Lettura Diagrammi di stato

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1 Lettura Diagrammi di stato

2 Regola delle fasi (Legge di Gibbs): F+V = C+N Regola della leva COSA CI OCCORRE Frazione di fase 1: Frazione di fase 2: C C C C 2 C C 2 1 C1 C 2 1

3 ESEMPIO 1: SISTEMI ISOMORFI Monel: Leghe Cu-Ni con un maggior contenuto di Nichel (monete da 1 e 2 euro) Studiare il raffreddamento in condizioni di equilibrio di una lega contenente il 63% di Nichel (Lega Monel K-500) a partire da una temperatura di 1400 C. Indicare, per i punti A, B e C, le fasi presenti, la composizione chimica di ogni fase, la quantità di ogni fase e schematizzare la microstruttura.

4 ESEMPIO 1: SISTEMI ISOMORFI A. Siamo nel campo di esistenza della sola fase liquida; applichiamo la legge di Gibbs: F+V = C+N 1+V=2+1 V=2 Tra A e B incontriamo la linea del liquidus: a circa 1360 C inizia a solidificare il primo nucleo di fase solida α di composizione: 76% Ni 24% Cu α(76%ni ) L (63%Ni )

5 ESEMPIO 1: SISTEMI ISOMORFI B. Siamo nel campo bifasico, in cui il liquido è in equilibrio con il solido; applichiamo la legge di Gibbs: F+V = C+N 2+V=2+1 V=1 Come possiamo determinare la composizione e la quantità della fase solida e liquida all equilibrio? Attraverso la regola della leva Percentuale di liquido all equilibrio: Percentuale di solido all equilibrio: % W % W L S = = S R+ S R R+ S Composizioni: Fase liquida: C L = 61 % Ni Fase solida C α = 71%Ni 100= 100= = 80% = 20% 71 61

6 ESEMPIO 1: SISTEMI ISOMORFI C. Siamo nel campo di esistenza della sola fase solida; applichiamo la legge di Gibbs: F+V = C+N 1+V=2+1 V=2 A fine raffreddamento la microstruttura sarà: α 63% Ni I diversi livelli di grigio sono dovuti al diverso orientamento dei grani. Struttura reale della lega monel K-500

7 ESEMPIO 1: SISTEMI ISOMORFI Non essendoci trasformazioni invarianti, non assistiamo ad arresti termici; la curva di raffreddamento è molto semplice: Temperatura L L + α α Tempo

8 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO DIAGRAMMA PIOMBO-STAGNO α L + α L + β β Seguiamo l evoluzione di 3 diverse leghe: 1: 2% Sn 2: 15% Sn 3: 40% Sn

9 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 1: LEGA AL 2% DI Sn Punto a : Campo di esistenza della sola fase liquida, V =2. Punto b : Campo di esistenza all equilibrio della fase solida con la fase liquida, V =1. Punto c : Campo di esistenza all equilibrio della sola fase solida, V =2. Nulla succede fino al raggiungimento della temperatura ambiente. Al di sotto del limite di solubilità la lega si comporta come una lega isomorfa Microstruttura Anche la curva di raffreddamento è del tutto simile al caso di sistema isomorfo

10 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 2: LEGA AL 15% DI Sn Punto d : Campo di esistenza della sola fase liquida, V =2. Punto e : Campo di esistenza all equilibrio della fase solida con la fase liquida, V =1. Punto f : Campo di esistenza all equilibrio della sola fase solida, V =2. Fino a questo punto nulla cambia rispetto ai casi precedenti, ma adesso, a circa 180 C incontriamo la linea del SOLVUS. Quando incontriamo la linea del solvus, la soluzione solida α diventa sovrassatura di componente β che precipita. Applicando la REGOLA DELLA LEVA in questa regione possiamo determinare la concentrazione e la composizione delle soluzioni solide α e β all equilibrio ad una data temperatura.

11 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 2: LEGA AL 15% DI Sn 140 C C α =9% C 0 =15% C β =98% Il solido α contiene in soluzione il 9% di stagno, mentre il solido β che precipita è formata al 98% da stagno Percentuale in peso di solido α % W α = 100= 93.3% 98 9 Percentuale in peso di solido β 15 9 % W β = 100= 6.7% 98 9

12 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 2: LEGA AL 15% DI Sn La microstruttura nel punto g si presenta così: Piccoli grani di β si formano all interno di grani di α più grandi. Curva di raffreddamento L Temperatura L+ α α α + β Tempo

13 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 3: LEGA AL 40% DI Sn Punto j : Campo di esistenza della sola fase liquida, V =2. Punto k : Campo di esistenza all equilibrio della fase solida con la fase liquida, V =1. Spostandosi dal punto k al punto l ci accorgiamo che la concentrazione del liquido si sposta sempre più verso la composizione eutettica, ossia 61.9 % Sn Osserviamo la situazione nel punto l a 183 C + T, (al limite di T tendente a 0) α 18.3 % Sn L 61.7 % Sn

14 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 3: LEGA AL 40% DI Sn α 18.3 % Sn L 61.7 % Sn Abbiamo due fasi, il liquido di composizione eutettica e il solido α. All approssimarsi della temperatura eutettica compare la terza fase, il solido β che porta così il conto delle fasi a 3; applichiamo qui la regola delle fasi: F+V = C+N 3 + V = V = 0 La solidificazione di una lega di composizione eutettica è una trasformazione invariante; questo implica un arresto termico (come nel caso dei metalli puri). La trasformazione eutettica può essere rappresentata nel modo seguente: L( 61.7% Sn) α (18.3% Sn) + β(97.8% Sn)

15 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 3: LEGA AL 40% DI Sn α 18.3 % Sn L 61.7 % Sn Fino all esaurimento della fase liquida la temperatura non varia. Il meccanismo di solidificazione è diverso, in seno al liquido si accrescono due solidi differenti. Le fasi solide α e β crescono formando delle lamelle; la struttura è dettata da motivi termodinamici legati alla diffusione.

16 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 3: LEGA AL 40% DI Sn Nel punto m a 183 C - T, (al limite di T tendente a 0), la trasformazione eutettica è completata, il liquido è scomparso, applicando la regola delle fasi si ha: F+V = C+N 2 + V = V = % Sn 97.8% Sn Siamo nuovamente in condizioni di monovarianza; applicando la regola della leva possiamo conoscere i rapporti percentuali in peso tra la fase α e β e le composizioni dei solidi, oltre che la percentuale di α formatasi prima della trasformazione eutettica. Rapporto tra i solidi α e β: % W β % W α = 100= 28% = 100= 72%

17 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 3: LEGA AL 40% DI Sn Del solido α calcoliamo la frazione in peso di α primario (solidificatosi prima che il liquido raggiungesse la composizione eutettica) e l α eutettico, applicando la regola della leva: α primario :% W α ' = 100 = 50% α eutettico :% W α = 100 = % La microstruttura finale sarà la seguente: 18.3% Sn α Eutettico β Eutettico Struttura eutettica α primario

18 ESEMPIO 2: SISTEMI CON EUTETTICO CASO 3: LEGA AL 40% DI Sn Curva di raffreddamento Temperatura L L+ α α, α + β Tempo

19 ESEMPIO 3: SISTEMI CON PERITETTICO DIAGRAMMA Fe-Ni LEGA PERITETTICA La parte in alto a sinistra del diagramma (zona ricca di ferro) è del tutto simile a quella che troviamo nel diagramma di fase Fe-C

20 ESEMPIO 3: SISTEMI CON PERITETTICO DIAGRAMMA Fe-Ni LEGA PERITETTICA Ferro δ : forma allotropica del ferro (reticolo CCC) Raffreddiamo una lega al 4.5% in peso di Nickel a partire da 1600 C (punto a). Punto a : Campo di esistenza della sola fase liquida, V =2. Punto b : Inizio del campo di esistenza all equilibrio della fase solida con la fase liquida, V =1 (linea del liquidus). A 1512 C + T con T che tende a 0 possiamo calcolare, come nel caso dell eutettico, la percentuale di liquido e solido all equilibrio con la regola della leva: % % W L W δ = 100 = 39.3% = 100 = 60.7%

21 ESEMPIO 3: SISTEMI CON PERITETTICO DIAGRAMMA Fe-Ni LEGA PERITETTICA La trasformazione peritettica, così come quella eutettica, può essere rappresentata come: L( 6.2% Ni) +δ(3.4% Ni) γ (4.5% Ni) A 1512 C - T con T che tende a 0 la trasformazione peritettica è completa, tutto il solido è γ (soluzione solida di nickel in un reticolo di ferro CFC). A circa 760 C il ferro si trasforma da Fe-γ a Fe-α (reticolo CCC); siamo in un campo bifasico in cui coesistono i solidi α e γ, di cui è possibile calcolare composizione e rapporto in peso percentuale con la regola della leva.

22 ESEMPIO 3: SISTEMI CON PERITETTICO DIAGRAMMA Fe-Ni LEGA PERITETTICA Tempe eratura Tempo

23 ESEMPIO 4: FUSIONE INCONGRUENTE LEGA AL 35% DI Ca A 1100 C siamo in un campo di equilibrio monofasico, dove è presente solo la fase liquida. A 900 C il solido (Al 2 Ca) è in equilibrio con il liquido contente il 22% in peso di Ca. Applicando la regola della leva stabiliamo le quantità percentuali di solido e liquido: % W % W L Al = 100 = 35% = 100 = 65% 2 Ca 42 22

24 ESEMPIO 4: FUSIONE INCONGRUENTE LEGA AL 35% DI Ca A 699 C+ T con T che tende a 0 siamo in condizioni di monovarianza; applicando la regola della leva possiamo conoscere i rapporti percentuali in peso di solido e liquido: % W % W L Al = 100 = 25% = 100 = 75% 2 Ca 42 15

25 ESEMPIO 4: FUSIONE INCONGRUENTE LEGA AL 35% DI Ca A 699 C- T con T che tende a 0, oltre al solido Al 2 Ca troviamo un nuovo composto di formula bruta Al 4 Ca; durante l arresto termico a 699 C quello che è accaduto è che il liquido, in equilibrio con il solido Al 2 Ca, ha formato un nuovo solido, Al 4 Ca. Questa trasformazione si può rappresentare nel modo seguente: L( 15% Ca) + Al2Ca(42% Ca) Al4Ca(27% Ca)

26 ESEMPIO 4: FUSIONE INCONGRUENTE LEGA AL 35% DI Ca Il solido Al 4 Ca viene detto a fusione incongruente; la fusione viene detta incongruente perché avviene con decomposizione della specie che arriva al punto di fusione. Tutto questo risulta più chiaro se si considera per esempio una certa massa di Al 4 Ca solido che viene portata alla temperatura di 699 C.

27 ESEMPIO 4: FUSIONE INCONGRUENTE LEGA AL 35% DI Ca Arrivati a questo punto, invece che il consueto passaggio dallo stato solido a quello liquido di un componente puro, si forma una fase liquida con composizione 15 % in peso di Ca e 85 % in peso di Al ma anche una seconda fase solida costituita da Al 2 Ca puro. Quindi si vede bene come la "fusione" di Al 4 Ca sia in realtà una decomposizione. La reazione di equilibrio altro non è che una trasformazione peritettica