Diagrammi Di Stato PDF

DIAGRAMMI DI STATO DIAGRAMMI DI STATO Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 1  DIAGRAMMI DI STATO DEFINIZIONE DI FASE Una fase può essere definita come una porzione omogenea di un sistema che ha...

DIAGRAMMI DI STATO DIAGRAMMI DI STATO Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 1  DIAGRAMMI DI STATO DEFINIZIONE DI FASE Una fase può essere definita come una porzione omogenea di un sistema che ha caratteristiche chimiche e fisiche uniformi. A A A B B B Sostanze Soluzione liquida Soluzione solida pure B Soluzione A solida di A e B Composto Composto di A e B Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 2  DIAGRAMMI DI STATO - I diagrammi di stato rappresentano graficamente i campi di temperatura e composizione in cui sono stabili le fasi di una lega a due o più componenti. Regola delle fasi: v = ci + m - f  mette in relazione il numero delle variabili termodinamiche indipendenti con il numero dei componenti e delle fasi presenti. - Nel caso di sistemi binari: ci = 2 ; m = 1  v = 3 - f f = 1  sistema monofasico => v = 2 (bivariante) f = 2  sistema bifasico => v = 1 (monovariante) f = 3  sistema trifasico => v = 0 (zerovariante) Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 3  DIAGRAMMI DI STATO RAPPRESENTAZIONE CARTESIANA PER SISTEMI BINARI Asse orizzontale  composizione chimica Asse verticale  temperatura del sistema T(°C) temperatura composizione chimica media del della lega sistema composizione delle singole fasi composizione chimica media e presenza di una sola fase A = 100% % peso A = 0% B = 0% B = 100% composizione della lega Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 4  DIAGRAMMI DI STATO I) sistema monofasico  bivariante La composizione chimica media del sistema e quella della fase sono perfettamente coincidenti. punto rappresentativo del sistema punto rappresentativo della fase g.d.l. = 2 f1 campo di bivarianza (superficie) Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 5  DIAGRAMMI DI STATO II) sistema bifasico  monovariante La composizione chimica delle due fasi si determina tracciando l’orizzontale isoterma e intersecando le due linee di monovarianza. punto rappresentativo del sistema campo di monovarianza f1 (definito da 2 linee) f2 g.d.l. = 1 punti rappresentativi delle due fasi Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 6  DIAGRAMMI DI STATO III) sistema trifasico  zerovariante I tre punti rappresentativi delle fasi giacciono sulla stessa isoterma. composizione delle tre fasi g.d.l. = 0 f1 f2 f3 composizione media del orizzontale isoterma sistema Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 7  DIAGRAMMI DI STATO COSTRUZIONE DI UN DIAGRAMMA BINARIO Regola n.1 (quasi generale) T(°C) tracciando una qualsiasi orizzontale si incontrano alternativamente campi di bivarianza e di monovarianza Regola n.2 dai punti di zerovarianza devono uscire due e due sole linee di monovarianza 0 %B 100 N.B. tutte le linee orizzontali presenti sui diagrammi di stato rappresentano zone di invarianza Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 8  DIAGRAMMI DI STATO I diagrammi di stato rappresentano le modifiche che intervengono nel sistema in esame in condizioni di equilibrio. I raffreddamenti o i riscaldamenti a carico della generica lega X considerata presuppongono pertanto tempi decisamente lunghi. X I diagrammi di stato di interesse metallurgico prevedono zone dove il sistema è solido e/o liquido, non sono previste le fasi gassose. Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 9  DIAGRAMMI DI STATO PRINCIPALI TIPOLOGIE DI DIAGRAMMI DI STATO A 2 COMPONENTI 1) Sistemi binari con solubilità allo stato solido: a solubilità totale; a solubilità parziale. 2) Sistemi binari con immiscibilità completa allo stato solido. 3) Sistemi binari che formano composti intermedi: con punto di fusione congruente; con punto di fusione incongruente. Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 10  DIAGRAMMI DI STATO Solubilità totale allo stato solido (leghe isomorfe) - Sono sistemi binari che si comportano secondo il modello delle soluzioni ideali: es. Cu-Ni, Au-Pt, etc. Linea di liquidus T(°C) L Bfus Campo di bivarianza +L Campo di monovarianza Afus Linea di solidus  Campo di bivarianza 0 %B 100 - Al di sopra del liquidus il sistema è totalmente fuso; al di sotto del solidus è totalmente cristallizzato. Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 11  DIAGRAMMI DI STATO - Le leghe metalliche solidificano in un intervallo di temperatura, mentre i metalli puri lo fanno a temperatura costante. T(°C) t0 L Bfus Microstruttura a temperatura  +L ambiente t1 t2 t Afus 3 t4  0 %B 100 soluzione solida  composizione (costituita da A+B) della lega Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 12  DIAGRAMMI DI STATO Regola della leva T(°C) a b L a Bfus qα = 100 qα + qL = 100% a+b  +L t2 q : a = qL : b qL = b  100 Afus a+b  divisa la distanza fra i due punti (le fasi) in 0 %B 100 due segmenti (uno a destra e uno a sinistra del punto che rappresenta la composizione composizione media) => le quantità delle della lega fasi sono proporzionali ai segmenti opposti. Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 13  DIAGRAMMI DI STATO Regola della leva (esempio numerico) Determinare la frazione delle fasi presenti alla temperatura t2 nella lega contenente il 30% di B. a = (30-15) = 15 dati: b = (60-30) = 30 a+b = (60-15) = 45 b 30 fase liquida = = = 0.67 a + b 45 a 15 fase solida  = = = 0.33 a + b 45 15 30 60 fase  = 33% - fase liquida = 67% Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 14  DIAGRAMMI DI STATO - Nel caso di solubilità totale allo stato solido esistono alcuni sottocasi: °C °C °C L L L    0 %B 100 0 %B 100 0 %B 100 Diagramma ad oliva Diagramma con TM Diagramma con TM semplice massima minima Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 15  DIAGRAMMI DI STATO - Le proprietà meccaniche delle leghe isomorfe sono legate alla loro composizione chimica: trazione (MPa) Allungamento % Resistenza a (su 50 mm) Composizione (% in Composizione (% peso Ni) in peso Ni) Andamento delle proprietà meccaniche per le leghe Cu-Ni Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 16  DIAGRAMMI DI STATO Parziale solubilità allo stato solido - La miscibilità è completa solo alle alte temperature. liquido V=2 TfA lacuna di miscibilità V=1 V=1 TfB alle basse temperature  V=2 coesistono 2 FASI  ’ ( + ’) V=1 0 %B 100 Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 17  DIAGRAMMI DI STATO - Se la lacuna di miscibilità si innalza fino ad intersecare le linee di monovarianza, si ottengono 2 nuovi diagrammi: liquido liquido TfA TfA TfB   peritettico TfB  liquido liquido TfB TfA TfA TfB    eutettico Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 18  DIAGRAMMI DI STATO Solidificazione di una lega che presenta un eutettico - Le leghe appartenenti ai sistemi eutettici possono assumere microstrutture differenti a seconda della composizione. liquido l TfB TfA +l +l   + Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 19  DIAGRAMMI DI STATO 1) Lega di composizione chimica c1 (NB: il raffreddamento è per successivi stati di equilibrio). T T L fA T f T   B punto Soluzion E singolar Grani e e  smiscelat a Ln t 0 c1 %B 1 0 0 Microstruttura a temp. ambiente Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 20  DIAGRAMMI DI STATO 2) Lega di composizione chimica c2 passante per l’orizzontale eutettica (a sinistra dell’eutettico) T L A TE trasformazione eutettica: TfA TfB L  (+) composto eutettico Grani    TE Composto eutettico Ln t Microstruttura a 0 c2 %B 100 temp. ambiente Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 21  DIAGRAMMI DI STATO 3) Lega di composizione chimica eutettica cE T L T A TE trasformazione eutettica: fA T L  (+) composto eutettico f a M M TB E b 100% composto eutettico 0 % B cE 1 Ln t 0 Microstruttura a 0 temp. ambiente Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 22  DIAGRAMMI DI STATO 4) Lega di composizione chimica c4 passante per l’orizzontale eutettica (a destra dell’eutettico) T L T A TE trasformazione eutettica: fA T L  (+) composto eutettico f B a bT Grani b E Composto eutettico 0 %B c2 1 Ln t 0 c4 0 Microstruttura a temp. ambiente Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 23  DIAGRAMMI DI STATO Esempio: lega alluminio-silicio (da fonderia). Leghe ipoeutettiche Leghe ipereutettiche Leghe eutettiche Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 24  DIAGRAMMI DI STATO Lega eutettica Al-13Si Lega ipoeutettica Lega ipereutettica Al-7Si Al-19Si Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 25  DIAGRAMMI DI STATO Trovare la quantità di composto eutettico in una lega AlSi7 a T = 25°C. a 577°C+: %Al = (12.6 − 7) 100 = 50,9% (12.6 − 1.6) %L = 100 − 50,9 = 49,1% a 577°C: %L = % eutettico = 49,1% (100 − 7) a 577°C-: %Al = 100 = 94,5% (100 − 1.6) %Si = 100 − 94,5% = 5,5% 7% Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 26  DIAGRAMMI DI STATO Reazioni eutettoidiche e peritettiche - La trasformazione eutettoidica è analoga a quella eutettica, con la differenza che è una fase solida a trasformarsi in due nuove fasi solide. Punto E = invariante eutettoide Temperatura (°C) = isoterma eutettoide E A T = 560°C si ha la trasformazione eutettoidica: (Cu) (Zn) Composizione (% in   (+) composto eutettoidico Zn) Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 27  DIAGRAMMI DI STATO - La trasformazione peritettica è la reazione tra un liquido e una fase solida a dare una nuova fase solida. Punto P = invariante peritettico = isoterma peritettica Temperatura (°C) P A T = 598°C si ha la trasformazione peritettica: +L (+ residuo di L non reagito) (Cu) (Zn) Composizione (% in Zn) Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 28  DIAGRAMMI DI STATO Immiscibilità completa allo stato solido T(°C) Afus Fase liquida L L (campo di bivarianza) Bfus Fase solida + liquido (campo di monovarianza) L+A L+B Fasi solide A+B A+B (campo di monovarianza) Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 29  DIAGRAMMI DI STATO grani A costituente eutettico Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 30  DIAGRAMMI DI STATO Formazione di composti intermetallici 1) Composto congruente: Il composto rimane inalterato fino alla temperatura di fusione Parzialmente miscibile allo stato solido Immiscibile allo stato solido Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 31  DIAGRAMMI DI STATO 2) Composto incongruente: il composto si decompone prima di raggiungere la temperatura di fusione Parzialmente miscibile allo stato solido Immiscibile allo stato solido Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 32  DIAGRAMMI DI STATO Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 33  DIAGRAMMI DI STATO Prof. Gelfi Marcello – METALLURGIA – 2022/2023 34  DIAGRAMMI DI STATO Nelle zone di diagramma con composti intermetallici immiscibili allo stato solido NON vale la regola generale di alternanza di zone a v=2 e zone a v=1. 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