Fasjämviktsystem för legeringar

Innehållsförteckning

I rena metaller är omvandlingsförloppet vanligtvis lätt att förstå: smältning och stelning sker vid en enda, exakt definierad temperatur, liksom vissa strukturella omvandlingar i fast tillstånd. Kylningskurvorna visar då karakteristiska pauser, eftersom energi absorberas eller frigörs för själva omvandlingen, snarare än för temperaturförändringen. När det gäller legeringar är situationen inte längre så ”punktlik”. Det förekommer ofta att en legering börjar stelna vid en temperatur men slutar vid en annan och att faser med varierande sammansättning samexisterar under processen.

Det är därför som fasjämviktsdiagram, även kända som fasdiagram, används inom materialvetenskap. Ett sådant diagram kan betraktas som en karta: det visar vilka faser som är stabila beroende på temperatur och sammansättning och i vilken ordning omvandlingarna sker under uppvärmning och kylning. Detta gör det möjligt att förutsäga både kristallisationens förlopp och efterföljande omvandlingar i fast tillstånd, och därmed strukturen och egenskaperna hos den färdiga legeringen.

Nyckelbegrepp – system, fas och komponenter

För att kunna tolka jämviktsdiagram korrekt måste man förstå det språk de ”talar”. I termodynamiska termer är ett system ett separat fragment av verkligheten som analyseras under givna förhållanden, till exempel ett prov av en legering som vi kyler ned. En fas innebär en homogen del av ett system med identiska egenskaper och en konstant kemisk sammansättning, separerad från andra faser genom en fasgräns. En fas kan vara en vätska, en fast lösning eller en specifik intermetallisk fas, om en sådan bildas.

Beståndsdelarna, det vill säga de ämnen (vanligtvis grundämnen) som utgör legeringen och från vilka faser kan bildas, är också viktiga. I samband med binära diagram avser vi vanligtvis ett system som består av två beståndsdelar vars proportioner varierar i legeringen. I praktiken innebär detta att diagrammet inte beskriver ett enda ”material”, utan snarare en hel familj av legeringar med olika sammansättningar, och varje förändring i sammansättningen förflyttar oss till en annan plats på fasdiagrammet.

Gibbs fasregel

En av anledningarna till att legeringars beteende skiljer sig från rena metaller är antalet variabler som ”styr” systemet. Gibbs fasregel organiserar förhållandet mellan antalet komponenter, antalet faser och antalet frihetsgrader. I metallurgisk praxis antas ofta konstant tryck, eftersom dess inverkan på metallfasövergångar vanligtvis är liten jämfört med temperaturens och sammansättningens inverkan.

Den praktiska betydelsen är följande: om systemet har liten ”manöverutrymme”, måste övergången ske vid en temperatur (därav de karakteristiska avstoppen). Men när det finns variationer i sammansättningen och möjlighet för flera faser att samexistera, kan systemet passera genom områden där två faser förekommer samtidigt och deras sammansättning förändras med temperaturen. Då sträcker sig stelningen eller fastfasomvandlingarna över ett visst temperaturområde och strukturen bildas i etapper.

Hur skapas ett binärt jämviktsdiagram?

Ett typiskt binärt diagram visar förhållandet mellan temperatur och kemisk sammansättning. Den horisontella axeln representerar legeringens sammansättning (till exempel procentandelen av en komponent) och den vertikala axeln representerar temperaturen. För att konstruera ett sådant diagram utförs en serie experiment för många legeringar med olika proportioner av komponenter, och de temperaturer vid vilka omvandlingarna sker registreras – oftast med hjälp av termiska analysmetoder baserade på kylnings- och uppvärmningskurvor.

Gränserna för fasområdena är särskilt viktiga i diagrammet. En linje som kallas liquidus skiljer det helt flytande området från det område där vätskan samexisterar med den fasta fasen. Soliduslinjen markerar gränsen under vilken legeringen är helt fast. Mellan liquidus och solidus finns vanligtvis ett blandningsområde (till exempel flytande + fast fas), vilket i praktiken innebär att legeringen under kylningen genomgår ett stadium där en del av materialet redan är fast och en del förblir flytande.

Det är också viktigt hur sammansättningen av faserna avläses vid en given temperatur. Detta görs genom att dra en horisontell linje (isotermen) genom grafen: skärningspunkten med liquidus visar vätskans sammansättning, och skärningspunkten med solidus visar den fasta fasens sammansättning i jämvikt vid den temperaturen. Detta är grunden för att dra slutsatser om vad som faktiskt händer i legeringen under kylningen.

Termiskt jämviktsystem av zink-aluminium

De viktigaste typerna av jämviktsystem

Kontinuerlig fast lösning

I vissa system blandas komponenterna fritt med varandra både i flytande och fast form. I detta fall finns det under solidus en fas – en fast lösning med en sammansättning som beror på positionen på sammansättningsaxeln. Under kylningen börjar legeringen stelna vid liquidus när de första kristallerna av den fasta lösningen uppträder, och slutar vid solidus när den sista delen av vätskan försvinner. Detta är ett klassiskt exempel på stelning i ett temperaturområde, utan ett enda stopp.

Det är värt att notera att i området ”flytande + fast lösning” är sammansättningen av båda faserna olika och förändras med temperaturen. Genom att läsa isotermkurvan kan vi avgöra vilken del av legeringen som redan är i fast tillstånd vid ett givet ögonblick och vilken del som fortfarande är flytande.

Eutektik

Ett eutektiskt system är mycket karakteristiskt när komponenterna blandas i en vätska men löses dåligt eller inte alls i fast form. I detta fall finns det en eutektisk sammansättning och temperatur vid vilken en homogen vätska omvandlas till två fasta faser samtidigt. En sådan omvandling är isotermisk, så det finns en tydlig paus på kylningskurvan, som i fallet med ren metall, men mekanismen är annorlunda: istället för en enda fast fas bildas en fin blandning av två faser, vanligtvis med en specifik, regelbunden morfologi.

Legeringar med en annan sammansättning än eutektisk bildar en blandad struktur. Om legeringen är hypereutektisk separeras först primärkristaller av en fas, och först därefter stelnar resten av vätskan som eutektikum. Om legeringen är hypereutektisk uppträder först primärkristaller av den andra fasen, följt av eutektikumet. Som ett resultat beror mikrostrukturen på sammansättningen: eutektiken kan dominera, de primära kristallerna kan dominera, eller båda komponenterna kan ha liknande proportioner.

Eutektik med begränsad löslighet i fast tillstånd

I praktiken uppstår ofta en mellanliggande situation: komponenterna blandas väl i flytande tillstånd, men i fast tillstånd bildar de endast i begränsad utsträckning fasta lösningar. Istället för ”rena” faser bildas då fasta gränslösningar, som vanligtvis betecknas α och β, och eutektikumet blir en blandning av dessa två lösningar med mättade sammansättningar vid eutektisk temperatur.

Detta är mycket viktigt eftersom lösligheten i fast tillstånd ofta minskar vid ytterligare kylning, vilket kan leda till att α- och β-lösningar blir övermättade. Som ett resultat kan sekundära separationer och ytterligare ”mognad” av strukturen inträffa efter att stelningen är klar. Diagrammet är därför inte bara en beskrivning av kristallisationen, utan också en guide till de förändringar i fast tillstånd som påverkar materialets egenskaper.

Peritektik

I peritektiska system sker en omvandling där vätskan reagerar med den befintliga fasta fasen och bildar en ny fast fas. Detta sker vid en specifik temperatur eftersom tre faser samexisterar vid reaktionsögonblicket. Den peritektiska mekanismen är av praktisk betydelse eftersom den nya fasen ofta växer på kristallerna i den ursprungliga fasen och bildar ett skikt som hindrar ytterligare diffusion av komponenterna. Detta kan leda till att den faktiska omvandlingen avviker från den ideala jämvikten, särskilt vid snabbare kylning.

Ur teknisk synvinkel kan peritektik vara en källa till heterogenitet och strukturer som inte bara beror på jämviktsdiagrammet i sig, utan också på kinetiken, det vill säga diffusionsprocessernas hastighet. Vid tolkning av diagram är det därför viktigt att komma ihåg att diagrammet beskriver jämvikt och inte alltid det faktiska tillståndet ”i farten” utan tid för sammansättningen att jämnas ut.

Begränsad löslighet i vätska

Ibland är systemet inte helt homogent, ens i flytande tillstånd. Det kan hända att vätskan inom ett visst temperaturområde separeras i två vätskor med olika sammansättning, vilket främjar segregering och bildandet av områden med olika egenskaper. I ett sådant system är en monotektisk omvandling möjlig, där en vätska omvandlas till en annan vätska och en fast fas.

Ur gjutteknikens synvinkel är detta viktigt eftersom separationen av vätskor kan leda till oönskad heterogenitet i legeringen. I praktiken motverkas detta ofta genom lämplig processkontroll, inklusive val av kylningshastighet eller metod för blandning av flytande metall, för att begränsa tiden för segregering.

Kemiska föreningar och intermetalliska faser

I många system bildas kemiska föreningar och intermetalliska faser. Om en förening har en konstant stökiometrisk sammansättning visas den i diagrammet som en karakteristisk position som motsvarar denna proportion av komponenter. En sådan förening kan smälta på ett ”rent metalliskt” sätt när den omvandlas till en vätska med samma sammansättning, eller den kan bildas och försvinna i peritektiska omvandlingar när processen fortskrider genom reaktion med vätskan.

Intermetalliska faser är ofta hårda och spröda, och deras närvaro kan avsevärt förändra legeringens egenskaper. Av denna anledning är fasdiagram särskilt viktiga vid legeringsdesign, eftersom de gör det möjligt för oss att förutsäga om en fas kommer att uppstå inom ett givet kompositions- och temperaturområde som försämrar plasticiteten eller, tvärtom, stärker legeringen genom fina utfällningar.

Fast tillståndsförändringar: eutektoid och peritektoid

Jämviktsdiagram slutar inte med stelning. I många legeringar är omvandlingar som sker efter övergången till fast tillstånd viktiga, särskilt när lösligheten i fasta lösningar förändras med temperaturen eller när en av komponenterna uppvisar polymorfism. Av särskild betydelse är den eutektoida omvandlingen, som motsvarar eutektik men sker helt i fast tillstånd: en fast lösning bryts ned till två fasta faser vid en konstant temperatur. Denna omvandling leder ofta till en fin, regelbunden struktur och kan avsevärt förändra de mekaniska egenskaperna.

Det finns också en peritektisk omvandling, analog med peritektik, men utan inblandning av vätska: två fasta faser reagerar för att bilda en tredje fast fas. I praktiken kan omvandlingar i fast tillstånd vara avgörande, eftersom de kan bestämma hårdhet, slaghållfasthet eller krypbeständighet, även om stelningsprocessen har fortlöpt korrekt.

Praktisk betydelse

Den viktigaste slutsatsen från analysen av diagrammen är att legeringarnas egenskaper främst beror på deras struktur och inte bara på de element de innehåller. Enfaslegeringar är vanligtvis mer homogena och deras egenskaper förändras ofta mer jämnt med sammansättningen. I flerfaslegeringar är situationen mer komplex eftersom materialets beteende bestäms av typen av faser, deras proportioner, fördelning, kornstorlek och morfologi (till exempel formen på eutektiska legeringar eller utfällningarnas beskaffenhet).

Ett fasdiagram är därför ett verktyg som hjälper till att koppla processförhållandena till resultatet. Om man vet vid vilka temperaturer och sammansättningar vissa faser uppstår kan man medvetet välja legeringens sammansättning samt kylnings- och värmebehandlingsförhållandena. I praktiken innebär detta att det är möjligt att förutsäga om legeringen tenderar att segregera, om spröda intermetalliska faser kommer att uppstå, om utfällningar kan användas för förstärkning eller om strukturen kommer att vara stabil under driftsförhållanden.