Animace ke studijní opoře Nauka o materiálu I

1. Animace ke studijní opoře Nauka o materiálu I Jaroslav Sojka

2. 5. Jednosložkové soustavy

3. Animace se vztahuje k obr. 5.1 ve studijní opoře. Animace zobrazuje teoretickou křivku chladnutí při tuhnutí (krystalizaci) v jednosložkové soustavě a zároveň ukazuje průběh volné entalpie pro pevnou (S) a kapalnou (L) fázi v závislosti na teplotě.

4. T GS >GL AL ALAS TtA GS < GL AS GL Volná entalpie G čas Křivka chladnutí Tuhnutí - krystalizace T GS = GL GS

5. Animace se vztahuje k obr. 5.2 ve studijní opoře. Animace zobrazuje skutečnou křivku chladnutí při tuhnutí (krystalizaci) v jednosložkové soustavě a zároveň ukazuje průběh volné entalpie pro pevnou (S) a kapalnou (L) fázi v závislosti na teplotě. Je uvedena souvislost mezi podchlazením T a hybnou silou přeměny GS-L .

6. T GS >GL AL GS = GL TtA GS < GL AS GL GS Volná entalpie G čas Křivka chladnutí T ALAS T GS-L

7. Animace se vztahuje k obr. 5.3 ve studijní opoře. Animace vysvětluje nutnost podchlazení T pro průběh tuhnutí. Hlavní důvod je ten, že při vzniku zárodků pevné fáze se spotřebuje energie na tvorbu jejich povrchů ES. Energetická potřeba se kryje z hybné síly pro tuhnutí, což je GS-L . Z toho plyne nutnost podchlazení T.

8. T T GS >GL AL ALAS GS = GL T GS-L TtA GS GS < GL AS GL Volná entalpie G čas Křivka chladnutí Vznik zárodků pevné fáze  spotřeba energie na tvorbu povrchu ES Energie k dispozici Celková změna volné entalpie při vzniku zárodků pevné fáze tavenina (L) zárodky pevné fáze

9. Animace se vztahuje k obr. 5.4 ve studijní opoře. Animace vysvětluje energetickou bilanci při vzniku kolovitého zárodku. Jedná se o závislost změny volné entalpie G na poloměru zárodku r. Uvažuje se energie k dispozici, tj. hybná síla pro přeměnu - GS-L; a dále energie na tvorbu povrchu zárodku ES. Je znázorněn kritický poloměr zárodku a odpovídající změna volné enatalpie G.

10. změna volné entalpie G poloměr zárodku r Gkrit rkrit kritický poloměr zárodku r < rkrit; nestabilní zárodek – není schopen samovolného růstu r > rkrit; stabilní zárodek – schopen samovolného růstu

11. Animace je věnována výpočtu kritického poloměru rkrit zárodku pevné fáze při homogenní nukleaci z taveniny.

12. Energetická bilance při vzniku zárodku pevné fáze: Kulový zárodek o poloměru r: Kritická velikost zárodku – v místě lokálního maxima závislosti G=f(r) 1. derivace V místě lokálního maxima je 1. derivace rovna 0. Z této podmínky lze určit rkrit. Po úpravě: Vzhledem k tomu že platí:

13. Animace se vztahuje k obr. 5.3 a 5.5 ve studijní opoře. Animace srovnává homogenní a heterogenní nukleaci zárodků pevné fáze z taveniny.

14. Homogenní & heterogenní nukleace zárodků pevné fáze Heterogenní nukleace Homogenní nukleace tavenina (L) tavenina (L) cizorodé částice zárodky pevné fáze povrch stěn nádoby zárodky pevné fáze Zárodky vznikají přímo z taveniny bez spoluúčasti jiných povrchů. Povrchová energie ES je vysoká  podchlazení T musí být rovněž vysoké. Zárodky vznikají přednostně na cizích, již existujících površích – stěnách nádoby, cizorodých částicích apod. Povrchová energie ES je nižší  podchlazení T je rovněž nižší. Heterogenní nukleace zárodků je z energetického hlediska výhodnější a probíhá přednostně, při nižším podchlazení T.

15. Animace se vztahuje k obr. 5.6 ve studijní opoře. Animace ukazuje na schématickém příkladu teoretickou křivku chladnutí při tuhnutí a fázové přeměně v pevném stavu u jednosložkové soustavy. Dále je srovnána teplotní závislost volné entalpie kapalné fáze (taveniny) a pevných fází (dvou rozdílných modifikací složky).

16. T AL AL(AS)2 TtA Volná entalpie G čas Křivka chladnutí Fázová přeměna v pevném stavu T GL A2 GA1 > GA2 A2A1 GA1 = GA2 TmA GA1 < GA2 A1 GA2 GA1

17. 7. Dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném i pevném stavu

18. Animace se vztahuje k obr. 7.2 ve studijní opoře. Animace znázorňuje nakreslení a popis rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném i pevném stavu. Dále ukazuje srovnání teoretické křivky chladnutí čisté složky A a slitiny označené 1, která obsahuje určitý podíl obou složek – A i B.

19. 1 AL ALAS TtA tavenina AS tav l - likvidus TtB s - solidus  A B čas C(%B) Křivka chladnutí složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném i pevném stavu Čistá složka A T teplota Tavenina (L) Slitina 1 Tav + a Tuhý roztok a

20. Animace se vztahuje k obr. 7.3 ve studijní opoře. Animace popisuje podrobněji průběh tuhnutí slitiny označené 1 mezi teplotou likvidu a teplotou solidu. Zaměřuje se mimo jiné na změny chemického složení taveniny a krystalů pevné fáze v průběhu tuhnutí.

21. 1 TtA c T1 (ctav)T2 T2 (ca)T1 (ca)T2 T3 TtB (ctav)T3 Dc c A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném i pevném stavu Těsně pod T1: tavenina a první krystaly t.r. a T Tavenina (L) Při T2: tavenina a t.r. a Tav + a (ca)T2 Těsně nad T3: t.r. a a poslední zbytek taveniny Tuhý roztok a (ctav)T2 c (ca)T1 (ctav)T3

22. Animace se vztahuje k obr. 7.3 ve studijní opoře. Animace vysvětluje výpočet fázového složení slitiny ve dvoufázové oblasti mezi likvidem a solidem – tzv. pákové pravidlo.

23. 1 T Tavenina (L) TtA Při T2: tavenina a t.r. a Tav + a (ctav)T2 T2 (ca)T2 TtB Tuhý roztok a (ca)T2 c (ctav)T2 A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném i pevném stavu Výpočet fázového složení při T2 hm. zlomek t.r. a a hm. zlomek tav Výpočet: 2 rovnice o 2 neznámých Q R P Výsledek: Pákové pravidlo

24. 8. Dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí

25. Animace se vztahuje k obr. 8.1 ve studijní opoře. Animace znázorňuje nakreslení a popis rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí. Dále uvádí zápis eutektické reakce a schématickou strukturu slitiny o eutektickém složení (složení bodu E).

26. eutektikum TtA D C TtB TE A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí TE – eutektická teplota Eutektický bod Eutektická reakce (při TE): T tavE  aC + bD tav Nad TE: L L Tavenina o složení bodu E (cE) S S tav+b tav+a a b eutektikála E Pod TE: směs t.r. a a b a+b Tuhý roztok a o složení bodu C (cC) cC cE cD Tuhý roztok b o složení bodu D (cD)

27. Animace se vztahuje k obr. 8.2 ve studijní opoře. Animace znázorňuje opětovně nakreslení a popis rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí. (Opakování je matka moudrosti .) Dále uvádí průběh křivky chladnutí včetně popisu a schématického znázornění struktur pro slitinu o eutektickém složení (složení bodu E).

28. TtA tav tav tav  a + b D C TtB TE a + b   čas A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí Křivka chladnutí T tav L L S S tav+b tav+a b a E a+b cC cE cD

29. Animace se vztahuje k obr. 8.3 ve studijní opoře. Animace znázorňuje po nakreslení a popisu rovnovážného diagramu, jak probíhá tuhnutí v podeutektické slitině, u níž eutektická reakce probíhá jen částečně. Schématicky jsou zobrazeny struktury při ochlazování.

30. T TtA tav  tav tava D C  TtB TE tava + b E  a + b    cC cE cD c čas A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí Křivka chladnutí tav tav T1 tav+a tav+b b a a+b (c)T1

31. Animace se vztahuje k obr. 8.4 ve studijní opoře. Animace znázorňuje po nakreslení a popisu rovnovážného diagramu, jak probíhá tuhnutí v nadeutektické slitině, u níž eutektická reakce vůbec neprobíhá. Při ochlazování tuhého roztoku  dochází v důsledku poklesu rozpustnosti složky A s klesající teplotou k vylučování tuhého roztoku . Schématicky jsou zobrazeny také nejdůležitější struktury při ochlazování.

32. T TtA tav tav   D C TtB TE   E      c čas A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a eutektickou reakcí Křivka chladnutí tav tav tav+b tav+a b a a+b

33. Animace se vztahuje k obr. 8.5 ve studijní opoře. Animace znázorňuje nakreslení a popis rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, bez rozpustnosti v pevném stavu s eutektickou reakcí. Dále uvádí zápis eutektické reakce pro tuto soustavu a schématické znázornění struktur.

34. T eutektikum TtA TtB TE cE A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, bez rozpustnosti v pevném stavu a s eutektickou reakcí Eutektická reakce (při TE): tavE  A + B tav směs čistých složek A a B Nad TE: L L Tavenina o složení bodu E (cE) tav+B tav+A eutektikála E Pod TE: směs čistých složek A a B A+B Krystaly čisté složky A Krystaly čisté složky B

35. 9. Dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a peritektickou reakcí

36. Animace se vztahuje k obr. 9.1 ve studijní opoře. Animace znázorňuje nakreslení a popis rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a peritektickou reakcí. Dále uvádí zápis peritektické reakce a vysvětluje tzv. peritektický poměr.

37. T TtA TP TtB A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a peritektickou reakcí TP – peritektická teplota Peritektická reakce (při TP): tav tavD + C  P L Peritektický poměr: S tav+a C D  L peritektála tav+b P S a+b  cP cD cC

38. Animace se vztahuje k obr. 9.2 ve studijní opoře. Animace znázorňuje opětovně rovnovážný diagram dvousložkové soustavy s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a peritektickou reakcí. Dále uvádí průběh křivky chladnutí včetně popisu a schématického znázornění struktur pro slitinu o peritektickém složení (složení bodu P).

39. T tav TtA L S tav+a TP C D  L peritektála tav+b  P TtB S a+b  cP cD cC čas A B c(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a peritektickou reakcí Křivka chladnutí tav tav tav T1  tav tav+ 

40. Animace se vztahuje k obr. 9.3 ve studijní opoře. Animace znázorňuje po nakreslení rovnovážného diagramu, jak probíhá tuhnutí ve slitině, jejíž složení leží mezi body P a D v rovnovážném diagramu a u níž peritektická reakce probíhá jen částečně. Je uvedena křivka chladnutí včetně popisu. Schématicky jsou také zobrazeny struktury při ochlazování.

41. tav TtA T L tav S tav+a tav  T1 TP tav C D   L tav peritektála tav+ tav+b tav P TtB  S  a+b  čas c A B C(%B) složení Dvousložková soustava s neomezenou rozpustností v kapalném stavu, omezenou rozpustností v pevném stavu a peritektickou reakcí Křivka chladnutí tav X T2 Při peritektické reakci se spotřebuje veškerý t.r. , ale nikoli veškerá tavenina, která je v přebytku oproti peritektickému poměru.

42. 10. Dvousložkové soustavy s eutektoidní a peritektoidní reakcí

43. Animace se vztahuje k obr. 10.1 ve studijní opoře. Animace znázorňuje nejjednodušší typ rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy, ve kterém se vyskytuje eutektoidní reakce. Jedná se o soustavu, v níž u každé ze složek dochází k jedné fázové přeměně v pevném stavu. Mezi vysokoteplotními modifikacemi složek existuje neomezená rozpustnost, mezi nízkoteplotními modifikacemi existuje jen omezená rozpustnost a objevuje se zde eutektoidní reakce. Je uvedena křivka chladnutí slitiny o eutektoidním složení včetně popisu. Schématicky jsou také zobrazeny struktury při ochlazování.

44. tav tav TtB tav tav+ B2 TtA A2 TmB  TmA   + a  + b D C TE  B1 A1 b a  E    + b  cC cE cD čas A B c(%B) složení Dvousložková soustava s eutektoidní reakcí TE – eutektoidní teplota EC + D Eutektoidní reakce: Křivka chladnutí T tav eutektoidála

45. Animace se vztahuje k obr. 10.2 ve studijní opoře. Animace znázorňuje podobně jako v předchozím případě nejjednodušší typ rovnovážného diagramu dvousložkové soustavy, ve kterém se vyskytuje peritektoidní reakce. Jedná se o soustavu, v níž u každé ze složek dochází k jedné fázové přeměně v pevném stavu. Mezi vysokoteplotními modifikacemi složek existuje neomezená rozpustnost, mezi nízkoteplotními modifikacemi existuje jen omezená rozpustnost a objevuje se zde peritektoidní reakce. Je uvedena křivka chladnutí slitiny o peritektoidním složení včetně popisu. Schématicky jsou také zobrazeny struktury při ochlazování.

46. T tav TtA tav T1 A2 tav TmA TtB T2    T3 TP B2   C D     +  peritektoidála A1 P  TmB  B1 čas cP cD cC A B c(%B) složení Dvousložková soustava s peritektoidní reakcí TP – peritektoidní teplota Peritektoidní reakce: D  C  P Křivka chladnutí tav tav+ +a +b a+b

47. 11. Dvousložkové soustavy s intermediárními fázemi

48. Animace se vztahuje k obr. 11.1 ve studijní opoře. Animace znázorňuje rovnovážný diagram dvousložkové soustavy, v níž dochází ke dvěma reakcím: eutektické a peritektické. Peritektickou reakcí vzniká intermediární fáze . Tato intermediární fáze existuje v širším intervalu chemického složení, a má tedy charakter tuhého roztoku.

49. T TtA TtB TP TE P A B c(%B) složení  - intermediární fáze tav tav+ Má charakter tuhého roztoku; tzn. existuje v širším intervalu chemického složení  tav+ tav+b  +  Vzniká peritektickou reakcí: tav +    a+b