Strkning av eutektiske legeringer Viktige eutektiske legeringer er

Størkning av eutektiske legeringer • Viktige eutektiske legeringer er: støpejern og Al-Si • Eutektiske legeringer klassifiseres i tre grupper:

Regulær eutektisk størkning Lamelle struktur: Pb-23 wt% Cd Stav struktur: Sn – 18 wt% Pb

Eutektiske strukturer Kompleks regulær eutektisk struktur Irregulær struktur (? ? ) av Al-9, 6 wt%Si Al -35 wt% Ge

Typer av eutektiske legeringer Lameller Kuler Stavformet Uregelmessige staver

Morfologi til eutektiske legeringer • • Ikke-facetterte faser vil ha en underkjøling på ca 0, 2 °C Facetterte krystaller vil ha en større underkjøling, 1 -2 °C, og ligge lenger unna laget der temperaturen er lik størkningstemperaturen. • Et eutektikum bestående av en facettert og en ikke-facettert vil ofte få forgreninger i størkningen og en mer irregulær morfologi. Det gjelder ikke bestandig. Eksempler: Ag-Bi og Al-Al 3 Ni.

Kinetikken i vekst av eutektiske lameller • 1. 2. 3. Det er tre typer av reaksjoner som kan være opphav til en regulær struktur av plater (lameller): En eutektiske reaksjon med ikke-facetterte faser Eutektoid reaksjon (for eksempel dannelse av perlitt) Diskontinuerlige utfellings reaksjoner Alle disse reaksjonene er avhengig av en kobling mellom to reaksjoner

Kinetikken i vekst av eutektiske lameller En smelte med eutektisk sammensetning, CB=CE, størkner. Det er en koblet vekst av α- og -plater. I løpet av en tid dt beveger de seg fra posisjon I til posisjon II. Det må ha skjedd en diffusjon i smelten foran strøkningsfronten, og det har blitt dannet grenseflater mellom α- og -fasen

Kinetikken i vekst av eutektiske lameller II B-atomer A og B atomer blir redistribuert foran størkningsfronten

Vekst av eutektiske lameller II Fluksen av B-atomer som blir kastet vekk fra α-platene: J= Aα-1*(dm/dt) = R*(Cα(l)-Cα(s)) ≈ R*(CE-Cα) der Aα er overflatearealet mellom α-fase og smelte

Vekst av eutektiske lameller III Den laterale diffusjonen i Y-retning er omtrent lik: J(diff) = D* C/(S 0/2) Ved steadt state er J(frastøtt)=J(diff) R (hastighet til størkningsfront: C=midlere differens i sammensetning til smelten foran α- og -plater

Størkning • Rene størkner i et termisk felt ved en lav underkjøling Tk: G = Sf * Tk • Eutektikum fryser ved hjelp av tre irreversible prosesser: - Netto atomstrøm fra smelte til fast stoff - Diffusjon i smeltene foran α-fasen og -fasen - Generering av en overflate α- med overlateenergi: α Alle tre prosssene trenger energi Når et eutektikum fryser skjer det for en underkjøling TE og en fri energi GB: GB= Sf * TE der Sf *er størkningsentropien per volum av smelten.

Vekst av lameller IV • Frigjort energi ved å flytte fronten d. Z: GB * S 0 * 1* d. Z • Kreert en overflateenergi: 2* α * 1* d. Z • Energi påkrevd for å diffundere atomer: Gd * S 0 * 1* d. Z Energibalansen gir: GB = (2* α /S 0 ) + Gd

Vekst av lameller V • Anta at lamellene krymper til en minimumverdi Smin • Da vil atomene diffundere meget kort distanse og • Gd 0 • I dette tilfele vil den fri energi være gitt ved: • GB = 2* α /Smin • Generelt vil derfor fri energien påkrevd for å drive diffusjonen: Gd = GB *(1 - Smin/S 0 ) = Sf * TE*(1 - Smin/S 0 )

Vekst av lameller V • Den totale underkjølingen: TE = Td + TS Differensen i konsentrasjon foran fronten: Underkjølingen som skyldes diffusjon:

Vekst av lameller VI • Størkningshastigheten er: • Det innebærer at den totale underkjølingen TE er:

Vekst av lameller VII • Eksperimenter viste lamelleavstanden var omvent proporsjonal med roten av størkningshastigheten: S = konstant/ R • Teoretisk fikk Zener og Tiller dette til ved å anta at størkningen skjedde for en lamelleavstand som ga minimum underkjøling TE

Vekst av lameller VIII Den totale underkjøling: Den deriverte T’=0 når S 0=2 Smin Det gir en størkningshastighet på: der Sopt = S 0 Når S blir for stor dvs. større enn 10 µm, blir lamellene bølgete der er små dvs. S <0, 5 µm er det vanskelig å forhindre at Når lamellene lamellestrukturen bryter opp Vanlige eutektikum med regulær lamellestruktur har S ≈ 1 -3 µm

Stabilitet til eutektiske grenseflater • Rene binære eutektiske legeringer - Det er nesten ikke noen opphopning av elementer foran strøkningsfronten - For regulære mikrostrukturer er fronten planar for Gl 0 • For komplekse-regulære mikrostrukturer blir fronten i enkelte størkninger ustabil og dendritter kan forekomme ved lave Gl.

Strukturen til urene eutektiske legeringer • • En tilsats eller forurensning til binære, eutektiske legeringer vil alltid ha en fordeling mellom smelte, α-fasen og -fasen. Hvis partisjonskoeffesienten k < 1, vil det bli en opphopning av forurensningsatomer i smelte foran fronten. k < 1 kan gi opphav til en cellulær dendrittstruktur, og kolonier som skissert på figur 9. 39. I ternære systemer kan man få utfelling av to ulike faser i eutektiske lignende kolonier den ene fasen kan inneholde forurensningselementet.

Partikler i en forurenset Al- 7 wt% Si legering Eutektikum: Al og Si-partikler Al Effekt av Fe og Mn-atomer: kolonier av grå avlange α-Al(Fe, Mn)Si (pil) Al

Regulær eutektisk størkning Lamelle struktur: Pb-23 wt% Cd 6% unna eutektikum Stav struktur: Sn – 18 wt% Pb 20% unna eutektikum

Eutektisk størkning av legeringer med avvikende sammensetning T A • • B Sammensetningen er C: C = fα*Cα + (1 - fα)C Midlere sammensetning kan bli forskjellig fra den eutektiske CE hvis volumet av fα kan øke (eventuelt avta) Det må være lettere å nukleere eutektikum kontra fasen α Det vil være en opphopning av B-atomer foran størkningsfronten for legeringer som skissert på figur 9. 40.

Eutektiske strukturer for lave konsentrasjoner av B • Betingelser for regulær eutektisk kompositt: • 1. Smelten nær fronten har en eutektisk sammensetning Oppbygging av smelte rik på B foran fronten Kritisk superkjøling blir: GCr=-m. R(CE-C 0)/D - Senere forskning har vist at superkjølingskriteriet virker for legeringer med C 0 nær Cα - For legeringer med C nær CE kan man få planare fronter med meget lave G-verdier sammenlignet med kritisk superkjøling • 2. Fronten er planar

Eutektiske strukturer • Eksperimenter har vist at • Eutekiske strukturer oppnås for lave størkningshastigheter dvs. G=1 -5 °C/cm - De kan ha høye størkninghastigheter R. T A B Det skraverte området angir sammensetninger der legeringene har koblet vekst av eutektikum.

Reulære eitektiske strukturer og krystallografi • • • Det er ofte enkle krystallografiske sammenhenger mellom faser i regulære eutektiske strukturer Eksempel mellom tinn-bly: Interfase planet: Vekstretning: [211] Tinn - Bly

Dendrittisk vekst av krystaller i organisk smelte 100 µm

Vekst av α-partikler omgitt av eutektiske kolonier i en A-B legering som har avvikende sammensetning Eksempel: Al - 7 wt%Si

Kombinert vekst av dendritter og eutektikum • Snitt gjennom en α-dendritt der kjernen har en lav konsentrasjon av atom B - Dendrittene er omgitt av eutektikum α-.

Peritektisk størkning T α + α Smelte