Download - Stiinta si Tehnologia Materialelor

ŞTIINŢA MATERIALELOR Modulul (capitolul) 2

CUPRINS METALE , ALIAJE SI DIAGRAME DE ECHILIBRU FAZIC ....... 49

2.1. Introducere ................................................................................ 49 2.2. Fazele solide din structura aliajelor .......................................... 52 2.3. Constituenţii structurali (metalografici) ai aliajelor.................. 58 2.4. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ........... 58 2.5. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare .......... 83 2.6. Tratamentele termice aplicate aliajelor ..................................... 88 Cuvinte cheie.................................................................................... 90 Bibliografie....................................................................................... 90 Teste de autoevaluare....................................................................... 91 Aplicaţii ............................................................................................ 93

OBIECTIVE:

Insuşirea noţiunilor privind aliajele, diagramele de echilibru fazic al acestora şi principiile generale ale modificării structurilor prin tratamente termice.

Se au în vedere următoarele aspecte: definirea noţiunilor de aliaj, component, fază, constituent structural, tipuri de faze specifice aliajelor (soluţii solide, compuşi definiţi, metale pure), studiul principalelor tipuri de diagrame de echilibru ale aliajelor binare, noţiuni generale despre diagramele de echilibru ale aliajelor ternare şi noţiuni generale de tratamente termice. Pentru a ajuta la fixarea cunoştinţelor legate de studiul aliajelor cu ajutorul diagramelor de echilibru se prezintă şi câteva aplicaţii rezolvate .

Timpul mediu necesar asimilării modulului: 18 ore

Capitolul 2 Metale, aliaje şi diagrame de echilibru fazic

49

METALE , ALIAJE SI DIAGRAME DE

ECHILIBRU FAZIC

2.1. Introducere

Metalele sunt elemente chimice cu caracter electropozitiv (elemente care

în procesele chimice cedează electroni, transformându-se în ioni pozitivi).

Metalele se caracterizează prin următoarele proprietăţi fizice:

* au conductibilitatea termică şi electrică ridicată;

* au rezistivitatea electrică crescătoare odată cu temperatura;

* sunt opace şi prezintă un luciu specific (luciu metalic);

* sunt maleabile şi ductile.

Aceste proprietăţi au la bază structura atomică a metalelor. În cazul

metalelor numai electronii apropiaţi de nucleu aparţin unui orbital atomic

individual (orbitalul fiind, prin definiţie, zona din jurul unui nucleu atomic în care

se înscriu cu cea mai mare probabilitate traiectoriile de mişcare ale electronilor).

Orbitalii care conţin electronii învelisului atomic exterior (electronii de valenţă) se

contopesc, dând naştere unor orbitali care se extind peste întregul edificiu de

atomi al unui metal; se spune că aceşti electroni, slab legaţi de nucleele atomice şi

caracterizaţi prin niveluri energetice ridicate şi o mare mobilitate, aparţin

ansamblului de atomi ai metalului şi formează un nor (gaz) electronic. Prin

urmare, orice metal (corp metalic) se poate considera ca fiind alcătuit dintr-un

ansamblu de ioni pozitivi (atomii fără electronii de valenţă) şi norul electronic.

Interacţiunea complexă dintre ionii pozitivi şi norul electronic determină existenţa

la metale a legăturii chimice specifice, numită legătură metalică (cu trăsături

asemănătoare legăturii covalente, numai că, spre deosebire de legătura covalentă,

la care electronii de valenţă sunt colectivizaţi la nivelul unei perechi de atomi, în

STIINTA MATERIALELOR

50

cazul legăturii metalice colectivizarea electronilor se extinde pe întregul edificiu

de atomi existent).

Deşi simplificată, descrierea de mai sus a structurii atomice a metalelor

permite explicarea principalelor proprietăţi fizice ale acestora; astfel, mobilitatea

mare a norului electronic determină conductibilitatea ridicată a metalelor,

capacitatea norului electronic de a absorbi lumina explică opacitatea corpurilor

metalice, posibilitatea deplasării şi rearanjării uşoare a ionilor pozitivi care

compun piesele metalice explică maleabilitatea şi ductilitatea acestora etc.

Principalele elemente chimice care aparţin clasei metalelor sunt marcate în

tabelul periodic al elementelor, prezentat în tabelul 1.1, iar caracteristicile fizico-

chimice ale metalelor cu cele mai mari ponderi de utilizare în tehnicã sunt redate

în tabelul 1.2. Aliajele sunt materiale metalice omogene la scară macroscopică, obţinute

în mod obişnuit prin solidificarea unor faze lichide (topituri) care conţin speciile

atomice ale mai multor elemente chimice.

Elementele chimice conţinute în structura unui aliaj sunt denumite

componentele aliajului. Orice aliaj are în compoziţie un component principal

(numit şi component de bază) metalic şi unul sau mai multe componente

secundare (numite şi componente de aliere) metalice sau nemetalice.

Totalitatea aliajelor alcătuite din aceleaşi componente, luate în diferite

proporţii, formează un sistem de aliaje.

În funcţie de numărul componentelor, aliajele şi sistemele de aliaje pot fi:

binare (cu două componente), ternare (cu trei componente), cuaternare (cu patru

componente) şi polinare sau complexe (cu mai multe componente).

Compoziţia aliajelor se defineşte prin concentraţiile masice sau atomice

ale componentelor acestora (conţinuturile procentuale masice sau atomice ale

componentelor). De exemplu, pentru un aliaj binar, având componentele A (cu

masa atomică maA şi valenţa vA) şi B ( cu masa atomică maB şi valenţa vB),

compoziţia se exprimă prin:

* concentraţiile masice ale componentelor (%Am; %Bm):

100M

M AmA% = ; 100100

MM B

mm A%B% =−= , (2.1)

MA şi MB fiind masele componentelor A şi B corespunzătoare unei mase M de

aliaj (evident, M = MA + MB);


51

* concentraţiile atomice ale componentelor (%Aat; %Bat):

100NA

NAAatA% = ; 100100

NANAB

atat A%B% =−= , (2.2)

NAA şi NAB fiind numărul atomilor care alcătuiesc masele MA şi MB ale

componentelor, iar NA - numărul total de atomi în aliaj (NA = NAA + NAB); între

concentraţiile atomice şi concentraţiile masice ale componentelor aliajului binar

există relaţiile:

100

B

m

A

m

A

m

at

amB%

amA%

amA%

A%+

= ; 100

B

m

A

m

B

m

at

amB%

amA%

amB%

B%+

= (2.3)

Pentru aliajul considerat se poate determina şi concentraţia electronică,

definită ca fiind raportul dintre numărul total al electronilor de valenţă şi

numărul total al atomilor care alcătuiesc masa M de aliaj; relaţia de calcul a

concentraţiei electronice a aliajului binar este:

( )BatAate vBvAC %%100

1 += (2.4)

Sistemul reprezentat de un aliaj se găseşte în stare de echilibru termodinamic

(energia liberă a sistemului este minimă), dacă componentele sale se distribuie în

structura aliajului, funcţie de natura şi intensitatea forţelor de legătură interatomică şi de

condiţiile de temperatură şi presiune în care se află aliajul, sub formă de faze.

Faza este o parte structurală omogenă a unui aliaj, delimitată în structura

aliajului prin suprafeţe de separaţie (interfeţe) şi caracterizată prin proprietăţi fizico-

chimice specifice. Compoziţiile fazelor din structura aliajelor se definesc şi se exprimă

utilizând aceleaşi caracteristici ca şi în cazul aliajelor: concentraţiile masice sau atomice

ale componentelor şi concentraţia electronică.

Natura, numărul şi proporţia fazelor existente la un moment dat în

structura unui aliaj definesc constituţia aliajului (în condiţiile de temperatură şi

presiune în care acesta se află la momentul respectiv).

Numărul factorilor de influenţă externi şi interni care se pot modifica fără a se

schimba numărul fazelor care alcătuiesc structura aliajelor unui sistem este denumit

varianţa sistemului sau numărul gradelor de libertate ale sistemului.

Între varianţa unui sistem V numărul componentelor acestuia k şi numărul

fazelor f ce coexistă în structura sistemului (în condiţii date privind temperatura şi


52

presiunea) există o relaţie numită legea fazelor (Gibss), având următoarea formulare

analitică:

V = k - f + 2 (2.5)

În cazul în care presiunea este constantă sau nu afectează sistemul (aşa cum se

întâmplă în marea majoritate a cazurilor la elaborarea, prelucrarea sau utilizarea aliajelor),

ca factor extern de influenţă acţionează numai temperatura şi expresia analitică a legii

fazelor este:

V = k - f + 1 (2.6)

Deoarece V ≥ 0, rezultă condiţia f ≤ k + 1 (numărul de faze din structura

aliajelor unui sistem este mai mic sau cel mult egal cu numărul componentelor

sistemului plus unu).

2.2. Fazele solide din structura aliajelor

Tipul fazelor care alcătuiesc structura unui aliaj aflat în stare solidă este

determinat de raportul forţelor de atracţie dintre atomii diverselor componente ale

aliajului. Fazele specifice structurii aliajelor solide sunt: soluţiile solide, compuşii

chimici (compuşii intermetalici) şi metalele pure.

2.2.1. Soluţiile solide

Soluţiile solide se formează în structura unui aliaj atunci când forţele de

atracţie dintre atomii diferiţi (aparţinând diverselor componente ale aliajului) sunt

sensibil egale cu forţele de atracţie dintre atomii identici (aparţinând aceluiaşi

component); soluţiile solide au structura cristalină corespunzătoare unuia din

componentele metalice ale aliajului şi se caracterizează printr-o distribuţie

întâmplătoare (statistică) a atomilor componentelor aliajului în această structură.

În orice soluţie solidă din structura unui aliaj, componentul metalic al

aliajului (de obicei componentul de bază) care conferă soluţiei tipul structurii sale

cristaline şi asigură mediul în care se distribuie celelalte componente este numit

solvent sau dizolvant, în timp ce oricare alt component care participă la formarea

soluţiei solide (cu atomii distribuiţi aleator în structura cristalină a solventului)

este numit dizolvat sau solut. Soluţiile solide se notează cu litere greceşti sau prin

indicarea simbolului chimic al solventului, urmat de simbolurile componentelor


53

solut înscrise între paranteze; de exemplu, α ≡ Feα(C) reprezintă o soluţie solidă la

care solventul este fierul alfa , iar componentul solut este carbonul, iar

α ≡ Cu(Ni,Zn) - o soluţie la care solventul este cuprul, iar componentele dizolvate

sunt nichelul şi zincul).

Dacă componentele unui sistem de aliaje formează soluţii solide oricare

sunt rapoartele dintre conţinuturile lor procentuale (rapoartele dintre concentraţiile

lor), se spune că aceste componente prezintă solubilitate totală în stare solidă,

iar dacă componentele unui sistem de aliaje pot forma soluţii solide numai când

rapoartele dintre concentraţiile lor se află în anumite intervale de valori, se spune

că aceste componente au solubilitate parţială (limitată) în stare solidă.

În funcţie de poziţiile în care sunt distribuiţi atomii componentelor solut

în structura cristalină a componentului solvent, soluţiile solide pot fi: soluţii

solide de substituţie (de înlocuire); soluţii solide de pătrundere (interstiţiale).

2.2.1.1. Soluţiile solide de substituţie se caracterizează prin faptul că

atomii componentelor solut sunt distribuiţi în nodurile structurii cristaline a

componentului solvent (o parte din nodurile structurii cristaline a solventului sunt

ocupate de atomii componentelor solut).

În general, soluţiile solide de substituţie sunt neordonate, atomii

componentelor solut fiind neuniform (statistic) distribuiţi în nodurile structurii

cristaline a solventului (aşa cum sugerează schema din figura 2.1. a); altfel spus,

soluţiile solide de substituţie îşi asigură, de obicei, stabilitatea termodinamică

printr-un grad ridicat de neuniformitate a distribuţiei atomilor componentelor

solut, care le conferă valori ridicate ale entropiei şi niveluri minime ale energiei

libere. Unele soluţii solide de substituţie ( neordonate la temperaturi înalte) adoptă

la temperaturi joase (sub o temperatură caracteristică, numită temperatură

Curie-Kurnakov) o distribuţie uniformă (ordonată) a atomilor componentelor

solut în nodurile structurii cristaline a solventului (v. fig. 2.1 b) şi sunt denumite

soluţii solide ordonate sau faze Kurnakov. De exemplu, aliajele sistemelor Cu-

Zn, Fe-Al, Fe-Si etc. prezintă în structura la temperaturi înalte soluţii solide

neordonate, care, la temperaturi joase (sub temperatura Curie-Kurnakov), devin

soluţii solide ordonate.

Solubilitatea componentelor care formează soluţii solide de substituţie

este influenţată de mai mulţi factori: a) tipul structurilor cristaline ale


54

componentelor; b) dimensiunile atomilor componentelor; c) diferenţa între

electronegativităţile componentelor (diferenţa între capacităţile de a atrage

electroni ale componentelor); d) diferenţa între valenţele componentelor

(care, aşa cum arată relaţia (2.4), determină mărimea concentraţiei electronice

a aliajului). Astfel, pentru ca două componente să prezinte solubilitate totală

în stare solidă, este necesar să fie îndeplinite următoarele condiţii:

* componentele trebuie să aibă acelaşi tip de structură cristalină

(componentele trebuie să fie izomorfe); de exemplu, cuprul şi nichelul, având acelaşi

tip de structură cristalină (CFC), prezintă solubilitate totală în stare solidă şi formează

o serie continuă de soluţii solide α ≡ Cu(Ni) ≡ Ni(Cu), în timp ce cuprul şi zincul,

având structuri cristaline diferite (Cu - CFC, iar Zn - HC), prezintă solubilitate

parţială în stare solidă şi formează soluţia solidă parţială α ≡ Cu(Zn);

* componentele trebuie să aibă dimensiuni (raze) atomice apropiate; s-a

constatat că două componente metalice (având razele atomice rA şi rB, rA > rB) pot

avea solubilitate totală în stare solidă dacă diferenţa relativă a razelor lor atomice,

definită cu relaţia 100A

BAr r

rrd −= , este mai mică decât 8 % ; dacă diferenţa dr > 15 %,

solubilitatea este parţială, iar dacă 8 % < dr < 15 %, solubilitatea poate fi totală sau

parţială, funcţie de gradul de îndeplinire al celorlalte condiţii;

* componentele trebuie să aibă electronegativitate similară şi o structură

asemănătoare a învelişului atomic de valenţă; îndeplinirea acestei condiţii impune ca

elementele componente să aparţină aceleiaşi grupe a sistemului (tabelului) periodic al

elementelor (sau unor grupe adiacente).

Îndeplinirea simultană a tuturor condiţiilor anterior formulate este dificilă şi,

ca urmare, din cele aproximativ 1400 de sisteme de aliaje binare cu utilizare tehnică şi

industrială, numai 60 de sisteme au componentele cu solubilitate totală în stare solidă.

2.2.1.2. Soluţiile solide interstiţiale se caracterizează prin faptul că

atomii componentelor solut sunt distribuiţi în interstiţiile (locurile libere) din

structura cristalină a componentului solvent.

Soluţiile solide interstiţiale sunt neordonate, atomii componentelor solut

fiind neuniform (statistic) distribuiţi în interstiţiile structurii cristaline a

solventului, (aşa cum sugerează schema prezentată în figura 2.1. c).


55

Fig. 2.1. Structura cristalină a soluţiilor solide:

a - soluţii solide de substituţie neordonate; b - soluţii solide de substituţie ordonate; c - soluţii solide interstiţiale

Un component metalic (solvent) poate dizolva interstiţial un alt component

(solut) numai dacă dimensiunile atomice ale solutului sunt asemănătoare

dimensiunilor interstiţiilor din structura cristalină a solventului; deoarece

dimensiunile interstiţiilor din structurile cristaline ale metalelor sunt foarte mici,

soluţiile solide interstiţiale au componentele solut nemetalice, dintre elementele cu

număr mic de ordine în sistemul (tabelul) periodic al elementelor (caracterizate prin

dimensiuni atomice reduse): hidrogen, bor, carbon, azot, oxigen. Dizolvarea

interstiţială a unei componente solut determină apariţia unor deformaţii şi distorsiuni

ale structurii cristaline a solventului şi, ca urmare, capacitatea oricărei componente

(metalice) solvent de a dizolva interstiţial diverse componente solut este limitată

(solubilitatea componentelor care formează soluţii solide interstiţiale este parţială).

2.2.2. Compuşii intermetalici (chimici)

Compuşii intermetalici (chimici) se formează în structura unui aliaj atunci

când forţele de atracţie dintre atomii diferiţi (aparţinând diverselor componente

ale aliajului) sunt mai mari decât forţele de atracţie dintre atomii identici

(aparţinând aceluiaşi component) şi există tendinţa ca atomii unor componente să

se înconjoare simetric cu atomii altor componente ale aliajului; legăturile chimice

dintre atomii componentelor care formează compuşi intermetalici pot fi de tip

metalic, covalent, ionic sau mixt.

Compuşii intermetalici se caracterizează prin:

* structuri cristaline proprii (atomii componentelor care formează un compus

intermetalic sunt distribuiţi în nodurile şi/sau interstiţiile structurii cristaline a

compusului, care diferă de obicei de structurile cristaline ale componentelor);


56

* valori de bază strict definite (fixe) ale concentraţiilor componentelor care

îi alcătuiesc (valori constante ale rapoartelor stoechiometrice ale componentelor).

Datorită acestor caracteristici, orice compus intermetalic are:

* o formulă chimică proprie; de exemplu, compuşii intermetalici binari au

formule chimice de tipul AnBm, în care indicii m şi n, ataşaţi simbolurilor chimice

ale componentelor (A şi B), sunt numere naturale;

* proprietăţi fizico-chimice proprii, mult diferite, de obicei, de

proprietăţile corespunzătoare componentelor.

Pentru caracterizarea complexă a compuşilor intermetalici se practică

încadrarea lor în categorii, folosind diverse criterii.

a) Dacă se foloseşte drept criteriu de clasificare posibilitatea existenţei

compuşilor (ca faze unice ale aliajelor) la variaţia concentraţiilor componentelor

în jurul valorilor de bază care le definesc compoziţia, compuşii intermetalici se

încadrează în două categorii:

* compuşi definiţi sau faze daltonide, care se formează şi există numai când

concentraţiile componentelor au valorile de bază (constante) caracteristice acestora;

* compuşi de compoziţie variabilă sau faze bertholide, care se pot forma şi

exista şi când concentraţiile componentelor iau valori într-un interval (restrâns) ce

conţine valorile de bază (constante) caracteristice acestora; deoarece se poate

considera că aceşti compuşi (având structură cristalină proprie) se comportă ca nişte

componente solvent care pot dizolva (prin substituţie sau interstiţial) mici cantităţi

(suplimentare compoziţiei de bază) din componentele ce intră în alcătuirea lor, fazele

bertholide sunt denumite şi soluţii solide pe bază de compuşi chimici.

b) Dacă se foloseşte drept criteriu de clasificare comportarea la topire,

compuşii intermetalici se încadrează în două categorii:

* compuşi cu topire congruentă care se comportă la topire (solidificare)

la fel ca metalele pure: se topesc (se solidifică) la o temperatură constantă (în

general mai mare decât temperaturile de topire - solidificare ale componentelor

care îi alcătuiesc);

* compuşi cu topire incongruentă, care se descompun înainte de topire

(într-un amestec de faze lichide şi solide).

c) Dacă se utilizează drept criteriu factorul determinant al nivelului

energiei libere (factorul cu influenţă majoră asupra stabilităţii termodinamice),

compuşii intermetalici se încadrează în trei categorii:


57

* compuşi electrochimici (MgSe, PtAl2, ZnS, MnS, FeS, AuSn etc.), la

care factorul principal care le determină formarea şi le asigură stabilitatea este

afinitatea electrochimică a componentelor; de obicei compuşii electrochimici sunt

compuşi definiţi, cu topire congruentă, caracterizaţi prin legături interatomice

ionice sau covalente şi structuri cristaline de tip cubic sau hexagonal;

* compuşi geometrici, la care formarea şi stabilitatea sunt determinate

primordial de existenţa anumitor rapoarte între dimensiunile atomice ale

componentelor; în această categorie se situează trei tipuri de compuşi:

- fazele Laves (MgCu2, MgZn2, MgNi2 etc.) - compuşi cu formula

chimică AB2, care se formează între componente având raportul razelor atomice

aB

aArr = 1,225, raport ce asigură o mare compactitate a aranjamentului atomilor

componentelor în structura cristalină (complexă) a acestor compuşi;

- fazele sigma (VFe, FeCr, MnCr etc.) - compuşi cu structură

cristalină complexă, care se formează între metalele de tranziţie având diferenţa

relativă a razelor atomice mai mică decât 8 %;

- fazele de pătrundere sau compuşii interstiţiali (Fe4N, Fe3C,

TiC, VC, W2C etc.) - compuşi cu structură cristalină simplă sau complexă, care se

formează între metalele de tranziţie şi elementele chimice (nemetalice) cu rază

atomică mică: hidrogen, carbon, azot, bor etc.;

* compuşi electronici (AgCd, AuCd, NiAl, AgZn, Cu31Sn8 etc.), la care

formarea şi stabilitatea sunt determinate de asigurarea unei anumite concentraţii

electronice (formarea acestora are la bază tendinţa componentelor de a realiza o

structură cristalină comună, caracterizată printr-un nivel minim al energiei interne

a gazului electronic).

2.2.3. Metalele pure Metalele pure pot fi faze ale structurii unui aliaj atunci când forţele de

atracţie dintre atomii diferiţi (aparţinând diverselor componente ale aliajului) sunt

mai mici decât forţele de atracţie dintre atomii identici (aparţinând aceluiaşi

component). Caracteristicile structurale ale metalelor pure au fost precizate în

capitolul 1.


58

2.3. Constituenţii structurali (metalografici) ai aliajelor

Constituenţii structurali (metalografici) sunt părţile care se evidenţiază

la examinarea microscopică a structurii aliajelor.

Constituenţii structurali ai aliajelor se încadrează în două categorii:

a) constituenţi monofazici sau constituenţi omogeni; b) constituenţi

multifazici (bifazici) sau constituenţi eterogeni.

a) Din categoria constituenţilor monofazici fac parte soluţiile solide,

compuşii itermetalici şi metalele pure.

b) Din categoria constituenţilor multifazici (bifazici) fac parte

amestecurile mecanice de faze de acelaşi tip sau de tipuri diferite, separate

simultan dintr-o fază lichidă (topitură) sau dintr-o soluţie solidă.

Procesul prin care se separă dintr-o fază lichidă un amestec de faze solide

se numeşte transformare eutectică, iar amestecul mecanic de faze rezultat din

acest proces este denumit eutectic.

Procesul prin care se separă dintr-o soluţie solidă un amestec de faze

solide se numeşte transformare eutectoidă, iar amestecul mecanic de faze solide

rezultat prin realizarea acestui proces este denumit eutectoid.

Caracterizarea metalografică a diverşilor constituenţi structurali ai aliajelor

(studierea aspectului constituenţilor structurali ai aliajelor cu ajutorul microscopiei

metalografice) face obiectul unei lucrări de laborator.

2.4. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare

2.4.1. Principiile reprezentării şi utilizării diagramelor de echilibru

Diagramele de echilibru sunt reprezentări grafice, în funcţie de

temperatură şi compoziţie chimică, ale domeniilor de stabilitate a fazelor în

sistemele de aliaje. Pentru reprezentarea unei diagrame de echilibru este necesar un

număr de axe de coordonate egal cu numărul componentelor sistemului k (o axă

pentru temperatură şi k-1 axe pentru valorile independente ale concentraţiilor

componentelor). Ca urmare, singurele diagrame de echilibru care pot fi reprezentate

în plan şi se pot analiza cu uşurinţă sunt diagramele de echilibru ale sistemelor de


59

aliaje binare, folosite (din aceste motive) ca instrumente de bază pentru studierea

caracteristicilor structurale ale aliajelor destinate aplicaţiilor tehnice.

Pe diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare, domeniile de

stabilitate a fazelor sunt separate prin linii de transformare fazică,

corespunzătoare unor transformări fazice de tip lichid - solid (cum ar fi:

cristalizarea primară sau topirea , transformarea eutectică, descompunerea sau

formare compuşilor intermetalici cu topire incongruentă) sau de tip solid - solid

(cum ar fi: transformările alotropice ale componentelor, modificările în funcţie de

temperatură ale solubilităţii componentelor, transformarea eutectoidă, ordonarea

soluţiilor solide de substituţie).

La reprezentarea şi utilizarea diagramelor de echilibru ale sistemelor de

aliaje binare se aplică următoarele reguli:

a) orice diagramă are în ordonată temperatura, iar în abscisă

concentraţia (masică sau atomică) a unuia din componentele (A,B) care

definesc sistemul (între concentraţiile componentelor oricărui aliaj binar

există relaţia %A + %B = 100 % şi, ca urmare, orice abscisă a diagramei

defineşte complet compoziţia unui aliaj al sistemului);

b) o paralelă la axa ordonatelor diagramei reprezintă un aliaj al

sistemului cu evoluţia sa structurală la diferite temperaturi; paralela la axa

ordonatelor corespunzătoare unui aliaj al sistemului este denumită verticala

aliajului;

c) pe orice linie de transformare fazică a diagramei coexistă în echilibru

toate fazele din domeniile adiacente acesteia;

d) o izotermă trasată într-un domeniu bifazic al diagramei intersectează

liniile de transformare fazică ce mărginesc domeniul în puncte ale căror abscise

definesc compoziţiile celor două faze care coexistă în echilibru la temperatura

corespunzătoare izotermei; această regulă este denumită regula izotermei;

e) o izotermă trasată într-un domeniu monofazic al diagramei

intersectează liniiile de transformare fazică ce mărginesc domeniul în puncte ale

căror abscise definesc limitele intervalelor de variaţie a concentraţiiilor

componentelor pentru care faza din domeniul respectiv există ca fază unică la

temperatura corespunzătoare izotermei.

Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje se construiesc prin metode


60

teoretice (analitice) sau experimentale.

În funcţie de numărul liniilor de transformare fazică pe care le conţin,

diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pot fi simple sau complexe.

Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare reale (utilizate în tehnică)

sunt în general complexe; studierea şi utilizarea lor este posibilă, dacă se

descompun în diagrame simple, de tipul celor prezentate în continuare.

2.4.2. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare ale căror componente au solubilitate totală

atât în stare lichidă, cât şi în stare solidă Solubilitate totală a componentelor unui sistem de aliaje binare se realizează

dacă cele două componente sunt metalice şi îndeplinesc condiţiile precizate în scap.

2.2. Dintre sistemele de aliaje reale care corespund acestor condiţii se pot aminti:

Ag-Au; Au-Cu; Au-Ni; Au-Pt; Cr-Mo; Cu-Ni; Cu-Pt; Nb-V; Ni-Pt; Ir-Pt.

In structura aliajelor aparţinând sistemelor binare de acest tip pot exista două

faze: soluţia lichidă a componentelor A şi B ale sistemului, notată L şi soluţia solidă

de substituţie a componentelor A şi B ale sistemului, notată α ≡ A(B) ≡ B(A).

Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are configuraţia

prezentată în figura 2.2. Analizând diagrama rezultă că aceasta conţine două

linii de transformare fazică: linia deasupra căreia toate aliajele sistemului se

află în stare lichidă, numită linia lichidus şi linia sub care toate aliajele din

sistem se află în stare solidă, numită linia solidus, iar punctele de intersecţie

ale celor două linii au ordonatele corespunzătoare temperaturilor de

solidificare (topire) ale componentelor A şi B (notate în diagramă tsA şi tsB);

cele două linii de transformare fazică delimitează în spaţiul diagramei trei

domenii: două domenii monofazice, unul conţinând faza lichidă L şi celălalt −

soluţia solidă α şi un domeniu bifazic, conţinând ambele faze (L+α). Aplicând

legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obţin următoarele rezultate: în domeniile

monofazice ale diagramei, k = 2; f = 1 şi V = k - f + 1 = 2 (sistemul este bivariant),

iar în domeniul bifazic şi pe liniile de transformare fazică, cu excepţia punctelor tsA şi

tsB, k = 2; f = 2 şi V = k - f + 1 = 1 (sistemul este monovariant), iar în punctele tsA şi tsB,

k = 1; f = 2 şi V = k - f + 1 = 0 (sistemul este invariant).

Diagrama de echilibru se poate utiliza cu uşurinţă pentru a analiza


61

modificările de structură la răcirea sau încălzirea oricărui aliaj al sistemului. De

exemplu, pentru a analiza modificările de structură la răcirea din stare lichidă a

unui aliaj, având compoziţia (exprimată prin concentraţiile masice sau atomice ale

componentelor): %A = a; %B = 100 - a, se trasează pe diagramă verticala

corespunzătoare aliajului (verticala I în figura 2.2) şi se marchează pe aceasta

temperaturile caracteristice: t0 - temperatura iniţială a aliajului lichid supus răcirii,

t1 şi t2 temperaturile corespunzătoare punctelor de intersecţie dintre verticala

aliajului şi liniile lichidus şi solidus ale diagramei şi ta - temperatura ambiantă;

rezultatele analizei se prezintă astfel:

* la t0, când începe procesul de răcire, aliajul se află în stare lichidă

(punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se află în domeniul monofazic L

al diagramei); deoarece în domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menţine în

stare lichidă până la t1 (temperatura aliajului poate scădea până la t1 fără a se

modifica numărul fazelor care alcătuiesc structura aliajului) şi curba de răcire a

aliajului (v. figura 2.3) este convexă, având expresia analitică de forma

(Newton), τ⋅−⋅= qett 0 , q fiind o constantă, iar t - temperatura aliajului după un

timp τ de la începerea procesului de răcire;

* la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizează starea aliajului se

află pe linia lichidus, sunt create condiţiile termodinamice de coexistenţă a

fazelor L şi α şi poate fi demarat procesul de cristalizare primară a aliajului

(transformarea fazei lichide L în cristale de soluţie solidă α); deoarece pe liniile

lichidus şi solidus şi în domeniul bifazic L + α V = 1, fazele L şi α pot coexista

chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare, cristalizarea primară se

produce la răcirea aliajului între t1 şi t2; în timpul solidificării aliajului se degajă

căldură (căldura latentă de cristalizare), pierderile de căldură în exterior sunt

parţial compensate şi curba de răcie a aliajului este concavă (v. figura 2.3);

* la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primară este încheiat şi

structura aliajului este alcătuită numai din cristale de soluţie solidă α; deoarece în

domeniul monofazic α V = 2, aliajul îşi menţine structura monofazică α până la ta

(temperatura poate scădea de la t2 până la ta fără a se modifica numărul fazelor din

structura aliajului) şi curba de răcire a aliajului (v. figura 2.3) este convexă.

Analizând în detaliu procesul de cristalizare primară a aliajului considerat

se poate constata că în cursul răcirii aliajului între t1 şi t2 (temperaturile între care


62

are loc cristalizarea primară) compoziţiile fazelor ce coexistă în echilibru se

modifică continuu; astfel, aplicând regula izotermei, rezultă (v. figura 2.2):

* la temperatura t1 (temperatura la care începe cristalizarea primară),

soluţia lichidă are compoziţia corespunzătoare aliajului (%A = a; %B = 100 - a),

iar germenii cristalini de soluţie solidă α au compoziţia corespunzătoare abscisei

punctului Gc (%A = aG > a; %B = 100 - aG < 100 - a), adică sunt mai bogaţi în

componenta mai greu fuzibilă (A) şi mai săraci în componenta mai uşor fuzibilă

(B) decât aliajul;

* la o temperatură tx ∈ (t1;t2), compoziţia soluţiei lichide corespunde

abscisei punctului Lx (%A = aLx < a; %B = 100 − aLx > 100 − a), iar

compoziţia soluţiei solide α corespunde abscisei punctului Gx ( %A = aGx < aG;

%B = 100 − aGx > 100 − aG);

* la temperatura t2 (temperatura la care se sfârşeşte cristalizarea primară),

soluţia lichidă are compoziţia corespunzătoare punctului Ls (%A = aL < aLx < a ;

%B = 100 - aL > 100 - aLX > 100 - a ), adică este mai săracă în componenta mai

greu fuzibilă (A) şi mai bogată în componenta mai uşor fuzibilă (B) decât aliajul,

iar ultimele formaţiuni cristaline de soluţie solidă α care apar au compoziţia

corespunzătoare aliajului (%A = a; %B = 100 − a).

Fig. 2.2 Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare ale căror componente au solubilitate totală atât

în stare lichidă, cât şi în stare solidă

Fig. 2.3 Curba de răcire a aliajului I şi fazele corespunzătoare structurilor

la diferite temperaturi

Aceste rezultate conduc la următoarele concluzii:

- în timpul cristalizării primare a aliajului considerat (în intervalul de

temperaturi t1 - t2), compoziţia soluţiei lichide variază după curba lichidus (între

abscisele corespunzătoare punctelor t1 şi Ls), iar compoziţia soluţiei solide α care


63

se formează variază după curba solidus (între abscisele corespunzătoare punctelor

Gc şi t2);

- cristalele de soluţie solidă α care se formează în procesul de cristalizare

primară sunt neomogene şi prezintă aspectul numit segregaţie dendritică, adică

au axele dendritice (formate la începutul solidificării) bogate în componentul mai

greu fuzibil (A) şi sărace în componentul mai uşor fuzibil (B) şi zonele marginale

(formate spre sfârşitul solidificării) sărace în componentul mai greu fuzibil (A) şi

bogate în componentul mai uşor fuzibil (B).

Ultima concluzie este valabilă numai dacă aliajul este răcit cu viteză prea

mare în intervalul de solidificare (nu sunt realizate integral condiţiile de echilibru

termodinamic la toate nivelurile de temperatură din intervalul t1 - t2). Dacă răcirea

aliajului în intervalul de solidificare se face foarte lent, se crează condiţiile de

uniformizare prin difuzie a compoziţiei chimice şi formaţiunile de soluţie solidă α

existente la orice temperatură tx ∈ (t1;t2) vor avea în toată masa lor compoziţia

corespunzătoare stării de echilibru (compoziţia corespunzătoare abscisei punctului

Gx, situat la intersecţia izotermei tx cu linia solidus a diagramei de echilibru). În

această situaţie sunt realizate continuu condiţiile de echilibru interfazic în timpul

procesului de cristalizare primară şi structura aliajului după solidificare este

formată din cristale de soluţie solidă omogenă α .

Diagrama de echilibru se poate utiliza şi pentru stabilirea datelor necesare

determinării conţinuturilor (cantităţilor) procentuale de faze ale structurii unui

aliaj la o anumită temperatură. Pentru a prezenta modul în care se pot determina

conţinuturile procentuale de faze ale structurii unui aliaj a cărei verticală

traversează un domeniu bifazic al diagramei de echilibru, se consideră aliajul

anterior analizat şi temperatura tx din intervalul de solidificare al acestuia (v.

figura 2.2). La tx, o masă m de aliaj, cu compoziţia (exprimată prin concentraţiile

masice ale componentelor): %A = a; %B = 100 − a , este alcătuită din două faze: o

masă mL de soluţie lichidă L, cu compoziţia: %A = aLx; %B = 100 − aLx şi o masă

mα de soluţie solidă α, cu compoziţia: %A = aGx; %B = 100 − aGx şi, ca urmare, se

pot da formulări analitice următoarelor condiţii:

- suma maselor celor două faze care alcătuiesc structura este egală cu

masa aliajului:


64

mL + mα = m; (2.7)

- suma maselor de component A din cele două faze care alcătuiesc

structura este egală cu masa corespunzătoare componentului A în aliaj:

mLaLx + mαaGx = ma. (2.8)

Înmulţind cu 0100 ≠m

fiecare din relaţiile (2.7) şi (2.8), se obţine următorul

sistem de două ecuaţii, având ca necunoscute %L şi %α, conţinuturile procentuale

(masice) de faze în structura la tx a aliajului analizat:

%L + %α = 100 ;

%LaLx + %αaGx = 100a; (2.9)

prin rezolvarea sistemului (2.9) se obţin soluţiile:

100LxGx

Gxaa

aaL%−

−= ; %α = 100 − %L = 100

LxGx

Lxaa

aa−

− . (2.10)

Analizând relaţiile (2.10) se pot face următoarele observaţii:

* deoarece a, aLx şi aGx sunt abscisele punctelor tx, Lx şi Gx marcate pe

diagrama de echilibru din figura 2.2, relaţiile se pot scrie şi sub forma:

(2.11)

care sugerează o modalitate operativă de determinare a conţinuturilor procentuale

de faze la tx, cunoscută sub numele de regula segmentelor inverse;

* conţinuturile procentuale de faze la tx sunt în dependenţă liniară cu

compoziţia aliajului (exprimată prin concentraţia componentului A al aliajului

considerat %A = a).

Ultima observaţie se utilizează la construirea unor diagrame structurale

de faze şi/sau constituenţi (numite şi diagrame Tammann), la orice temperatură

tx, pentru un sistem de aliaje binare. De exemplu, pentru sistemul de aliaje analizat

diagrama structurală de faze la tx, având pe axa absciselor compoziţia aliajelor

sistemului şi pe axa ordonatelor conţinuturile procentuale de faze ale structurii

aliajelor sistemului, are configuraţia prezentată în figura 2.4.

Folosind datele prezentate anterior, se pot determina conţinuturile

procentuale de faze şi/sau constituenţi, pentru orice aliaj al sistemului şi orice

temperatură şi se poate ataşa fiecărui aliaj al sistemului o diagramă de variaţie a

conţinuturilor procentuale de faze şi/sau constituenţi în funcţie de


65

temperatură. De exemplu, pentru aliajul analizat (având %A = a şi %B = 100 - a)

diagrama de variaţie cu temperatura a conţinuturilor procentuale de faze (L şi α)

este prezentată în figura 2.5.

Fig. 2.4 Diagrama structurală (Tammann) a fazelor la temperatura tx.

Fig. 2.5 Variaţia cu temperatura a conţinutului de faze în aliajul cu %A = a

2.4.3. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă, insolubile în stare solidă, cu transformare eutectică

În structura aliajelor aparţinând sistemelor binare de acest tip pot exista

trei faze: soluţia lichidă a componentelor A şi B ale sistemului, notată L şi două

faze solide, componentele (metalele) pure A şi B ale sistemului. Dintre sistemele

de aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip se pot exemplifica Bi-Cd,

Al-Sn, Al-Ge, Be-Si.

Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are

configuraţia prezentată în figura 2.6. Analizând diagrama rezultă că aceasta

conţine două linii de transformare fazică, linia deasupra căreia toate aliajele

sistemului se află în stare lichidă, numită linia lichidus şi linia (dreapta, izoterma)

sub care toate aliajele din sistem se află în stare solidă, numită linia (dreapta)

solidus, iar punctele de intersecţie dintre linia lichidus şi cele două verticale ce

delimitează spaţiul diagramei au ordonatele corespunzătoare temperaturilor de

solidificare (topire) ale componentelor A şi B (notate în diagramă tsA şi tsB);

deoarece cele două linii de transformare fazică au comun punctul E, spaţiul

diagramei conţine patru domenii: un domeniu monofazic, conţinând faza lichidă

L şi trei domenii bifazice: L + A; L + B şi A + B. Aplicând legea fazelor pentru

acest sistem de aliaje, se obţin următoarele rezultate: în domeniile monofazic al


66

diagramei, k = 2; f = 1 şi V = k − f + 1 = 2 (sistemul este bivariant), în domeniile

bifazice şi pe linia lichidus, cu excepţia punctelor E, tsA şi tsB, k = 2; f = 2 şi

V = k − f + 1 = 1 (sistemul este monovariant), pe dreapta solidus (inclusiv punctul

E), k = 2; f = 3 şi V = k − f + 1 = 0 (sistemul este invariant), iar în punctele tsA şi

tsB, k = 1; f = 2 şi V = k − f + 1 = 0 (sistemul este, de asemenea, invariant).

Particularităţile formării structurilor la aliajele aparţinând acestui sistem se

pot evidenţia analizând modificările de structură la răcirea din stare lichidă a unui

aliaj, având compoziţia (exprimată prin concentraţiile masice sau atomice ale

componentelor): %A = a; %B = 100 − a. Pe verticala corespunzătoare aliajului,

trasată şi notată cu I pe diagrama din figura 2.6, sunt marcate temperaturile

caracteristice: t0 - temperatura iniţială a aliajului lichid supus răcirii, t1 şi t2

temperaturile corespunzătoare punctelor de intersecţie dintre verticala aliajului şi

liniile lichidus şi solidus ale diagramei şi ta - temperatura ambiantă; rezultatele

analizei se prezintă astfel:


(punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se află în domeniul monofazic L al

diagramei); deoarece în domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menţine în stare

lichidă până la t1 (temperatura aliajului poate scădea până la t1 fără a se modifica

numărul fazelor care alcătuiesc structura aliajului) şi curba de răcire a aliajului

(v.figura 2.7) este convexă, având expresia analitică de forma (Newton), τ⋅−⋅= qett 0 , q fiind o constantă, iar t - temperatura aliajului după un timp τ de la

începerea procesului de răcire;

Fig. 2.6 Diagrama de echilibru a sistemelor de

aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă, insolubile în stare solidă, cu

transformare eutectică

Fig. 2.7 Curba de răcire a aliajului cu %A = a, şi structura acestuia la diferite temperaturi


67


află pe linia lichidus, sunt create condiţiile termodinamice de coexistenţă a fazelor L

şi A şi este demarat procesul de formare a unor cristale de A din soluţia lichidă L;

deoarece pe linia lichidus şi în domeniul bifazic L + A, V = 1, fazele L şi A pot

coexista chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare, cristalele de A se

formează din L pe parcursul răcirii aliajului între t1 şi t2; în timpul formării

cristalelor de A se degajă căldură (căldura latentă de cristalizare), pierderile de

căldură în exterior sunt parţial compensate şi curba de răcie a aliajului este concavă

(v. figura 2.7); aplicând regula izotermei, se constată că formarea cristalelor de A

determină modificarea compoziţiei fazei lichide L (micşorarea concentraţiei

componentului A în faza lichidă) după segmentul t1E al liniei lichidus;

* la atingerea temperaturii t2, ce corespunde dreptei (izotermei) solidus,

V = 0, iar soluţia lichidă L are compoziţia corespunzătoare punctului E

(concentraţiile componentelor în soluţia lichidă sunt date de abscisa punctului E:

%A = e; %B = 100 − e); în aceste condiţii se produce transformarea:

L ⇒ (A + B); (2.12)

ţinând seama de datele prezentate în scap. 2.3, rezultă că transformarea ce are loc

la temperatura t2 şi constă din formarea simultană din soluţia lichidă L a cristalelor

componentelor A şi B este o transformare eutectică, iar amestecul mecanic de

faze solide (A + B) este un eutectic; deoarece transformarea eutectică se

desfăşoară la temperatură constantă, pe curba de răcire a aliajului analizat apare

un palier (v. figura 2.7);

* sub temperatura t2, răcirea aliajului se produce fără modificări structurale

şi curba de răcire este convexă (v.figura 2.7); la orice temperatură t < t2 (deci şi la

ta) structura aliajului este alcătuită din: a) faze: A şi B; b) constituenţi: A, separat

sub formă de cristale înainte de producerea transformării eutectice (separat

preeutectic) şi eutecticul (A + B).

Structura oricărui aliaj al sistemului se poate stabili, efectuând analiza

transformărilor sale structurale la răcirea din stare lichidă, la fel ca în cazul aliajului

anterior considerat. Pe această bază se poate constata că, ţinând seama de structura pe

care o prezintă în stare solidă, aliajele sistemului se pot încadra în trei categorii:

* aliaj eutectic, cu compoziţia corespunzătoare punctului E (%A = e;


68

%B = 100 − e) şi structura (în stare solidă) alcătuită dintr-un singur constituent:

eutecticul (A + B);

* aliaje hipoeutectice, cu %A < e (verticalele corespunzătoare acestor aliaje

sunt situate în diagrama de echilibru la stânga puntului E) şi structura (în stare

solidă) alcătuită din doi constituenţi: B (separat preeutectic) şi eutecticul (A+B);

* aliaje hipereutectice, cu %A > e (verticalele corespunzătoare acestor

aliaje sunt situate în diagrama de echilibru la dreapta puntului E) şi structura (în

stare solidă) alcătuită din doi constituenţi: A (separat preeutectic) şi eutecticul (A+B).

Fig. 2.8 Diagrama structurală (Tammann) a fazelor şi a constituenţilor la temperatura ta.

Fig. 2.9 Variaţia cu temperatura a conţinuturilor de faze şi de constituenţi în aliajul cu %A = a

Folosind principiile şi metodele prezentate în scap. 2.4.2, se pot construi

pentru sistemul de aliaje analizat diagramele structurale de faze şi constituenţi la

orice temperatură; de exemplu, diagramele structurale corespunzătoare

temperaturii ambiante sunt prezentate în figura 2.8. De asemenea, pentru orice

aliaj al sistemului, se pot construi diagramele de variaţie cu temperatura a

conţinuturilor procentuale de faze şi constituenţi; de exemplu, în figura 2.9 sunt

prezentate aceste diagrame pentru aliajul anterior analizat (aliajul cu %A = a)

2.4.4. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă, parţial solubile

în stare solidă, cu transformare eutectică În structura aliajelor aparţinând sistemelor binare de acest tip pot exista


faze solide, soluţiile solide parţiale ale componentelor sistemului, notate α ≡ A(B)


69

- soluţie solidă având ca solvent componentul A - şi β ≡ B(A) - soluţie solidă

având ca solvent componentul B. Dintre sistemele de aliaje reale care corespund

acestui tip se pot exemplifica: Cd-Zn, Pb-Sn, Pb-Sb.

Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are configuraţia

prezentată în figura 2.10. Analizând diagrama rezultă că aceasta conţine patru linii de

transformare fazică: linia lichidus tsBEtsA, deasupra căreia toate aliajele sistemului se

află în stare lichidă, linia solidus tsBMENtsA, sub care toate aliajele sistemului se află

în stare solidă şi liniile MP, NQ, numite linii solvus, de variaţie cu temperatura a

solubilităţilor reciproce ale componentelor A şi B şi, în consecinţă, de variaţie cu

temperatura a compoziţiei soluţiilor solide α şi β. Liniile de transformare fazică

delimitează în spaţiul diagramei 6 domenii: 3 domenii monofazice: L, α şi β şi trei

domenii bifazice: L + α, L + β, α + β. Aplicând legea fazelor pentru acest sistem de

aliaje, se obţin următoarele rezultate: în domeniile monofazice ale diagramei, V = 2

(sistemul este bivariant), în domeniile bifazice şi pe liniile de transformare fazică, cu

excepţia segmentului izoterm MEN al liniei solidus şi punctelor tsA, tsB, V = 1

(sistemul este monovariant), iar pe segmentul MEN şi în punctele tsA, tsB, V = 0

(sistemul este invariant).


pot evidenţia analizând transformările la răcirea din stare lichidă ale aliajelor

marcate pe diagrama de echilibru prin verticalele I, II şi III.

Aliajul I se analizează la fel ca aliajele aparţinând sistemelor binare ale

căror componente sunt complet solubile atât în stare lichidă, cât şi în stare solidă

(v. aliajul I discutat în scap.2.4.2); pe baza analizei rezultă că aliajul I are în stare

solidă o structură monofazică, alcătuită numai din cristale de soluţie solidă α.

Aliajul II suferă la răcirea din stare lichidă următoarele transformări:

* la t0 aliajul este în stare lichidă; deoarece în domeniul monofazic L, V = 2,

aliajul se menţine în stare lichidă până la t1, iar curba de răcire a acestuia este

convexă;

* între t1 şi t2 se produce cristalizarea primară a aliajului, din soluţia

lichidă L formându-se cristale de soluţie solidă α; în timpul procesului de

cristalizare primară se degajă căldura latentă de solidificare, pierderile de căldură

în exeterior sunt parţial compensate şi curba de răcire a aliajului este concavă;


70

* la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primară este încheiat

şi structura aliajului este alcătuită numai din cristale de soluţie solidă α ; deoarece

în domeniul α, V = 2, la răcirea în intervalul de temperaturi t2 − t3 aliajul îşi

menţine structura monofazică α , iar curba sa de răcire este convexă;

* sub temperatura t3, concentraţia componentului B al aliajului depăşeşte

conţinutul procentual de B care poate fi dizolvat de soluţia solidă α şi, ca urmare,

componenta B în exces ( care nu poate fi dizolvată în α) se separă sub formă de

soluţie solidă β (bogată în componentul B), numită fază secundară β şi notată β“

(pentru a o deosebi de soluţia solidă β care, la alte aliaje ale sistemului, se

formează la cristalizarea primară, din soluţia solidă L, şi este numită fază primară

β şi notată β‘); separarea soluţiei solide β“ este însoţită de o degajare de căldură

şi, ca urmare, curba de răcire a aliajului este concavă.

Fig. 2.10 Diagrama de echilibru a

sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în

stare lichidă, parţial solubile în stare solidă, cu transformare eutectică

Fig. 2.11 Curba de răcire a aliajului II şi structura sa la

diferite temperaturi

Fig. 2.12 Curba de răcire a aliajului III şi structura sa la

diferite temperaturi

Datorită modificărilor structurale descrise anterior şi evidenţiate sintetic de

curba de răcire prezentată în figura 2.11, aliajul analizat are structura la ta ( sub t3)

alcătuită din: a) faze: α şi β; b) constituenţi: α şi β“.

Aliajul III suferă la răcirea din stare lichidă următoarele transformări:

* la t0, când începe procesul de răcire, aliajul este în stare lichidă; deoarece

în domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menţine în stare lichidă până la t1, iar

curba de răcire a acestuia este convexă;


află pe linia lichidus, sunt create condiţiile de coexistenţă a fazelor L şi α şi este


71

demarat procesul de formare a unor cristale de soluţie solidă α din faza lichidă L;

deoarece pe linia lichidus şi în domeniul bifazic L + α , V = 1, fazele L şi α pot

coexista chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare, cristalele de α se

formează din L pe parcursul răcirii aliajului între t1 şi t2; formarea cristalelor de

α este însoţită de o degajare de căldură (curba de răcire a aliajului este concavă)

şi de o variaţie (descrescătoare) a concentraţiei componentului A în faza lichidă L

după linia t1E ;

* datorită transformării anterioare, la atingerea temperaturii t2

(corespunzătoare segmentului izoterm MEN al liniei solidus) concentraţia

componentului A în faza lichidă L corespunde abscisei punctului E şi sunt

îndeplinite condiţiile pentru desfăşurarea transformării eutectice:

LE ⇒ (αN + βM); (2.13)

deoarece pe segmentul izoterm MEN al curbei solidus, V = 0, transformarea

eutectică se produce la temperatură constantă şi curba de răcire a aliajului are un

palier la t2;

Fig. 2.13 Diagramele structurale (Tammann) pentru faze şi constituenţi la temperatura ta ale sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă, parţial solubile în

stare solidă, cu transformare eutectică * sub t2, solubilităţile reciproce ale componentelor corespunzătoare

fazelor α şi β se micşorează continuu (după liniile solvus NQ şi MP) iar

componentele A şi B în exces se separă sub formă de faze secundare α“ şi β“;

deoarece formaţiunile cristaline ale fazelor secundare au tendinţa de depunere pe

fazele de acelaşi tip preexistente, în structura microscopică a aliajului apare ca

fază secundară distinctă numai β“; procesul de separare a fazelor secundare este

însoţit de o degajare de căldură şi curba de răcire a aliajului este concavă.


curba de răcire prezentată în figura 2.12, aliajul analizat va avea structura la ta


72

(sub t2) alcătuită din: a) faze: α şi β; b) constituenţi: α (format preeutectic),

eutectic (α + β) şi fază secundară β“ (dispusă intercristalin în masa fazei

preeutectice α).

Aplicând principiile şi metodele prezentate anterior (v. scap.2.4.2) se pot

construi diagramele structurale (de faze şi constituenţi), la orice temperatură

pentru sistemul de aliaje binare analizat; de exemplu, diagramele structurale

corespunzătoare temperaturii ambiante sunt prezentate în figura 2.13.

2.4.5. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă,

parţial solubile în stare solidă, cu transformare peritectică

În structura aliajelor aparţinând sistemelor binare de acest tip pot exista


faze solide, soluţiile solide parţiale ale componentelor sistemului, notate α ≡ A(B)

- soluţie solidă având ca solvent componentul A - şi β ≡ B(A) - soluţie solidă

având ca solvent componentul B. Dintre sistemele de aliaje reale care corespund

acestui tip se pot exemplifica: Pt - Ag, Co-Re, Co-Ru, Pt-W.

Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are


conţine patru linii de transformare fazică: linia lichidus tsBNtsA, deasupra căreia

toate aliajele sistemului se află în stare lichidă, linia solidus tsBMPtsA, sub care

toate aliajele sistemului se află în stare solidă şi liniile MQ, PF, numite linii

solvus, de variaţie cu temperatura a solubilităţilor reciproce ale componentelor A

şi B şi, în consecinţă, de variaţie cu temperatura a compoziţiei soluţiilor solide α şi

β. Liniile de transformare fazică delimitează în spaţiul diagramei 6 domenii: 3

domenii monofazice: L, α şi β şi trei domenii bifazice: L + α, L + β, α + β.

Aplicând legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obţin următoarele rezultate:

în domeniile monofazice ale diagramei, V = 2 (sistemul este bivariant), în domeniile

bifazice şi pe liniile de transformare fazică, cu excepţia segmentului izoterm MPN

al liniei solidus şi punctelor tsA, tsB, V = 1 (sistemul este monovariant), iar pe

segmentul MPN şi în punctele tsA, tsB, V = 0 (sistemul este invariant).



73

pot evidenţia analizând transformările la răcirea din stare lichidă ale aliajelor

marcate pe diagrama de echilibru prin verticalele I, II, III şi IV.

Aliajul I se analizează la fel ca aliajele aparţinând sistemelor binare ale

căror componente sunt complet solubile atât în stare lichidă, cât şi în stare solidă

(v. aliajul I discutat în scap.2.4.2); pe baza analizei rezultă că aliajul I are în stare

solidă o structură monofazică, alcătuită numai din cristale de soluţie solidă α.

Aliajul II se analizează la fel ca aliajul II aparţinând sistemelor binare ale

căror componente sunt complet solubile atât în stare lichidă, parţial solubile în

stare solidă, cu transformare eutectică, prezentat în scap.2.4.4; pe baza analizei

rezultă că aliajul II are structura la ta (sub t3) alcătuită din: a) faze: α şi β;

b) constituenţi: α şi β“.

Fig. 2.14 Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă, parţial solubile în stare solidă, cu transformare peritectică

Fig. 2.15 Curba de răcire a aliajului III, şi structura sa la diferite temperaturi

Fig. 2.16 Curba de răcire

a aliajului IV, şi structura sa la diferite temperaturi

Aliajul III suferă la răcirea din stare lichidă următoarele transformări:

* la t0 aliajul este în stare lichidă; deoarece în domeniul monofazic L,

V = 2, aliajul se menţine în stare lichidă până la t1, iar curba de răcire a

acestuia este convexă;

* la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizează starea aliajului

se află pe linia lichidus, sunt create condiţiile de coexistenţă a fazelor L şi β şi

este demarat procesul de formare a unor cristale de soluţie solidă β din faza

lichidă L; deoarece pe linia lichidus şi în domeniul bifazic L + β, V = 1, fazele

L şi β pot coexista chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare, cristalele

de β se formează din L pe parcursul răcirii aliajului între t1 şi t2; formarea

cristalelor de β este însoţită de o degajare de căldură (curba de răcire a


74

aliajului este concavă) şi de variaţii (descrescătoare) ale concentraţiilor

componentului B în L (după linia t1N) şi în β (după linia tsBM);


(corespunzătoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraţia

componentului A în faza lichidă L corespunde abscisei punctului N,

concentraţia componentului A în soluţia solidă β corespunde abscisei punctului

M şi sunt îndeplinite condiţiile pentru desfăşurarea transformării:

L N + βM ⇒ αP; (2.14)

deoarece pe segmentul izoterm MPN al curbei solidus, V = 0, transformarea se

produce la temperatură constantă şi curba de răcire a aliajului are un palier la

t2; transformarea (2.14) începe prin formarea unui perete cristalin de soluţie

solidă α pe interfaţa dintre cristalele de soluţie solidă β şi faza lichidă L,

continuă (după formarea peretelui despărţitor de α între fazele β şi L) prin

îngroşarea peretelui cristalin de α, ca urmare a transferării prin difuzie a

componentelor A şi B între fazele reactante β şi L şi se sfârşeşte când una din

fazele reactante este epuizată (în cazul aliajului analizat, faza β); datorită

acestor particularităţi de desfăşurare transformarea (2.14) este denumită

transformare peritectică (reacţie pe perete);

* între t2 şi t3, procesul de cristalizare primară al aliajului este

definitivat, faza lichidă rămasă la sfârşitul transformării peritectice

solidificându-se sub formă de cristale de soluţie solidă α; procesul este însoţit

de o degajare de căldură şi curba de răcire a aliajului este concavă;

* la atingerea temperaturii t3 procesul de cristalizare primară este

încheiat şi structura aliajului este alcătuită numai din cristale de soluţie solidă

α ; deoarece în domeniul α, V = 2, la răcirea în intervalul de temperaturi t3 − t4

aliajul îşi menţine structura monofazică α , iar curba sa de răcire este convexă;

* sub temperatura t4, concentraţia componentului B al aliajului

depăşeşte conţinutul procentual de B care poate fi dizolvat de soluţia solidă α

şi, ca urmare, componentul B în exces (care nu poate fi dizolvată în α) se

separă sub formă de fază secundară β“ (bogată în componentul B); separarea

soluţiei solide β“ este însoţită de o degajare de căldură şi, ca urmare, curba

de răcire a aliajului este concavă.

Datorită modificărilor structurale descrise anterior şi evidenţiate sintetic


75

de curba de răcire prezentată în figura 2.15, aliajul analizat va avea structura

la ta (sub t4) alcătuită din: a) faze: α şi β; b) constituenţi: α şi β“.

Aliajul IV suferă la răcirea din stare lichidă următoarele transformări:




* la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizează starea aliajului

se află pe linia lichidus, sunt create condiţiile de coexistenţă a fazelor L şi β şi

este demarat procesul de formare a unor cristale de soluţie solidă β din faza

lichidă L; deoarece pe linia lichidus şi în domeniul bifazic L + β, V = 1, fazele

L şi β pot coexista chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare, cristalele

de β se formează din L pe parcursul răcirii aliajului între t1 şi t2; formarea

cristalelor de β este însoţită de o degajare de căldură (curba de răcire a

aliajului este concavă) şi de variaţii (descrescătoare) ale concentraţiilor

componentului B în L (după linia t1N) şi în β (după linia tsBM);



componentului A în faza lichidă L corespunde abscisei punctului N,

concentraţia componentului A în soluţia solidă β corespunde abscisei punctului

M şi sunt îndeplinite condiţiile pentru desfăşurarea transformării peritectice

(2.14); deoarece pe segmentul izoterm MPN al curbei solidus, V = 0,

transformarea peritectică se produce la temperatură constantă (curba de

răcire a aliajului are un palier la t2) şi se termină când este epuizată faza lichidă

L (aliajul este complet solidificat);

Fig. 2.17 Diagramele structurale (Tammann) pentru faze şi constituenţi la

temperatura ta ale sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile în stare lichidă, parţial solubile în stare solidă, cu transformare peritectică


76

* sub t2, solubilităţile reciproce ale componentelor corespunzătoare

fazelor α şi β se micşorează continuu (după liniile solvus PF şi MQ), iar

componentele A şi B în exces se separă sub formă de faze secundare α“ şi β“,

ambele vizibile ca faze distincte în structura aliajului.


curba de răcire prezentată în figura 2.16, aliajul analizat va avea structura la ta

(sub t2) alcătuită din: a) faze: α şi β; b) constituenţi: β (format preperitectic), α

(rezultat din reacţia peritectică), α“ (dispusă intercristalin în masa fazei β) şi β“

(dispusă intercristalin în masa fazei α).

Aplicând principiile şi metodele prezentate anterior (v. scap.2.4.2) se pot

construi diagramele structurale (de faze şi constituenţi), la orice temperatură

pentru sistemul de aliaje binare analizat; de exemplu, diagramele structurale

corespunzătoare temperaturii ambiante sunt prezentate în figura 2.17.

2.4.6. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ale căror componente au solubilitate totală în stare lichidă,

sunt insolubile sau parţial solubile în stare solidă şi formează compuşi intermetalici

În această categorie se încadrează mai multe tipuri de sisteme de

aliaje, difenţiate prin solubilitatea reciprocă a componenetelor în stare solidă

şi prin tipul compuşilor intermetalici formaţi de componente: faze daltonide

sau faze bertholide; compuşi cu topire congruentă sau compuşi cu topire

incongruentă.

Diagramele de echilibru ale acestor sisteme de aliaje binare se pot

analiza cu uşurinţă, deoarece pot fi descompuse în diagrame simple, de tipul

celor prezentate anterior.

Principalele tipuri de diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje

binare ce se încadrează în această categorie sunt prezentate în continuare.

2.4.6.1. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cărui

componente A şi B sunt insolubile în stare solidă şi formează compusul

definit (fază daltonidă) cu topire congruentă AnBm are configuraţia

prezentată în figura 2.18; o astfel de diagramă poate fi descompusă în

diagrame simple de tipul studiat în scap. 2.4.3. Dintre sistemele de aliaje


77

binare reale ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica:Ag-Ba; Ag-

Ce; Ag-Li; Ag-Sr; Al-Se; Au-Ce, Ce-Sn. Diagramele structurale (de faze şi

constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare de acest tip, corespunzătoare

temperaturii ambiante, sunt prezentate în figura 2.19.

Fig. 2.18. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cărui componente sunt insolubile în stare solidă şi formează un compus definit cu

topire congruentă

Fig. 2.19. Diagramele structurale (de faze şi

constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din fig. 2.18.


componente A şi B sunt parţial solubile în stare solidă şi formează

compusul definit (fază daltonidă) cu topire congruentă AnBm are

configuraţia prezentată în figura 2.20. Dintre sistemele de aliaje binare reale

ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica: Fe-As; Mg-Ca; Cr-Pd;

Fe-Zr. Diagramele structurale (de faze şi constituenţi) pentru sistemele de

aliaje binare de acest tip, corespunzătoare temperaturii ambiante, sunt

prezentate în figura 2.21.

Fig. 2.20. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cărui componente sunt parţial solubile în stare solidă şi formează un compus definit

cu topire congruentă


constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din fig. 2.20.


78


componente A şi B sunt parţial solubile în stare solidă şi formează

compusul cu compoziţie variabilă (fază bertholidă), cu topire congruentă,

AnBm, are configuraţia prezentată în figura 2.22; o astfel de diagramă poate fi

descompusă în diagrame simple de tipul studiat în scap. 2.4.4. Dintre sistemele de

aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica: Al-Li; Al-

Pd; Ga-Mg. Diagramele structurale (de faze şi constituenţi) pentru sistemele de

aliaje binare de acest tip, corespunzătoare temperaturii ambiante, sunt prezentate

în figura 2.23.

Fig. 2.22. Diagrama de echilibru a unui sistem

binar ale cărui componente sunt parţial solubile în stare solidă şi formează un compus cu compoziţie variabilă şi topire congruentă


constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.22.


componente A şi B sunt insolubile în stare solidă şi formează compusul

definit (fază daltonidă) cu topire incongruentă AnBm are configuraţia

prezentată în figura 2.24. Dintre sistemele de aliaje binare reale ce pot fi

considerate de acest tip, se pot exemplifica: Al-Ni; Al-Th; Au-Sb; Ba-Mg; Ce-Co.

Diagramele structurale (de faze şi constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare de

acest tip, corespunzătoare temperaturii ambiante, sunt prezentate în figura 2.25.

Particularităţile formării compusului intermetalic cu topire incongruentă,

AnBm, se pot evidenţia analizând modificările de structură la răcirea din stare

lichidă ale aliajului marcat în diagrama de echilibru prin verticala I.


V = 2, aliajul se menţine în stare lichidă până la t1, iar curba de răcire a acestuia

este concavă;


află pe linia lichidus, sunt create condiţiile de coexistenţă a fazelor L şi A şi este

demarat procesul de formare a unor cristale de component A din faza lichidă L;


79

deoarece pe linia lichidus şi în domeniul bifazic L + A, V = 1, fazele L şi A pot

coexista chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare, cristalele de A se

formează din L pe parcursul răcirii aliajului între t1 şi t2; formarea cristalelor de A

este însoţită de o degajare de căldură (curba de răcire a aliajului este concavă) şi de

variaţia (descrescătoare) a concentraţiei componentului A în L (după linia t1M );

Fig. 2.24. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cărui componente sunt insolubile în stare solidă şi formează un compus definit cu

topire incongruentă


constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.24.



componentului A în faza lichidă L corespunde abscisei punctului M şi sunt

îndeplinite condiţiile pentru desfăşurarea transformării (de tip peritectic):

L M + A ⇒ AnBm; (2.15)

deoarece pe segmentul izoterm MPN, V = 0, formarea compusului intermetalic

AnBm prin reacţia de tip peritectic (2.15) se produce la temperatură constantă

(curba de răcire a aliajului are un palier la t2) şi se termină când este epuizată faza

lichidă L (aliajul este complet solidificat);

* sub t2, aliajul se răceşte fără a suferi modificări structurale şi curba sa de

răcire este convexă.

Datorită modificărilor structurale descrise anterior, aliajul analizat va avea

structura la ta (sub t2) alcătuită din: a) faze: A şi AnBm; b) constituenţi: A şi AnBm.

Trebuie remarcat că, dacă se face încălzirea aliajului, la atingerea

temperaturii t2, se produce transformarea (2.15) în sens invers:

AnBm ⇒ L M + A ; (2.16)

datorită acestui mod de comportare la încălzire (descompunerea în două faze

înainte de topire), compusul AnBm este denumit compus cu topire incongruentă.


80

2.4.7. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ale căror componente au solubilitate totală în stare lichidă

şi prezintă (în stare solidă) transformări alotropice

În astfel de sisteme de aliaje binare, un component sau ambele

componente prezintă transformări alotropice. În această categorie se încadrează

mai multe tipuri de sisteme de aliaje, diferenţiate prin solubilitatea reciprocă (în

stare solidă) a modificaţiilor componenetelor.

Diagramele de echilibru ale acestor sisteme de aliaje binare se pot analiza

cu uşurinţă, deoarece configuraţia lor poate fi reprodusă prin suprapunerea unor

diagrame simple, de tipul celor prezentate anterior.

Principalele tipuri de diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare

ce se încadrează în această categorie sunt prezentate în continuare.

2.4.7.1. Diagrama de echilibru a unui sistem binar la care

componentul A are două modificaţii (stări alotropice) Aα, stabilă la

temperaturi joase şi Aβ, stabilă la temperaturi ridicate, ambele modificaţii

fiind insolubile în componentul B al sistemului, are configuraţia prezentată în

figura 2.26. Pentru a analiza aliajele unui astfel de sistem trebuie avute în vedere

următoarele aspecte:


binar la care componentul A are două modificaţii (stări alotropice), ambele modificaţii fiind insolubile în componentul B al sistemului


constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din fig. 2.26

* în diagrama de echilibru, tsBEtsA este linia lichidus, MEN este linia

(izoterma) solidus, iar PtcA este izoterma corespunzătoare punctului critic de

transformare în stare solidă a componentului A tcA (temperatura la care se produce

transformarea alotropică Aα↔Aβ); pe linia PtcA, V = 0 şi, ca urmare, la orice aliaj

din sistem transformarea alotropică a componentului A se produce la temperatură

constantă;


81

* diagramele structurale (de faze şi constituenţi) pentru sistemele de aliaje

binare de acest tip, corespunzătoare temperaturii ambiante, sunt prezentate în

figura 2.27 şi sunt asemănătoare diagramelor sistemului de aliaje binare analizat

în scap. 2.4.3.

2.4.7.2 Diagrama de echilibru a unui sistem binar la care componentul

A are două modificaţii (stări alotropice) Aα, stabilă la temperaturi joase şi Aβ,

stabilă la temperaturi ridicate, ambele modificaţii fiind solubile în

componentul B al sistemului, are configuraţia prezentată în figura 2.28. Dintre

sistememle de aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip se pot

exemplifica: Ti-Mo, Ti-V, Fe-Ni, Co-Pd. Pentru a analiza aliajele unui astfel de

sistem trebuie avute în vedere următoarele aspecte:

* modificaţia Aβ şi componentul B formează soluţia solidă totală

β ≡ Aβ(B) ≡ B(Aβ) şi, ca urmare, modificaţia Aα şi componentul B nu pot forma

decât o soluţie solidă parţială α ≡ Aα(B);

* diagramele structurale (de faze şi constituenţi) pentru sistemele de aliaje

binare de acest tip, corespunzătoare temperaturii ambiante, sunt prezentate în

figura 2.29 şi sunt asemănătoare cu diagramele structurale (la tx) ale sistemului de

aliaje binare analizat în scap. 2.4.2.


binar la care componentul A are două modificaţii (stări alotropice), ambele modificaţii

fiind solubile în componentul B


constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.28


componente A şi B au modificaţiile Aα şi Bα, stabile la temperaturi joase şi

insolubile şi modificaţiile Aβ şi Bβ, stabile la temperaturi ridicate şi complet

solubile, are aspectul prezentat în figura 2.30. Dintre sistemele de aliaje binare

reale ce pot fi considerate de acest tip se pot exemplifica: Ti-Fe, Mo-Zr.


82

Particularităţile formării structurilor la aliajele unui sistem de acest tip

se pot evidenţia analizând modificările de structură la răcirea din stare lichidă

ale aliajului marcat în diagrama de echilibru prin verticala I:




* la atingerea temperaturii t1 începe cristalizarea primară a aliajului,

cu formarea din soluţia lichidă L a cristalelor de soluţie solidă β (soluţia

solidă totală a modificaţiilor izomorfe Aβ şi Bβ ale componentelor sistemului,

β ≡ Aβ(Bβ) ≡ Bβ(Aβ)), proces care continuă pe parcursul răcirii aliajului între

t1 şi t2; formarea cristalelor de β este însoţită de o degajare de căldură şi

curba de răcire a aliajului este concavă;

* între t2 şi t3 aliajul se răceşte fără a suferi transformări structurale şi

curba sa de răcire este convexă;

* la atingerea temperaturii t3, din soluţia solidă β încep să apară

formaţiuni cristaline ale modificaţiei Aα; deoarece în domeniul bifazic

β + Aα, V = 1, procesul de formare a fazei Aα continuă în tot timpul răcirii

aliajului între t3 şi t4 şi este însoţit de o degajare de căldură (curba de răcire a

aliajului este concavă) şi de micşorarea concentraţiei în componentul A a

soluţiei solide β (după linia t3E);


binar la care componentul A are două modificaţii (stări alotropice), ambele modificaţii

fiind solubile în componentul B


constituenţi) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.30


(corespunzătoare izotermei MEN din diagrama de echilibru) concentraţia

componentului A în soluţia solidă β corespunde abscisei punctului E şi sunt


83

îndeplinite condiţiile pentru desfăşurarea transformării:

βE ⇒ (Aα + Bα); (2.17)

ţinând seama de datele prezentate în scap. 2.3, rezultă că transformarea ce are

loc la temperatura t4 şi constă din formarea simultană din soluţia solidă β a

cristalelor modificaţiilor Aα şi Bα este o transformare eutectoidă, iar

amestecul mecanic de faze solide (Aα + Bα) este un eutectoid; deoarece pe

izoterma MEN, V = 0, transformarea eutectoidă decurge la temperatură

constantă şi pe curba de răcire a aliajului apare un palier;

* sub t4, aliajul se răceşte fără a suferi modificări structurale şi curba

sa de răcire este convexă.

Datorită modificărilor structurale descrise anterior, aliajul analizat va

avea structura la ta ( sub t4) alcătuită din: a) faze: Aα şi Bα; b) constituenţi:

Aα (separat preeutectoid) şi eutectoid (Aα + Bα).

Diagramele structurale (de faze şi constituenţi) pentru sistemele de

aliaje binare de acest tip, corespunzătoare temperaturii ambiante, sunt

prezentate în figura 2.31 şi sunt asemănătoare diagramelor sistemului de

aliaje binare analizat în scap. 2.4.3 (numai că în locul eutecticului (A + B)

apare eutectoidul (Aα + Bα)).

2.5. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare

În multe aplicaţii tehnice se utilizează aliaje aparţinând unor sisteme ternare

(cu trei componente); pentru a stabili constituţia fazică a unor astfel de aliaje (natura,

numărul şi proporţia fazelor care le alcătuiesc structura) în funcţie de temperatură se

folosesc diagramele sistemelor de aliaje ternare cărora aparţin acestea.

Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se reprezintă sub

forma unor machete sau modele tridimensionale, având ca baze triunghiuri

echilaterale. Triunghiul echilateral ce reprezintă baza diagramei de echilibru a

unui sistem de aliaje ternare este denumit triunghiul concentraţiilor şi are

înscrise în vârfuri simbolurile chimice ale celor trei componente ale sistemului,

iar de-a lungul laturilor – concentraţiile (masice sau atomice), ale acestor

componente.


84

La utilizarea diagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se

aplică următoarele reguli privind triunghiul concentraţiilor:

a) orice punct din interiorul triunghiului concentraţiilor defineşte compoziţia

unui aliaj al sistemului ternar; de exemplu, aşa cum se poate observa în figura 2.32,

care reprezintă triunghiul concentraţiilor pentru un sistem de aliaje ternare cu

componentele A, B şi C, punctul M defineşte aliajul având %A = a; %B = b ; %C = c

(evident , %A + %B + %C = a + b + c = 100);

b) punctele din interiorul triunghiului concentraţiilor aparţinând unei

drepte paralele cu o latură a triunghiului definesc compoziţiile unui grup de

aliaje având aceeaşi concentraţie a componentului înscris în vârful opus laturii

cu care dreapta dată este paralelă; de exemplu, aşa cum se poate observa în

figura 2.32, punctele aparţinând segmentului PQ , paralel cu latura BC, opusă

vârfului A, corespund grupului de aliaje ternare având %A = a = ct.;

c) punctele din interiorul triunghiului concentraţiior aparţinând

unei ceviene a acestuia (dreaptă ce trece prin unul din vârfurile triunghiului)

definesc compoziţiile unui grup de aliaje având acelaşi raport al concentraţiilor

componentelor înscrise în vârfurile prin care nu trece ceviana; de exemplu , se

poate demonstra cu uşurinţă că, în triunghiul concentraţiilor reprezentat în figura

2.32, punctele aparţinând cevienei AD (care conţine vârful A, dar nu trece prin

vârfurile B şi C), corespund grupului de aliaje ternare având .ctcb

C%B% == .

Pentru a construi diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje ternare se

trasează triunghiul concentraţiilor (cu care se pot defini compoziţiile aliajelor

sistemului), se înscrie temperatura pe o axă perpendiculară pe planul triunghiului

concentraţiilor şi, în sistemul de coordonate astfel realizat, se reprezintă domeniile de

stabilitate ale fazelor, delimitate prin

linii şi/sau suprafeţe de transformare

fazică.

La utilizarea diagramelor de

echilibru ale sistemelor de aliaje

ternare se aplică următoarele reguli:

a) o perpendiculară pe planul

triunghiului concentraţiilor (având

Fig. 2.32. Triunghiul concentraţiilor pentru un

sistem de aliaje de ternare


85

piciorul în interiorul triunghiului) reprezintă un aliaj al sistemului cu evoluţia sa

structurală la diferite temperaturi; perpendiculara pe planul triunghiului

concentraţiilor corespun-zătoare unui aliaj al sistemului este denumită (ca şi în

cazul sistemelor de aliaje binare) verticala aliajului;

b) liniile şi/sau punctele de intersecţie dintre suprafeţele şi/sau liniile

unei diagrame ternare şi un plan perpendicular pe planul triunghiului

concentraţiilor şi paralel cu una din laturile acestuia, definesc diagrama de

echilibru a unui grup de aliaje ternare având aceeaşi concentraţie a

componentului înscris în vârful opus laturii triunghiului concentraţiilor cu

care planul de secţionare este paralel; diagrama de echilibru care se obţine

printr-o astfel de secţionare (cu configuraţia asemănătoare diagramelor de

echilibru ale sistemelor de aliaje binare) este denumită diagramă

pseudobinară;

c) liniile şi/sau punctele de intersecţie dintre suprafeţele şi/sau liniile

unei diagrame ternare şi un plan izoterm (paralel cu planul triunghiului

concentraţiilor), definesc diagrama fazică a sistemului de aliaje ternare la

temperatura corespunzătoare planului izotem de secţionare.

Pentru a evidenţia modul în care se pot utiliza regulile prezentate anterior

la analiza diagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se consideră

cazul unui sistem ternar la care componentele sunt complet solubile atât în stare

lichidă, cât şi în stare solidă; exemple de sisteme reale de aliaje ternare ce

corespund acestui caz sunt Cu-Au-Ni sau Au-Cu-Pt.

Fig. 2. 33. Diagrama de echilibru fazic a unui sistem de aliaje ternare în care componenţii sunt

complet solubili atât în stare lichidă, cât şi în stare solidă


86

În structura aliajelor aparţinând sistemelor ternare de acest tip pot exista

două faze: soluţia lichidă a componentelor A, B, C ale sistemului, notată L şi soluţia

solidă de substituţie a componentelor sistemului, notată α ≡ A(B,C) ≡

B(A,C) ≡ C(A,B). Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje ternare are


conţine două suprafeţe de transformare fazică, suprafaţa deasupra căreia toate

aliajele sistemului se află în stare lichidă, numită suprafaţă lichidus şi suprafaţa

sub care toate aliajele din sistem se află în stare solidă, numită suprafaţa solidus,

iar punctele comune celor două suprafeţe de transformare fazică au ordonatele

corespunzătoare temperaturilor de solidificare (topire) ale componentelor A, B, C

(notate în diagrama tsA, tsB, tsC); cele două suprafeţe de transformare fazică

delimitează în spaţiul diagramei trei domenii: două domenii monofazice, unul

conţinând faza lichidă L şi celălalt - soluţia solidă α şi un domeniu bifazic L + α.

Aplicând legea fazelor pentru acest sistem de aliaje se obţin următoarele

rezultate: în domeniile monofazice ale diagramei, V = k − f + 1 = 3 − 1 + 1 = 3

(sistemul este trivariant), în domeniul bifazic şi pe suprafeţele de transformare

fazică, V = k − f + 1 = 3 − 2 + 1 = 2 (sistemul este bivariant), iar în punctele tsA,

tsB, tsC, V= k – f + 1 = 1 – 2 + 1 = 0 (sistemul este invariant). Diagrama de echilibru

se poate utiliza cu uşurinţă pentru a analiza modificările de structură la răcirea sau încălzirea

oricărui aliaj al sistemului. De exemplu, pentru a analiza modificările de structură la răcirea

din stare lichidă a unui aliaj, având compoziţia (exprimată prin concentraţiile masice sau

atomice ale componentelor): %A = a; %B = b; %C = c = 100 − a − b, se trasează pe

diagramă verticala corespunzătoare aliajului (verticala I în figura 2.33, ce

intersectează triunghiul concentraţiilor în punctul M) şi se marchează pe aceasta

temperaturile caracteristice: t0 - temperatura iniţială a aliajului lichid supus răcirii, t1

şi t2 temperaturile corespunzătoare punctelor de intersecţie dintre verticala aliajului

şi suprafeţele lichidus şi solidus ale diagramei şi ta - temperatura ambiantă;

rezultatele analizei se prezintă astfel:


(punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se află în domeniul monofazic

L al diagramei); deoarece în domeniul monofazic L, V = 3, aliajul se menţine

în stare lichidă până la t1 (temperatura aliajului poate scădea până la t1 fără a


87

se modifica numărul fazelor care alcătuiesc structura aliajului) şi curba de

răcire a aliajului este convexă;


află pe suprafaţa lichidus, sunt create condiţiile termodinamice de coexistenţă a

fazelor L şi α şi poate fi demarat procesul de cristalizare primară a aliajului

(transformarea fazei lichide L în cristale de soluţie solidă α); deoarece pe

suprafeţele lichidus şi solidus şi în domeniul bifazic L + α, V = 2, fazele L şi

α pot coexista chiar dacă se modifică temperatura şi, ca urmare,

cristalizarea primară se produce la răcirea aliajului între t1 şi t2; în timpul

solidificării aliajului se degajă căldură (căldura latentă de cristalizare),

pierderile de căldură în exterior sunt parţial compensate şi curba de răcie a

aliajului este concavă;

Fig. 2.34. Diagramă pseudobinară din sistemul

de aliaje a cărui diagramă este prezentată în figura 2.33, obţinută pentru %A = ct.

Fig. 2.35. Diagramă fazică pentru t = ct a sistemului a cărui diagramă este prezentată

în figura 2.33.

* la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primară este

încheiat şi structura aliajului este alcătuită numai din cristale de soluţie solidă

α, omogenă; deoarece în domeniul monofazic α, V = 3, aliajul îşi menţine

structura monofazică α până la ta (temperatura poate scădea de la t2 până la

ta fără a se modifica numărul fazelor din structura aliajului) şi curba de

răcire a aliajului este convexă.

Aliajele sistemului ternar pot fi analizate şi pe diagrame pseudobinare

(obţinute prin secţionarea diagramei ternare cu plane perpendiculare pe

planul triunghiului concentraţiilor şi paralele cu una din laturile acestui

triunghi) sau pe diagrame fazice la diverse temperaturi (obţinute prin

secţionarea diagramei ternare cu plane izoterme). Pentru exemplificare, în


88

figura 2.34 se prezintă o diagramă pseudobinară care conţine aliajul analizat

anterior, iar în figura 2.35 - diagrama fazică corespunzătoare unei

temperaturi tx (v. fig. 2.33).

2.6. Tratamentele termice aplicate aliajelor

Tratamentele termice (TT) sunt succesiuni de operaţii tehnologice care

se aplică pieselor metalice şi care constau în încălzirea acestora la anumite

temperaturi, menţinerea lor la aceste temperaturi şi răcirea în condiţii bine

determinate, în scopul aducerii materialului metalic din care sunt confecţionate la

starea structurală corespunzătoare asigurării proprietăţilor fizice, mecanice sau

tehnologice impuse de domeniul şi condiţiile de utilizare ale acestor piese.

Modul în care trebuie conduse

operaţiile corespunzătoare aplicării

unui tratament termic se descrie de

obicei într-o diagramă, având în

abscisă timpul şi în ordonată

temperatura, în care se indică

valorile tuturor parametrilor de

regim care se controlează. În figura

2.36 se prezintă diagrama unui

tratament termic simplu şi

parametrii de regim ai acestuia: temperatura la care se face încălzirea ti, timpul

necesar încălzirii la ti a pieselor supuse tratamentului τi (cunoscând valorile

parametrilor ti şi τi se poate stabili o valoare medie a vitezei de încălzire i

ii

tv

τ= ),

timpul (durata) de menţinere la ti a pieselor supuse tratamentului τm şi viteza

de răcire a pieselor după menţinerea la ti vr (sau mediul în care se face răcirea

pieselor după menţinerea la ti).

In funcţie de tipul şi natura transformărilor structurale pe care le produc în

materialele metalice din care sunt confecţionate piesele, tratamentele termice se

pot clasifica în următoarele categorii:

Fig. 2.36. Diagrama unui tratament termic simplu


89

* Recoacerea fără schimbare de fază; este tratamentul temic prin care

materialul metalic al pieselor tratate, aflat într-o stare structurală nestabilă,

produsă de diferitele prelucrări la care a fost supus anterior, este adus într-o

stare stabilă, fără realizarea în acest scop a vreunei transformări de fază;

* Recoacerea cu schimbare de fază; este tratamentul termic ce constă

din încălzirea materialului pieselor tratate deasupra unuia din punctele sale

(critice) de transformare în stare solidă şi răcirea ulterioară cu viteză suficient de

mică, pentru atingerea unei stări structurale de echilibru;

* Călirea; este tratamentul termic ce constă din încălzirea materialului

pieselor tratate desupra unuia din punctele sale (critice) de transformare în stare

solidă sau deasupra temperaturii la care se produce dizolvarea în matricea

structurală de bază a fazelor secundare şi răcirea ulterioară rapidă (cu viteză

suficient de mare), pentru obţinerea unei stări structurale în afară de echilibru;

călirea poate fi:

- călire martensitică bazată pe împiedicarea unei transformări eutectoide

şi transformarea unei soluţii solide în echilibru la temperatură înaltă printr-un

mecanism bazat pe aluncarea planelor atomice într-o soluţie solidă

suprasaturată la temperatură ambiantă;

- călirea de punere în soluţie bazată pe răcirea rapidă a unei soluţii solide

în echilibru la temperaturi înalte şi împiedicarea separărilor de fază secundară la

traversarea unei linii solvus a diagramei de echilibru;

* Revenirea; este tratamentul termic ce constă din încălzirea materialului

pieselor călite la o temperatură inferioară punctului său minim de transformare

în stare solidă (în cazul călirii martensitice) sau temperaturii la care se produce

dizolvarea în matricea structurală de bază a fazelor secundare(în cazul călirii de

punere în soluţie) şi răcirea ulterioară cu o viteză convenabilă pentru obţinerea

unei stări structurale mai apropiate de echilibru.

In cazul aplicării la materialele care au suferit călire de punere în soluţie

tratamentul se numeşte îmbătrânire artificială; la aceste materiale poate avea loc

separarea fazelor secundare şi prin menţinere la temperatură ambiantă, caz în care

fenomenul se numeşte îmbătrânire naturală.

* Tratamentul termochimic; este tratamentul termic ce se efectuează

într-un mediu activ din punct de vedere chimic şi care are ca rezultat modificarea


90

compoziţiei chimice, structurii şi proprietăţilor straturilor superficiale ale

pieselor metalice tratate.

Modificarea compoziţiei chimice se realizează îmbogăţind stratul

superficial al pieselor pe o anumită adâncime prin difuzia atomilor unor elemente

ce se dizolvă în soluţie sau formează compuşi chimici.

Cuvinte cheie aliaj, 50 călire, 89 componentele aliajelor

principal (de bază), de aliere, 50 compus chimic/intermetalic, 55

cu topire congruentă, cu topire incongruentă, 56

compus cu comp. variabilă/fază bertholidă, 56 compus definit/fază daltonidă, 56 compus electrochimic, 57 compus electronic, 57 compus geometric, 57 concentraţie

masică, atomică, electronică, 50 constituent structural

monofazic, multifazic, 58 diagramă de echilibru, 58 diagramă de tratament, 88 diagramă pseudobinară, 85 diagrame structurale (Tammann)

de faze, de constituenţi, 64 eutectic, 58, 67 eutectoid, 58, 83 fază, 51 fază secundară, 70 legătură metalică, 49 legea fazelor (Gibbs), 52 linia lichidus, 60 linia solidus, 60 linie solvus, 69

linii de transformare fazică, 59 metal, 49 nor electronic, 49 orbital atomic, 49 recoacere cu schimbare de fază, 89 recoacerea, 89 regula izotermei, 59 regula segmentelor inverse, 64 revenire, 89 segregaţie dendritică, 63 sistem de aliaje, 50 solubilitate

totală, parţială, 53 solut, 52 soluţie solidă

de substituţie, interstiţială, 52 soluţie solidă omogenă, 63 solvent, 52 structura atomică a metalelor, 49 suprafaţa lichidus, 86 suprafaţa solidus, 86 transformare peritectică, 74 transformare eutectică, 58, 67 transformare eutectoidă, 58, 83 tratament termic, 88 tratament termochimic, 89 triunghiul concentraţiilor, 83 varianţă, 51 verticala aliajului, 59, 85 viteză de încălzire, 88

Bibliografie

1. Colan H. s.a., Studiul metalelor, Editura Didactică şi Pedagogică,

Bucuresti, 1983

2. Gâdea S., Petrescu M., Metalurgie fizică şi studiul metalelor, vol. I,

Editura Didactică şi Pedagogică, Bucuresti, 1979

3. Geru N., Metalurgie fizică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucuresti, 1981


91

4. Protopopescu H., Metalografie şi tratamente termice, Editura Didactică şi

Pedagogică, Bucuresti, 1983

5. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers,

Macmillan Publishing Company, New York, 1991

6. Smithells C. J., Metals Reference Book vol.1, Butterworths Scientific

Publications, London 1955

7. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering,

Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989

8. Zecheru Gh. Drăghici Gh. Elemente de ştiinţa şi ingineria materialelor , vol. 1, Ed. ILEX şi Ed. UPG Ploiesti, 2001.

Teste de autoevaluare T.2.1. Care din următoarele elemente chimice pot fi componentele de

bază ale unui aliaj: a) Fe; b) C; c) Mn; d) Zn; e) H; f) N?

T.2.2. Care din următoarele aliaje aparţin aceluiaşi sistem de aliaje:

a) aliajul cu %Snm = 20 % şi %Cum = 80 %; b) aliajul cu %Snm = 30 % şi

%Sbm = 70 %; c) aliajul cu %Snm = 10 % şi %Cum = 90 %; d) aliajul cu

%Snm = 5 % şi % Cum = 95 %; e) aliajul cu %Snm = 20 %; %Cum = 75 % şi

%Sbm = 5 %?

T.2.3. Soluţiile solide se formează în structura unui aliaj atunci când;

a) toate componentele aliajului sunt metale; b) forţele de legătură dintre

atomii diferiţi sunt mai mari decât forţele de legătură dintre atomii identici;

c) forţele de legătură dintre atomii diferiţi sunt sensibil egale cu forţele de

legătură dintre atomii identici; d) forţele de legătură dintre atomii identici

sunt mai mari decât forţele de legătură dintre atomii diferiţi?

T.2.4. Se consideră următoarele perechi de componente: a) Fe şi Al;

b) Fe şi C; c) Cu şi Ni; d) Al şi Cu; e) Fe şi N. Care dintre aceste perechi

formează soluţii solide de pătrundere?

T.2.5. Se consideră următoarele perechi de componente: a) Cu şi Zn;

b) Fe şi C; c) Cu şi Ni; d) Al şi Zn; e) Fe şi P. Care dintre aceste perechi

formează soluţii solide de substituţie?

T.2.6. Solubilitatea componentelor care formează soluţii solide de

substituţie este influenţată de: a) dimensiunile atomilor componentelor;


92

b) temperatura de solidificare - topire a componentelor; c) tipul structurii

cristaline a componentelor; d) diferenţa dintre valenţele componentelor?

T.2.7. Soluţiile solide interstiţiale se caracterizează prin: a) distribuţie

ordonată a atomilor; b) componente solut cu număr mic de ordine în tabelul

periodic al elementelor; c) reţea cristalină tensionată si distorsionată prin

dizolvarea atomilor componentelor solut; d) solubilitate totală a componentelor?

T.2.8. Compuşii chimici (intermetalici) se formează în structura unui aliaj

atunci când; a) toate componentele aliajului sunt metale; b) forţele de legătură

dintre atomii diferiţi sunt mai mari decât forţele de legătură dintre atomii identici;

c) forţele de legătură dintre atomii diferiţi sunt sensibil egale cu forţele de legătură

dintre atomii identici; d) forţele de legătură dintre atomii identici sunt mai mari

decât forţele de legătură dintre atomii diferiţi?

T.2.9. Compuşii chimici (intermetalici) din structura aliajelor se

caracterizează prin: a) reţea cristalină asemănătoare cu cea a componentului

metalic de bază; b) valori de bază strict definite ale concentraţiilor

componentelor; c) proprietăţi fizico-chimice apropiate de ale componentelor;

d) formulă chimică proprie?

T.2.10. Compuşii chimici (intermetalici) din structura aliajelor se

clasifică după: a) comportarea la topire; b) tipul fazelor pe care le conţin;

c) factorul determinant al nivelului energiei libere; d) valenţa componentelor?

T.2.11. Concentraţia electronică a unui aliaj binar reprezintă: a) raportul

dintre valenţele componentelor; b) raportul dintre numărul total al electronilor de

valenţă şi numărul total de electroni dintr-o masă M dată de aliaj; c) raportul

dintre numărul total al electronilor de valenţă şi numărul total de atomi care

alcătuiesc o masă M de aliaj; d) raportul dintre numărul atomilor componentului

de bază şi numărul total de atomi care alcătuiesc o masă M de aliaj?

T.2.12. Aplicând legea fazelor, să se demonstreze că următoarele

transformări decurg la temperatură constantă: a) transformarea eutectică a aliajelor

binare; b) cristalizarea primară a compuşilor definiţi cu topire congruentă;

c) transformarea eutectoidă a aliajelor binare; d) cristalizarea primară a metalelor

pure; e) transformarea alotropică a metalelor.


93

Aplicaţii

A.2.1. Să se analizeze dacă nichelul şi cuprul îndeplinesc condiţiile de a

avea solubilitate totală în stare solidă.

Rezolvare

Din tabelul 1.1 şi tabelul 1.2 se extrag următoarele caracteristici ale celor

două metale: nichelul este un metal bivalent, cu raza atomică ratNi = 0,125 nm şi

structura cristalină de tip CFC, iar cuprul este un metal monovalent, cu

ratCu = 0,128 nm şi structura cristalină de tip CFC.

Analizând pe rând condiţiile (prezentate în scap. 2.2) ca cele două metale

să prezinte solubilitate totală în stare solidă, rezultă:

* cele două metale sunt izomorfe (ambele au structura cristalină de tip CFC);

* diferenţa relativă a razelor atomice ale celor două metale este mai mică

decât 8 % ( %%,d,

,,r

irr

atCu

atNatCur 842100 100

128012511280 <=== −− );

* cele două metale au electronegativităţi similare şi valenţe apropiate

(structură asemănătoare a învelişului atomic de valenţă).

Datorită acestor caracteristici, cele două metale au solubilitate totală în

stare solidă (formează o serie continuă de soluţii solide de substituţie).

A.2.2. Diagrama de echilibru din figura 2.10 corespunde unui sistem de

aliaje la care componentele A şi B au temperaturile de solidificare (topire)

tsA = 1000 oC şi tsB = 800 oC, izoterma MEN este la nivelul de 600 oC, iar

concentraţiile masice ale componentului A, care reprezintă abscisele punctelor

caracteristice P, M, E, N, Q sunt (în ordine) 5 %; 10 %; 40 %; 80 %; 90 %.

a) Să se construiască diagramele structurale de constituenţi ale sistemului

de aliaje la t1 = 800 oC, t2 = 600 oC + ∆t (∆t→ 0); t3 = 600 oC − ∆t (∆t→ 0); t4 = ta;

b) Să se calculeze valoarea raportului conţinuturilor procentuale ale fazelor

α şi β în eutecticul (α+β), la t3 = 600 oC − ∆t (∆t→ 0) şi la t4 = ta;

c) Să se stabilească compoziţia aliajului care are în structura la ta

conţinutul procentual maxim de fază secundară α”;

d) Să se stabilească compoziţia aliajului care are în structura la ta

conţinutul procentual maxim de fază secundară β”;

e) Să se analizeze transformările la răcirea din stare lichidă ale aliajului cu

concentraţia masică %Am = 20 % şi să se precizeze structura sa (faze şi


94

constituenţi) la ta;

f) Să se stabilească compoziţia chimică a aliajului care are în structura la ta

acelaşi conţinut procentual de eutectic (α+β) ca şi aliajul cu %Am = 20 %.

Răspuns: Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje precizat în enunţul

aplicaţiei, pe care s-a trasat şi izoterma t = 800 oC, este prezentată în figura 2.38 a.

a. b.

Fig. 2.38. Sistemul de aliaje analizat în aplicaţia A.2.13: a − diagrama de echilibru; b − curba de răcire a aliajului cu %Am = 20 %

a) Diagramele structurale de constituenţi sunt prezentate în figura 2.39 (la

temperaturi t > 600 oC, diagramele structurale de constituenţi coincid cu

diagramele structurale de faze, deoarece aliajele sistemului au structura alcătuită

numai din constituenţi monofazici).

b) Raportul cantităţilor de faze în eutecticul (α+β) este: la t3,

75014578642 ,,,

%% ==

βα ; la t4 = ta, 700

82581841 ,,,

%% ==

βα ;

c) Analizând diagrama structurală a constituenţilor la ta ( v. figura 2.39) se constată că

aliajul cu cantitate maximă de α” este aliajul cu 10% A, iar %α”max = 5,88 %.

d). Analizând diagrama structurală a constituenţilor la ta ( v. figura 2.39) se

constată că aliajul cu cantitate maximă de β” este aliajul cu 80 % A, iar

%β”max=11,76 %.

e). Analiza transformărilor structurale la răcirea din stare lichidă a aliajului cu

%Am = 20 % este prezentată succint în tabelul 2.6, iar curba de răcire este redată

în figura 2.38 b.


95

Fig. 2.39 Diagramele structurale de constituenţi la diferite temperaturi în sistemul de aliaje din aplicaţia A 2.13

Tabelul 2.6. Transformările structurale ale aliajului cu %Am = 20 % din aplicaţia A.2.13

Structura aliajului Temperatura Procesele Forma curbei de răcire Faze Constituenţi

t∈[t0, t1) Răcirea L Convexă L L

t∈[t, t2) L ⇒ β; compoziţia L

variază după t1E Concavă L, β

L, β

t = t2 LE ⇒ βM + αN (transformarea

eutectică) Izotermă L,

α, β L, (α+β)

eutectic

t∈(t2, ta] Separarea fazei α” din solutia solidă β Concavă α, β β, (α+β), α”

eutectic

f). Utilizând diagrama structurală de constituenţi prezentată în figura 2.39

şi aplicând regula segmentelor inverse se determină cantitatea de eutectic din

aliajul cu %Am = 20 % : %,)%( 333310010401020 ==β+α

−− ; ducând o paralelă cu

abscisa, în diagrama structurală, prin dreptul acestei cantităţi se constată că mai există un

aliaj, cu %Am = x ∈ (40 %; 80%), care are în structură acelaşi conţinut procentual de

eutectic (α + β); rezultă: 1004080

803333−−= x%, , şi de aici, x = 66,67 % .

A.2.3. In figura 2.40 este prezentată diagrama de echilibru a sistemului de aliaje

binare Ag-Pt.


96

a) Care este natura fazei δ din structura aliajelor Ag-Pt: δ ≡ Pt(Ag),

δ ≡ Αg(Pt), δ ≡ AgPt sau δ ≡ Pt(Ag) ≡ Ag(Pt)?

b) Ce transformare structurală se produce la temperatura t = 1185 oC, la răcirea

aliajului cu %Ptm = 60 %: transformarea peritectică L30%Pt + δ88%Pt ⇒ α60%Pt,

transformarea peritectică L30%Pt + δ88%Pt ⇒ α55%Pt, transformarea eutectică

L55%Pt ⇒ δ88%Pt + α30%Pt sau transformarea eutectică L30%Pt + δ88%Pt ⇒ α55%Pt?

Fig. 2.40. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Ag - Pt

c) care aliaj prezintă în structura la t = 800 oC conţinutul procentual maxim de fază

secundară δ″: aliajul cu %Ptm = 48 %, aliajul cu %Ptm = 55 %, aliajul cu %Ptm =

30 % sau aliajul cu %Ptm = 88 %?

d) care aliaj prezintă în structura la t = 800 oC conţinutul procentual maxim de

fază secundară α″: aliajul cu %Ptm = 48 %, aliajul cu %Ptm = 55 %, aliajul cu

%Ptm = 30 % sau aliajul cu %Ptm = 88 %?

e) Ce conţinut procentual de fază α rezultă prin transformarea peritectică, la

temperatura t = 1185 oC, în structura aliajului cu %Ptm = 60 %?

f) Care este concentraţia atomică a Pt în aliajul cu %Ptm = 60%: %Ptat =

40,1 %, %Ptat = 52,1 %, %Ptat = 45,3 % sau %Ptat = 72,1 %?

Răspuns: a) δ este soluţia solidă (parţială) δ ≡ Pt(Ag); b) transformarea peritectică

L30%Pt + δ88%Pt → α55%Pt; c) aliajul cu %Ptm = 55 %; d) aliajul cu %Ptm = 88 %; e)

%α = 84,85 %; f) %Ptat = 45,3 %.

Download - Stiinta si Tehnologia Materialelor

Top Related