Eutektinen seos

Eutektinen seos tarkoittaa kahden tai useamman kiteisen aineen, metallin tai muun aineen, hienojakoista kiinteää fysikaalista seosta, jonka mooliosuudet ovat sellaiset, että seoksen sulamispiste on mahdollisimman alhainen. Aineet ovat sulaneessa tilassa täysin toisiinsa sekoittuvia, mutta kiinteänä ne sekoittuvat toisiinsa vain hyvin vähän. Samoin kahden metallin sulatuksessa matalammassa lämpötilassa sulava metalli erottuu ensin eutektisena seoksena, kun lämpötilaa nostetaan.^[1] Sana eutektinen on peräisin kreikan kielestä ja tarkoittaa hyvin sulavaa.^[2]

Eutektisen systeemin faasidiagrammi

Kuvassa on esitettynä eutektisen systeemin faasidiagrammi, jossa α ja β ovat yhden faasin kiinteitä aineita. Kuvaan merkitty alue L on nestefaasi, ja myös yhden faasin alue. α + β kuvaa kahden kiinteän faasin aluetta. L + α ja L + β ovat kahden faasin alueita, joissa on mukana sekä kiinteä että nestefaasi. Kuvan faasidiagrammissa aineiden α ja β eutektista seosta vastaa siis vaakaviivan alle jäävä alue α + β. Eutektisessa pisteessä seoksen sulamispiste on tietyllä seossuhteella matalampi kuin kummankaan yksittäisen komponentin sulamispiste.^[1]

Eutektisten seosten fysikaaliset ominaisuudet riippuvat sekä faasien ominaisuuksista että faasien jakautumisesta mikrorakenteessa. Yleensä ominaisuudet muistuttavat sitä komponenttia, jonka osuus seoksessa on suurempi. Binäärisistä eutektisista seoksista, joissa jompaakumpaa komponenttia on selvästi enemmän, voidaan käyttää nimityksiä hypoeutektinen tai hypereutektinen seos. Nimitys vaihtelee tilanteesta riippuen, eikä sen valinnalle ole selkeää sääntöä. Joissain tilanteissa seosta voidaan kutsua hypoeutektiseksi, jos vallitseva komponentti on yleisempi tai käytön kannalta tärkeämpi metalli. Koska useimmat faasidiagrammit on piirretty niin, että vasemmalle on merkitty yleisempi metalli, tarkoittaisi hypoeutektinen seos koostumuksen olevan eutektisen pisteen vasemmalla puolella. Tällöin eutektisen pisteen oikealla puolella oleva koostumus oli hypereutektinen. Jos seoksen metallit merkittäisiin toisinpäin, olisivat nimityksetkin toisinpäin.^[3]

Eutektisia seoksia ja niiden sovelluksia

Eutektisten systeemien faasidiagrammien yksi yleisimmistä sovelluskohteista materiaalitekniikassa on mikrorakenteen muutosten tutkiminen.^[4] Faasidiagrammit ovat käytännöllisiä siinä, sillä seosten fysikaaliset ominaisuudet riippuvat sekä faasien ominaisuuksista että faasien jakautumisesta mikrorakenteessa. Yleensä nämä ominaisuudet muistuttavat enemmän sitä komponenttia, minkä osuus seoksessa on suurempi.^[3]

Eutektisia seoksia käytetään silloin, kun metallin halutaan sulavan mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa. Sprinklerisammuttimissa käytetään Woodin metallia venttiilinä, sillä sen sulamispiste on noin 71 °C. Venttiili aluksi estää nesteen virtauksen, mutta sen sulamisen jälkeen neste pääsee vapaasti virtaamaan sprinklereistä^[5]. Muita eutektisia seoksia ovat esimerkiksi Fieldin metalli ja Galinstaani. Galinstaani on 68,5 % galliumin, 21,5 % indiumin ja 10 % tinan eutektinen seos, joka on toistaiseksi elohopean lisäksi ainoa metallinen aine, jonka sulamispiste on alle 0 °C. Sitä käytetään nykyään kuumemittareissa elohopean tilalla, sillä se ei ole myrkyllistä.^[6] Fieldin metallissa esiintyy samat metallit, mutta eri seossuhteilla. Fieldin metallin käyttöä esimerkiksi jäähdytysnesteenä on tutkittu.^[7]

Eutektisen seoksen faasimuunnos

Eutektisessa reaktiossa jäähdytetään binääristä eutektista seosta hitaasti eutektisessa lämpötilassa, jolloin nestefaasi muuttuu kahdeksi eri kiinteäksi faasiksi, α ja β. Tämä on invariantti reaktio, sillä se tapahtuu tasapaino-olosuhteissa tietyssä lämpötilassa ja koostumuksessa. Kaikki kolme faasia ovat reaktiossa tasapainossa ja esiintyvät samanaikaisesti.^[2][8]

Kun tertiääristä eutektista seosta jäähdytetään hitaasti eutektisessa lämpötilassa, nestefaasi muuttuu kolmeksi eri kiinteäksi faasiksi, α, β ja γ. Binäärisen sekä tertiäärisen eutektisen seoksen eutektista jähmettymistä voidaan kuvata seuraavasti:^[2]

Binäärinen:

${\displaystyle neste\rightarrow kiinte{\ddot {a}}(\alpha )+kiinte{\ddot {a}}(\beta )}$

Tertiäärinen:

${\displaystyle neste\rightarrow kiinte{\ddot {a}}(\alpha )+kiinte{\ddot {a}}(\beta )+kiinte{\ddot {a}}(\gamma )}$

jossa nuoli kuvastaa seoksen jäähdyttämistä eutektisessa lämpötilassa.

Kiinteiden faasien morfologia riippuu muun muassa siitä, kuinka kiinteät aineet liittyvät yhteen ja kasvavat. Yleisin rakenne on lamellaari, jolloin faasit asettuvat kerroksittain, mutta myös muita rakenteita esiintyy. Nämä muut rakenteet ovatkin sauvamainen, pallomainen ja neulamainen.^[3][8]

Esimerkki hypoeutektisesta faasimuunnoksesta

Seuraavassa esimerkissä käsitellään nestefaasin hidasta jähmettymistä eutektisen systeemin faasidiagrammissa pisteessä ${\displaystyle {\ce {X2^0}}}$.  Tarkemmin sanottuna systeemi on hypoeutektinen, sillä vasemmalle merkitty, eli yleisempi metalli, on vallitseva komponentti. Aluksi materiaali sulatetaan ja saatetaan tasapainoon nestefaasissa jossakin lämpötilassa ${\displaystyle {\ce {T0}}}$. Seuraavaksi systeemin tila saavuttaa (α+L) -alueen.^[4]

Hypoeutektisen koostumuksen mikrorakenteen muuttuminen jähmettymisessä eutektisessa systeemissä

Lämpötilassa ${\displaystyle {\ce {T1}}}$ faasidiagrammista voidaan lukea, että tasapainotilassa pieni määrä kiinteää α-faasia koostumuksella ${\displaystyle {\ce {X2^{\alpha }}}}$ on nestefaasissa, jossa komponenttia 2 on hieman enemmän kuin pisteessä ${\displaystyle {\ce {X2^0}}}$. Tämä vaatii α-faasin hiukkasten ydintymistä ja kasvua.^[4]

Lämpötilan lähestyessä kohtaa ${\displaystyle {\ce {T2}}}$, tasapaino siirtyy vipusäännön mukaan, jolloin α-faasin koostumus muuttuu ja sen määrä kasvaa nestefaasin vähentyessä. Faasidiagrammin avulla voidaan ennustaa, että lämpötilassa ${\displaystyle {\ce {T2}}}$ tasapainossa olevan systeemin koostumus on noin 40 % α-faasia ja 60 % nestefaasia, jossa nesteen koostumus on ${\displaystyle {\ce {X2^{\mathrm {E} }}}}$.^[4]

Lämpötilassa ${\displaystyle {\ce {T3}}}$ systeemissä on kaksi kiinteää faasia, 70 % α ja 30 % β. Voidaankin päätellä, että lämpötilassa ${\displaystyle {\ce {T2}}}$ esiintynyt neste on jähmettynyt isotermisesti tuottaen seokseen kiinteitä α- ja β-faaseja. Tämä lopullinen jähmettymisprosessi esiintyy yleensä kahden kiinteän faasin ydintyessä ja niiden samanaikaisen kasvun kuluttaessa nestefaasia. Lopullisessa systeemissä on 40 % α-faasia, joka esiintyi lämpötilassa ${\displaystyle {\ce {T2}}}$, sekä 60 % α- ja β-faasien seosta.^[4]

Faasidiagrammi mahdollistaa mikrorakenteen muutoksen ymmärtämisen jähmettymisprosessissa. Sen avulla voidaan helposti päätellä käyttäytymismalli, joka johtaisi erilaisiin systeemin koostumuksiin (${\displaystyle {\ce {X2^0}}}$-pisteisiin).^[4]

Katso myös

• Metallurgia
• Faasi

Lähteet

1. Campbell F. C.: Phase Diagrams – Understanding the Basics, s. 87–97. Materials Park, 2012.
2. Cahn, R. W., Haasen, P., Kramer, E. J.: Materials Science and Technology Vol. 5 Phase Transformations in Materials, s. 23–57. VCH, 1991.
3. Rhines, F. N.: Phase Diagrams in Metallurgy – Their development and Applications, s. 40, 52–53. McGraw-Hill, 1956.
4. DeHoff, R. T.: Thermodynamics in Materials Science, s. 233–234. McGraw-Hill, 1993.
5. Sprinkler system with a pre-action sprinkler head patentscope.wipo.int. Viitattu 11.5.2019.
6. Tingyi, L., Prosenjit, S. & Chang-Jin, K: Characterization of liquid-metal Galinstan® for droplet applications. IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2010.
7. A. Lipchitz et al.: Determination of Specific Heat of Eutectic Indium – Bismuth-Tin Liquid Metal Alloys as a Test Material for Liquid Metal – Cooled Applications. Applied Mechanics and Materials, Vol. 420, 2013.
8. Smith, W. F.: Foundations of Materials Science and Engineering, s. 387. McGraw-Hill, 1993.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Eutektinen seos Wikimedia Commonsissa

Tämä kemiaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.