Post on 28-Nov-2015
description
Tecnologie dei Materiali e Chimica Applicata (TMCA) Ingegneria dell’Autoveicolo
A.A. 2008-2009
DIAGRAMMI
DI
STATO
• Perché l’acqua bolle a 100°C?
• Perché bolle in montagna ed al mare a temperatura
diversa?
• Perché i forni sono rivestiti internamente da
mattoni refrattari e non da vetro o plastica o
metallo?
• Perchè gli acciai vengono trattati termicamente
(ricottura, tempra,....)?
PERCHÉ STUDIARE I DIAGRAMMI DI STATO
DIAGRAMMI DI STATO
Definizioni importanti:
- Componente, lega, fase, equilibrio di fase
I diagrammi di stato:
- Introduzione
- Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
- Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
- Diagrammi di Stato a miscibilità parziale allo stato solido
- Eutettici
- Perittetici
-Diagrammi di stato con soluzioni intermedie
- Diagrammi di Stato con composti a fusione congruente
- Diagrammi di Stato con composti a fusione incongruente
4/91
DEFINIZIONI IMPORTANTI
Lega: materiale metallico ottenuto mediante la combinazione
chimica di diversi elementi
Solvente: elemento o composto presente in maggiore quantità
Soluto: elemento o composto presente in quantità minore
Soluzione solida: tipologia di lega ottenuta mediante l’
aggiunta di atomi di soluto nel materiale ospite, in modo tale
da preservarne la struttura cristallina e garantirne l’omogeneità
composizionale e strutturale
Sistema: Una serie di leghe possibili di uno o più componenti
(Es. sistema Fe-C)
5/91
Una fase è una porzione omogenea di un sistema con caratteristiche
chimiche e fisiche uniformi (quindi, sia a livello strutturale che di
composizione).
Una singola fase ha in ogni sua parte un identico comportamento se
sottoposta a sollecitazioni fisiche o chimiche
Acqua e olio Acqua e
ghiaccio
Soluzione solida e
composto
DEFINIZIONI IMPORTANTI: FASE
6/91
• Una singola fase ha in ogni sua parte un identico
comportamento se sottoposta a sollecitazioni fisiche o
chimiche
• Può essere costituita da più di un elemento chimico
(ad esempio nelle soluzioni solide metalliche accade che
all’interno della struttura cristallina di uno dei due metalli trovano
posto degli atomi dell’altro (in posizioni interstiziali o
sostituzionali)
Un elemento o composto chimico può esistere come fasi
diverse
(acqua liquida, vapore d'acqua e ghiaccio, Fe , Fe)
FASE
Un diagramma di stato è:
un grafico nel quale vengono descritte quante e quali fasi di
un sistema sono presenti al variare dei parametri intensivi
(pressione, temperatura) del sistema stesso.
I diagrammi di stato sono di solito validi in condizioni di
equilibrio termodinamico raggiunto.
Si possono costruire sperimentalmente (passando per
trasformazioni lente), o mediante calcolo.
La condizione di equilibrio termodinamico è data dal
minimo dell’energia libera (o funzione di Gibbs: G = H - TS)
DIAGRAMMI DI STATO 2
8/91
EQUILIBRIO DI FASE Energia libera:
È una funzione dell’energia interna di un sistema (o
entalpia) e del suo stato di disordine (o entropia)
In condizioni di equilibrio l’energia libera è minima
L’equilibrio di fase:
Viene espresso dalla costanza nel tempo delle
caratteristiche delle fasi di un sistema Esempio: soluzione al 65% in peso di zucchero scaldata da 20°C a 100°C
Nelle soluzioni solide le velocità di trasformazione
sono spesso estremamente basse
l’equilibrio non viene raggiunto
Sistema in stato di equilibrio metastabile
Determinare le fasi presenti al variare di temperatura, pressione e composizione di
un sistema
Calcolare le quantità relative delle fasi presenti in un equilibrio
Determinare la solubilità massima di un componente in un altro
DIAGRAMMI DI STATO 3
Conoscere la temperatura di fusione delle varie fasi
Determinare la temperatura a cui avvengono le trasformazioni di fase
DIAGRAMMI DI STATO BINARI
• La composizione viene riportata sull’ascissa che viene suddivisa in cento parti; ad ogni punto corrisponde una percentuale dei due componenti.
• Ad esempio, al punto C corrisponde una composizione di 70% di A e di 30 % di B;
11/91
I diagrammi di stato:
•- Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata • Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
• Diagrammi di Stato a miscibilità parziale allo stato solido
Eutettici
Peritettici •Diagrammi di stato con soluzioni solide intermedie
Diagrammi di Stato con composti a fusione
congruente
• Diagrammi di Stato con composti a fusione incongruente
MISCIBILITÀ ILLIMITATA Si ha miscibilità illimitata di due componenti quando questi sono
completamente solubili l’uno nell’altro sia allo stato liquido che allo
stato solido.
Esempi di componenti completamente miscibili allo stato liquido
sono acqua ed alcool, allo stato solido sono Cu-Ni ed Ag-Au.
Tracciando un punto sul diagramma di
fase si può capire se ci si trova in un
sistema monofasico liquido, in un
sistema monofasico solido o in un
sistema bifasico; in quest’ultimo caso,
per conoscere composizione e quantità
relative delle fasi si ricorre alla "regola
dell’orizzontale" ed alla "regola della
leva"
REGOLA DELL’ORIZZONTALE E COMPOSIZIONE DELLE FASI
La regola dell’orizzontale permette di
trovare le composizioni delle due
fasi in equilibrio all’interno di una
zona bifasica; esse si leggono
sull’ascissa di un diagramma di
stato.
Si traccia l’isoterma e vengono
individuati due punti, uno sulla curva
del liquidus ed uno sulla curva del
solidus,
Si tracciano, partendo da questi due
punti, due linee verticali vengono
individuati altri due punti sull’asse
delle ascisse
I due punti sono contrassegnati nel
diagramma dalle lettere x ed y: la x
rappresenta la composizione del
liquido mentre la y rappresenta la
composizione del solido
Le percentuali in peso delle fasi in una qualsiasi regione bi-fasica di un diagramma di stato di equilibrio possono essere calcolate utilizzando la legge della leva
LEGGE DELLA LEVA
ESEMPIO DI DIAGRAMMA DI STATO A COMPLETA MISCIBILITÀ:
CU-NI
COMPLETA MISCIBILITÀ ALLO STATO SOLIDO
MICROSTRUTTURA DI UNA LEGA
La microstruttura: tipo, forma, quantità,
dimensione dei grani di una fase
Sistema monofasico “omogeneo”
Microstruttura della ferrite
(lega Fe-C): si tratta di
un’unica fase policristallina
microstruttura uniforme,
sono visibili i bordi di grano
che separano i grani dell’
un’unica fase presente
SOLIDIFICAZIONE
Solidificazione attraversamento del sistema bifasico continue modifiche delle composizioni delle fasi liquida e solida.
Raffreddamento molto lento
T0 stato liquido.
T1 formazione di cristalli di soluzione solida in una matrice di liquido.
T2 i cristalli aumentano in volume ed il liquido diminuisce.
T3 sempre più fase solida
T4 100% di fase solida.
Soluzioni solide che ammettono completa miscibilità
importanti nella scienza dei materiali
introduzione di atomi sostituzionali in un reticolo
cristallino influenza su proprietà meccaniche
(resistenza), elettriche, ottiche, magnetiche. SITUAZIONE DI EQUILIBRIO !!!!
EVOLUZIONE DELLA MICROSTRUTTURA DURANTE LA SOLIDIFICAZIONE
Solidificazione di equilibrio di una lega di composizione 35%Ni e 65%Cu
Solidificazione attraversamento del sistema bifasico continue
modifiche delle composizioni delle fasi liquida e solida.
EQUILIBRIO grani di composizione omogenea (diversa da
quella che aveva ciascun grano al momento della sua formazione).
NON-EQUILIBRIO grani di composizione diversa (ciascun
grano ha una composizione vicina a quella che aveva quando si è
formato).
SOLIDIFICAZIONE 2
Grani di con composizione diversa al lorointerno
La curva solidus si sposta verso destra
A Te’ termina la solidificazione
Regola della leva: ho più liquido del previsto rispetto alle condizioni di equilibrio.
Fenomeno della SEGREGAZIONE verso l’esterno del grano ho maggiore concentrazione del componente basso-fondente.
Al riscaldamento ho formazione liquido inattesa –> perdita integrità meccanica. Serve ricottura di omogeneizzazione per ottenere la situazione di equilibrio
RAFFREDDAMENTO DI NON EQUILIBRIO
Le soluzioni solide che ammettono completa miscibilità sono
importanti nella scienza dei materiali perché permettono:
• Introduzione di atomi sostituzionali in un reticolo cristallino
• Modulazione delle proprietà meccaniche (snervamento), elettriche,
ottiche, magnetiche.
INTERESSE INGEGNERISTICO PER LA COMPLETA MISCIBILITÀ
TRASFORMAZIONI DI FASE CONGRUENTI ED INCONGRUENTI:
AD ESEMPIO FUSIONE CONGRUENTE E INCONGRUENTE
FUSIONE CONGRUENTE: in seguito a tale tipo di fusione
NON si verificano alterazioni nella composizione delle fasi
prima e dopo fusione: fusione ad 1 temperatura definita
FUSIONE INCONGRUENTE: in seguito a tale tipo di
fusione la composizione del liquido che si forma è diversa da
quella del solido di partenza
Esempi: fusione degli elementi puri, fusione eutettica,
fusione di composti a fusione congruente
Esempi: fusione lega a miscibilità completa, composti a
fusione incongruente
23/91
I diagrammi di stato:
•- Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
• Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo
stato solido • Diagrammi di Stato a miscibilità parziale allo stato solido
Eutettici
Peritettici •Diagrammi di stato con soluzioni solide intermedie
Diagrammi di Stato con composti a fusione congruente
• Diagrammi di Stato con composti a fusione incongruente
24/91
Miscibili nello stato liquido e
immiscibili nello stato solido:
Alla solidificazione si ottengono
i due elementi/composti distinti.
Es: Bi-Cd:
Bi: struttura ortorombica (legame
metallo-covalente sul piano basale
e legame debole fra piani)
Cd:carattere metallico e struttura
esagonale compatta Nessuna
tendenza a fare soluzione solida
SOLUBILITÀ NULLA (IMMISCIBILITÀ STATO SOLIDO)
Due elementi o composti possono non risultare affatto miscibili.
25/91
• Se si raffredda un liquido di composizione E si osserva che rimane tale fino a TE quando si trasforma a temperatura costante in un solido eutettico bifasico costituito da un miscuglio di piccoli cristalli di A e di B.
SOLIDIFICAZIONE COMPOSIZIONE EUTETTICA
A
B
Eutettico = Fonde bene: ad una T definta (congruente), come un elemento puro
26/91
SOLIDIFICAZIONE COMPOSIZIONE EUTETTICA 3
A
A
A
B
B
B
B
La formazione di un
cristallo di A comporta
la formazione, nel suo
intorno, di un liquido
ricco in B. Come
conseguenza vicino al
cristallo di A nucleerà
un cristallo di B.
Nell’intorno del
cristallo di B si frmerà
un iquido ricco in A.
Come conseguenza
vicino a B nucleerà un
cristallo di A .........
27/91
• Alla fine della solidificazione il sistema è costituito da grossi cristalli di A di deposizione primaria (dal liquido) inglobati nella fine struttura eutettica. A T<TE nel sistema varia solo la temperatura (composizione fasi e percentuali relative fasi sono costanti)
SOLIDIFICAZIONE LEGA IPOEUTETTICA
La fase solida costituita da A puro si trova sotto forma di cristalli di deposizione primaria (dal liquido) e sotto forma di minuti cristalli nella miscela eutettica
(A+B puro).
28/91
Vale la regola della leva
PRIMA DELLA TRASFORMAZIONE
%Liq.= AMx100/AE
%A = MEx100/AE
%B 0%
FINE TRASFORMAZIONE
%Liq 0
%A = MBx100/AB
%B =AM x100/AB
Al raffreddamento ho la trasformazione L A+B (solidi)
29/91
I diagrammi di stato:
•- Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
• Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
• Diagrammi di Stato a miscibilità parziale
allo stato solido:
Eutettici
Peritettici • Diagrammi di Stato per composti a fusione congruente
• Diagrammi di Stato per composti a fusione incongruente
LIMITE DI SOLUBILITÀ Gli atomi di soluto sono disciolti nel solvente a formare
una soluzione solida
Se continuo ad aggiungere atomi di soluto, raggiungo un
limite oltre il quale si forma una seconda soluzione solida
o un composto con composizione marcatamente
differente.
Tale limite è detto limite di solubilità
Esempio: solubilità dello zucchero nell’acqua Quante fasi ci sono?
LIMITE DI SOLUBILITÀ 2
SOLUBILITÀ LIMITATA (STATO SOLIDO)
Nella zona L:
Fase liquida alla concentrazione data.
Nella zona L+:
Sistemi bifasici una fase liquida ed
una solida () di composizioni date
dalle intersezioni delle isoterme con le
rispettive curve di liquidus e solidus.
Nella zona L+:
Idem (sostituiamo fase solida con )
Nelle zone e :
Sistema solido monofasico
(rispettivamente e ).
Nella zona + :
Sistemi bifasici costituiti da due
soluzioni solide:
A saturo di B e B saturo di A.
Linea di Solvus
33/91
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale: Cu-Ag
DIGRAMMA DI STATO con SOLUBLITÀ PARZIALE ed EUTETTICO
SOLUBILITÀ LIMITATA e MICROSTRUTTURA
SOLUBILITÀ LIMITATA e MICROSTRUTTURA 2
36/91
REGOLA DELLE FASI DI GIBBS VARIANZA (di un sistema)
È il numero di parametri intensivi (pressione, temperatura e
composizione) che si possono variare a piacere senza cambiare il numero
delle fasi del sistema.
La varianza costituisce il numero di gradi di libertà di un sistema.
La regola delle fasi (o Legge di Gibbs):
V=C-f+n
V = numero di gradi di libertà del sistema (o varianza);
C = numero di componenti chimici presenti (elementi o composti);
f = numero di fasi ;
n= variabili fisiche (temperatura e pressione) Se Pressione costante, n=1
37/91
• Sistemi a due componenti- la regola delle fasi assume una forma semplificata: il numero dei componenti chimici indipendenti vale 2; il numero dei fattori fisici attivi è ridotto alla sola temperatura (P = costante).
Vale dunque:
ν = 2+1–f
ovvero il numero f delle fasi presenti in equilibrio non può essere che :
– 1 ( ν = 2 ) oppure
– 2 ( ν = 1 ) oppure
– 3 ( ν = 0 ).
DIAGRAMMI DI STATO BINARI: REGOLA DELLE FASI DI GIBBS
MONOVARIANZA
INVARIANZA
Per avere 3 fasi
non posso
cambiare né T né
composizione
DIAGRAMMI DI STATO BINARI
BIVARIANZA
Posso realizzare la
fase (alfa, beta o
liquido) decidendo
indipendentemente T e
composizione
Non posso cambiare indipendentemente T e composizione: se
cambio T la composizione delle 2 fasi cambia e segue le linee di
solvus, se cambio la composizione della lega (a T fissa) cambia il
rapporto quantitativo fra alfa e beta
39/91
Diagrammi eutettici:
Caso 1:
lega monofasica
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale: Pb-Sn.
Microstruttura a T ambiente: grani equiassici di alfa
SOLUBILITÀ LIMITATA: ESEMPIO DI RAFFREDDAMENTO
41/91
Diagrammi eutettici:
Caso 2:
lega bifasica (non eutettica)
SOLUBILITÀ LIMITATA: ESEMPIO DI RAFFREDDAMENTO 2
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale: Pb-Sn.
Microstruttura a T ambiente: grani equiassici di alfa, più piccoli grani di beta
SOLUBILITÀ LIMITATA: ESEMPIO DI RAFFREDDAMENTO 3
SOLUBILITÀ LIMITATA: ESEMPIO DI RAFFREDDAMENTO 4
Supero il limite di
solubilità:
Compare la seconda
fase β
45/91
Diagrammi eutettici:
Caso 3:
lega ipoeutettica
46/91
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale: Pb-Sn.
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPOEUTETTICHE
Lega ipo-euttettica
Possiamo
calcolare con la
regola della leva:
la concentrazione
di α primario,
della struttura
eutettica,
ed ancora la
concentrazione
totale di α e β
nella struttura
47/91
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale : Pb-Sn. Microstruttura lega ipoeutettica: grani primari di alfa e microstruttura lamellare eutettica
MICROSTRUTTURA DI LEGHE IPOEUTETTICHE
48/91
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPOEUTETTICHE
49/91
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPOEUTETTICHE 2
50/91
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPOEUTETTICHE 3
51/91
Diagrammi eutettici:
Caso 4:
lega eutettica
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale:
Pb-Sn. Microstruttura a T ambiente:
Microstruttura eutettica
TRASFORMAZIONE EUTETTICA e MISCIBILITÀ PARZIALE RAFFREDDAMENTO
SOLIDIFICAZIONE COMPOSIZIONE EUTETTICA 2
54/91
Esempio di diagramma di stato a miscibilità parziale: Pb-Sn. Microstruttura eutettica
Micrografia ottica,
ingrandimento 375x
Lamine scure: fase
Lamine chiare: fase
SOLIDIFICAZIONE COMPOSIZIONE EUTETTICA 4
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE EUTETTICHE 2
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE EUTETTICHE 3
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE EUTETTICHE 4
58/91
Diagrammi eutettici:
Caso 5:
lega ipereutettica
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPEREUTETTICHE
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPEREUTETTICHE 2
RAFFREDDAMENTO DI LEGHE IPEREUTETTICHE 3
Microstruttura: grani primari di beta e microstruttura lamellare eutettica
62/91
1 sistema di rafforzamento
(soluzione solida) 2 sistemi di rafforzamento
(soluzione solida e seconda fase)
3 sistemi di rafforzamento
(soluzione solida, seconda fase e affinamento del grano)
63/91
I diagrammi di stato:
• Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
• Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
• Diagrammi di Stato a miscibilità parziale
allo stato solido: Eutettici
Peritettici • Diagrammi di Stato per composti a fusione congruente
• Diagrammi di Stato per composti a fusione incongruente
TRASFORMAZIONE PERITETTICA
Al raffreddamento: α + L β
• Il diagramma è caratterizzato
da una trasformazione
peritettica nel corso della
quale, al riscaldamento, una
soluzione solida β di
composizione p si trasforma,
alla temperatura peritettica TP,
costante, in una soluzione
solida α a massima
concentrazione in B e in un
liquido di composizione c.
Trasf. PERITETTICA (INVARIANTE)
d + liqc p a Tp
DIAGRAMMA DI STATO PERITETTICO
66/91
Diagrammi peritettici:
Caso 1:
lega monofasica
67/91
Cx
TB
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TA
TP
P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP
Curve di raffreddamento per 0 < Cx C
1
2
0
68/91
è soluzione solida primaria, direttamente formatasi dal liquido.
è soluzione solida primaria, direttamente formatasi dal liquido.
è soluzione solida secondaria, formatasi dal solido () per effetto
della diminuzione di solubilità con l’abbassarsi della temperatura;
in essa A è solvente e B è soluto.
è soluzione solida secondaria, formatasi dalla saturazione di ;
in essa B è solvente e A è soluto.
69/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione Cx studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
1
2
T[ºC ]
t[min]
0
Ta
T1
T2
Contorno o bordo del
cristallo
Liquido
cristalli + liquido
cristalli
70/91
Diagrammi peritettici:
Caso 2:
lega bifasica
71/91
TA
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TB
TP
Cx
P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP
Curve di raffreddamento per C < Cx < C1
1
2
0
3
72/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione Cx studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
1
T[ºC ]
t[min]
0
2
Ta
T1
T2
T3 3
Liquido
cristalli + liquido
cristalli
+
73/91
TA
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TB
TP
P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 Cx C2 C CP
Curve di raffreddamento per Cx C1
1
2
0
74/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione CxC1 studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
1
2
T[ºC ]
t[min]
0
Ta
T1
T2
Liquido
cristalli + liquido
+
Punto di fine solidificazione
e inizio saturazione
75/91
Diagrammi peritettici:
Caso 3:
lega ipoperitettica
• Se si raffredda un liquido di composizione M alla
temperatura T1 si separa il primo cristallo di α di
composizione b.
RAFFREDDAMENTO COMPOSIZIONE IPO-PERITETTICA
•Fra T1 e TP la composizione del solido α e del liquido variano
lungo le linee bd e ac.
•A TP ha luogo la
trasformazione
peritettica nel corso
della quale tutto il
liquido c reagisce
con parte di α
(di composizione d)
per dare la soluzione
solida β di
composizione p. β
+
β
+ liq.
+ liq.
RAFFREDDAMENTO COMPOSIZIONE IPO-PERITETTICA 2
•Scomparsa l’ultima goccia di liquido la temperatura riprende
a scendere e le composizioni delle fasi α e β variano lungo
le linee df e pg.
•Alla temperatura
dell’ascissa la
percentuale di fase α
è data da Mg/fg·100
e la percentuale della
fase β è data da
fM/fg·100.
RAFFREDDAMENTO COMPOSIZIONE IPO-PERITETTICA 3
79/91
P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP
Curve di raffreddamento per C1 < Cx < C2
Cx
TA
TB
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TP
1
2*2
0
80/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione Cx studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
T[ºC ]
t[min]
0
1
2
Ta
T1
T2 TP 2*
Liquido
cristalli + liquido
Liquido +
+
+ + +
81/91
Diagrammi peritettici:
Caso 4:
lega iperperitettica
•Se si raffredda un liquido
di composizione D si
separa per primo, alla
temperatura T2 , un
cristallo di fase α di
composizione h.
•Alla temperatura TP tutta
la fase α reagisce con parte
del liquido c per dare la
fase β di composizione
peritettica p.
β
RAFFREDDAMENTO COMPOSIZIONE IPER-PERITETTICA
•Scomparsa la fase α la temperatura riprende a
scendere finché, alla temperatura T3, tutto il sistema è
solidificato sotto forma di fase β.
RAFFREDDAMENTO COMPOSIZIONE IPER-PERITETTICA 2
84/91
TA
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TB
TP
Cx
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP
P
Curve di raffreddamento per C2 < Cx < C
1
2*2
0
3
4
85/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione Cx studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
Liquido
cristalli + liquido
cristalli
T[ºC ]
t[min]
0
1
2
Ta
T1
T3 3
2*
T4 4
T2 TP
Liquido +
Liquido +
Liquido + +
86/91
Cx
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TA
TB
TP
P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP
Curve di raffreddamento per C Cx < Cp
1
0
2*2
3
87/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione Cx studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
Liquido
cristalli + liquido
T[ºC ]
t[min]
0
Ta
1
2
T1
T3 3
2* T2 TP
Liquido +
+
Liquido +
cristalli
88/91
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TA
TB
TP P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP Cx
Curve di raffreddamento per Cx Cp
1*1
0
2
89/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione CxCP studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
Liquido
cristalli
T[ºC ]
t[min]
0
1*
2
Ta
T1TP
T2
1
Liquido + +
Liquido +
Liquido +
90/91
Diagrammi peritettici:
Caso 5:
lega monofasica
91/91
Cx
T [°C] T [°C]
0% 100% B
Ta Ta
TA
TB
TP
P
L+
L
L+
+++
+ +
C C1 C2 C CP
Curve di raffreddamento per Cp < Cx < 100
1
2
0
92/91
Curva di raffreddamento della lega di composizione Cx studiata nel
diagramma di equilibrio precedente
T[ºC ]
t[min]
0
1
2
Ta
T1
T2
Liquido
cristalli + liquido
cristalli
L +
Come risultato di una trasformazione peritettica in condizioni di non
equilibrio si ha spesso una fase solida (quella che enuclea per prima dal
liquido) circondata da una seconda (quella prodotta dalla trasformazione)
MICROSTRUTTURA E TRASFORMAZIONE PERITETTICA
94/91
I diagrammi di stato:
•- Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
• Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
• Diagrammi di Stato a miscibilità parziale allo stato solido
Eutettici
Peritettici
•Diagrammi di stato con soluzioni solide
intermedie • Diagrammi di Stato con composti a fusione congruente
• Diagrammi di Stato con composti a fusione incongruente
Soluzioni Solide Intermedie:
Non si trovano agli estremi del diagramma di stato, ma al centro e
presentano struttura cristallina diversa da quella degli elementi puri e
composizione variabile entro un certo range.
ALTRE FASI: SOLUZIONI INTERMEDIE
96/91
I diagrammi di stato:
•- Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
• Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
• Diagrammi di Stato a miscibilità parziale allo stato solido
Eutettici
Peritettici
Diagrammi di stato con soluzioni solide intermedie
• Diagrammi di Stato con composti a
fusione congruente • Diagrammi di Stato con composti a fusione incongruente
Composti Intermetallici Nel caso in cui le due sostanze siano
metalli.
ALTRE FASI: COMPOSTI INTERMEDI
Hanno composizione fissa e gli atomi disposti in modo ordinato
La possibilità di esistenza delle soluzioni solide intermedie e dei
composti dipende da fattori dimensionali, di valenza, di
concentrazione elettronica, di elettronegatività.
Composti con elementi interstiziali. Contengono metalli + atomi di piccole dimensioni (H , B , C , N) in posizione
interstiziale.
Presentano alcune caratteristiche metalliche come lucentezza e conduttività, ma
presentano legami covalenti (elevata durezza e l'alto punto di fusione).
Sostanza: TiC ZrC NbC TaC TiN ZrN NbN TaN
Temperatura di fusione: °C 3150 3530 3500 3900 2940 2980 2200 3087
COMPOSTO A FUSIONE CONGRUENTE
Congruente Il liquido che si forma alla fusione ha la stessa
composizione del solido di partenza
Un composto si differenzia da una soluzione solida perché ad esso
corrisponde una formula chimica ben definita
Esempio di diagramma di stato con composto a fusione congruente: diagramma Mg-Pb
COMPOSTO A FUSIONE CONGRUENTE 2
100/91
I diagrammi di stato:
•- Introduzione
• Diagrammi di Stato a miscibilità illimitata
• Diagrammi di Stato a miscibilità nulla allo stato solido
• Diagrammi di Stato a miscibilità parziale allo stato solido
• Diagrammi di Stato con composti a fusione congruente
• Diagrammi di Stato con composti a
fusione incongruente
COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE
•Se si raffredda un liquido di composizione M alla temperatura
T1 cominciano a separarsi cristalli di B di deposizione primaria;
il processo continua fino alla temperatura TP mentre la
composizione del liquido raggiunge il punto a.
SOLIDIFICAZIONE con COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE
•A TP costante tutto il liquido di composizione a reagisce
con una parte del solido B per dare il composto AmBn; a
trasformazione conclusa sono presenti le due fasi solide AmBn
e B.
•La percentuale di
AmBn è data da
[MB/(AmBnB)]·100;
quella di B da
[(AmBnM)/(AmBnB)]·100.
SOLIDIFICAZIONE con COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE 2
•Se si raffredda un liquido
di composizione D alla
temperatura T2 comincia a
formarsi B solido che , alla
temperatura TP, reagisce
tutto con una parte del
liquido di composizione a
per dare il composto AmBn.
SOLIDIFICAZIONE con COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE 3
•Conclusa la
trasformazione, il
liquido a e il solido
AmBn sono presenti
nelle seguenti
proporzioni: percentuale
di liquido a = fp/ap·100;
percentuale di solido
AmBn = af/ap·100.
SOLIDIFICAZIONE con COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE 4
•Tra la temperatura TP e
quella eutettica TE , dal
liquido continua a
separarsi
il composto AmBn mentre
la composizione del
liquido varia lungo la
curva aE.
SOLIDIFICAZIONE con COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE 5
B
•Alla temperatura
TE, costante, dal liquido
eutettico di composizione
E si separano
contemporaneamente
cristalli fini
(lamellari/globulari) di A
e di AmBn.
SOLIDIFICAZIONE con COMPOSTO A FUSIONE INCONGRUENTE 6
B
L1 L2 +
TRASFORMAZIONE MONOTETTICA
ALTRE TRASFORMAZIONI INVARIANTI
Se ho una trasformazione eutettica che avviene fra fasi solide parlo di:
Trasformazione EUTETTOIDICA
α β+γ
Se ho una trasformazione peritettica che avviene fra fasi solide parlo di:
Trasformazione PERITETTOIDICA
+β γ
RIASSUNTO DELLE TRASFORMAZIONI INVARIANTI
DIAGRAMMI DI STATO REALI
DIAGRAMMI DI STATO REALI: OTTONI
DIAGRAMMI DI STATO REALI: BRONZI
DIAGRAMMI DI STATO REALI: BRONZI 2
DIAGRAMMI DI STATO REALI: BRONZI 3
DIAGRAMMI DI STATO REALI: Fe-C C
emen
tite (Carb
uro
di F
erro)