Stiinta si Tehnologia Materialelor

Download Stiinta si Tehnologia Materialelor

Post on 22-Oct-2015

34 views

Category:

Documents

0 download

DESCRIPTION

Stiinta si Tehnologia Materialelor

TRANSCRIPT

  • TIINA 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. Constituenii 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 Aplicaii ............................................................................................ 93

    OBIECTIVE:

    Insuirea noiunilor privind aliajele, diagramele de echilibru fazic al acestora i principiile generale ale modificrii structurilor prin tratamente termice.

    Se au n vedere urmtoarele aspecte: definirea noiunilor de aliaj, component, faz, constituent structural, tipuri de faze specifice aliajelor (soluii solide, compui definii, metale pure), studiul principalelor tipuri de diagrame de echilibru ale aliajelor binare, noiuni generale despre diagramele de echilibru ale aliajelor ternare i noiuni generale de tratamente termice. Pentru a ajuta la fixarea cunotinelor legate de studiul aliajelor cu ajutorul diagramelor de echilibru se prezint i cteva aplicaii rezolvate .

    Timpul mediu necesar asimilrii modulului: 18 ore

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    49

    METALE , ALIAJE SI DIAGRAME DE

    ECHILIBRU FAZIC

    2.1. Introducere

    Metalele sunt elemente chimice cu caracter electropozitiv (elemente care

    n procesele chimice cedeaz electroni, transformndu-se n ioni pozitivi).

    Metalele se caracterizeaz prin urmtoarele proprieti fizice:

    * au conductibilitatea termic i electric ridicat;

    * au rezistivitatea electric cresctoare odat cu temperatura;

    * sunt opace i prezint un luciu specific (luciu metalic);

    * sunt maleabile i ductile.

    Aceste proprieti au la baz structura atomic a metalelor. n cazul

    metalelor numai electronii apropiai de nucleu aparin unui orbital atomic

    individual (orbitalul fiind, prin definiie, zona din jurul unui nucleu atomic n care

    se nscriu cu cea mai mare probabilitate traiectoriile de micare ale electronilor).

    Orbitalii care conin electronii nvelisului atomic exterior (electronii de valen) se

    contopesc, dnd natere unor orbitali care se extind peste ntregul edificiu de

    atomi al unui metal; se spune c aceti electroni, slab legai de nucleele atomice i

    caracterizai prin niveluri energetice ridicate i o mare mobilitate, aparin

    ansamblului de atomi ai metalului i formeaz un nor (gaz) electronic. Prin

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

    ansamblu de ioni pozitivi (atomii fr electronii de valen) i norul electronic.

    Interaciunea complex dintre ionii pozitivi i norul electronic determin existena

    la metale a legturii chimice specifice, numit legtur metalic (cu trsturi

    asemntoare legturii covalente, numai c, spre deosebire de legtura covalent,

    la care electronii de valen sunt colectivizai la nivelul unei perechi de atomi, n

  • STIINTA MATERIALELOR

    50

    cazul legturii metalice colectivizarea electronilor se extinde pe ntregul edificiu

    de atomi existent).

    Dei simplificat, descrierea de mai sus a structurii atomice a metalelor

    permite explicarea principalelor proprieti fizice ale acestora; astfel, mobilitatea

    mare a norului electronic determin conductibilitatea ridicat a metalelor,

    capacitatea norului electronic de a absorbi lumina explic opacitatea corpurilor

    metalice, posibilitatea deplasrii i rearanjrii uoare a ionilor pozitivi care

    compun piesele metalice explic maleabilitatea i ductilitatea acestora etc.

    Principalele elemente chimice care aparin clasei metalelor sunt marcate n

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

    chimice ale metalelor cu cele mai mari ponderi de utilizare n tehnic sunt redate

    n tabelul 1.2. Aliajele sunt materiale metalice omogene la scar macroscopic, obinute

    n mod obinuit prin solidificarea unor faze lichide (topituri) care conin speciile

    atomice ale mai multor elemente chimice.

    Elementele chimice coninute n structura unui aliaj sunt denumite

    componentele aliajului. Orice aliaj are n compoziie un component principal

    (numit i component de baz) metalic i unul sau mai multe componente

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

    Totalitatea aliajelor alctuite din aceleai componente, luate n diferite

    proporii, formeaz un sistem de aliaje.

    n funcie de numrul componentelor, aliajele i sistemele de aliaje pot fi:

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

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

    Compoziia aliajelor se definete prin concentraiile masice sau atomice

    ale componentelor acestora (coninuturile procentuale masice sau atomice ale

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

    masa atomic maA i valena vA) i B ( cu masa atomic maB i valena vB),

    compoziia se exprim prin:

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

    100M

    M AmA% = ; 100100 M

    M Bmm A%B% == , (2.1)

    MA i MB fiind masele componentelor A i B corespunztoare unei mase M de

    aliaj (evident, M = MA + MB);

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    51

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

    100NA

    NAAatA% = ; 100100 NA

    NABatat A%B% == , (2.2)

    NAA i NAB fiind numrul atomilor care alctuiesc masele MA i MB ale

    componentelor, iar NA - numrul total de atomi n aliaj (NA = NAA + NAB); ntre concentraiile atomice i concentraiile masice ale componentelor aliajului binar

    exist relaiile:

    100

    B

    m

    A

    m

    A

    m

    at

    amB%

    amA%

    amA%

    A%+

    = ; 100B

    m

    A

    m

    B

    m

    at

    amB%

    amA%

    amB%

    B%+

    = (2.3)

    Pentru aliajul considerat se poate determina i concentraia electronic,

    definit ca fiind raportul dintre numrul total al electronilor de valen i

    numrul total al atomilor care alctuiesc masa M de aliaj; relaia de calcul a

    concentraiei electronice a aliajului binar este:

    ( )BatAate vBvAC %%1001 += (2.4) Sistemul reprezentat de un aliaj se gsete n stare de echilibru termodinamic

    (energia liber a sistemului este minim), dac componentele sale se distribuie n

    structura aliajului, funcie de natura i intensitatea forelor de legtur interatomic i de

    condiiile de temperatur i presiune n care se afl aliajul, sub form de faze.

    Faza este o parte structural omogen a unui aliaj, delimitat n structura

    aliajului prin suprafee de separaie (interfee) i caracterizat prin proprieti fizico-

    chimice specifice. Compoziiile fazelor din structura aliajelor se definesc i se exprim

    utiliznd aceleai caracteristici ca i n cazul aliajelor: concentraiile masice sau atomice

    ale componentelor i concentraia electronic.

    Natura, numrul i proporia fazelor existente la un moment dat n

    structura unui aliaj definesc constituia aliajului (n condiiile de temperatur i

    presiune n care acesta se afl la momentul respectiv).

    Numrul factorilor de influen externi i interni care se pot modifica fr a se

    schimba numrul fazelor care alctuiesc structura aliajelor unui sistem este denumit

    variana sistemului sau numrul gradelor de libertate ale sistemului.

    ntre variana unui sistem V numrul componentelor acestuia k i numrul

    fazelor f ce coexist n structura sistemului (n condiii date privind temperatura i

  • STIINTA MATERIALELOR

    52

    presiunea) exist o relaie numit legea fazelor (Gibss), avnd urmtoarea formulare

    analitic:

    V = k - f + 2 (2.5) n cazul n care presiunea este constant sau nu afecteaz sistemul (aa cum se

    ntmpl n marea majoritate a cazurilor la elaborarea, prelucrarea sau utilizarea aliajelor),

    ca factor extern de influen acioneaz numai temperatura i expresia analitic a legii

    fazelor este:

    V = k - f + 1 (2.6) Deoarece V 0, rezult condiia f k + 1 (numrul de faze din structura aliajelor unui sistem este mai mic sau cel mult egal cu numrul componentelor

    sistemului plus unu).

    2.2. Fazele solide din structura aliajelor

    Tipul fazelor care alctuiesc structura unui aliaj aflat n stare solid este

    determinat de raportul forelor de atracie dintre atomii diverselor componente ale

    aliajului. Fazele specifice structurii aliajelor solide sunt: soluiile solide, compuii

    chimici (compuii intermetalici) i metalele pure.

    2.2.1. Soluiile solide

    Soluiile solide se formeaz n structura unui aliaj atunci cnd forele de

    atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componente ale aliajului) sunt

    sensibil egale cu forele de atracie dintre atomii identici (aparinnd aceluiai

    component); soluiile solide au structura cristalin corespunztoare unuia din

    componentele metalice ale aliajului i se caracterizeaz printr-o distribuie

    ntmpltoare (statistic) a atomilor componentelor aliajului n aceast structur.

    n orice soluie solid din structura unui aliaj, componentul metalic al

    aliajului (de obicei componentul de baz) care confer soluiei tipul structurii sale

    cristaline i asigur mediul n care se distribuie celelalte componente este numit

    solvent sau dizolvant, n timp ce oricare alt component care particip la formarea

    soluiei solide (cu atomii distribuii aleator n structura cristalin a solventului)

    este numit dizolvat sau solut. Soluiile solide se noteaz cu litere greceti sau prin

    indicarea simbolului chimic al solventului, urmat de simbolurile componentelor

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    53

    solut nscrise ntre paranteze; de exemplu, Fe(C) reprezint o soluie solid la care solventul este fierul alfa , iar componentul solut este carbonul, iar

    Cu(Ni,Zn) - o soluie la care solventul este cuprul, iar componentele dizolvate sunt nichelul i zincul).

    Dac componentele unui sistem de aliaje formeaz soluii solide oricare

    sunt rapoartele dintre coninuturile lor procentuale (rapoartele dintre concentraiile

    lor), se spune c aceste componente prezint solubilitate total n stare solid,

    iar dac componentele unui sistem de aliaje pot forma soluii solide numai cnd

    rapoartele dintre concentraiile lor se afl n anumite intervale de valori, se spune

    c aceste componente au solubilitate parial (limitat) n stare solid.

    n funcie de poziiile n care sunt distribuii atomii componentelor solut

    n structura cristalin a componentului solvent, soluiile solide pot fi: soluii

    solide de substituie (de nlocuire); soluii solide de ptrundere (interstiiale).

    2.2.1.1. Soluiile solide de substituie se caracterizeaz prin faptul c

    atomii componentelor solut sunt distribuii n nodurile structurii cristaline a

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

    ocupate de atomii componentelor solut).

    n general, soluiile solide de substituie sunt neordonate, atomii

    componentelor solut fiind neuniform (statistic) distribuii n nodurile structurii

    cristaline a solventului (aa cum sugereaz schema din figura 2.1. a); altfel spus,

    soluiile solide de substituie i asigur, de obicei, stabilitatea termodinamic

    printr-un grad ridicat de neuniformitate a distribuiei atomilor componentelor

    solut, care le confer valori ridicate ale entropiei i niveluri minime ale energiei

    libere. Unele soluii solide de substituie ( neordonate la temperaturi nalte) adopt

    la temperaturi joase (sub o temperatur caracteristic, numit temperatur

    Curie-Kurnakov) o distribuie uniform (ordonat) a atomilor componentelor

    solut n nodurile structurii cristaline a solventului (v. fig. 2.1 b) i sunt denumite

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

    Zn, Fe-Al, Fe-Si etc. prezint n structura la temperaturi nalte soluii solide

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

    soluii solide ordonate.

    Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de substituie

    este influenat de mai muli factori: a) tipul structurilor cristaline ale

  • STIINTA MATERIALELOR

    54

    componentelor; b) dimensiunile atomilor componentelor; c) diferena ntre

    electronegativitile componentelor (diferena ntre capacitile de a atrage

    electroni ale componentelor); d) diferena ntre valenele componentelor

    (care, aa cum arat relaia (2.4), determin mrimea concentraiei electronice

    a aliajului). Astfel, pentru ca dou componente s prezinte solubilitate total

    n stare solid, este necesar s fie ndeplinite urmtoarele condiii:

    * componentele trebuie s aib acelai tip de structur cristalin

    (componentele trebuie s fie izomorfe); de exemplu, cuprul i nichelul, avnd acelai

    tip de structur cristalin (CFC), prezint solubilitate total n stare solid i formeaz

    o serie continu de soluii solide Cu(Ni) Ni(Cu), n timp ce cuprul i zincul, avnd structuri cristaline diferite (Cu - CFC, iar Zn - HC), prezint solubilitate

    parial n stare solid i formeaz soluia solid parial Cu(Zn); * componentele trebuie s aib dimensiuni (raze) atomice apropiate; s-a

    constatat c dou componente metalice (avnd razele atomice rA i rB, rA > rB) pot avea solubilitate total n stare solid dac diferena relativ a razelor lor atomice,

    definit cu relaia 100A

    BAr r

    rrd = , este mai mic dect 8 % ; dac diferena dr > 15 %,

    solubilitatea este parial, iar dac 8 % < dr < 15 %, solubilitatea poate fi total sau parial, funcie de gradul de ndeplinire al celorlalte condiii;

    * componentele trebuie s aib electronegativitate similar i o structur

    asemntoare a nveliului atomic de valen; ndeplinirea acestei condiii impune ca

    elementele componente s aparin aceleiai grupe a sistemului (tabelului) periodic al

    elementelor (sau unor grupe adiacente).

    ndeplinirea simultan a tuturor condiiilor anterior formulate este dificil i,

    ca urmare, din cele aproximativ 1400 de sisteme de aliaje binare cu utilizare tehnic i

    industrial, numai 60 de sisteme au componentele cu solubilitate total n stare solid.

    2.2.1.2. Soluiile solide interstiiale se caracterizeaz prin faptul c

    atomii componentelor solut sunt distribuii n interstiiile (locurile libere) din

    structura cristalin a componentului solvent.

    Soluiile solide interstiiale sunt neordonate, atomii componentelor solut

    fiind neuniform (statistic) distribuii n interstiiile structurii cristaline a

    solventului, (aa cum sugereaz schema prezentat n figura 2.1. c).

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    55

    Fig. 2.1. Structura cristalin a soluiilor solide:

    a - soluii solide de substituie neordonate; b - soluii solide de substituie ordonate; c - soluii solide interstiiale

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

    (solut) numai dac dimensiunile atomice ale solutului sunt asemntoare

    dimensiunilor interstiiilor din structura cristalin a solventului; deoarece

    dimensiunile interstiiilor din structurile cristaline ale metalelor sunt foarte mici,

    soluiile solide interstiiale au componentele solut nemetalice, dintre elementele cu

    numr mic de ordine n sistemul (tabelul) periodic al elementelor (caracterizate prin

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

    interstiial a unei componente solut determin apariia unor deformaii i distorsiuni

    ale structurii cristaline a solventului i, ca urmare, capacitatea oricrei componente

    (metalice) solvent de a dizolva interstiial diverse componente solut este limitat

    (solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide interstiiale este parial).

    2.2.2. Compuii intermetalici (chimici)

    Compuii intermetalici (chimici) se formeaz n structura unui aliaj atunci

    cnd forele de atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componente

    ale aliajului) sunt mai mari dect forele de atracie dintre atomii identici

    (aparinnd aceluiai component) i exist tendina ca atomii unor componente s

    se nconjoare simetric cu atomii altor componente ale aliajului; legturile chimice

    dintre atomii componentelor care formeaz compui intermetalici pot fi de tip

    metalic, covalent, ionic sau mixt.

    Compuii intermetalici se caracterizeaz prin:

    * structuri cristaline proprii (atomii componentelor care formeaz un compus

    intermetalic sunt distribuii n nodurile i/sau interstiiile structurii cristaline a

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

  • STIINTA MATERIALELOR

    56

    * valori de baz strict definite (fixe) ale concentraiilor componentelor care

    i alctuiesc (valori constante ale rapoartelor stoechiometrice ale componentelor).

    Datorit acestor caracteristici, orice compus intermetalic are:

    * o formul chimic proprie; de exemplu, compuii intermetalici binari au

    formule chimice de tipul AnBm, n care indicii m i n, ataai simbolurilor chimice

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

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

    proprietile corespunztoare componentelor.

    Pentru caracterizarea complex a compuilor intermetalici se practic

    ncadrarea lor n categorii, folosind diverse criterii.

    a) Dac se folosete drept criteriu de clasificare posibilitatea existenei

    compuilor (ca faze unice ale aliajelor) la variaia concentraiilor componentelor

    n jurul valorilor de baz care le definesc compoziia, compuii intermetalici se

    ncadreaz n dou categorii:

    * compui definii sau faze daltonide, care se formeaz i exist numai cnd

    concentraiile componentelor au valorile de baz (constante) caracteristice acestora;

    * compui de compoziie variabil sau faze bertholide, care se pot forma i

    exista i cnd concentraiile componentelor iau valori ntr-un interval (restrns) ce

    conine valorile de baz (constante) caracteristice acestora; deoarece se poate

    considera c aceti compui (avnd structur cristalin proprie) se comport ca nite

    componente solvent care pot dizolva (prin substituie sau interstiial) mici cantiti

    (suplimentare compoziiei de baz) din componentele ce intr n alctuirea lor, fazele

    bertholide sunt denumite i soluii solide pe baz de compui chimici.

    b) Dac se folosete drept criteriu de clasificare comportarea la topire,

    compuii intermetalici se ncadreaz n dou categorii:

    * compui cu topire congruent care se comport la topire (solidificare)

    la fel ca metalele pure: se topesc (se solidific) la o temperatur constant (n

    general mai mare dect temperaturile de topire - solidificare ale componentelor

    care i alctuiesc);

    * compui cu topire incongruent, care se descompun nainte de topire

    (ntr-un amestec de faze lichide i solide).

    c) Dac se utilizeaz drept criteriu factorul determinant al nivelului

    energiei libere (factorul cu influen major asupra stabilitii termodinamice),

    compuii intermetalici se ncadreaz n trei categorii:

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    57

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

    care factorul principal care le determin formarea i le asigur stabilitatea este

    afinitatea electrochimic a componentelor; de obicei compuii electrochimici sunt

    compui definii, cu topire congruent, caracterizai prin legturi interatomice

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

    * compui geometrici, la care formarea i stabilitatea sunt determinate

    primordial de existena anumitor rapoarte ntre dimensiunile atomice ale

    componentelor; n aceast categorie se situeaz trei tipuri de compui:

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

    chimic AB2, care se formeaz ntre componente avnd raportul razelor atomice

    aB

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

    componentelor n structura cristalin (complex) a acestor compui;

    - fazele sigma (VFe, FeCr, MnCr etc.) - compui cu structur

    cristalin complex, care se formeaz ntre metalele de tranziie avnd diferena

    relativ a razelor atomice mai mic dect 8 %;

    - fazele de ptrundere sau compuii interstiiali (Fe4N, Fe3C,

    TiC, VC, W2C etc.) - compui cu structur cristalin simpl sau complex, care se

    formeaz ntre metalele de tranziie i elementele chimice (nemetalice) cu raz

    atomic mic: hidrogen, carbon, azot, bor etc.;

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

    formarea i stabilitatea sunt determinate de asigurarea unei anumite concentraii

    electronice (formarea acestora are la baz tendina componentelor de a realiza o

    structur cristalin comun, caracterizat 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 cnd forele de

    atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componente ale aliajului) sunt

    mai mici dect forele de atracie dintre atomii identici (aparinnd aceluiai

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

    capitolul 1.

  • STIINTA MATERIALELOR

    58

    2.3. Constituenii structurali (metalografici) ai aliajelor

    Constituenii structurali (metalografici) sunt prile care se evideniaz

    la examinarea microscopic a structurii aliajelor.

    Constituenii structurali ai aliajelor se ncadreaz n dou categorii:

    a) constitueni monofazici sau constitueni omogeni; b) constitueni

    multifazici (bifazici) sau constitueni eterogeni.

    a) Din categoria constituenilor monofazici fac parte soluiile solide,

    compuii itermetalici i metalele pure.

    b) Din categoria constituenilor multifazici (bifazici) fac parte

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

    simultan dintr-o faz lichid (topitur) sau dintr-o soluie solid.

    Procesul prin care se separ dintr-o faz lichid un amestec de faze solide

    se numete transformare eutectic, iar amestecul mecanic de faze rezultat din

    acest proces este denumit eutectic.

    Procesul prin care se separ dintr-o soluie solid un amestec de faze

    solide se numete transformare eutectoid, iar amestecul mecanic de faze solide

    rezultat prin realizarea acestui proces este denumit eutectoid.

    Caracterizarea metalografic a diverilor constitueni structurali ai aliajelor

    (studierea aspectului constituenilor structurali ai aliajelor cu ajutorul microscopiei

    metalografice) face obiectul unei lucrri de laborator.

    2.4. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare

    2.4.1. Principiile reprezentrii i utilizrii diagramelor de echilibru

    Diagramele de echilibru sunt reprezentri grafice, n funcie de

    temperatur i compoziie chimic, ale domeniilor de stabilitate a fazelor n

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

    numr de axe de coordonate egal cu numrul componentelor sistemului k (o ax

    pentru temperatur i k-1 axe pentru valorile independente ale concentraiilor

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

    n plan i se pot analiza cu uurin sunt diagramele de echilibru ale sistemelor de

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    59

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

    caracteristicilor structurale ale aliajelor destinate aplicaiilor tehnice.

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

    stabilitate a fazelor sunt separate prin linii de transformare fazic,

    corespunztoare unor transformri fazice de tip lichid - solid (cum ar fi:

    cristalizarea primar sau topirea , transformarea eutectic, descompunerea sau

    formare compuilor intermetalici cu topire incongruent) sau de tip solid - solid

    (cum ar fi: transformrile alotropice ale componentelor, modificrile n funcie de

    temperatur ale solubilitii componentelor, transformarea eutectoid, ordonarea

    soluiilor solide de substituie).

    La reprezentarea i utilizarea diagramelor de echilibru ale sistemelor de

    aliaje binare se aplic urmtoarele reguli:

    a) orice diagram are n ordonat temperatura, iar n abscis

    concentraia (masic sau atomic) a unuia din componentele (A,B) care

    definesc sistemul (ntre concentraiile componentelor oricrui aliaj binar

    exist relaia %A + %B = 100 % i, ca urmare, orice abscis a diagramei definete complet compoziia unui aliaj al sistemului);

    b) o paralel la axa ordonatelor diagramei reprezint un aliaj al

    sistemului cu evoluia sa structural la diferite temperaturi; paralela la axa

    ordonatelor corespunztoare unui aliaj al sistemului este denumit verticala

    aliajului;

    c) pe orice linie de transformare fazic a diagramei coexist n echilibru

    toate fazele din domeniile adiacente acesteia;

    d) o izoterm trasat ntr-un domeniu bifazic al diagramei intersecteaz

    liniile de transformare fazic ce mrginesc domeniul n puncte ale cror abscise

    definesc compoziiile celor dou faze care coexist n echilibru la temperatura

    corespunztoare izotermei; aceast regul este denumit regula izotermei;

    e) o izoterm trasat ntr-un domeniu monofazic al diagramei

    intersecteaz liniiile de transformare fazic ce mrginesc domeniul n puncte ale

    cror abscise definesc limitele intervalelor de variaie a concentraiiilor

    componentelor pentru care faza din domeniul respectiv exist ca faz unic la

    temperatura corespunztoare izotermei.

    Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje se construiesc prin metode

  • STIINTA MATERIALELOR

    60

    teoretice (analitice) sau experimentale.

    n funcie de numrul liniilor de transformare fazic pe care le conin,

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

    Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare reale (utilizate n tehnic)

    sunt n general complexe; studierea i utilizarea lor este posibil, dac se

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

    2.4.2. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare ale cror componente au solubilitate total

    att n stare lichid, ct i n stare solid Solubilitate total a componentelor unui sistem de aliaje binare se realizeaz

    dac cele dou componente sunt metalice i ndeplinesc condiiile precizate n scap.

    2.2. Dintre sistemele de aliaje reale care corespund acestor condiii 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 aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista dou

    faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i soluia solid

    de substituie a componentelor A i B ale sistemului, notat A(B) B(A). Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are configuraia

    prezentat n figura 2.2. Analiznd diagrama rezult c aceasta conine dou

    linii de transformare fazic: linia deasupra creia toate aliajele sistemului se

    afl n stare lichid, numit linia lichidus i linia sub care toate aliajele din

    sistem se afl n stare solid, numit linia solidus, iar punctele de intersecie

    ale celor dou linii au ordonatele corespunztoare temperaturilor de

    solidificare (topire) ale componentelor A i B (notate n diagram tsA i tsB);

    cele dou linii de transformare fazic delimiteaz n spaiul diagramei trei

    domenii: dou domenii monofazice, unul coninnd faza lichid L i cellalt soluia solid i un domeniu bifazic, coninnd ambele faze (L+). Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniile

    monofazice ale diagramei, k = 2; f = 1 i V = k - f + 1 = 2 (sistemul este bivariant), iar n domeniul bifazic i pe liniile de transformare fazic, cu excepia punctelor tsA i

    tsB, k = 2; f = 2 i V = k - f + 1 = 1 (sistemul este monovariant), iar n punctele tsA i tsB, k = 1; f = 2 i V = k - f + 1 = 0 (sistemul este invariant). Diagrama de echilibru se poate utiliza cu uurin pentru a analiza

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    61

    modificrile de structur la rcirea sau nclzirea oricrui aliaj al sistemului. De

    exemplu, pentru a analiza modificrile de structur la rcirea din stare lichid a

    unui aliaj, avnd compoziia (exprimat prin concentraiile masice sau atomice ale

    componentelor): %A = a; %B = 100 - a, se traseaz pe diagram verticala corespunztoare aliajului (verticala I n figura 2.2) i se marcheaz pe aceasta

    temperaturile caracteristice: t0 - temperatura iniial a aliajului lichid supus rcirii,

    t1 i t2 temperaturile corespunztoare punctelor de intersecie dintre verticala

    aliajului i liniile lichidus i solidus ale diagramei i ta - temperatura ambiant;

    rezultatele analizei se prezint astfel:

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul se afl n stare lichid

    (punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se afl n domeniul monofazic L

    al diagramei); deoarece n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1 (temperatura aliajului poate scdea pn la t1 fr a se

    modifica numrul fazelor care alctuiesc structura aliajului) i curba de rcire a

    aliajului (v. figura 2.3) este convex, avnd expresia analitic de forma

    (Newton), = qett 0 , q fiind o constant, iar t - temperatura aliajului dup un timp de la nceperea procesului de rcire;

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

    afl pe linia lichidus, sunt create condiiile termodinamice de coexisten a

    fazelor L i i poate fi demarat procesul de cristalizare primar a aliajului (transformarea fazei lichide L n cristale de soluie solid ); deoarece pe liniile lichidus i solidus i n domeniul bifazic L + V = 1, fazele L i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalizarea primar se

    produce la rcirea aliajului ntre t1 i t2; n timpul solidificrii aliajului se degaj

    cldur (cldura latent de cristalizare), pierderile de cldur n exterior sunt

    parial compensate i curba de rcie a aliajului este concav (v. figura 2.3);

    * la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primar este ncheiat i

    structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid ; deoarece n domeniul monofazic V = 2, aliajul i menine structura monofazic pn la ta (temperatura poate scdea de la t2 pn la ta fr a se modifica numrul fazelor din

    structura aliajului) i curba de rcire a aliajului (v. figura 2.3) este convex.

    Analiznd n detaliu procesul de cristalizare primar a aliajului considerat

    se poate constata c n cursul rcirii aliajului ntre t1 i t2 (temperaturile ntre care

  • STIINTA MATERIALELOR

    62

    are loc cristalizarea primar) compoziiile fazelor ce coexist n echilibru se

    modific continuu; astfel, aplicnd regula izotermei, rezult (v. figura 2.2):

    * la temperatura t1 (temperatura la care ncepe cristalizarea primar),

    soluia lichid are compoziia corespunztoare aliajului (%A = a; %B = 100 - a), iar germenii cristalini de soluie solid au compoziia corespunztoare abscisei punctului Gc (%A = aG > a; %B = 100 - aG < 100 - a), adic sunt mai bogai n componenta mai greu fuzibil (A) i mai sraci n componenta mai uor fuzibil

    (B) dect aliajul;

    * la o temperatur tx (t1;t2), compoziia soluiei lichide corespunde abscisei punctului Lx (%A = aLx < a; %B = 100 aLx > 100 a), iar compoziia soluiei solide corespunde abscisei punctului Gx ( %A = aGx < aG; %B = 100 aGx > 100 aG); * la temperatura t2 (temperatura la care se sfrete cristalizarea primar),

    soluia lichid are compoziia corespunztoare punctului Ls (%A = aL < aLx < a ; %B = 100 - aL > 100 - aLX > 100 - a ), adic este mai srac n componenta mai greu fuzibil (A) i mai bogat n componenta mai uor fuzibil (B) dect aliajul,

    iar ultimele formaiuni cristaline de soluie solid care apar au compoziia corespunztoare aliajului (%A = a; %B = 100 a).

    Fig. 2.2 Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare ale cror componente au solubilitate total att

    n stare lichid, ct i n stare solid

    Fig. 2.3 Curba de rcire a aliajului I i fazele corespunztoare structurilor

    la diferite temperaturi

    Aceste rezultate conduc la urmtoarele concluzii:

    - n timpul cristalizrii primare a aliajului considerat (n intervalul de

    temperaturi t1 - t2), compoziia soluiei lichide variaz dup curba lichidus (ntre

    abscisele corespunztoare punctelor t1 i Ls), iar compoziia soluiei solide care

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    63

    se formeaz variaz dup curba solidus (ntre abscisele corespunztoare punctelor

    Gc i t2);

    - cristalele de soluie solid care se formeaz n procesul de cristalizare primar sunt neomogene i prezint aspectul numit segregaie dendritic, adic

    au axele dendritice (formate la nceputul solidificrii) bogate n componentul mai

    greu fuzibil (A) i srace n componentul mai uor fuzibil (B) i zonele marginale

    (formate spre sfritul solidificrii) srace n componentul mai greu fuzibil (A) i

    bogate n componentul mai uor fuzibil (B).

    Ultima concluzie este valabil numai dac aliajul este rcit cu vitez prea

    mare n intervalul de solidificare (nu sunt realizate integral condiiile de echilibru

    termodinamic la toate nivelurile de temperatur din intervalul t1 - t2). Dac rcirea

    aliajului n intervalul de solidificare se face foarte lent, se creaz condiiile de

    uniformizare prin difuzie a compoziiei chimice i formaiunile de soluie solid existente la orice temperatur tx (t1;t2) vor avea n toat masa lor compoziia corespunztoare strii de echilibru (compoziia corespunztoare abscisei punctului

    Gx, situat la intersecia izotermei tx cu linia solidus a diagramei de echilibru). n

    aceast situaie sunt realizate continuu condiiile de echilibru interfazic n timpul

    procesului de cristalizare primar i structura aliajului dup solidificare este

    format din cristale de soluie solid omogen . Diagrama de echilibru se poate utiliza i pentru stabilirea datelor necesare

    determinrii coninuturilor (cantitilor) procentuale de faze ale structurii unui

    aliaj la o anumit temperatur. Pentru a prezenta modul n care se pot determina

    coninuturile procentuale de faze ale structurii unui aliaj a crei vertical

    traverseaz un domeniu bifazic al diagramei de echilibru, se consider aliajul

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

    figura 2.2). La tx, o mas m de aliaj, cu compoziia (exprimat prin concentraiile

    masice ale componentelor): %A = a; %B = 100 a , este alctuit din dou faze: o mas mL de soluie lichid L, cu compoziia: %A = aLx; %B = 100 aLx i o mas m de soluie solid , cu compoziia: %A = aGx; %B = 100 aGx i, ca urmare, se pot da formulri analitice urmtoarelor condiii:

    - suma maselor celor dou faze care alctuiesc structura este egal cu

    masa aliajului:

  • STIINTA MATERIALELOR

    64

    mL + m = m; (2.7) - suma maselor de component A din cele dou faze care alctuiesc

    structura este egal cu masa corespunztoare componentului A n aliaj:

    mLaLx + maGx = ma. (2.8) nmulind cu 0100

    m fiecare din relaiile (2.7) i (2.8), se obine urmtorul

    sistem de dou ecuaii, avnd ca necunoscute %L i %, coninuturile procentuale (masice) de faze n structura la tx a aliajului analizat:

    %L + % = 100 ; %LaLx + %aGx = 100a; (2.9)

    prin rezolvarea sistemului (2.9) se obin soluiile:

    100LxGx

    Gxaa

    aaL% = ; % = 100 %L = 100

    LxGx

    Lxaa

    aa

    . (2.10)

    Analiznd relaiile (2.10) se pot face urmtoarele observaii:

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

    diagrama de echilibru din figura 2.2, relaiile se pot scrie i sub forma:

    (2.11)

    care sugereaz o modalitate operativ de determinare a coninuturilor procentuale

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

    * coninuturile procentuale de faze la tx sunt n dependen liniar cu

    compoziia aliajului (exprimat prin concentraia componentului A al aliajului

    considerat %A = a). Ultima observaie se utilizeaz la construirea unor diagrame structurale

    de faze i/sau constitueni (numite i diagrame Tammann), la orice temperatur

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

    diagrama structural de faze la tx, avnd pe axa absciselor compoziia aliajelor

    sistemului i pe axa ordonatelor coninuturile procentuale de faze ale structurii

    aliajelor sistemului, are configuraia prezentat n figura 2.4.

    Folosind datele prezentate anterior, se pot determina coninuturile

    procentuale de faze i/sau constitueni, pentru orice aliaj al sistemului i orice

    temperatur i se poate ataa fiecrui aliaj al sistemului o diagram de variaie a

    coninuturilor procentuale de faze i/sau constitueni n funcie de

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    65

    temperatur. De exemplu, pentru aliajul analizat (avnd %A = a i %B = 100 - a) diagrama de variaie cu temperatura a coninuturilor procentuale de faze (L i ) este prezentat n figura 2.5.

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

    Fig. 2.5 Variaia cu temperatura a coninutului de faze n aliajul cu %A = a

    2.4.3. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, insolubile n stare solid, cu transformare eutectic

    n structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista

    trei faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i dou

    faze solide, componentele (metalele) pure A i 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

    configuraia prezentat n figura 2.6. Analiznd diagrama rezult c aceasta

    conine dou linii de transformare fazic, linia deasupra creia toate aliajele

    sistemului se afl n stare lichid, numit linia lichidus i linia (dreapta, izoterma)

    sub care toate aliajele din sistem se afl n stare solid, numit linia (dreapta)

    solidus, iar punctele de intersecie dintre linia lichidus i cele dou verticale ce

    delimiteaz spaiul diagramei au ordonatele corespunztoare temperaturilor de

    solidificare (topire) ale componentelor A i B (notate n diagram tsA i tsB);

    deoarece cele dou linii de transformare fazic au comun punctul E, spaiul

    diagramei conine patru domenii: un domeniu monofazic, coninnd faza lichid

    L i trei domenii bifazice: L + A; L + B i A + B. Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniile monofazic al

  • STIINTA MATERIALELOR

    66

    diagramei, k = 2; f = 1 i V = k f + 1 = 2 (sistemul este bivariant), n domeniile bifazice i pe linia lichidus, cu excepia punctelor E, tsA i tsB, k = 2; f = 2 i V = k f + 1 = 1 (sistemul este monovariant), pe dreapta solidus (inclusiv punctul E), k = 2; f = 3 i V = k f + 1 = 0 (sistemul este invariant), iar n punctele tsA i tsB, k = 1; f = 2 i V = k f + 1 = 0 (sistemul este, de asemenea, invariant). Particularitile formrii structurilor la aliajele aparinnd acestui sistem se

    pot evidenia analiznd modificrile de structur la rcirea din stare lichid a unui

    aliaj, avnd compoziia (exprimat prin concentraiile masice sau atomice ale

    componentelor): %A = a; %B = 100 a. Pe verticala corespunztoare aliajului, trasat i notat cu I pe diagrama din figura 2.6, sunt marcate temperaturile

    caracteristice: t0 - temperatura iniial a aliajului lichid supus rcirii, t1 i t2

    temperaturile corespunztoare punctelor de intersecie dintre verticala aliajului i

    liniile lichidus i solidus ale diagramei i ta - temperatura ambiant; rezultatele

    analizei se prezint astfel:

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul se afl n stare lichid

    (punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se afl n domeniul monofazic L al

    diagramei); deoarece n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1 (temperatura aliajului poate scdea pn la t1 fr a se modifica

    numrul fazelor care alctuiesc structura aliajului) i curba de rcire a aliajului

    (v.figura 2.7) este convex, avnd expresia analitic de forma (Newton), = qett 0 , q fiind o constant, iar t - temperatura aliajului dup un timp de la

    nceperea procesului de rcire;

    Fig. 2.6 Diagrama de echilibru a sistemelor de

    aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, insolubile n stare solid, cu

    transformare eutectic

    Fig. 2.7 Curba de rcire a aliajului cu %A = a,

    i structura acestuia la diferite temperaturi

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    67

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

    afl pe linia lichidus, sunt create condiiile termodinamice de coexisten a fazelor L

    i A i este demarat procesul de formare a unor cristale de A din soluia lichid L;

    deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + A, V = 1, fazele L i A pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de A se

    formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; n timpul formrii

    cristalelor de A se degaj cldur (cldura latent de cristalizare), pierderile de

    cldur n exterior sunt parial compensate i curba de rcie a aliajului este concav

    (v. figura 2.7); aplicnd regula izotermei, se constat c formarea cristalelor de A

    determin modificarea compoziiei fazei lichide L (micorarea concentraiei

    componentului A n faza lichid) dup segmentul t1E al liniei lichidus;

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

    V = 0, iar soluia lichid L are compoziia corespunztoare punctului E (concentraiile componentelor n soluia lichid sunt date de abscisa punctului E:

    %A = e; %B = 100 e); n aceste condiii se produce transformarea: L (A + B); (2.12)

    innd seama de datele prezentate n scap. 2.3, rezult c transformarea ce are loc

    la temperatura t2 i const din formarea simultan din soluia lichid L a cristalelor

    componentelor A i B este o transformare eutectic, iar amestecul mecanic de

    faze solide (A + B) este un eutectic; deoarece transformarea eutectic se desfoar la temperatur constant, pe curba de rcire a aliajului analizat apare

    un palier (v. figura 2.7);

    * sub temperatura t2, rcirea aliajului se produce fr modificri structurale

    i curba de rcire este convex (v.figura 2.7); la orice temperatur t < t2 (deci i la ta) structura aliajului este alctuit din: a) faze: A i B; b) constitueni: A, separat

    sub form de cristale nainte de producerea transformrii eutectice (separat

    preeutectic) i eutecticul (A + B). Structura oricrui aliaj al sistemului se poate stabili, efectund analiza

    transformrilor sale structurale la rcirea din stare lichid, la fel ca n cazul aliajului

    anterior considerat. Pe aceast baz se poate constata c, innd seama de structura pe

    care o prezint n stare solid, aliajele sistemului se pot ncadra n trei categorii:

    * aliaj eutectic, cu compoziia corespunztoare punctului E (%A = e;

  • STIINTA MATERIALELOR

    68

    %B = 100 e) i structura (n stare solid) alctuit dintr-un singur constituent: eutecticul (A + B);

    * aliaje hipoeutectice, cu %A < e (verticalele corespunztoare acestor aliaje sunt situate n diagrama de echilibru la stnga puntului E) i structura (n stare

    solid) alctuit din doi constitueni: B (separat preeutectic) i eutecticul (A+B); * aliaje hipereutectice, cu %A > e (verticalele corespunztoare acestor aliaje sunt situate n diagrama de echilibru la dreapta puntului E) i structura (n

    stare solid) alctuit din doi constitueni: A (separat preeutectic) i eutecticul (A+B).

    Fig. 2.8 Diagrama structural (Tammann) a fazelor i a constituenilor la temperatura ta.

    Fig. 2.9 Variaia cu temperatura a coninuturilor de faze i de constitueni n aliajul cu %A = a

    Folosind principiile i metodele prezentate n scap. 2.4.2, se pot construi

    pentru sistemul de aliaje analizat diagramele structurale de faze i constitueni la

    orice temperatur; de exemplu, diagramele structurale corespunztoare

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

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

    coninuturilor procentuale de faze i constitueni; de exemplu, n 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 n stare lichid, parial solubile

    n stare solid, cu transformare eutectic n structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista trei faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i dou

    faze solide, soluiile solide pariale ale componentelor sistemului, notate A(B)

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    69

    - soluie solid avnd ca solvent componentul A - i B(A) - soluie solid avnd 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 configuraia

    prezentat n figura 2.10. Analiznd diagrama rezult c aceasta conine patru linii de

    transformare fazic: linia lichidus tsBEtsA, deasupra creia toate aliajele sistemului se

    afl n stare lichid, linia solidus tsBMENtsA, sub care toate aliajele sistemului se afl

    n stare solid i liniile MP, NQ, numite linii solvus, de variaie cu temperatura a

    solubilitilor reciproce ale componentelor A i B i, n consecin, de variaie cu

    temperatura a compoziiei soluiilor solide i . Liniile de transformare fazic delimiteaz n spaiul diagramei 6 domenii: 3 domenii monofazice: L, i i trei domenii bifazice: L + , L + , + . Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniile monofazice ale diagramei, V = 2 (sistemul este bivariant), n domeniile bifazice i pe liniile de transformare fazic, cu

    excepia segmentului izoterm MEN al liniei solidus i punctelor tsA, tsB, V = 1 (sistemul este monovariant), iar pe segmentul MEN i n punctele tsA, tsB, V = 0 (sistemul este invariant).

    Particularitile formrii structurilor la aliajele aparinnd acestui sistem se

    pot evidenia analiznd transformrile la rcirea din stare lichid ale aliajelor

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

    Aliajul I se analizeaz la fel ca aliajele aparinnd sistemelor binare ale

    cror componente sunt complet solubile att n stare lichid, ct i n stare solid

    (v. aliajul I discutat n scap.2.4.2); pe baza analizei rezult c aliajul I are n stare

    solid o structur monofazic, alctuit numai din cristale de soluie solid . Aliajul II sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia este

    convex;

    * ntre t1 i t2 se produce cristalizarea primar a aliajului, din soluia

    lichid L formndu-se cristale de soluie solid ; n timpul procesului de cristalizare primar se degaj cldura latent de solidificare, pierderile de cldur

    n exeterior sunt parial compensate i curba de rcire a aliajului este concav;

  • STIINTA MATERIALELOR

    70

    * la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primar este ncheiat

    i structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid ; deoarece n domeniul , V = 2, la rcirea n intervalul de temperaturi t2 t3 aliajul i menine structura monofazic , iar curba sa de rcire este convex; * sub temperatura t3, concentraia componentului B al aliajului depete

    coninutul procentual de B care poate fi dizolvat de soluia solid i, ca urmare, componenta B n exces ( care nu poate fi dizolvat n ) se separ sub form de soluie solid (bogat n componentul B), numit faz secundar i notat (pentru a o deosebi de soluia solid care, la alte aliaje ale sistemului, se formeaz la cristalizarea primar, din soluia solid L, i este numit faz primar

    i notat ); separarea soluiei solide este nsoit de o degajare de cldur i, ca urmare, curba de rcire a aliajului este concav.

    Fig. 2.10 Diagrama de echilibru a

    sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n

    stare lichid, parial solubile n stare solid, cu transformare eutectic

    Fig. 2.11 Curba de rcire a aliajului II i structura sa la

    diferite temperaturi

    Fig. 2.12 Curba de rcire a aliajului III i structura sa la

    diferite temperaturi

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic de

    curba de rcire prezentat n figura 2.11, aliajul analizat are structura la ta ( sub t3)

    alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: i . Aliajul III sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul este n stare lichid; deoarece

    n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia este convex;

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

    afl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i i este

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    71

    demarat procesul de formare a unor cristale de soluie solid din faza lichid L; deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + , V = 1, fazele L i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de se formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de

    este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a aliajului este concav) i de o variaie (descresctoare) a concentraiei componentului A n faza lichid L

    dup linia t1E ;

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2 (corespunztoare segmentului izoterm MEN al liniei solidus) concentraia

    componentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului E i sunt

    ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii eutectice:

    LE (N + M); (2.13) deoarece pe segmentul izoterm MEN al curbei solidus, V = 0, transformarea eutectic se produce la temperatur constant i curba de rcire a aliajului are un

    palier la t2;

    Fig. 2.13 Diagramele structurale (Tammann) pentru faze i constitueni la temperatura ta ale sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile n

    stare solid, cu transformare eutectic * sub t2, solubilitile reciproce ale componentelor corespunztoare

    fazelor i se micoreaz continuu (dup liniile solvus NQ i MP) iar componentele A i B n exces se separ sub form de faze secundare i ; deoarece formaiunile cristaline ale fazelor secundare au tendina de depunere pe

    fazele de acelai tip preexistente, n structura microscopic a aliajului apare ca

    faz secundar distinct numai ; procesul de separare a fazelor secundare este nsoit de o degajare de cldur i curba de rcire a aliajului este concav.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic de

    curba de rcire prezentat n figura 2.12, aliajul analizat va avea structura la ta

  • STIINTA MATERIALELOR

    72

    (sub t2) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: (format preeutectic), eutectic ( + ) i faz secundar (dispus intercristalin n masa fazei preeutectice ). Aplicnd principiile i metodele prezentate anterior (v. scap.2.4.2) se pot

    construi diagramele structurale (de faze i constitueni), la orice temperatur

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

    corespunztoare temperaturii ambiante sunt prezentate n figura 2.13.

    2.4.5. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid,

    parial solubile n stare solid, cu transformare peritectic

    n structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista

    trei faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i dou

    faze solide, soluiile solide pariale ale componentelor sistemului, notate A(B) - soluie solid avnd ca solvent componentul A - i B(A) - soluie solid avnd 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

    configuraia prezentat n figura 2.14. Analiznd diagrama rezult c aceasta

    conine patru linii de transformare fazic: linia lichidus tsBNtsA, deasupra creia

    toate aliajele sistemului se afl n stare lichid, linia solidus tsBMPtsA, sub care

    toate aliajele sistemului se afl n stare solid i liniile MQ, PF, numite linii

    solvus, de variaie cu temperatura a solubilitilor reciproce ale componentelor A

    i B i, n consecin, de variaie cu temperatura a compoziiei soluiilor solide i . Liniile de transformare fazic delimiteaz n spaiul diagramei 6 domenii: 3 domenii monofazice: L, i i trei domenii bifazice: L + , L + , + . Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate:

    n domeniile monofazice ale diagramei, V = 2 (sistemul este bivariant), n domeniile bifazice i pe liniile de transformare fazic, cu excepia segmentului izoterm MPN

    al liniei solidus i punctelor tsA, tsB, V = 1 (sistemul este monovariant), iar pe segmentul MPN i n punctele tsA, tsB, V = 0 (sistemul este invariant).

    Particularitile formrii structurilor la aliajele aparinnd acestui sistem se

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    73

    pot evidenia analiznd transformrile la rcirea din stare lichid ale aliajelor

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

    Aliajul I se analizeaz la fel ca aliajele aparinnd sistemelor binare ale

    cror componente sunt complet solubile att n stare lichid, ct i n stare solid

    (v. aliajul I discutat n scap.2.4.2); pe baza analizei rezult c aliajul I are n stare

    solid o structur monofazic, alctuit numai din cristale de soluie solid . Aliajul II se analizeaz la fel ca aliajul II aparinnd sistemelor binare ale

    cror componente sunt complet solubile att n stare lichid, parial solubile n

    stare solid, cu transformare eutectic, prezentat n scap.2.4.4; pe baza analizei

    rezult c aliajul II are structura la ta (sub t3) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: i .

    Fig. 2.14 Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile n stare solid, cu transformare peritectic

    Fig. 2.15 Curba de rcire a aliajului III, i structura sa la diferite temperaturi

    Fig. 2.16 Curba de rcire

    a aliajului IV, i structura sa la diferite temperaturi

    Aliajul III sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,

    V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului

    se afl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i i este demarat procesul de formare a unor cristale de soluie solid din faza lichid L; deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + , V = 1, fazele L i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de se formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a

  • STIINTA MATERIALELOR

    74

    aliajului este concav) i de variaii (descresctoare) ale concentraiilor

    componentului B n L (dup linia t1N) i n (dup linia tsBM); * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2

    (corespunztoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraia

    componentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului N,

    concentraia componentului A n soluia solid corespunde abscisei punctului M i sunt ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii:

    L N + M P; (2.14) deoarece pe segmentul izoterm MPN al curbei solidus, V = 0, transformarea se produce la temperatur constant i curba de rcire a aliajului are un palier la

    t2; transformarea (2.14) ncepe prin formarea unui perete cristalin de soluie

    solid pe interfaa dintre cristalele de soluie solid i faza lichid L, continu (dup formarea peretelui despritor de ntre fazele i L) prin ngroarea peretelui cristalin de , ca urmare a transferrii prin difuzie a componentelor A i B ntre fazele reactante i L i se sfrete cnd una din fazele reactante este epuizat (n cazul aliajului analizat, faza ); datorit acestor particulariti de desfurare transformarea (2.14) este denumit

    transformare peritectic (reacie pe perete);

    * ntre t2 i t3, procesul de cristalizare primar al aliajului este

    definitivat, faza lichid rmas la sfritul transformrii peritectice

    solidificndu-se sub form de cristale de soluie solid ; procesul este nsoit de o degajare de cldur i curba de rcire a aliajului este concav;

    * la atingerea temperaturii t3 procesul de cristalizare primar este

    ncheiat i structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid

    ; deoarece n domeniul , V = 2, la rcirea n intervalul de temperaturi t3 t4 aliajul i menine structura monofazic , iar curba sa de rcire este convex; * sub temperatura t4, concentraia componentului B al aliajului

    depete coninutul procentual de B care poate fi dizolvat de soluia solid i, ca urmare, componentul B n exces (care nu poate fi dizolvat n ) se separ sub form de faz secundar (bogat n componentul B); separarea soluiei solide este nsoit de o degajare de cldur i, ca urmare, curba de rcire a aliajului este concav.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    75

    de curba de rcire prezentat n figura 2.15, aliajul analizat va avea structura

    la ta (sub t4) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: i . Aliajul IV sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,

    V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului

    se afl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i i este demarat procesul de formare a unor cristale de soluie solid din faza lichid L; deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + , V = 1, fazele L i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de se formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a aliajului este concav) i de variaii (descresctoare) ale concentraiilor

    componentului B n L (dup linia t1N) i n (dup linia tsBM); * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2

    (corespunztoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraia

    componentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului N,

    concentraia componentului A n soluia solid corespunde abscisei punctului M i sunt ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii peritectice

    (2.14); deoarece pe segmentul izoterm MPN al curbei solidus, V = 0, transformarea peritectic se produce la temperatur constant (curba de

    rcire a aliajului are un palier la t2) i se termin cnd este epuizat faza lichid

    L (aliajul este complet solidificat);

    Fig. 2.17 Diagramele structurale (Tammann) pentru faze i constitueni la

    temperatura ta ale sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile n stare solid, cu transformare peritectic

  • STIINTA MATERIALELOR

    76

    * sub t2, solubilitile reciproce ale componentelor corespunztoare

    fazelor i se micoreaz continuu (dup liniile solvus PF i MQ), iar componentele A i B n exces se separ sub form de faze secundare i , ambele vizibile ca faze distincte n structura aliajului.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic de

    curba de rcire prezentat n figura 2.16, aliajul analizat va avea structura la ta

    (sub t2) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: (format preperitectic), (rezultat din reacia peritectic), (dispus intercristalin n masa fazei ) i (dispus intercristalin n masa fazei ).

    Aplicnd principiile i metodele prezentate anterior (v. scap.2.4.2) se pot

    construi diagramele structurale (de faze i constitueni), la orice temperatur

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

    corespunztoare temperaturii ambiante sunt prezentate n figura 2.17.

    2.4.6. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ale cror componente au solubilitate total n stare lichid,

    sunt insolubile sau parial solubile n stare solid i formeaz compui intermetalici

    n aceast categorie se ncadreaz mai multe tipuri de sisteme de

    aliaje, difeniate prin solubilitatea reciproc a componenetelor n stare solid

    i prin tipul compuilor intermetalici formai de componente: faze daltonide

    sau faze bertholide; compui cu topire congruent sau compui cu topire

    incongruent.

    Diagramele de echilibru ale acestor sisteme de aliaje binare se pot

    analiza cu uurin, deoarece pot fi descompuse n diagrame simple, de tipul

    celor prezentate anterior.

    Principalele tipuri de diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje

    binare ce se ncadreaz n aceast categorie sunt prezentate n continuare.

    2.4.6.1. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui

    componente A i B sunt insolubile n stare solid i formeaz compusul

    definit (faz daltonid) cu topire congruent AnBm are configuraia

    prezentat n figura 2.18; o astfel de diagram poate fi descompus n

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

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    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 i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binare de acest tip, corespunztoare

    temperaturii ambiante, sunt prezentate n figura 2.19.

    Fig. 2.18. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui componente sunt insolubile n stare solid i formeaz un compus definit cu

    topire congruent

    Fig. 2.19. Diagramele structurale (de faze i

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

    2.4.6.2. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui

    componente A i B sunt parial solubile n stare solid i formeaz

    compusul definit (faz daltonid) cu topire congruent AnBm are

    configuraia prezentat n 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 i constitueni) pentru sistemele de

    aliaje binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt

    prezentate n figura 2.21.

    Fig. 2.20. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui componente sunt parial solubile n stare solid i formeaz un compus definit

    cu topire congruent

    Fig. 2.21. Diagramele structurale (de faze i

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

  • STIINTA MATERIALELOR

    78

    2.4.6.3. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui

    componente A i B sunt parial solubile n stare solid i formeaz

    compusul cu compoziie variabil (faz bertholid), cu topire congruent,

    AnBm, are configuraia prezentat n figura 2.22; o astfel de diagram poate fi

    descompus n diagrame simple de tipul studiat n 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 i constitueni) pentru sistemele de

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

    n figura 2.23.

    Fig. 2.22. Diagrama de echilibru a unui sistem

    binar ale crui componente sunt parial solubile n stare solid i formeaz un compus cu compoziie variabil i topire congruent

    Fig. 2.23. Diagramele structurale (de faze i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.22.

    2.4.6.4. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui

    componente A i B sunt insolubile n stare solid i formeaz compusul

    definit (faz daltonid) cu topire incongruent AnBm are configuraia

    prezentat n 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 i constitueni) pentru sistemele de aliaje binare de

    acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentate n figura 2.25.

    Particularitile formrii compusului intermetalic cu topire incongruent,

    AnBm, se pot evidenia analiznd modificrile de structur la rcirea din stare

    lichid ale aliajului marcat n diagrama de echilibru prin verticala I.

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,

    V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia este concav;

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

    afl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i A i este

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

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    79

    deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + A, V = 1, fazele L i A pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de A se

    formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de A

    este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a aliajului este concav) i de

    variaia (descresctoare) a concentraiei componentului A n L (dup linia t1M );

    Fig. 2.24. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui componente sunt insolubile n stare solid i formeaz un compus definit cu

    topire incongruent

    Fig. 2.25. Diagramele structurale (de faze i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.24.

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2

    (corespunztoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraia

    componentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului M i sunt

    ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii (de tip peritectic):

    L M + A AnBm; (2.15) deoarece pe segmentul izoterm MPN, V = 0, formarea compusului intermetalic AnBm prin reacia de tip peritectic (2.15) se produce la temperatur constant

    (curba de rcire a aliajului are un palier la t2) i se termin cnd este epuizat faza

    lichid L (aliajul este complet solidificat);

    * sub t2, aliajul se rcete fr a suferi modificri structurale i curba sa de

    rcire este convex.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior, aliajul analizat va avea

    structura la ta (sub t2) alctuit din: a) faze: A i AnBm; b) constitueni: A i AnBm.

    Trebuie remarcat c, dac se face nclzirea aliajului, la atingerea

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

    AnBm L M + A ; (2.16) datorit acestui mod de comportare la nclzire (descompunerea n dou faze

    nainte de topire), compusul AnBm este denumit compus cu topire incongruent.

  • STIINTA MATERIALELOR

    80

    2.4.7. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ale cror componente au solubilitate total n stare lichid

    i prezint (n stare solid) transformri alotropice

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

    componente prezint transformri alotropice. n aceast categorie se ncadreaz

    mai multe tipuri de sisteme de aliaje, difereniate prin solubilitatea reciproc (n

    stare solid) a modificaiilor componenetelor.

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

    cu uurin, deoarece configuraia lor poate fi reprodus prin suprapunerea unor

    diagrame simple, de tipul celor prezentate anterior.

    Principalele tipuri de diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare

    ce se ncadreaz n aceast categorie sunt prezentate n continuare.

    2.4.7.1. Diagrama de echilibru a unui sistem binar la care

    componentul A are dou modificaii (stri alotropice) A, stabil la

    temperaturi joase i A, stabil la temperaturi ridicate, ambele modificaii fiind insolubile n componentul B al sistemului, are configuraia prezentat n

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

    urmtoarele aspecte:

    Fig. 2.26. Diagrama de echilibru a unui sistem

    binar la care componentul A are dou modificaii (stri alotropice), ambele modificaii fiind insolubile n componentul B al sistemului

    Fig. 2.27. Diagramele structurale (de faze i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binare din fig. 2.26

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

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

    transformare n stare solid a componentului A tcA (temperatura la care se produce

    transformarea alotropic AA); pe linia PtcA, V = 0 i, ca urmare, la orice aliaj din sistem transformarea alotropic a componentului A se produce la temperatur

    constant;

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    81

    * diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de aliaje

    binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentate n

    figura 2.27 i sunt asemntoare diagramelor sistemului de aliaje binare analizat

    n scap. 2.4.3.

    2.4.7.2 Diagrama de echilibru a unui sistem binar la care componentul

    A are dou modificaii (stri alotropice) A, stabil la temperaturi joase i A, stabil la temperaturi ridicate, ambele modificaii fiind solubile n

    componentul B al sistemului, are configuraia prezentat n 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 n vedere urmtoarele aspecte:

    * modificaia A i componentul B formeaz soluia solid total

    A(B) B(A) i, ca urmare, modificaia A i componentul B nu pot forma dect o soluie solid parial A(B); * diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de aliaje

    binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentate n

    figura 2.29 i sunt asemntoare cu diagramele structurale (la tx) ale sistemului de

    aliaje binare analizat n scap. 2.4.2.

    Fig. 2.28. Diagrama de echilibru a unui sistem

    binar la care componentul A are dou modificaii (stri alotropice), ambele modificaii

    fiind solubile n componentul B

    Fig. 2.29. Diagramele structurale (de faze i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.28

    2.4.7.3. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale crui

    componente A i B au modificaiile A i B, stabile la temperaturi joase i

    insolubile i modificaiile A i B, stabile la temperaturi ridicate i complet solubile, are aspectul prezentat n figura 2.30. Dintre sistemele de aliaje binare

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

  • STIINTA MATERIALELOR

    82

    Particularitile formrii structurilor la aliajele unui sistem de acest tip

    se pot evidenia analiznd modificrile de structur la rcirea din stare lichid

    ale aliajului marcat n diagrama de echilibru prin verticala I:

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,

    V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1 ncepe cristalizarea primar a aliajului,

    cu formarea din soluia lichid L a cristalelor de soluie solid (soluia solid total a modificaiilor izomorfe A i B ale componentelor sistemului,

    A(B) B(A)), proces care continu pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de este nsoit de o degajare de cldur i curba de rcire a aliajului este concav;

    * ntre t2 i t3 aliajul se rcete fr a suferi transformri structurale i

    curba sa de rcire este convex;

    * la atingerea temperaturii t3, din soluia solid ncep s apar formaiuni cristaline ale modificaiei A; deoarece n domeniul bifazic

    + A, V = 1, procesul de formare a fazei A continu n tot timpul rcirii aliajului ntre t3 i t4 i este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a

    aliajului este concav) i de micorarea concentraiei n componentul A a

    soluiei solide (dup linia t3E);

    Fig. 2.30. Diagrama de echilibru a unui sistem

    binar la care componentul A are dou modificaii (stri alotropice), ambele modificaii

    fiind solubile n componentul B

    Fig. 2.31. Diagramele structurale (de faze i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.30

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t4

    (corespunztoare izotermei MEN din diagrama de echilibru) concentraia

    componentului A n soluia solid corespunde abscisei punctului E i sunt

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    83

    ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii:

    E (A + B); (2.17) innd seama de datele prezentate n scap. 2.3, rezult c transformarea ce are

    loc la temperatura t4 i const din formarea simultan din soluia solid a cristalelor modificaiilor A i B este o transformare eutectoid, iar

    amestecul mecanic de faze solide (A + B) este un eutectoid; deoarece pe izoterma MEN, V = 0, transformarea eutectoid decurge la temperatur constant i pe curba de rcire a aliajului apare un palier;

    * sub t4, aliajul se rcete fr a suferi modificri structurale i curba

    sa de rcire este convex.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior, aliajul analizat va

    avea structura la ta ( sub t4) alctuit din: a) faze: A i B; b) constitueni:

    A (separat preeutectoid) i eutectoid (A + B). Diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de

    aliaje binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt

    prezentate n figura 2.31 i sunt asemntoare diagramelor sistemului de

    aliaje binare analizat n scap. 2.4.3 (numai c n locul eutecticului (A + B) apare eutectoidul (A + B)).

    2.5. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare

    n multe aplicaii tehnice se utilizeaz aliaje aparinnd unor sisteme ternare

    (cu trei componente); pentru a stabili constituia fazic a unor astfel de aliaje (natura,

    numrul i proporia fazelor care le alctuiesc structura) n funcie de temperatur se

    folosesc diagramele sistemelor de aliaje ternare crora aparin acestea.

    Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se reprezint sub

    forma unor machete sau modele tridimensionale, avnd ca baze triunghiuri

    echilaterale. Triunghiul echilateral ce reprezint baza diagramei de echilibru a

    unui sistem de aliaje ternare este denumit triunghiul concentraiilor i are

    nscrise n vrfuri simbolurile chimice ale celor trei componente ale sistemului,

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

    componente.

  • STIINTA MATERIALELOR

    84

    La utilizarea diagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se

    aplic urmtoarele reguli privind triunghiul concentraiilor:

    a) orice punct din interiorul triunghiului concentraiilor definete compoziia

    unui aliaj al sistemului ternar; de exemplu, aa cum se poate observa n figura 2.32,

    care reprezint triunghiul concentraiilor pentru un sistem de aliaje ternare cu

    componentele A, B i C, punctul M definete aliajul avnd %A = a; %B = b ; %C = c (evident , %A + %B + %C = a + b + c = 100);

    b) punctele din interiorul triunghiului concentraiilor aparinnd unei

    drepte paralele cu o latur a triunghiului definesc compoziiile unui grup de

    aliaje avnd aceeai concentraie a componentului nscris n vrful opus laturii

    cu care dreapta dat este paralel; de exemplu, aa cum se poate observa n

    figura 2.32, punctele aparinnd segmentului PQ , paralel cu latura BC, opus

    vrfului A, corespund grupului de aliaje ternare avnd %A = a = ct.; c) punctele din interiorul triunghiului concentraiior aparinnd

    unei ceviene a acestuia (dreapt ce trece prin unul din vrfurile triunghiului)

    definesc compoziiile unui grup de aliaje avnd acelai raport al concentraiilor

    componentelor nscrise n vrfurile prin care nu trece ceviana; de exemplu , se

    poate demonstra cu uurin c, n triunghiul concentraiilor reprezentat n figura

    2.32, punctele aparinnd cevienei AD (care conine vrful A, dar nu trece prin

    vrfurile B i C), corespund grupului de aliaje ternare avnd .ctcb

    C%B% == .

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

    traseaz triunghiul concentraiilor (cu care se pot defini compoziiile aliajelor

    sistemului), se nscrie temperatura pe o ax perpendicular pe planul triunghiului

    concentraiilor i, n sistemul de coordonate astfel realizat, se reprezint domeniile de

    stabilitate ale fazelor, delimitate prin

    linii i/sau suprafee de transformare

    fazic.

    La utilizarea diagramelor de

    echilibru ale sistemelor de aliaje

    ternare se aplic urmtoarele reguli:

    a) o perpendicular pe planul

    triunghiului concentraiilor (avnd

    Fig. 2.32. Triunghiul concentraiilor pentru un

    sistem de aliaje de ternare

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    85

    piciorul n interiorul triunghiului) reprezint un aliaj al sistemului cu evoluia sa

    structural la diferite temperaturi; perpendiculara pe planul triunghiului

    concentraiilor corespun-ztoare unui aliaj al sistemului este denumit (ca i n

    cazul sistemelor de aliaje binare) verticala aliajului;

    b) liniile i/sau punctele de intersecie dintre suprafeele i/sau liniile

    unei diagrame ternare i un plan perpendicular pe planul triunghiului

    concentraiilor i paralel cu una din laturile acestuia, definesc diagrama de

    echilibru a unui grup de aliaje ternare avnd aceeai concentraie a

    componentului nscris n vrful opus laturii triunghiului concentraiilor cu

    care planul de secionare este paralel; diagrama de echilibru care se obine

    printr-o astfel de secionare (cu configuraia asemntoare diagramelor de

    echilibru ale sistemelor de aliaje binare) este denumit diagram

    pseudobinar;

    c) liniile i/sau punctele de intersecie dintre suprafeele i/sau liniile

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

    concentraiilor), definesc diagrama fazic a sistemului de aliaje ternare la

    temperatura corespunztoare planului izotem de secionare.

    Pentru a evidenia modul n care se pot utiliza regulile prezentate anterior

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

    cazul unui sistem ternar la care componentele sunt complet solubile att n stare

    lichid, ct i n stare solid; 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 n care componenii sunt

    complet solubili att n stare lichid, ct i n stare solid

  • STIINTA MATERIALELOR

    86

    n structura aliajelor aparinnd sistemelor ternare de acest tip pot exista

    dou faze: soluia lichid a componentelor A, B, C ale sistemului, notat L i soluia

    solid de substituie a componentelor sistemului, notat A(B,C) B(A,C) C(A,B). Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje ternare are configuraia prezentat n figura 2.33. Analiznd diagrama rezult c aceasta

    conine dou suprafee de transformare fazic, suprafaa deasupra creia toate

    aliajele sistemului se afl n stare lichid, numit suprafa lichidus i suprafaa

    sub care toate aliajele din sistem se afl n stare solid, numit suprafaa solidus,

    iar punctele comune celor dou suprafee de transformare fazic au ordonatele

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

    (notate n diagrama tsA, tsB, tsC); cele dou suprafee de transformare fazic

    delimiteaz n spaiul diagramei trei domenii: dou domenii monofazice, unul

    coninnd faza lichid L i cellalt - soluia solid i un domeniu bifazic L + . Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje se obin urmtoarele

    rezultate: n domeniile monofazice ale diagramei, V = k f + 1 = 3 1 + 1 = 3 (sistemul este trivariant), n domeniul bifazic i pe suprafeele de transformare

    fazic, V = k f + 1 = 3 2 + 1 = 2 (sistemul este bivariant), iar n punctele tsA, tsB, tsC, V= k f + 1 = 1 2 + 1 = 0 (sistemul este invariant). Diagrama de echilibru

    se poate utiliza cu uurin pentru a analiza modificrile de structur la rcirea sau nclzirea

    oricrui aliaj al sistemului. De exemplu, pentru a analiza modificrile de structur la rcirea

    din stare lichid a unui aliaj, avnd compoziia (exprimat prin concentraiile masice sau

    atomice ale componentelor): %A = a; %B = b; %C = c = 100 a b, se traseaz pe diagram verticala corespunztoare aliajului (verticala I n figura 2.33, ce

    intersecteaz triunghiul concentraiilor n punctul M) i se marcheaz pe aceasta

    temperaturile caracteristice: t0 - temperatura iniial a aliajului lichid supus rcirii, t1

    i t2 temperaturile corespunztoare punctelor de intersecie dintre verticala aliajului

    i suprafeele lichidus i solidus ale diagramei i ta - temperatura ambiant;

    rezultatele analizei se prezint astfel:

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul se afl n stare lichid

    (punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se afl n domeniul monofazic

    L al diagramei); deoarece n domeniul monofazic L, V = 3, aliajul se menine n stare lichid pn la t1 (temperatura aliajului poate scdea pn la t1 fr a

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    87

    se modifica numrul fazelor care alctuiesc structura aliajului) i curba de

    rcire a aliajului este convex;

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

    afl pe suprafaa lichidus, sunt create condiiile termodinamice de coexisten a

    fazelor L i i poate fi demarat procesul de cristalizare primar a aliajului (transformarea fazei lichide L n cristale de soluie solid ); deoarece pe suprafeele lichidus i solidus i n domeniul bifazic L + , V = 2, fazele L i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalizarea primar se produce la rcirea aliajului ntre t1 i t2; n timpul

    solidificrii aliajului se degaj cldur (cldura latent de cristalizare),

    pierderile de cldur n exterior sunt parial compensate i curba de rcie a

    aliajului este concav;

    Fig. 2.34. Diagram pseudobinar din sistemul

    de aliaje a crui diagram este prezentat n figura 2.33, obinut pentru %A = ct.

    Fig. 2.35. Diagram fazic pentru t = ct a sistemului a crui diagram este prezentat

    n figura 2.33.

    * la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primar este

    ncheiat i structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid

    , omogen; deoarece n domeniul monofazic , V = 3, aliajul i menine structura monofazic pn la ta (temperatura poate scdea de la t2 pn la ta fr a se modifica numrul fazelor din structura aliajului) i curba de

    rcire a aliajului este convex.

    Aliajele sistemului ternar pot fi analizate i pe diagrame pseudobinare

    (obinute prin secionarea diagramei ternare cu plane perpendiculare pe

    planul triunghiului concentraiilor i paralele cu una din laturile acestui

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

    secionarea diagramei ternare cu plane izoterme). Pentru exemplificare, n

  • STIINTA MATERIALELOR

    88

    figura 2.34 se prezint o diagram pseudobinar care conine aliajul analizat

    anterior, iar n figura 2.35 - diagrama fazic corespunztoare unei

    temperaturi tx (v. fig. 2.33).

    2.6. Tratamentele termice aplicate aliajelor

    Tratamentele termice (TT) sunt succesiuni de operaii tehnologice care

    se aplic pieselor metalice i care constau n nclzirea acestora la anumite

    temperaturi, meninerea lor la aceste temperaturi i rcirea n condiii bine

    determinate, n scopul aducerii materialului metalic din care sunt confecionate la

    starea structural corespunztoare asigurrii proprietilor fizice, mecanice sau

    tehnologice impuse de domeniul i condiiile de utilizare ale acestor piese.

    Modul n care trebuie conduse

    operaiile corespunztoare aplicrii

    unui tratament termic se descrie de

    obicei ntr-o diagram, avnd n

    abscis timpul i n ordonat

    temperatura, n care se indic

    valorile tuturor parametrilor de

    regim care se controleaz. n figura

    2.36 se prezint diagrama unui

    tratament termic simplu i

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

    necesar nclzirii la ti a pieselor supuse tratamentului i (cunoscnd valorile parametrilor ti i i se poate stabili o valoare medie a vitezei de nclzire

    i

    ii

    tv = ),

    timpul (durata) de meninere la ti a pieselor supuse tratamentului m i viteza de rcire a pieselor dup meninerea la ti vr (sau mediul n care se face rcirea

    pieselor dup meninerea la ti).

    In funcie de tipul i natura transformrilor structurale pe care le produc n

    materialele metalice din care sunt confecionate piesele, tratamentele termice se

    pot clasifica n urmtoarele categorii:

    Fig. 2.36. Diagrama unui tratament termic simplu

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    89

    * Recoacerea fr schimbare de faz; este tratamentul temic prin care

    materialul metalic al pieselor tratate, aflat ntr-o stare structural nestabil,

    produs de diferitele prelucrri la care a fost supus anterior, este adus ntr-o

    stare stabil, fr realizarea n acest scop a vreunei transformri de faz;

    * Recoacerea cu schimbare de faz; este tratamentul termic ce const

    din nclzirea materialului pieselor tratate deasupra unuia din punctele sale

    (critice) de transformare n stare solid i rcirea ulterioar cu vitez suficient de

    mic, pentru atingerea unei stri structurale de echilibru;

    * Clirea; este tratamentul termic ce const din nclzirea materialului

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

    solid sau deasupra temperaturii la care se produce dizolvarea n matricea

    structural de baz a fazelor secundare i rcirea ulterioar rapid (cu vitez

    suficient de mare), pentru obinerea unei stri structurale n afar de echilibru;

    clirea poate fi:

    - clire martensitic bazat pe mpiedicarea unei transformri eutectoide i transformarea unei soluii solide n echilibru la temperatur nalt printr-un

    mecanism bazat pe aluncarea planelor atomice ntr-o soluie solid

    suprasaturat la temperatur ambiant;

    - clirea de punere n soluie bazat pe rcirea rapid a unei soluii solide

    n echilibru la temperaturi nalte i mpiedicarea separrilor de faz secundar la

    traversarea unei linii solvus a diagramei de echilibru;

    * Revenirea; este tratamentul termic ce const din nclzirea materialului

    pieselor clite la o temperatur inferioar punctului su minim de transformare

    n stare solid (n cazul clirii martensitice) sau temperaturii la care se produce

    dizolvarea n matricea structural de baz a fazelor secundare(n cazul clirii de

    punere n soluie) i rcirea ulterioar cu o vitez convenabil pentru obinerea

    unei stri structurale mai apropiate de echilibru.

    In cazul aplicrii la materialele care au suferit clire de punere n soluie

    tratamentul se numete mbtrnire artificial; la aceste materiale poate avea loc

    separarea fazelor secundare i prin meninere la temperatur ambiant, caz n care

    fenomenul se numete mbtrnire natural.

    * Tratamentul termochimic; este tratamentul termic ce se efectueaz

    ntr-un mediu activ din punct de vedere chimic i care are ca rezultat modificarea

  • STIINTA MATERIALELOR

    90

    compoziiei chimice, structurii i proprietilor straturilor superficiale ale

    pieselor metalice tratate.

    Modificarea compoziiei chimice se realizeaz mbogind stratul

    superficial al pieselor pe o anumit adncime prin difuzia atomilor unor elemente

    ce se dizolv n soluie sau formeaz compui chimici.

    Cuvinte cheie aliaj, 50 clire, 89 componentele aliajelor

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

    cu topire congruent, cu topire incongruent, 56

    compus cu comp. variabil/faz bertholid, 56 compus definit/faz daltonid, 56 compus electrochimic, 57 compus electronic, 57 compus geometric, 57 concentraie

    masic, atomic, electronic, 50 constituent structural

    monofazic, multifazic, 58 diagram de echilibru, 58 diagram de tratament, 88 diagram pseudobinar, 85 diagrame structurale (Tammann)

    de faze, de constitueni, 64 eutectic, 58, 67 eutectoid, 58, 83 faz, 51 faz secundar, 70 legtur metalic, 49 legea fazelor (Gibbs), 52 linia lichidus, 60 linia solidus, 60 linie solvus, 69

    linii de transformare fazic, 59 metal, 49 nor electronic, 49 orbital atomic, 49 recoacere cu schimbare de faz, 89 recoacerea, 89 regula izotermei, 59 regula segmentelor inverse, 64 revenire, 89 segregaie dendritic, 63 sistem de aliaje, 50 solubilitate

    total, parial, 53 solut, 52 soluie solid

    de substituie, interstiial, 52 soluie solid omogen, 63 solvent, 52 structura atomic a metalelor, 49 suprafaa lichidus, 86 suprafaa solidus, 86 transformare peritectic, 74 transformare eutectic, 58, 67 transformare eutectoid, 58, 83 tratament termic, 88 tratament termochimic, 89 triunghiul concentraiilor, 83 varian, 51 verticala aliajului, 59, 85 vitez de nclzire, 88

    Bibliografie

    1. Colan H. s.a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic,

    Bucuresti, 1983

    2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. I,

    Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1979

    3. Geru N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1981

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    91

    4. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i

    Pedagogic, 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. Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor , vol. 1, Ed. ILEX i Ed. UPG Ploiesti, 2001.

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

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

    T.2.2. Care din urmtoarele aliaje aparin aceluiai sistem de aliaje:

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

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

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

    %Sbm = 5 %?

    T.2.3. Soluiile solide se formeaz n structura unui aliaj atunci cnd;

    a) toate componentele aliajului sunt metale; b) forele de legtur dintre

    atomii diferii sunt mai mari dect forele de legtur dintre atomii identici;

    c) forele de legtur dintre atomii diferii sunt sensibil egale cu forele de

    legtur dintre atomii identici; d) forele de legtur dintre atomii identici

    sunt mai mari dect forele de legtur dintre atomii diferii?

    T.2.4. Se consider urmtoarele perechi de componente: a) Fe i Al;

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

    formeaz soluii solide de ptrundere?

    T.2.5. Se consider urmtoarele perechi de componente: a) Cu i Zn;

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

    formeaz soluii solide de substituie?

    T.2.6. Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de

    substituie este influenat de: a) dimensiunile atomilor componentelor;

  • STIINTA MATERIALELOR

    92

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

    cristaline a componentelor; d) diferena dintre valenele componentelor?

    T.2.7. Soluiile solide interstiiale se caracterizeaz prin: a) distribuie

    ordonat a atomilor; b) componente solut cu numr mic de ordine n tabelul

    periodic al elementelor; c) reea cristalin tensionat si distorsionat prin

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

    T.2.8. Compuii chimici (intermetalici) se formeaz n structura unui aliaj

    atunci cnd; a) toate componentele aliajului sunt metale; b) forele de legtur

    dintre atomii diferii sunt mai mari dect forele de legtur dintre atomii identici;

    c) forele de legtur dintre atomii diferii sunt sensibil egale cu forele de legtur

    dintre atomii identici; d) forele de legtur dintre atomii identici sunt mai mari

    dect forele de legtur dintre atomii diferii?

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

    caracterizeaz prin: a) reea cristalin asemntoare cu cea a componentului

    metalic de baz; b) valori de baz strict definite ale concentraiilor

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

    d) formul chimic proprie?

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

    clasific dup: a) comportarea la topire; b) tipul fazelor pe care le conin;

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

    T.2.11. Concentraia electronic a unui aliaj binar reprezint: a) raportul

    dintre valenele componentelor; b) raportul dintre numrul total al electronilor de

    valen i numrul total de electroni dintr-o mas M dat de aliaj; c) raportul

    dintre numrul total al electronilor de valen i numrul total de atomi care

    alctuiesc o mas M de aliaj; d) raportul dintre numrul atomilor componentului

    de baz i numrul total de atomi care alctuiesc o mas M de aliaj?

    T.2.12. Aplicnd legea fazelor, s se demonstreze c urmtoarele

    transformri decurg la temperatur constant: a) transformarea eutectic a aliajelor

    binare; b) cristalizarea primar a compuilor definii cu topire congruent;

    c) transformarea eutectoid a aliajelor binare; d) cristalizarea primar a metalelor

    pure; e) transformarea alotropic a metalelor.

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    93

    Aplicaii

    A.2.1. S se analizeze dac nichelul i cuprul ndeplinesc condiiile de a

    avea solubilitate total n stare solid.

    Rezolvare

    Din tabelul 1.1 i tabelul 1.2 se extrag urmtoarele caracteristici ale celor

    dou metale: nichelul este un metal bivalent, cu raza atomic ratNi = 0,125 nm i

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

    ratCu = 0,128 nm i structura cristalin de tip CFC.

    Analiznd pe rnd condiiile (prezentate n scap. 2.2) ca cele dou metale

    s prezinte solubilitate total n stare solid, rezult:

    * cele dou metale sunt izomorfe (ambele au structura cristalin de tip CFC);

    * diferena relativ a razelor atomice ale celor dou metale este mai mic

    dect 8 % ( %%,d,

    ,,r

    irr

    atCu

    atNatCur 842100 1001280

    12511280

  • STIINTA MATERIALELOR

    94

    constitueni) la ta;

    f) S se stabileasc compoziia chimic a aliajului care are n structura la ta

    acelai coninut procentual de eutectic (+) ca i aliajul cu %Am = 20 %. Rspuns: Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje precizat n enunul

    aplicaiei, pe care s-a trasat i izoterma t = 800 oC, este prezentat n figura 2.38 a.

    a. b. Fig. 2.38. Sistemul de aliaje analizat n aplicaia A.2.13:

    a diagrama de echilibru; b curba de rcire a aliajului cu %Am = 20 % a) Diagramele structurale de constitueni sunt prezentate n figura 2.39 (la

    temperaturi t > 600 oC, diagramele structurale de constitueni coincid cu diagramele structurale de faze, deoarece aliajele sistemului au structura alctuit

    numai din constitueni monofazici).

    b) Raportul cantitilor de faze n eutecticul (+) este: la t3, 750

    14578642 ,,,

    %% ==

    ; la t4 = ta, 70082581841 ,,,

    %% ==

    ;

    c) Analiznd diagrama structural a constituenilor la ta ( v. figura 2.39) se constat c

    aliajul cu cantitate maxim de este aliajul cu 10% A, iar %max = 5,88 %. d). Analiznd diagrama structural a constituenilor la ta ( v. figura 2.39) se

    constat c aliajul cu cantitate maxim de este aliajul cu 80 % A, iar %max=11,76 %. e). Analiza transformrilor structurale la rcirea din stare lichid a aliajului cu

    %Am = 20 % este prezentat succint n tabelul 2.6, iar curba de rcire este redat

    n figura 2.38 b.

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    95

    Fig. 2.39 Diagramele structurale de constitueni la diferite temperaturi n sistemul de aliaje din aplicaia A 2.13

    Tabelul 2.6. Transformrile structurale ale aliajului cu %Am = 20 % din aplicaia A.2.13

    Structura aliajului Temperatura Procesele Forma curbei de rcire Faze Constitueni t[t0, t1) Rcirea L Convex L L t[t, t2) L ; compoziia L variaz dup t1E Concav

    L,

    L,

    t = t2 LE M + N (transformarea

    eutectic) Izoterm L, ,

    L, (+) eutectic

    t(t2, ta] Separarea fazei din solutia solid Concav , , (+),

    eutectic

    f). Utiliznd diagrama structural de constitueni prezentat n figura 2.39

    i aplicnd regula segmentelor inverse se determin cantitatea de eutectic din

    aliajul cu %Am = 20 % : %,)%( 333310010401020 ==+

    ; ducnd o paralel cu

    abscisa, n diagrama structural, prin dreptul acestei cantiti se constat c mai exist un

    aliaj, cu %Am = x (40 %; 80%), care are n structur acelai coninut procentual de eutectic ( + ); rezult: 100

    4080803333

    = x%, , i de aici, x = 66,67 % .

    A.2.3. In figura 2.40 este prezentat diagrama de echilibru a sistemului de aliaje

    binare Ag-Pt.

  • STIINTA MATERIALELOR

    96

    a) Care este natura fazei din structura aliajelor Ag-Pt: Pt(Ag), g(Pt), AgPt sau Pt(Ag) Ag(Pt)? b) Ce transformare structural se produce la temperatura t = 1185 oC, la rcirea

    aliajului cu %Ptm = 60 %: transformarea peritectic L30%Pt + 88%Pt 60%Pt, transformarea peritectic L30%Pt + 88%Pt 55%Pt, transformarea eutectic L55%Pt 88%Pt + 30%Pt sau transformarea eutectic L30%Pt + 88%Pt 55%Pt?

    Fig. 2.40. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Ag - Pt

    c) care aliaj prezint n structura la t = 800 oC coninutul procentual maxim de faz

    secundar : aliajul cu %Ptm = 48 %, aliajul cu %Ptm = 55 %, aliajul cu %Ptm = 30 % sau aliajul cu %Ptm = 88 %?

    d) care aliaj prezint n structura la t = 800 oC coninutul procentual maxim de

    faz secundar : aliajul cu %Ptm = 48 %, aliajul cu %Ptm = 55 %, aliajul cu %Ptm = 30 % sau aliajul cu %Ptm = 88 %?

    e) Ce coninut procentual de faz rezult prin transformarea peritectic, la temperatura t = 1185 oC, n structura aliajului cu %Ptm = 60 %?

    f) Care este concentraia atomic a Pt n aliajul cu %Ptm = 60%: %Ptat =

    40,1 %, %Ptat = 52,1 %, %Ptat = 45,3 % sau %Ptat = 72,1 %?

    Rspuns: a) este soluia solid (parial) Pt(Ag); b) transformarea peritectic L30%Pt + 88%Pt 55%Pt; c) aliajul cu %Ptm = 55 %; d) aliajul cu %Ptm = 88 %; e) % = 84,85 %; f) %Ptat = 45,3 %.

Recommended

View more >