Επιστήμη Υλικών 1 Ενότητα 8: Μετασχηματισμοί Φάσεων Διδάσκων: Γ.Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Κωνσταντίνος Πήττας, Διπλ. Μηχ. Μηχ. Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΠΑΤΡΑ 2015

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί ενότητας Με το πέρας της ενότητας αυτής θα πρέπει ο φοιτητής να είναι σε θέση: 1.Να κατανοεί και να χειρίζεται διαγράμματα μετασχηματισμών φάσεων στερεού-στερεού 2.Να γνωρίζει τις βασικές αρχές και εξισώσεις που τα διέπουν 3.Να γνωρίζει την εξάρτηση των μετασχηματισμών φάσεων από τη θερμοκρασία και το χρόνο 4.Να μπορεί να σχεδιάσει μια θερμική κατεργασία ενός μετάλλου για να επιτύχει τις επιθυμητές μηχανικές και άλλες ιδιότητες

Περιεχόμενα ενότητας i.Εισαγωγή ii.Βασικοί ορισμοί iii.Βασικοί μηχανισμοί και νόμοι που διέπουν τους μετασχηματισμούς στερεό- στερεό iv.Μαρτενσιτικός ετασχηματισμός v.Παραδείγματα

Εισαγωγή  Οι ιδιότητες των μετάλλων και των περισσότερων υλικών εξαρτώνται από τις φάσεις που υπάρχουν σε αυτά, δηλαδή της μικροδομής τους  Με το μετασχηματισμό της μικροδομής, δηλαδή με τη μετατροπή του είδους και του ποσοστού των φάσεων είναι δυνατόν να επιτευχθούν οι επιθυμητές ιδιότητες  Είναι σημαντικό επομένως να γνωρίζουμε την πορεία της εξέλιξης της αντίδρασης μετασχηματισμού με το χρόνο και την θερμοκρασία  Η κατανόηση των μηχανισμών και των νόμων που διέπουν τους μετασχηματισμούς φάσεων είναι βασικής σημασίας

Βασικοί ορισμοί ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΦΑΣΕΩΣ ΑΛΛΑΓΗ ΜΙΚΡΟΔΟΜΗΣ Τρεις ομάδες: 1.Απλής διάχυσης: Δεν αλλάζει ο αριθμός και η σύσταση των υπαρχόντων φάσεων (πχ. στερεοποίηση, αλλατροπικός μετασχηματισμός, ανακρυστάλλωση, μεγέθυνση κόκκων) 2.Διάχυσης: Τροποποίηση ποσοστού και χημικής σύστασης φάσεων (πχ. δημιουργία περλίτη από ωστενίτη, ευτηκτοειδής αντίδραση) 3.Μετασχηματισμοί ανεξάρτητοι διάχυσης: Δημιουργία μετασταθούς φάσεως (πχ. απότομη ψύξη, βαφή χαλύβων, δημιουργία μαρτενσίτη) ΚΙΝΗΤΗΡΙΑ ΔΥΝΑΜΗ ΜΕΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Κινητική αντιδράσεων στερεής κατάστασης Για να δημιουργηθεί μια νέα φάση κατά ένα μετασχηματισμό, πρέπει πρώτα να γίνει πυρηνοποίηση, δηλαδή δημιουργία πυρήνων, της νέας φάσης Παραδείγματα ευνοϊκών θέσεων για να πραγματοποιηθεί πυρηνοποίησης είναι οι περιοχές αυξημένης ενέργειας όπως όρια κόκκων, θέσεις ατελειών κλπ. Κινητική μετασχηματισμού: ρυθμός μεταβολής δηλαδή η χρονική εξάρτηση του μετασχηματισμού Συνήθως καταγράφεται η μετατροπή των φάσεων συναρτήσει του χρόνου για σταθερή θερμοκρασία. Η μετατροπή υπολογίζεται είτε απευθείας είτε με την αλλαγή κάποιας φυσικής ιδιότητας όπως πχ. της ηλεκτρικής αγωγιμότητας

Παρουσίαση αποτελεσμάτων Καταγραφή: Ποσοστό μετασχηματισμού λογάριθμος χρόνου Η συνήθης μορφή των αντιδράσεων στερεής κατάστασης είναι μορφής καμπύλης «S» (βλέπε σχήμα) Η μορφή της ανωτέρω καμπύλης περιγράφεται από τη σχέση: y=1-exp(-kt n ) εξίσωση Avrami Οι σταθερές k, n είναι ανεξάρτητες του χρόνου και χαρακτηριστικές του είδους της αντίδρασης

Επίδραση της θερμοκρασίας στο ρυθμό Παράδειγμα: ανακρυστάλλωση καθαρού μετάλλου (χαλκού) Όπως φαίνεται από την ανωτέρω εικόνα:  Κατά τον μετασχηματισμό φάσεων η θερμοκρασία είναι η κυρίαρχη μεταβλητή που μπορεί να ελεγχθεί  Έχει ιδιαίτερη επίδραση στην κινητική του μετασχηματισμού και επομένως στον ρυθμό μετασχηματισμού

Θερμικά ενεργοποιημένες αντιδράσεις Στις περισσότερες αντιδράσεις στερεής κατάστασης ο ρυθμός μετατροπής δίνεται από την εξίσωση: R=Ae -Q/RT εξίσωση Arrhenius R=ταχύτητα (ρυθμός) μετασχηματισμού πχ. αριθμός ατόμων που κινούνται στη μονάδα του χρόνου Α=σταθερά ανεξάρτητη του Τα Q=ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης μετασχηματισμού Τ=απόλυτη θερμοκρασία R=σταθερά αερίων Λογαριθμίζοντας: lnR=lnA-Q/RT 1/T lnR Κλίση=-Q/RT (υπολογισμός Q) (1/T 0, A:υπολογισμός)

Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων Εικόνες από Materials Science and Engineering, An Introduction, William D. Callister

Τέλος Ενότητας