واکنش یوتکتیک

واکنش یوتکتیک

تعداد بازدید: 25547
چهارشنبه 03 دي 1393

واکنش یوتکتیک

برای بررسی واکنش یوتکتیک (Eutectic Reaction) ابتدا به سیستم دو جزئی با نقطه یوتکتیک پرداخته می شود. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود، منحنی های سرد کردن فلزات خالص A و B یک خط افقی را در نقطه {{انجماد}} خود نشان می دهند. با اضافه کردن A به B، دمای آغاز انجماد کاهش پیدا می کند. چون هر فلز دمای انجماد فلز دیگر را پایین می آورد، خط وصل کننده نقاط آغاز انجماد باید یک مینیمم را نشان دهند (نقطه E). نقطه E به عنوان نقطه یوتکتیک معروف است و دارای تکیب 60B-40A است. باید توجه شود که در محدوده ای از ترکیب قسمتی از منحنی سرد کردن که پایان انجماد را نشان می دهد، در یک دمای ثابت انجام می گیرد. خط افقی پائینی در  TE به دمای یوتکتیک معروف است. انجماد آلیاژی با ترکیب یوتکتیک 60B-40A در یک دمای مشخص، شبیه به یک فلز خالص انجام می شود که همان دمای یوتکتیک است، اما این آلیاژ نقطه ذوب متجانس ندارد. چون همانطور که بعدا گفته خواهد شد، جامد حاصل مخلوطی از دو فاز است، در حالی که آلیاژ با نقطه ذوب متجانس جامد تک فازی است.

نمودار فازی واقعی را می توان با انتقال تغییر شیب ها در منحنی های سرد کردن به یک نمودار دما – ترکیب، ساخت. نقاط M و N روی خطوط عمودی نشان دهنده نقطه ذوب فلز خالص است. برای آلیاژی با ترکیب 20B-80A، دمای آغاز انجماد T1 و پایان آن TE است. روش مشابه برای آلیاژ های دیگر استفاده می شود.

خط بالایی در نمودار فازی که دو نقطه ذوب را به هم وصل می کند (MEN) خط لیکوئیدوس است و آغاز انجماد را نشان می دهد. نقطه ای که در آن خطوط لیکوئیدوس یکدیگر را قطع می کنند، نقطه یوتکتیک (E) است. TE دمای یوتکتیک و 60B-40A ترکیب یوتکتیک نامیده می شود. خط سالیدوس همواره یک خط پیوسته است که نقاط ذوب فلزات خالص را به هم وصل می کند، به طوری که خط سالیدوس کامل MFGN است. این نمودار فازی شامل چهار ناحیه است. چون دو فلز در حالت مذاب به طور کامل در یکدیگر حل می شوند، ناحیه بالای خط لیکوئیدوس یک محلول مذاب همگن تک فازی است. سه ناحیه باقی مانده مناطق دوفازی هستند. هر ناحیه دو فازی باید در امتداد یک خط افقی به نواحی تک فازی محدود شود. اگر ابتدا نواحی تک فازی نامگذاری شوند، آنگاه نواحی دو فازی به آسانی مشخص می شوند. برای مثال در این شکل برای تعیین فازهایی که در ناحیه دو فازی MFE وجود دارند یک خط افقی OL کشیده می شود. این خط، خط لیکوئیدوس را در L قطع می کند. بنابراین مذاب، یکی از فاز های موجود در ناحیه دو فازی است. این خط محور سمت چپ را در نقطه O قطع می کند. محور سمت چپ نمایانگر یک فاز (فلز خالص A) است که در زیر نقطه ذوب آن به شکل جامد است. بنابراین مذاب و جامد ،A دو فازی هستند که در ناحیه MFE وجود دارند. به طریق مشابه دو فازی که در ناحیه NEG وجود دارند، مذاب و جامد B هستند. روش بالا برای هر نمودار فازی می تواند به کار برده شود.

 

سیستم یوتکتیک، نمودار یوتکتیک

بنابراین، از این روش می توان برای نامگذاری نمودار های فازی پیچیده تر استفاده کرد. چون در این سیستم، دو فلز در حالت جامد در یکدیگر غیر قابل حل شدن هستند، بدیهی است هنگامی که انجماد شروع می شود تنها جامدی که تشکیل می شود یک فلز خالص است. بعد از کامل شدن انجماد، آلیاژ مخلوطی از دو فلز خواهد بود. آلیاژ هایی که در سمت چپ نقطه یوتکتیک قرار دارند را آلیاژ های هیپویوتکتیک و آلیاژهایی که در سمت راست نقطه یوتکتیک قرار دارند را هیپریوتکتیک می نامند. در ادامه سرد کردن تعادلی چند آلیاژ مورد بررسی قرار می گیرد.

بررسی دیاگرام محلول در حالت مذاب و نامحلول در حالت جامد

هنگامی که آلیاژ 1 با ترکیب یوتکتیک 60B-40A از دمای To سرد می شود، تا دمای یوتکتیک (E) به صورت محلول مذاب همگن باقی می ماند. چون این نقطه محل تقاطع خطوط لیکوئیدوس و سالیدوس است، مذاب در این نقطه باید شروع به انجماد کند و دما ثابت باقی بماند تا هنگامی که انجماد آلیاژ کامل شود. مذاب به مخلوطی از دو فاز منجمد می شود، این فاز ها همواره آن هایی هستند که در دو انتهای خط افقی دمای یوتکتیک قرار دارند. در این حالت نقطه F فلز خالص A و نقطه G فلز خالص B است. حال فرض کنید که مقدار کمی از فلز خالص A منجمد شود. این عمل مذاب غنی تر از B را به جای می گذارد و سبب می شود تا ترکیب مذاب به طور جزئی به سمت راست انتقال پیدا کند. برای برگرداندن ترکیب مذاب به مقدار تعادلی، B منجمد خواهد شد. اگر مقدار بسیار جزئی بیشتر B منجمد شود، ترکیب مذاب به سمت چپ انتقال پیدا خواهد کرد. برای رسیدن به ترکیب تعادلی لازم است که A منجمد شود. بنابراین در دمای ثابت، مذاب به طور متناوب به شکل A خالص و B خالص منجمد می شود و منجر به تشکیل یک مخلوط بسیار ریز می شود که در زیر میکروسکوپ قابل رویت است. این مخلوط به عنوان مخلوط یوتکتیک معروف است. تبدیل مذاب با ترکیب E به دو جامد در دمای ثابت به عنوان واکنش یوتکتیک شناخته شده است و به صورت زیر می تواند نوشته شود:

واکنش یوتکتیک

  نمونه ای از نمودار یوتکتیک

چون انجماد آلیاژ یوتکتیک در دمای ثابت انجام می شود، منحنی سرد کردن آن مانند یک فلز خالص یا آلیاژ با نقطه ذوب متجانس خواهد بود. اما آلیاژ یوتکتیک، آلیاژ با نقطه ذوب متجانس نیست، چون اختلاف در ترکیب فازهای جامد و مذاب وجود دارد.

آلیاژ 2 که یک آلیاژ هیپویوتکتیک با ترکیب 20B-80A است، تا T1 به صورت محلول مذاب همگن باقی می ماند. در این نقطه، مذاب با ترکیب L1 از A اشباع است. با کاهش دما، A اضافی به طور جزئی باید منجمد شود. مذاب با رسوب دادن بلور های A خالص باید از B غنی تر شود. با کاربرد قانون اول در T2، فاز جامد، A خالص و ترکیب مذاب  L2، برابر با 30B-70A است. مقدار مذابی که تا این دما منجمد شده است را می توان با استفاده از قانون اهرم محاسبه کرد:

با ادامه انجماد، مقدار A خالص به تدریج با رسوب گذاری از مذاب افزایش می یابد و ترکیب مذاب از B غنی تر می شود و به سمت پایین در امتداد منحنی لیکوئیدوس حرکت می کند. در حالی که مقدار مذاب به تدریج کاهش می یابد. هنگامی که آلیاژ به TE رسید، ترکیب مذاب در نقطه E است. شرایطی که درست در بالای دمای یوتکتیک یا TE+ ε وجود دارد مخلوطی از فاز مذاب با ترکیب 40A-60B به مقدار 33% و جامد A به مقدار 67% است.

حال این مذاب باقیمانده (33%) در نقطه یوتکتیک به مخلوط A+B (همانند آلیاژ 1) منجمد می شود. بعد از انجماد، ساختار میکروسکوپی آلیاژ متشکل از 67 درصد دانه های اولیه A یا A پرویوتکتیک (که بین TE و T1 قبل از واکنش یوتکتیک تشکیل شده است) و 33 درصد مخلوط یوتکتیک (A+B) خواهد بود. هر آلیاژی در سمت چپ نقطه یوتکتیک E بعد از انجماد شامل دانه های اولیه A و مخلوط یوتکتیک خواهد بود. هر چه ترکیب آلیاژ به ترکیب یوتکتیک نزدیک تر باشد، مخلوط یوتکتیک در آلیاژ منجمد شده بیشتر خواهد بود.

مراحل مختلف سرد کردن آرام آلیاژ 20B-80A

آلیاژ 3 یک آلیاژ هیپریوتکتیک با ترکیب 90B-10A است. این آلیاژ همان فرآیند سرد شدن آلیاژ 2 را تجربه می کند، با این تفاوت که به جای A خالص بلورهای B خالص از مذاب رسوب می کند. با کاهش بیشتر دما، مقدار بیشتری B منجمد می شود و مذابی غنی تر از A را به جای می گذارد. مقدار مذاب به تدریج کم می شود و ترکیب آن به سمت پایین در امتداد خط لیکوئیدوس حرکت می کند تا به نقطه E برسد. در این دما مذاب باقی مانده به مخلوط یوتکتیک (A+B) منجمد می شود. بعد از انجماد، ساختار میکروسکپی آلیاژ شامل دانه های B اولیه یاB  پرو یوتکتیک و 25% مخلوط یوتکتیک (A+B) خواهد بود. هر آلیاژی در سمت راست نقطه یوتکتیک بعد از انجماد شامل دانه های B پری یوتکتیک و مخلوط یوتکتیک خواهد بود. تنها اختلاف آن ها در مقدار نسبی این فازها خواهد بود. رابطه بین ترکیب آلیاژها و ساختار میکروسکپی می تواند با استفاده از ترکیب یوتکتیک به عنوان یک خط مرزی فرضی نشان داده شود. منطقه پایین خط سالیدوس به سمت چپ ترکیب یوتکتیک شامل یوتکتیک و جامد خالص A و ناحیه سمت راست ترکیب یوتکتیک شامل مخلوط یوتکتیک و جامد خالص B خواهد شد.

رابطه خطی بین مقادیر فازها در ساختار میکروسکوپی با ترکیب آلیاژ برای یک سیستم یوتکتیکی

بررسی دیاگرام انحلال کامل در حالت مذاب و انحلال جزئی در حالت جامد

چون اکثر فلزات مقداری حلالیت در یکدیگر در حالت جامد از خود نشان می دهند، این معمول ترین نوع سیستم آلیاژی است. نقطه ذوب دو فلز با نقاط TA و TB نشان داده شده است. خط لیکوئیدوس، TAETB و خط سالیدوس، TAFEGTB است. ابتدا مناطق تک فازی باید نامگذاری شوند. در بالای خط لیکوئیدوس یک فاز محلول مذاب وجود دارد. در نقاط ذوب که خطوط سالیدوس و لیکوئیدوس یکدیگر را قطع می کنند، نمودار شبیه به نمواد با {{حلالیت کامل در جامد}} است. چون دو فلز به طور جزئی در یکدیگر حل می شوند، در هنگام انجماد یک محلول جامد باید تشکیل شود. آلیاژ ها در این سیستم هرگز به شکل بلور های خالص A و B منجمد نمی شوند و همیشه یک محلول جامد یا مخلوطی از محلول های جامد تشکیل می شوند. نواحی تک فازی جامد به صورت α و β نامگذاری می شوند. محلول جامد α محلول جامد غنی از A است که در آن A عنصر حلال و B عنصر محلول است و محلول جامد β بر عکس آن است.

چون این محلول های جامد نزدیک به محور های عمودی هستند به آن ها محلول های جامد انتهایی نیز گفته می شود. حال سه نقطه دو فازی دیگر به صورت liquid+α ،liquid+β و β+α نامگذاری می شوند. در TE محلول جامد α ماکزیمم 20% فلز B را در خود حل می کند (F) و محلول جامد β ماکزیمم 10% فلز A را در خود حل می کند (G). با کاهش دما، همان طور که به وسیله خطوط FH و GJ نشان داده شده است، ماکزیمم مقدار اتم محلولی که می تواند در حلال (فاز α یا β) حل شود کاهش می یابد. خطوط GJ و FH خطوط حلالیت جامد نامیده می شوند. این خطوط نشان دهنده ماکزیمم حلالیت (محلول اشباع) B در A (محلول جامد α) یا در A در B (محلول جامد β) به صورت تابعی از دما هستند. نقطه مینیمم E که خطوط لیکوئیدوس یکدیگر را قطع می کنند (همانند حالت نامحلول در حالت جامد) نقطه یوتکتیک نامیده می شود. در ادامه سرد کردن آرام چند آلیاژ مورد بررسی قرار می گیرد.

  نمودار فازی با حلالیت جزئی در حالت جامد

آلیاژ 1 با 5B-95A، در هنگام سرد شدن فرآیندی شبیه آلیاژ های با حلالیت کامل در حالت جامد را تجربه می کند. در T1، انجماد آلیاژ با تشکیل بلور های محلول جامد α بسیار غنی از A شروع می شود. این فرآیند با غنی تر شدن مذاب از B و حرکت تدریجی به سمت پایین در امتداد خط لیکوئیدوس ادامه پیدا می کند. محلول جامد α نیز از B غنی تر می شود و ترکیب آن به سمت پایین در امتداد خط سالیدوس حرکت می کند. در نهایت در T4، با توجه به برابری نفوذ با رشد بلور، کل جامد، یک محلول جامد α همگن خواهد بود و با کاهش دما تا دمای محیط به همان صورت باقی خواهد ماند.

آلیاژ 2 (70B-30A) که آلیاژی با ترکیب یوتکتیک است، تا رسیدن به دمای یوتکتیک به صورت مذاب باقی می ماند (نقطه E). چون این نقطه روی خط سالیدوس نیز قرار دارد، مذاب یک واکنش یوتکتیک را در دمای ثابت تجربه می کند و مخلوط بسیار ریز از دو محلول جامد تشکیل می شود. ترکیب این دو محلول جامد که مخلوط یوتکتیک را تشکیل می دهند F (برای محلول جامد α) و G برای محلول جامد β است. در این حالت در دمای یوتکتیک، محلول جامد β دارای ترکیب %90B و محلول جامد α دارای ترکیب %20B است. واکنش یوتکتیک را به صورت زیر می توان نوشت:

  نمودار یوتکتیک با حلالیت جزئی در حالت جامد

این واکنش شبیه به واکنش یوتکتیک از حلالیت کامل در حالت مذاب و عدم حلالیت در حالت جامد است، با این تفاوت که محلول جامد α و β جانشین فلزات خالص A و B شده اند. مقادیر نسبی α و β در مخلوط یوتکتیک را می توان با استفاده از قانون اهرم تعیین کرد:

با کاهش دما تا دمای محیط، به واسطه تغییر حلالیت B در A (خط FH) و A در B (خط GJ)، یک تغییر جزئی در مقادیر نسبی α و β وجود خواهد داشت. مقادیر نسبی α و β در دمای محیط به صورت زیر است:

 

آلیاژ 3 (40B-60A) که یک آلیاژ هیپویوتکتیک است، تا دمای T3 به صورت مذاب است. در این دما، مذاب با انجماد بلور های محلول جامد α بسیار غنی از A شروع می شود. با کاهش دما، مذاب از B غنی تر می شود و ترکیب آن به طور تدریجی در امتداد خط لیکوئیدوس به سمت پایین حرکت می کند تا به نقطه E برسد. شرایطی که درست بالای دمای TE وجود دارد، دو فاز (مذاب + جامد α) است. ترکیب شیمیایی فاز مذاب 70 B-30 A و مقدار آن 40% است. در حالی که ترکیب شیمیایی α اولیه 20B-80A و مقدار آن 60% است. چون مذاب باقی مانده (40%( در نقطه یوتکتیک است، این مذاب با تشکیل بلورهای متناوب α و β با ترکیب (F و G) در دمای ثابت یوتکتیک منجمد می شود تا انجماد کامل شود. این ساختار تا دمای محیط باقی می ماند. با کاهش دما تا دمای محیط، به واسطه تغییر در میزان حلالیت نشان داده شده و به وسیله خط FH، مقداری β اضافی از محلول رسوب می کند.

آلیاژ 4 با ترکیب 15B-85A، همان فرآیند آلیاژ 1 را طی می کند. انجماد در T2 شروع و در T5 ختم می شود. محلول جامد حاصل آلیاژ محلول جامد تک فازی α است. در نقطه M محلول جامد یک محلول اشباع نشده است، زیرا در این دما میزان حلالیت B در A برابر با 20% است. در حالی که آلیاژ محلول جامد α شامل %15B است. خط FH کاهش حلالیت B در A را با کاهش دما نشان می دهد. با سرد کردن آلیاژ تا نقطه N در روی خط حلالیت، محلول جامد α در این دما از B اشباع می شود. در زیر این دما (تحت شرایط تعادلی سرد کردن) B اضافی باید از محلول خارج شود. چون A در B حل می شود، رسوب گذاری به صورت B خالص نیست و به جای آن محلول جامد β تشکیل می شود. ساختار میکروسکپی آلیاژ در دمای محیط شامل مقادیر زیاد α و مقدار کمی β اضافی خواهد بود که در مرزدانه های α وجود دارد.

اگر فاز β نسبتا ترد باشد، آلیاژ چندان چکش خوار نخواهد بود. استحکام یک آلیاژ به مقدار زیادی به وسیله فازی که به صورت پیوسته در آن آلیاژ است، مشخص می شود. در این حالت اگر چه محلول جامد β فقط 5% آلیاژ را تشکیل می دهد، لیکن این فاز به صورت یک شبکه پیوسته در طول مرزدانه ها وجود خواهد داشت. بنابراین آلیاژ تمایل به گسیختگی در این مرزها را نشان خواهد داد. بنابراین با انجام عملیات حرارتی صحیح روی آلیاژ می توان تغییر قابل ملاحظه ای در استحکام و چقرمگی ایجاد کرد.

 

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

احمد رزاقیان ، خواص فیزیکی مواد ، انتشارات دانشگاه بین المللی امام خمینی ، 1390.

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

 

واکنش یوتکتیک از دید wikipedia.org

A eutectic system is a mixture of chemical compounds or elements that has a single chemical composition that solidifies at a lower temperature than any other composition made up of the same ingredients. This composition is known as the eutectic composition and the temperature is known as the eutectic temperature. On a phase diagram the intersection of the eutectic temperature and the eutectic composition gives the eutectic point. Not all binary alloys have a eutectic point; for example, in the silver-gold system the melt temperature (liquidus) and freeze temperature (solidus) both increase monotonically as the mix changes from pure silver to pure gold...more

واکنش یوتکتیک csmres.jmu.edu

The binary eutectic phase diagram explains the chemical behavior of two immiscible (unmixable) crystals from a completely miscible (mixable) melt, such as olivine and pyroxene, or pyroxene and Ca plagioclase. Here we are going to generalize to two minerals, A and B, or P and Q. We want to observe the behavior of this system under two conditions, one of complete equilibrium during crystallization when all chemical reactions can run to completion, and the second of disequilibrium when fractionation occurs and igneous rocks evolve...more

واکنش یوتکتیک از دید uwgb.edu

If you ever made frozen juice bars in the home freezer you have probably observed some simple facts about melting and crystallization. A half-frozen juice bar consists of a mix of ice crystals and concentrated juice. Many mixtures of materials, when they solidify, crystallize into two distinct materials. As they solidify, first one component forms, then the other. A system of this sort is called a simple eutectic. Consider a system of two distinct minerals A and B. Potassium feldspar and anorthite are a good example. Rather than present a phase diagram with rules for interpreting it, it's better to reason out how the system will behave and why the diagram looks like it does...more

نمایشگاه بین المللی تاسیسات و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران 1401 بیست و یکمین دوره
عنوان : نمایشگاه بین المللی تاسیسات و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران 1401 بیس ...بیشتر
نمایشگاه بین المللی صنعت تهران 1401 بیست و دومین دوره
عنوان :نمایشگاه بین المللی صنعت تهران 1401 بیست و دومین دوره شهر : تهران ...بیشتر
نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 1401 بیست و دومین دوره
عنوان نمایشگاه : نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 1401 بیست و دومین دوره ...بیشتر
نمایشگاه بین المللی صنایع و تجهیزات آشپزخانه، حمام، سونا و استخر تهران 1401 نوزدهمین دوره
عنوان: نوزدهمین نمایشگاه صنایع و تجهیزات آشپزخانه، حمام، سونا و استخر شهر: ...بیشتر
نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران بیست و ششمین دوره
عنوان: نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران بیست و ششمین د ...بیشتر
نمایشگاه های سال 1401
نمایشگاه به عنوان يكی از مهمترين بخش های تجاری و اقتصادی ایران با بهره مندی از ف ...بیشتر
دریافت گواهی تائیدیه شرکتهای دانش بنیان
دریافت گواهی تائیدیه شرکتهای دانش بنیان شرکت پاکمن بنا به ارزیابی های انجام ش ...بیشتر
برندینگ شرکت پاکمن
درباره گروه تاسیساتی شرکت پاکمن شرکت پاکمن در سال 1354تاسیس شد و در ادامه فعا ...بیشتر
دریافت گواهینامه صلاحیت پیمانکاری شرکت دانش بنیان پاکمن از سازمان برنامه و بودجه
دریافت گواهینامه صلاحیت پیمانکاری شرکت دانش بنیان پاکمن از سازمان برنامه و بودجه ...بیشتر
نمایشگاه نفت ، گاز و پتروشیمی بیست و ششمین دوره-شهریور 1400
عنوان نمایشگاه : نمایشگاه نفت ، گاز و پتروشیمی بیست و ششمین دوره شهر ...بیشتر
بیستمین نمایشگاه سرمایشی و گرمایشی و تاسیسات تهران 1400
عنوان: بیستمین نمایشگاه سرمایشی و گرمایشی و تاسیسات تهران 1400 شهر: تهران ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ها ...بیشتر