Tecnologia Meccanica prof. Luigi Carrino. Diagrammi di stato

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1 Diagrammi di stato

2 Introduzione Fase: regione in un materiale che è diversa per struttura e funzione da altre regioni. Diagramma di stato: rappresenta le fasi presenti nel 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

3 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.151

4 SISTEMI A UN SOLO COMPONENTE (UNINARI) F +V = 3 a g b h c d a: solidificazione b: fusione c: liquefazione d: gassificazione e: condensazione f: sublimazione g: condensazione h: evaporazione e f Diagramma di stato di equilibrio pressione temperatura per l anidride carbonica

5 F+V = C+N Regola delle Fasi di Gibbs F = numero di fasi che coesistono in un sistema C = numero di componenti chimici presenti V = gradi di libertà N = variabili termodinamiche (di solito 2 P e T) (La maggior parte dei diagrammi di stato binari usati in scienza dei materiali è costituita da diagrammi temperatura-composizione nei quali la pressione è tenuta costante: la regola delle fasi diventa F+V=C+1). ESEMPIO: Per l acqua pura, al punto triplo, coesistono 3 fasi C è un componente (acqua) nel sistema, le variabili termodinamiche sono 2 (P e T), quindi: 3 + V = V = 0 I gradi di libertà indicano il numero di variabili che possono essere cambiate senza variare il numero delle fasi

6 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 Pure Metal Iron 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)

7 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 e si costruisce il diagramma di stato Maggiore è il numero delle curve di raffreddamento, più accurato è il diagramma di stato risultante I diagrammi sono determinati per raffreddamenti lenti, in condizioni di equilibrio a pressione atmosferica.

8 Sistema di Lega Binaria Isomorfa lega binaria Sistema a due componenti 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 Adattato da Metals Handbook, vol. 8, 8 th ed., American society of Metals, 1973, p. 294.

9 La Regola della Leva La regola della leva fornisce il peso % delle fasi nelle due regioni Frazione in peso della fase solida = X s = w 0 w l w w w s w l Frazione in peso della fase liquida = X 1 = w s w 0 w s w l

10 SISTEMI BINARI: COMPLETA SOLUBILITA

11 Solidificazione 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

12 Sistema Eutettico di Lega Binaria In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilità solida limitata Esempio : lega Pb-Sn Liquido Temperature eutettica Raffreddamento Trasformazione eutettica L α + β La composizione eutettica si solidifica a temperatura minore di tutte le altre composizioni Questa più bassa temperatura è detta temperatura eutettica soluzione solida α + soluzione solida β

13 Lento Raffreddamento della lega 60% Pb 40% Sn (non eutettica) liquida a 300 C. A circa 245 C si forma il primo solido solido proeutettico Appena sopra 183 C la composizione α 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 α e Pb β Da J. Nutting and R. G. Baker, Microstructure of Metals, Institute of Metals, London, 1965,p.19.

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

15 Sistema di Lega Peritettica A 42.4 % Ag e a 1400 C Fasi presenti Liquido Alfa Composizione 55% Ag 7%Ag Quantità di Fasi = 74% = 26% A 42.4% Ag e 1186 C T Fasi presenti solo beta Composizione 42.4% Ag Quantità di Fase 100% A 42.4% Ag and 1186 C + T Fasi presenti Liquido Alfa Composizione 66.3% Ag 10.5%Ag Quantità di Fasi = 57% =43%

16 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 β crea una barriera di diffusione formando un nucleo di fase alfa Da F Rhines, Phase Diagrams in Metallurgy, McGraw- Hill, 1956, p. 86.

17 Sistemi Binari Monotettici Reazione monotettica: La fase liquida si trasforma in una fase solida ed un altro liquido raffreddamento L 1 α + L 2 I due liquidi sono immiscibili Esempio: il sistema ramepiombo a 955 C e 36% Pb Eutettica Eutettoide Peritettica Peritettoidica Monotettica Metals Handbook, vol. 8: Metallography Structures and Phase Diagrams, 8 th ed., American Society of Metals, 1973, p. 296.

18 REAZIONI INVARIANTI DEI DIAGRAMMI BINARI

19 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

20 Diagramma di Stato Ferro-Carbonio Acciai al carbonio 0.03% a 1.2% C Ferrite α: soluzione solida interstiziale di C in ferro α. La solubilità del carbonio è molto bassa (Massima solubilità: 0.02 % a 723 C, 0.005% a 0 C) Cementite: composto intermetallico 6.67% C e 93.3% Fe Austenite: soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro γ. La solubilità di C è 2.08% a 1148 C e 0.8% a 0 C Ferrite δ: soluzione solida interstiziale di C in ferro δ. La massima solubilità del C è 0.09 % a 1495 C

21 Reazione peritettica: Reazioni Invarianti 1495 C Liquido (0.53%C) + δ (0.09% C) γ (0.17% C) Reazione eutettica: 1148 C Liquido (4.3% C) austenite γ (2.08%C) + Fe 3 C (6.67%C) Reazione eutettoidica: 723 C Austenite γ (0.8%C) ferrite α (0.02%C) + Fe 3 C(6.67%C) Acciaio ipoeutettoidico < 0.8% > 0.8% 0.8% C Acciaio eutettoidico Acciaio ipereutettoidico

22 Raffreddamento Lento degli Acciai al Carbonio Acciai al carbonio eutettoidici: se un campione viene riscaldato e mantenuto per un tempo sufficiente a 750 C, la struttura diventerà austenite omogenea al di sotto delle temperatura eutettoidica, si formano lamelle di ferrite e cementite Perlite Da W. F. Smith, The Structure and Properties of Engineering Alloys, 2 nd ed.,mcgraw-hill, 1981, p.8

23 Raffreddamento Lento degli Acciai al Carbonio Acciai al carbonio ipoeutettoidici: se un campione con 0.4% C viene riscaldato a 900 C, si austenizza Un successivo raffreddamento determina la formazione di ferrite α e perlite Perlite Da W. F. Smith, The Structure and Properties of Engineering Alloys, 2 nd ed.,mcgraw-hill, 1981, p.10

24 Raffreddamento Lento degli Acciai al Carbonio Acciai al carbonio ipereutettoidici: se un campione 1.2% C viene riscaldato e mantenuto un tempo sufficiente a 950 C, la struttura diventa tutto austenitica Un successivo raffreddamento forma cementite eutettoidica e perlite Da W. F. Smith, The Structure and Properties of Engineering Alloys, 2 nd ed.,mcgraw-hill, 1981, p.12.

25 Produzione della Ghisa e dell Acciaio Produzione della ghisa grezza Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 Minerale Coke Ghisa grezza (Liquido) Altoforno Da A. G. Guy, Elements of Physical Metallurgy, 2 nd ed.,!959, Addision-Wesley, Fig. 2-5, p.21.

26 Produzione dell Acciaio La ghisa grezza e il 30% di rottame di acciaio viene caricata in un convertitore con rivestimento refrattario nel quale è inserita una lancia per ossigeno L ossigeno reagisce con il bagno liquido per formare ossido di ferro FeO + C Fe + CO Vengono aggiunte addensanti di scorie Il contenuto di carbonio e di altre impurità viene abbassato L acciaio fuso viene colato Per gentile concessione di Inland Steel continuamente e formato in differenti forme

27 Fusione nelle Industrie Nelle industrie, il metallo fuso è trasformato in prodotti semilavorati o finiti Colata in continuo per lingotti di acciaio Unità per colata semicontinua diretta per alluminio

28 ESERCIZIO Considerare il diagramma di stato rame-argento mostrato in figura. Fare l analisi delle fasi di una lega contenente il 20% di Ag e l 80% di Cu alle temperature di: a) 1050 C; b) 900 C; c) 780 C+ T; d) 780 C- T. Nelle analisi delle fasi indicare: le fasi presenti; la composizione chimica di ogni fase; la quantità di ogni fase; schematizzare la microstruttura.