Størkning av eutektiske legeringer

Presentasjon om: "Størkning av eutektiske legeringer"— Utskrift av presentasjonen:

1 Størkning av eutektiske legeringer
Viktige eutektiske legeringer er: støpejern og Al-Si Eutektiske legeringer klassifiseres i tre grupper:

2 Regulær eutektisk størkning
Lamelle struktur: Pb-23 wt% Cd Stav struktur: Sn – 18 wt% Pb

3 Eutektiske strukturer
Kompleks regulær eutektisk struktur Al -35 wt% Ge Irregulær struktur (??) av Al-9,6 wt%Si

4 Typer av eutektiske legeringer
Stavformet Lameller Uregelmessige staver Kuler

5 Morfologi til eutektiske legeringer
Ikke-facetterte faser vil ha en underkjøling på ca 0,2 °C Facetterte krystaller vil ha en større underkjøling, 1-2 °C, og ligge lenger unna laget der temperaturen er lik størkningstemperaturen. Et eutektikum bestående av en facettert og en ikke-facettert vil ofte få forgreninger i størkningen og en mer irregulær morfologi. Det gjelder ikke bestandig. Eksempler: Ag-Bi og Al-Al3Ni.

6 Kinetikken i vekst av eutektiske lameller
Det er tre typer av reaksjoner som kan være opphav til en regulær struktur av plater (lameller): En eutektiske reaksjon med ikke-facetterte faser Eutektoid reaksjon (for eksempel dannelse av perlitt) Diskontinuerlige utfellings reaksjoner Alle disse reaksjonene er avhengig av en kobling mellom to reaksjoner

7 Kinetikken i vekst av eutektiske lameller
En smelte med eutektisk sammensetning, CB=CE, størkner. Det er en koblet vekst av α- og -plater. I løpet av en tid dt beveger de seg fra posisjon I til posisjon II. Det må ha skjedd en diffusjon i smelten foran strøkningsfronten, og det har blitt dannet grenseflater mellom α- og -fasen

8 Kinetikken i vekst av eutektiske lameller II
B-atomer A og B atomer blir redistribuert foran størkningsfronten

9 Vekst av eutektiske lameller II
Fluksen av B-atomer som blir kastet vekk fra α-platene: J= Aα-1*(dm/dt) = R*(Cα(l)-Cα(s)) ≈ R*(CE-Cα) der Aα er overflatearealet mellom α-fase og smelte

10 Vekst av eutektiske lameller III
Den laterale diffusjonen i Y-retning er omtrent lik: J(diff) = D*C/(S0/2) Ved steadt state er J(frastøtt)=J(diff)  R (hastighet til størkningsfront: C=midlere differens i sammensetning til smelten foran α- og -plater

11 Størkning Rene størkner i et termisk felt ved en lav underkjøling Tk:
G = Sf * Tk Eutektikum fryser ved hjelp av tre irreversible prosesser: - Netto atomstrøm fra smelte til fast stoff - Diffusjon i smeltene foran α-fasen og -fasen - Generering av en overflate α- med overlateenergi: α Alle tre prosssene trenger energi Når et eutektikum fryser skjer det for en underkjøling TE og en fri energi GB: GB= Sf *  TE der  Sf *er størkningsentropien per volum av smelten.

12 Vekst av lameller IV Frigjort energi ved å flytte fronten dZ: GB * S0 * 1* dZ Kreert en overflateenergi: 2* α * 1* dZ Energi påkrevd for å diffundere atomer: Gd * S0 * 1* dZ Energibalansen gir: GB = (2* α/S0 ) +Gd

13 Vekst av lameller V Anta at lamellene krymper til en minimumverdi Smin
Da vil atomene diffundere meget kort distanse og Gd  0 I dette tilfele vil den fri energi være gitt ved: GB = 2* α/Smin Generelt vil derfor fri energien påkrevd for å drive diffusjonen: Gd = GB *(1- Smin/S0 ) = Sf *TE*(1- Smin/S0 )

14 Vekst av lameller V Den totale underkjølingen: TE =Td + TS
Differensen i konsentrasjon foran fronten: Underkjølingen som skyldes diffusjon:

15 Vekst av lameller VI Størkningshastigheten er:
Det innebærer at den totale underkjølingen TE er:

16 Vekst av lameller VII Eksperimenter viste lamelleavstanden var omvent proporsjonal med roten av størkningshastigheten: S = konstant/ R Teoretisk fikk Zener og Tiller dette til ved å anta at størkningen skjedde for en lamelleavstand som ga minimum underkjøling TE

17 Vekst av lameller VIII Den totale underkjøling:
Den deriverte T’=0 når S0=2Smin Det gir en størkningshastighet på: der Sopt = S0 Når S blir for stor dvs. større enn 10 µm, blir lamellene bølgete Når lamellene er små dvs. S <0,5 µm er det vanskelig å forhindre at lamellestrukturen bryter opp Vanlige eutektikum med regulær lamellestruktur har S ≈ 1-3 µm der

18 Stabilitet til eutektiske grenseflater
Rene binære eutektiske legeringer - Det er nesten ikke noen opphopning av elementer foran strøkningsfronten - For regulære mikrostrukturer er fronten planar for Gl  0 For komplekse-regulære mikrostrukturer blir fronten i enkelte størkninger ustabil og dendritter kan forekomme ved lave Gl.

19 Strukturen til urene eutektiske legeringer
En tilsats eller forurensning til binære, eutektiske legeringer vil alltid ha en fordeling mellom smelte, α-fasen og -fasen. Hvis partisjonskoeffesienten k < 1, vil det bli en opphopning av forurensningsatomer i smelte foran fronten. k < 1 kan gi opphav til en cellulær dendrittstruktur, og kolonier som skissert på figur 9.39. I ternære systemer kan man få utfelling av to ulike faser i eutektiske lignende kolonier der den ene fasen kan inneholde forurensningselementet.

20 Partikler i en forurenset Al- 7 wt% Si legering
Eutektikum: Al og Si-partikler Effekt av Fe og Mn-atomer: kolonier av grå avlange α-Al(Fe,Mn)Si (pil) Al Al

21 Regulær eutektisk størkning
Lamelle struktur: Pb-23 wt% Cd Stav struktur: Sn – 18 wt% Pb 6% unna eutektikum 20% unna eutektikum

22 Eutektisk størkning av legeringer med avvikende sammensetning
B A Sammensetningen er C: C = fα*Cα + (1- fα)C Midlere sammensetning kan bli forskjellig fra den eutektiske CE hvis volumet av fα kan øke (eventuelt avta) Det må være lettere å nukleere eutektikum kontra fasen α Det vil være en opphopning av B-atomer foran størkningsfronten for legeringer som skissert på figur 9.40.

23 Eutektiske strukturer for lave konsentrasjoner av B
Betingelser for regulær eutektisk kompositt: 1. Smelten nær fronten har en eutektisk sammensetning Oppbygging av smelte rik på B foran fronten Kritisk superkjøling blir: GCr=-mR(CE-C0)/D - Senere forskning har vist at superkjølingskriteriet virker for legeringer med C0 nær Cα - For legeringer med C nær CE kan man få planare fronter med meget lave G-verdier sammenlignet med kritisk superkjøling 2. Fronten er planar

24 Eutektiske strukturer
Eksperimenter har vist at Eutekiske strukturer oppnås for lave størkningshastigheter dvs. G=1-5 °C/cm - De kan ha høye størkninghastigheter R. T A B Det skraverte området angir sammen- setninger der legeringene har koblet vekst av eutektikum.

25 Reulære eitektiske strukturer og krystallografi
Tinn - Bly Det er ofte enkle krystallografiske sammenhenger mellom faser i regulære eutektiske strukturer Eksempel mellom tinn-bly: Interfase planet: Vekstretning: [211]

26 Dendrittisk vekst av krystaller i organisk smelte

27 Vekst av α-partikler omgitt
av eutektiske kolonier i en A-B legering som har avvikende sammensetning Eksempel: Al - 7 wt%Si

28 Kombinert vekst av dendritter og eutektikum
Snitt gjennom en α-dendritt der kjernen har en lav konsentrasjon av atom B - Dendrittene er omgitt av eutektikum α-.

29 Peritektisk størkning
α α  + Smelte