Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano Diagrammi di stato

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1 Diagrammi di stato

2 INTRODUZIONE Fase: porzione omogenea (a livello microstrutturale) di un materiale, che è diversa per microstruttura e/o composizione chimica Diagramma di stato: rappresenta le fasi presenti in diverse condizioni (temperatura, pressione e composizione) in condizioni di lento raffreddamento indica la massima solubilità solida di equilibrio di un elemento in un altro indica la temperatura o l intervallo di temperatura alla quale avviene la solidificazione indica la temperatura alla quale diverse fasi iniziano a fondere

3 DIAGRAMMA DI STATO DI SOSTANZE PURE La sostanza pura può esistere, in funzione delle condizioni di temperatura 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

4 SISTEMI AD UN SOLO COMPONENTE c e a f g b h d a: solidificazione b: fusione c: liquefazione d: gassificazione e: brinamento f: sublimazione g: condensazione h: evaporazione Diagramma di stato di equilibrio pressione temperatura per l anidride carbonica

5 REGOLA DELLE FASI DI GIBBS F+V = C+N F = numero di fasi che coesistono in un sistema C = numero di componenti nel sistema 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 parametri intensivi che possono essere cambiati senza alterare l equilibrio del sistema

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 Arresto termico: perdita di calore = calore fornito per la solidificazione del metallo Le leghe solidificano in un intervallo di temperature (non c è arresto termico) Metallo puro ferro

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 e a pressione atmosferica

8 SOLUZIONI SOLIDE METALLICHE Le leghe sono utilizzate nella maggior parte delle applicazioni industriali La lega è una miscela di due o più elementi (metalli e non metalli) Esempio: o Ottone: lega binaria 70% Cu e 30% Zinco o Inconel: superlega a base di nichel con circa 10 elementi di lega La soluzione solida è un tipo semplice di lega nella quale 2 o più elementi sono atomicamente dispersi in una singola fase

9 SOLUZIONE SOLIDA SOSTITUZIONALE Gli atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente in un reticolo cristallino La struttura rimane invariata Il reticolo cristallino può essere leggermente distorto per la variazione di diametro degli atomi La percentuale di soluto nel solvente può variare dallo 0% al 100% Atomi di solvente Atomi di soluto

10 La solubilità dei solidi è maggiore se: Esempi SOLUZIONE SOLIDA SOSTITUZIONALE o Il diametro degli atomi non differisce più del 15% o Le strutture cristalline sono le stesse o Non c è grande differenza nella elettronegatività, in modo che non si formino composti o Hanno la stessa valenza Sistema Differenza raggio atomico Differenza di elettronegatività Solubilità solida Cu-Zn 3.9% % Cu-Pb 36.7% % Cu-Ni 2.3% 0 100%

11 SOLUZIONE SOLIDA INTERSTIZIALE Gli atomi di soluto si inseriscono tra i vuoti (interstizi) degli atomi di solvente Gli atomi di solvente in questo caso dovrebbero essere più grandi degli atomi di soluto (Es: H, C, N, O) Esempio: tra 912 e 1394 C, si forma la soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferroγ(cfc) Un massimo di 2.8% di carbonio può dissolversi negli interstizi del ferro Atomi di ferro, r = 0.129nm Atomi di carbonio, r = 0.075nm

12 SISTEMA DI LEGA BINARIA ISOMORFA lega binaria Sistema isomorfo : due elementi completamente solubili uno nell altro allo stato liquido e solido Esempio: soluzione Cu-Ni Sistema a due componenti La composizione delle fasi liquida e solida ad ogni temperatura può essere determinata tracciando una linea orizzontale che intercetta tali composizioni sulle linee del liquidus e del solidus

13 REGOLA DELLA LEVA La regola della leva fornisce le frazioni in peso delle fasi nelle due regioni Frazione in peso della fase solida X s = w 0 w w w s l l Frazione in peso della fase liquida X l = w w s s w w 0 l

14 SISTEMI BINARI: COMPLETA SOLUBILITÀ

15 SOLIDIFICAZIONE DI LEGHE IN CONDIZIONI DI NON EQUILIBRIO Il raffreddamento veloce non consente una corretta diffusione che accompagna il raffreddamento stesso, consentendo il continuo variare delle concentrazioni delle fasi. Ne consegue struttura disomogenea Omogeneizzazione: trattamento a temperatura elevata per accelerare la diffusione atomica e quindi l omogeneizzazione della struttura La temperatura di omogeneizzazione deve essere inferiore al più basso punto di fusione di ciascun componente della lega

16 SISTEMA EUTETTICO DI LEGA BINARIA In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilità solida limitata (solubilità parziale allo stato solido) Esempio : lega Pb-Sn Trasformazione eutettica L α + β La composizione eutettica solidifica a temperatura minore di tutte le altre composizioni Questa più bassa temperatura è detta temperatura eutettica Liquido Temperature eutettica Raffreddamento soluzione solida α + soluzione solida β

17 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 a segue il solidus e la composizione di Sn varia tra 40 e 61.9% Alla temperatura eutettica, solidifica tutto il liquido restante Un ulteriore raffreddamento abbassa il contenuto di Sn α e Pb β

18 SISTEMA EUTETTICO DI LEGA BINARIA In alcuni sistemi di lega binaria, i componenti hanno una solubilità solida pari a zero (completa immiscibilità allo stato solido)

19 SISTEMA PERITETTICO DI LEGA BINARIA Reazione peritettica: la fase liquida reagisce con una fase solida per formare una nuova e differente fase solida raffreddamento Liquido + α β Esempio: 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) + δ (4.0% Ni) γ 4.3% Ni

20 SISTEMA PERITETTICO DI LEGA BINARIA 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 Fasi 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%

21 SOLIDIFICAZIONE RAPIDA IN UN SISTEMA PERITETTICO Circondamento: durante la reazione peritettica, L+ α β, la fase β è presente attorno alla fase alfa La faseβcrea una barriera di diffusione formando un nucleo di faseα

22 SISTEMA MONOTETTICI BINARI 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 rame-piombo a 955 C e 36% Pb

23 REAZIONI INVARIANTI DEI SISTEMI BINARI

24 FASI INTERMEDIE Fasi limite: fasi che si trovano agli estremi delle composizioni dei diagrammi 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 limite che fasi intermedie Cinque punti invarianti peritettici ed un punto eutettoidico

25 COMPOSTI INTERMETALLICI Composti intermetallici: composti con legame essenzialmente metallico e composizione definita. Esempi: il diagramma Mg-Ni presenta i composti intermetallici Mg 2 Ni e MgNi 2. MgNi 2 è a fusione congruente, siccome mantiene la sua composizione fino al punto di fusione, mentre Mg 2Ni è a fusione incongruente, siccome subisce una decomposizione peritettica a 761 C nelle fasi liquida e MgNi 2.

26 DIAGRAMMI DI STATO TERNARI Diagrammi a tre componenti, validi per pressione costante di 1 atm. Possono essere con rappresentazione tridimensionale (temperatura su un asse verticale) o a più sezioni isoterme (come le curve altimetriche su una mappa geografica)

27 DIAGRAMMI DI STATO TERNARI Esempio: Diagramma Fe-Cr-Ni, utile per lo studio degli acciai inossidabili, che hanno tipica composizione 74% Fe, 18% Cr, 8% Ni