Phase Diagrams

Definition and Basic Concepts

Solubility Limit

คือ ปริมาณตัวถูกละลายท่ีสามาตรละลายไดสูงสุดในสารละลาย ถามีเฟสเดียว เรียก Homogenous system (Homo=เหมือน)

ถามี 2 เฟสข้ึนไป เรียก Heterogenous system (Hetero=ตาง) เฟส (Phase) คือ สวนใดสวนหนึ่งของระบบท่ีมีลักษณะทางกายภาพ และเคมีสมํ่าเสมอ รวมท้ังสถานะดวย เชน ระบบน้ํา-น้าํตาล มี 2 phase คือ น้ําเช่ือม และนํ้าตาล

Binary Phase Diagrams <10ขอรวมIron – Carbon System>

Phase diagram บอกใหรูวามีเฟสใดบาง ท่ีแตละสภาวะของ T, oC , P

Binary Phase diagram มี 2 องคประกอบ ข้ึนอยูกับ T และ oC โดยให P=1 atm

1 phase คือ

liquid

2 phase คือ liquid(น้ําเช่ือม) และ Solid(น้ําตาล)

1 Edition By Kik

ระบบเน้ือเดียวสององคประกอบ (Binary Isomorphous System)

phase diagram ของ Cu-Ni

Liquidus: อุณหภูมิท่ีของแข็งเร่ิมแข็งตัว Solidus: อุณหภูมิท่ีของเหลวแข็งตัวอยางสมบูรณ 1) จํานวนและประเภทของเฟส

A มี 1 เฟส: (solid)

B มี 2 เฟส: L(liquid) + (solid)

2) องคประกอบของเฟส

A มีแต แบงเปน Ni 60 wt%

Cu 40 wt% B มีท้ัง L และ แกปญหาโดยลากเสน Tie line ตัดกับเสน liquidus จะได

LC (Ni ในเฟสของเหลว) =32 wt%

ตัดกับเสน solidus จะได C (Ni ในเฟสของแข็ง) = 43 wt%

3) สัดสวนโดยนํ้าหนักในแตละเฟส

บอกใหรูปริมาณของแตละเฟสท่ีเกิดข้ึน A มีแต อยางเดียว ดังนัน้

LW = 0 wt%, W = 100 wt%

B ตองใช Lever rule

น้ําหนกัในเฟสของเหลว (Liquid)

oL

L

C CSW 73 wt%

R S C.

C

น้ําหนกัในเฟสของแข็ง ( )

o L

L

C CRW 27 wt%

R S C.

C

สังเกต LW W 100%

อยากรูของเฟสไหน เอาความยาวดานตรงขาม หารความยาวท้ังหมด

1 Edition By Kik

9.12 A 50 wt% Ni–50 wt% Cu alloy is slowly cooled from 1400 C to 1200 C . (a) At what temperature does the first solid phase form? (b) What is the composition of this solid phase? (c) At what temperature does the liquid solidify? (d) What is the composition of this last remaining liquid phase? 9.17 A 65 wt% Ni–35 wt% Cu alloy is heated to a temperature within the + liquid-phase region. If the composition of the phase is 70 wt% Ni, determine: (a) The temperature of the alloy (b) The composition of the liquid phase (c) The mass fractions of both phases จากโจทยเราได oC = 65 wt% Ni C =70 wt% Ni

(a) ลากเสนจากC ข้ึนไปตัด solidus line ตามเสนสีชมพู แลวอานอุณหภูมิได 1340 C

(b) ลากเสน tie line ไปตัด liquidus line อาน LC =59 wt% Ni

(c) o L

L

C C 65 59W 0.55

C C 70 59

LW 1 W 1 0.55 0.45

ไลลงไปจากเสนสีน้ําเงิน จะเจอ liquidus

line เปน T ท่ีเร่ิมเปนของแข็ง (a) 1320 C (b) องคประกอบท่ีเฟสของแข็ง ใหลาก tie

line ตัดกับ solidus line ตามเสนสีเขียว แลวลากลงมาจะได (Ni)C 62 t%.w

(Cu)C 100 62 38 wt%.

ลากลงตามเสนสีน้ําเงินตอ จะเจอ solidus

line ซ่ึงของเหลวเปล่ียนเปนของแข็งสมบูรณ (c) 1270 C (d) องคประกอบท่ีเฟสของเหลว ใหลาก tie

line ตัดกับ liquidus line ตามเสนสีมวง แลวลากลงมาได L(Ni)C 37 %.wt

L(Cu)C 100 37 63 wt%.

1 Edition By Kik

โครงสรางของโลหะผสมเนื้อเดียวที่ผานการเย็นตัวแบบสมดลุ

การเย็นตัวแบบสมดุล การเย็นตัวแบบไมสมดุล

เกิดจากการลดอุณหภูมิอยางชาๆ ทําใหการแพรของอะตอมสมบูรณ เรียกวา Equilibrium structure

เกิดจากการลดอุณหภูมิอยางรวดเร็ว ทําใหแพรไมทันและเกิด เปนช้ันๆ แตละชั้นมีปริมาณ Ni

ไมเทากันตามรูป วงในมี Niมาก วงนอกมี Niนอย เสนsolidus จะเอียงไปทาง Ni เพราะเปนคาเฉล่ียของ ในแตละช้ัน

โครงสรางนี้เรียกวา Cored structure

การเปล่ียนCored structure ใหเปน Equilibrium structure โดยการอบใหความรอนเพื่อเรงการแพรของอะตอมใหไดองคประกอบสมํ่าเสมอ เรียกวา Homogenization

1 Edition By Kik

สมบัติเชิงกลของโลหะผสมเนื้อเดียว (Mechanical Properties of

Isomorphous Alloys)

การเพิ่มองคประกอบอ่ืนลงไปในโลหะเปนการเพิ่มความแข็งแรง (solid solution

strengthening) แตเม่ือเพิ่มไปถึงจุดหนึ่งแลวความแข็งแรงจะลดลง

Binary Eutectic System

<จากตรงน้ีถึง Congruent Phase Tranformation 10ขอ>

Binary isomorphous syatem: โลหะผสมรวมตัวไดสมบูรณท้ังของแข็งและของเหลว Binary eutectic system: โลหะผสมรวมตัวไดสมบูรณในของเหลว แตไมสามารถละลายไดในของแข็ง ในเฟสของแข็งจึงแบงเปน ( , หรือ อ่ืนๆ)

NOTE: ความแข็งแรงบอกดวย Tensile strength

เม่ือเพ่ิมความแข็งแรง ความเหนียว (%EL) จะลดลง

1 Edition By Kik

ระบบ Cu-Ag ซ่ึงมี 3 phase คือ L, และ

มี Cu สูง มี Ag สูง (ดูจากกราฟ)

จุด E เรียกวา Invariant point ซ่ึงมีสวนผสม EC 71.9 g.wt%A (สวนผสมยูเทกติก)

และ ET 779 C (อุณหภูมิยูเทกติก)

และจะเกดิปฏิกิริยา

cooling

heatingL(71.9 wt% Ag) (8.0 wt% Ag) (91.2 w. . . . . t% Ag. )

เสนท่ีมีอุณหภูมิเทากับ ET เรียกวา Eutectic isotherm

เสนท่ีแบงphase กับ เรียกวา Solvus line

Microstructures in Eutectic System

phase diagram ของ Pb-Sn

แบงการพิจารณาเปน 4 เสน

1 Edition By Kik

1) เสนสีชมพู 1C : เปล่ียนจาก L [ L หรือ L ] [ หรือ ] อยางใดอยางหนึ่ง (ไมเปล่ียนเปน )

เปน หรือ แบบหลายผลึก

2) เสนสีน้ําเงิน 2C : เปล่ียนจาก L L

เม่ือลดอุณหภมิูจน กลายเปนเฟส แลว ผาน solvus line ปริมาณSn ท่ีละลายใน มีคาเกินขีดจํากัดการละลาย ทําใหเกิดผลึกขนาดเล็กของ และหลายผลึกของ

1 Edition By Kik

3) เสนสีสม: เปล่ียนจาก

L โดยผานจุดeutectic

เกิดเฟส และ ข้ึนพรอมกัน เปนช้ันๆสลับไปมา เรียกวา Eutectic

microstructure

4) เสนสีเขียว: เม่ือเขาphase L โลหะผสมจะเร่ิมแข็งตัวเปน ท่ีมีลักษณะกลม เรียกวา Primary

และเม่ือผาน Eutectic isotherm L ท่ีเหลือจะเปล่ียนไปเปน เปนแถบๆ โดย ท่ีเปนแถบๆนี้เรียกวา Eutectic

ดานซายของจดุ eutectic เรียก Hypoeutectic

ดานขวาของจุด eutectic เรียก Hypereutectic

1 Edition By Kik

9.32 For a lead–tin alloy of composition 80 wt% Sn–20 wt% Pb and at 180 C ( 355 F ) do the following: (a) Determine the mass fractions of and phases. (b) Determine the mass fractions of primary and eutectic microconstituents. (c) Determine the mass fraction of eutectic

(a) oC C 98 80W 0.22

C C 98 17

W 1.00 W 1.00 0.22 0.78

(b) โจทยถาม primary และ eutectic microconstituents (สวนประกอบจุลภาคท่ีเปนยูเทกติก คือ eutectic + )

มองท่ีเหนือเสน eutectic isotherm เล็กนอย (phase L ) จะได

primary80 61.9

W 0.597.8 61.9

eutectic primaryW 1.00 W 0.5

(c) eutectic primaryW W W 0.78 0.5 0.28

C oC C

1 Edition By Kik

9.33 The microstructure of a copper–silver alloy at 775 C (1425 F ) consists of primary and eutectic structures. If the mass fractions of these two microconstituents are 0.73 and 0.27, respectively, determine the composition of the alloy. primary ดูเหนือเสน eutectic isotherm

L oprimary

L

C CW

C C

o71.9 C0.73

71.9 8.0

oC 25.25 wt% Ag

1 Edition By Kik

ชนิดของ Invariant Reactions

Invariant point ใหสังเกตท่ีมีตัว V หรือ Eutectic

coolingL

Eutectoid

cooling

Peritectic

coolingL

Peritectoid

cooling

ขอสังเกต: Eu- 1 phase เปน 2 phase รูปตัว V Peri- 2 phase เปน 1 phase รูปตัว -tic มี phaseของเหลว (L) รวมดวย -toid ไมมี phaseของเหลว (L)

Congruent Phase Tranformation

Congruentคือการเปล่ียนแปลงเฟสโดยไมมีการเปล่ียนแปลงสวนผสมจากเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหน่ึง Incongruent คือเกิดการเปล่ียนแปลงสวนผสมอยางนอย 1 เฟส

Congruent สังเกตจาก เสนตรงเสนเดยีวใน phase diagram เชน เสนสีน้ําเงินดานลาง จากL

1 Edition By Kik

The Iron – Carbon System

แตละphase ของเหล็กมีช่ือเรียกเฉพาะซ่ึงแบงตามปริมาณคารบอน

เหล็กเฟอรไรต (Ferrite Fe) - iron BCC เหนยีว ไมแข็ง ออสเตนไนท (Austenite) - iron FCC นิ่ม ข้ึนรูปงาย เฟอรไรตเดลตา - iron BCC ไมเสถียร ปรากฏท่ีอุณหภูมิสูง ซีเมนไทต (Cementite) 3Fe C แข็งแตเปราะ มีCarbon 6.67%

เพิรลไลต (Pearlite) Ferrite + Cementite มี 2 เฟสผสมกัน

1 Edition By Kik

Microstructure in Iron-Carbon Alloys

จากเฟส austenite เขาสู pearlite (ferrite + cementite)

Hypoeutectoid steel

จะเกิดช้ันสลับของ 2 เฟส คือ ferrite ( )

และ cementite ( 3Fe C) ความหนาของท้ัง 2 เฟส เปน 8:1 โครงสรางแบบนี้เรียกวา pearlite โดยในเกรนเดียวกันpearliteจะเรียงตัวในทิศทางเดียวกนั

สาเหตุท่ีเปนช้ันสลับเพราะ แพรอะตอม C ไดงายข้ึน โดยCแพรจาก ferrite( ) เขาสู cementite( 3Fe C)

ท่ีจุด d จะเหน็วา austenite( ) ท่ีขอบเกรนเปล่ียนเปน ferrite( ) ซ่ึงจะเรียกวา Proeutectoid ferrite และเม่ือเย็นตัวผาน Eutectoid temperature แลว austenite( ) ท่ีเหลือจะเปล่ียนเปน pearlite โดย ในpearlite เรียกวา Eutectoid ferrite

1 Edition By Kik

Hypereutectoid steel

Alloying Steel ของธาตุชนิดตางๆ การเติมธาตุผสมมีผลท้ัง จุดยูเทกตอยด และอัตราสวนของ pearlite และเฟสปฐมภมิูดวย

cementite( 3Fe C) ท่ีเกิดกอน Eutectiod

temperature จะเรียกวา Proeutectoid cementite และจะเกิดท่ีบริเวณขอบเกรนเชนเดยีวกบั Proeutectoid

ferrite และเม่ือเย็นตัวผาน Eutectoid temperature

แลวaustenite( ) ท่ีเหลือจะเปล่ียนเปน pearlite โดย 3Fe C ในpearlite เรียกวา Eutectoid cementite

ผลของธาตุผสมตออุณหภูมิยเูทกตอยด ผลของธาตุผสมตอปริมาณ C ท่ีจุดยเูทกตอยด

1 Edition By Kik

9.42 Figure 9.36 is the tin–gold phase diagram, for which only single-phase regions are labeled. Specify temperature–composition points at which all eutectics, eutectoids, peritectics, and congruent phase transformations occur. Also, for each, write the reaction upon cooling.

Eutectic: 1 Liquid 2 Solids (1) ท่ี 10 wt% Au, 217 C L

(2) ท่ี 80 wt% Au, 280 C L

Eutectoid: 1 Solid 2 Solids -None- Peritectic: 1 Liquid + 1 Solid 1 Solid (1) 30 wt% Au, 252 C L (2) 45 wt% Au, 309 C L (3) 92 wt% Au, 490 C L Congruent phase transformation: จาก 1 phase 1 phase เปนเสนตรง (1) 62.5 wt% Au, 418 C L

1 Edition By Kik

9.58 Is it possible to have an iron–carbon alloy for which the mass fractions of total cementite and proeutectoid ferrite are 0.057 and 0.36, respectively? Why or why not? จากขอมูล W proeutectoid ferrite = 0.36 จะหา oC ได

oproeutectoid

C CW

C C

o0.76 C0.36

0.76 0.022

oC 0.49 wt% C

จากขอมูล W cementite = 0.057 และ oC =0.49 wt% C จะหา C ได

3

3

oFe C

Fe C

C CW

C C

0.49 C

0.0576.7 C

C 0.11 wt% C พบวาเปนไปไมได เพราะที่เฟส ferrite คารบอนสูงสุดท่ี 0.022 wt% C

1 Edition By Kik