1

2109101 วัสดุในงานวิศวกรรม

สมดุลของเฟส

2

โลหะผสมโลหะหลัก + ธาตุผสม (+ ธาตุมลทิน)

Base Metal + Alloying Elements (+ Impurities)

เชนเหล็กกลา = Fe + C + Mn + Si + P + S

อะลูมิเนียมหลอ = Al + Si + Mg + Cu + Fe

เหล็กกลาไรสนิม = Fe + Cr + Ni + C; Cr > 13%

3

โลหะผสมธาตุผสม ทําใหสมบัติทางกลเปลี่ยน – โดยทั่วไป ทําใหโลหะผสมแข็งแรงขึ้นกวาโลหะบริสุทธิ์, ความเหนียวลดลง

สมบัติทางกายภาพเปลี่ยน

อุณหภูมิสําคัญตาง ๆ เปลี่ยน

4

ระบบของโลหะผสมระบบ- สวนของวัสดุ/สสาร ภายใตเงื่อนไขที่แนนอน (ความดัน, อุณหภูมิ)

องคประกอบ (Component)- สวนผสมพื้นฐานที่มาประกอบเปนระบบ

เฟส (Phase)- Homogenous Distinct Portion ของระบบ

5

ตัวอยางน้ํา + Alcohol

น้ํา + ปรอท

น้ํา + Phenol

(น้ํา)

(Phenol)

น้ํา

Phenol

6

ความสามารถในการละลาย

7

ตัวอยาง ในโลหะCu + Ni

Bi + Cd

Cu + Ag

Al + Si(Cu)+(Ag)(Al) + Si

8

เฟสในโลหะเชน ในโลหะผสมระหวางทองแดง-นิกเกิล

9

เฟสในโลหะโลหะบริสุทธิ์ (Pure Metal) รวมทั้งอันยรูปตาง ๆ

สารละลายของเหลว (Liquid Solution)

สารละลายของแข็ง (Solid Solution)แบบแทรก (Interstitial Solid Solution)

แบบแทนที่ (Substitutional Solid Solution)

10

เฟสในโลหะสารละลายของแข็งแบบแทรก (Interstitial Solid Solution)

แบบแทนที่ (Substitutional Solid Solution)

11

เฟสในโลหะสารประกอบเชิงโลหะ, สารประกอบ

เชน Fe3C, CuAl2, AgCd

อาจเขียนดวยสัญลักษณอักษรกรีก เชน α, β, ε,γ เปนตน

Ag Cd

(Ag) (Cd)AgCd(β), Ag5Cd8(δ), AgCd3(ε)

100% Ag 0% Ag0% Cd 100% Cd

12

ตัวแปรของระบบไดแก ความดัน, อุณหภูมิ และ สวนผสมของระบบ

สวนผสมของระบบ ระบุโดยสัดสวนโดยปริมาณของแตละองคประกอบ

Fe-1.0%C, Al-7.0wt%Si

13

ระบบหนึ่งองคประกอบ(One-component System)

น้ํา

14

ระบบหนึ่งองคประกอบ(One-component System)

เหล็ก

15

ระบบสององคประกอบ(Binary System)

โดยทั่วไป โลหะผสม มักสนใจที่ความดันคงที่

ตัวแปรคือ อุณหภูมิ และสวนผสมขององคประกอบใดองคประกอบหนึ่ง

A+B บอกสวนผสมเปน %B

16

เฟสไดอะแกรมโลหะผสมเนื้อเดียวสององคประกอบ (ต.ย. Cu-Ni)

17

• Rule 1: If we know T and Co, then we know:--the # and types of phases present.

• Examples:A(1100,60):

1 phase: αB(1250,35):

2 phases: L+α

Cu-Niphase

diagram

Adapted from Fig. 9.2(a), Callister 6e.(Fig. 9.2(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991).

จํานวนและชนิดของเฟส

18

• Rule 2: If we know T and Co, then we know:--the composition of each phase.

• Examples:

wt% Ni20

120 0

130 0

T(°C)

L (liquid)

α (solid)L + α

liquidus

solidus

30 40 50

TA A

DTD

TBB

tie line

L + α

433532CoCL Cα

Cu-Ni system

At TA: Only Liquid (L) CL = Co ( = 35wt% Ni)

At TB: Both α and L CL = Cliquidus ( = 32wt% Ni here) Cα = Csolidus ( = 43wt% Ni here)

At TD: Only Solid ( α) Cα = Co ( = 35wt% Ni )

Co = 35wt%Ni

Adapted from Fig. 9.2(b), Callister 6e.(Fig. 9.2(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.)

สวนผสมของเฟสที่ปรากฏ

19

โลหะผสมยูเทกติกสององคประกอบ

20

โลหะผสมยูเทกติกสององคประกอบ

21

โลหะผสมยูเทกติกสององคประกอบB: max. solubility of Ag in Cu

G: max. solubility of Cu in Ag

E: min. melting Temperature= EutecticEutectic T.Eutectic C.

22

L + α200

T(°C)

Co, wt% Sn10

2

200Co

300

100

L

α

30

L: Cowt%Sn

αL

α: Cowt%Sn

α + β

400

(room T solubility limit)

TE(Pb-Sn System)

• Co < 2wt%Sn• Result:

--polycrystal of α grains.

Adapted from Fig. 9.9,Callister 6e.

MICROSTRUCTURESIN EUTECTIC SYSTEMS-I

23

• 2wt%Sn < Co < 18.3wt%Sn• Result:

--α polycrystal with fineβ crystals.

E

α: Cowt%SnL + α

200

T(°C)

Co, wt% Sn10

18.3

200Co

300

100

L

α

30

L: Cowt%Sn

α + β

400

(sol. limit at T )

TE

2(sol. limit at Troom )

Lα

αβ

Pb-Snsystem

Adapted from Fig. 9.10,Callister 6e.

MICROSTRUCTURESIN EUTECTIC SYSTEMS-II

24

L + α200

T(°C)

Co, wt% Sn20 400

300

100

L

α

60

L: Cowt%Sn

α + β

TE

α: 18.3wt%Sn

β

0 80 100

L + β

CE18.3 97.861.9

183°C

β: 97.8wt%Sn160 µm

Micrograph of Pb-Sn eutectic microstructure

• Co = CE• Result: Eutectic microstructure

--alternating layers of α and β crystals.

Pb-Snsystem

Adapted from Fig. 9.11,Callister 6e.

Adapted from Fig. 9.12, Callister 6e.(Fig. 9.12 from Metals Handbook, Vol. 9, 9th ed., Metallography and Microstructures, American Society for Metals, Materials Park, OH, 1985.)

MICROSTRUCTURESIN EUTECTIC SYSTEMS-III

Eutectic คือ L S1+S2เย็นรอน

25

L + α200

T(°C)

Co, wt% Sn

20 400

300

100

L

α

60

L: Cowt%Sn

α + β

TE

β

0 80 100

L + β

Co18.3 61.9

Lα

Lα

primary α

97.8

SS

RR

eutectic αeutectic β

Pb-Snsystem

• 18.3wt%Sn < Co < 61.9wt%Sn• Result: α crystals and a eutectic microstructure

Adapted from Fig. 9.14,Callister 6e.

MICROSTRUCTURESIN EUTECTIC SYSTEMS-IV

เหนือ TE เล็กนอย= L+αใต TE เล็กนอย= α+β

26

MICROSTRUCTURESIN EUTECTIC SYSTEMS-IV

ต.ย โครงสรางจุลภาค Pb-50%Sn มี αprimary crystal + Eutectic Structure

27

ระบบอะลูมิเนียม-ซิลิคอน

Hypoeutectic Hypereutectic

28

ระบบที่มีสารประกอบ (Intermediate Phase)

สารประกอบ Mg2Siหลอมเปนของเหลวโดยตรง= congruent phase transformation

29

การแปลงเฟสแบบเพอริเทคติค(Peritectic Phase Transformation)

สารประกอบ Au2Biไมหลอมเปนของเหลวโดยตรง= incongruent phase transformation

Peritectic คือ L+S1 S2เย็นรอน

30

การแปลงเฟสแบบเพอริเทคติค(Peritectic Phase Transformation)

δ(0.09%C) + L(0.53%C)↔γ(0.17%C)

ระบบเหล็ก-คารบอนหรือในที่นี้ หมายถึง เหล็กกลา (Steel)

Fe %C

31

การแปลงเฟสที่อุณหภูมิคงที่แบบตาง ๆ

Peritectic คือ L+S1 S2เย็นรอน

Eutectic คือ L S1+S2เย็นรอน

Peritectoid คือ S1+S2 S3เย็นรอน

Eutectoid คือ S1 S2+S3เย็นรอน

32

การแปลงเฟสที่อุณหภูมิคงที่แบบตาง ๆPeritectic: ε + L ↔ δ

33

การแปลงเฟสที่อุณหภูมิคงที่แบบตาง ๆEutectic: L ↔ β + δ

34

การแปลงเฟสที่อุณหภูมิคงที่แบบตาง ๆPeritectoid: L ↔ β + δ

35

การแปลงเฟสที่อุณหภูมิคงที่แบบตาง ๆEutectoid: L ↔ β + δ

36

Fe-C Diagram