(2) Lettura Diagrammi Di Stato

Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano

LetturaDiagrammi di stato


Regola delle fasi (Legge di Gibbs):F+V = C+N

Regola della leva

COSA CI OCCORRE

Frazione di fase 1:2

2 1

C CC C

Frazione di fase 2:1

2 1

C CC C


Monel: Leghe Cu-Ni con un maggior contenuto di Nichel (monete da 1 e 2 euro)

Studiare il raffreddamento incondizioni di equilibrio di una legacontenente il 63% di Nichel (LegaMonel K-500) a partire da una

ESEMPIO 1: SISTEMI ISOMORFI

Monel K-500) a partire da unatemperatura di 1400C. Indicare,per i punti A, B e C, le fasipresenti, la composizione chimicadi ogni fase, la quantit di ognifase e schematizzare lamicrostruttura.


A. Siamo nel campo di esistenzadella sola fase liquida;applichiamo la legge di Gibbs:

F+V = C+N 1+V=2+1 V=2Tra A e B incontriamo la linea delliquidus: a circa 1360C inizia a


liquidus: a circa 1360C inizia asolidificare il primo nucleo di fasesolida di composizione:76% Ni 24% Cu

(76%Ni )

L (63%Ni )


B. Siamo nel campo bifasico, in cui illiquido in equilibrio con il solido;applichiamo la legge di Gibbs:

F+V = C+N 2+V=2+1 V=1Come possiamo determinare lacomposizione e la quantit della fasesolida e liquida allequilibrio?


solida e liquida allequilibrio?Attraverso la regola della leva

Percentuale di liquido allequilibrio:

Composizioni:Fase liquida: CL = 61 % NiFase solida C = 71%Ni

Percentuale di solido allequilibrio:

%2010061716163100%

%8010061716371100%

=

=

+=

=

=

+=

SRRW

SRSW

S

L


C. Siamo nel campo di esistenza della sola fasesolida; applichiamo la legge di Gibbs:

F+V = C+N 1+V=2+1 V=2

A fine raffreddamento la microstruttura sar:


63% Ni

Struttura reale della lega monel K-500

I diversi livelli di grigio sono dovuti al diverso orientamento dei grani.


Non essendoci trasformazioniinvarianti, non assistiamo ad arrestitermici; la curva di raffreddamento molto semplice:

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

L


Tempo

L +


Seguiamo levoluzione di 3

diverse leghe:1: 2% Sn

2: 15% Sn3: 40% Sn

ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICODIAGRAMMA PIOMBO-STAGNO

L + L + 3: 40% Sn


Punto a : Campo di esistenza della sola faseliquida, V =2.Punto b : Campo di esistenza allequilibrio dellafase solida con la fase liquida, V =1.

Punto c : Campo di esistenza allequilibrio dellasola fase solida, V =2.

ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICOCASO 1: LEGA AL 2% DI Sn

sola fase solida, V =2.Nulla succede fino al raggiungimento dellatemperatura ambiente.

Al di sotto del limite di solubilit la lega sicomporta come una lega isomorfa

Microstruttura

Anche la curva di raffreddamento del tutto simile al caso di sistemaisomorfo


Punto d : Campo di esistenza della sola faseliquida, V =2.Punto e : Campo di esistenza allequilibrio dellafase solida con la fase liquida, V =1.

Punto f : Campo di esistenza allequilibrio dellasola fase solida, V =2.


sola fase solida, V =2.Fino a questo punto nulla cambia rispetto ai casiprecedenti, ma adesso, a circa 180 Cincontriamo la linea del SOLVUS.Quando incontriamo la linea del solvus, lasoluzione solida diventa sovrassatura dicomponente che precipita.Applicando la REGOLA DELLA LEVA in questaregione possiamo determinare laconcentrazione e la composizione dellesoluzioni solide e allequilibrio ad una datatemperatura.


140C


C=9% C =98%Il solido contiene in soluzione il 9% di stagno, mentre il solido che precipita formata al 98% da stagno

C0 =15%

Percentuale in peso di solido Percentuale in peso di solido

%3.93100998

1598% =

=W %7.6100998915% =

=W


La microstruttura nel punto g si presenta cos:Piccoli grani di siformano allinterno digrani di pi grandi.

Curva di raffreddamento


Tempo

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

L

L+

+


Punto j : Campo di esistenza della sola faseliquida, V =2.

Punto k : Campo di esistenza allequilibrio dellafase solida con la fase liquida, V =1.

Spostandosi dal punto k al punto l ciaccorgiamo che la concentrazione del liquido si


accorgiamo che la concentrazione del liquido sisposta sempre pi verso la composizioneeutettica, ossia 61.9 % Sn

Osserviamo la situazione nel punto l a 183C+T, (al limite di T tendente a 0)

18.3 % Sn

L 61.7 % Sn


18.3 % Sn

L 61.7 % SnAbbiamo due fasi, il liquido di composizioneeutettica e il solido .Allapprossimarsi della temperatura eutetticacompare la terza fase, il solido che porta cos ilconto delle fasi a 3; applichiamo qui la regola dellefasi:


fasi:

F+V = C+N 3 + V = 2 + 1 V = 0

La solidificazione di una lega di composizioneeutettica una trasformazione invariante; questoimplica un arresto termico (come nel caso deimetalli puri).La trasformazione eutettica pu essererappresentata nel modo seguente:

)%8.97()%3.18()%7.61( SnSnSnL +


18.3 % Sn

L 61.7 % SnFino allesaurimento della fase liquida latemperatura non varia. Il meccanismo disolidificazione diverso, in seno al liquido siaccrescono due solidi differenti.Le fasi solide e crescono formando delle


Le fasi solide e crescono formando dellelamelle; la struttura dettata da motivitermodinamici legati alla diffusione.


Nel punto m a 183C - T, (al limite di T tendente a 0), la trasformazione eutettica completata, il liquido scomparso, applicando la regola delle fasi si ha:

F+V = C+N 2 + V = 2 + 1 V = 1Siamo nuovamente in condizioni dimonovarianza; applicando laregola della leva possiamoconoscere i rapporti percentuali in


conoscere i rapporti percentuali inpeso tra la fase e e lecomposizioni dei solidi, oltre che lapercentuale di formatasi primadella trasformazione eutettica.Rapporto tra i solidi e :

18.3% Sn

97.8% Sn

%721003.188.97

408.97%

%281003.188.97

3.1840%

=

=

=

=

W

W


Del solido calcoliamo la frazione in peso di primario (solidificatosi prima che il liquidoraggiungesse la composizione eutettica) e l eutettico, applicando la regola della leva:


%501003.187.61

407.61% :primario '

=

= W

%501003.187.61

3.1840% :eutettico =

= W

18.3% Sn

La microstruttura finale sar la seguente:

primario

Eutettico

EutetticoStruttura eutettica

%501003.187.61

% :eutettico =

= W


T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

Curva di raffreddamento

L

L+


Tempo

, +


La parte in alto asinistra del

ESEMPIO 3: SISTEMI CON PERITETTICODIAGRAMMA Fe-Ni LEGA PERITETTICA

diagramma (zonaricca di ferro) deltutto simile a quellache troviamo neldiagramma di faseFe-C


Raffreddiamo una lega al 4.5% in pesodi Nickel a partire da 1600C (punto a).Punto a : Campo di esistenza della sola fase liquida, V =2.Punto b : Inizio del campo di esistenzaallequilibrio della fase solida con la faseliquida, V =1 (linea del liquidus).

Ferro : forma allotropica del ferro (reticoloCCC)


A 1512C + T con T che tende a 0possiamo calcolare, come nel casodelleutettico, la percentuale di liquido esolido allequilibrio con la regola dellaleva:

%7.601004.32.65.42.6%

%3.391004.32.64.35.4%

=

=

=

=

W

WL


La trasformazione peritettica, cos comequella eutettica, pu essererappresentata come:


)%5.4()%4.3()%2.6( NiNiNiL +

A 1512C - T con T che tende a 0 latrasformazione peritettica completa,tutto il solido (soluzione solida dinickel in un reticolo di ferro CFC).A circa 760C il ferro si trasforma daFe- a Fe- (reticolo CCC); siamo in uncampo bifasico in cui coesistono i solidi e , di cui possibile calcolarecomposizione e rapporto in pesopercentuale con la regola della leva.


T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a


Tempo

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a


A 1100C siamo in uncampo di equilibriomonofasico, dove presente solo la faseliquida.A 900C il solido (Al2Ca) in equilibrio con il liquido

ESEMPIO 4: FUSIONE INCONGRUENTELEGA AL 35% DI Ca

in equilibrio con il liquidocontente il 22% in peso diCa. Applicando la regoladella leva stabiliamo lequantit percentuali disolido e liquido:

%6510022422235%

%3510022423542%

2=

=

=

=

CaAl

L

W

W


A 699C+T con T chetende a 0 siamo incondizioni dimonovarianza; applicandola regola della levapossiamo conoscere i


possiamo conoscere irapporti percentuali inpeso di solido e liquido:

%7510015421535%

%2510015423542%

2=

=

=

=

CaAl

L

W

W


A 699C-T con T chetende a 0, oltre al solidoAl2Ca troviamo un nuovocomposto di formula brutaAl4Ca; durante larrestotermico a 699C quelloche accaduto che il


che accaduto che illiquido, in equilibrio con ilsolido Al2Ca, ha formatoun nuovo solido, Al4Ca.Questa trasformazione sipu rappresentare nelmodo seguente:

)%27()%42()%15( 42 CaCaAlCaCaAlCaL +


Il solido Al4Ca viene detto afusione incongruente; lafusione viene dettaincongruente perch avvienecon decomposizione dellaspecie che arriva al punto di


specie che arriva al punto difusione. Tutto questo risultapi chiaro se si consideraper esempio una certamassa di Al4Ca solido cheviene portata allatemperatura di 699 C.


Arrivati a questo punto,invece che il consuetopassaggio dallo stato solidoa quello liquido di uncomponente puro, si formauna fase liquida concomposizione 15 % in peso


composizione 15 % in pesodi Ca e 85 % in peso di Alma anche una secondafase solida costituita daAl2Ca puro. Quindi si vedebene come la "fusione" diAl4Ca sia in realt unadecomposizione.

La reazione di equilibrio altro non che una trasformazione peritettica

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