASM Handbook /1/.
Side 2 av 6 Fasediagrammet for legeringssystemet sølv, gull, Ag Au. Dette er et av de enkleste forekommende fasediagrammer. Årsaken er at gull og sølv begge er fcc-metaller OG at de er kjemisk svært like. Her kan vi lese av at smeltepunktet for sølv er 951 C og for gull 1064 C. En legering med Au-50Ag (Au og 50 masse% Ag) størkner over intervallet 1020 1015 C. En legering med 80% gull er i fast tilstand ved 100 C mens en legering med 20% gull er flytende ved samme temperatur. Legg merke til at førsteaksen viser masse% nederst og atomprosent øverst. Eksempel: Hva er atomprosenten for en legering med 50 masse% gull? 50 n Svar: Masseforhold, molforhold Au 50 /196,97 0,254 = =, atomprosent 50 n 50 /107,87 0, 463 Ag 0,254 100% = 35,4%, som naturligvis også kan avlese i diagrammet. 0,254 + 0,463 Fasediagrammet for kobber-nikkel. Disse metallene er også ganske like både strukturelt (fcc) og kjemisk. De er likevel ikke fullt blandbare i fast tilstand ved lavere temperaturer (under 354 C). Hva er løselighetsgrensen for Ni i Cu ved 300 C? Svar: ca 27 masse%. Hva er forskjellen på 90-10 CuNi og 70-30 CuNi som er avkjølt hhv. meget langsomt og hurtig? Svar: 90-10 CuNi er (nok) en en-fase-legering i begge tilfeller. Vi må regne med at diffusjonen opphører helt ved temperaturer under 100 C (der strekene slutter). 70-30 CuNi vil være en en-faselegering når den avkjøles hurtig, men en to-faselegering når den avkjøles meget langsomt (α 1 -Cu krystaller med oppløst Ni og α 2 -Ni krystaller med oppløst Cu). Vi må dog regne med at 70-30 CuNi som er avkjølt hurtig har en viss seigring. Kornene vil være rikest på Ni ytterst.
Side 3 av 6 Fasediagrammet for bly-tinn. Dette er et eutektisk fasediagram. De to metallene har begrenset blandbarhet. Hvor mye tinn kan det løses i bly? (svar 18,3%) Hvor mye bly kan løses i tinn? (svar 2,2 %) Hvor ligger det eutektiske punktet? (svar 183 C og Pb61%Sn) Hva er strukturbestanddelene i Pb40%Sn ved romtemperatur? (svar α-bly med ca 3% tinn og et eutektikum av α-bly og β-tinn)
Side 4 av 6 Hvor mye eutektikum er det i Sn10%Pb? (Svar 78% - hint dette er 90Pb10%Sn) Tinn-bly er det mest brukte loddemetallet til elektronikk, men er ikke anbefalt for lodding mot gull og sølv. Sammensetningen er oftest nær den eutektiske sammensetningen. Bly har E- modul 16 GPa, tinn har 50 GPa. Det er oppgitt at legeringen 40Sn60Pb har E-modul 30 GPa /2/. Under langsomt økende belastning, vil tinn-bly lodd sige, det er oppgitt sigemoduler på omkring 15 GPa i gjennomsnitt ved tøyningshastigheter på hhv. 0.0002, 0.0005, 0.0010, 0.0020, 0.005, 0.010, 0.020, 0.05, 0.10 and 0.20 [s -1 ] /3/ Den mekaniske styrken er oppgitt som en skjærfasthet på omkring 40-50 MPa /4/. Tinn-bly loddemetall er utsatt for utmatting, også i rom-miljø. Det er bla. gjort studier av kontaktbrudd på Magellan/Gallileo rom-observatoriet /5/ som antas å stamme fra utmatting etter termiske spenningsvekslinger. Pga. blyets giftvirkninger er det utviklet en rekke blyfrie loddemetaller. Felles for disse er at smeltepunktet er høyere, med mindre det er benyttet dyrere metaller så som wismut (Bi). Fasediagrammet for aluminium-litium. Dette er et eutektisk fasediagram. Angi det eutektiske punktet med temperatur og sammensetning. Hva er den maksimale løselighet av Li i Al? Hvor mye Al kan løses i Li? Hva er smeltepunktet for 100% Li? Beskriv størkningsforløpet av en langsomt størknende legering av hhv. Al-1%Li og Al-5%Li og endelig Al-12,6LSi. Hva er kjemisk "formel" for β-fasen? Anta at legeringen Al-6%Si størkner under likevekt. Beregn forholdet mellom α-al og eutektikum. Benytt at maksimal løselighet av Si i Al er 1,5%. Hva er den eutektiske reaksjonen i det eutektiske punktet? Abstract /6/: Commercial aluminium-lithium alloys are targeted as advanced materials for aerospace technology primarily because of their low density, high specific modulus, and excellent fatigue and cryogenic toughness properties. The principal disadvantages of peak-strength aluminium-lithium alloys are reduced ductility and fracture toughness in the short transverse direction, anisotropy of in-plane properties, the need for cold work to attain peak properties, and accelerated fatigue crack extension rates when cracks are micro structurally small. Legeringer Al-Cu-Li med Ag, Zr og andre, AA-registrert: Alloy 2090, andre: "Weldalite 049" E-modul 77 GPa, densitet 2550 N/m 3, flytegrense 300-500 MPa - avhengig av behandling. Videre er det AA8090 legeringene, med omtrent samme mekaniske egenskaper.
Side 5 av 6 Aluminiumlegeringer Det er utviklet en lang rekke aluminiumlegeringer. Den vanligste betegnelsen bygger på det tidligere AA-systement (Aluminium Assosiation ), nå i Europa betenget EN-AW for knalegeringer (legeringer for plastisk bearbeiding, "wrought alloys").
Side 6 av 6 Fasediagrammet for kobber-sink (messinglegeringene). Dette er nok så komplisert. Det er faktisk ingen eutektiske punkter. Derimot er det flere peritektiske punkter. Det av disse som har betydning ved bruksmessing ligger ved 37,5% Zn og angis med reaksjonen L + αcu β. Det finnes dog et eutektoid punkt ved 74,1% Zn med reaksjonen δ γ + ε. Hva er den omtrentlige kjemiske formelen for β-fasen? Svar: Vi leser av (i alle fall ved lavere temperaturer) 50 atomprosent Cu og 50 atom% Zn, dvs. at molforholdet er 50:50 = 1:1, formelen er CuZn. Dette er ikke en eksakt kjemisk fase (ikke en støkiometrisk fase), men en intermetallisk fase. Intermetalliske faser er litt tolerante, dvs. de løser litt av nabokomponentene og blir således ikke streker i fasediagrammet, men områder som har bredde. Som pressmessing benyttes Cu-30%Zn. Hvordan er strukturen? Svar én-fase α-cu. Som støpemessing benyttes Cu-40%Zn. Hvordan er strukturen? Oppgave: En støpemessing u-35%zn har nettopp størknet og befinner seg like under 902 C. Hva vil masseforholdet være mellom α-cu og β-fase ved likevekt? (Svar: ca 1,4 : 1). 1 ASM Handbook. Baker, H. (ed.):vol 3. Alloy Phae Diagrams. ASM International, Ohio. 2 ASTM B 32 Grade Sn60, http://www.matweb.com/ 3 S.R.Low, III and R.J. Fields : MULTIAXIAL MECHANICAL BEHAVIOR OF 63Sn-37Pb SOLDER, National Institute of Standards and Technology, Metallurgy Division, Gaithersburg, Maryland 20899, Publ. Year not known. http://www.metallurgy.nist.gov/mechanical_properties/. 4 Indalloy 106(Sn63) Sn-Pb Solder Alloy, http://www.matweb.com/ 5 Ronald G. Ross, Jr.: Magellan/Galileo Solder Joint Failure Analysis and Recommendations, NASA 1989. 6 http://www.key-to-metals.com/article58.htm