Fasediagram

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Schematisch ijzer-koolstofdiagram, dat gebruikt wordt bij de bereiding van staal
Fasediagram voor de aggregatietoestanden van een stof. Het bovenste diagram is voor een "gewone" stof, het onderste is voor water, dat een afwijkend gedrag vertoont. Niet afgebeeld zijn de vele verschillende fasen van het ijs
Fasediagram van een lood-tin-legering

Een fasediagram is een grafische weergave van de fasen die in een bepaald materiaal aanwezig zijn, onder verschillende omstandigheden. In dit diagram staat de samenstelling van een materiaal uitgezet tegen de temperatuur (in een T,x-diagram), of tegen de druk.

Op de x-as staan twee elementen, waarbij de linkerkant 100% zuiver materiaal van element A betekent en de rechterkant een 100% zuiver materiaal van element B. Het midden is dus een mengsel waarbij de helft van de massa van element A is en de andere helft van B.

Soms wordt er slechts een klein deel weer gegeven, omdat de rest minder interessant is, zoals bijvoorbeeld bij het ijzer-koolstofdiagram hiernaast. In het fasediagram zijn verschillende vlakken ingetekend. Elk vlak komt overeen met een bepaalde fase van een stof. Elke lijn tussen twee vlakken (fasen) behoort bij een bepaalde faseovergang.

In verschillende fasen heeft een stof verschillende thermodynamische eigenschappen, bijvoorbeeld een verschillende waarde van de specifieke warmte, en mechanische eigenschappen, zoals treksterkte.

Druk-Temperatuur Diagram[bewerken]

Fasediagrammen kunnen verschillende variabelen omvatten zoals temperatuur, molfractie (samenstelling), druk en zelfs de veldsterkte van een magnetisch of elektrisch veld. Eén van de fasediagrammen van water heeft druk op de y-as en temperatuur op de x-as. In dit diagram is te zien dat water bij een lagere temperatuur kookt boven op een berg (waar de luchtdruk lager is dan op zeeniveau). Bij een nog lagere druk (zoals in de ruimte) is het voor water niet mogelijk vloeibaar te zijn.

Binair fasediagram[bewerken]

Binaire diagrammen behandelen de mogelijke toestanden van een systeem met twee componenten, bijvoorbeeld twee elementen zoals lood en tin.

De meest gebruikelijke versie heeft de temperatuur op de y-as en de samenstelling op de x-as. Horizontale lijnen in zo'n diagram verbinden punten met dezelfde temperatuur. De lijn heet daarom een isotherm. Verticale lijnen verbinden punten met dezelfde samenstelling. Men spreekt van een isopleet. De isopleet vertelt in feite wat er met een materiaal van een bepaalde samenstelling — een monster — gebeurt als het wordt opgewarmd of afgekoeld.

Uit het diagram kan men aflezen in welke fase de stof zich bevindt bij een bepaalde samenstelling en temperatuur. Of liever: wat onder deze omstandigheden de stabiele evenwichtstoestand van het onderhavige systeem is. (Soms worden ook metastabiele evenwichten weergegeven, meestal met stippellijnen). Men moet daarbij bedenken dat die evenwichtstoestand zich niet altijd onmiddellijk instelt. Zilver en goud zijn bijvoorbeeld in alle verhoudingen oplosbaar in vaste oplossing, ook bij kamertemperatuur. Als men echter een zilveren en een gouden munt op elkaar legt lossen zij bij kamertemperatuur niet onmiddellijk in elkaar op, hoewel dat wel tot de thermodynamisch stabielste toestand zou voeren. Het oplosproces zou bij kamertemperatuur miljarden jaren vergen.

Het diagram kan bestaan uit:

  1. "één-fase-gebieden"; Hierbij zijn A en B in vaste oplossing met elkaar (in strikte zin een legering). Voor ieder punt in dit gebied geldt dat bij die combinatie van temperatuur en samenstelling een enkele homogene fase de stabielste toestand is.
  2. "twee-fase-gebieden"; Een "twee-fase-gebied" geeft aan dat er twee verschillende structuren naast elkaar bestaan, bijvoorbeeld door precipitatie van element B in de matrix van element A. Men kan het twee-fase-gebied ook als een soort kloof tussen de belendende één-fase-gebieden zien. Voor een punt in een twee-fase-gebied geldt dat een enkele homogene fase onder deze omstandigheden niet stabiel is. In plaats daarvan bevat het materiaal twee fasen die een andere samensstelling hebben dan de gemiddelde samenstelling van het materiaal. Men kan de samenstelling van beide fasen vinden door een horizontale lijn (een isotherm) te volgen tot de grens van de dichtstbijzijnde één-fase-gebieden aan weerszijden. De hoeveelheden van de beide aanwezige fasen zijn verschillend. Zij zijn te berekenen met de hefboomregel.

Als op een vaste samenstelling de temperatuur wordt veranderd, kan één fase opsplitsen in twee (of andersom). De totale samenstelling van het materiaal blijft echter wel gelijk aan het oorspronkelijke eenfasige materiaal, want element A of B is niet toegevoegd! Afkoelen vanuit de vloeibare fase geeft bij een zuiver materiaal (100% element A) altijd een smeltpunt, terwijl toevoeging van een ander element voor een smelttraject kan zorgen. Zoals bij het lood-tin-diagram te zien is, is er ook bij 38,1 gewichtsprocent lood in tin een smeltpunt.

Als de samenstelling wordt veranderd op eenzelfde temperatuur beginnend bij 100% element A, kan element B eerst in oplossing gaan bij element A. Dit is dan nog een één-fase-gebied. Als er meer element B wordt toegevoegd kan het zijn dat element A niet meer zoveel atomen kan bevatten, waardoor element B zelf een nieuwe fase moet vormen. Hierdoor ontstaat dus weer een twee-fase-gebied.

De breedte van een één-fase-gebied wordt wel het homogeniteitsgebied genoemd. De breedte is een aanduiding van de oplosbaarheid van de ene component in de andere bij een bepaalde temperatuur. Bijvoorbeeld in het Pb-Sn diagram in de tweede figuur is goed zichtbaar dat de gekleurde homogeniteitsgebieden van de twee vaste fasen breder worden bij hogere temperatuur. Bij kamertemperatuur lost er slechts 1% of minder tin op in lood. Omgekeerd is dat zelfs nog minder. Bij hogere temperatuur wordt de wederzijdse (vaste) oplosbaarheid groter. Bij 183°C lost er zo'n 19 gewichtprocent tin op in lood.

De smelt is over het gehele samenstellingsbereik mengbaar. Overigens is dat bij vloeistoffen zeker ook niet altijd het geval, ook vloeistoffen kunnen niet of gedeeltelijk mengbaar (wederzijds oplosbaar) zijn. Olie en water zijn een goed voorbeeld. Omgekeerd is algehele wederzijdse oplosbaarheid bij vaste stoffen uitzonderlijk, maar er zijn wel voorbeelden zoals in het zilver-goud systeem (elektrum).

De lijn tussen het eenfasig vloeibare gebied en de tweefasegebieden vloeibaar+vast wordt liquidus genoemd. De lijn tussen het vloeibaar+vast gebied en het eenfasige vaste gebied wordt solidus genoemd.

Ternair Fasediagram[bewerken]

In plaats van slechts twee elementen te laten mengen in een diagram, kunnen er ook drie elementen (of andere componenten) worden afgebeeld. Dan wordt er ook gebruikgemaakt van de z-as, waarop de temperatuur wordt uitgezet. Vaak worden de x- en y-as in een hoek van 60° met elkaar gezet (in plaats van 90°) waardoor, van bovenaf gezien, een driehoek ontstaat. Op elk hoekpunt is een 100% samenstelling van een bepaald element. Recht tegenover dit hoekpunt geeft aan dat dat element niet meer aanwezig is en de andere twee elementen elk voor 50% massa verantwoordelijk zijn. De eenfasegebieden worden dan begrensd door oppervlakken, bijvoorbeeld het liquidus- en het solidusoppervlak. Omdat een driedimensionaal diagram vrij lastig uit te lezen is, worden er vaak doorsnedes gemaakt bij een bepaalde temperatuur, zodat de driehoekige diagrammen te zien zijn. Een andere mogelijkheid is een verticale doorsnede, waarbij een rechte door de driehoek de samenstelling bepaalt. De verhouding tussen twee componenten of de concentratie van een component kan bijvoorbeeld constant worden gehouden.

Toepassing[bewerken]

Fasediagrammen worden toegepast bij:

Zie ook[bewerken]