Eutektyk

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Rys. 1. Wykres równowagi fazowej w układzie Fe–Fe3C
Eutektyka: 4,3% C (ledeburyt)
Temperatura przemiany eutektycznej: 1148 °C

Eutektyka (eutektyk, mieszanina eutektyczna) – mieszanina dwóch lub więcej faz, przy określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych w określonej temperaturze, zwanej temperaturą eutektyczną. Mieszanina jest produktem przemiany eutektycznej. Nazwa wywodzi się z greckiego słowa eutektos, co znaczy łatwo topliwy[1].

Ogólne informacje[edytuj | edytuj kod]

W większości przypadków temperatura eutektyczna jest niższa od temperatury krzepnięcia czystych składników. Wykorzystuje się to przy topieniu i przerabianiu materiałów trudnotopliwych np. poprzez mechaniczne złączenie materiałów doprowadza do dyfuzyjnego utworzenia eutektyki. Kryształy eutektyki są czystymi kryształami składników lub roztworami stałymi o różnych składach. W tym przypadku mówi się o eutektykach roztworów stałych[1]. Eutektyki są stałymi odpowiednikami mieszanin azeotropowychpotrzebne źródło.

Dużo uwagi poświęcono badaniom stopów eutektycznych. Liczne stopy eutektyczne po zakrzepnięciu w odpowiednich warunkach tworzą regularną drobnodyspersyjną strukturę, w której jedna z faz występuje w postaci płytek lub włókien. Eutektykę można potraktować jak kompozyt in situ, jeżeli wystąpi szczególne przestrzenne rozmieszczenie faz o różnych własnościach. Stopy eutektyczne charakteryzują się niskimi temperaturami topnienia i dobrymi własnościami lejnymi[2].

Na rysunku 1 przedstawiono wykres fazowy z modelowym przykładem eutektyki stopów Fe-C zwanej ledeburytem.

Rodzaje eutektyk[edytuj | edytuj kod]

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:

  • płytkowe
  • iglaste
  • prętowe (słupkowe)
  • globuralne (ziarniste)[2][3].

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 są poznane przyczyny powstawania konkretnego typu mieszaniny.

Z punktu widzenia osiągnięcia minimum energii swobodnej powierzchniowej najkorzystniejszą jest eutektyka globularna. W rzeczywistości liczne, rozproszone cząstki fazy globularnej muszą wielokrotnie zarodkować, co wymaga znacznego przechłodzenia.

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 znaczną anizotropią prędkości 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:

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 front krystalizacji, a fluktuacje prędkości wzrostu prowadzą do zmian składu i struktury na kierunku tegoż wzrostu. Podczas takiego krzepnięcia domieszka jest wypychana do cieczy i dyfunduje zarówno 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 np. α (bogata w składnik A). Powoduje to jednoczesne wzbogacanie się w składnik B cieczy przed frontem przemiany. W przechłodzonych obszarach cieczy na fazie α zarodkuje faza β. Tworzenie się fazy β powoduje z kolei wzbogacanie cieczy w składnik A, co sprzyja dalszemu wzrostowi kolejnych kryształów fazy α wzdłuż wydzieleń fazy β. Taka mieszanina eutektyczna składa się z ułożonych na przemian płytek lub prętów faz α i β. Gdy udział objętościowy fazy β jest większy od 1/π to eutektyka ma zwykle budowę płytkową. W przeciwnym przypadku tworzą się prętowe wydzielenia fazy β w osnowie fazy α.

Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym może również polegać na ciągłym heterogenicznym zarodkowaniu i wzroście obu faz. Jedna faza np. α zarodkuje, powodując wzbogacenie cieczy w składnik B i sprzyjając zarodkowaniu fazy β w sąsiedztwie. Faza β zarodkuje zupełnie niezależnie, nie wykazując uprzywilejowanej orientacji krystalograficznej w stosunku do istniejącej w innym miejscu fazy α[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 wzrostu izotropowego, 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.

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

\Delta G_{V(S)} = \Delta G_{V(\infty)} + {2\gamma_{\alpha \beta} \over{S}}

gdzie:

ΔGV(S) - zmiana energii swobodnej objętościowej w przypadku skończonych odległości międzypłytkowych [J/m3]
ΔGV(∞) - zmiana energii swobodnej objętościowej w przypadku nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych [J/m3]
γαβ - energia powierzchni międzyfazowej [J/m2]
V - objętość jednostkowa eutektyki [m3]
Aαβ - powierzchnia międzyfazowa αβ [m2]
S - odległość pomiędzy środkami płytek eutektyki [m]
2/S - powierzchnia międzyfazowa αβ, przypadająca 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 powstanie eutektyki o nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych.

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

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

gdzie:

Rα - prędkość wzrostu fazy α [m/s]
DL - współczynnik dyfuzji z cieczy do płytki fazy β [m2/s]
Δc0 - maksymalna różnica stężeń w fazie ciekłej przed frontem rosnących płytek [%]
η - stała proporcjonalności
S* - krytyczna odległość międzypłytkowa [m]
(cα-L - cL-α) - ilość składnika B wypchniętego do cieczy [%].

Krytyczna odległość międzypłytkowa dana jest wzorem:

S^{*} = -{2\gamma_{\alpha \beta} \over{\Delta G_{V(\infty)}}}[2]

Czynniki wpływające na prędkość wzrostu płytek[edytuj | edytuj kod]

Jeżeli prędkość wzrostu nagle zwiększy się to 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 ΔT :

R \propto (\Delta T)^{2}[2]

Przykłady[edytuj | edytuj kod]

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 Pacyna Jerzy: Metaloznawstwo. Wybrane zagadnienia. Kraków: UWND AGH, 2005, s. 142-144. ISBN 83-89399-93-6.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 Kędzierski Zbigniew: Przemiany fazowe w układach skondensowanych. Kraków: UWND AGH, 2003, s. 123-131. ISBN 83-88408-75-5.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Dobrzański L.A: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo.. Warszawa: WNT, 2003, s. 220-224. ISBN 83-204-2793-2.
  4. Eutectic point (ang.). 2003. [dostęp 2012-03-10].
  5. 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.