فاز و نمودارهای فازی

فاز و نمودارهای فازی

اسلاید 1: Phase and Phase diagrams همان طوركه ديده شد ريزساختار ماده مانند وجود رسوب ، شكل و پراكندگي و مقدار رسوبهاي ثانويه تاثيرات مهمي بر خواص دارد بنابراين لازم است تا لوازمي داشته باشيم تا بتوانيم ساختار مواد را و اجزائ تشكيل دهنده آن را بررسي كنيم.يكي از اين لوازم نمودار هاي فازي است.

اسلاید 2: اهداف فصلآشنايي با ادبيات و تعاريف مورد نياز در مورد نمودار هاي فازيانواع نمودار هاي فازياطلاعاتي كه از نمودار هاي فازي به دست مي آيد

اسلاید 3: Componentاجزاي تشكيل دهنده مستقل ماده Phase(فاز)قسمتي از ماده كه داراي خواص فيزيكي و شيميايي يكسان است يا به عبارتي قسمتي از ماده كه داراي ساختار، تركيب و خواص يكسان است. هر فاز داراي خصوصيات زير است1- ساختار در تمام آن يكسان است2- تركيب در تمام قيمت ها يكنواخت است3- بين هر فاز و محيط اطراف مرزي وجود دارد كه مرز فازي (Interphase) ناميده مي شود.

اسلاید 4: Phase equilibrium تعادل فاز هنگامي دو ماده در تعادل هستند كه سطح انرژي آزاد يكسان داشته باشند (مثال : تعادل هاي شيمييايي)گاهي در شرايط دو يا چند فاز دركنار هم در تعادل قرار مي گيرند كه به آن تعادل فازي گفته مي شود.

اسلاید 5: چند مثال آب خالصآب و يخ : آب به صورت جامد (يخ) يك فاز است و به صورت مايع فاز ديگر است. در اين حالت تركيب هردو صد درصد H2O است اما تفاوت اين دو در ساختار اتمي است. اتم ها در يخ به صورت منظم در كنار هم قرار گرفته اند ولي در مايع اتم ها نظم خاصي ندارند.

اسلاید 6: تعداد Component ها ؟؟؟؟؟در دماب صفر درجه آب و يخ در كنار هم به صورت تعادلي حضود دارند(Phase Equilibrium)اگردما بيش از صفر درجه سانتي گراد باشد تمام فاز يخ به فاز آب تبديل مي شود يا به اصطلاح تغيير فاز(phase transformation) صورت مي گيرد.

اسلاید 7: مثال 2: مخلوط آب و الكل آب و الكل به هر نسبتي در هم حل مي شوند بنابر اينمحلول آب و الكل يك فاز را تشكيل مي دهد هنگامي كه 2 ماده در هم حل مي شوند يك فاز تشكيل مي دهند.تعداد Component ها در اين مورد چند تا است؟؟

اسلاید 8: مثال : آب و نمك

اسلاید 9: وقتب نمك در آب حل شود محلول آب-نمك تك فاز است اما اگر بيش از حد حلاليت در اب نكم حل كنيم كريستال هاي نمك رسوب مي كنند كه داراي تركيب و ساختار متفاوت وتركيب متفاوت از محلول اب نمك به وجود مي ايد بنابر اين در اين حالت فاز هاي موجود عبارتند از :نمك خالص + محلول آب نمك

اسلاید 10: حل شدن ذرات نمك در آب

اسلاید 11:

اسلاید 12: مخلوط آب و روغن دو فاز با تر كيب متفاوت

اسلاید 13: انواع نمو دار هاي فازيمي توان نمودار هاي فازي را بر اساس تعداد اجزاء (Component )هاي موجود تقسي بندي كرد1- نمودار هاي فازي تك جزيي مثل : مواد خالص مانند آب2- نمودار هاي فازي دو جزيي مانند آلياژ Cu-Ni يا Fe-C كه خود انواع مختلفي دارند 3-نمودار هاي 3 جزيي و......

اسلاید 14: نمودا ر فازي Phase Diagramنمودار (يا نقشه اي) است كه نشان مي دهد در شرايط داده شده (دما، فشار و تركيب ) چه فاز يا فاز هايي در ماده حضور دارند.نمودارهاي فازي براي شرايط تعادلي رسم مي شوند.

اسلاید 15: بررسي يك نمونه از نمودار هاي تك جزييآب خالص

اسلاید 16: نمودار هاي فازي دو تاييدر اين گونه نمودار ها دو جزء وجود دارد.اين نمودار هاي فازي در شار ثابت (معمولا 1 atm1) رسم مي شوند و تركيب انها تغيير مي كند مثال :هنگامي كه دو جزء در حالت مايع و جامد كاملا در هم حل شوند نمودار فازي آن به صورت شكل زير در مي آيد(Cu-Ni)

اسلاید 17:

اسلاید 18: نكتهانواع مختلفي از نمودار هاي فازي وجود دارد اما بحث و ارائه تعاريف با ساده ترين نوع آن شروع مي شود.

اسلاید 19: هر نمودار فازي داراي مشخصاتي است كه در ادامه تعريف مي شود و اطلاعات از ان استخراج مي شوددر ادامه ابتدا 1- يكي از روش هاي به دست اوردن نمودار هاي فازي توضيح داده مي شود 2- ارائه برخي تعاريف در مورد نمو دار هاي فازي3- انواع اطلاعاتي كه از نمودار فلزي استخراج مي شود.4- انواع نمودار هاي فازي

اسلاید 20: نحوه به دست اوردن نمودارهاي فازي به صورت عمليبراي رسم نمودارهاي فازي از منحني هاي سرد شدن(Cooling Curve) كه تغييرات دما بر حسب زمان را نشان مي دهد استفاده مي كنند.

اسلاید 21: نمودار هاي سرد شدن براي انجماد فلزات خالصدر فلزات خالص آغاز و پايان انجماد در يك دماي خاص صورت مي گيرد و در طول انجام عمليات انجماد دما ثابت مي ماند.

اسلاید 22: اما در حين انجماد آلياژ ها دما تغيير مي كند و بنابر اين انجماد در يك محوده دمايي صورت مي گيرد.

اسلاید 23: نحوه به دست اوردن نمودار هاي فازيبراي رسم نمودار هاي فازي از منحني هاي سرد شدن استفاده مي كنيم و مراحل زير را انجام مي دهيم 1- تهيه آلياژهايي دوتايي با تركيب هاي مختلف(0-100%wt) 2- گرم كردن آلياژ تا دما هاي بالا و ذوب كردن آنها3- سرد كردن آرام آلياژ هاي تهيه شده و اندازه گيري تغييرات دما با گذشت زمان(رسم منحني هاي سرد شدن) 4- وصل كردن نقاط شروع انجماد در آلياژ هاي مختلف به هم(خط liquidus) 5- وصل كردن نقاط پايان انجماد در آلياژ هاي مختلف به هم (خط Solidus)

اسلاید 24: اين مراحل در شكل نشان داده شده است

اسلاید 25:

اسلاید 26: دو تعريفخط Liquidus: دمايي كه در يك تركيب خاص اولين جامد ظاهر مي شود يا مكان هندسي نقاط شروع انجماد آلياژخط Solidus: دمايي كه در يك تركيب خاص انجماد پايان مي يابد. يا مكان هندسي نقاط پايان انجماد

اسلاید 27:

اسلاید 28: انواع تركيباتي كه در يك نمودار فازي مشاهده مي شود1- عناصر: كه با حروف نشان داده مي شوندمثال مس Cu، روي Zn2- محلو لهاي جامد (Solid solution) : كه با حروف يوناني مشخص مي شوند مثل α،β،γو ....3- تركيبات CompoundsAxBy مثل : Al2O3 يا Fe3C

اسلاید 29: انواع نمودار هاي فازي(دو تايي)همان طور كه قبلا گفته شد انواع مختلفي از نمودار هاي فازي وجود دارد.در اين درس 4 نوع متداول ان بررسي مي شودنوع اول : اگر دو فلز در حالت مايع و جامد كاملا در هم حل شوند شكل منحني نمودار هاي فازي به صورت عدسي شكل در مي آيد كه Isomorphous يا lens shape ناميده مي شود.

اسلاید 30:

اسلاید 31: معرفي اجزاء نمودار فازي در نمودار فازي محور عمودي دما است و محور افقي تركيب (Composition) را نشان مي دهد. انواع اطلاعاتي كه يك نمودار فازي مي دهد.1- فاز هاي موجود در شرايط خاص .اولين و بدي هي ترين داده اي كه از نمودار فازي استخراج مي شود فاز هاي موجو در ماده در شرايط داده شده است.

اسلاید 32: به عبارت ديگرنمودار فازي بيان مي كند كه در شرايط داده شده (دما، فشارو تركيب)چه فاز هايي در جسم در شرايط تعادلي وجود دارد

اسلاید 33: در اين ناحيه كه بالاي خط Liquidus است فاز موجود مايع است كه محلولي مايع از دو عنصر Cu و Ni استدر اين ناحيه كه پايين خط Solidus است فاز پايدار محلول جامد α است

اسلاید 34: ناحيه دو فازي : در اين ناحيه در فاز مايع (L)و محلول جامد( (α در كنار هم به صورت تعادلي وجود دارند. به عبارت ديگر اين ناحيه ناحيه دو فازي است

اسلاید 35: Phase Boundary خطوط مرزي بين دو ناحيه تك فاز را phase boundary ناميده مي شود.به عنوان مثال خطوط Solidus و Liquidus دو مرز phase Boundary در شكل نمودار فازي داده شده مي باشند

اسلاید 36: 2- تركيب فاز هاي موجودداد ه ديگري كه از نمودار فازي به دست مي آيد تركيب هر يك از فاز هاي موجود مي باشد. براي تعيين تركيب به صورت زير عمل مي كنيم 2-1- اگر شرايط داده شده (دما و تركيب ) در ناحيه تك فاز نمودار فازي قرار گيرد تركيب به سادگي همان تركيب كلي (overall composition)آلياژ است به عبارت ديگر :

اسلاید 37: در دماي 1100oC و تركيب 60درصد وزني نيكل آلياژ در ناحيه تك فاز α قرار مي گيرد در اين حالت تركيب تنها فاز موجود همان 60 درصد وزني نيكل است در دماي 1100oC وتركيب 60در صد وزني نيكل آلياژ در ناحيه تك فاز مايع قرار مي گيرد. در اين حالت تركيب آلياژ همان تركيب كلي 60 درصد وزني نيكل است.cتركيب كلي composition Overall آلياژ

اسلاید 38: بنابراين در نواحي تك فاز تركيب فاز ها همان تركيب كلي يا overall composition است.Overall Composition در واقع تركيب كلي سيستم است بدون در نظر گرفتن تركيب اجزاء تشكيل دهنده سيستم

اسلاید 39: تعيين تركيب فاز هاي موجود در نواحي دو فازيجهت تعيين تركيب در نواحي دو فازي از خط Tie Line استفاده مي كنيم.Tie line: خطي است كه در دماي ثابت خاص و درنواحي دو فازي رسم مي شود و دو سر ان به Phase Boundary هاي ناحيه دو فازي محدود مي شود

اسلاید 40:

اسلاید 41:

اسلاید 42: در اين حالت اگر تركيب كلي C0 باشد1- ابتدا در دماي داده شده tie line را رسم مي كنيم2- از محل برخورد tie line با Phase Boundary هاي مربوط به هر فاز خطوطي عمود بر محور تركيب رسم مي كنيم و تركيب هر كدام از فاز ها را به دست مي آوريم. مثال :

اسلاید 43: Co= 50 wt. % Ni= Overall compositionCL= 33 wt.%:Ni=Liquid compositionCα=43wt.% Ni = solid solution Composition

اسلاید 44: 3- تعيين درصد فاز هاي موجود در ماده با استفاده از نمودار هاي فازياز نمودار هاي فازي مي توان جهت تعيين درصد فاز هاي موجود در ماده استفاده كرد در نواحي تك فاز واضح است كه يك فازكل ساختار را تشكيل مي دهد و بنابر اين مقدار آن 100 درصد است.در نواحي دوفازي از قانون اهرم ها براي پيدا كردن درصد وزني (اتمي و ...) استفاده مي شود.

اسلاید 45: قانون اهرمها براي تعيين درصد فاز هاي موجود در ماده1- ابتدا در دماي داده شده tie line را رسم مي كنيم3- با استفاده از 3 نقطه شامل تركيب دو فاز(دو سر tie line) و تركيب كلي اهرمي مي سازيم كه نقطه اتكا آن تركيب كلي باشد 3- مقدار هر فاز برابر است با فاصله نقطه اتكا از phase boundary فاز ديگر تقسيم بر طول tie line