3. Az Sn-Pb ötvözetek termikus analízise, fázisdiagram megszerkesztése. Előkészítő előadás

Hasonló dokumentumok
Ón-ólom rendszer fázisdiagramjának megszerkesztése lehűlési görbék alapján

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI IV.

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

TERMODINAMIKAI EGYENSÚLYOK. heterogén és homogén. HETEROGÉN EGYENSÚLYOK: - fázisegyensúly. vezérlelv:

Az ón-ólom rendszer fázisdiagramjának

Al-Mg-Si háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram közelítő számítása

ANYAGSZERKEZETTAN II.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Fémek, ötvözetek

Művelettan 3 fejezete

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

5 előadás. Anyagismeret

ANYAGSZERKEZETTAN II.

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Kétalkotós ötvözetek. Vasalapú ötvözetek. Egyensúlyi átalakulások.

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás I.

A metastabilis Fe-Fe 3 C ikerdiagram (Heyn - Charpy - diagram)

Méréselmélet és mérőrendszerek 2. ELŐADÁS (1. RÉSZ)

Mérési hibák

A kálium-permanganát és az oxálsav közötti reakció vizsgálata 9a. mérés B4.9

2.11. A kétkomponensű rendszerek fázisegyensúlyai

ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA 2. METEOROLÓGIAI MÉRSÉSEK MÉRÉSEK ÉS ÉS MEGFIGYELÉSEK

Sók oldáshőjének és jég olvadáshőjének meghatározása anizotermés hővezetéses kaloriméterrel

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

QualcoDuna jártassági vizsgálatok - A évi program rövid ismertetése

Méréstechnika. Hőmérséklet mérése

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

5. Laboratóriumi gyakorlat

Kétalkotós ötvözetek egyensúlyi fázisdiagramjai

ANYAGEGYENSÚLYOK. ANYAGMÉRNÖK MSC KÉPZÉS és KOHÓMÉRNÖK MSC KÉPZÉS. (nappali munkarendben) TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Tiszta anyagok fázisátmenetei

Fázisátalakulások vizsgálata

MÉRÉSI EREDMÉNYEK PONTOSSÁGA, A HIBASZÁMÍTÁS ELEMEI

VEGYÉSZ ISMERETEK EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

STATISZTIKA. A maradék független a kezelés és blokk hatástól. Maradékok leíró statisztikája. 4. A modell érvényességének ellenőrzése

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

A nagytermi gyakorlat fő pontjai

Általános Kémia. Sav-bázis egyensúlyok. Ecetsav és sósav elegye. Gyenge sav és erős sav keveréke. Példa8-1. Példa 8-1

Vas- karbon ötvözetrendszer

HŐMÉRSÉKLETMÉRÉS. Elsődleges etalonok / fix pontok / 1064,00 C Arany dermedéspontja. 961,93 C Ezüst dermedéspontja. 444,60 C Kén olvadáspontja

A mérési eredmény megadása

TANULÁSTÁMOGATÓ KÉRDÉSEK AZ 2.KOLLOKVIUMHOZ

A mérések általános és alapvető metrológiai fogalmai és definíciói. Mérések, mérési eredmények, mérési bizonytalanság. mérés. mérési elv

25. Folyadék gőznyomásának meghatározása a hőmérséklet függvényében. Előkészítő előadás

Hőmérsékleti sugárzás

8. Gőz-folyadék egyensúly tanulmányozása kétkomponensű elegyekben. Előkészítő előadás

Polimerek fizikai, mechanikai, termikus tulajdonságai

Elektronikus fekete doboz vizsgálata

Fázisátalakulások vizsgálata

Indikátorok alkalmazása a labordiagnosztikai eljárások minőségbiztosításában

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

Ellenállásmérés Ohm törvénye alapján

Méréselmélet és mérőrendszerek

Anyagvizsgálati módszerek Mérési adatok feldolgozása. Anyagvizsgálati módszerek

Axiomatikus felépítés az axiómák megalapozottságát a felépített elmélet teljesítképessége igazolja majd!


Fázisátalakulások vizsgálata

y ij = µ + α i + e ij

3. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

A sav és bázis fogalma

FÁZISÁTALAKULÁSOK ábra Tiszta fém hűlésgörbéje.

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Modern műszeres analitika szeminárium Néhány egyszerű statisztikai teszt

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

LAMBDA-MED Kft. elektroanalitikai csoport

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Statisztika I. 11. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Folyadékok és szilárd anyagok sűrűségének meghatározása különböző módszerekkel

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Fluidum-kőzet kölcsönhatás: megváltozik a kőzet és a fluidum összetétele és új egyensúlyi ásványparagenezis jön létre Székyné Fux V k álimetaszo

Kémia I. 6. rész. Halmazállapotok, halmazállapot változások

2. Laboratóriumi gyakorlat A TERMISZTOR. 1. A gyakorlat célja. 2. Elméleti bevezető

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

Kontrol kártyák használata a laboratóriumi gyakorlatban

Légköri termodinamika

ÖNTÖTT ÖTVÖZETEK FÉMTANA

Általános Kémia, BMEVESAA101

100 o C víz forrása 212 o F 0 o C víz olvadása 32 o F T F = 9/5 T C Példák: 37 o C (láz) = 98,6 o F 40 o C = 40 o F 20 o C = 68 o F

Természetvédő 1., 3. csoport tervezett időbeosztás

Biomatematika 13. Varianciaanaĺızis (ANOVA)

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

Spontaneitás, entrópia

Fajhő mérése. (Mérési jegyzőkönyv) Hagymási Imre február 26. (hétfő délelőtti csoport)

MÉRÉSI UTASÍTÁS. A jelenségek egyértelmű leírásához, a hőmérsékleti skálán fix pontokat kellett kijelölni. Ilyenek a jégpont, ill. a gőzpont.

Általános Kémia, 2008 tavasz

Peltier-elemek vizsgálata

Automata titrátor H 2 O 2 & NaOCl mérésre klórmentesítő technológiában. On-line H 2 O 2 & NaOCl Elemző. Méréstartomány: 0 10% H 2 O % NaOCl

Ideális gáz és reális gázok

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Javítókulcs (Kémia emelt szintű feladatsor)

Gőz-folyadék egyensúly

1. feladat Összesen: 18 pont. 2. feladat Összesen: 9 pont

Halmazállapot-változások

Ötvözetek, állapotábrák. Az előadás során megismerjük: Ötvözetek szerkezete Homogén?

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI II. Ismerjük fel, hogy többkomponens fázisegyensúlyokban a folyadék fázisnak kitüntetett szerepe van!

Átírás:

3. Az Sn-Pb ötvözetek termikus analízise, fázisdiagram megszerkesztése. Előkészítő előadás 2018.02.05.

A gyakorlat célja Ismerkedés a Fizikai Kémia II. laboratóriumi gyakorlatok légkörével A jegyzőkönyv készítés alapjainak elsajátítása Adatfeldolgozó, ábrázoló (Origin) és szövegszerkesztő (Word) programok megismerése Az ón-ólom rendszer tanulmányozása, fázisdiagram szerkesztése

Alapfogalmak, összefüggések Eutektikus rendszer: két vagy több komponensű rendszer, amelynek komponensei egymással homogén folyadékot (olvadékot vagy oldatot) képeznek, szilárd állapotban azonban nem elegyednek. Ilyenek például Zn + Cd, Sn + Pb, NH 4 Cl + H 2 O, NaCl + H 2 O. Eutektikum: olyan anyag az eutektikus rendszerben, amely fagyáspontja adott nyomáson a legalacsonyabb. Összetétele az eutektikus összetétel, fagyáspontja az eutektikus hőmérséklet. Az eutektikus hőmérséklet alatt nem létezik egyensúlyi folyadék fázis.

Alapfogalmak, összefüggések Fázis: a termodinamikai rendszer azonos intenzív paraméter értékekkel rendelkező részeinek összessége. F a fázisok száma. A stabil fázisok ábrázolása a termodinamikai paraméterek függvényében a fázisdiagramon történik.

Alapfogalmak, összefüggések Komponens: azok a kémiailag egységes anyagok (anyagfajták), amelyek szükségesek és elégségesek a rendszer összes fázisának felépítéséhez. K ezek száma. Az anyagfajták számából (S) le kell vonni a lehetséges reakciók, összefüggések (pl. elektroneutralitás) számát (R). Példa: Mennyi a komponensek száma a foszforsav vizes oldatában? Specieszek száma 7: H 2 O, H +, OH -, H 3 PO 4, H 2 PO 4-, HPO 4 2-, PO 4 3- Egyensúlyok száma 4: H 3 PO 4 = H + + H 2 PO 4-, H 2 PO 4- = H + + HPO 4 2-, HPO 4 2- = H + + PO 4 3-, H2O = H + + OH - Egyéb összefüggés: 1 db, az elektroneutralitás Tehát a komponensek száma 2. K = S - R =7 5 = 2

Alapfogalmak, összefüggések Szabadsági fok: azon intenzív paraméterek száma, amelyek legalább egy szűk tartományban szabadon változtathatók, anélkül, hogy fázis keletkezne vagy tűnne el. Jele SZ.

Alapfogalmak, összefüggések Többkomponensű egyensúlyi rendszerek: Gibbs-féle fázisszabály Sz = K F + 2 Vezessük le a fázisszabályt egy reakció nélküli többkomponensű, többfázisú rendszerre! A vizsgált termodinamikai rendszer K komponensből és F fázisból áll. A szabadsági fok kiszámításához szükségünk van a rendszert leíró független paraméterek illetve az ezek közötti összefüggések számára. Ezek különbsége adja a szabadsági fokot. SZ = független paraméterek száma összefüggések száma

A Gibbs-féle fázisszabály levezetése x 11, x 21, x K1 x 12, x 22, x K2 x 13, x 23, x K3 x 1F, x 2F, x KF 1. index: komponens 2. index: fázis Egy fázisban K 1 független összetételi változónk van. (A móltörtek összege 1, ezért elég csak ennyit ismerni, az utolsó már kiszámítható a többiből). F fázisban F(K 1) független összetételi változónk van. Egyensúlyban az egész rendszerben állandó a hőmérséklet és a nyomás. Ez F(K 1) + 2 független változó.

A Gibbs-féle fázisszabály levezetése x 11, x 21, x K1 x 12, x 22, x K2 x 13, x 23, x K3 Az egyensúly termodinamikai feltétele állandó hőmérsékleten és nyomáson, hogy az egyes anyagfajták kémiai potenciálja minden anyagfajtára egyenlő legyen a különböző fázisokban. x 1F, x 2F, x KF 1. index: komponens 2. index: fázis Egy anyagfajtára ez F-1 összefüggést jelent. (a 0. főtétel szerint az egyensúly tranzitív, azaz pl. µ 11 = µ 12, µ 12 = µ 13 µ 1(F 1) = µ 1F ). K komponens esetén K(F 1) egyenlet. Vonjuk ki az független paraméterek számából az összefüggések számát: Sz = F(K 1) + 2 K(F 1) = FK F + 2 FK + K, azaz Sz = K F + 2

A mérési feladat Cél: A ón-ólom rendszer fázisdiagramjának elkészítése, az eutektikus hőmérséklet és összetétel meghatározása. Módszer: Különböző összetételű ötvözetek, illetve tiszta ón és ólom lehűlési görbéinek vizsgálata.

A lehűlési görbék Lehűlési görbe: Egy minta lehűlése során rögzített hőmérséklet-idő függvény. tiszta ólom lehűlési görbéje termofeszültség / mv 24 22 20 18 16 14 termofeszültség / mv 20 19 18 17 16 olvadáspont 1000 1500 2000 idő / s 12 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s Egykomponensű rendszer lehűlési görbéje.

A lehűlési görbék A lehűlési görbe a Newton-törvény szerint exponenciális lefutású: T T k = kt ( T T ) e 0 k T az aktuális hőmérséklet t az idő T k a külső hőmérséklet T 0 a kezdeti hőmérséklet k konstans Időben a hűlő anyag és a környezete között egyre kisebb a hőmérséklet különbség. Ez a görbe egyre csökkenő meredekségét okozza.

Eltérés a Newton-törvénytől Ha a hűlés során változás történik a mintában a görbe exponenciális lefutása megszűnik: töréspontok, platók ötvözet minta lehűlési görbéje, eut. hőm. meghatározása termofeszültség / mv 24 22 20 18 16 14 termofeszültség / mv 12 11 10 9 eutektikus hőmérséklet 8 3000 3750 4500 5250 6000 idő / s 12 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s

Töréspontok és platók Töréspont Ha szilárd fázis kezd el kiválni egy ötvözet hűlésekor a lehűlési görbe lefutása megtörik a felszabaduló fagyáshő miatt. A görbe meredeksége a fagyás ideje alatt ezért kisebb, mint előtte volt. A rendszerben ekkor két komponens és két fázis van jelen: az olvadék és a kivált szilárd anyag. Ha a nyomás állandó a kísérlet során, akkor a szabadsági fokok száma: SZ = K - F + 1 = 2 2 + 1 = 1 Így a hőmérséklet tovább csökken és közben változik az olvadék összetétele.

Mozgás a fázisdiagramon 340 320 300 Sn - Pb rendszer fázisdiagramja olvadék T / C 280 260 240 220 Pb + olvadék 200 180 160 Sn + olvadék Sn + Pb 0 20 40 60 80 100 Sn w% Pb

Plató Töréspontok és platók Akkor alakul ki, ha a rendszer szabadsági fokainak száma nullára csökken: - a tiszta anyagok kiválásakor - az eutektikum kiválásakor Tiszta anyagok hűtésekor a szilárd anyag kiválása idején a rendszerben egy komponens és két fázis van jelen. Ha a nyomás állandó a kísérlet során, akkor a szabadsági fokok száma: SZ = K - F + 1 = 1 2 + 1 = 0 Így a hőmérséklet mindaddig nem változik, amíg az összes olvadék meg nem fagy.

Plató Töréspontok és platók Az eutektikum kiválásakor a rendszerben két komponens és három fázis (az olvadék és a két szilárd fázis) van jelen. Ha a nyomás állandó a kísérlet során, akkor a szabadsági fokok száma: SZ = K - F + 1 = 2 3 + 1 = 0 Így a hőmérséklet mindaddig nem változik, amíg az összes olvadék meg nem fagy.

Lehűlési görbékből fázisdiagram

A rendszer kísérleti fázisdiagramja Viszonylag nagy Pb tartalmú keverékek olvadékát hűtve egyfázisú szilárd oldat keletkezik.

A kísérleti berendezés:

A mintatartó: kvarctégely Tetején szénpor Védi az oxidációtól Karbidképzők esetén nem jó

A hőmérséklet mérése: termoelemmel

A termoelem működése Seebeck effektus: Ha két, különböző fémből vagy ötvözetből álló elektromos vezetőt egyik végükön összehegesztenek, és a hegesztési pont, valamint a vezetők másik vége eltérő hőmérsékleten van, akkor feszültség különbséget tudunk mérni a két vezető között (termofeszültség).

A mérés során használt elrendezés T 1 a mérendő hőmérséklet T 2 a referencia hőmérséklet: állandó értéken kell tartani, olvadó víz-jég keverék T 3 a csatlakozási pontok hőmérséklete: pontos értéke nem érdekes, de a két csatlakozásnál azonosnak kell lennie a mérés során

Az értékelés menete Fázisátmeneti helyek megkeresése egy célprogram segítségével Termofeszültség skála kalibrálása (tiszta anyagok fagyáspontja alapján) A kalibráció segítségével a fázisátmeneti helyek átszámítása hőmérséklet adatokra (mv -> C) Az olvadáspontok és eutektikus hőmérsékletek ábrázolása az összetétel függvényében, a fázisdiagram megszerkesztése A likviduszgörbék metszéspontjából az eutektikus összetétel meghatározása Az eutektikus hőmérséklet megadása hibahatárral

tiszta ólom lehűlési görbéje termofeszültség / mv 24 22 20 18 16 14 termofeszültség / mv 20 19 18 17 16 olvadáspont 1000 1500 2000 idő / s 12 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s

termofeszültség / mv 24 22 20 18 16 14 tiszta ón lehűlési görbéje termofeszültség / mv 13,5 13,0 12,5 12,0 11,5 olvadáspont túlhűlés 11,0 2500 3000 3500 4000 4500 idő / s 12 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s

ötvözet minta lehűlési görbéje, töréspont meghatározása termofeszültség / mv 24 22 20 18 16 14 termofeszültség / mv 18 17 16 15 14 olvadáspont 13 1000 1500 2000 2500 3000 idő / s 12 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s

ötvözet minta lehűlési görbéje, eut. hőm. meghatározása termofeszültség / mv 24 22 20 18 16 14 termofeszültség / mv 12 11 10 9 eutektikus hőmérséklet 8 3000 3750 4500 5250 6000 idő / s 12 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s

ötvözet minta lehűlési görbéje, helyi maximummal termofeszültség / mv 20 18 16 14 12 termofeszültség / mv 11,5 11,0 10,5 olvadáspont helyi maximum túlhűlés 10,0 eutektikus hőmérséklet 9,5 3000 3750 4500 5250 6000 idő / s 10 8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 idő / s

ÉRTÉKELŐ ADATLAP 1999-09 -- 2000-04 között mért adatokra File név: Adatok: 00022201.DAT 00022202.DAT 00022216.DAT leolvasás 2 tizedesjegyre (ennyi a feszültségmérés pontossága) MINTA sorszáma összetétele Pb % 1 30 op eut. 2 40 op eut. 3 35 op eut. 4 37 op eut. 5 60 op eut. 6 45 op eut. 7 75 op eut. 8 80 op eut. 9 Sn op 10 Pb op 11 95 op eut.-------------- Termofeszültség mv Zn file:010528 op

Termofeszültség skála kalibrálása Tiszta anyagok jól meghatározott, pontosan mérhető fagyáspontját használjuk: víz ón ólom cink A pontosabb kalibráció miatt a cink fagyáspontját is felhasználjuk. Csak a kalibrációhoz! A cink az ón-ólom rendszer fázisdiagramjára nem fog rákerülni!

Termoelem kalibrációs függvénye T / C 500 400 300 200 100 0 Linear Regression for Tkalib_B: Y = A + B * X --------------------------------- Param Value sd --------------------------------- A 1,09648 1,93428 B 17,8425 0,11922 --------------------------------- R = 0,99996 SD = 2,08745, N = 4 P = 0,00004 U term / mv o.p. / C jég / víz 0.00 0.0 ón 12.80 231.9 ólom 18.29 327.4 cink 23.55 420.0 0 5 10 15 20 25 U term. / mv

Ón-ólom rendszer fázisdiagramja 340 320 300 280 T / C 260 240 Eutektikus összetétel leolvasása 220 200 Eutektikus hőmérsékletek átlagolása 180 0 20 40 60 80 100 w Pb %

Megadandó eredmények: - Eutektikus összetétel (3 értékes jegyre) - Eutektikus hőmérséklet (95%-os megbízhatósági intervallummal) Ha nincs hibaszámítás, akkor a végeredmény pontosságát a legkisebb pontosságú adathoz illesztjük. A statisztikai számítások egy részét az Origin program elvégzi.

A szórás (S*) kiszámítása: s.d. = S * = n i= 1 ( x x) i n 1 2 s.e. = S * n Statisztikai szabadságfok (f): a mérési adatok számának (n) és a meghatározott paraméterek számának (p) különbsége Átlagolásnál: p = 1 Egyenesillesztésnél (y=ax+b): p = 2 Másodfokú görbénél (y=ax 2 +bx+c): p = 3 Megfelelő f értékhez kritikus t a érték kikeresése táblázatból. t * α S 2,201 1,6686 C ϑeut. = x ± = 180,911 C ± = n 12 ( 180,911± 1,0597 ) C Végeredmény megadása: Hibahatár max. 2 értékes jegyre, az átlag értéke ehhez tizedesben illesztve! ϑ eut. = ο ( 180,9 ± 1,1 ) C ϑ eut. = ο ( 180,91± 0,82) C tized század