fiziksel metalurji-1

download fiziksel metalurji-1

of 28

Transcript of fiziksel metalurji-1

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    1/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    BLM-IFAZLARIN VE FAZ NMLERNN

    TERMODNAM

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    2/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 2

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    I : FAZLARIN VE FAZ DNMLERNNTERMODNAM

    Fiziksel Metalurjide Termodinamik = Alamn denge durumu

    TermodinamiktenFaydalanma

    Bir alaIm hangi artlarda retilir Kullanmda kararl kalr m? Kullanmda (evresel art, atmosfer) Reaksiyon

    olur mu?

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    3/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 3

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Homojen fiziksel ve kimyasal zelliklere sahip madde Scakla

    bal (Kat, sv ve gaz), Amorf metal, kat eriyik, kat bileikler.

    Faz

    (Makroskobik boyut)

    Temel Tanmlar

    Bileenler tarafndan oluturulan bir btn madde.

    Cu-Zn sistemi, Fe-C sistemi

    Sistem

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    4/28Prof. Dr. Hatem AKBULUT 4

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Bileen (komponent): Sistemi oluturan, kimyasalbileik(Ti-Al sisteminde Ti3Al, Al-Cu

    sisteminde Al2Cu)

    Bir bileenli sistemlerde; metalde kat halde deiik

    scaklklarda deiik kristal yaplar bulunabilir

    Bir bileenli sistemler:Metalik Cu (Kat, Sv ve Gaz fazlar) durumda da (kat, sv ve gaz) ayr

    homojen ve fiziksel zellikler.

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    5/28Prof. Dr. Hatem AKBULUT 5

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Kararl Sc.Aral (C)

    Bulunduuhal

    Faz Gsterilii

    2740 ve st Gaz Gaz Gaz

    1539 - 2740 Sv Sv Sv

    1400 - 1539 Kat H.M.K (delta)910 - 1400 Kat Y.M.K (gama)

    910 ve alt Kat H.M.K (alfa)

    Tablo . Saf demirin kat hal fazlar

    (polimorfizm veya allotropi) : rnek: Sn, Ti, FeSeramik malzemelerin hemen hepsinde (ZrO

    2, SiO

    2ve Al

    2O

    3)

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    6/28Prof. Dr. Hatem AKBULUT 6

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    ok bileenli sistemler (Alamlar):

    kili sistemler (binary),l sistemler (ternary)

    Saf Cu ve Ni tek balarna bir bileenli sistemlerCu-Ni iki bileenli sistem, Fe-C

    Mhendislik malzemeleri ok bileenli (Piston alamlar,yksek hz elikleri vs.)

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    7/28Prof. Dr. Hatem AKBULUT 7

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Alamlar = Kat eryikler

    Terminal kat eriyik(zelti bileenlerinkristal yapsnda)zellii zen kontrol eder

    ok bileenli sistemler = Ala

    mlar

    Ara faz zeltileri (intermediate)(zelti bileenlerden farklkristal yapda). zellii zen veznen kontrol etmez

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    8/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 8

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Faz Karmlarnn Fiziksel Doas

    ki faz birbirinden ayrma, Su stnde yzen ya (Su srekli faz,

    ya sreksiz faz. Su ya evreledii iin)

    Srekli faz = kendisi ile srekli temasta olan(rnek: Al alamnda TiC partiklleri, elikte WC ve MoC karbrler)

    Alamlarda nemli olan ikinci faz zellikleri;Miktar, kompozisyonu, geometrisi, boyutu

    (Oluan kar

    m

    n termodinamiksel dengesini etkilerler) kinci fazn boyutu incelirse sistemin enerjisi artar (Yzey artar) kinci faz kresel geometriye yaklarsa dk enerji

    (Yksek karbonlu eliklerde sementit kreselleirse tokluk artar)

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    9/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 9

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Fazlar

    n Termodinamii

    Termodinamik

    Deikenler

    Scaklk (T)

    Basn (P)

    Hacim (V)

    Entalpi (H)

    Entropi (S),

    SerbestEnerji (G)

    Faz Dnm = Bir veyafazla saydaki fazn yenifaz veya faz karmlarna

    dnm1. Faz 2. Faz

    G1.Faz > G2.Faz (Fazdnm olur)

    Serbest enerjinin azalmasgerekir.

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    10/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 10

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    G= Serbest ener (kal/mol.), H= Entalpi (kal/mol.),T= Scaklk (K) S= Entropi (kal/mol K)

    Entalpi = Bir sistemin s ieriinin bir lm;

    E = sistemin i enerjisi, P = basn V = hacimdir.Sistemin i enerjisi = Atomlarn kinetik ve potansiyel

    enerjilerinin toplam

    (1.1)

    (1.2)

    TSHG =

    PV+E=H

    Gibbs Serbest Enerjisi (G)

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    11/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 11

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Atomlarn KinetikEnerjisi

    Atomtitreimi

    Atomlarnarpmas

    Atomlardnmesi

    Dier atom hareketleri(srama, izotop vs.)

    Potansiyel enerji = atomlar aras balar

    Faz dnmnde absorbe edilen veya ortaya kan s;

    enerji deiimi

    Dnm sonucu ortaya ikan hacim deiklii

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    12/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 12

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Sabit bas

    nta sistemin absorbe ettii, ortaya

    kard

    s

    =entalpi (H) deiimi

    Fiziksel metalurjide (youn maddeler) (kat, sv)Youn maddelerde PV terimi E' ye oranla ok kk, hmaledilebilir.

    Entropi (S) sistem dzensizliinin bir ls.

    Denge = En kararl durum

    Termodinamik (Fiziksel metalurji)(Sabit basn ve scaklkta denge iin Gibss serbest enerjisien dk olmal)

    H=E (1.3)

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    13/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 13

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    0dG =

    En yksek kararllkdurumu;

    a)Dk entalpi, b)Yksek entropi deerlerikombinasyonu

    ekil. Serbest enerji ve atom dzeni ilikisi.

    (1.4)

    dG = 0

    A

    B

    dG = 0

    Atomlarn Dzeni

    S

    erbestEnerji

    Matematiksel olarak en kararl durum

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    14/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 14

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    B konumunda Gibbs serbest enerjisi en dk Enkararl denge durumu

    A noktas da blgesel minimum Yar kararl denge

    (metastable equilibrium)

    Malzeme serbest enerjini minimuma indirmeye alr

    Oda scaklnda Elmas grafite dnrElmas A konumunda iseGrafit B konumunda ise A B

    (1.5)0

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    15/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 15

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Bir sistemin tm termodinamik deikenleri :Scaklk (T) Entalpi (H) Basn (P) Entropi (S) Hacim (V) Serbest enerji (G)

    ok bileenli sistemlerde serbest enerjiyi etkileyenfaktrler.

    nA, nB ve nC = sistemdeki A, B, C bileenlerinin mol saylar.Bileimler genelde atom veya mol oranlar ile ifade edilir.

    (1.6)........)n,n,n,P,T(fG CBA=

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    16/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 16

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    l bir sistemde mol oranlar ;

    NA, NB ve NC : A, B, C bileenlerinin mol oranlarnA, nB ve nC : A, B, C bileenlerinin mol saylardr.N

    A+ N

    B+ N

    C= 1 dir

    Metalurjik prosesler genelde sabit scaklk ve basnta olurBu durumda; l bir sistemde toplam serbest enerji:

    CBA

    A

    Annn

    n

    ++=N

    CBA

    B

    Bnnn

    n

    ++=N

    CBA

    C

    Cnnn

    n

    ++=N (1.7)

    (1.8)sabitP,T)n,n,n(fG CBA ==

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    17/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 17

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    zeltide bileen iin gerekli trevler alnrsa;Denge

    :G,G,G CBA = A, B, C bileenlerinin ksmimolar serbest enerjileri

    (1.17)0=++ GGGdn CCBBA dndnA

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    18/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 18

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Faz dnmlerininOluumunu salayan = iticig (driving force)Sv metal Tm altna T kadar

    soutulur, Katlama balarG (J /mol) kadar azalrT scaklnda sv ve katfazlarn serbest enerjileri;

    ekil. Ergime scaklnayakn bir scaklkta kat (S)

    ve sv (L) fazlar arasndakiserbest enerji fark.

    G

    T

    GS

    GL

    T Tm

    T (K)

    M

    olarSerbestEnerji

    Alam Sistemlerindeki Fazlarn SaylarFaz Dnmlerinin tici Gc (Driving Force)

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    19/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 19

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    SSS

    LLL

    TSHG

    TSHG

    =

    =

    Buradan,

    (1.28)

    (1.29)STHG =

    Burada

    SL HHH = SL SSS =ve (1.30)

    Dengede, (Tm) kat ve sv serbest enerjileri eit, G = 0 ;

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    20/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 20

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Yukardaki eitliklerden;

    mm

    m

    m T

    TLG,

    T

    )TT(LG,

    T

    LTLG

    =

    == (1.23)

    bulunur.

    0STHG m == (1.31)

    mm T

    L

    T

    HS =

    = (1.32)

    ve

    L = katy sv, sv kat dnm iin gerekli olan gizli s(Sv ve kat fazlar arasndaki entalpi fark).

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    21/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 21

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Beyaz Sn

    Gri Sn

    Scaklk, K

    CP

    ekil. Beyaz ve gri kalay'n spesifik

    s (Cp) 'larnn scaklk ile deiimi.

    Saf kalay (Sn) allotropikdnm gsterir.

    13.2 C'de beyaz kalay( faz)' dan gri kalay (

    faz)' a allotropikdnm(Dnm ani deil

    zamanla gerekleir).

    Tek Bileenli Sistemler

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    22/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 22

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Scaklk, K

    G = 390 kal.

    286 KG = 0

    Beyaz Sn nserbest enerjisi

    Gri Sn nserbest enerjisi

    SerbestEnerji,kal/mol

    (Beyaz kalay) = HMT, (Gri kalay) = Elmas kbikyap (Krlgan)

    Spesifik s = Bir molmaddenin scakln 1 K

    ykseltmek iin gerekli kalori.

    Is kapasitesinden hareketle

    serbest eberjiler bulunur.

    ki fazn serbest enerjileri286.2 K (13.2 C) de eit.

    ekil. Beyaz ve gri kalay iinserbest enerji - scaklk erileri.

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    23/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 23

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Tek Fazl kili (binary) Sistemler

    Sabit basn ve scaklkta, nA mol bileen A ve nB mol bileenB' nin oluturduu bir eriyiin toplam serbest enerjisi (G):

    (1.44)BBAA GnGnG +=

    Bir mol iin serbest enerjisi ise;

    (1.45)BBAA GNGNG +=;

    ki Bileenli Sistemler

    Burada bileenlerin ksmi molal serbest enerjileri

    ve NA ve NB ksmi mol oranlardr. Yani;

    BA GveG

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    24/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 24

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    (1.46)

    (1.47)

    BA

    BB

    BA

    AA

    nnnN,

    nnnN

    +=

    +=

    BoBB

    AoAA

    alnRTGG

    alnRTGG

    +=

    +=

    BA GveGKismi molal serbest enerjiler aadakieitlikler ile tanmlanr;

    GGo

    B

    o

    A, aA ve aB srasyla A ve B bileenlerinin saf

    haldeki serbest enerji ve aktiviteleri.Bir mol iin serbest enerji bants;

    (1.48))alnNalnN(RTGNGNG BBAAo

    BB

    o

    AA +++=

    MHENDSLK FAKLTES

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    25/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 25

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    (1.49))NlnNNlnN(RTGNGNG BBAAoBBoAA +++=

    deal bir zelti ile alld dnlrse,

    aA = NA ve aA = NA olduundan serbest enerji;

    )GNGN( oBBoAA +

    )NlnNNlnN(RT BBAA +

    = Birbirleri ile karmayan iki bileenintoplam serbest enerjisi

    = Karmn entropisinin zeltiG ne katks Scaklk artnca artar.

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    26/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 26

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    rnek:

    ekilden; 500 Kde(GoA) = 1500 kalori/mol,

    (GoA) =2000 kalori/mol

    Karm enerjisi;NA ve NB rastgele seilirseG hesaplanabilir.

    Scaklk, K

    SerbestEnerji,

    kal/mol

    Go

    B

    GoA

    BAoBB

    oAA

    N2000N1500GNGN +=+

    ekil. A ve B elementlerininvarsaymsal serbest enerjilerininmutlak scakla bal olarakdeiimi.

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    27/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 27

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    Bileenlerin serbest enerjisi

    S

    erbestEnerji,

    kal/mol

    zeltininserbestenerjisi

    Karmnserbestenerjisi

    NA

    b

    a

    ce

    d

    ekil. A ve B elementlerinin ideal zeltisinin varsaymsal serbest enerjisi.

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

  • 7/27/2019 fiziksel metalurji-1

    28/28

    Prof. Dr. Hatem AKBULUT 28

    MHENDSLK FAKLTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL

    17.10.200617.10.2006

    ve fazlar iin serbest enerji dengesi yazldnda;

    faz iin;

    faz iin :(1.52)

    0GdNGdN BBAA =+

    0GdNGdN BBAA =+

    ki Faz eren ki Bileenli Sistemler