Eutektyka

Rys. 1.Wykres równowagi fazowejwukładzie Fe–Fe₃C
Eutektyka: 4,3% C (ledeburyt)
Temperatura przemiany eutektycznej: 1148 °C

Eutektyka (eutektyk, mieszanina eutektyczna)– mieszanina dwóch lub więcejfazo określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych w pewnej temperaturze, zwanejtemperaturą eutektyczną.Mieszanina ta jest produktemprzemiany eutektycznej.Nazwa wywodzi się z greckiego słowaeutektos,co znaczy „łatwo topliwy”.

Ogólne informacje

W większości przypadków temperatura eutektyczna jest niższa odtemperatury krzepnięciaczystych składników. Wykorzystuje się to przy topieniu i przerabianiu materiałów trudno topliwych, na przykład mechaniczne złączenie materiałów doprowadza do dyfuzyjnego utworzenia eutektyki. Kryształy eutektyki są czystymi kryształami składników lubroztworami stałymio różnych składach.Eutektyki są stałymi odpowiednikamimieszanin azeotropowych^{potrzebne źródło}.

Dużo uwagi poświęcono badaniom stopów eutektycznych – liczne po zakrzepnięciu w odpowiednich warunkach tworzą regularną drobnodyspersyjną strukturę, w której jedna z faz występuje w postaci płytek lub włókien. Eutektykę można uznać zakompozytin situ,jeżeli wystąpi szczególne przestrzenne rozmieszczenie faz o różnych właściwościach. Stopy eutektyczne charakteryzują się niskimitemperaturami topnieniai dobrymiwłasnościami lejnymi.

Na rysunku 1 przedstawiono wykres fazowy z modelowym przykładem eutektykistopów Fe–C,zwanejledeburytem.

Rodzaje eutektyk

Rys. 2. Schemat podstawowych typów eutektyk:
A – eutektyka płytkowa
B – eutektyka prętowa
C – eutektyka globularna
D – eutektyka iglasta

W zależności od kształtu i rozmieszczenia dwu faz stałych tworzących eutektykę rozróżnia się mieszaniny:

• globularne (o kulistym ziarnie),
• iglaste,
• płytkowe,
• prętowe (słupkowe).

Na rysunku 2 przedstawione są graficznie różne typy eutektyk.

Ocena morfologii eutektyk jest sprawą umowną. W zależności od wybranej techniki obserwacyjnej dla tego samego zgładu można określić różne typy eutektyki. Nie do końca również poznane są przyczyny powstawania konkretnego typu mieszaniny.

Z punktu widzenia osiągnięcia minimumswobodnej energii powierzchniowejnajkorzystniejszą jest eutektyka globularna. W rzeczywistości liczne, rozproszone cząstki fazy globularnej muszą wielokrotniezarodkować,co wymaga znacznegoprzechłodzenia.

Eutektyki prętowe i płytkowe mogą wzrastać przy niskich wartościach przechłodzenia. Ich powierzchnia międzyfazowa jest dużo większa od eutektyk globularnych i iglastych, toteż pojawia się większy czynnik energetyczny hamujący krystalizację.

Jeżeli jedna z faz w eutektyce charakteryzuje się znacznąanizotropiąprędkości wzrostu, to rośnie w określonym kierunku krystalograficznym znacznie szybciej od osnowy i zarodkuje wielokrotnie. Taki mechanizm wzrostu promuje powstanie eutektyki iglastej.

Ogólnie na morfologię eutektyk mają wpływ poniższe czynniki:

• wielkość przechłodzenia
• proporcje ilościowe faz
• anizotropia własności faz
• objętość właściwa
• współczynnik rozdziału
• przewodność cieplnafaz.

Krzepnięcie eutektyk

Wzrost kryształów w eutektykach jest zasadniczo podobny do wzrostu w stopach jednofazowych. Sterowanie gradientem temperatury i prędkością wzrostu pozwala zachować płaski frontkrystalizacji,afluktuacjeprędkości wzrostu prowadzą do zmian składu i struktury na kierunku tegoż wzrostu. Podczas takiego krzepnięcia domieszka jest wypychana do cieczy idyfundujezarówno w kierunku wzrostu, jak i w kierunku do niego poprzecznym.

Krzepnięcie eutektyk płytkowych i prętowych

Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym rozpoczyna się heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz, na przykład$\alpha$(bogata w składnik A). Powoduje to jednoczesne wzbogacanie się w składnik B cieczy przed frontem przemiany. W przechłodzonych obszarach cieczy na fazie$\alpha$zarodkuje faza$\beta.$Tworzenie się fazy$\beta$powoduje z kolei wzbogacanie cieczy w składnik A, co sprzyja dalszemu wzrostowi kolejnych kryształów fazy$\alpha$wzdłuż wydzieleń fazy$\beta.$Taka mieszanina eutektyczna składa się z ułożonych na przemian płytek lub prętów faz$\alpha$i$\beta.$Gdy udział objętościowy fazy$\beta$jest większy od$1/\pi,$eutektyka ma zwykle budowę płytkową. W przeciwnym przypadku tworzą się prętowe wydzielenia fazy$\beta$w osnowie fazy$\alpha.$

Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym może również polegać na ciągłym heterogenicznym zarodkowaniu i wzroście obu faz. Jedna faza (np.$\alpha$) zarodkuje, powodując wzbogacenie cieczy w składnik B i sprzyjając zarodkowaniu fazy$\beta$w sąsiedztwie. Faza$\beta$zarodkuje zupełnie niezależnie, nie wykazując uprzywilejowanejorientacji krystalograficznejw stosunku do istniejącej w innym miejscu fazy$\alpha$.

Krzepnięcie eutektyk globularnych i iglastych

Krystalizacja eutektyk może być zapoczątkowana stałym heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz w cieczy przed frontem krystalizacji. Osnowa krystalizuje niezależnie z cieczy, w której istnieją już wydzielenia drugiej fazy. Mają one w stosunku do osnowy przypadkową orientację krystalograficzną. Eutektykę globularną uzyskuje się w wyniku wzrostuizotropowego,a eutektykę iglastą w wyniku anizotropowego wzrostu wydzieleń.

Prędkość wzrostu eutektyk płytkowych

Problematyka

Problematyka wzrostu eutektyk płytkowych wymaga rozwiązania dwu zagadnień:

• wpływ energii powierzchni międzyfazowej na temperaturę eutektyczną
• rola strumieni dyfuzyjnych towarzyszących równoczesnemu wzrostowi faz.

$\Delta G_{V(S)}=\Delta G_{V(\infty )}+{\frac {\gamma _{\alpha \beta }\cdot A_{\alpha \beta }}{V}},$

$\Delta G_{V(S)}=\Delta G_{V(\infty )}+{\frac {2\gamma _{\alpha \beta }}{S}},$

gdzie:

$\Delta G_{V(S)}$– zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku skończonych odległości międzypłytkowych [J/m³],

$\Delta G_{V(\infty )}$– zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych [J/m³],

$\gamma _{\alpha \beta }$– energia powierzchni międzyfazowej [J/m²],

$V$– objętość jednostkowa eutektyki [m³],

$A_{\alpha \beta }$– powierzchnia międzyfazowa$\alpha \beta$[m²],

$S$– odległość pomiędzy środkami płytek eutektyki [m],

$2/S$– powierzchnia międzyfazowa$\alpha \beta$przypadająca na jednostkę objętości eutektyki [1/m].

Rozwiązanie

Uzyskanie eutektyki o skończonych odległościach międzypłytkowych wymaga obniżenia temperatury poniżej temperatury eutektycznej. Krzepnięcie nie może się odbywać przy temperaturze eutektycznej, ponieważ powodowałoby to powstawanie eutektyki o nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych.

Clarence Zenerrozwiązał problem wpływu parametrów procesu na wielkość odległości międzypłytkowych przez założenie, że realizowane w danych warunkach odległości międzypłytkowe to takie, które maksymalizują prędkość wzrostu. Opisuje to poniższa relacja:

$R_{\alpha }={\frac {D_{L}\Delta c_{0}}{4\eta (c_{\alpha -L}-c_{L-\alpha })\cdot S^{*}}},$

gdzie:

$R_{\alpha }$– prędkość wzrostu fazy$\alpha$[m/s],

$D_{L}$– współczynnik dyfuzji z cieczy do płytki fazy$\beta$[m²/s],

$\Delta c_{0}$– maksymalna różnica stężeń w fazie ciekłej przed frontem rosnących płytek [%],

$\eta$– stała proporcjonalności,

$S^{*}$– krytyczna odległość międzypłytkowa [m],

$(c_{\alpha -L}-c_{L-\alpha })$– ilość składnika B wypchniętego do cieczy [%].

Krytyczna odległość międzypłytkowa dana jest wzorem:

$S^{*}=-{\frac {2\gamma _{\alpha \beta }}{\Delta G_{V(\infty )}}}.$

Czynniki wpływające na prędkość wzrostu płytek

Jeżeli prędkość wzrostu nagle zwiększy się, odległości międzypłytkowe będą zbyt duże w porównaniu ze średnimi drogami dyfuzji domieszki. Nadmiar substancji gromadzi się przed frontem krystalizacji szerszej płytki lub obiema, obniżając temperaturę procesu.

Prędkość wzrostu płytek silnie zależy od wielkości przechłodzenia$\Delta T$:

$R\propto (\Delta T)^{2}.$

Przykłady

• nadprzewodniki
• materiały odporne napełzanie
• skomplikowane odlewane elementy maszyn i konstrukcji
• stopy odlewnicze na bazie aluminium, krzemu orazżeliwa
• stopy dolutowania miękkiegona bazie cyny,ołowiu,srebrai złota
• stopy dolutowania twardego,gdy z powodu destrukcyjnego wpływu dyfuzji niemożliwe jest uzyskanie innego typu połączenia
• stopy dlasystemów przeciwpożarowych(np.stop Wooda,stop Fielda)
• nietoksyczne zamiennikirtęci(np.galinstan)
• stopy na bazie sodu i potasu (NaK) używane jakochłodziwowreaktorach na prędkich neutronach
• stopyCd–Pb,Bi–CdiBi–Znwykazujące silną anizotropię właściwości elektrycznych, w szczególnościoporności.

Zobacz też

• eutektoid
• perytektoid
• perytektyka
• punkt eutektyczny
• stop Lichtenberga
• stop Newtona
• stop Rosego