Scienza dei materiali parte III di V - Diagrammi di Stato

Diagrammi di stato

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Definizioni

• Lega: materiale metallico formato dalla combinazione chimica di elementi diversi.
• Solvente: elemento o composto presente in quantità maggiore.
• Soluto: elemento o composto presente in quantità minore.
• Soluzione solida: lega ottenuta con l'aggiunta di soluto nel solvente, in struttura cristallina, in modo da garantire e preservare l'omogeneità strutturale.
• Fase: porzione di materia fisicamente e chimicamente omogenea, percettibile e separabile con soli mezzi fisici, con identico comportamento se sottoposta a sollecitazioni fisiche o chimiche. Può essere costituita da uno o più componenti.
• Fasi: un sistema può essere monofase, con una sola fase, e bifasico, con due fasi. Fasi diverse possono differire per stato di aggregazione, composizione chimica e struttura cristallina.

Diagrammi di stato

Diagrammi di stato: grafico in cui vengono descritte quali e quante fasi sono presenti in un sistema al variare dei parametri intensivi T, composizione e p.

Sono validi solo in condizioni di equilibrio termodinamico dato dal minimo valore della funzione libera: entalpia o Gibbs, G = H - TS.

Sono utili per determinare, al variare di T e composizione, il tipo di fasi, il numero di fasi, le quantità relative alle fasi, la solubilità massima delle fasi, la temperatura di fusione, la temperatura di precipitazione di un componente.

Regola delle fasi di Gibbs

Regola delle fasi di Gibbs.

Varianza di un sistema: numero di parametri intensivi che possono variare senza far variare lo stato del sistema e il nome delle fasi.

È il numero di gradi di libertà di un sistema, cioè il numero di parametri intensivi di cui deve essere stabilito il valore a priori per definire in modo univoco lo stato del sistema.

Legge di varianza di Gibbs: V = C - F + N.

• C: componenti, elementi chimici indipendenti o composti.
• F: numero di fasi in considerazione nell'equilibrio.
• N: variabili prese in considerazione.

Nei nostri casi sarà così: nel caso tipico, 2 componenti, p costante a 1 atm, diagrammi di stato binari.

I diagrammi di stato binari hanno 2 componenti perché le possibili variabili sono T e composizione. Nei sistemi di cui ci occupiamo si assumono e si considerano solo fasi condensate, liquide e solide.

Punto invariante di fusione: le fasi non hanno componenti diverse.

Diagrammi di stato binari

Diagrammi di stato binari.

Composizione sull'ascissa divisa in 100 parti.

Esempio: C_A, B, 70 A, 0 A, 100 A, 30 B, 100 B, 0 B. In ordinate va la temperatura.

Costruzione sperimentale dei diagrammi di stato

Costruzione sperimentale dei diagrammi di stato.

Analisi termica delle curve di raffreddamento: si registrano le T delle varie miscele finché il componente non è tutto solidificato.

Calore latente di solidificazione: in equilibrio solido-liquido la T diminuisce con velocità minore perché una parte del calore sottratto è recuperato come calore di solidificazione.

Si riportano i punti di cambio di pendenza delle curve e si costruisce il diagramma di stato. Maggiore è il numero delle curve, più il diagramma è accurato.

Miscibilità illimitata

Miscibilità illimitata.

Miscibilità completa allo stato liquido e solido nei sistemi binari isomorfi.

Ad esempio Ag e Au, alcol e acqua, Ti. Sistema monofasico liquido ad alto T, sistema bifasico L + S, sistema monofasico solido a basso T.

Il diagramma permette di determinare, per linee parallele, il limite di insolubilità in base a concentrazione e temperatura.

Miscibilità completa allo stato solido.

Al di sopra della curva di liquidus è presente solo liquido. Al di sotto della curva di solidus è presente solo solido.

T_A, S, B, A: fase unica liquida nell'area superiore; F = 2 e 2 in. Servono composizione e T.

Area inferiore: soluzione solida. Sistema solido o viceversa.

Due fasi distinte nell'area intermedia, temperatura e composizione variabili. Serve una sola orizzontale.

Regola delle fasi nella zona bifasica

La regola delle fasi permette di trovare le composizioni delle due fasi in equilibrio in una zona bifasica.

X e Y a temperatura T, composizione del liquido X, composizione del solido Y. Il liquido è in equilibrio con il solido.

A, B, 4.

Percorsi di raffreddamento

Continuando a sottrarre calore, il sistema si raffredda meno velocemente perché si forma calore di solidificazione.

Le trasformazioni di stato espresse dai diagrammi sono reversibili.

Regola della leva

Regola della leva: determinazione delle quantità percentuali delle fasi in equilibrio in una zona bifasica, in percentuali in peso.

Punto liquido E, 100; solido, 100 D C.

Durante il raffreddamento, la quantità di solido che si trova è proporzionale ai segmenti a sinistra della verticale che corrisponde alla composizione della lega; la quantità di liquido è proporzionale ai segmenti che si trovano a destra della situazione.

Da 100 liquido, per la lega D, per la lega si arriva progressivamente a 100 solido C.

Per la lega, Ih, dla lega, 100, ed.

Ripasso sulle leve

Componenti: asta, asta, fulcro, forza, carico.

Carico, carico, forza, fulcro.

Leva di 1° genere: il fulcro è tra forza e carico. F, b, C, a; aF = bC. Osservazione: la posizione del fulcro determina se la leva è vantaggiosa o svantaggiosa. Equilibrio con F_c, mmm, ee.

Leva di 2° genere: carico tra fulcro e forza. Fulcro, carico, forza. b, C, a, F; con a sempre maggiore di b. Osservazione: sono sempre vantaggiose.

Leva di 3° genere: forza tra fulcro e carico. Fulcro, forza, carico. a, b, C, F; ab F e con b sempre maggiore di a. Osservazione: sempre svantaggiose.

Esempio di diagramma a completa miscibilità

Esempio di diagramma a completa miscibilità.

Cu-Ni: Cu e Ni hanno uguale valenza, struttura atomica CFC, raggio ed elettronegatività simili.

Numero di fasi presenti.

Punto A: Ni 60, Cu 40, T 1100 °C. Fase: soluzione solida. Numero di fasi: 1.

Punto B: 65 Cu-Ni, T 1250 °C. Fasi: X, X, L, 2.

Punto B: soluzione solida, campo. Composizione C_X 42,5 Ni, 57,5 Cu; liquido di composizione Ni 68, 31,5 Cu. Il sistema è bifasico.

Regola della leva in un sistema: 42,5, 35, 68 Cn, 100; iog; 31,5, 42,4, 31,5. Racca 35, 3200, 100; S po 3ns, 42,5.

Solidificazione

Solidificazione.

Liquido: 10, ino, l idi, matrice, 52, 40, in 2, se. L2, L2, L + S, matrice. Le ss, 13, 53, in 90, S, matrice. T_u, solido 100, B, A.

Solidificazione del sistema bifasico: attraversamento del sistema bifasico con modifiche continue delle composizioni. I grani hanno composizione omogenea in caso di raffreddamento molto lento, situazione di equilibrio.

T₀: stato liquido.

T₁: formazione di cristalli solidi in matrice liquida.

T₂: il volume dei cristalli aumenta.

T_S: fase sempre più solida.

T_u: fase solida al 100%.

Microstruttura di una lega

Microstruttura di una lega.

Microstruttura: forma, fase, dimensione, quantità, tipo di grani di una fase.

Lega a fase unica raffreddata lentamente.

Lega policristallina: bordi dell'unica fase visibili.

Microstruttura uniforme di grano, con soluzione solida sostituzionale presente.

Raffreddamento in equilibrio

Raffreddamento in equilibrio 65-35 Cu-Ni.

Raffreddamento in equilibrio lento.

Evoluzione microstruttura: a 1300 °C solo liquido con 35 Ni.

Cristallo 1 di 46 Ni a 1260 °C.

1250, 7, 32, 43 Ni, liquido cd.

L'ultima goccia a 1220 °C sparisce: liquido 24 Ni, solido solo 35 Ni.

I diagrammi mostrano le condizioni di equilibrio che non si hanno quando il materiale viene raffreddato rapidamente.

Il raffreddamento rapido porta a una diversa composizione dei grani, non omogenea, diversa dall'equilibrio, dal momento della formazione.