Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 4 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Tavoite Oppia tulkitsemaan 2-komponentti-systeemien faasipiirroksia Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Binääriset koostumus-lämpötilapiirrokset (paine vakio) Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Binäärisysteemeissä esiintyvät tasapainot Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Aukoton liukoisuus Sulan ja kiinteän faasin vapaaenergia-käyrät kaareutuvat alaspäin Aukoton liukoisuus molemmissa faaseissa Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Eutektinen tasapaino Piirretty lämpötilassa T5 Eutektinen lämpötila ja koostumus a1 a2 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Eutektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Eutektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Eutektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Eutektoidinen tasapaino Eutektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia Esimerkki Fe-C-systeemistä Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Peritektinen tasapaino Aukoton liukoisuus sulassa tilassa Liukoisuusaukko kiinteässä tilassa Erona eutektiseen tasapainoon kiinteäkäyrien minimit ovat samalla puolella sulakäyrän minimiä Peritektinen lämpötila Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Peritektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Peritektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Peritektoidinen tasapaino Peritektinen tasapaino, jossa kahden kiinteän ja yhden sulan faasin sijasta on kolme kiinteää faasia Esimerkki Fe2O3-Al2O3-systeemistä Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Monotektinen tasapaino Kriittinen lämpötila Liukoisuusaukko myös sulassa tilassa Monotektinen lämpötila Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Monotektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Monotektinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Monotektoidinen tasapaino Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Välifaaseja sisältävät systeemit L (s) L (s) L + (s) (s) Muodostuminen suoraan sulatteesta (Congruent) Muodostuminen reaktion kautta (Incongruent) Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Suoraan sulatteesta muodostuva välifaasi Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Reaktion kautta muodostuva välifaasi Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Välifaaseja sisältävät systeemit Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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): Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Faasiosuuksien määrittäminen vipusäännön avulla Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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? Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Voimakkaan negatiivinen poikkeama Raoultin laista Merkki voimakkaista vetovoimista Yhdisteiden muodostuminen Välifaasit Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Liuos käyttäytyy lähes ideaalisesti Liuoksen osaslajit toistensa kaltaisia Laajat liukoisuusalueet Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Aktiivisuudet ja tasapainopiirrokset Koostumusalueella, jossa aktiivisuus on yksi, aine esiintyy puhtaana Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 % Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 % Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 % Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
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 % Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012
Teema 1 - Kotitehtävä 4 Deadline = 8.10 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen, 2012