(1) Diagrammi Di Stato

Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano

Diagrammi di stato


Fase: porzione omogenea (a livello microstrutturale) di unmateriale, che diversa per microstruttura e/o composizionechimica

Diagramma di stato: rappresenta le fasi presenti in diverse condizioni (temperatura,

INTRODUZIONE

rappresenta le fasi presenti in diverse condizioni (temperatura,pressione e composizione) in condizioni di lentoraffreddamento

indica la massima solubilit solida di equilibrio di un elementoin un altro

indica la temperatura o lintervallo di temperatura alla qualeavviene la solidificazione

indica la temperatura alla quale diverse fasi iniziano a fondere


La sostanza pura pu esistere, in funzione delle condizioni ditemperatura e pressione, come solido, liquido e vapore

La fasi sono separate da linee bifasiche Le 3 fasi coesistono al punto triplo Esempi: acqua, ferro puro

DIAGRAMMA DI STATO DI SOSTANZE PURE


ba

d

c

a: solidificazioneb: fusionec: liquefazioned: gassificazione

SISTEMI AD UN SOLO COMPONENTE

Diagramma di stato di equilibrio pressione temperatura per lanidride carbonica

d: gassificazionee: brinamentof: sublimazioneg: condensazioneh: evaporazione

fe

hg


F+V = C+N

(La maggior parte dei diagrammi di stato binari usati in scienza dei materiali costituita da diagrammi temperatura-composizione nei quali la pressione

F = numero di fasi che coesistono in un sistemaC = numero di componenti nel sistemaV = gradi di libertN = variabili termodinamiche (di solito 2, P e T)

REGOLA DELLE FASI DI GIBBS

costituita da diagrammi temperatura-composizione nei quali la pressione tenuta costante: la regola delle fasi diventa F+V=C+1)ESEMPIO:Per lacqua pura, al punto triplo, coesistono 3 fasiC un componente (acqua) nel sistema, le variabili termodinamiche sono 2 (Pe T), quindi:

3 + V = 1 + 2 V = 0I gradi di libert indicano il numero di parametri intensivi che possono esserecambiati senza alterare lequilibrio del sistema


Utilizzate per determinare la temperatura di transizione di fase I valori di tempo e temperatura del metallo fuso che raffredda sono

registrati e diagrammati Arresto termico: perdita di calore = calore fornito per la

solidificazione del metallo Le leghe solidificano in un intervallo di temperature (non c arresto

termico)

CURVE DI RAFFREDDAMENTO

termico)

Metallo puro ferro


Viene prima costruita una serie di curve di raffreddamento a diversecomposizioni di materiale

Si considerano i punti di cambio di pendenza delle curve diraffreddamento e si costruisce il diagramma di stato

Maggiore il numero delle curve di raffreddamento, pi accurato ildiagramma di stato risultante

DIAGRAMMA DI STATO DA CURVE DI RAFFREDDAMENTO

diagramma di stato risultante

I diagrammi sono determinati per raffreddamenti lenti,in condizioni di equilibrio e a pressione atmosferica


Le leghe sono utilizzate nella maggior parte delleapplicazioni industriali

La lega una miscela di due o pi elementi (metalli e nonmetalli)

Esempio:oOttone: lega binaria 70% Cu e 30% Zinco

SOLUZIONI SOLIDE METALLICHE

oOttone: lega binaria 70% Cu e 30% Zincoo Inconel: superlega a base di nichel con circa 10 elementi di lega

La soluzione solida un tipo semplice di lega nella quale 2o pi elementi sono atomicamente dispersi in una singolafase


Gli atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente in un reticolocristallino

La struttura rimane invariata Il reticolo cristallino pu essere leggermente distorto per la variazione

di diametro degli atomi La percentuale di soluto nel solvente pu variare dallo 0% al 100%

SOLUZIONE SOLIDA SOSTITUZIONALE

Atomi di solvente

Atomi di soluto


La solubilit dei solidi maggiore se:o Il diametro degli atomi non differisce pi del 15%oLe strutture cristalline sono le stesseoNon c grande differenza nella elettronegativit, in modo che

non si formino compostio Hanno la stessa valenza

SOLUZIONE SOLIDA SOSTITUZIONALE

o Hanno la stessa valenza Esempi

SistemaDifferenza

raggioatomico

Differenza dielettronegativit

Solubilitsolida

Cu-Zn 3.9% 0.1 38.3%

Cu-Pb 36.7% 0.2 0.17%

Cu-Ni 2.3% 0 100%


Gli atomi di soluto si inseriscono tra i vuoti (interstizi) degli atomi disolvente

Gli atomi di solvente in questo caso dovrebbero essere pi grandidegli atomi di soluto (Es: H, C, N, O)

Esempio: tra 912 e 1394C, si forma la soluzione solida interstiziale dicarbonio nel ferro (CFC)

Un massimo di 2.8% di carbonio pu dissolversi negli interstizi delferro

SOLUZIONE SOLIDA INTERSTIZIALE

ferro

Atomi di carbonio, r = 0.075nm

Atomi di ferro, r = 0.129nm


lega binaria Sistema isomorfo : due elementi completamente solubili uno

nellaltro allo stato liquido e solido Esempio: soluzione Cu-Ni

Sistema a due componenti

La composizione delle fasi liquida

SISTEMA DI LEGA BINARIA ISOMORFA

La composizione delle fasi liquidae solida ad ogni temperatura puessere determinata tracciando unalinea orizzontale che intercetta talicomposizioni sulle linee delliquidus e del solidus


La regola della leva fornisce le frazioni in peso delle fasi nelle dueregioni

Frazione in peso della fase solida

REGOLA DELLA LEVA

l0 wwX =

Frazione in peso della fase liquida

ls

l0s

ww

wwX

=

ls

0sl

ww

wwX

=


SISTEMI BINARI: COMPLETA SOLUBILIT


Il raffreddamento veloce non consente una corretta diffusione cheaccompagna il raffreddamento stesso, consentendo il continuovariare delle concentrazioni delle fasi. Ne consegue strutturadisomogenea Omogeneizzazione: trattamento a

temperatura elevata per accelerare ladiffusione atomica e quindi

SOLIDIFICAZIONE DI LEGHEIN CONDIZIONI DI NON EQUILIBRIO

lomogeneizzazione della struttura La temperatura diomogeneizzazione deve essereinferiore al pi basso punto di fusionedi ciascun componente della lega


In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilit solidalimitata (solubilit parziale allo stato solido)

Trasformazione eutetticaL +

La composizione eutettica

Esempio : lega Pb-Sn

SISTEMA EUTETTICO DI LEGA BINARIA

La composizione eutetticasolidifica a temperatura minoredi tutte le altre composizioni Questa pi bassa temperatura detta temperatura eutettica

Liquido soluzione solida + soluzione solida Temperature eutettica

Raffreddamento


Liquida a 300C A circa 245C si forma il primo

solido (solido proeutettico) Appena sopra 183C la

LENTO RAFFREDDAMENTO DELLA LEGA60% Pb 40% Sn (NON EUTETTICA)

Appena sopra 183 C lacomposizione a segue il soliduse la composizione di Sn varia tra40 e 61.9%

Alla temperatura eutettica,solidifica tutto il liquido restante

Un ulteriore raffreddamento abbassa il contenuto di Sn e Pb


In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilit solidapari a zero (completa immiscibilit allo stato solido)

SISTEMA EUTETTICO DI LEGA BINARIA


Reazione peritettica: la fase liquida reagisce con una fasesolida per formare una nuova e differente fase solida

Liquido + raffreddamento

Esempio:la reazione peritettica avviene

SISTEMA PERITETTICO DI LEGA BINARIA

la reazione peritettica avvienequando una lega di Fe-4.3 Niin peso raffreddata lentamentepassa per la temperaturaperitettica pari a 1517C. Il punto peritettico invariante

Liquido(5.4% Ni) + (4.0% Ni) 4.3% Niraffreddamento


A 42.4% Ag e a 1400CFasi presenti Liquido AlfaComposizione 55% Ag 7%AgQuantit di Fasi 74% 26%

A 42.4% Ag e 1186C TFasi presenti solo beta

SISTEMA PERITETTICO DI LEGA BINARIA

Fasi presenti solo betaComposizione 42.4% AgQuantit di Fasi 100%

A 42.4% Ag and 1186C + TFasi presenti Liquido AlfaComposizione 66.3% Ag 10.5%AgQuantit di Fasi 57% 43%


Circondamento: durante la reazione peritettica, L+ , la fase presente attorno alla fase alfa

La fase crea una barriera di diffusione formando un nucleo di fase

SOLIDIFICAZIONE RAPIDAIN UN SISTEMA PERITETTICO


Reazione monotettica: La fase liquida si trasforma in unafase solida ed un altro liquido

L1 + L2raffreddamento

I due liquidi sono immiscibili

SISTEMA MONOTETTICI BINARI

I due liquidi sono immiscibili Esempioil sistema rame-piombo a955C e 36% Pb


REAZIONI INVARIANTI DEI SISTEMI BINARI


Fasi limite: fasi che sitrovano agli estremi dellecomposizioni dei diagrammidi stato

Fasi intermedie: fasi che sitrovano in un range dicomposizioni allinterno del

FASI INTERMEDIE

trovano in un range dicomposizioni allinterno deldiagramma di stato

Esempi: il diagramma Cu-Zn presenta sia fasi limiteche fasi intermedie

Cinque punti invariantiperitettici ed un puntoeutettoidico


Composti intermetallici: composti con legameessenzialmente metallico e composizione definita.

Esempi: il diagramma Mg-Ni presenta i compostiintermetallici Mg2Ni e MgNi2. MgNi2 a fusionecongruente, siccome mantiene la sua composizione fino alpunto di fusione, mentre Mg2Ni a fusione incongruente,siccome subisce una decomposizione peritettica a 761C

COMPOSTI INTERMETALLICI

punto di fusione, mentre Mg2Ni a fusione incongruente,siccome subisce una decomposizione peritettica a 761Cnelle fasi liquida e MgNi2.


Diagrammi a trecomponenti, validiper pressionecostante di 1 atm.Possono essere conrappresentazione

DIAGRAMMI DI STATO TERNARI

rappresentazionetridimensionale(temperatura su unasse verticale) o api sezioniisoterme (come lecurve altimetrichesu una mappageografica)


Esempio:Diagramma Fe-Cr-Ni,utile per lo studio degli

DIAGRAMMI DI STATO TERNARI

utile per lo studio degliacciai inossidabili, chehanno tipicacomposizione 74% Fe,18% Cr, 8% Ni

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