background image

1

ZAGADNIENIA...

•  Gdy zmieszamy dwa pierwiastki......

              jaki stan równowagi osiągniemy?

•  W szczególności, dla określonych warunków...

     - składu chem. (np., % Cu - % Ni), 
     - temperatury (T

 

)

wtedy...

    Ile będzie faz?
    Jaki bedzie skład chem. każdej z faz?
    Jaki bedzie skład fazowy?

Układy Równowagi Fazowej

Faza B

Faza A

Atom Al

Atom Cu

np.:

background image

2

Równowaga Fazowa: Rozpuszczalność 

Graniczna

Wstęp

– Roztwory

 – roztwory stałe, jedna faza

– Mieszaniny

 – więcej niż jedna faza

•  

Granica 

rozpuszczalności

:

Max koncentracja, dla której 
występuje tylko jedna faza 
(roztwór)

Pytanie:  Jaka jest granica 
rozpuszczalności w 

20°C

?

Odp.: 

65% mas. cukru

Gdy C

o

 < 65% cukru:

 syrop

Gdy C

o

 > 65% cukru:

 syrop + cukier

65

Wykres fazowy 
Cukier/Woda

C

zy

s

ty

C

u

k

ie

rr

Te

m

p

e

ra

tu

ra

 (

°C

)

0

20

40

60

80

100

C

o

=Stężenie cukru, % mas.)

L

 

(roztwór wodny 

tzn., syrop)

Granica 

Rozpuszcz.

L 

(ciecz) 

S 

(cukier 

stały)

20

40

60

80

100

C

zy

s

ta

 

W

o

d

a

background image

3

•  

Składniki

: 

Pierwiastki lub związki obecne w układzie 

(np., Al lub Cu)

•  

Fazy

Fizycznie i chemicznie rozróżnialne części 
układu  oddzielone od reszty układu wyraźną 
granicą, na której przynajmniej niektóre 
makroskopowe własności ulegają skokowej 
zmianie   (np., 
 lub ).

Stop Aluminium-
Miedź

Składniki i Fazy

faza 

faza 

background image

4

Wpływ T i Składu Chemicznego 

(C)

•  Zmieniając T można zmienić 
liczbę faz: 

D

 (100°C,90)

2 fazy 

B

 (100°C,70)

1 faza 

droga 

A

 do 

B

.

•  Zmieniając C można zmienić liczbę faz:

droga 

B

 do 

D

.

A

 (20°C,70)

2 fazy

70 80

100

60

40

20

0

Te

m

p

e

ra

tu

ra

 (

°C

)

Skład chemiczny

L 

(

roztwór stały 

tzn. syrop)

20

100

40

60

80

0

L 

(ciecz) 

S 

(stały  

cukier)

Układ 
woda 

cukie
r

background image

5

Układy Równowagi Fazowej

•  

Pokazują fazy jako funkcje  TC, oraz P.

 

•  

Najprostsze:

    - układy podwójne:  tylko 2 składniki
    - zmienne niezależne:  T oraz  C 

 (P = 1 atm nie zmienia się).

Wykres 
dla 
układu 
Cu-Ni

• 2 fazy:

 

L 

(ciecz)

 

(roztwór stały)

• 3 pola fazowe: 

L

L +

% Ni

20

40

60

80 100

0

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

T(°C)

L (ciecz)

  

(roztwór

stały)

L

 +

 

liq

uid

us

so

lid

us

background image

6

% Ni

20

40

60

80 100

0

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

T(°C)

L (ciecz)

 (roztwór 

stały)

L

 +

 

liq

uid

us

so

lid

us

Wykresy Fazowe – liczba i 

rodzaje faz

•  

Reguła 1:

  Gdy znamy T  i C, to wiemy ile i jakie 

fazy występują w tych warunkach

•  Przykłady:

(1100°C, 60): 

   1 faza:  

B

 (1250°C, 35): 

   2 fazy: L + 

B (

1

2

5

0

°C

,3

5

)

 A(1100°C,60)

Wykres 
dla 
układu 
Cu-Ni

background image

7

Ni % mas.

20

1200

1300

T(°C)

L (ciecz)

(c. stałe)

L

 + 

liqu

idu

s

soli

dus

30

40

50

L

 + 

Wykresy Fazowe – skład chemiczny 

faz

•  

Reguła 2:

  gdy znamy T oraz C

o

, to 

wiemy, jaki jest skład chemiczny faz

•  Przykłady:

TA

A

35

Co

32

CL

At TA = 1320°C: 

  Tylko ciecz (L

  CL = Co 

( = 35% Ni)

At TB = 1250°C:  

   Zarówno L i 

   CL = C

 

liquidus 

( = 32% Ni) 

   

C = C

 

solidus  

( = 43% Ni)

At TD = 1190°C: 

  Tylko c. stałe ()

  C = Co

 ( = 35% Ni)

Co = 35% Ni

B

TB

D

TD

4

C

3

Układ Cu-Ni

background image

8

•  

Reguła 3:

  

gdy znamy T oraz C

o

, to 

możemy obliczyć ilość każdej z faz (w % 
mas.)

•  Przykłady:

At TA:  Tylko ciecz (L) 

 

  W

 

L = 100%, W = 0

At TD:   Tylko c. stałe 

 

  W

 

L = 0, W = 100%

Co = 35% Ni

Wykresy Fazowe – ułamki wagowe 

faz

% Ni

20

1200

1300

T(°C)

L (ciecz)

(c.stałe)

L

 + 

liqu

idu

s

soli

dus

30

40

50

L

 + 

TA

A

35

Co

32

CL

B

TB

D

TD

4

C

3

R

S

At TB:   Zarówno  jak i L

%

 

73

32

43

35

43

27%

W

L

S

R

+

S

W

R

R

+

S

Układ Cu-Ni

background image

9

• Linia pozioma poprowadzona przez punkt stanu 

(

B

) – łączy fazy będące w równowadze - izoterma

Reguła Dźwigni

Ile jest każdej z faz?
Linię traktujemy jak dźwignię

M

L

M

R

S

R

M

S

M

L

 

 

L

L

L

L

L

L

C

C

C

C

S

R

R

W

C

C

C

C

S

R

S

M

M

M

W

0

0

 

          

% Ni

20

1200

1300

T(°C)

L (ciecz)

(c. stałe)

L

 + 

liqu

idu

s

soli

dus

30

40

50

L

 + 

B

TB

izoterma

Co

CL

C

S

R

B

background image

10

% mas. Ni

20

1200

1300

30

40

50

1100

L (ciecz)

  

(c. stałe)

L

 +

 

L

 +

 

T(°C)

A

35

Co

L: 35%Ni

Układ 

Cu-Ni

• Wykres Fazowy:

   Układ Cu-Ni

• Układ jest:

   - 

podwójny

      t.j., 2 składniki:
      Cu i Ni.

   - 

izomorficzny

      tzn., całkowita 
rozpuszczalność 
jednego składnika w 
drugim; pole fazy  

rozciąga się od 0 do 
100% Ni.

• Rozważmy

   

C

o

 = 35%Ni

.

Chłodzenie w układzie Cu-Ni

46

35

43

32

43% Ni

L: 32% Ni

L: 24% Ni

 36% Ni

B

: 46% Ni

L: 35% Ni

C

D

E

24

36

background image

11

•  C

 zmienia się podczas krzepnięcia.

•  w Cu-Ni:

• Duża szybkość 
chłodzenia:

   niejednorodność 
chemiczna

• Mała szybkość:

   Jednorodność składu

Pierwsze kryształy  mają C

 = 46% Ni.

Ostatnie kryształy    mają C

 = 35% Ni.

Jednorodność Faz

 Pierwsze kryształy  

46% Ni

 Jednorodne C

 35% Ni

 

ostatnie kryształy

< 35% Ni

background image

12

:  

Min. temp. topnienia T

E

 

2 składniki

ma temp. 
topnienia niższą 
niż składniki

Układ Podwójny z Eutektyką

•  Reakcja 

Eutektyczna

L(C

E

)           (C

E

) + (C

E

)

•  3 pola fazowe 

(L, )

•  

Ograniczona 

rozpuszczalność: 

 

      

 :  przeważa Cu 

 

      

 :  przeważa Ag 

 

•  T

E

:  

Poniżej T

nie ma cieczy

•  C

E

 

Np.:  układ Cu-Ag

 

Układ 

Cu-Ag

 

 

 

 

L (ciecz)

L

 + 

L

+







C

o

, % mas. Ag

20

40

60

80

100

0

200

1200

T(°C) 

400

600

800 

1000

C

E

T

E

8.0

71.9 91.2

779°C 

background image

13

L

+

L

+

+

200 

T(°C)

18.3

C, % mas. Sn

20

60

80

100

0

300 

100 

L (ciecz)

183°C

 

61.9

97.8

•  Dla stopu 40% Sn-60% Pb i temp. 150°C, 
znaleźć...

    - obecne fazy:

Układ 

Pb-Sn

Przykład: Układ Pb-Sn (1)

 + 

- skład chem. faz:

C

O

 = 40% Sn

-udziały mas. każdej z 
faz:

150

40

C

o

11

C

99

C

S

R

C

 = 11% Sn

C

 = 99% Sn

W=

C

 - C

O

C

 - C

= 99 - 40

99 - 11

= 59

88

= 67%

S

R+S

=

W=

C

O

 - C

C

  - C

=

R

R+S

=

29
88

= 33%

=

40 - 11
99 - 11

background image

14

L

+

+

200 

T(°C)

20

60

80

100

0

300 

100 

L (ciecz)

 

L

183°C

•  Dla stopu 40% Sn-60% Pb i temp. 220°C, 
znaleźć...

    - obecne fazy:

Przykład: Układ Pb-Sn (2)

 + 

L

- skład chem. faz:

C

O

 = 40% Sn

-udziały mas. każdej z 
faz:

W=

C

L

 - C

O

C

L

 - C

=

46 - 40
46 - 17

=

 6

29 = 21%

WL=

C

O

 - C

C

L

 - C

=

23
29 = 79%

40

C

o

46

C

L

17

C

220

S

R

C

 = 17% Sn

C

L

 = 46% Sn

C, % mas. Sn

Układ Pb-Sn

background image

15

•  C

o

 < 2% mas. Sn

•  Tylko jedna faza stała 

    

Microstruktury w Układach z 

Eutektyką: I

0

L

+

200

T(°C)

C

o

% mas. Sn

10

2

20

C

o

300

100

L

30

+

400

(granica rozpuszczalności w temp. pokojowej

T

E

L

L:  C

o

 wt% Sn

:  C

o

 wt% Sn

Układ 

Pb-Sn

background image

16

•  2% Sn < C

o

 < 18.3% Sn

   Początkowo ciecz +  
   potem tylko  
ostatecznie dwie fazy

polikrystaliczna 

   drobne wtrącenia 

 

Microstruktury w Układach z 

Eutektyką: II

L

 + 

200

T(°C)

C

o

10

18.3

20

0

C

o

300

100

L

30 

+

400

(gr. rozp.w T

E

)

T

E

2

(gr. rozp. w T

pok 

)

L

L:  C

o

 % Sn

: C

o

 % Sn

Układ 

Pb-Sn

% mas. Sn

background image

17

•  C

o

 = C

E

 

•  Mikrostruktura e

utektyczna (płytkowa)

    - naprzemianległe warstwy (płytki) kryształów 
 i 

Microstruktury w Układach z 

Eutektyką: III

160

 

m

Mikrofotografia 
struktury 
eutektycznej w 
stopie Pb-Sn 

L





200 

T(°C)

20

60

80

100

0

300 

100 

L

 

L

183°C

40

T

E

18.3

: 18.3 %Sn

97.8

: 97.8 % Sn

C

E

61.9

L:  C

o

 % Sn

Układ 

Pb-Sn

% mas. Sn

background image

18

Struktura Płytkowa 

Eutektyki

background image

19

•  18.3% Sn < C

o

 < 61.9% Sn

•  Kryształy

  i mikrostruktura eutektyczna

Microstruktury w Układach z 

Eutektyką: IV

18.3

61.9

S

R

97.8

S

R

pierwotne 

eutekt. 

eutekt.  

W

L

= (1-W) = 50%

C

 

= 18.3% Sn

 

C

L

 = 61.9% Sn

S

R

 

S

W =

= 50%

• 

Nieznaczne powyżej T

:

• 

Nieznacznie poniżej T

E

 :

C

 = 18.3% Sn

C 

= 97.8% Sn

S

R

 

S

W =

= 73%

W 

= 27%

L

+

200 

T(°C)

20

60

80

100

0

300 

100 

L

L

+

40

+

T

E

L:  C

o

% Sn

L

L

Układ 

Pb-Sn

% mas. Sn

background image

20

L

+

L

+

+

200 

20

60

80

100

0

300 

100 

L

 

T

E

40

Mikrostruktury Pod- i 

Nadeutektyczne

160 m

eutektyka

mikrostr. nadeutektyczna

175 m 

mikr. podeutektyczna:C

o

 = 50 wt% Sn

T(°C)

61.9

eutectic

eutektyka:C

o

 

=

 

61.9% Sn

Układ 

Pb-Sn

% mas. Sn

background image

21

Fazy Międzymetaliczne

Mg

2

Pb

Związki międzymetaliczne są reprezentowane 
przez linię pionową, gdyż mają określony skład 
stechiometryczny

background image

22

Eutektoid & Perytektyka

Eutektyka

 – ciecz w równowadze z dwoma fazami 

stałymi

L            + 

chłodz.

grzanie

cementyt

chłodz.

grzanie

• Eutectoid

 – faza stała w równowadze z 

dwoma innymi fazami stałymi

S

2

          S

1

+S

3

             + Fe

3

C               

(727ºC)

chłodz.

grzanie

• Perytektyka

 - ciecz + f. stała 1  

 

f. stała 2  

S

L          S

2

 + L                                 

(1493ºC)


stalach

background image

23

Eutektoid & Perytektyka

Układ Cu-Zn

Przemiana eutektoidalna            

+ 

Przemiana perytektyczna  + L         

background image

24

Układ Fazowy Żelazo-Węgiel (Fe-

C)

2 ważne punkty  

-Eutektoid (B):

  

   +Fe

3

C

-Eutektyka (A):

    +Fe

3

C

Fe

3

C

 (

ce

m

e

n

ty

t)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

0

1

2

3

4

5

6

6.7

L



(austenit)

+L

+Fe

3

C

+Fe

3

C

+

L+Fe

3

C

(Fe)

C

o

% mas. C

1148°C

T(°C)

726°C = T

eutectoid

A

S

R

4.30

Wynik przemiany: Perlit 

naprzemianległe płytki 

faz  i Fe

3

120 m

 

R

S

0.76

C

e

u

te

ct

o

id

B

Fe

3

C (cementyt-twardy)

(ferryt-miękki)

background image

25

Stal Podeutektoidalna

Fe

3

C

 (

ce

m

e

n

ty

t)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

0

1

2

3

4

5

6

6.7

L



(austenit)

+L

 +

 

Fe

3

C

 

+

 

Fe

3

C

L+Fe

3

C

(Fe)

C

o

 

% mas. C

1148°C

T(°C)

727°C

Układ Fe-C

 

C

0

0

.7

6

ferryt 

przedeutektoidal

ny

perlit

100 m

Stal Podeutektoidalna

R

S

w

 

=

S

/(

R

+

S

)

w

Fe

3

C

 

=(1-

w

)

perlit

 

w

perlit

r

s

w

=

s

/(

r

+

s

)

w

=(1-

w

)

 

 

 

W

background image

26

Stal Nadeutektoidalna

Fe

3

C

 (

ce

m

e

n

ty

t)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

0

1

2

3

4

5

6

6.7

L



(austenit)

+L

 +Fe

3

C

 +Fe

3

C

L+Fe

3

C

(Fe)

C

o

 

% mas. C

1148°C

T(°C)

0

.7

6

C

o

Fe

3

przedeutektoidalny

60 m

Stal Nadeutektoidalna

perlit

R

S

w

 

=

S

/(

R

+

S

)

w

Fe

3

C

 

=(1-

w

)

w

perlit

w

perlit

s

r

w

Fe

3

C

 

=

r

/(

r

+

s

)

w

 

=(1-

w

Fe

3

C

)

Fe

3

C

 

 

 

Układ Fe-C

 

background image

27

Przykład: Równowaga 

Fazowa

Dla stali 99.6% Fe, 0.40% C (% mas.) w 

temperaturze nieznacznie niższej od 
eutektoidalnej określić:

a)

skład Fe

3

C i ferrytu ()

b)

ilość cementytu w gramach w 100 g stali

c)

ilość perlitu i przedeutektoidalnego ferrytu 
()

background image

28

Równowaga Fazowa

g

 

3

.

94

g

 

5.7

 

 

C

Fe

g

7

.

5

100

 

 

022

.

0

7

.

6

022

.

0

4

.

0

  

     

100

x

C

Fe

C

Fe

3

C

Fe

3

3

3

x

C

C

C

C

o

b) ilość cementytu 

w 100 g stali

a)  skład Fe

3

C i ferrytu ()

C

O

 = 0.40% C

C

 = 0.022% C

C

Fe  C

 = 6.70% C

3

Fe

3

C

 (

ce

m

e

n

ty

t)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000

1

2

3

4

5

6 6.7

L



(austenit)

+L

 

+

 

Fe

3

C

 

+

 

Fe

3

C

L+Fe

3

C

C

o

 

wt% C

1148°C

T(°C)

727°C

C

O

R

S

C

Fe  C

3

C

background image

29

Równowaga Fazowa

c)   ilość perlitu i przedeutektoidalnego ferrytu () 

uwagaż: ilość perlitu = ilość  tuż powyżej T

E

C

o

 = 0.40% C

C

 = 0.022% C

C

perlit

 = C

 = 0.76% C

  

  



 

C

o

 C

C

 C

x 10051.2 g

perlit = 51.2 g
przedeutekt.  = 48.8 g

Fe

3

C

 (

ce

m

e

n

ty

t)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000

1

2

3

4

5

6 6.7

L



(austenite)

+L

 

+

 

Fe

3

C

 

+

 

Fe

3

C

L+Fe

3

C

C

o

 

% mas. C

1148°C

T(°C)

727°C

C

O

R

S

C

C

background image

30

Dodatki Stopowe w Stali

Zmiana T

eutektoid

  

Zmiana C

eutektoid

E

u

te

kt

o

id 

C

)

% mas. pierwiatska

Ti

Ni

Mo

Si

W

Cr

Mn

% mas. pierwiastka

e

u

te

kt

o

id

 (

%

C

)

Ni

Ti

Cr

Si

Mn

W

Mo

background image

31

•  

Wykresy fazowe

 są użytecznym 

narzędziem do określania:

- liczby i rodzajów faz,
- % mas. każdej z faz,
- składu chem. każdej z faz 

dla danej T i składu chemicznego stopu.

•  Dodatki stopowe w roztworach stałych:

- zwiekszają wytrzymałość (R

m

)

- zmniejszenie ciągliwości.

•  

Eutektyki

 i 

eutektoidy

 pozwalają 

na tworzenie wielu rodzajów 
mikrostruktur.

Podsumowanie


Document Outline