Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Samankaltaiset esitykset


Esitys aiheesta: "Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta"— Esityksen transkriptio:

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

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

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

4 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

5 Binäärisysteemeissä esiintyvät tasapainot
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

6 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

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

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

9 Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

10 Esimerkki aukottomasta liukoisuudesta
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

11 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

12 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

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

14 Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

15 Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

16 Eutektinen tasapaino Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

17 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

18 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

19 Peritektinen tasapaino
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

20 Peritektinen tasapaino
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

21 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

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

23 Monotektinen tasapaino
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

24 Monotektinen tasapaino
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

25 Monotektoidinen tasapaino
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

26 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

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

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

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

30 Välifaaseja sisältävät systeemit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

31 Välifaaseja sisältävät systeemit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

32 Välifaaseja sisältävät systeemit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

33 Välifaaseja sisältävät systeemit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

34 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

35 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

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

37 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

38 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

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

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

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

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

43 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

44 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

45 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

46 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

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


Lataa ppt "Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta"

Samankaltaiset esitykset


Iklan oleh Google