WPROWADZENIE

Materiały występujące w przyrodzie można rozpatrywać jako układy termodynamiczne, stanowiące wyodrębnioną część przestrzeni materialnej, oddzielone od otoczenia powierzchnią zwaną granicą układu. Wewnątrz układu możliwa jest wymiana energii i masy pomiędzy jego częściami.

Opis układu termodynamicznego wymaga znajomości jego składników, występujących faz, parametrów termodynamicznych oraz procesów przebiegających w układzie.

PODSTAWOWE POJĘCIA

SKŁADNIKI UKŁADU - niezależne substancje chemiczne (pierwiastki, związki). Zawartość poszczególnych składników
w układzie (stężenie składnika) można wyrazić w procentach masowych, procentach atomowych lub ułamkach molowych. I tak dla układu dwuskładnikowego (składniki A, B):

PARAMETRY TERMODYNAMICZNE - (parametry stanu)
temperatura, ciśnienie, objętość. Stan układu, który dla danego zbioru parametrów termodynamicznych jest niezamienialny makroskopowo pod względem właściwości mechanicznych, termicznych i chemicznych nazywany jest stanem równowagi termodynamicznej.

FAZA - jednorodna część stopu (układu) oddzielona od pozostałej jego części granicą rozdziału po przekroczeniu, której następuje wyraźna zmiana właściwości fizycznych oraz chemicznych .

PRZEMIANA FAZOWA - proces prowadzący do pojawienia się w układzie nowej fazy.

RODZAJE FAZ W STOPACH METALI

W stopach metali wyróżniamy następujące fazy :

• roztwory stałe (różnowęzłowe i międzywęzłowe)

• fazy międzymetaliczne

• fazy międzywęzłowe ( węgliki, borki, azotki)

• mieszaniny faz.

MORFOLOGIA FAZ - rodzaj faz występujących
w strukturze, ich procentowy udział, sposób ich rozmieszczenia, kształt i wielkość decydują o właściwościach stopów.

REGUŁA FAZ GIBBSA - opisuje równowagę faz zgodnie z tą regułą suma maksymalnej liczby faz (f), które mogą współistnieć w układzie w stanie równowagi oraz liczby stopni swobody tego układu (z), jest równa liczbie niezależnych składników układu (n) powiększonej o 2.

Stopniami swobody z są parametry określające stan termodynamiczny układu (temperatura, ciśnienie, skład chemiczny faz), które można zmieniać bez naruszenia równowagi fazowej. Liczbę składników n można przyjąć jako równą liczbie pierwiastków.

REGUŁA DŹWIGNI

Stosunek udziałów masowych faz pozostających w równowadze jest równy odwrotności stosunku odchyleń składów tych faz od średniego nominalnego składu stopu.

WYKRESY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Równowagę fazową materiałów można przedstawić za pomocą wykresów fazowych ilustrujących zakres zmian składu fazowego układu w funkcji temperatury, ciśnienia i stężenia składników.

Wykresy te opracowywane są doświadczalnie, różnymi metodami. Przemiany fazowe polegające na zmianie stanu skupienia z ciekłego na stały lub odwrotnie są badane metodą analizy termicznej. Przemiany w stanie stałym mogą być badane różnymi metodami - w tym metalograficznymi, dylatometryczną, elektryczną, magnetyczną czy radiograficzną. Badania te wykonywane są w czasie nagrzewania lub chłodzenia z możliwie najmniejszymi szybkościami zmian temperatury, w warunkach najbardziej zbliżonych do stanu równowagi termodynamicznej.

Największe znaczenie praktyczne mają wykresy równowagi fazowej przedstawiane we współrzędnych: stężenie składników - temperatura. Pozwalają one określić skład fazowy materiału dla określonych parametrów stanu.

UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ O ZUPEŁNEJ ROZPUSZCZALNOŚCI
SKŁADNIKÓW W STANIE STAŁYM

UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ O CAŁKOWITYM BRAKU ROZPUSZCZALNOŚCI SKŁADNIKÓW W STANIE STAŁYM Z EUTEKTYKĄ

EUTEKTYKA - mieszanina składników w stanie stałym

UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ O OGRANICZONEJ ROZPUSZCZALNOŚCI SKŁADNIKÓW W STANIE STAŁYM Z EUTEKTYKĄ

Reakcja eutektyczna

UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ O OGRANICZONEJ ROZPUSZCZALNOŚCI SKŁADNIKÓW W STANIE STAŁYM Z PERYTEKTYKĄ

PERYTEKTYKA - mieszanina cieczy i kryształów roztworu stałego

ANALIZA TERMICZNA - określa zespół metod badania wybranych właściwości fizycznych lub chemicznych substancji pod wpływem zmiany temperatury. Niektóre z metod pozwalają również wyznaczyć parametry termodynamiczne i kinetyczne reakcji. W zależności od sposobu ogrzewania próbki w czasie pomiaru, metody termiczne dzielą się na statyczne i dynamiczne.

„Ściśle mówiąc „analiza termiczna” odnosi się do tych metod,
w których określa się zmianę temperatury, zmianę masy lub ciepła przemiany. A zatem są to między innymi metody DTA, TG”.

DTA, TG - TERMICZNA ANALIZA RÓŻNICOWA

Metoda DTA - polega na zastosowaniu termoelementu różnicowego do dwóch próbek : badanej i wzorcowej umieszczonych w piecu oraz termoelementu zwykłego. W przypadku powstania różnicy temperatury między badaną próbką i wzorcową galwanometr wychyla się co oznacza rozpoczęcie przemiany cieplnej lub reakcji chemicznej.

Metoda TG - termograwimetria jest stosowana jako metoda analityczna do badania reakcji rozkładu termicznego
(dekarbonizacja), utleniania (stopy metali, ceramika nietlenkowa) oraz do badań reakcji z udziałem fazy gazowej.

Przejście cieczy w stan krystaliczny nazwane jest krystalizacją.
Procesowi towarzyszy wydzielenie ciepła krzepnięcia do otoczenia. Tworzy się struktura amorficzna. Powstawaniu zarodków krystalizacji w cieczy sprzyja tworzenie się lokalnych obszarów bliskiego uporządkowania (klasterów).

Rozróżnia się :

• krystalizację objętościową (endogeniczną) - występuje po odlaniu metalu do wlewnicy lub form odlewniczych. Ciepło krystalizacji metalu odprowadzone jest przez wszystkie ścianki formy.

• krystalizację kierunkową (egzogeniczną) - polega na przemieszczaniu ciągłego frontu krystalizacji z jednego końca formy na drugi.

STRUKTURA PIERWOTNA ODLEWÓW I WLEWKÓW

Podczas krzepnięcia stopu w formie odlewniczej zachodzi proces kształtowania struktury pierwotnej odlewu i wlewka. Rodzaj powstałej struktury zależy od:

• parametry charakteryzujące ciekły stop ( ilość i rodzaj składników stopowych, zawartość zanieczyszczeń stałych i gazowych);

• parametry charakteryzujące formę odlewniczą (konstrukcja i materiały formy, jakość powierzchni, sposób doprowadzenia ciekłego stopu);

• konstrukcja odlewu (kształt i wymiary odlewu oraz sposób wypełnienia przez ciekły stop wnęki formy;

• technologia wytapiania i odlewnia (modyfikacja, temperatura odlewania, drgania dźwiękowe i ultradźwiękowe w trakcie krzepnięcia.

---