Eutektyka
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”[1].
Ogólne informacje
[edytuj|edytuj kod]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[1].Eutektyki są stałymi odpowiednikamimieszanin azeotropowychpotrzebne 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[2].
Na rysunku 1 przedstawiono wykres fazowy z modelowym przykładem eutektykistopów Fe–C,zwanejledeburytem.
Rodzaje eutektyk
[edytuj|edytuj kod]W zależności od kształtu i rozmieszczenia dwu faz stałych tworzących eutektykę rozróżnia się mieszaniny:
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[2].
Ogólnie na morfologię eutektyk mają wpływ poniższe czynniki:
- wielkość przechłodzenia
- proporcje ilościowe faz
- anizotropia własności faz
- objętość właściwa
- współczynnik rozdziału[2]
- przewodność cieplnafaz[3].
Krzepnięcie eutektyk
[edytuj|edytuj kod]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[2].
Krzepnięcie eutektyk płytkowych i prętowych
[edytuj|edytuj kod]Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym rozpoczyna się heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz, na przykład(bogata w składnik A). Powoduje to jednoczesne wzbogacanie się w składnik B cieczy przed frontem przemiany. W przechłodzonych obszarach cieczy na faziezarodkuje fazaTworzenie się fazypowoduje z kolei wzbogacanie cieczy w składnik A, co sprzyja dalszemu wzrostowi kolejnych kryształów fazywzdłuż wydzieleń fazyTaka mieszanina eutektyczna składa się z ułożonych na przemian płytek lub prętów faziGdy udział objętościowy fazyjest większy odeutektyka ma zwykle budowę płytkową. W przeciwnym przypadku tworzą się prętowe wydzielenia fazyw osnowie fazy
Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym może również polegać na ciągłym heterogenicznym zarodkowaniu i wzroście obu faz. Jedna faza (np.) zarodkuje, powodując wzbogacenie cieczy w składnik B i sprzyjając zarodkowaniu fazyw sąsiedztwie. Fazazarodkuje zupełnie niezależnie, nie wykazując uprzywilejowanejorientacji krystalograficznejw stosunku do istniejącej w innym miejscu fazy[3].
Krzepnięcie eutektyk globularnych i iglastych
[edytuj|edytuj kod]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[3].
Prędkość wzrostu eutektyk płytkowych
[edytuj|edytuj kod]Problematyka
[edytuj|edytuj kod]Problematyka wzrostu eutektyk płytkowych wymaga rozwiązania dwu zagadnień:
- wpływ energii powierzchni międzyfazowej na temperaturę eutektyczną
- rola strumieni dyfuzyjnych towarzyszących równoczesnemu wzrostowi faz.
gdzie:
- – zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku skończonych odległości międzypłytkowych [J/m³],
- – zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych [J/m³],
- – energia powierzchni międzyfazowej [J/m²],
- – objętość jednostkowa eutektyki [m³],
- – powierzchnia międzyfazowa[m²],
- – odległość pomiędzy środkami płytek eutektyki [m],
- – powierzchnia międzyfazowaprzypadająca na jednostkę objętości eutektyki [1/m][2].
Rozwiązanie
[edytuj|edytuj kod]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:
gdzie:
- – prędkość wzrostu fazy[m/s],
- – współczynnik dyfuzji z cieczy do płytki fazy[m²/s],
- – maksymalna różnica stężeń w fazie ciekłej przed frontem rosnących płytek [%],
- – stała proporcjonalności,
- – krytyczna odległość międzypłytkowa [m],
- – ilość składnika B wypchniętego do cieczy [%].
Krytyczna odległość międzypłytkowa dana jest wzorem[2]:
Czynniki wpływające na prędkość wzrostu płytek
[edytuj|edytuj kod]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[2]:
Przykłady
[edytuj|edytuj kod]- nadprzewodniki
- materiały odporne napełzanie
- skomplikowane odlewane elementy maszyn i konstrukcji[2]
- 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[4]
- stopyCd–Pb,Bi–CdiBi–Znwykazujące silną anizotropię właściwości elektrycznych, w szczególnościoporności[5].
Zobacz też
[edytuj|edytuj kod]Przypisy
[edytuj|edytuj kod]- ↑abPacyna Jerzy:Metaloznawstwo. Wybrane zagadnienia.Kraków: UWND AGH, 2005, s.142–144.ISBN83-89388-93-6.
- ↑abcdefghiKędzierski Zbigniew:Przemiany fazowe w układach skondensowanych.Kraków: UWND AGH, 2003, s. 123–131.ISBN83-88408-75-5.
- ↑abcdDobrzański L.A:Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo.Warszawa: WNT, 2003, s. 220–224.ISBN83-204-2793-2.
- ↑Eutectic point.2003. [dostęp 2012-03-10]. [zarchiwizowane ztego adresu(2011-12-16)].(ang.).
- ↑I.H. Moon, Y.L. Kim, I.S. Ahn.Electrical anisotropic property of some unidirectionally solidified eutectic alloys.„Journal of Materials Science”. 16 (5), s. 1367–1373, 1981. Berlin, Niemcy: Springer.DOI:10.1007/BF01033853.