Eutektyka

Eutektyka (eutektyk, mieszanina eutektyczna) – mieszanina dwóch lub więcej faz o określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych w pewnej temperaturze, zwanej temperaturą eutektyczną. Mieszanina ta jest produktem przemiany eutektycznej. Nazwa wywodzi się z greckiego słowa eutektos, co znaczy „łatwo topliwy”.

Ogólne informacje 
W większości przypadków temperatura eutektyczna jest niższa od temperatury krzepnięcia czystych składników. Wykorzystuje się to przy topieniu i przerabianiu materiałów trudno topliwych, na przykład mechaniczne złączenie materiałów doprowadza do dyfuzyjnego utworzenia eutektyki. Kryształy eutektyki są czystymi kryształami składników lub roztworami stałymi o różnych składach. Eutektyki są stałymi odpowiednikami mieszanin azeotropowychpotrzebne źródło.

Dużo uwagi poświęcono badaniom stopów eutektycznych – liczne po zakrzepnięciu w odpowiednich warunkach tworzą regularną drobnodyspersyjną strukturę, w której jedna z faz występuje w postaci płytek lub włókien. Eutektykę można uznać za kompozyt in situ, jeżeli wystąpi szczególne przestrzenne rozmieszczenie faz o różnych właściwościach. Stopy eutektyczne charakteryzują się niskimi temperaturami topnienia i dobrymi własnościami lejnymi.

Na rysunku 1 przedstawiono wykres fazowy z modelowym przykładem eutektyki stopów Fe–C, zwanej ledeburytem.

Rodzaje eutektyk 

W zależności od kształtu i rozmieszczenia dwu faz stałych tworzących eutektykę rozróżnia się mieszaniny:
 globularne (o kulistym ziarnie),
 iglaste,
 płytkowe,
 prętowe (słupkowe).

Na rysunku 2 przedstawione są graficznie różne typy eutektyk.

Ocena morfologii eutektyk jest sprawą umowną. W zależności od wybranej techniki obserwacyjnej dla tego samego zgładu można określić różne typy eutektyki. Nie do końca również poznane są przyczyny powstawania konkretnego typu mieszaniny.

Z punktu widzenia osiągnięcia minimum swobodnej energii powierzchniowej najkorzystniejszą jest eutektyka globularna. W rzeczywistości liczne, rozproszone cząstki fazy globularnej muszą wielokrotnie zarodkować, co wymaga znacznego przechłodzenia.

Eutektyki prętowe i płytkowe mogą wzrastać przy niskich wartościach przechłodzenia. Ich powierzchnia międzyfazowa jest dużo większa od eutektyk globularnych i iglastych, toteż pojawia się większy czynnik energetyczny hamujący krystalizację.

Jeżeli jedna z faz w eutektyce charakteryzuje się znaczną anizotropią prędkości wzrostu, to rośnie w określonym kierunku krystalograficznym znacznie szybciej od osnowy i zarodkuje wielokrotnie. Taki mechanizm wzrostu promuje powstanie eutektyki iglastej.

Ogólnie na morfologię eutektyk mają wpływ poniższe czynniki:
 wielkość przechłodzenia
 proporcje ilościowe faz
 anizotropia własności faz
 objętość właściwa
 współczynnik rozdziału
 przewodność cieplna faz.

Krzepnięcie eutektyk 
Wzrost kryształów w eutektykach jest zasadniczo podobny do wzrostu w stopach jednofazowych. Sterowanie gradientem temperatury i prędkością wzrostu pozwala zachować płaski front krystalizacji, a fluktuacje prędkości wzrostu prowadzą do zmian składu i struktury na kierunku tegoż wzrostu. Podczas takiego krzepnięcia domieszka jest wypychana do cieczy i dyfunduje zarówno w kierunku wzrostu, jak i w kierunku do niego poprzecznym.

Krzepnięcie eutektyk płytkowych i prętowych 
Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym rozpoczyna się heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz, na przykład  (bogata w składnik A). Powoduje to jednoczesne wzbogacanie się w składnik B cieczy przed frontem przemiany. W przechłodzonych obszarach cieczy na fazie  zarodkuje faza  Tworzenie się fazy  powoduje z kolei wzbogacanie cieczy w składnik A, co sprzyja dalszemu wzrostowi kolejnych kryształów fazy  wzdłuż wydzieleń fazy  Taka mieszanina eutektyczna składa się z ułożonych na przemian płytek lub prętów faz  i  Gdy udział objętościowy fazy  jest większy od  eutektyka ma zwykle budowę płytkową. W przeciwnym przypadku tworzą się prętowe wydzielenia fazy  w osnowie fazy 

Krzepnięcie cieczy o składzie eutektycznym może również polegać na ciągłym heterogenicznym zarodkowaniu i wzroście obu faz. Jedna faza (np. ) zarodkuje, powodując wzbogacenie cieczy w składnik B i sprzyjając zarodkowaniu fazy  w sąsiedztwie. Faza  zarodkuje zupełnie niezależnie, nie wykazując uprzywilejowanej orientacji krystalograficznej w stosunku do istniejącej w innym miejscu fazy .

Krzepnięcie eutektyk globularnych i iglastych 
Krystalizacja eutektyk może być zapoczątkowana stałym heterogenicznym zarodkowaniem jednej z faz w cieczy przed frontem krystalizacji. Osnowa krystalizuje niezależnie z cieczy, w której istnieją już wydzielenia drugiej fazy. Mają one w stosunku do osnowy przypadkową orientację krystalograficzną. Eutektykę globularną uzyskuje się w wyniku wzrostu izotropowego, a eutektykę iglastą w wyniku anizotropowego wzrostu wydzieleń.

Prędkość wzrostu eutektyk płytkowych

Problematyka 
Problematyka wzrostu eutektyk płytkowych wymaga rozwiązania dwu zagadnień:
 wpływ energii powierzchni międzyfazowej na temperaturę eutektyczną
 rola strumieni dyfuzyjnych towarzyszących równoczesnemu wzrostowi faz.

 

 

gdzie:
  – zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku skończonych odległości międzypłytkowych [J/m³],
  – zmiana swobodnej energii objętościowej w przypadku nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych [J/m³],
  – energia powierzchni międzyfazowej [J/m²],
  – objętość jednostkowa eutektyki [m³],
  – powierzchnia międzyfazowa  [m²],
  – odległość pomiędzy środkami płytek eutektyki [m],
  – powierzchnia międzyfazowa  przypadająca na jednostkę objętości eutektyki [1/m].

Rozwiązanie 
Uzyskanie eutektyki o skończonych odległościach międzypłytkowych wymaga obniżenia temperatury poniżej temperatury eutektycznej. Krzepnięcie nie może się odbywać przy temperaturze eutektycznej, ponieważ powodowałoby to powstawanie eutektyki o nieskończenie dużych odległości międzypłytkowych.

Clarence Zener rozwiązał problem wpływu parametrów procesu na wielkość odległości międzypłytkowych przez założenie, że realizowane w danych warunkach odległości międzypłytkowe to takie, które maksymalizują prędkość wzrostu. Opisuje to poniższa relacja:
 

gdzie:
  – prędkość wzrostu fazy  [m/s],
  – współczynnik dyfuzji z cieczy do płytki fazy  [m²/s],
  – maksymalna różnica stężeń w fazie ciekłej przed frontem rosnących płytek [%],
  – stała proporcjonalności,
  – krytyczna odległość międzypłytkowa [m],
  – ilość składnika B wypchniętego do cieczy [%].

Krytyczna odległość międzypłytkowa dana jest wzorem:

Czynniki wpływające na prędkość wzrostu płytek 
Jeżeli prędkość wzrostu nagle zwiększy się, odległości międzypłytkowe będą zbyt duże w porównaniu ze średnimi drogami dyfuzji domieszki. Nadmiar substancji gromadzi się przed frontem krystalizacji szerszej płytki lub obiema, obniżając temperaturę procesu.

Prędkość wzrostu płytek silnie zależy od wielkości przechłodzenia :

Przykłady 
 nadprzewodniki
 materiały odporne na pełzanie
 skomplikowane odlewane elementy maszyn i konstrukcji
 stopy odlewnicze na bazie aluminium, krzemu oraz żeliwa
 stopy do lutowania miękkiego na bazie cyny, ołowiu, srebra i złota
 stopy do lutowania twardego, gdy z powodu destrukcyjnego wpływu dyfuzji niemożliwe jest uzyskanie innego typu połączenia
 stopy dla systemów przeciwpożarowych (np. stop Wooda, stop Fielda)
 nietoksyczne zamienniki rtęci (np. galinstan)
 stopy na bazie sodu i potasu (NaK) używane jako chłodziwo w reaktorach na prędkich neutronach
 stopy Cd–Pb, Bi–Cd i Bi–Zn wykazujące silną anizotropię właściwości elektrycznych, w szczególności oporności.

Zobacz też 
 eutektoid
 perytektoid
 perytektyka
 punkt eutektyczny
 stop Lichtenberga
 stop Newtona
 stop Rosego

Przypisy 

Przemiany fazowe
Metaloznawstwo
Mieszaniny