CAPITOLO 8 Diagrammi di stato 8-1 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi 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 8-3 Da W. G. Moffatt, et al., “The Structure and Properties of Materials,” vol I: “Structure,” Wiley, 1965, p.151

Regola delle Fasi di Gibbs P = numero di fasi che coesistono in un sistema C = numero di componenti F = gradi di libertà 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 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 Miscela di due sistemi Sistema a due componenti lega binaria Sistema isomorfo: due elementi completamente solubili uno nell’altro allo stato liquido e solido Esempio: soluzione Cu-Ni La composizione delle fasi liquida e solida ad ogni temperatura può essere determinata disegnando una linea di collegamento 8-5 Adattato da “Metals Handbook,” vol. 8, 8th ed., American society of Metals, 1973, p. 294.

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 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 8-8

Sistema Eutettico di Lega Binaria In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilità solida limitata Esempio : lega Pb-Sn La composizione eutettica si solidifica a temperatura minore di tutte le altre composizioni Questa più bassa temperatura è detta temperatura eutettica Figure 8.11 Temperature eutettica Liquido soluzione solida α + soluzione solida β Raffreddamento 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 a 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 a e Pb b 8-10 Da J. Nutting and R. G. Baker, “Microstructure of Metals,” Institute of Metals, London, 1965,p.19.

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 8-11 Da W. C. Winegard, “An Introduction to the Solidification of Metals,” Institute of Metals, London, 1964.

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 Figure 8.16 raffreddamento Liquido(5.4 Ni in peso) + δ (4.0 Ni in peso) γ 4.3 Ni in peso 8-12

Sistema di Lega Peritettica A 42.4 % Ag e a 1400°C Fasi presenti Liquido Alfa Composizione 55% Ag 7%Ag Quantità 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 + ΔT Fasi presenti Liquido Alfa Composizione 66.3% Ag 10.5%Ag Quantità 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 b crea una barriera di diffusione formando un nucleo di fase alfa 8-14 Da F Rhines, “ Phase Diagrams in Metallurgy,”McGraw- Hill, 1956, p. 86.

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 Table 8.1 Eutettica Eutettoide Peritettica Peritettoidica Monotettica 8-15 Metals Handbook,” vol. 8: “Metallography Structures and Phase Diagrams,” 8th ed., American Society of Metals, 1973, p. 296.

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 8-16 “Metals Handbook,” vol. 8: “Metallography Structures and Phase Diagrams,” 8th ed., American Society of Metals, 1973, p. 301

Fasi Intermedie nei Ceramici Nel sistema Al2O2 – SiO2, si forma una fase intermedia detta mullite, che comprende il composto 3Al2O3·2SiO2 8-17 Da A. G. Guy, “Essentials of Materials Science, “McGraw-Hill, 1976

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

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 reazione isoterma 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 8-20 Da “Metals Handbook,” vol. 8: American Society of Metals, 1973, p. 425.