Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi

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CAPITOLO

8

Diagrammi

di stato

8-1

Introduzione

• Fase: regione in un materiale che è diversa per struttura e funzione da altre regioni.

• Diagramma di stato: rappresenta le fasi presenti el metallo in diverse condizioni

(temperatura, pressione e composizione) indica la solubilità solida di equilibrio di un elemento in un

altro indica l’intervallo di temperatura nel quale avviene la

solidificazione indica la temperatura alla quale diverse fasi iniziano a

fondere

8-2

Diagramma di Stato di Sostanze Pure

• La sostanza pura esiste come solido, liquido e vapore

• La fasi sono separate da fasi limite.

• Esempi : acqua, ferro puro

• differenti fasi coesistono al punto triplo

Da W. G. Moffatt, et al., “The Structure and Properties of Materials,” vol I: “Structure,” Wiley, 1965, p.1518-3

Regola delle Fasi di Gibbs

• P+F = C+2

• Pe l’acqua pura, al punto triplo, coesistono 3 fasi

• C’è un componente (acqua) nel sistema

• Quindi 3 + F = 1 + 2 F = 0

• I gradi di libertà indicano il numero di variabili che possono essere cambiate senza variare il numero delle fasi

P = numero di fasi che coesistono in un sistemaC = numero di componentiF = gradi di libertà

8-4

Curve di Raffreddamento• 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 solidicazione del metallo

• Le leghe solidificano in un intervallo di temperature (non c’è arresto termico)

Pure Metal

Iron

Sistema di Lega Binaria Isomorfa

• lega binaria

• Sistema isomorfo: due elementi completamente solubili uno nell’altro allo stato liquido e solido

• Esempio: soluzione Cu-Ni

Miscela di due sistemi

Sistema a duecomponenti

La composizione delle fasi liquida e solida ad ogni temperatura può essere determinata disegnando una linea di collegamento

Adattato da “Metals Handbook,” vol. 8, 8th ed., American society of Metals, 1973, p. 294.8-5

Diagramma di Stato da Curve di Raffreddamento

• Viene prima costruita una serie di curve di raffreddamento a diverse composizioni di materiale

• Si considerano i punti di cambio di pendenza delle curve di raffreddamento (arresti termici) e si costruisce il diagramma di stato

• Maggiore è il numero delle curve di raffreddamento, più accurato è il diagramma di stato risultante

8-6

La Regola della Leva

• La regola della leva fornisce il peso % delle fasi nelle due regioni

Frazione in peso della fase solida

= Xs = w0 – w1

ws – w1

Frazione in peso della fase liquida

= X1 = ws – w0

ws – w1

8-7

Soldificazione Non in Equilibrio di Leghe

• Il raffreddamento molto lento (equilibrio) porta ad una struttura a grani

• Il rapido raffreddamento ritarda la solidificazione

8-8

• Omogeneizzazione: lingotti colati riscaldati ad elevata temperatura per eliminare la struttura a grani• La temperatura di omogeneizzazione deve essere inferiore al più basso punto di fusione di ciascun componente della lega

Sistema Eutettico di Lega Binaria

• In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilità solida limitata

• La composizione eutettica si solidifica a temperatura minore di tutte le altre composizioni • Questa più bassa temperatura è detta temperatura eutettica

Liquido soluzione solida α + soluzione solida βTemperature eutettica

Raffreddamento

Esempio : lega Pb-Sn

Figure 8.11

8-9

Lento Raffreddamento della lega 60% Pb – 40% Sn

• liquida a 300°C.

• A circa 245°C si forma il primo solido – solido proeutettico

• Appena sopra 183°C la composizione segue il solidus e la composizione di di Sn varia tra 40 e 61.9%

• Alla temperatura eutettica, si solidifica tutto il liquido restante

• Un ulteriore raffreddamento abbassa il contenuto di Sn e Pb Da J. Nutting and R. G. Baker, “Microstructure of Metals,” Institute of Metals, London, 1965,p.19.8-10

Strutture eutettiche

• La struttura dipende da fattori come la minimizzazione di energia libera all’interfaccia α / β

• La modalità con cui le due fasi enucleano e crescono influenza la struttura

Da W. C. Winegard, “An Introduction to the Solidification of Metals,” Institute of Metals, London, 1964.8-11

Sistema Peritettico di Lega Binaria

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

Liquido + α β

raffreddamento • la reazione peritettica avviene quando una lega di Fe-4.3 Ni in peso raffreddata lentamente passa per la temperatura peritettica pari a 1517°C.• Il punto peritettico è invariante

Liquido(5.4 Ni in peso) + δ (4.0 Ni in peso) γ 4.3 Ni in pesoraffreddamento

Figure 8.16

8-12

Sistema di Lega Peritettica• A 42.4 % Ag e a 1400°C Fasi presenti Liquido Alfa Composizione 55% Ag 7%AgQuantità di Fasi 42.4 –7 55-42.4 55 – 7 55 - 7 = 74% = 26%• A 42.4% Ag e 1186°C – ΔT Fasi presenti solo beta Composizione 42.4% Ag Quantità di Fase 100%

• A 42.4% Ag and 1186°C + ΔTFasi presenti Liquido AlfaComposizione 66.3% Ag 10.5%AgQuantità di Fasi 42.4 –10.5 66.3-42.4 66.3 – 10.5 66.3–

10.5 = 57% =43%

8-13

Solidificazione Rapida in un Sistema Peritettico

• Circondamento: durante la reazione peritettica, L+ α β, la fase beta è presente attorno alla fase alfa

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

Da F Rhines, “ Phase Diagrams in Metallurgy,”McGraw- Hill, 1956, p. 86.8-14

Sistemi Binari Monotettici

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

L1 α + L2

raffreddamento

• I due liquidi sono immiscibili• Esempio: il sistema rame- piombo a 955°C e 36% Pb

Eutettica

Eutettoide

Peritettica

Peritettoidica

Monotettica

Table 8.1

Metals Handbook,” vol. 8: “Metallography Structures and Phase Diagrams,” 8 th ed., American Society of Metals, 1973, p. 296. 8-15

Fasi intermedie e Composti• Fasi terminali: fase che

si trova alla fine del diagramma di stato

• Fasi intermedie: fasi che si trovano in un range di composizioni all’interno del diagramma di stato

• Esempi: il diagramma Cu-Zn presenta sia fasi terminali che fasi intermedie

• Cinque punti peritettici invarianti e un punto eutettico

“Metals Handbook,” vol. 8: “Metallography Structures and Phase Diagrams,” 8 th ed., American Society of Metals, 1973, p. 301

8-16

Fasi Intermedie nei Ceramici

• Nel sistema Al2O2 – SiO2, si forma una fase intermedia detta mullite, che comprende il composto 3Al2O3·2SiO2

Da A. G. Guy, “Essentials of Materials Science, “McGraw-Hill, 1976 8-17

Composti Intermedi• In alcuni diagrammi di stato,si formano composti intermedi

– Stechiometrici • La percentuale di legame ionico/covalente dipende dalla

elettronegatività• Esempio: il diagramma di stato Mg-Ni contiene

Mg2Ni : composto con fusione congruente MgNi2 : composto con fusione incongruente

Metals Handbook,” vol. 8: American Society of Metals, 1973, p. 314. 8-18

Diagrammi di Stato Ternari

• Tre componenti

• Costruito utilizzando un triangolo equilatero come base

• Componenti puri ai vertici del triangolo.• La composizione di lega binaria è rappresentata agli spigoli

La temperatura può essere rappresentata uniforme nell’intero diagramma di stato sezione isoterma

8-19

Diagrammi di Stato Ternari

• Esempio: Diagramma di stato Ferro – Cromo - Nichel

• Per questo sistema reazioneisoterma a 650°C

• La composizione di ogni metallo in ogni punto del diagramma di stato può essere trovato disegnando una perpendicolare dal vertice del metallo puro al lato opposto e calcolando la lunghezza % della linea a quel punto

Da “Metals Handbook,” vol. 8: American Society of Metals, 1973, p. 425.8-20