Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 1 - Luento 4 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Tavoite Oppia tulkitsemaan 2-komponentti-systeemien faasipiirroksia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Binääriset koostumus-lämpötilapiirrokset (paine vakio) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Binääriset koostumus-lämpötilapiirrokset Monimutkaisemmatkin piirrokset koostuvat tietyistä perustyypeistä Aukoton liukoisuus Eutektinen tasapaino Peritektinen tasapaino Monotektinen tasapaino Välifaasit Tulkinnan kannalta hallittava erilaiset tasapainotyypit sekä osattava käyttää ns. vipusääntöä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Binäärisysteemeissä esiintyvät tasapainot Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Milloin kaksi eri koostumusta ovat tasapainossa keskenään? Kuva: K. Hack - FactSage -koulutusmateriaali. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Aukoton liukoisuus Sulan ja kiinteän faasin vapaaenergia-käyrät kaareutuvat alaspäin Aukoton liukoisuus molemmissa faaseissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

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 Kaksi käyrää, joilla omat minimit Samalla käyrällä kaksi paikallista minimiä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Eutektinen tasapaino Piirretty lämpötilassa T5 Eutektinen lämpötila ja koostumus a1 a2 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Eutektoidinen tasapaino Eutektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia Esimerkki Fe-C-systeemistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Peritektinen tasapaino Aukoton liukoisuus sulassa tilassa Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa Erona eutektiseen tasapainoon kiinteäkäyrien minimit ovat samalla puolella sulakäyrän minimiä Peritektinen lämpötila Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Peritektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Peritektoidinen tasapaino Peritektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia Esimerkki Fe2O3-Al2O3-systeemistä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Monotektinen tasapaino Kriittinen lämpötila Liukoisuusaukko myös sulassa tilassa Monotektinen lämpötila Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Monotektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Monotektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Monotektoidinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Välifaaseja sisältävät systeemit L  (s) L  (s) L + (s)  (s) Muodostuminen suoraan sulatteesta (Congruent) Muodostuminen reaktion kautta (Incongruent) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Suoraan sulatteesta muodostuva välifaasi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Reaktion kautta muodostuva välifaasi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla Binäärisysteemi A-B, jossa A kiteytyy -faasina B kiteytyy -faasina esiintyy liukoisuusaukko koostumuksesta c1 koostumukseen c2 Tarkastelun kohteena kaksifaasialueella sijaitseva koostumus c -faasin osuus (x): -faasin osuus (1-x): Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Fe-P-systeemi 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? Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Voimakkaan negatiivinen poikkeama Raoultin laista  Merkki voimakkaista vetovoimista  Yhdisteiden muodostuminen  Välifaasit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Liuos käyttäytyy lähes ideaalisesti  Liuoksen osaslajit toistensa kaltaisia  Laajat liukoisuusalueet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Näytettä, jonka koostumus on XA, hehkutettiin lämpötilassa TX tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti. XA TX Lämpötila XS XL Havaittiin 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus XS - Lasifaasi, jonka koostumus XL (lasifaasi on nopeasti jähmettynyttä sulaa) Piste (XA,TX) osuu kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ko. lämpötilassa ovat XS ja XL Pitoisuus Ts. mittaus kertoo tietoa A-B-systeemistä myös muissa kuin koeolosuhteissa. A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Toista näytettä, jolla on sama koostumus XA, hehkutettiin korkeammassa lämpötilassa TY tasapainoon asti ja jäähdytettiin nopeasti. XA TY Lämpötila XS’ XL’ Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus XS’ - Lasifaasi, jonka koostumus XL’ Piste (XA,TY) osuu edelleen kaksifaasialueelle (puuroalue), jonka rajat ovat nyt XS’ ja XL’ Pitoisuus A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Tarkastelu kolmannessa (matalamassa) lämpötilassa TZ. XA TZ Lämpötila XS’’ XL’’ Havaittiin edelleen 2 faasia: - Kiteinen, jonka koostumus XS’’ - Lasifaasi, jonka koostumus XL’’ Saadaan puuroalueen koostumusrajat kolmannessa lämpötilassa. Pitoisuus A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Tasapainopiirrosten kokeellinen määrittäminen Lämpötila Yhdistämällä kokeiden tulokset nähdään, miten puuroalueen koostumusrajat muuttuvat lämpötilan funktiona. Voidaan hahmotella solidus- ja likviduskäyrät Kokeita jatkamalla saadaan selville, mihin lämpötiloihin asti puuroalue yltää. Pitoisuus A = 100 % B = 0 % A = 0 % B = 100 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Teema 1 - Kotitehtävä 4 Deadline = 7.10.2014 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014