Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Transkriptio

1 Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 4 Tavoite Oppia tulkitsemaan 2-komponenttisysteemien faasipiirroksia 1

2 Binääriset koostumuslämpötilapiirrokset (paine vakio) Binääriset koostumuslämpötilapiirrokset Monimutkaisemmatkin piirrokset koostuvat tietyistä perustyypeistä Aukoton liukoisuus Eutektinen tasapaino Peritektinen tasapaino Monotektinen tasapaino Välifaasit Tulkinnan kannalta hallittava erilaiset tasapainotyypit sekä osattava käyttää ns. vipusääntöä 2

3 Binäärisysteemeissä esiintyvät tasapainot Milloin kaksi eri koostumusta ovat tasapainossa keskenään? Kun eri koostumuksen omaavilla systeemeillä on sama kemiallinen potentiaali Graafisesti esitettynä: Kuvataan Gibbsin vapaaenergian pitoisuusriippuvuus Tälle käyrälle piirretty tangentti on Gibbsin vapaaenergian 1. derivaatta pitoisuuden suhteen (eli kemiallinen potentiaali) Jos kahdelle eri koostumuspisteelle voidaan piirtää yhteinen tangentti, on näiden koostumusten omaavilla systeemeillä sama kemiallinen potentiaali Ts. ko. koostumukset ovat tasapainossa keskenään 3

4 Kuva: K. Hack - FactSage -koulutusmateriaali. Milloin kaksi eri koostumusta ovat tasapainossa keskenään? Aukoton liukoisuus Sulan ja kiinteän faasin vapaaenergiakäyrät kaareutuvat alaspäin Aukoton liukoisuus molemmissa faaseissa 4

5 Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta 5

6 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 Samalla käyrällä kaksi paikallista minimiä Kaksi käyrää, joilla omat minimit 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 6

7 Eutektinen tasapaino Piirretty lämpötilassa T 5 a 1 a 2 Eutektinen lämpötila ja koostumus Eutektinen tasapaino 7

8 Eutektinen tasapaino Eutektinen tasapaino 8

9 Eutektoidinen tasapaino Eutektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia Esimerkki Fe-Csysteemistä Peritektinen tasapaino Aukoton liukoisuus sulassa tilassa Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa Erona eutektiseen tasapainoon kiinteäkäyrien minimit ovat samalla puolella sulakäyrän minimiä Peritektinen lämpötila 9

10 Peritektinen tasapaino Peritektinen tasapaino 10

11 Peritektoidinen tasapaino Peritektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia Esimerkki Fe 2 O 3 - Al 2 O 3 -systeemistä Monotektinen tasapaino Liukoisuusaukko myös sulassa tilassa Kriittinen lämpötila Monotektinen lämpötila 11

12 Monotektinen tasapaino Monotektinen tasapaino 12

13 Monotektoidinen tasapaino 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 13

14 Välifaaseja sisältävät systeemit L (s) L (s) L + (s) (s) Muodostuminen suoraan sulatteesta (Congruent) Muodostuminen reaktion kautta (Incongruent) Suoraan sulatteesta muodostuva välifaasi 14

15 Reaktion kautta muodostuva välifaasi Välifaaseja sisältävät systeemit 15

16 Välifaaseja sisältävät systeemit Välifaaseja sisältävät systeemit 16

17 Välifaaseja sisältävät systeemit 17

18 Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla Binäärisysteemi A-B, jossa A kiteytyy -faasina B kiteytyy -faasina esiintyy liukoisuusaukko koostumuksesta c 1 koostumukseen c 2 Tarkastelun kohteena kaksifaasialueella sijaitseva koostumus c -faasin osuus (x): c c1 m x c c l 2 -faasin osuus (1-x): c 1 x c 2 1 c c 2 1 n l Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla 18

19 Fe-Psysteemi 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? 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 19

20 Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Voimakkaan negatiivinen poikkeama Raoultin laista Merkki voimakkaista vetovoimista Yhdisteiden muodostuminen Välifaasit Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Liuos käyttäytyy lähes ideaalisesti Liuoksen osaslajit toistensa kaltaisia Laajat liukoisuusalueet 20

21 Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana 21

22 Lämpötila Lämpötila Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Näytettä, jonka koostumus on X A, hehkutettiin lämpötilassa T X tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti. T X Havaittiin 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus X S - Lasifaasi, jonka koostumus X L (lasifaasi on nopeasti jähmettynyttä sulaa) Piste (X A,T X ) osuu kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ko. lämpötilassa ovat X S ja X L A = 0 % B = 100 % X L X A X S A = 100 % B = 0 % Pitoisuus Ts. mittaus kertoo tietoa A-Bsysteemistä myös muissa kuin koeolosuhteissa. Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen T Y Toista näytettä, jolla on sama koostumus X A, hehkutettiin korkeammassa lämpötilassa T Y tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti. Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus X S - Lasifaasi, jonka koostumus X L Piste (X A,T Y ) osuu edelleen kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ovat nyt X S ja X L A = 0 % B = 100 % X L X A X S A = 100 % B = 0 % Pitoisuus 22

23 Lämpötila Lämpötila Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Tarkastelu kolmannessa (matalamassa) lämpötilassa T Z. Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus X S - Lasifaasi, jonka koostumus X L T Z Saadaan puuroalueen koostumusrajat kolmannessa lämpötilassa. Pitoisuus A = 0 % B = 100 % X L X A X S A = 100 % B = 0 % Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Yhdistämällä kokeiden tulokset nähdään, miten puuroalueen koostumusrajat muuttuvat lämpötilan funktiona. Voidaan hahmotella solidus- ja likviduskäyrät Kokeita jatkamalla saadaan selville, mihin lämpötiloihin asti puuroalue yltää. A = 0 % B = 100 % A = 100 % B = 0 % Pitoisuus 23