Kristályosodás. Az előadás során megismerjük

Átírás

1 nyagszekezettan és anyagvizsgálat 16/17 istályosodás D. zabó Péte János z előadás soán megismejük temodinamikai alapfogalmakat; homogén és a heteogén magképződés jelenségét, a csíaképződés jellemzőit; z egyfázisú endsze lehűlési göbéjét; poliédees, dendites, szfeolitos kistályosodás folyamatát; z egykistály előállításának folyamatát. istályosodás: Olyan fázisátalakulás, amelyben folyadék fázis szilád fázissá alakul át. 1

2 emodinamikai alapfogalmak emodinamikai endsze: a tének a vizsgálat számáa elkülönített észe. lkotó vagy komponens: a endszet alkotó atom vagy molekula fajták. Fázis: a temodinamikai endsze olyan észe, amelynek fizikai és kémiai tulajdonságai minden pontjában azonosak, és amelyet a endsze többi észétől fázishatá választ el. z egy fázist tatalmazó endsze homogén, a több fázist tatalmazó heteogén. Állapottényező: a temodinamikai endsze állapotát meghatáozó paaméteek. őméséklet ( ), nyomás (p), téfogat (), koncentáció () (többkomponensű endsze esetén). zabadsági fok: azon állapottényezők száma, amelyeket szabadon megválaszthatunk anélkül, hogy a temodinamikai egyensúly állapota megváltozna. emodinamikai függvények: első enegia (U): a endszet alkotó észecskék kinetikus és potenciális enegiájának összege. temodinamika első főtétele alapján a belső enegia változása du=dq+dw dq - hőmennyiség (hőbevitel +) dw - mechanikai munka (a endszebe bevitt munka +) ntópia (): d=dq/ 5 eveedési, konfiguációs entópia z entópia statisztikus megfogalmazása: (N: ácspont, n: atomok száma) emodinamikai valószínűség statisztikus megfogalmazása: (lendezési lehetőségek száma.) N! k k ln w k ln n! N n! k ln w w N! n! N n! tiling-fomula ln x! xln x x ha x 1 6

3 eveedési, konfiguációs entópia N! k k ln w k ln!! n N n k N ln N N nln n N n ln N n N n N n N n n n kn ln ln N N N N kn c lnc c lnc k ha N=vogado szám, kn=r egyetemes gázállandó (R=8.1 J/( mol) 7 elmholtz-féle szabadenegia: F=U- ibbs-féle szabadenegia v. szabadentalpia: =U-+p=- =U+p - entalpia v. állandó nyomáson vett hőenegia emodinamikai egyensúly: gy endsze akko van egyensúlyban, ha a szabadenegiája az adott feltételek mellett minimális d=. pontán változások, ha d < Metastabil állapot tabil állapot zabadenegia-változás: d=d-d-d=d-d, ha =áll. df=du- d-d=du-d, d=df, ha p=áll. 8 ibbs-féle fázisszabály a egy zát temodinamikai endszee évényes állapotváltozók számából levonjuk a endszee felíható egyenletek számát, akko a számát kapjuk meg. szabadsági fokok Általánosan: z = - F + Fémtanban: z = - F + 1 (a nyomás állandónak tekinthető) 9

4 őméséklet F F F F F F F F F F F F,,, : komponens (),,, : fázis (F) F: szabadenegia (F-1) + F számú egyenlet F + változók száma z = F + - [ (F-1) + F] z = - F + 1 gykomponensű anyag temodinamikai elemzése =1 szilád folyadék ha > a folyékony fázis a stabil ha < a szilád fázis a stabil F+z=+ (+1, ha p=áll.) F+z=1+1= = sz = f = sz - f <, túlhűtés esetén a kistályosodás megindul, ekko F=, z= 11 dq Newton-féle lehűlési tövény felvett dq mcd ) dt leadott ( = + ( - )e Newtoni-lehűlési göbe: - t mc, c m dq hol: m c a könyezet hőméséklete a kezdeti hőméséklet (lehűlés előtt) a felületi hőátadási tényező a minta keesztmetszete a minta tömege a minta fajhője k Idő 1

5 5 1 t t lméleti lehűlési göbe alóságos lehűlési göbe 1 étfázisú anyag temodinamikai elemzése 1 15 kistályosodás elméleti folyamatai d d kit 8 Magképződés: egy kitikus téfogatban a megfelelő fajtájú atomok elendeződése olyan, ami jellemző az új fázisa (szekezet, koncentáció, méet). zt egy átmeneti állapot előzi meg, amelyben a szabadenegia nagyobb, mint az új vagy a kezdeti állapotban. omogén magképződés: ha az új fázis a endsze bámely pontján azonos valószínűséggel alakulhat ki. sugá állócsía atomból n atom sugá állócsía atomból n 1 1 a felületi enegia

6 zabadentalpia-változás szilád folyadék kit kit 16 kistályosodás nagyságendjei RM M OM nm tomszekezet nm Dendit m zemcsék mm lkatész m 17 csíaképződés jellemzői Magképződés gyakoisága (kistályosodási képesség): N keletkezett magok száma téfogat. idő mm s 1 mag növekedési sebessége: N N D N t v N v 1 N 1 mms 1 v 1 <v túlhűtés 18 6

7 eteogén magképződés istálycsíaként idegen atomok szolgálnak. zek meggyosítják a kistályosodás folyamatát. N N N N 1 eteogén magképződés omogén magképződés zemcseméet jelentősége all Petch egyenlet: R p, R k d 1 úlhűtés szemcseátméő 19 Poliédees kistályosodás Idő kistályosodás soán az ömledék különböző pontjain jönnek léte eltéő oientációjú kistályosodási középpontok. gy észük növekszik, egy észük feloldódik. Rendezetlen dendites kistályosodás kistályosodási középpontok endezetlenül, az ömledék különböző helyein jönnek léte. kistályosodási sebesség vektoális jellege miatt, a kistálycsíák tűszeűen növekednek egy kistálytani tengely iányában. látenshő helyi felszabadulása miatt az elsődleges iányoka meőlegesen is megindul a tűszeű kistályosodás. z idő előehaladtával újabb oldalágak keletkeznek, fenyőága hasonlító szekezet alakul ki (dendon göögül fa). 1 7

8 ugaas dendites kistályosodás z intenzív hőelvonás miatt a fémkokilla fala közelében finomszemcsés szekezet jön léte, amely szemcsék közül azok indulnak növekedésnek amelyek kedvező helyzetűek a hőelvonás szempontjából. zfeolitos kistályosodás ömb (spheo), kő (lithos) istályos kőzeteknél figyeltek meg ilyen jellegű kistályosodást, de az öntöttvasak közül a gömbgafitos öntöttvasa jellemző ez a szekezet. istálytató gykistály Növekvő kistály Olvadék égely őelem evítő zabályozott atmoszféa atály gykistály előállítása z ömledék felületéhez vagy egy nagyobb olvadáspontú kistályt, vagy az ömledék anyagából készült kistályt éintenek, és azt meghatáozott sebeséggel állandóan emelik ( egykistályhúzás ). zochalski-féle egykistálynövesztő beendezés 8

9 úlságosan kis emelési sebességnél a sziládfolyékony fázishatáon új mag keletkezik, és az anyag polikistályos lesz. yos húzásko az ömledék elszakadhat a kistálytól. Fontos az ömledék feletti, helyileg változó, de az időben állandó hőmésékletmező pontos beállítása. a az ömledék felett a hőméséklet megnő, akko a két fázis hatáa a folyadék szintjétől eltávolodik, és a folyadékoszlop leszakad. 5 Fogalmak emodinamikai endsze omponens v. alkotó Fázis Állapottényező ibbs-féle fázisszabály zabadsági fok első enegia ntópia ibbs- és elmholtz-féle szabadenegia ntalpia emodinamikai egyensúly omogén és heteogén magképződés Poliédees kistályosodás Rendezetlen dentites kistályosodás ugaas dentites kistályosodás zfeolitos kistályosodás gykistály 6 9