Domanda: Qual è la differenza fra stati di equilibrio stabile e metastabile?

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1 Verifica dei Concetti 9.1 Domanda: Qual è la differenza fra stati di equilibrio stabile e metastabile? Risposta: Nella condizione di equilibrio stabile l energia libera è minima, ed il sistema è completamente stabile; questo significa che le caratteristiche della fase rimangono costanti nel tempo. In condizioni metastabili, il sistema non è in equilibrio, e vi possono essere modificazioni, anche se molto piccole (e spesso impercettibili), delle caratteristiche della fase nel tempo.

2 Verifica dei Concetti 9.2 Domanda: Una lega nichel-rame di composizione 70% Ni 30% Cu in peso, viene riscaldata lentamente a partire da una temperatura di 1300 C. (a) A quale temperatura si forma la prima goccia di fase liquida? (b) Qual è la composizione di questa fase liquida? (c) A quale temperatura si completa la fusione? (d) Qual è la composizione dell ultimo solido rimasto prima della fusione completa? Soluzione: Per riscaldamento della lega nichel-rame di composizione 70% Ni 30 % Cu in peso, a partire da 1300 C, con riferimento alla Figura 9.3a, si ottiene: (a) La prima fase liquida si forma alla temperatura alla quale la verticale per questa composizione interseca la curva di confine tra le fasi α e (α + L) quindi a circa 1350 C, (b) La composizione di questa fase liquida corrisponde alla intersezione dell isoterma a 1350 C con la curva di confine fra le fasi L e (α + L) quindi pari al 59% in peso di Ni: (c) La completa fusione della lega si verifica alla temperatura corrispondente alla intersezione della verticale per il 70% in peso di Ni con la curva di confine delle fasi L e (α + L) quindi a circa 1380 C; (d) La composizione dell ultimo solido rimasto prima della fusione completa, corrisponde alla intersezione dell isoterma a 1380 C con la curva di confine tra le fasi α e (α + L) quindi pari al 78% in peso di Ni.

3 Verifica dei Concetti 9.3 Domanda: È possibile avere una lega rame-nichel che, all equilibrio, è formata da una fase solida α di composizione Cu 63 % e Ni 27 % in peso, e da una fase liquida di composizione Cu 80 % Ni 20 % in peso? Se si, quale potrà essere la temperatura approssimativa di questa lega? Se no, spiegare perché. Risposta: Non è possibile avere una lega Cu-Ni che all equilibrio è formata da una fase liquida di composizione Cu 80 % e Ni 20% in peso, ed una fase solida α di composizione Cu 63% e Ni 27% in peso. In base alla Figura 9.3a, si osserva che non esiste una linea corrispondente all interno della regione α + L che intersechi la curva di confine con la fase α a quella data composizione. Con il 20% in peso di Ni la curva di confine tra le fasi L e (α + L) è a circa 1200 C, mentre con il 37% in peso di Ni la curva di confine tra le fasi α e (α + L) è a circa 1225 C.

4 Verifica dei Concetti 9.4 Domanda: A 700 C, qual è la solubilità massima di: (a) Cu in Ag? (b) Ag in Cu? Risposta: (a) In base al diagramma di fase rame-argento di Figura 9.7, la solubilità massima del Cu in Ag a 700 C è data dalla posizione della curva di confine tra le fasi β e (α + β) a questa temperatura, quindi a circa 6% in peso di Cu. (b) Dalla stessa figura si ricava che la solubilità massima dell Ag in Cu è data dalla posizione della curva di confine tra le fasi α e (α + β) a questa temperatura, quindi a circa 5% in peso di Ag.

5 Verifica dei Concetti 9.5 Domanda: Viene riportata di seguito una porzione del diagramma di fase H 2 O-NaCl: (a) Utilizzando questo diagramma, spiegare brevemente come mai spargendo sale sul ghiaccio, pur trovandosi ad una temperatura inferiore a 0 C, se ne può provocare la fusione. (b) A quale temperatura il sale non è più in grado di fondere il ghiaccio? Soluzione: (a) Spargendo il sale sul ghiaccio se ne abbassa la temperatura di fusione, dal momento che la curva di liquidus diminuisce in temperatura a partire da 0 C (per il 100% di H 2 O) fino alla temperatura dell eutettico a circa -21 C (con il 23% in peso NaCl). Quindi, il ghiaccio a temperature inferiori a 0 C (e sopra -21 C) può essere portato a fusione per aggiunta di sale. (b) A -21 C ed a temperature inferiori il ghiaccio non è più in grado di fondere per aggiunta di sale, perché non si possono più formare fasi liquide (-21 C corrisponde infatti alla temperatura dell eutettico del sistema).

6 Verifica dei Concetti 9.6 Domanda: Nella figura seguente è rappresentato il diagramma afnio-vanadio in cui sono indicate solo le regioni monofasiche. Specificare i punti temperatura-composizione corrispondenti agli eutettici, eutettoidi, peritettici ed alle trasformazioni di fase congruenti. Scrivere inoltre per ognuno le reazioni al raffreddamento. Risposta: Nel diagramma vi sono due eutettici. Uno con il 18% in peso di V e 82% di Hf a 1455 C. La reazione al raffreddamento è: L β Hf + Hf V 2 L altro eutettico si trova con il 39% in peso di V e 61% di Hf a 1520 C. La reazione al raffreddamento è: L Hf V 2 + V (soluzione solida) A 1190 C si trova un eutettoide con il 6% in peso di V e 94% di Hf. La reazione al raffreddamento è: β Hf α Hf + Hf V 2 A 1550 C si trova un punto di fusione congruente con il 36% in peso di V e 64% di Hf. La reazione al raffreddamento è: L Hf V 2 Non sono presenti peritettici.

7 Verifica dei Concetti 9.7 Domanda: Un sistema ternario è formato da tre componenti e la temperatura costituisce l altra variabile. Qual è il numero massimo di fasi che possono essere contemporaneamente presenti, a pressione costante, in un sistema ternario? Risposta: Per un sistema ternario (C = 3) a pressione costante (N = 1), la regola delle fasi di Gibbs (Equazione 9.16), diventa P + F = C + N = = 4 o anche P = 4 F Pertanto, quando F = 0, P assumerà il massimo valore (4), che significa che il numero massimo di fasi presenti in questa situazione è pari a 4.

8 Verifica dei Concetti 9.8 Domanda: Spiegare brevemente perchè una fase proeutettoide (ferrite o cementite) si forma lungo i bordi dei grani dell austenite. Suggerimento: Consulta la Sezione 4.6. Risposta: Al bordo del grano è presente una energia interfacciale (ovvero l energia del bordo del grano Sezione 4.6). Se la fase proeutettoide si forma lungo i bordi dei grani esistenti dell austenite l aumento di energia interfacciale complessiva risulta inferiore rispetto al caso in cui la fase proeutettoide si forma all interno dei grani.