Eutektyka

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

Rys. 1. Wykres równowagi fazowej w układzie Fe–Fe3C
Eutektyka: 4,3% C (ledeburyt)
Temperatura przemiany eutektycznej: 1148 °C

Ogólne informacjeEdytuj

W większości przypadków temperatura eutektyczna jest niższa od temperatury krzepnięcia czystych składników. Wykorzystuje się to przy topieniu i przerabianiu materiałów trudno topliwych, na przykład mechaniczne złączenie materiałów doprowadza do dyfuzyjnego utworzenia eutektyki. Kryształy eutektyki są czystymi kryształami składników lub roztworami stałymi o różnych składach[1]. Eutektyki są stałymi odpowiednikami mieszanin azeotropowychpotrzebne źródło.

Dużo uwagi poświęcono badaniom stopów eutektycznych – liczne po zakrzepnięciu w odpowiednich warunkach tworzą regularną drobnodyspersyjną strukturę, w której jedna z faz występuje w postaci płytek lub włókien. Eutektykę można uznać za kompozyt in situ, jeżeli wystąpi szczególne przestrzenne rozmieszczenie faz o różnych właściwościach. 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 eutektykEdytuj

 
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:

  • globularne (o kulistym ziarnie)
  • iglaste
  • płytkowe
  • prętowe (słupkowe)[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 poznane są przyczyny powstawania konkretnego typu mieszaniny.

Z punktu widzenia osiągnięcia minimum swobodnej energii 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 eutektykEdytuj

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 prętowychEdytuj

Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym rozpoczyna się heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz, na przykład   (bogata w składnik A). Powoduje to jednoczesne wzbogacanie się w składnik B cieczy przed frontem przemiany. W przechłodzonych obszarach cieczy na fazie   zarodkuje faza   Tworzenie się fazy   powoduje z kolei wzbogacanie cieczy w składnik A, co sprzyja dalszemu wzrostowi kolejnych kryształów fazy   wzdłuż wydzieleń fazy   Taka mieszanina eutektyczna składa się z ułożonych na przemian płytek lub prętów faz   i   Gdy udział objętościowy fazy   jest większy od   eutektyka ma zwykle budowę płytkową. W przeciwnym przypadku tworzą się prętowe wydzielenia fazy   w osnowie fazy  

Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym może również polegać na ciągłym heterogenicznym zarodkowaniu i wzroście obu faz. Jedna faza (np.  ) zarodkuje, powodując wzbogacenie cieczy w składnik B i sprzyjając zarodkowaniu fazy   w sąsiedztwie. Faza   zarodkuje zupełnie niezależnie, nie wykazując uprzywilejowanej orientacji krystalograficznej w stosunku do istniejącej w innym miejscu fazy  [3].

Krzepnięcie eutektyk globularnych i iglastychEdytuj

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 płytkowychEdytuj

ProblematykaEdytuj

Problematyka wzrostu eutektyk płytkowych wymaga rozwiązania dwu zagadnień:

  • wpływ energii powierzchni międzyfazowej na temperaturę eutektyczną
  • rola strumieni dyfuzyjnych towarzyszących równoczesnemu wzrostowi faz.
 
 

gdzie:

  – zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku skończonych odległości międzypłytkowych [J/m³],
  – zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych [J/m³],
  – energia powierzchni międzyfazowej [J/m²],
  – objętość jednostkowa eutektyki [m³],
  – powierzchnia międzyfazowa   [m²],
  – odległość pomiędzy środkami płytek eutektyki [m],
  – powierzchnia międzyfazowa   przypadająca na jednostkę objętości eutektyki [1/m][2].

RozwiązanieEdytuj

Uzyskanie eutektyki o skończonych odległościach międzypłytkowych wymaga obniżenia temperatury poniżej temperatury eutektycznej. Krzepnięcie nie może się odbywać przy temperaturze eutektycznej, ponieważ powodowałoby to powstawanie eutektyki o nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych.

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

 

gdzie:

  – prędkość wzrostu fazy   [m/s],
  – współczynnik dyfuzji z cieczy do płytki fazy   [m²/s],
  – maksymalna różnica stężeń w fazie ciekłej przed frontem rosnących płytek [%],
  – stała proporcjonalności,
  – krytyczna odległość międzypłytkowa [m],
  – ilość składnika B wypchniętego do cieczy [%].

Krytyczna odległość międzypłytkowa dana jest wzorem:

 [2].

Czynniki wpływające na prędkość wzrostu płytekEdytuj

Jeżeli prędkość wzrostu nagle zwiększy się, 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  :

 [2].

PrzykładyEdytuj

Zobacz teżEdytuj

PrzypisyEdytuj

  1. a b Pacyna Jerzy: Metaloznawstwo. Wybrane zagadnienia. Kraków: UWND AGH, 2005, s. 142–144. ISBN 83-89388-93-6.
  2. a b c d e f g h i Kędzierski Zbigniew: Przemiany fazowe w układach skondensowanych. Kraków: UWND AGH, 2003, s. 123–131. ISBN 83-88408-75-5.
  3. a b c d 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]. [zarchiwizowane z tego adresu].
  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.