Upload
piergianni-nardozi
View
183
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
materiali
Citation preview
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
Diagrammi di stato
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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%
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
=
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
SISTEMI BINARI: COMPLETA SOLUBILIT
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilit solidapari a zero (completa immiscibilit allo stato solido)
SISTEMA EUTETTICO DI LEGA BINARIA
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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%
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
REAZIONI INVARIANTI DEI SISTEMI BINARI
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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.
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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)
Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano
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