TEORIJA LEGURA

Čisti metali nemaju zadovoljavajući kompleks mehaničkih i tehnoloških osobina, pa se stoga retko primenjuju za izradu konstrukcija, mašinskih elemenata, alata. Za ove svrhe najčešće se primenjuju legure.

Metalne legure predstavljaju materijale koji se sastoje iz dva ili više elemenata, metala ili kombi-nacije metala i metaloida čije su mehaničke osobine bolje od mehaničkih osobina pojedinačnih elemenata. Hemijski elementi koji ulaze u sastav legure se nazivaju komponentama, tako da legure mogu da budu dvokomponentne, trokomponentne i višekomponentne. Element koji je procentualno najviše zastupljen, a to je uvek metal, se naziva osnovna komponentna ili osnovni metal. Svi ostali hemijski elementi – komponente, su procentualno manje ili mnogo manje zastupljeni i jednim imenom se nazivaju legirajući elementi. Legure se obično dobijaju postupkom livenja mada se koriste i drugi postupci kao što su sinterovanje i elektroliza.

U većini slučajeva, atomi hemijskih elemenata koji ulaze u sastav neke legure se u tečnom stanju mešaju, međusobno su rastvorljivi bez razdvajanja (raslojavanja), obrazujući tečni rastvor koji se naziva rastop. Procesom kristalizacije legura prelazi iz tečnog u čvrsto stanje, pri čemu se taj proces odvija na stvarnoj temperaturi kristalizacije. U čvrstom stanju, atomi hemijskih elemenata mogu međusobno da reaguju obrazujući čvrste rastvore, hemijska jedinjenja i mehaničke smeše, sl. 4.7.

c) a) b)

Slika 4.7. a) čvrsti rastvori; b) hemijska jedinjenja; c) mehaničke smeše

Čvrstim rastvorom dva (ili više) elementa naziva se homogeno čvrsto telo koje ima određen tip kristalne rešetke, sl. 4.7a. Mikrostruktura čvrstog rastvora je polikristalna, po izgledu je veoma slična mikrostrukturi osnovnog metala, a kristaliti su homogeni. Čvrsti rastvor ima istu kristalnu rešetku kao osnovni metal, a atomi legirajućih elemenata se rastvaraju (smeštaju, zauzimaju određene položaje) u njoj. Rastvaranje može da bude dvojako, ili da atomi legirajućeg (legirajućih) elementa zauzimaju regularna mesta atoma osnovnog metala u kristalnoj rešetki ili da se smeštaju između atoma osnovnog metala, u prazne međuprostore (rupe), koji postoje u kristalnoj rešetki. U zavisnosti od toga kako nastaju, čvrsti rastvori se dele na čvrste rastvore tipa zamene (supstitucijske čvrste rastvore) i čvrste rastvore tipa popune (intersticijske čvrste rastvore), sl. 4.8.

a) b)

Slika 4.8. Čvrsti rastvori: a) supstitucijski; b) intersticijski

Čvrsti rastvori sa zamenjenim atomima. Čvrsti rastvori sa zamenjenim atomima obično se stvaraju između dve vrste atoma istih veličina. Pri obrazovanju čvrstih rastvora sa zamenjenim atomima, atomi rastvorenog elementa zamenjuju deo atoma rastvarača na čvorovima njegove kristalne rešetke. Atomi rastvorenog elementa mogu zameniti bilo koji atom rastvarača, ali se uzajamni raspored svih atoma, po pravilu, pojavljuje. Čvrsti rastvori sa zamenom atoma sa

1

neograničenom rastvorljivošću jednog elementa u drugom mogu se formirati, ali je neophodno da se zadovolje Hjum-Roderijeva (Hume-Rothery) pravila čvrstih rastvora. Dva atoma moraju da zado-volje sledeće:

kristalne rešetke oba elementa moraju biti jednake, razlika u poluprečnicima ∆R njihovih atoma mora biti manja od 15%, razlika u elektronegativnosti ne sme biti značajna, elementi bi trebalo da imaju istu valentnost.

Ako ovi uslovi nisu ispunjeni obrazovanje čvrstog rastvora zamenom atoma neće biti potpuno, a količina obrazovanog čvrstog rastvora biće ograničena.

Ako postoji razlika u prečnicima atoma dva elementa koji formiraju čvrsti rastvor zamenom doći će do iskrivljenosti kristalne rešetke (skupljanje ili proširivanje) u okolini zamenjenog atoma. U svakom slučaju, u kristalnoj rešetki se pojavljuju naponi. Ovi naponi rastu sa porastom koncen-tracije rastvorenog elementa i dostižu neku kritičnu vrednost, što dovodi do ograničenog stvaranja čvrstog rastvora. Ako je razlika u prečnicima atoma manja od 15%, "faktor veličine" je pogodan za obrazovanje čvrstih rastvora. Na primer, neograničenu rastvorljivost u čvrstom stanju imaju metali sa KPC rešetkom u sistemu: Ag–Au (∆R = 0,2%); Ni–Cu (∆R = 3%); Mo–W (∆R = 9,9%); V–Ti (∆R = 2%). Metali kao što su Na, Pb, K, Ca imaju veći prečnik atoma od γ–Fe, Cu, Ag, i ne mogu se rastvarati.

Čvrsti rastvori sa umetnutim atomima. Pri obrazovanju čvrstih rastvora sa umetnutim atomima, atomi rastvorene komponente raspoređuju se između čvorova u prazan prostor kristalne rešetke rastvarača dok atomi osnovnog elementa ostaju u čvorovima rešetke. Pri tome atomi se raspoređuju, ne u bilo koji prostor između čvorova rešetke, nego u praznine gde za njih ima najviše slobodnog prostora. Kao primer uzmimo kubnu površinski centriranu rešetku kod koje je najpogod-nija oktaedarska šupljina koja se nalazi u centru elementarne kristalne rešetke.

Čvrsti rastvori sa umetnutim atomima mogu se stvarati samo u slučajevima kada je poluprečnik atoma elementa rastvarača mnogo veći od poluprečnika atoma rastvorenog elementa. Kao primer uzmimo atome ugljenika (0,075 nm), azota (0,071 nm), i vodonika (0,046 nm) koji imaju mali poluprečnik i koji se mogu rastvarati u rešetki metala (gvožđu, molibdenu, hromu) i ostvariti čvrsti rastvor sa umetnutim atomima. Čvrsti rastvori sa umetnutim atomima mogu se obrazovati samo sa ograničenom rastvorljivošću, jer se atomi rastvorenog elementa ugrađuju u međuprostore rešetke elementa rastvarača.

Potrebni uslovi za obrazovanje čvrstih rastvora sa umetnutim atomima su: atomi rastvorenog elementa moraju imati više od jedne valence, poluprečnik atoma rastvorenog elementa mora biti manji od 59% od atoma elementa rastvarača.

Ako ovi uslovi nisu zadovoljeni, neće uopšte doći do obrazovanja čvrstog rastvora sa umetnutim atomima, ili će biti ograničeno.

Važan primer čvrstog rastvora sa umetnutim atomima pojavljuje se kod čelika i livenih gvožđa. Na temperaturi većoj od 912°C γ–gvožđe ima KPC rešetku koja ima relativno veliki prazan prostor – „šupljinu“ u centru rešetke. Kako atom ugljenika ima veoma mali poluprečnik (0,075 nm), on je sposoban da prodre u taj prazan prostor (0,053 nm) i na taj način obrazuje čvrsti rastvor gvožđa i ugljenika. Na slici je prikazana šematski deformacija rešetke γ–gvožđa u okolini umetnutog atoma ugljenika. Na nižim temperaturama gvožđe menja rešetku u KZC, kod koje je prostor između atoma gvožđa mnogo manji (0,036 nm), pa je rastvorljivost ugljenika veoma ograničena. Razlika između poluprečnika atoma ugljenika (0,075 nm) i poluprečnika atoma γ–gvožđa (0,129 nm) je 42%. Ipak i pored ove razlike, u rešetki γ–gvožđa maksimalno se rastvori 2,11%C na temperaturi 1148°C, a u rešetki α–gvožđa rastvoreno je samo 0,025%C na temperaturi od 727°C.

Rastvorljivost u čvrstom stanju (u čitavom temperaturskom intervalu stabilnosti čvrstog stanja, mada se uobičajeno posmatra od temperature kristalizacije do sobne temperature) može da bude neograničena, ograničena, i da u potpunosti odsustvuje. Neograničena rastvorljivost u čvrstom stanju znači da se atomi komponenata mešaju na svim temperaturama, od temperature kristalizacije do sobne temperature, u bilo kom količinskom odnosu. Jedan od uslova koji mora da bude ispunjen da bi se javila neograničena rastvorljivost u čvrstom stanju je da se veličina atoma osnovnog i

2

legirajaćeg elementa razlikuje najviše do 8%. Ako čvrsti rastvor može da se dobije samo pri određenom količinskom odnosu, onda je rastvorljivost elemenata ograničena, a čvrsti rastvor koji nastaje je sa ograničenom rastvorljivošću. Razlika u veličini atoma osnovnog i legirajućeg elementa u slučaju ograničene rastvorljivosti je 8–15%. Stepen rastvorljivosti u slučaju obrazovanja čvrstog rastvora sa ograničenom rastvorljivošću raste sa porastom temperature, jer se povećava rastojanje između atoma. Ukoliko je razlika između atoma osnovnog i legirajućeg elementa veća od 15%, legirajući elementi više ne mogu da se rastvaraju u kristalnoj rešetki osnovnog metala na bilo kojoj temperaturi čvrstog stanja. Pošto rastvorljivost potpuno odsustvuje u takvim uslovima ne može ni da dođe do obrazovanja čvrstih rastvora. Usvojeno je da se čvrsti rastvori označavaju slovima grčkog alfabeta, npr. α, β, γ, δ. Kriva hlađenja čvrstog rastvora je specifična i razlikuje se od krive hlađenja čistog metala zato što se proces kristalizacije odvija i u temperaturskom i u vremenskom intervalu.

Hemijska jedinjenja. Specifičan karakter metalne veze u legurama dovodi do obrazovanja posebnog oblika hemijskih jedinjenja. Komponente koje učestvuju u obrazovanju hemijskog jedi-njenja mogu da budu sve iz grupe metala ili kombinovano metali i metaloidi, ili metali i nemetali. Za razliku od uobičajenih hemijskih jedinjenja koja nastaju hemijskom reakcijom elemenata koji su u tačnom stehiometrijskom odnosu, metalna hemijska jedinjenja mogu da nastanu i kada taj odnos nije zadovoljen, pri promenljivom sastavu, ali obavezno uz obrazovanje kristalne rešetke, sl. 4.7b, koja se najčešće razlikuje od kristalne rešetke pojedinačnih elemenata. Takođe, osobine nastalog jedinjenja se potpuno razlikuju od osobina pojedinačnih komponenata. Kriva hlađenja većine hemijskih jedinjenja je po obliku ista kao i kriva hlađenja čistih metala, što znači da se kristalizacija odvija na konstantnoj temperaturi, tkr, i u određenom vremenskom intervalu. Neka hemijska jedinjenja su nestabilna na povišenim temperaturama tako da, pre nego što pređu u tečno stanje, dolazi do njihovog razlaganja. U ovakvim slučajevima ne može tačno da se odredi temperatura kristalizacije/topljenja.

Mehaničke smeše. Ako se elementi koji ulaze u sastav legure ne rastvaraju u čvrstom stanju, što znači da ne obrazuju čvrst rastvor, i ne stupaju u hemijsku reakciju praćenu obrazovanjem jedinje-nja, onda oni obrazuju mehaničku smešu. Atomi svakog elementa pojedinačno kristališu obrazujući sopstvene kristalne rešetke, sl. 4.7c. Pri obrazovanju mehaničke smeše, kada svaki element krista-liše samostalno, osobine nastale legure predstavljaju kombinaciju osobina pojedinačnih elemenata. Mehaničke smeše mogu da se obrazuju ne samo u kombinaciji dva čista elementa, već i između dva čvrsta rastvora sa ograničenom rastvorljivošću u čvrstom stanju ili između čvrstog rastvora sa ograničenom rastvorljivošću i hemijskog jedinjenja. Mehanička smeša je poznata i pod imenom eutektik. Prisustvo eutektika u sistemu se obično označava slovom E, a u zagradama iza slova E mogu da se upišu faze od kojih je eutektik sastavljen. Kriva hlađenja mehaničke smeše je po obliku ista kao i kriva hlađenja čistog metala.

Pri izučavanju procesa koji se javljaju u metalima i legurama pri preobražaju (transformaciji), kao i pri opisivanju njihove strukture koriste se sledeći pojmovi:

Sistem, pod kojim se podrazumeva sveukupnost faza koje se nalaze u ravnoteži pri određenim spoljašnjim uslovima (temperaturom i pritiskom). Sistem može da bude prost ako se sastoji iz jedne komponente i složen ako ga čini nekoliko komponenata.

Faza, pod kojom se podrazumeva deo sistema, homogen po hemijskom sastavu, osobinama i kristalnoj strukturi, koji je odvojen od ostalih delova sistema graničnom površinom. Faze mogu da budu metali i nemetali, tečni i čvrsti rastvori, hemijska jedinjenja. Jednofazni sistem je npr., homogeni rastop, dvofazni – mehanička smeša dve vrste kristala.

Komponenta, pod kojom se podrazumevaju materijali koji učestvuju u obrazovanju sistema. Komponente mogu da budu elementi ili stabilna hemijska jedinjenja.

3

4.4. DIJAGRAMI STANJA DVOKOMPONENTNIH LEGURA

Dijagrami stanja predstavljaju grafički prikaz faznog stanja legure u zavisnosti od temperature i sastava u ravnotežnim uslovima. Da bi se konstruisao dvokomponentni dijagram stanja neophodno je prethodno odrediti krive hlađenja čitavog niza legura koje sadrže različit procentualni udeo legirajuće komponente, kao i krive hlađenja čistih metala, odnosno hemijskih elemenata koji ulaze u sastav legure.

Dijagrami stanja omogućavaju da se za konkretnu leguru odrede preobražaji pri zagrevanju i hlađenju; da se odredi temperatura početka i završetka topljenja (interval kristalizacije) legure; da se utvrdi da li je legura homogena; da li je sklona poroznosti; što su sve podaci od interesa npr. za livarstvo. Strukturni preobražaji u čvrstom stanju, njihov karakter i strukture koje se dobijaju, kao i temperaturni intervali u kojima započinju i završavaju, su neophodni podaci i korisna saznanja pri određivanju parametara procesa termičke i termomehaničke obrade, zavarivanja, plastične deforma-cije na hladno i izbora legure.

U zavisnosti od razlike u veličini atoma komponenata A i B koje čine leguru, odnosno reakcije koje mogu da nastanu između komponenata u čvrstom stanju razlikuju se tri osnovna tipa dijagrama stanja:

sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju, sa potpunom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanji, sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju.

4.4.1. Dijagram stanja legura sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju

Kao primer komponenata koje se uopšte ne rastvaraju u čvrstom stanju (razlika u veličini atoma je veća od 15%) mogu da se navedu olovo (Pb) i antimon (Sb). Na sl. 4.9 su prikazane krive hlađenja čistog olova, čistog antimona i tri legure sa različitim sadržajem komponenata. Krive hlađenja koje odgovaraju čistom olovu, čistom antimonu i leguri koja sadrži 87% Pb i 13% Sb, sl. 4.9a,c,e su istog oblika, jer se odlikuju samo jednom kritičnom tačkom kojoj odgovara horizon-talni zastoj. Horizontalni zastoj za čiste metale je na 327°C za olovo, odnosno 631°C za antimon što odgovara njihovim temperaturama kristalizacije. Za leguru koja sadrži 87% Pb i 13% Sb horizon-talni zastoj koji odgovara temperaturi 246°C, što predstavlja temperaturu kristalizacije mehaničke smeše olova i antimona. Temperatura na kojoj se obrazuje mehanička smeša ili eutektik se naziva eutektička temperatura, a sastav legure – eutektički sastav.

a) b) c) d) e)

Slika 4.9. Krive hlađenja sistema olovo–kalaj

Za druge dve legure sistema olovo–kalaj, sl. 4.9b,d, uočavaju se dve kritične tačke, označene sa 1 i 2, koje ukazuju na to da legure ne kristališu na konstantnoj temperaturi, već u temperaturnom intervalu. Kod ovih legura je temperatura kristalizacije niža nego kod čistih metala (sl. 4.9b – tačka

4

1 je niža od temperature kristalizacije Pb; sl. 4.9d – tačka 1 je niža od temperature kristalizacije Sb), a konačna temperatura kristalizacije ne zavisi od polaznog sastava legure. Za bilo koju leguru iz sistema Pb–Sb, nezavisno od procentualnog udela olova, odnosno antimona, konačna temperatura kristalizacije je uvek ista i odgovara eutektičkoj temperaturi (za dati sistem TE = 246°C).

Na krivoj hlađenja legure, tačka 1 uvek odgovara početku kristalizacije legure (ili ako je obrnut proces – završetku topljenja) i naziva se likvidus temperatura; tačka 2 uvek odgovara završetku procesa kristalizacije (ili ako je obrnut proces – početku topljenja) i naziva se solidus temperatura.

Karakteristika ovog tipa dijagrama stanja je da legure bilo kog sastava mogu završno da krista-lišu samo u slučaju da sve te legure imaju eutektički sastav (87% Pb i 13% Sb). Tako npr., legura B koja sadrži 95% Pb i 5% Sb ima veći sadržaj olova, a manji sadržaj antimona u poređenju sa sastavom eutektičke legure. Kristalizacija ove legure započinje izdvajanjem kristalnih zrna čistog olova tako da se u preostalom rastopu, kako napreduje proces kristalizacije, sve više smanjuje količina olova, ali se istovremeno povećava količina antimona. Taj proces se odvija sve do trenutka dok se u preostalom rastopu ne postigne eutektički sastav koji kristališe na eutektičkoj temperaturi (246°C) uz obrazovanje eutektika. Po završetku procesa kristalizacije dobija se struktura koja se sastoji od kristalnih zrna čistog olova i eutektika (mehanička smeša kristala Pb i Sb).

Kod legure D (60% Pb i 40% Sb), nasuprot leguri B, postoji višak antimona, odnosno manjak olova u odnosu na eutektički sastav. Zato se u temperaturnom intervalu između tačaka 1 i 2 pri kristalizaciji prvo izdvajaju kristalna zrna čistog antimona sve dok se u preostalom rastopu ne postigne eutektički sadržaj od 87% Pb i 13% Sb koji dalje kristališe na eutektičkoj temperaturi od 246°C uz obrazovanje eutektika. Strukturu legure D, po završetku procesa kristalizacije, čine kristalna zrna čistog antimona i eutektik (mehanička smeša kristala olova i antimona).

Ako se sa svih krivih hlađenja kritične temperature, koje odgovaraju tačkama 1 (za sve legure različitog sastava su različite) i 2 (za sve legure različitog sastava su iste), prenesu na mrežu sa koordinatama temperatura (ordinata) – koncentracija (apscisa), i te tačke međusobno spoje, dobiće se dijagram stanja legura Pb–Sb, sl. 4.9. Na tom dijagramu linija AEB (nastala spajanjem svih tačaka sa oznakom 1) koja odgovara početku kristalizacije legura se naziva likvidus linija. Iznad te linije sve legure se nalaze u tečnom stanju, pa se ta oblast jednoznačno predstavlja kao rastop. Linija CED, koja je nastala spajanjem tačaka 2, označava da je kod svih legura proces kristalizacije završen i naziva se solidus linija. Treba zapaziti da, kod dijagrama stanja komponenata koje se ne rastvaraju u čvrstom stanju, solidus linija predstavlja istovremeno i eutektičku temperaturu. Ispod solidus linije sve legure se nalaze u čvrstom stanju, a između solidus i likvidus linija u ravnoteži se nalaze tečna i čvrsta faza – što je temperatura bliža likvidus liniji ima više rastopa i obrnuto, što je temperatura bliža solidus liniji, ima više kristala čvrste faze nego rastopa.

Kod dvokomponentnih eutektičkih sistema, kao što je sistem olovo-kalaj, olovo-antimon postoji određen sastav legure poznat pod nazivom eutektički sastav. Ovaj sastav očvršćava na najnižoj temperaturi u odnosu na druge sastave posmatrane legure. Najniža temperatura na kojoj je legura eutektičkog sastava još potpuno u tečnoj fazi u uslovima laganog hlađenja, naziva se eutektička temperatura. Eutektička temperatura i eutektički sastav određuju u dijagramu stanja tačku koju nazivamo eutektičkom tačkom.

Pri laganom hlađenju legure eutektičkog sastava i na eutektičkoj temperaturi tečna faza se transformiše jednovremeno u dve čvrste faze: α–čvrsti rastvor i β–čvrsti rastvor.

Ova fazna transformacija naziva se eutektičkom reakcijom i predstavlja se jednačinom: eutektička temperatura

hlađenjeTečna faza -čvrsti rastvor + -čvrsti rastvorα β⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

Prema dijagramu stanja Pb–Sb, po liniji AC se iz rastopa izdvajaju kristali olova, a po liniji CB

kristali antimona. Između linija AC i DC, uporedo sa rastopom postoje i kristali olova, a između linija CB i CE – rastop i kristali antimona. Solidus linija DCE je takođe i linija obrazovanja eutek-tika kojeg čine kristali olova i antimona. Legura koja sadrži 13% Sb (što odgovara tački C) posle očvršćavanja se sastoji samo iz jedne faze – eutektika. Legure koje se po sadržaju antimona nalaze levo od tačke C se nazivaju podeutektičke, a one koje se nalaze desno – nadeutektičke.

5

Na osnovu dijagrama stanja može da se odredi, ne samo broj i vrsta faza koje se izdvajaju, već i njihov sastav i količinski udeo. Npr., da bi se odredio količinski udeo faza u leguri I–I (80%Sb i 20% Pb) na temperaturi 280°C, sl. 4.10, na dijagramu stanja je u prvom koraku neophodno povući liniju KM. Projekcija tačke K sa likvidus linije na koncentracijsku osu (x–osa) pokazuje sadržaj tečne faze: 20% Sb i 80% Pb, a projekcija tačke M – sadržaj čvrste faze: 100% Sb. Odnos tečne i čvrste faze se određuje po pravilu odsečaka (pravilo poluge), prema kome je taj odnos jednak broju koji se dobija kada se dužina odsečka koja se nalazi na strani „one druge“ faze podeli sa ukupnom dužinom odsečka KM.

Slika 4.10. Dijagram stanja olovo–antimon – pravilo poluge

Neka je količina kristala čvrste faze antimona označena sa Qč.f., a količina tečne faze sa Qt.f. Linija legure I–I deli horizontalnu liniju KM dužine 80 jedinica (od 20 do 100) na odsečak KL duži-ne 60 jedinica (od 20 do 80) i odsečak LM dužine 20 jedinica (od 80 do 100). Po pravilu poluge sledi:

Qč.f = (KL/KM)⋅100 = (60/80)⋅100 = 75%

Qt.f. = (LM/KM)⋅100 = (20/80)⋅100 = 25% odnosno, legura će na 280°C da se sastoji od 75% kristala antimona i 25% tečne faze. Pravilo poluge se na opisani način može primeniti kod bilo kog tipa dijagrama stanja i za bilo koju leguru.

4.4.2. Dijagram stanja legura sa neograničenom rastvorljivošću komponenti u čvrstom stanju

Neograničenu rastvorljivost u čvrstom stanju (razlika u veličini atoma je manja od 8%) poseduju mnoge dvojne legure kao npr. Fe–Cr, Fe–V, Cu–Ni, Cu–Au, Au–Ag. Na opštem tipu dijagrama stanja, sl. 4.11, gornja linija je likvidus linija, a donja – solidus linija. Iznad likvidus linije sve legure se nalaze u tečnom stanju – područje rastopa, a ispod solidus linije sve legure su u čvrstom stanju – područje niza α–čvrstih rastvora. Između likvidus i solidus linija se odvija proces kristali-zacije legura koje se sastoje iz tečne i čvrste faze.

Ako se posmatra proces kristalizacije neke legure prema tom dijagramu stanja pri veoma sporom hlađenju, tj. u ravnotežnim uslovima. Neka to bude legura I–I koja se sastoji od 50% komponente A i 50% komponente B, sl. 4.11. Pri temperaturi tkr započinje proces kristalizacije i obrazuju se prvi kristali čvrste faze.

6

tkr

N

Slika 4.11. Dijagram stanja sa potpuno

Pošto se komponente A i B neogranto mogu da postoje samo dve faze – rakoji se nalazi u ravnoteži sa tečnom faodređen projekcijom tačke M na koncesastav koji odgovara tački M. Pri daljeteži sa rastopom se nalaze samo kristali

Razmotrimo na koji način se pretransformišu u kristalite sastava koji odB nego u kristalitima sastava L, što zntom A. To se i dešava, a sam proces setemperaturi. Pri dovoljno dugom vremetavlja se ravnoteža kristala sastava kojkomponente B je više nego u leguri, štB. Na posmatranoj temperaturi sastav tkoncentracijsku osu.

Pri daljem hlađenju, kada legura dosastoji iz kristala čvrstog rastvora sastara tački P.

Na taj način, sa sniženjem temperviše približava polaznom. Na temperahomogenih kristala α–čvrstog rastvoveoma sporog hlađenja, jer je samo tsastava u svim nastalim kristalnim zrnrealni uslovi hlađenja) sastav kristala nkristalizacije veća od brzine difuzije at

Nehomogenost hemijskog sastava cija, a kada je takva nehomogenost pnehomogenost u hemijskom sastavu nse odstrani dugotrajnim zagrevanjem lono žarenje. Tokom difuzionog žarenvećom koncentracijom u oblasti sa mhemijskog sastava. Nehomogenost pomože odstraniti.

Dijagram stanja sistema Cu–Ni, slsa neograničenom rastvorljivošću u ččista metala, bakra i nikla (učešće kom

I

I

M

L K

m rastvorljiv

ičeno rastvastop (R) i čvzom se očitantracijsku osm hlađenju, čiji sastav othodno obragovara tačkiači da kristal odvija na ranu držanja ii odgovara tao znači da jeečne faze se

stigne tempva koji odgo

ature raste uturi ts dolazi ra polaznogada moguće ima. Kada sije homogen

oma. unutar poligovezana sa kaziva dendregure na visja se intenzanjom konc zapremini c

. 4.12, je po vrstom stanjponenata –

7

P

ošću u čvrstom stanju

raju jedna u drugoj i u tečnom i u čvrstom stanju, rsti rastvor (α). Sastav čvrste faze (sastav kristala va na solidus liniji) na posmatranoj temperaturi je u. To znači da prvi kristali koji se obrazuju imaju kada legura dostigne npr. temperaturu t1, u ravno-dgovara tački L na solidus liniji. zovani kristaliti sastava koji odgovara tački M L. U kristalitima sastava M ima više komponente iti komponente B treba da se obogate komponen-čun difuzije atoma komponente A na posmatranoj li veoma sporom hlađenju na temperaturi t1 uspos-čki L i rastopa. Međutim, u kristalima sastava L preostala tečna faza osiromašena na komponenti određuje projekcijom tačke N sa likvidus linije na

eraturu t2 i kada se uspostavi ravnoteža, legura se vara tački K i dela tečne faze čiji sastav odgova-

deo kristala α–čvrstog rastvora čiji se sastav sve do potpune kristalizacije legure koja se sastoji iz sastava. Opisani proces se odvija u uslovima da dođe do potpunog izjednačavanja hemijskog e hlađenje odvija većom brzinom (najčešće su to , a uzrok ove pojave leži u činjenici da je brzina

onalnih kristalnih zrna se naziva kristalna likva-ristalnim zrnima oblika dendrita, onda se takva

itna likvacija. Dendritna likvacija inače može da okim temperaturama, koje je poznato kao difuzi-ivira premeštanje (difuzija) atoma iz oblasti sa entracijom, usled čega dolazi do izjednačavanja elog komada, zonalna likvacija, se praktično ne

obliku isti kao i opšti tip dijagrama stanja legura u. Konstruisan je na osnovu krivih hlađenja dva 100%) i niza krivih hlađenja legura sa različitom

količinom bakra i nikla. Spajanjem tačaka sa krivih hlađenja koje odgovaraju početku kristalizacije oba metala (za Cu–1083°C, a za Ni–1452°C) i svih legura je dobijena likvidus linija. Na isti način, spajanjem tačaka sa krivih hlađenja koje odgovaraju završetku kristalizacije oba metala i svih legura, dobijena je solidus linija. Treba uočiti da temperature početka i završetka kristalizacije rastu sa porastom sadržaja nikla u leguri. Iznad likvidus linije je ceo sistem u rastopljenom stanju (R), a ispod solidus linije u čvrstom stanju, gde postoji neprekidan niz α čvrstih rastvora. Između likvidus i solidus linija se istovremeno nalaze i tečna i čvrsta faza (R + α), s tim što je količina čvrste faze veća što je temperatura bliža odgovarajućoj solidus temperaturi.

Slika 4.12. Dijagram stanja legura Cu–Ni

4.4.3. Dijagram stanja legura sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju

Dijagram stanja sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju je karakterističan za brojne sisteme u koje spadaju npr. Cu–Al, Cu–Zn, Al–Mg, itd, a opšti tip tog dijagrama stanja je prikazan na sl. 4.13.

Slika 4.13. Opšti tip dijagrama stanja sa delimičnom rastvorljivošću u čvrstom stanju

Razlika u veličini atoma hemijskih elemenata koji obrazuju ovakav tip dijagrama stanja je između 8 i 15%, što znači da legirajući element do tačno određenog sadržaja može da se rastvori u

8

rešetki osnovnog metala, čime nastaje čvrst rastvor. Kada je legirajući element sadržan u leguri preko određene količine, on više ne može uopšte da se rastvara. Stoga, ovaj tip dijagrama stanja, radi jednostavnosti, može da se prikaže kao da je dobijen kombinacijom dijagrama stanja legura koje se uopšte ne rastvaraju u čvrstom stanju (tip I) i dijagrama stanja legura sa potpunom rastvorlji-vošću u čvrstom stanju (tip II), sl. 4.14.

Slika 4.14. Pojednostavljen prikaz dijagrama stanja legura sa sl. 4.13

Na sl. 4.14 je prikazan dijagram stanja legura za slučaj kada obe komponente mogu da obrazuju čvrste rastvore do određenog sadržaja legirajuće komponente. Prema prikazanoj slici, metal A može da rastvori do 40% metala B, a metal B rastvara do 20% metala A. Stoga će sa obe strane dijagrama stanja da postoji oblast čvrstog rastvora, α–na strani metala A i β–na strani metala B. Ove dve oblasti izgledaju kao delovi dijagrama stanja legura sa potpunom rastvorljivošću (tip II). Rastvorlji-vost je ograničena (do 40% B, odnosno 20% A), a linija koja pokazuje to ograničenje se naziva linija rastvorljivosti ili solvus linija. Između linija zasićenja, sadržaji komponenata A i B su takvi da se one više ne rastvaraju jedna u drugoj, a kristalizacija legura se odvija prema dijagramu stanja legura tipa I. Ova oblast dijagrama stanja je po obliku ista kao i dijagram stanja legura Pb–Sb, s tom razlikom što pojedinačne faze i faze koje obrazuju mehaničku smešu više nisu čisti metali, već čvrsti rastvori α i β.

Kristalizacija legura sa sadržajem komponente B do 40% se odvija tako što ispod likvidus linije počinje izdvajanje prvih kristala α čvrstog rastvora iz rastopa i taj proces traje sve dok rastop u potpunosti ne pređe u čvrsto stanje. Kraj procesa kristalizacije je označen odgovarajućim delom solidus linije. Ispod solidus linije sve te legure u čvrstom stanju su u obliku α čvrstog rastvora. Isti tip kristalizacije se odvija i na strani komponente B samo uz obrazovanje β čvrstog rastvora sa graničnim sadržajem legirajuće komponente A do 20%.

Legure sa sadržajem komponente B od tačke C do tačke E (podeutektičke legure) kristališu tako što se ispod likvidus linije pa do solidus linije CED izdvajaju iz rastopa kristali α čvrstog rastvora. Sa sniženjem temperature do solidus linije, koja je u ovom delu i eutektička linija (tip dijagrama stanja I), preostali rastop poprima eutektički sadržaj pa se i završetak kristalizacije ovih legura odvija uz obrazovanje eutektika koji se sastoji od smeše kristala dva čvrsta rastvora. Ispod solidus (eutektičke) linije struktura podeutektičkih legura se sastoji od kristala α čvrstog rastvora i kristala eutektika. Legura sa eutektičkim sadržajem počinje da kristališe i završava taj proces na konstant-noj, eutektičkoj, temperaturi i sastoji se samo od mehaničke smeše dva čvrsta rastvora (α + β).

Nadeutektičke legure, legure sa sadržajem komponente B između tačaka E i D (komponenta B više nije legirajuća već osnovna komponenta), započinju kristalizaciju sa izdvajanjem β čvrstog rastvora. Na eutektičkoj liniji, preostali rastop očvršćava u vidu mehaničke smeše kristala α i β čvrstih rastvora. Ispod solidus linije, mikrostruktura svih legura sastoji se od β čvrstog rastvora i kristala mehaničke smeše dva čvrsta rastvora.

9

Ako se uporede dijagrami stanja na sl. 4.13 i 4.14, može da se uoči da solvus linije nemaju isti oblik. Solvus linija na sl. 4.13 pokazuje pad rastvorljivosti komponente B u kristalnoj rešetki osnovnog metala A, sa sniženjem temperature od eutektičke do sobne. Ovakvo ponašanje se češće javlja kod legura ovog tipa dijagrama stanja. Sa sniženjem temperature, usled smanjenja rastvorlji-vosti, onaj deo atoma komponente B koji „postaje višak“ mora da se izdvoji iz kristalne rešetke komponente A. Izdvajanje viška komponente B je praćeno pojavom sitnih čestica, koje su označene kao sekundarna faza ili talog čvrstog rastvora na bazi komponente B, ili hemijskog jedinjenja ako ga komponente A i B pri nekom sadržaju obrazuju. Proces izdvajanja sekundarne faze iz čvrstog rastvora se naziva sekundarna kristalizacija, za razliku od primarne kristalizacije, koja se odvija iz rastopa.

4.4.5. Veza između svojstava legura i tipa dijagrama stanja

Svojstva legura zavise od vrste reakcije koja se odvija između komponenata, odnosno od strukture koja se obrazuje. Drugim rečima, mora da postoji veza između svojstava legura i njihovih dijagrama stanja. Na sl. 4.15 je šematski prikazan opšti tok promene tvrdoće H, i specifične elek-trične otpornosti ρ, u zavisnosti od tipa dijagrama stanja. Na osnovu sl. 4.15 može da se zaključi da se u slučaju obrazovanja:

- mehaničke smeše, svojstva menjaju skoro pravolinijski, sl. 4.15a - čvrstih rastvora, svojstva menjaju parabolično, sl. 4.15b - hemijskih jedinjenja, svojstva menjaju skokovito, sl. 4.15c.

a) b) c)

Slika 4.15(a–c). Veza između svojstava legura i tipa dijagrama stanja

Na osnovu dijagrama stanja mogu da se predvide i tehnološka svojstva legura. Tako npr. veći temperaturni interval između likvidus i solidus linija znači da je legura više sklona likvaciji, veća je poroznost i sklonost ka pojavi prslina kod odlivaka. Najbolju livkost imaju eutektičke legure kao i najbolju obradljivost rezanjem. Jednofazne legure – čvrsti rastvori – imaju najbolju sposobnost deformisanjem u toplom i hladnom stanju. Legure koje se nalaze u oblasti solvus linije mogu jedine da se termički obrađuju u cilju poboljšanja mehaničkih osobina.

Na osnovu izloženog jasno je da dijagrami stanja omogućavaju da se na naučnoj osnovi pred-vide svojstva legura, izabere legura sa optimalnim osobinama za željenu namenu i da se primeni racionalna vrsta obrade.

10