Material. VT1 1,5 p Janne Färm

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Material. VT1 1,5 p Janne Färm"

Dan Pettersson
för 7 år sedan
Visningar:

1 Material VT1 1,5 p Janne Färm

2 Torsdag 12:e Februari 10:15 12:00 Föreläsning M4 KPP045 Material-delen Förmiddagens agenda Introduktion till fasta lösningar och fasdiagram Stelning : Kapitel 9 fortsättning från 5/2 Paus Fasta lösningar och fasjämvikt: Kapitel 10 Utskiljningshärdning och eutektiska fasdiagram: Kapitel 11 2

3 Introduktion till fasta lösningar och fasdiagram Lösning är en homogen blandning En liten mängd av ett fast ämne, vätska eller gas löses i ett lösningsmedel som kan vara ett fast ämne, vätska eller gas Exempel fast fast: alla legeringar Exempel fast vätska: saltvatten Exempel gas vätska: havsvatten med syre - livsviktigt kvävgas i stötdämparolja mindre bra Exempel vätska vätska: vatten och alkohol Exempel gas gas: syre i kväve = luft Lika löser lika (polära resp. opolära molekyler) Vatten och olja löser sig inte Kan bilda emulsioner t.ex. homogeniserad mjölk Tensider är polär ände med opolär svans Löser fetter i vatten 3

4 Vatten och alkohol Vatten och alkohol löser sig i varann oavsett koncentration Större mängd vatten än alkohol är dock att rekommendera Vid bilkörning gäller det omvända De har obegränsad löslighet 4

5 Vatten och salt? Om vi har salt och försöker lösa vatten i det? Vad händer? Om vi har vatten och försöker lösa salt i det? Vad händer? Vi testar! 5

6 Fasdiagram för vatten och salt Under -21,1 C har vi en fast lösning; Is och salt 6

7 Stelning av järn vid jämvikt Figure GL2.23 Om rent järn kyls sakta från ovan kokpunkten så uppvisar temperaturkurvan två platåer Vid varje platå sker en fastransformation vid konstant temperatur

8 Stelning av legering Figure GL2.24 Legeringar stelnar över ett temperaturintervall mellan likvidus och soliduslinjen. Fastransformeringarna sker inte vid konstant temperatur

9 Stelning av rena metaller Fasta kärnor bildas homogent och heterogent Kärnorna bildar små korn som växer av att atomer transformeras på kornytan Kornen växer tills all vätska transformerats Figure GL2.25

10 Figure GL2.26 Optiska bilder visar kornstrukturen för två metaller Vissa tekniker kan skapa olika färger för olika korn men det kan vara samma fas där bara kornens orientering skiljer Rent järn och rent aluminium visas och båda är en-fasiga

11 Fasreaktioner När en fassammansättning ändras med temperaturen så sker en fasreaktion I ett en-fas område så är sammansättningen av fasen alltid densamma som hela legeringen och ingen fasreaktion sker vid kylning I ett två-fas område så är fassammansättningarna givna av de två fasgränserna Sammansättningen ändras med temperaturen och fasreaktioner sker

12 Stelning av legering 1) Över 305 C: En-fas vätska; ingen fasreaktion 2) 305 C 270 C: Vi har nått likviduslinjen och stelning av blyrik fas börjar. Kvarvarande vätska får högre tenn-halt och vätskan följer likviduslinjen medan den fasta fasen följer soliduslinjen. Fasreaktioner sker då tenn diffunderar in i den fasta fasen 3) 270 C 150 C: En-fas blyrik fas med samma sammansättning som legeringen; ingen fasreaktion Figure GL2.27 4) 150 C rumstemperatur: Den blyrika fasen blir instabil när fasgränsen nås. En tenn-rik fas utskiljs ur den blyrika fasen och vi får en två fasta faser med olika sammansättning Figure GL2.28

Eutektisk Stelning En eutektisk reaktion är en tre-fas reaktion där en vätska kyls och bildar två fasta faser vid konstant temperatur: Vätska, L -> Fast fas α + Fast fas β Proportionerna mellan

13 Eutektisk Stelning En eutektisk reaktion är en tre-fas reaktion där en vätska kyls och bildar två fasta faser vid konstant temperatur: Vätska, L -> Fast fas α + Fast fas β Proportionerna mellan faserna avgörs av positionen av den eutektiska punkten längs konoden. Om punkten ligger nära ena sidan bildas en matris av den fasen med den andra fasen som små isolerade partiklar Vanligen tillväxer de två faserna parallellt och bildar tunna skivor Figure GL2.29 Figure GL2.30

14 Gjutlegeringar är ofta icke-eutektiska Det gäller bl.a. för stelningen av Pb-30 vikt % Sn Ovanför den eutektiska punkten stelnar en bly-rik fas medan vätskan följer likviduslinjen mot den eutektiska punkten, där kvarvaande vätska undergår en eutektisk reaktion Två typer av mikrostruktur formas Den bly-rika fasen blir instabil och tenn-rik fast fas utskiljs som små korn i den blyrika fasen Pb-rich solid becomes unstable and Sn-rich solid precipitates Den eutektiska fasen formas precis som vid eutektisk stelning Figure GL2.31

15 Segring Figure GL2.32 När stelning startar, antingen spontant eller vid en vägg, så kommer den första kärnan vara renare än legeringen (vätskan vid likvidus, fast fas vid solidus) När stelningen är fullbordad så varierar sammansättningen i kornen Denna variation kallas för segring

16 Utskiljningsreaktion Om en fast fas vid nedkylning möter solvuslinjen så innebär det att den blivit övermättad och en ny fas utskiljs Utskiljning sker mest i korngränserna där lösningen har högst koncentration Denna fastransformation kallas utskiljning: α -> α + β Figure GL2.34

17 Paus Dags för en bensträckare! 17

18 Fasta lösningar och fasjämvikt: Kapitel 10 18

19 Fasdiagram eller P-T diagram (10.1) Vid 1 atm har vi en smältpunkt och en kokpunkt Under trippelpunkten sublimerar magnesium vid uppvärmning Gibbs fasregel: 2 + C = F + P C, antal komponenter, = 1 (Mg) Vid A är P (phases) = 1 och F blir då 2 frihetsgrader Vid B är P = 2 och F = 1 Vid X är P = 3 och F = 0 19

20 Löslighet och fasta lösningar (10.2) Koppar och nickel har obegränsad löslighet i både flytande och fast form (FCC) Koppar (FCC) löser Zink (HCP) upp till 30 vikt % En sammansättning av CuZn bildas vid högre halter 20

21 Villkor för obegränsad löslighet (10.3) Hume-Rotherys regler: Samma storlek +/- 15% Samma kristallstruktur Cu Ni FCC Cu Zn FCC/HCP Samma antal valenselektroner Övergångsmetallerna har 2 Liknande elektronegativitet 21

22 Lösningshärdning (10.4) Härdning av koppar Inlösta atomer hindrar dislokationer Stor skillnad i storlek ger stor effekt Liknande storlek kan dock lösas mer, högre legeringshalt 22

23 Effekter av lösningshärdning Cu Zn Sträckgräns ökar Brottgräns ökar Hårdhet ökar Seghet minskar oftast Ledningsförmågan minskar! 23

24 Isomorfa fasdiagram (10.5) Binära fasdiagram där vi har obegränsad löslighet får vi bara en fast fas, a isomorfa fasdiagram Koppar smälter vid 1085 C Nickel smälter vid 1455 C 24

Likvidus Solidus Koppar och Nickel Om vi har 40 vikt % nickel i genomsnitt så har vi lokala variationer Där vi har lokalt hög koncentration av nickel börjar stelnandet

25 Likvidus Solidus Koppar och Nickel Om vi har 40 vikt % nickel i genomsnitt så har vi lokala variationer Där vi har lokalt hög koncentration av nickel börjar stelnandet först Vid 1280 C börjar 52% Ni stelna Då sjunker Nickelhalten i smältan Vid 1250 C kan Cu-Ni med lägre halt stelna, smältan har nu bara 32% Ni Vid 1240 C har allt stelnat 25

26 Hävstångsregeln (gungbrädan) % L*(40 32) = % a*(45-40) % L = (45-40)/(45-32) = 5/13 = 38 % % a = (40-32)/(45-32) =8/13 = 62 % 26

27 Långsam stelning av en legering (10.7) Vid 1280 C bildas de första kornen med 52% Ni Vid 1250 C har de vuxit och nickelhalten sjunkit till 45% Ni Detta sker genom diffusion i kornen Vid 1240 C har allt stelnat 27

28 Långsam stelning av en legering Stelning sker under sjunkande temperatur 28

29 Snabb stelning Segring (10.8) Vid snabb kylning hinner inte nicklet diffundera i kornen Vi får en variation av nickelhalten i varje korn 29

Utskiljningshärdning och eutektiska fasdiagram: Kapitel 11 Utskiljningshärdning Utskiljda partiklar stoppar dislokationerna a) Mjuk seg kontinuerlig matris med

30 Utskiljningshärdning och eutektiska fasdiagram: Kapitel 11 Utskiljningshärdning Utskiljda partiklar stoppar dislokationerna a) Mjuk seg kontinuerlig matris med hårda begränsade partiklar b) Många små partiklar maximerar arean mellan faserna c) Runda partiklar minskar risken för sprickor d) Högre koncentration ökar styrkan 30

31 Eutektiska fasdiagram Exempel Bly - Tenn Bly löser max 19 % Tenn Tenn löser max 2,5 % Bly 61,9 % Tenn ger en eutektisk sammansättning 31

32 Stelning med 2 % Tenn Smältan stelnar till en fast lösning Lösningen är mättad vid rumstemperatur En en-fasig struktur 32

33 Stelning med 10 % Tenn Smältan stelnar till en fast lösning Under 140 C börjar en andra fas utskiljas Legeringen blir utskiljningshärdad % Pb*(10-2) = % Sn*(100-10) % Pb = % Sn*90/8 = (1-% Pb)*90/8 % Pb*(1+90/8) = 90/8 % Pb, a = 90/98 = 92 % % Sn, b = 8 % Vi 80 % av tennet i b-fasen och 20 % i a-fasen 33

34 Eutektisk stelning med 61,9 % Tenn Vid 183 C stelnar smältan till en lamellär två-fas struktur Det blir en eutektisk legering 34

35 Eutektisk stelning En eutektisk stelning sker vid konstant temperatur precis som för en ren metall 35

36 Eutektisk struktur 36

37 Hypoeutektisk stelning Först stelnar a-korn Vid 183 C bildas en eutektisk struktur Därefter utskiljs tenn ur a-fasen 37

38 Hypoeutektisk och hypereutektisk struktur 38

39 Hypoeutektisk stelning 39

40 Härdning av Bly - Tenn 40

Relevanta dokument

Material föreläsning 8. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

Material föreläsning 8. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson Material föreläsning 8 HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson Tisdag 13:e December 10:15 12:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Mikrostrukturen i material, fasdiagram ch 19.1-4 GLU 2 Paus Processning av