Scienza dei Materiali 1 Esercitazioni

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1 Scienza dei Materiali 1 Esercitazioni 12. Diagrammi di fase binari ver. 1.2

2 Diagrammi di fase binari Per una data composizione e temperatura, il diagramma di fase permette di stabilire quali sono, all equilibrio, le fasi presenti, la loro abbondanza e la loro composizione. Parliamo di diagramma di fase binario poiché le specie atomiche o molecolari in gioco sono due (analogamente si hanno diagrammi ternari quando si studia la miscelazione di tre specie atomiche o molecolari) La descrizione della MICROSTRUTTURA che si ottiene a seguito di raffreddamento non è presente nel diagramma di fase. Ricordare anche che la cinetica non è contemplata nel diagramma di fase! Per quanto un diagramma sia complesso, può essere scomposto in diagrammi più semplici riconducibili ad alcune tipologie particolari. Le varie tipologie dipendono dalla MISCIBILITA dei componenti.

3 Miscibilità completa Temperatura Liquidus L Freezing Range S+L Solidus T mb 1 fase: liquido 2 fasi: solido + liquido T ma S 1 fase: solido A weight %B B T ma e T mb sono le temperature di fusione di A e B.

4 Regola della leva Dato un punto in una regione bifasica di un diagramma di fase binario, è possibile, mediante la regola della leva, stabilire quali sono le percentuali delle fai presenti e qual è la loro composizione. E utile, ad esempio, quando raffreddo un liquido di composizione nota e voglio conoscere, ad una data temperatura, qual è la percentuale delle fasi costituenti (in regione BIFASICA) Attenzione ad essere in campo bifasico! Leggere sempre (e rileggere per esserne sicuri), l asse delle concentrazioni. Ai due estremi vi è 100% di ogni costituente. La regola della leva vi dice QUANTO della fase 1 e della fase 2 avete in quel punto. Non confondere la composizione delle due fasi presenti (che si legge l sull asse delle concentrazioni) con la loro percentuale (data dalla regola della leva). Ancora una volta, attenzione che nell applicare la regola della leva sono impiegate le concentrazioni ma il risultato è una quantità percentuale! Usare il buonsenso per verificare il risultato!

5 Regola della leva Temperatura Liquidus L D E F S+L Solidus T mb raffreddo un liquido con questa composizione temperatura scelta T T ma S A composizione LIQUIDO a temperatura T composizione SOLIDO a temperatura T wt %B composizione TOTALE di C (in questo caso 25%B) B

6 Regola della leva: %liq FE % liq = 100 F D Liquidus Solidus D E F temperatura scelta T composizione LIQUIDO a temperatura T composizione SOLIDO a temperatura T composizione TOTALE di C (in questo caso 25%B)

7 Regola della leva: %sol ED % sol = 100 F D Liquidus Solidus D E F temperatura scelta T composizione LIQUIDO a temperatura T composizione SOLIDO a temperatura T composizione TOTALE di C (in questo caso 25%B)

8 Regola della leva Ricordare la posizione relativa dei due segmenti quando si calcolano le percentuali di liquido e di solido ad una data temperatura: percentuale di solido: segmento vicino a LIQUIDUS su segmento totale percentuale di liquido: segmento vicino a SOLIDUS su segmento totale VERIFICARE se, variando la temperatura, si ottiene un risultato coerente oppure no (aumentando la temperatura ad esempio, la percentuale di liquido dovrebbe aumentare e viceversa!) T 3 > T 1 liquidus D E F solidus segmento si accorcia al diminuire della temperatura... % liquido T 1 segmento aumenta al diminuire della temperatura... % solido

9 Esempio: diagramma Cu-Ni Diagramma di fase - Cu-Ni Temperatura ( C) Wt% Ni

10 Esempio: diagramma Cu-Ni Seguiamo sul diagramma di fase Cu-Ni il raffreddamento di una lega di composizione 60%Cu, 40% Ni 1500 Temperatura ( C) L composizione liquido L+S composizione solido S Wt% Ni

11 Esempio: diagramma Cu-Ni Cosa succede quando diminuiamo la temperatura? Raggiungiamo la curva del LIQUIDUS ed iniziamo la solidificazione (si entra in campo bifasico dove coesistono liquido e solido). Da questo punto, fino a quando usciamo dal campo bifasico, la composizione del liquido cambierà al cambiare della temperatura. Analogamente il solido che si forma a temperatura più alta ha composizione diversa da quello che si forma a temperatura più bassa. Si ha liquido fino a quando non si incontra la linea del SOLIDUS. L composizione liquido L+S composizione solido S 40 Wt% Ni

12 Solidificazione Cu-40%Ni 40 % Ni 45% Ni 52% All Ni Liquid Solo se il fuso è raffreddato lentamente! Almost 40% Ni

13 Diagramma con eutettico T ma Solidus Liquido Solidus Liquidus T mb Temperatura α Solvus α + L α + β Solvus β + L β eutettico A weight %B B

14 Raffreddamento Raffreddiamo 5 composizioni diverse (V,W,X,Y,Z) partendo da liquido: T ma V W X Y Z Liquido T mb Temperatura α α + L α + β β + L β A weight %B B

15 Raffr.. V (miscibilità( completa) Raffreddando da V trovo miscibilità completa (come nel diagramma a lente). T ma V W X Y Z Liquido T mb α α + L β + L β α + β A B

16 Raffr.. W (miscibilità( limitata) Partendo da V incontro sia zone bifasiche che una zona monofasica T ma V W X Y Z Liquido Liquido Liquido + α T mb α Temperatura α + L α + β α β + L α + β β tempo

17 Raffr.. W (miscibilità( limitata) La solidificazione procederà in questo modo: Raggiunta al linea del liquidus, inizia la nucleazione di α. I nuclei crescono finché si raggiunge la linea del solidus: tutto liquido si è trasformato in α. Raggiunto il solvus inizia la precipitazione di β (supero la massima solubilità di B in A). Se raffreddo abbastanza velocemente ottengo grani di β finemente dispersi nella matrice α. Liquido α L + α α + β

18 Raffr.. Y (eutettico( eutettico) T ma V W Liquido X Y Z Liquido T mb Temperatura α α + L arresto termico Liquido + α+β α + + ββ β + L β tempo A B 0 100

19 Raffr.. Y (eutettico( eutettico) La solidificazione eutettica è molto particolare. Raggiunta la temperatura di eutettico, tutto il liquido si trasforma, a temperatura costante, in solido. Il solido è formato da DUE FASI α e β (il diagramma ce lo dice!): si ha però UN microcostituente lamellare (lamelle alternate di α e β). Attenzione alla differenza tra FASI e MICRO-COSTITUENTI Liquido L + α + β I solidi eutettici sono resistenti ma hanno generalmente duttilità bassa

20 Eutettico: : spaziatura lamelle Ripetendo: quando troviamo una microstruttura eutettica dobbiamo ricordare di parlare di DUE fasi e di UN microcostituente. Il microcostituente eutettico è di tipo lamellare: ho lamelle di α alternate a lamelle di β per le quali: La spaziatura è controllata dal tempo lasciato ai grani per crescere cere Si può limitare la spaziatura riducendo il tempo di solidificazione one (aumentandone la velocità), rimuovendo il calore più velocemente Spaziatura interlamellare ridotta porta a resistenza più elevata Spaziatura interlamellare

21 Raffr.. X (ipoeutettico( ipoeutettico) La situazione cambia se raffreddo da X: non incontro più campo monofasico T ma V W X Y Z Liquido Liquido T mb α Temperatura α + L Liquido + α β + L β Liquido + α + β α + β α + β A tempo B

22 Raffr.. X (ipoeutettico( ipoeutettico) La solidificazione ipoeutettica e qualla ipereutettica (si veda in seguito), sono intermedie tra quelle già viste. Il diagramma di fase ci dice solo quante sono le fasi presenti, ma non ci dice niente sui micro-costituenti! In zona bifasica si ha precipitazione di α (fase primaria). Raggiunto l eutettico si ha un arresto termico e tutto il liquido residuo si trasforma in α+β con microstruttura eutettica. Liquido L + α L + α + β Microcostituente eutettico Fase α primaria (Proeutettica)

23 Raffr.. Z (ipereutettico( ipereutettico) T ma V W X Y Z Liquido Liquido T mb Temperatura α Liquido α + Lβ Liquido + α + β α + β β + L β tempo A B 0 100

24 Raffr.. Z (ipereutettico( ipereutettico) E la solidificazione duale a quella ipoeutettica. In questo caso la fase primaria che precipita è quella b e, alla temperatura di eutettico, tutto il liquido solidifica. Ho, alla fine, 2 fasi e 2 micro-costituenti (grani di β primaria in una matrice eutettica lamellare) Liquido L + β L + α + β Microcostituente eutettico Fase β primaria

25 Punti invarianti Oltre all eutettico, possiamo avere altre tipologie di punti invarianti (nei quali ho ZERO gradi di libertà) nei diagrammi di fase binari. Indicati assieme alle trasformazioni corrispondenti, abbiamo: Eutettico Eutettoide L S 1 + S 2 S 1 S 2 + S 3 (analogo all eutettico,, ma in fase solida) Peritettico Peritettoide S 1 + L 1 S 2 S 1 + S 2 S 3 (analogo al peritettico,, ma in fase solida) Monotettico L 1 S 1 + L 2 Nel diagramma che segue sono mostrate le tipologie più comuni di punti invarianti; il diagramma può essere scomposto in diagrammi più semplici (elementari).

26 T ma Punti invarianti δ δ + L 1 δ + γ L 1 L 1 + γ L 1 + L 2 L 2 Temperatura T mb Monotettico L 1 L 2 +S 1 Peritettico L 1 +S 5 S 1 γ L 2 + γ γ + β L 2 + β β Eutettico L 2 S 1 +S 2 α α + γ α + β Eutettoide S 1 S 3 +S 2 A α + µ µ µ + β B Peritettoide S 3 +S 2 S 4

27 Composti stechiometrici Può capitare, nei diagrammi di fase più complessi, di osservare delle linee verticali in corrispondenza di talune concentrazioni. Tali linee rappresentano dei composti stechiometrici (es. Ti 3 Al, FeTi). FeTi

28 Analisi diagramma di fase Come completare un diagramma dato? Consiglio: partire individuando forme note (es. diagramma con eutettico, composti stechiometrici) e regioni MONOFASICHE; procedere poi riempiendo i vuoti. Ricordare che NON ci sono regioni trifasiche e CONTROLLARE le transizioni! diagramma con eutettico M M M M FeTi

29 Diagramma Fe-Fe 3 C δ, ferrite 1600 C L + δ Liquido (L) δ + γ 1400 C Eutettico 1200 C γ, austenite L + γ L + Fe 3 C α+γ 1000 C Eutettoide γ + Fe 3 C 800 C 600 C α, ferrite α + Fe 3 C Cementite (Fe 3 C) 400 C Fe 1% C 2% C 3% C 4% C 5% C 6% C 6.70% C

30 Acciaio ipoeutettoidico γ α γ Fase α duttile e continua α Perlite

31 Acciaio ipereutettoidico γ Fe 3 C γ Fase Fe 3 C fragile continua Perlite Fe 3 C Usato per cuscinetti

32 ESERCIZI

33 Ex Diagramma Cu-Ni Stabilire le fasi presenti ed individuare i punti invarianti nel diagramma Cu- Ni. Calcolare inoltre contenuto di fase e composizione del liquido e solido per una lega al 50%Cu a 1300 C

34 Ex Diagramma Cu-Ni Per trovare la composizione di fase di liquido e solido, disegno la tie line e trovo l intersezione con le curve di liquidus e solidus. Per il quantitativo di fase uso la regola della leva % liq = 100 CB CA BA % sol = 100 = 100 % liq CA B composizione totale della lega composizione liquido - A C - composizione solido

35 Ex Diagramma Cu-Ni Il risultato sarà perciò: A B C LIQUIDO SOLIDO composizione: composizione: 41% Ni 59%Cu 56%Ni 44%Cu Percentuale CB/CA = (56-50)/(56-41) = 40 % per differenza, 60%

36 Ex Diagramma MgO-FeO Stabilire le fasi presenti ed individuare i punti invarianti nel diagramma MgO-FeO. Calcolare inoltre contenuto di fase e composizione del liquido e solido per una lega al 20%FeO a 2000 C ed a 2500 C Diagramma di fase - MgO-FeO Temperatura ( C) Wt% FeO

37 Ex Diagramma MgO-FeO Il diagramma mostra completa miscibilità nell intervallo di temperatura proposto. Ecco indicate le fasi presenti ed i punti caratteristici osservabili. T m MgO Diagramma di fase - MgO-FeO Temperatura ( C) SOLIDO L+S LIQUIDO T m FeO Wt% FeO

38 Ex Diagramma MgO-FeO Alla temperatura di 2000 C sono in zona monofasica quindi avrò il 100% di soluzione solida (Mg,Fe) O con contenuto del 20% in peso di FeO in miscela. Diagramma di fase - MgO-FeO Temperatura ( C) Wt% FeO

39 Ex Diagramma MgO-FeO Alla temperatura di 2500 C sono in zona bifasica. Sulla curva di liquidus si può leggere la composizione del liquido mentre su quella del solidus la composizione del solido.con la regola della leva trovo le percentuali Diagramma di fase - MgO-FeO Temperatura ( C) A B composizione liquido (ca. 32wt% FeO) C composizione solido (ca. 12wt% FeO) AB % liq = 100 AC = 100 = 40% BC % sol = 100 = 100 % liq AC = 100 = 60% Wt% FeO

40 Ex Diagramma Ir-Rh Stabilire le fasi presenti ed individuare i punti invarianti nel diagramma Ir- Rh di figura.

41 Ex Diagramma Ir-Rh Il diagramma mostra completa miscibilità di Ir e Rh fino a 1335 C e la presenza di un gap di miscibilità al di sotto di questa soglia. Si possono individuare i punti di fusione degli elementi puri, il range di miscibilità e le fasi presenti nelle varie zone del diagramma. temperatura fusione Rh temperatura fusione Ir miscibilità completa: soluzione solida, 1 fase gap di miscibilità: 2 fasi, α e β

42 Ex Diagramma Fe-Ti Stabilire le fasi presenti ed individuare i punti invarianti nel diagramma Fe- Ti di figura. Determinare composizione e contenuto di fase a 1473 K per una lega al 60at%Ti.

43 Ex Diagramma Fe-Ti a + L Liquido a + g l + L l + L g a a + l l l + FeTi L+ FeTi d + FeTi d + L d d + e e e + FeTi

44 Ex Diagramma Fe-Ti composizione data (60at%Ti) composizione solido (FeTi stechiometrico) composizione liquido (ca. 64at% Ti)

45 Ex Diagramma Fe-Ti Applichiamo la regola della leva nella regione di interesse e valutiamo la percentuale relativa delle due fasi (liquido e fase stechiometrica FeTi) A B C AB AC AB % liq = 100 = 100 = 72% AC % sol = 100 % liq = 28% Si noti che la linea del liquidus passa per il punto C quindi il segmento da utilizzare al numeratore nella formula della leva è quello che NON comprende C. Senza fare alcun calcolo si può stabilire immediatamente che il contenuto in liquido è superiore a quello in solido a temperatura e concentrazione totale date.

46 FINE