MATERIJALI I TEHNOLOKI POSTUPCI

Red. prof. dr. sc. Loreta Pomeni

FAZNI DIJAGRAMI I. dio

Kada se voda dovoljno ohladi i zaledi ona mijenja stanje iz tekueg u kruto -led. Taj se proces naziva promjena faza Vrlo je vano prouavanje moguih naina na koje razliiti materijali mogu postojati sami ili u dodiru s drugima u odnosu na temperaturu, tlak i vrijeme

Razlog je tih prouavanja spoznati kakva e biti stabilnost materijala u svim vrstama okolina jer o tome vrlo mnogo ovise mehanika svojstva tih materijala Oiti primjer toga je da konstrukcijske materijale ne moemo koristiti na temperaturi koja je blizu njihova talita Manje oite promjene mogu se dogaati unutar samog materijala koje mogu biti vrlo vane za vrstou materijala Te promjene faza mogu se prikazati pomou tzv. faznih dijagrama koji nam omoguavaju predvianje onog to e se dogoditi ako promjenimo temperaturu ili sastav ( overall composition) materijala

3

SUSTAV sadri samo materijale koje ispitujemo (zatvoren je jer se radi samo o odreenim materijalima (npr. Cu i Zn) i njihovim kombinacijama (legura Cu Zn). Jednofazni sustav je homogen, a dvo- i viefazni sustav je heterogen

Obraivati emo samo sustave koji su u ravnotei. Neravnoteni fazni odnosi mogu bitno razliiti od ravnotenih za isti sustav

FAZA dio sustava s homogenim fizikim i kemijskim svojstvima mehaniki odvojiv. Faza moe sadravati jednu ili vie komponenti. Faza mora biti: 1) homogena u odnosu na kristalnu strukturu sreenost atoma, 2) Mora biti fiziki odvojeno podruje od drugoga faznom granicom, 2) mora biti mikroskopski homogena, tj. mora imati posebnu strukturu, 3) svojstva faze moraju se mijenjati kontinuirano s promjenom temperature, tlaka i sastava (mnoge mjeavine zadravaju istu strukturu s razliitim omjerima komponenti; u tom sluaju one su jo u istoj fazi).

KOMPONENTA prepoznatljive tvari iz kojih je sastavljen sustav koje su na poetku pomijeane (npr. Fe i C u eliku; H2O i NaCl u slanoj vodi). Broj komponenti sustava je najmanji broj nezavisnih tvari iz kojih moe biti sastavljen sustav sa svim svojim fazama. Razlikujemo jedno-, dvo-, tro- komponentne sustave

DEFINICIJE

1) Nakon odreivanja sastava legure metal A i metal B rastalimo

(dovoenjem topline unitavamo njihove kristalne reetke)

2) Tijekom ohlaivanja, za odreene vremenske termine oitavamo temperaturu na termometru i

zapisujemo (,0C i t, h) 3) Iz tih podataka konstruiramo krivulju

ohlaivanja za svaki metal i leguru posebno

Opis odreivanja krivulje ohlaivanja

KRIVULJE OHLAIVANJA

KRIVULJA OHLAIVANJA ZA ISTI METAL

Eksperimentalni podaci

Taljevina metala A

Temperatura

(Termometar)

Lonac za taljenje metala

Vrijeme

(Sat)

Vrijeme, t a) b) Slika 3: a) Krivulja ohlaivanja za isti metal, b) Dobivanje podataka za krivulju ohlaivanja

Taljevina (T)

Taljevina (T) + krutina

Krutina L S L+ S

,0C t, h

Ohlaivanje taljevine

K

t

Krivulja ohlaivanja za isti metal (opis Slike 3) - vrijeme apscisa ,t (h), ordinata - temperatura (theta), 0C Tijekom ohlaivanja taljevine, T istog metala temperatura pada do vrijednosti k - temperatura kristalizacije (koja je takoer i temperatura talita metala), tj. do toke L, koja pokazuje poetak skruivanja (kristalizacije) metala.

Na temperaturi k istovremeno postoje dvije faze i taljevina i skrueni metal sve do toke S, koja oznaava zavretak kristalizacije metala.

Iako se metal i nadalje ohlauje, krivulja ne pokazuje pad temperature izmeu toki L i S (dio krivulje paralelan s apscisom) zato?

Krivulja ne pokazuje pad temperature iako se i nadalje metal ohlauje, jer se oslobaa latentna toplina kristalizacije koja nadoknauje hlaenjem odvedenu toplinu.

dalnjim ohlaivanjem metala, nakon toke S temperatura kristaliziranog metala ponovno pada sve do sobne temperature

Promjena faza iz tekueg istog metala (taljevina) u kruti, kristalizirani metal je izotermalna promjena faza na temperaturi k u vremenu t.

Krivulja ohlaivanja za isto eljezo

Vrijeme, t

1538

1394

910

T T +

+

+

Fe (BCC)

Fe (FCC)

Fe (BCC)

Slika 4. Shematski prikaz krivulje ohlaivanja za isto Fe. Samo je jedna temperatura prijelaza iz taljevine u krutinu ,a ostale temperature su temperature promjene u krutome (alotropske modifikacije Fe). Te su promjene takoer izotermalne.

T +

L S

KRIVULJA OHLAIVANJA ZA LEGURU Eksperimentalni podaci

Taljevina metala A i B

Temperatura

(Termometar)

Lonac za taljenje metala

Vrijeme

(Sat)

Vrijeme, t a) b) Slika 5: a) Krivulja ohlaivanja za leguru, b) Dobivanje podataka za krivulju ohlaivanja

Taljevina (T) metala A i B

Taljevina (T) + krutina,

Krutina legure,

L

S L+ S

,0C t, h

Ohlaivanje taljevine

t

Opis krivulje ohlaivanja za leguru (Slika 5)

vrijeme apscisa ,t (h), ordinata - temperatura (theta), 0C toka L poetak kristalitzacije legure toka S zavretak kristalizacije legure

Krivulja ohlaivanja za legure pokazuje temperaturni pad u vremenu t kada istovremeno postoje dvije faze: taljevina legure i kristali legure (izmeu toki L i S). Nakon toke S legura je kristalizirana i temperatura bre pada sve do sobne temperature.

RAVNOTENI DVOKOMPONENTNI DIJAGRAMI

Ravnotea: minimum energije stanja za dane T (temperaturu), P (tlak), i kemijski sastav legure. Postie se nakon dovoljno vremena koje moe biti jako dugo. Stanje koje nije na minimumu energije moe dugotrajno izgledati stabilno. To stanje se naziva metastablino statanje.

Faza e u ravnotei ostati konstantana u odnosu na vrijeme Ravnoteni dvokomponentni dijagrami daju odnos kemijskog sastava legure kao funkciju temperature i koliinu faza u dijagramu.

Ti dijagrami ne daju dinamiku kada e se jedna faza pretvoriti u drugu. Ponekad se dijagrami daju uz tlak kao varijablu. U faznim dijagramima koje emo opisivati pretpostavljamo da je tlak konstantan i jednak atmosferskom

KONSTRUKCIJA RAVNOTENOG DVOKOMPONENTNOG DIJAGRAMA

Mjeavinu od dva metala nazivamo binarna ili dvokomponentna legura, a sustav dvokomponentni sustav

Ravnoteni dvokomponentni fazni dijagrami konstruiraju se iz krivulja ohlaivanja koje dobivamo posebno za svaki isti metal i svaku njihovu leguru (njihovu kombinaciju sastava)

Nacrtamo dijagram s krivuljama ohlaivanja i do tog dijagrama nacrtamo okvir za ravnoteni dvokomponentni dijagram:

apscisa: maseni postotni sastav legura, ordinata : temperatura Iz dijagrama krivulja ohlaivanja iz toaka L i S (za svaku leguru i isti metal)

povuemo paralelu s apscisom do vertikale na dvokomponentnom ravnotenom dijagramu koja predatavlja ili isti metal ili leguru.

Presjecita na vertikali (koja predstavlja leguru) oznaavaju: presjecita iz toke L likvidus liniju, a iz toke S - solidus liniju ravnotenog dijagrama.

Nakon ucrtavanja svih presjecita iz toaka L njhovim spajanjem dobijemo LIKVIDUS LINIJU

Nakon ucrtavanja svih presjecita iz tokaka S njhovim spajanjem dobijemo SOLIDUS LINIJU

Slika 6: Konstruiranje ravnotenog dvokomponentnog dijagrama: a) Krivulje ohlaivanja, b) Ravnoteni dvokomponentni dijagram legura koje nastaju kombiniranjem razliitih masenih % metala A i B

Vrijeme, t

L S L+ S

100% A

Legura: 30%B i 70% A

L

S

Smjer itanja dijagrama

100% A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% B

(0%B) (0%A) % B % A,

Legura: 30%B i 70% A

L

S

L + S

Likvidus linija

Solidus linija

(Koncentracija) Maseni % komponenti legure a) b)

Solidus linija Crta binarnog dijagrama koja pokazuje temperaturu na kojoj sustav legura ohlaivanjem postaje potpuno skruen ili na kojoj zagrijavanjem poinje taljenje legure pod ravnotenim uvjetima

Ispod solidus linije su sve legure u krutom stanju

Linije binarnog, dvokomponentnog ravnotenog dijagrama

Likvidus linija crta koja pokazuje temperaturu na kojoj ohlaivanjem poinje skruivanje legura uvjetima ili taljenje zagrijavanjem legura pod ravnotenim

Iznad likvidus linije su sve legure rastaljene (taljevina)

Solvus linija Crte binarnog dijagrama koje pokazuju granicu topivosti pod ravnotenim uvjetima

Granica maksimalne topivosti legirajue komponente u osnovnom metalu na odreenoj temperaturi

DVOKOMPONENTNI IZOMORFNI RAVNOTENI DIJAGRAM

Izomorfni potpuna topivost metala A i metala B u krutome i tekuem (rastaljenom) stanju

+

Shema nastajanja legure:

Zagrijavanje Ohlaivanje

Metal A Metal B Taljevina

70% 30%

Zajednika Kristal mjeanac reetka legure A - B

Atom metala A Atom metala B

100% A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% B

Legura

T +

Maseni % A Maseni % B Koncentracija komponenti A i B

(kristali mjeanci)

Taljevina, T

Likvidus linija Solidus linija

Taljenje Kristalizacija

Krutina

Slika 7: Ravnoteni dvokomponentni dijagram (izomorfni) potpune topivosti u krutome

a

b

c

Tumaenje dijagrama potpune topivosti u krutome za leguru koja sadri 70% A i 30% B (Slika 7)

Toka a

Na temperaturi a legura je rastaljena faza je samo jedna taljevina, T Koliinski udjel T = 100% Koncentracija legure: 70% metala A i 30% metala B

Toka b

Na temperaturi b egzistiraju dvije faze: T + Koliinski udio T = ?; Koliinski udio = ? Koncentracija B u T = ? % B; Koncentracija B u = ?

Toka c Legura je skruena postoji samo jedna faza: (kristali mjeanci) Koliinski udio = 100% Koncentracija B u = 30%B

Vidimo da nam je za jednofazno podruje sve poznato (faza, koncentracija B i koliinski udio.

Za odreivanje koncentracije B i koliinskog udjela faza u dvofaznom podruju sluimo se tzv. pravilom poluge

Odreivanje sastava faza u dvofaznom podruju dijagrama, pravilo poluge

CT C0 C

Maseni % A Maseni % B Koncentracija komponenti A i B

Taljevina, T

Paralela s osi x do presjecita s fazama T i

+ T

+ T

Legura

R S

Slika 8. Odreivanje koncentracije komponente B u fazama i koliinskog udjela faza pomou pravila poluge

Odreivanje koncentracije komponente B u fazama T i : a) odredi leguru ( koncentracije komponenti) u dijagramu i na njoj temperaturu u

dvofaznom podruju a) na odreenoj temperaturi, u dvofaznom podruju, povuci izotermalu (paralelu

s osi x) do presjecita s granicama prisutnih faza

b) Iz tih presjecita spusti okomicu na os x i oitaj koncentraciju komponente B (%B). Do 100% je koncentracija komponente A.

CT koncentracija komponente B u taljevini, T C0 koncentracija komponente B u cijeloj leguri (zadana, poetna

koncentracija)

C - koncentracija komponente B u

PRAVILO POLUGE Odredi udaljenost toke B (na leguri) od presjecita s granicama faza:

R = C0 CT

S = C - C0 Koliinski maseni udjeli faza su:

(MT) Taljevina (T) = =

M = = Zapamti: udaljenosti od toke na leguri do presjecita s fazama su obrnuto proporcionalne. U

brojnik ide ona udaljenost koja ne granii s fazom iji koliinski udio odreujemo.

S

R +S C - C0 C - CT

R

R +S C - CT

C0 - CT

Izvod za pravilo poluge

Poto imamo samo dvije faze, tada je zbroj njihovih masa: MT + M = 1 (1) Prema zakonu o ouvanju masa: Koliina komponente B u - fazi + koliina B u taljevini = ukupna koliina komponente B ili

Iz prvog uvjeta imamo:

Supstitucijom (3) u (2): (1- MT ) C + MT CT = C0 (4)

Rjeenja za MT (taljevinu) i M (kristale mjeance) daju :

MT CT + M C = C0 (2)

M = 1- MT (3)

MT =

C - C0 C - CT

M =

C 0 - CT C - CT

Geometrijski prikaz pravila poluge:

MT M

legura

R S

CT C0 C Momenti sila su u ravnotei:

MT R = M S

1 - M

Rjeenje supstitucije daje pravilo poluge.

Slika 9.Geometrijski prikaz pravila poluge

MATERIJALII TEHNOLOKI POSTUPCIRed. prof. dr. sc. Loreta PomeniSlide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20