Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Fázisátalakulások. Fázisátalakulás kinetikája  Fázis: –adott szerkezet –adott összetétel –határfelület  Fázisátalakulás: Gáz  folyadék  szilárd –F.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Fázisátalakulások. Fázisátalakulás kinetikája  Fázis: –adott szerkezet –adott összetétel –határfelület  Fázisátalakulás: Gáz  folyadék  szilárd –F."— Előadás másolata:

1 Fázisátalakulások

2 Fázisátalakulás kinetikája  Fázis: –adott szerkezet –adott összetétel –határfelület  Fázisátalakulás: Gáz  folyadék  szilárd –F  Sz, Sz  Sz kristálycsírák Szilárd fázis kialakulása Gócképződés: Olvadékban op. közelében kristálycsírák rendeződés  felbomlás Szemcsenövekedés Túlhűtés (  T) olvadék marad az egyensúlyi hőmérséklet alatt Homogén, heterogén gócképződés (nukleáció)

3 A kritikus szemcseméret  Új fázisban F alacsonyabb: F ~  V  Új felület, F nagyobb F ~  A   Eredő görbe maximum –Alatta visszaolvadás valószínűbb –Felette stabil szemcse  Kritikus sugár:  : felületi feszültség, TE: op, L: olvadáshő,  T: túlhűtés

4 Polikristály - egykristály  Kristálytextúra meghatározója: gócképződés és növekedés aránya  Homogén magképződés lassú, a növekedés gyorsabb  kevés nagy szemcse, egykristály  Heterogén magképződés: idegen anyag: magkezdemény,  csökkentő  finomszemcsés  Túlhűtés: szemcse hidegebb olvadékba nő, előreszalad  hőfelszabadulás  lelassul  dendrites szerkezet Dendrit szerkezetek

5 Kristályosodási formák  Poliéderes  dendrites  szferolitos

6 Cu – Ni dendrit növekedése

7 Félvezető egykristály előállítás  Czochralski-módszer :  Szilárd – olvadék határon pontosan az op.  Mag inditja a kristálykiválást, meghatározza az orientációt  Rúd lassú húzás, forgatás

8 Alapfogalmak  Ötvözet: –Fémszerkezetű, egynemű, melyet legalább két fém összeolvasztásával kapunk. Ha egymást olvadt állapotban sem oldják (pl: vas – ólom) akkor nem sorolható ide. –Példák: Cu – Ni, Fe – Cr, Al – Cu –Fémekkel átmeneti elemek (metalloidok) is alkothatnak ötvözetet: Cu – Sb (Antimon), Fe – Si, Fe – N, Ni – O, –Halogének és nemesgázok nem alkotnak ötvözetet.

9  Ötvözetrendszer: több ötvözőből áll.  Alapfém: legnagyobb tömeghányadú alkotó.  Szennyező: nem kívánatos az ötvözetben, pl. S az acélokban szennyező, de automata acélokban szükséges lehet a forgácsleválasztás miatt.  Fázis: egynemű rendszer egy fázisból áll (egyfázisú, homogén). A különnemű rendszer kémiailag és fizikailag elkülöníthető, határoló felületekkel elválasztható részeit fázisnak nevezzük.  Komponensek: a rendszert felépítő elemek atomjai. Alapfogalmak

10  Egyensúlyi rendszer: energia tartalma minimális. Lassú hűtéssel vagy melegítéssel megközelíthető.  Szabadsági fok: azt jelenti, hogy a rendszer állapottényezői közül hány választható szabadon.  Állapottényezők: Koncentráció, hőmérséklet, nyomás. Alapfogalmak

11 Egyensúlyi fázisdiagram  Gibbs fázisszabály: F + Sz = K + 1  Szilárd oldat: korlátlan elegyedés  Eutektikum: adott összetételű és fix op.-jű elegykristály Lehű- lési görbék F: fázisok K: komponensek Sz: szabadsági fokok száma (Gőzfázis mellőzve)

12 Szövetelemek  A fémet vagy ötvözetet alkotó fázisok kristályai adják meg a szövetszerkezetet. Ha csak egyféle kristály van, akkor a szövetelem homogén  Szövetelemek: –Színfém, –Szilárd oldat, –Fémvegyület, –Eutektikum, –Eutektoid.

13 Színfémek A színfémek mechanikai tulajdonságai a tisztaság növekedésével változnak: –Szilárdsági jellemzők csökkennek, –Szívósság nő, –Villamos ellenállás csökken.

14 Szilárd oldat  Homogén szövetszerkezet (mint a színfém). Sem az oldófém, sem az oldott fémnek nincsenek jelen saját krisztallitjai, hanem minden krisztallit tartalmazza mindkét alkotót olyan arányban, mint maga az ötvözet.  Rácsszerkezete megegyezik az oldófém szerkezetével.  Kétféle lehet: –Szubsztitúciós (leggyakoribb), lehet rendezett vagy rendezetlen. A rendezettség nemcsak a mechanikai, hanem a villamos tulajdonságokat -vezetőképesség- is ugrásszerűen rontja. –Interstíciós (csak kis atomsugarú oldott fém esetén). Akkor is jelentős hatásuk lehet, ha mennyiségük kicsi. Pl. N és C fontos az acélok öregedési folyamatában. Az interstíciós oldhatóság lehet korlátos vagy korlátlan.

15 Szilárd oldat  Korlátlan oldhatóság feltételei: –Rácsszerkezet ugyanolyan alakú (megközelítően) egyenlő méretű legyen, –Azonos vegyértékűek legyenek,  Alumínium: Nincs korlátlan ötvözője.

16 Fémvegyületek  Két vagy többalkotós kristályos fázisok, melyek rácsszerkezete független az alkotó fémekétől.  Koncentráció értékei mindig a a korlátos oldódású rendszerek belső pontjai, lehet egy adott koncentrációérték (amit a kémiai összetétel meghatároz: A m B n ) vagy egy tartomány.  A fémvegyületek jellemzői: –nagy keménység, –Ridegség, –Pl: Carbidok, Nitridek (a gyémánt mellett a legkeményebb anyagok).

17 Eutektikum  Eutektikus összetételű anyagból közvetlenül kikristályosodó heterogén (legalább kétfázisú) szövetelem. Kisebb hőmérsékleten olvad mint a legkisebb olvadáspontú összetevője.  A kétalkotós ötvözetek eutektikumai állandó hőfokon olvadnak meg és szilárdulnak meg! Lehűlési görbéjük olyan, mint a színfémeké!

18 Fe – C állapotábra szerkesztése a lehűlési görbékből

19 Fázisdiagramok vizsgálata Egyensúlyi összetétel: Kiváló szilárd anyag összetétele a szoliduszról levetítve olvasható le. Foly. fázis összetétele a likviduszról levetítve B növekszik

20 Fázisdiagramok vizsgálata B növekszik

21 Fázisdiagramok vizsgálata (emelő szabály) B növekszik

22 Mérlegszabály alkalmazása C 1 = 1.5 % T = 727 °C –on: V / X = m cem II / m Eut T = 20 °C –on: Perlit menny.: m p = X / (V+X) = (6.7 – C 1 ) / (6.7 – 0.76)

23 Két komponens, korlátlan elegyedés Az olvadék és a szilárd fázis össze- tétele

24 Eutektikum: állandó összetételű fázis, op. minimum, a likvidusz görbe találkozik a szolidusz göbével. Két komponens, egy eutektikus összetétel

25

26 Eutektikus rendszer, a komponensek szilárd fázisban korlátozottan oldódnak egymásban.

27

28 Gyakorlati példák

29 A termodinamika alapjai

30 A fizikai, kémiai folyamatok energiaviszonyait vizsgálja Kérdések: –végbemegy-e önként az adott folyamat, –mekkora energiát kell befektetni, hogy végbemenjen, vagy mennyi szabadul fel, –stabil-e a vizsgált anyag az adott körülmények között, –milyen mechanizmus szerint zajlik le a folyamat, –mennyi idő alatt, hogyan gyorsítható, lassítható

31 Állapothatározók (paraméterek)  Extenzív: A rendszer kiterjedésével arányosan változó mennyiségek pl: belső energia (U), térfogat (V), anyagmennyiség (n), entrópia (S).  Intenzív:független a rendszer kiterjedésétől pl: hőmérséklet (T), nyomás (p), kémiai potenciál(µ)  Másodlagos intenzív paraméterek: tömeg- vagy térfogategységre vonatkoztatott extenzívek pl: sűrűség, fajhő.

32  Rendszer: A térnek jól definiálhatóan, képzelt vagy valós határfelülettel elkülönített része. Zárt, szigetelt, nyitott, Homogén, inhomogén, heterogén, Izotróp, anizotróp  A fázis olyan - homogén vagy inhomogén - rendszer, amelyen belül makroszkopikus határfelületek nincsenek.  A komponens a rendszert alkotó kémiailag egységes anyagfajta. Alapfogalmak, definíciók

33  U: belső energia A rendszer energiájának azon azon része, amely a fizikai-kémiai szerkezetében tárolt. U = f/2 NkT  µ: kémiai potenciál 1 mól anyag által végezhető hasznos kémiai munka, ha T és p állandó.  S: entrópia a/ Olyan állapotfüggvény, amely a többi extenzív paraméter függvénye és egyensúlyban maximális értéket vesz fel.  S =  Q (rev) /T  b/ A rendszer állapotának valósz í nűsége (Az adott makroállapot hányféle mikroállapotból valósítható meg). S = k ln w Alapfogalmak, definíciók

34 Egyensúly :  A rendszernek az a kitüntetett állapota, amelyben az intenzív paraméterek kiegyenlítődtek.  Paraméterenként külön is kezelhető, így létezik termikus, mechanikai, diffúziós, kémiai (komponensenként) egyensúly.  Az egyensúly mindig dinamikus; makroszkóposan nincs változás, de mikroméretekben igen.  Lehet metastabil, instabil, stabil

35 Gibbs-egyenlet  Az összes extenzív-intenzív paraméterre felírható összefüggés, minden további termodinamikai függvény ennek következménye  Egyenértékű a főtételekkel Kiegészülhet villamos, felületi stb. munkával

36 Entalpia  Állandó nyomáson végbemenő (izobár) folyamatokban a belső energia változás mellett mindig térfogati munka végzés is.  Pl. a nyitott térben lejátszódó kémiai reakciók során felszabaduló (elnyelődő) energia, a reakcióhő részben a belső energiát változtatja, részben a térfogati munkára fordítódik.  Ezért célszerű egy közös fogalmat alkotni H = U + pV ill. megváltozására  H =  U +p  V

37 Potenciálfüggvények  Meghatározott körülményekre  Csökkentett a változók száma  Mérhető termodinamikai adatokból (p, T, c, V) számolható  Csak a kiindulási és végponttól függ, a megtett úttól nem  Egyensúlyban minimum

38 Potenciálfüggvények Szabadentalpia (Free energy, Gibbs-potenciál):  Izoterm és izobár folyamatokra (T és p a folyamat kezdetén és végén ugyanannyi)  A nyerhető maximális hasznos munka:  G =  H - T  S  Differenciális változásokra: dG = Vdp - SdT +  i dn i Szabadenergia (Helmholtz- potenciál):  Izoterm és izochor folyamatokra (T és V a folyamat kezdetén és végén ugyanannyi)  A nyerhető maximális hasznos munka:  F =  U - T  S  Differenciális változásokra: dF = -SdT - pdV +  i dn i

39 H pV U GTS F

40 Példa: a ponthibák egyensúlyi koncentrációja  Egy hibahely létrejöttének szabadentalpia-változása:  G =  H - T  S   H: minden hiba keletkezése energia- befektetés  T  S: az entrópia nem lineárisan nő a hibahelyek számával  T: kis T-n a  H, nagy T-n a T  S tag dominál

41 Kémiai egyensúly  Reakciók gyakori felírása, szemlélete: kiindulási anyagok  termékek  Valós folyamat: A + B  C + D A és B molekulák találkoznak és reagálnak  C és D molekulák találkoznak és reagálnak   és  sebessége a pillanatnyi koncentrációtól, találkozási valószínűségtől függ Dinamikus egyensúly: molekuláris szinten folyamatos reakció, makroszkóposan változatlan állapot

42  Egyensúlyi koncentráció: [A], [B], [C], [D]  Egyensúlyi állandó:  K nem függ a szereplő anyagok koncentrációjától, függ a hőmérséklettől, nyomástól  LeChâtelier – Braun elv: Ha egy egyensúlyi rendszerbe beavatkozunk (változtatjuk a hőmérsékletet, nyomást, a komponensek koncentrációját), a rendszer úgy reagál, hogy csökkentse a beavatkozás hatását. [C] [D] [A] [B] K =

43 Példa a hőmérsékletváltozás hatására Langmuir körfolyamat  Izzólámpában víz szennyezés reagál a spirál anyagával W + H 2 O  WO 3 +H 2 +H  A reakció endoterm, hőt von el a környezetből   nagy T-n, a spirál mellett oxid keletkezik  kis T-n exoterm irány, a burán visszaalakul a W  újra szabad a víz, körfolya-matban átszállítja a W-ot a burára Halogén körfolyamat  A búrába kevés Br és I vegyületet adagolva pl.  W + 3Br 2  WBr 6 -H  Exoterm reakció, hőt ad le   kis T-n a WBr 6 keletkezése felé tolódik el az egyensúly  Nagy T-n, a spirál mellett, a WBr 6 bomlik, a W visszaépül a spirálra, a Br folytatja a körfolyamatot

44 Transzportfolyamatok Diffúzió, hővezetés

45 Transzportfolyamatok Egy rendszerben az extenzív(!) paraméterek (Y) megváltozásának módjai:  Transzport; szállítás Jellemző: áramerősség (J), áramsűrűség (j)  Forrás; keletkezés, megszűnés Jellemző: forráserősség (F), forrássűrűség () F = 0, ha megmaradási törvény, pl. tömeg, töltés F  0, pl. entrópia, kémiai komponens

46 Lokális mérlegegyenlet Egy rendszer egyensúlyba kerülésének módja lehet a transzport Egyensúlyban az intenzív paraméterek kiegyenlítődnek A rendszer egyensúlyra törekszik, a transzport hajtóereje az intenzív paraméterek kiegyenlítetlensége Hajtóerők  Természetes extenzív- intenzív párok:  TésU, pésV, µésN pl. a komponens- transzport természetes hajtóereje a kémiai potenciál különbsége  Leggyakrabban lineáris kapcsolat: j i = L i F i L: vezetési együttható F: hajtóerő

47 Példák  Töltéstranszport: Ohm-törvény j=  E  Hővezetés: Fourier törvény A belső energia, hőenergia transzportja j = dQ/Adt, F = -dT/dx L = j = dQ/Adt, F = -dT/dx L =

48 Diffúzió  A kémiai potenciál-különbség hatására zajló komponens-transzport  Bármely halmazállapotban előfordul  Szilárd közegben Fick I törvény:  Átrendezve:  D: diffúzió-állandó  dn/dt: komponens áram, dc/dx: koncentráció gradiens

49 Fick II törvény:  Megoldás adott kezdeti és határfeltételek mellett  A diffúzió hőmérsékletfügg ése: A diffúzió mechanizmusa  Szubsztituciós helyettesítéses, a diffuzáns csak üres helyre léphet át  Intersticiális rácsközi, a diffúzáns atom kisebb, mint a rácsalkotó  D felületen > D szemcsehatáron > D kristályban  D függ a kristályorientációtól E: egy diffúziós lépés aktiválási energiája k: Boltzmann állandó

50 Példák a félvezető gyártásból Planár technológiában Si adalékolása p vagy n típusú szennyezőkkel, diffúzió vagy ionimplantáció útján.  Állandó felületi koncentráció: A Si szelet felületén a diffuzánst folyamatosan pótoljuk  Fick II. megoldása:  erfc: hibafüggvény kiegészítő fv. erfc diffúziós profil

51 Adott felületi anyagmennyiség: A Si szelet felületére vékony rétegben felviszik a diffuzánst, ezután már nincs utánpótlás Megoldás: Gauss eloszlás

52 A diffúzió GYORSABB laza, nyitott kristályszerkezetekben alacsonyabb olvadáspontú anyagokban molekularácsos anyagokban ha kisebb a diffuzáns atom ha kationoknak kisebb sűrűségű anyagokban A diffúzió LASSÚBB szoros illeszkedésű kristályokban nagyobb olvadáspontú anyagokban kovalens kötésű anyagokban ha nagyobb a diffuzáns atom ha anionoknak nagyobb sűrűségű anyagokban Összefoglalás: szerkezet és diffúzió

53 Fémek oxidációja  Sebesség-meghatározó: az oxigén diffúziója a kialakult (növekvő) oxidrétegen  Utána a fém-oxigén reakció már gyorsabb  Fick I megoldása: x(t) 2 = 2D(c f - c l ) t = kt  Tamman-féle parabolikus törvény  Oxidáció önmagát fékezi

54 Az oxidréteg hatása  Csak akkor véd, ha szerkezete tömör marad  Móltérfogatok aránya Ha    1, az oxid nem fed    1, jól fedő, védő   1, az oxid leválik fémoxid  fém  oxid Al Al 2 O 3 2,73,71,38 Cr Cr 2 O 3 7,145,22 FeFeO Fe 2 O 3 7,885,995,241,692,15 MgMgO1,743,50,81 Ti TiO 2 4,541,88

55

56 A Név, neptun kód B A: Rajzoljon egy fázisdiagramot:  két komponens  egy eutektikus összetétel  szilárd fázisban nincs elegyedés  jelölje a tengelyeken ábrázolt mennyiségeket B: Melyek az olvadékból kiváló szilárd fázis szövetszerkezetét meghatározó paraméterek?


Letölteni ppt "Fázisátalakulások. Fázisátalakulás kinetikája  Fázis: –adott szerkezet –adott összetétel –határfelület  Fázisátalakulás: Gáz  folyadék  szilárd –F."

Hasonló előadás


Google Hirdetések