Tärkeitä tasapainopisteitä

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Tärkeitä tasapainopisteitä"

Timo-Pekka Keskinen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Tietoa tehtävistä Tasapainopiirrokseen liittyviä käsitteitä Tehtävä 1 rajojen piirtäminen Tehtävä 2 muunnos atomi- ja painoprosenttien välillä Tehtävä 3 faasien koostumus ja määrät Tehtävä 4 eutektinen piste Tehtävä 5 vipusääntö Tehtävä 6 rakenteen muodostuminen Tehtävä 7 rauta-sementiitti eutektoidinen systeemi

2 Tärkeitä tasapainopisteitä Eutektinen sula muuttuu kahdeksi kiinteäksi faasiksi L => + Peritektinen sula ja yksi kiinteä faasi muuttuvat yhdeksi kiinteäksi faasiksi L+ => Eutektoidinen yksi kiinteä faasi muuttuu kahdeksi kiinteäksi faasiksi => +

3 Faasialueiden rajat Joillakin faasialueiden rajoilla on vakiintuneet nimet Likvidus sulan alueen alaraja Solidus kiinteän alueen yläraja Solvus Kiinteiden faasialueiden liukoisuusraja Likvidus Solidus Solvus

4 Vipusääntö Tasapainopiirroksesta voidaan laskea eri faasien osuudet vipusäännön avulla c c 2 % 100% c 1 2 c c 1 % 100% c 1 2

5 Tehtävä 1 Hahmottele kahden kiteisen aineen (A ja B) muodostama eutektinen tasapainopiirros, kun: - A:n sulamispiste on 650 C - B:n sulamispiste on 800 C - A:n suurin jähmeä liukoisuus aineeseen B on 10 % ja B:n aineeseen A on 40 % lämpötilan ollessa 500 C - Liukoisuudet ovat huoneenlämpötilassa, A:n aineeseen B 5 % ja B:n aineeseen A 20 % - Alin lämpötila, jossa sulaa esiintyy, on 500 C, koostumuksen ollessa tällöin 45 % A. Merkitse piirrokseen lisäksi eri faasien esiintymisalueet.

6 Tehtävä 1

7 Tehtävä 2 Mikä on seoksen koostumus (atomiprosentteina), kun seoksessa on 33 g kuparia (Cu, atomipaino A Cu 63,55 g/mol) ja 47 g sinkkiä (Zn, atomipaino A Zn 65,93 g/mol). Koostumus voidaan ratkaista kaavalla: C ' 1 n m1 n m1 n m2 *100

8 Tehtävä 2 Jotta seoksen koostumus voitaisiin laskea atomiprosentteina, tulee ensin määrittää molempien seosaineiden ainemäärät. Kuparin ainemäärä: Sinkin ainemäärä: Kun ainemäärät tunnetaan, voidaan käyttää annettua kaavaa atomimassaosuuksien määrittämiseen. n ' m Kupari: Cu CCu 100 n n m Cu m Zn 0,519mol ,1% 0,519mol 0,713mol Sinkki: ' 0,713 C Zn mcu 33g nm Cu 0, 519mol A g Cu 63,55 mol n m Zn mzn 47g 0,713mol A g Zn 65,93 mol mol ,9% 0,519mol 0,713mol V: Seoksen koostumus atomiprosentteina on 42, %Cu ja 57,9.%Zn. Muunnos atomiprosenttien ja massaprosenttien välillä on hyvin yleistä. Yleensä seoksen koostumus ilmoitetaan massaprosentteina, sillä ne on helppo mitata.

9 Tehtävä 3 Ohessa Al-Si - tasapainopiirros. Selvitä kuvan avulla: a) Kuinka suuri on alumiinin maksimiliukoisuus piihin ja piin alumiiniin (vastaus a-%)? B*) Eri faasien määrät koostumuksella 50 p-% Al lämpötilassa 800ºC.

10 Tehtävä 3a Kuvasta nähdään, että: 1. alumiini ei liukene piihin käytännössä lainkaan missään lämpötilassa (tarkastellaan siis tasapainopiirroksen piin puolesta päätä) 2. piin maksimiliukoisuus alumiiniin on 1,5 a-% lämpötilassa 577 C (tarkastellaan siis tasapainopiirroksen alumiinin puolesta päätä) 100 % alumiini 100% pii

11 Tehtävä 3b Koostumuksella 50 p-% Al lämpötilassa 800 C seoksessa esiintyy sulaa (L) ja piivaltaista faasia (). Faasiosuudet voidaan ratkaista vipusäännön avulla. n L : 100% 72,5% m n m : 100% 27,5% mn Pitoisuus voidaan laskea myös: : 100 % - 72,5 % = 27,5 % m n

12 Tehtävä 4 Tina-lyijy -seoksia käyttiin elektroniikka-teollisuudessa komponenttien liittämiseen juottamalla. Pohdi oheisen tasapainopiirroksen avulla, miksi etenkin koostumus Sn 60 p-% / Pb 40 p-% on hyvä kyseisessä kohteessa?

13 Tehtävä 4 Tina-lyijy -seoksia käytetään yleisesti elektroniikkateollisuudessa liitettäessä komponentteja juottamalla Seoksilla on yleisesti ottaen hyvä sähkönjohtavuus Koostumuksella 60/40 Sn-Pb-systeemillä on eutektinen tasapainotila lämpötilassa 183ºC (tarkasti 61,9w-% Sn) Tällöin seos jähmettyy eutektisella reaktiolla sulasta kahdeksi faasiksi ilman puuroaluetta Koska jähmettyminen tapahtuu nopeasti, voidaan automaattisten koneiden tahtiaikaa nostaa suureksi Hitaasti jähmettyvän juotteen kanssa jouduttaisiin odottamaan, ennen kuin kappaletta päästäisiin siirtämään; sula juote saattaisi siirrossa valua eitoivottavaan kohtaan Toinen etu seuraa alhaisesta sulamispisteestä Komponentteihin ei kohdisteta niin suurta lämpökuormaa

14 Tehtävä 5 Tina-lyijy -seos, jossa on 80 p-% tinaa on 100 C:een lämpötilassa a) Mitä faaseja esiintyy? b) Mitkä ovat faasien koostumukset? c) Mitkä ovat faasien massaosuudet? d) Mitkä ovat faasien tilavuusosuudet, kun -faasin tiheys on 11,2 g/cm 3 ja -faasin tiheys on 7,3 g/cm 3?

16 Tehtävä 5 a-c. a) Koostumuksella 80% Sn lämpötilassa 100 C seoksessa esiintyy lyijyvaltaista faasia () ja tinavaltaista faasia (). b) Faasien koostumukset saadaan kuvasta: :n koostumus on 5% Sn, 95% Pb :n koostumus on 99% Sn, 1% Pb c) Faasien massaosuudet saadaan vipusäännön avulla: n W 100% 20,2% m n 99 5 W 100 % - 20,2% = 79,8 % m n C C

17 Tehtävä 5 d. Olkoon seoksen kokonaismassa x. Tällöin: m =0,202x, r =11,2 g/cm 3 m =0,798x, r =7,3 g/cm 3 V V m m r r Faasien tilavuusosuudet ovat: 0,202x cm 3 V 11,2 V (%) 100% 100% 14, 2% V V 0,202x 3 0,798x 3 cm cm 11, 2 7,3 0,798x cm 3 V 7,3 V (%) 100% 100% 85,8% V V 0,202x 3 0,798x 3 cm cm 11, 2 7,3 Muunnos massa- ja tilavuusosuuksien välillä joudutaan tekemään esimerkiksi silloin, kun halutaan verrata mikrorakennekuvasta mitattuja faasiosuuksia seoksen koostumustietoihin (jotka yleensä ilmoitetaan massaprosentteina).

18 Tehtävä 6 a) Kuvaile, miten 61,9 p-% Sn sisältävä seos jäähtyy 300 C:sta huoneenlämpötilaan. b) Mitä faaseja esiintyy 300 C, 183 C ja 100 C lämpötiloissa? c) Mitkä ovat esiintyvien faasien massaosuudet eutektisen reaktion jälkeen? Entä huoneenlämpötilassa? Oletetaan, että muutos tapahtuu erittäin hitaasti.

20 Tehtävä 6 a-b. a) b) 300 C seos on sulaa. Sulan koostumus on sama kuin seoksen eli 61,9 p-% Sn, loput Pb. Eutektisessa lämpötilassa (183 C) muuttuu sula eutektikumiksi. Eutektikumi koostuu lamellittain vaihtelevista - ja faaseista. -faasin koostumus on 18,3% Sn ja -faasin 97,8% Sn. Seoksen jäähtyessä hitaasti, muuttuvat - ja -faasien koostumukset solvus-rajoja noudattaen. 300 C: yksi faasi, sula L. 183 C (ennen eutektista reaktiota): yksi faasi, L 183 C (eutektisen reaktion jälkeen): kaksi faasia, C: kaksi faasia, +

22 Tehtävä 6 c. Faasiosuudet lasketaan (jälleen) vipusäännön avulla: n 97,8 61,9 W 100% 100% 45, 2% m n 97,8 18,3 m 61,9 18,3 W 100% 100% 54,8% m n 97,8 18,3 Vastaavasti faasiosuudet huoneenlämpötilassa: W W h h nh 99 61,9 100% 100% 37,9% m n 99 1 h h mh 61, % 100% 62,1% m n 99 1 h h Tuloksia verrattaessa havaitaan, että -faasin osuus on kasvanut. Syy havaitaan tarkastelemalla -faasin solvus-rajaa: lämpötilan laskiessa lyijyvaltaiseen -faasiin ei enää liukene yhtä paljon tinaa. Tämän seurauksena tina siirtyy tinapitoiseen -faasiin. m n

23 Tehtävä 7 Tehtävää varten kannattaa ensin tutustua kurssin aineistossa rautahiili tasapainopiirrokseen ja siinä esiintyviin termeihin. 0,35 p-% hiiltä sisältävä alieutektoidinen seos on jähmettynyt juuri eutektoidisen lämpötilan alapuolelle. Määritä syntyneiden faasien osuudet vipusääntöä hyväksi käyttäen. a) ferriitin ja sementiitin kokonaismäärät. b) esieutektoidisen ferriitin määrä. c) eutektoidisessa reaktiossa syntyvän perliitin määrä. d) eutektoidisen ferriitin määrä.

24 Tehtävä 7 Ferriitin kokonaismäärä: Sementiitin määrä: W W Fe B 6,7 0,35 0,95 A B 6,7 0,022 A A B 0,35 0,022 6,7 0,022 3 C 0,05 V: Ferriittiä on 95 % ja sementiittiä 5 %.

25 Tehtävä 7 Esieutektoidisessa reaktiossa syntyneen ferriitin määrä saadaan piirtämällä jana eutektoidisen pisteen ja ferriitin maksimiliukoisuuden välille ja käyttämällä vipusääntöä. W prim D C D 0,76 0,35 0,76 0,022 0,56 V: Esieutektoidista ferriittiä on 56 %.

26 Tehtävä 7 Eutektoidisessa reaktiossa syntyvän perliitin (ferriitin ja sementiitin lamellinen seos) määrä saadaan joko edellisen tehtävän tai vipusäännön avulla. W tai W perliitti perliitti 100 W C C D prim 0,35 0, ,56 0,44 0,022 0,44 0,022 V: Eutektoidista perliittiä on 44 %

27 Tehtävä 7 Eutektoidisen ferriitin määrä saadaan vähentämällä ferriitin kokonaismäärästä esieutektoidisen ferriitin määrä: W W W eut prim W W eut W prim 0,95 0,56 0,39 V: Eutektoidisen ferriitin osuus on 39 %.

28 Tehtävä 7 Eutektoidisen ferriitin määrä voidaan laskea myös vipusäännön ja eutektoidisen pisteen avulla: W W W eut perliitti perliitti BD 6,7 0,76 W perliitti 0,889 AB 6,7 0,022 Eutektoidisessa reaktiossa syntyvä perliitti (kohta c) sisältää siis 88,9% ferriittiä. Eutektoidisen ferriitin määrä saadaan, kun tiedetään syntyvät perliitin määrä sekä ferriitin osuus ko. rakenteesta. Sijoittamalla saadaan: W W W 0, 440,889 0,39 eut peltiitti perliitti V: Eutektoidisen ferriitin osuus on 39 %.

Samankaltaiset tiedostot

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 1. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 1. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka Kon-67.3110 Teräkset Viikkoharjoitus 1. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka Luennolta: Perustieto eri ilmiöistä Kirjoista: Syventävä tieto eri ilmiöistä