Hvorfor lre noe om metaller Masse gjenstander er

Hvorfor lære noe om metaller? • Masse gjenstander er laget av metall • Norge har en stor metallurgisk industri - Aluminiumsverk - Ferrosilisium verk Mindre støperier Produsenter av solceller • Mange konstruksjoner som bygninger er bygget opp av stål og andre materialer • Ting går i stykker eller korroderer

Rene metaller • Rene metaller er meget bløte • Atomene er omgitt av elektroner i ytre skall og har metalliske bindinger • Mange av metallene har en tett pakning og har kubisk fcc eller heksagonal hcp struktur • Metallene har en høy ledningsevne både elektrisk og termisk

Element Oversikt over ti vanlige metaller Struktur Gitterparameter (Å) Smeltepunkt (°C) a c Magnesium hcp 3, 21 Aluminium fcc Silisium* 5, 21 Egenvekt (kg/m 3) 650 1740 4, 05 660 2700 diamant 5, 437 1414 2330 Titan hcp bcc 2, 915 3, 307 1660 4500 Jern bcc fcc bcc 2, 866 3, 648 2, 932 1536 7860 Kobber fcc 3, 61 1083 8920 Sink hcp 2, 665 Tinn diamant tetragonal 6, 489 5, 83 Sølv fcc 4, 086 Gull fcc 4, 684 4, 947 419, 5 7140 232 5750 962 10500 4, 079 1063 *Silisium er en halvleder 17000 3, 18

Oversikt over ti vanlige metaller Element Jern Produksjon (mill tonn ) 1544 Først påvist Vanlig produkter 1500 f. Kr. bygninger, tog, skip, fly Aluminium 30 1825 Bil, skip, fly, plattform, tråd Kobber 15 4500 f. Kr. 4000 f. Kr. 1000 f. Kr. Ledninger, vakre gjenstander, Bronse: Cu-Sn Messing: Cu-Zn Sink 10 Silisium 0 Sinkbatterier 4, 7 Høyrent: 0, 1? 1824 Deler i datamaskiner Solceller Magnesium 0, 75 1808 Blitz, bildeler, sykkel Tinn 0, 321 1500 f. Kr. ? Solders, belagte folier, prydgjenstander, kanner Titan 5, 91* 1791 Klokker, implantater Sølv 20 000 tonn 4000 f. Kr. Smykker, penger Gull 2 700 tonn 4000 f. Kr. Smykker, penger *Som titanoksid

Kokepunkt til en del elementer Kokepunkt (°C) Element Helium (Z=2) -268, 9 Neon (Z=10) -246, 0 Argon (Z=18) -185, 7 Krypton (Z=36) -107, 1 Magnesium (Z=12) 1090 Aluminium (Z=13) 2450 Silisium (Z=14) 2210 Jern (Z=26) 2750 Wolfram (Z=74) 5660

Termodynamikk og fasediagrammer Kapitel 1 Porter og Easterling: Phase Transformation in Metals and Alloys

Termodynamikk • • Basisligninger Rene elmenter Binære systemer Binære fasediagrammer Likevekt i heterogene systemer Vakanser Ternære fase diagrammer

Basis system • Vi har en samling av atomer med: Trykk P, Volum V, Temperatur T, Indre Energi E, Enthalpi H, Entropi S. 1 mole av atomer: Avogadros tall Na=6, 023 x 1023 Gibbs fri energi: G= H-TS Enthalpi: H = E + PV

Likevekt Fasetransformasjon når: G=GA-GB < 0

Et element ved et fast trykk • Spesifikk varme: CP = ( H/ T)P H=0 for T=298 K=25 °C • Enthalpi: Entropien ved 0 K er 0. Da er:

Strukturdata for Al og Fe • Generelt: Hsmelte>Hfaststoff G=H-TS og Ssmelte>S faststoff Gsmelte > G faststoff ved lave temperaturer • Aluminium fcc-struktur til 660 °C og smelte ved høyere temperatur • Jern bcc-struktur til 912 °C, fcc-struktur mellom 912°C og 1394°C bcc-struktur mellom 1394 °C og 1537°C, smelte over 1537°C

Effekten av økt trykk • For et system med fast masse og sammensetning: d. G = -S d. T+ d. H = - S d. T + V d. P • Ved konstant temperatur er: ( G/ P)T = V Jern: • Ved høye trykk blir den kompakte, heksagonale fasen -Fe stabil

-jern blir stabil for et økende T-intervall ved høyere trykk

To faser α og i likevekt • d. Gα = Vmα d. P – Sα d. T • d. G = Vm d. P – S d. T • d. Gα = d. G og Gα = G fordi systemet er i likevekt • • G= H - T S = 0 fordi fasene er i likevekt Clausius-Clapeyrons ligning

Jern ved høye trykk -Fe har mindre molar volum enn α-Fe V<0 mens H = H - Hα >0 (d. P/ d. T) < 0 Resultatet er at -Fe er mer stabil enn α-Fe ved høye trykk

Hva skjer ved størkning?

Størkning II • • • GL = H L – T S L GS = H S – T S S Ved en temperatur T er differensen i fri energi mellom smelte og fast stoff: G = H - T S Ved smeltepunktet Tm er de fri energier like dvs. G = 0 • • der L=størkningsvarmen For en liten underkjøling T gjelder tilnærmet: og