Technik Bezpieczeństwa i Higieny Pracy
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
1
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Układy równowagi faz.
(5)
2
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Układ równowagi to zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej
Składnikami układu nazywa się pierwiastki lub związki niezbędne do utworzenia wszystkich
faz występujących w danym układzie.
Składnik strukturalny  część struktury materiału o określonej i charakterystycznej
mikrostrukturze, którą można zidentyfikować za pomocą badań mikroskopowych, np. perlit,
ledeburyt przemieniony, ferryt przedeutektoidalny.
Faza część układu oddzielona od reszty układu wyraz
ną granicą, na której przynajmniej
niektóre makroskopowe własności chemiczne lub fizyczne ulegają skokowej zmianie. Fazy są
oznaczane literami grackimi: ą, �, ł&
W naszym przypadku rozpatrujemy dwa stany skupienia: stały i ciekły. Przejście ciała
krystalicznego ze stanu ciekłego w stały nazywamy krystalizacją. Linia graniczna istnienia fazy
stałej nazywa się linią likwidus, a fazy ciekłej linią solidus
3
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Równowaga fazowa stan układu wielofazowego (faza), którego parametry nie ulegają
zmianie, a potencjały chemiczne każdego poszczególnego składnika są jednakowe we
wszystkich fazach.
Stabilność fazy faza stabilna występuje w stopach krzepnących zgodnie
z wykresem równowagi stabilnej. Pierwiastki stabilizujące to np.: Mn, Si.
Energia swobodna część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w
procesie o stałej temperaturze. Energia swobodna zależy od stężenia.
Roztwory stałe  substytucyjne i międzywęzłowe.
Roztwory substytucyjne: roztwór stały, w którym atomy składnika rozpuszczanego zastępują
atomy rozpuszczalnika(zajmują położenia atomów rodzimych).
Roztwory międzywęzłowe: gdy atomy rozpuszczone mają o wiele mniejszy promień wówczas
tworzą w metalu rozpuszczalniku roztwory międzywęzłowe.
W żelazie takie roztwory mogą tworzyć pierwiastki: H, N, C, O i w ograniczonym zakresie B
4
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Krystalizacja z fazy ciekłej, zarodkowanie i wzrost zarodków
Krystalizacja z fazy ciekłej
Krystalizacja z fazy ciekłej ma ogromne znaczenie technologiczne przy obróbce cieplnej
takich materiałów jak metale, tworzywa sztuczne, sztuczne i naturalne włókna, oraz szkło.
Zwykle proces krystalizacji przebiega w trzech częściach zwanych fazami:
- pierwsza to nukleacja - powstawanie zarodków krystalizacji, czyli miejsc, od których
kryształy zaczynają powstawać
- druga to swobodny wzrost pojedynczych kryształów zwany propagacją krystalizacji
- trzecia faza to zlepianie się pojedynczych kryształów w większe struktury i powstawanie
tzw. ikrostruktury krystalicznej.
Zarodkowanie
Dla powstania stabilnej nowej fazy krystalicznej w ośrodku konieczne jest przekroczenie
bariery energetycznej dla wytworzenia nowej granicy międzyfazowej. Mikroobszary nowej
fazy  zarodki
5
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Prawa Tammana.
Prawo Tammanna określa zależność miedzy przechłodzeniem a szybkością krystalizacji i
zarodkowania
Przy doborze temperatury reakcji stosuje się często tzw. regułę Tammana: reakcja w fazie
stałej będzie przebiegać dopiero, w temperaturze równej około 2/3 temperatury topnienia
minimum jednego ze składników.
6
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Reguła faz
Reguła faz lub reguła faz Gibbsa to zależność obowiązująca dla każdego układu będącego w
równowadze termodynamicznej, łącząca liczbę faz w układzie, liczbę składników
niezależnych oraz liczbę stopni swobody:
s = ą - � + 2
gdzie:
s liczba stopni swobody
ą liczba niezależnych składników
� liczba faz
Ważnym pojęciem jest tzw. punkt niezmienniczy albo inwariantny dla którego: s = 0
W takim punkcie nie można zmienić żadnej zmiennej intensywnej bez zmiany ilości faz w
układzie przykładem takiego punktu jest punkt potrójny dla układu jednoskładnikowego lub
punkt poczwórny dla układu dwuskładnikowego.
Dla układu jednoskładnikowego ą= 1 reguła faz Gibbsa przybiera postać: s=3 �
Stąd dla układu jednofazowego �= 1 mamy: s = 2.
Oznacza to, że mamy dla tego układu dwa parametry wyznaczające jego stan. Tymi
parametrami są ciśnienie p oraz temperatura T.
Dla układu dwuskładnikowego (ą=2) równanie Gibbsa przybiera postać: s=4 �
7
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Reguła faz (Gibbsa)  określa liczbę stopni swobodnych [S] układu, tzn. liczbę
zewnętrznych czynników, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby faz w
układzie.
S = n  f + 1
n  liczba składników
f  liczba faz
S = 0  jest to układ niezmienny
S = 1  jest to układ jednozmienny
S = 2  jest to układ dwuzmienny, można zmienić dwa czynniki
Likwidus  linia powyżej, której znajduje się ciecz.
Solidus  linia poniżej, której znajduje się ciało stał
8
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
W obszarze dwufazowym ( L + ą) między linią likwidusu a solidusu jest
tylko jeden stopień swobody. Zmiany temperatury są w tym obszarze możliwe,
jednak w danej temperaturze składy faz są ściśle określone, gdyż w obszarze
dwufazowym skład nie jest zmienną niezależną.
W obszarach jednofazowych liczba stopni swobody wynosi dwa. Co
oznacza że zmiennymi niezależnymi są temperatura i skład. Można zatem
niezależnie od siebie oraz skład (w pewnym zakresie) i pozostaje się w zakresie tej
samej mikrostruktury.
9
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Wykresy z nieograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym
Typowy wykres dla składników rozpuszczających się wzajemnie w dowolnych
ilościach w stanie stałym przedstawiono obok. Temp. topnienia czystych składników
zaznaczono na osiach rzędnych: składnika A przez TtA, a składnika B przez TtB. Stopy
układu A  B we względnie wysokich temperaturach są roztworami ciekłymi. Na
wykresie jest to obszar oznaczony przez L. W stosunkowo niskich temperaturach, ze
względu na nieograniczoną wzajemną rozpuszczalność składników, w całym zakresie
stężeń występuje jedynie roztwór stały ą. Między obszarami jednofazowymi cieczy i
roztworu stałego ą występuje obszar dwufazowy , składający się z faz L i ą. Górna
granica obszaru dwufazowego to linia likwidus a dolna to solidus. Powyżej linii likwidus
 tylko ciecz, poniżej solidus tylko roztwór stały.
10
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
W temperaturze topnienia czystych pierwiastków A i B liczba stopnie
swobody wynosi zero. Układ staje się jednoskładnikowy (czyste
pierwiastki). Zmiana temperatury jest możliwa tylko wówczas, gdy podczas
chłodzenia ciecz zakrzepnie całkowicie, a podczas grzania, gdy pozostanie
tylko ciecz.
11
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Reguła Hume a Rothery ego.
Reguły Hume Rothey'ego tworzenia roztworów stałych ciągłych:
- oba składniki mają jednakowy typ struktury krystalicznej
- nieograniczona rozpuszczalność przy stosunku promieni atomowych składników
<1,08, tylko ograniczona dla >1,15
- im mniejsza różnica elektrowartościowości składników, tym większa możliwość
tworzenia roztworów stałych
- jednakowa wartościowość składników sprzyja nieograniczonej rozpuszczalności
12
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Reguła dz
wigni służy do określania procentowego udziału faz w stopie przy danej
temperaturze w stanie równowagi. W celu określenia udziałów poszczególnych faz w obszarze
dwufazowym należy przez punkt stanu poprowadzić linię poziomą aż do przecięcia się z
najbliższymi liniami wykresu. Punkty przecięcia zrzutowane na oś składu określają składy
znajdujących się w równowadze faz.
13
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Przemiany: eutektyczna i perytektyczna.
Przemiana eutektyczna z cieczy powstaje mieszanina dwóch faz (w temp 1147oC
dla układu żelazo cementyt). Zachodzi ona gdy zawartość poszczególnych
pierwiastków jest na poziomie punktu eutektycznego. Kryształy eutektyku są
czystymi kryształami. Linie likwisus i solidus spotykają się w punkcie eutektycznym.
Przykładem eutektyku jest ledeburyt, który powstaje w układzie żelazo cementyt
przy stałej temperaturze. W przypadku ciekłych kryształów eutektyki to takie
mieszaniny związków chemicznych, które generują stabilne fazy ciekłokrystaliczne w
znacznie szerszym zakresie temperatur niż wyjściowe związki tworzące te
mieszaniny Ciekła mieszanina węgla i żelaza zamienia się w drobne płytki fazy ą i �.
Mamy tylko 2 stany: płynny i płytki. Jest to przemiana: LE ąF+�h
Przemiana perytektyczna polega na tym ze w przypadku krzepnięcia kryształów
(1485 C w naszym układzie) następuje reagowanie cieczy z wydzielonymi kryształami
w wyniku czego otrzymuje się nowy kryształ. Jest to przemiana: LD+�G ąF lub w
rozwiniętej formie: ciecz (B) + roztwór ą(�)(H)CHA
ODZENIEN/NAGRZEWANIE
roztwór ł (J)
14
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
Wykresy z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym
Likwidusem na tym wykresie jest linia DEF, natomiast solidusem linia GEH. Krzepnięcie
stopu rozpoczyna się w tem
natomiast tworzącą się fazą stałą są kryształy czystego składnika A. wydzielenie
kryształów czystego składnika A powoduje wzrost składnika B w cieczy, której
skład z obniżeniem temp zmienia się wzdłuż lini likwidus do składu pkt
E.krzepnięcie stopów o składzie leżącym na prawo od pkt E przebiega podobnie
" Przemiana eutektyczna: LE"!A+B
" Stopy znajdujące się na lewo od punktu eutektycznego nazywamy
podeutektycznymi
" Stopy znajdujące się na prawo od punktu eutektycznego nazywamy
nadeutektycznymi
" Podczas chłodzenia stopu od temperatury eutektycznej jego struktura nie ulega
zmianie
15
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
16
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
17
Techniki wytwarzania z materiałoznawstwem
18