Module also offered within study programmes:
General information:
Annual:
2017/2018
Code:
MEI-2-210-EI-s
Name:
Termodynamika i przemiany fazowe
Faculty of:
Metals Engineering and Industrial Computer Science
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
Computer Science Education
Field of study:
Education in Technology and Computer Science
Semester:
2
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr inż. Kozieł Tomasz (tkoziel@agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr inż. Kozieł Tomasz (tkoziel@agh.edu.pl)
Module summary

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Skills
M_U001 Potrafi określić skład fazowy układu i zakres temperatur stabilności faz w stanie równowagi EI2A_U02, EI2A_U03 Examination,
Test
M_U002 Potrafi wykorzystać dane eksperymentalne do wyznaczania parametrów kinetyki przemian fazowych EI2A_U02, EI2A_U03 Test
M_U003 Potrafi skorelować wyniki badań eksperymentalnych z przemianami fazowymi zachodzącymi podczas obróbki cieplnej stopu EI2A_U02, EI2A_U03 Examination,
Test
Knowledge
M_W001 Posiada encyklopedyczną wiedzę dotyczącą podstawowych funkcji i zasad termodynamiki EI2A_W01 Examination
M_W002 Potrafi zdefiniować warunki równowagi w układach jedno- i wieloskładnikowych EI2A_W01 Examination,
Test
M_W003 Zna termodynamicze warunki zajścia różnych przemian fazowych oraz ich klasyfikację EI2A_W01 Examination,
Test
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Skills
M_U001 Potrafi określić skład fazowy układu i zakres temperatur stabilności faz w stanie równowagi + - + - - - - - - - -
M_U002 Potrafi wykorzystać dane eksperymentalne do wyznaczania parametrów kinetyki przemian fazowych + - + - - - - - - - -
M_U003 Potrafi skorelować wyniki badań eksperymentalnych z przemianami fazowymi zachodzącymi podczas obróbki cieplnej stopu + - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Posiada encyklopedyczną wiedzę dotyczącą podstawowych funkcji i zasad termodynamiki + - - - - - - - - - -
M_W002 Potrafi zdefiniować warunki równowagi w układach jedno- i wieloskładnikowych + - + - - - - - - - -
M_W003 Zna termodynamicze warunki zajścia różnych przemian fazowych oraz ich klasyfikację + - + - - - - - - - -
Module content
Lectures:
  1. Podstawowe funkcje i zasady termodynamiki z uwzględnieniem specyfiki stanu stałego.

    Podstawowe pojęcia termodynamiczne: układ, składnik, faza, równowaga. Funkcje termodynamiczne: energia wewnętrzna, entalpia, entropia. I i II zasada termodynamiki. Wpływ temperatury na zmianę energii wewnętrznej/entalpii przy stałej objętości/ciśnieniu.

  2. Równowaga w układach jednoskładnikowych.

    Energia swobodna Gibbsa i Helmholtza. Wpływ zmiany temperatury i ciśnienia/objętości na zmianę energii swobodnej Gibbsa/Helmholtza. Warunek równowagi w układach jednoskładnikowych. Równanie Clausiusa-Clapeyrona. Wykresy fazowe dla układów jednoskładnikowych. Równowagowa prężność par nad cieczą/kryształem.

  3. Równowaga w układach wieloskładnikowych.

    Cząstkowa molowa energia swobodna (potencjał chemiczny). Równowaga w układach wieloskładnikowych. Reguła faz Gibbsa. Potencjał chemiczny a prężność par nad roztworem.

  4. Termodynamika roztworów stałych.

    Rodzaje roztworów. Energia swobodna tworzenia roztworu. Ciepło (entalpia) tworzenia roztworu.

  5. Quasi-chemiczna teoria roztworów, zależność energii swobodnej od stężenia.

    Wyprowadzenie równania na energię swobodną roztworu. Wpływ stężenia na energię swobodną roztworu. Graficzne przedstawienie warunków równowagi w układzie dwuskładnikowych. Wpływ temperatury na rozpuszczalność graniczną. Linia solvus. Energia swobodna mieszaniny faz.

  6. Wpływ ciepła tworzenia roztworu na charakter wykresów fazowych – cz. 1.

    Wpływ ciepła tworzenia roztworu na kształt krzywych energii swobodnych roztworu stałego i ciekłego i na charakter wykresów fazowych dla zerowego i dodatniego ciepła tworzenia roztworu. Wykresy fazowe z nieograniczoną/ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym. Wykres fazowy z monotektyką.

  7. Wpływ ciepła tworzenia roztworu na charakter wykresów fazowych – cz. 2.

    Wpływ ujemnego ciepła tworzenia roztworu na ewolucję wykresów fazowych. Quasi-chemiczna teoria uporządkowania. Wykresy fazowe z zakresem roztworu uporządkowanego.

  8. Klasyfikacja przemian fazowych.

    Podział przemian fazowych. Różnice pomiędzy termodynamiką a kinetyką przemian fazowych. Definicja siły pędnej, prędkości przemian i energii aktywacji przemiany. Zmiana entalpii/energii swobodnej podczas przemian fazowych. Sposoby określenia prędkości przemian fazowych.

  9. Dyfuzja w ciałach stałych.

    Prawa Ficka. Współczynnik dyfuzji. Rozwiązanie II prawa Ficka dla nieskończonej i półnieskończonej pary dyfuzyjnej. Zasięg dyfuzji. Efekt Kirkendalla. Dyfuzja w układach podwójnych.

  10. Proces zarodkowania w cieczach i ciałach stałych.

    Zmiana energii swobodnej związana z utworzeniem zarodka. Wyprowadzanie równań na promień krytyczna zarodka i pracę zarodkowania homogenicznego. Różnice między zarodkowaniem homogenicznym i heterogenicznym. Wyprowadzanie równań na promień krytyczny zarodka i pracę zarodkowana homogenicznego i heterogenicznego. Zarodkowanie w stanie stałym.

  11. Krzepnięcie – cz. 1.

    Krzepnięcie czystych metali w warunkach dodatniego/ujemnego gradientu temperatury w cieczy. Prędkość wzrostu dendrytów. Cechy wzrostu dendrytycznego. Wpływ promienia zaokrąglenia końcówki dendrytu na prędkość wzrostu dendrytu. Krzepnięcie równowagowe i nierównowagowe stopów.

  12. Krzepnięcie – cz. 2.

    Współczynnik rozdziału domieszki. Krzepnięcie roztworów w warunkach braku dyfuzji w stanie stałym i dyfuzyjnym/konwekcyjnym rozprowadzeniu domieszki w cieczy. Rafinacja strefowa. Struktura pierwotna w odlewach.

  13. Przemiany dyfuzyjne, zastosowanie równania Johnsona-Mehla do opisu kinetyki przemian fazowych.

    Wyprowadzenie równania Johnsona-Mehla. Wyznaczenie wykładnika potęgowego, energii aktywacji przemiany i stałej prędkości przemiany z równania Johnsona-Mehla. Adaptacja równania Johnsona-Mehla do warunków nieizotermicznych.

  14. Przemiany fazowe w stanie stałym w warunkach równowagi termodynamicznej.

    Wydzielanie ferrytu z austenitu. Kinetyka wzrostu ferrytu ziarnistego i płytkowego. Przemiana perlityczna. Mechanizm i kinetyka przemiany perlitycznej. Wpływ przechłodzenia na odległość międzypłytkową i własności mechaniczne perlitu. Struktura pasmowa w stalach ferrytyczno-perlitycznych. Wykresy CTPi i CTPc.

Laboratory classes:
  1. I zasada termodynamiki.

    Obliczanie zmian energii wewnętrznej z I zasady termodynamiki w układach jednoskładnikowych (Fe, Al, H2O). Zależność energii wewnętrznej od temperatury.

  2. Entalpia, entropia.

    Zależność pomiędzy entalpią a energią wewnętrzną. Wyznaczanie entalpii przemiany przy stałym ciśnieniu. Obliczanie zmian entropii układu.

  3. Energia swobodna.

    Obliczanie zmian entropii podczas krzepnięcia nierównowagowego. Energia swobodna jako kryterium równowagi układu nieizolowanego.

  4. Siła pędna przemian fazowych.

    Obliczanie siły pędnej podczas krzepnięcia równowagowego i nierównowagowego na przykładzie srebra i ołowiu.

  5. Równowaga w układach jednoskładnikowym.

    Wykresy jednoskładnikowe dla wybranych układów jednoskładnikowych. Zjawisko alotropii. Określenie wpływu temperatury i ciśnienia na równowagę w układzie jednoskładnikowym. Obliczanie entalpii przemiany. Wpływ wzrostu ciśnienia na zakres stabilności faz.

  6. Quasi-chemiczna teoria roztworów.

    Energia swobodna roztworu. Wpływ ciepła tworzenia roztworu na kształt krzywej energii swobodnej roztworu.

  7. Wykresy fazowe.

    Konstrukcja wykresów fazowych w oparciu o położenia krzywych energii swobodnej faz dla różnych przypadków ciepła tworzenia roztworu.

  8. Energia swobodna powierzchniowa.

    Warunek równowagi w układach wieloskładnikowych po uwzględnieniu promienia krzywizny kontaktujących się faz. Obliczanie wpływu promienia wydzieleń na rozpuszczalność graniczną w układzie dwuskładnikowym.

  9. Dyfuzja w ciałach stałych.

    Prawa Ficka. Mechanizmy dyfuzji w ciałach stałych. Obliczanie współczynnika samodyfuzji, dyfuzji i energii aktywacji dyfuzji węgla z równania Arrheniusa. Zasięg dyfuzji. Obliczanie grubości warstwy nawęglonej podczas nawęglania.

  10. Zarodkowanie kryształów w cieczy.

    Obliczanie siły pędnej procesu krzepnięcia. Obliczanie promienia krytycznego zarodka i pracy zarodkowania homogenicznego kryształów z cieczy na wybranych przykładach. Obliczanie i porównanie promienia krytycznego zarodka i pracy zarodkowania podczas zarodkowania homogenicznego i heterogenicznego kryształów w cieczy.

  11. Krzepnięcie czystych metali i stopów.

    Omówienie krzepnięcia czystych metali krzepnących w warunkach dodatniego i ujemnego gradientu temperatury w cieczy. Omówienie krzepnięcia równowagowego stopów z układów o nieograniczonej i ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym. Omówienie krzepnięcia nierównowagowego w warunkach braku dyfuzji w stanie stałym i dyfuzyjnym lub konwekcyjnym rozprowadzaniu domieszki w cieczy.

  12. Równanie Johnsona-Mehla.

    Obliczanie energii aktywacji przemiany. Obliczanie stałej prędkości przemiany i wykładnika potęgowego z równania Johnsona-Mehla.

  13. Przemiana perlityczna.

    Omówienie mechanizmu przemiany perlitycznej w stalach. Wpływ temperatury na kinetykę przemiany perlitycznej i odległość międzypłytkową. Omówienie przyczyn występowania struktury pasmowej w stalach ferrytyczno-perlitycznych.

  14. Wydzielanie ciągłe z przesyconych roztworów stałych.

    Rozpad przesyconych roztworów stałych. Omówienie roli wakancji w przemianach fazowym na przykładzie starzenia duraluminium. Omówienie rozpadu spinodalnego na podstawie układu Al-Zn. Starzenie w duraluminium i stalach maraging.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 125 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Participation in lectures 28 h
Participation in laboratory classes 28 h
Preparation for classes 35 h
Realization of independently performed tasks 30 h
Examination or Final test 4 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Średnia ważona: 0.4*ocena z ćwiczeń laboratoryjnych + 0.6*ocena z egzaminu

Prerequisites and additional requirements:

Zgodnie z Regulaminem Studiów AGH podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest ostatni dzień zajęć w danym semestrze. Termin zaliczenia poprawkowego (tryb i warunki ustala prowadzący moduł na zajęciach początkowych) nie może być późniejszy niż ostatni termin egzaminu w sesji poprawkowej (dla przedmiotów kończących się egzaminem) lub ostatni dzień trwania semestru (dla przedmiotów niekończących się egzaminem).

Recommended literature and teaching resources:

1. Z. Kędzierski, Termodynamika Stopów. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, AGH
Kraków 1999.
2. D.R. Gaskell, Introduction to the Thermodynamics of Materials. Taylor and Francis Group, 2003.
3. Z. Kędzierski, Przemiany Fazowe w Metalach i Stopach, Wydawnictwo AGH, Kraków 1988.
4. Z. Kędzierski, Przemiany Fazowe w Układach Skondensowanych, Wydawnictwa Naukowo-
Dydaktyczne, AGH Kraków 2003.
5. D.A. Porter, K.E. Easterling, M.Y. Sherif, Phase Transformations in Metals and Alloys. CRC Press 2009.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1. T. Kozieł, Estimation of cooling rates in suction casting and copper-mould casting processes, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 60 iss. 2A (2015), p. 767-771.
2. K. Wieczerzak, P. Bała, M. Stępień, G. Cios, T. Kozieł, The characterization of cast Fe-Cr-C alloy, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 60 iss. 2A (2015), p. 779-782.
3. T. Kozieł, J. Latuch, S. Kąc, Structure of melt-spun Fe-Cu-Si-B-Nb alloy, Journal of Alloys and Compounds, vol. 586, (2014), p. S121-S125.
4. T. Koziel, J. Latuch, A. Zielinska-Lipiec: Structure of the amorphous-crystalline Fe66Cu6B19Si5Nb4 alloy obtained by the melt-spinning process, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 58, 2013, pp. 601- 605.
5. A. Zielinska-Lipiec, T. Kozieł, A. Czyrska-Filemonowicz, VM12 steel for advanced power generation plants – metrology of the precipitates by electron microscopy, Solid State Phenomena, vol. 186, 2012, p. 283-286.
6. A. Zielińska-Lipiec, T. Kozieł, A. Czyrska-Filemonowicz: Quantitative characterisation of the microstructure high chromium steel with boron for advanced steam power plants, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol. 43, 2010, p. 200-204.

Additional information:

None