Riassunto esame Tecnologie generali dei materiali, Prof. Caiazzo Fabrizia, libro consigliato Tecnologie generali dei materiali, Caiazzo

T B

fusione di B

: temperatura di

T A

fusione di A

L: fase liquida

S: fase solida

L+S: fase bifasica

Al di sopra della linea del liquidus, le leghe sono in fase liquida, qualsiasi sia la loro

composizione percentuale.

Analogamente, al di sotto della linea e del solidus, la lega e allo stato solido.

Costituiscono un sistema omogeneo, in quanto nel reticolo cristallino si trovano sia

atomi di A che atomi di B (dunque sia atomi del solvente, che atomi del soluto). Essi

pertanto costituiscono una soluzione, dunque una miscela monofasica allo stato solido.

Dato che al variare delle quantità percentuali di un elemento e pertanto anche la

necessaria variazione del secondo elemento, solvente e soluto si sostituiscono,

dunque LA SOLUZIONE SOLIDA È SOSTITUZIONALE. Inoltre, a livello macroscopico non

si notano variazioni, questo perché l’atomo interstiziale può avere per definizione

solamente determinate dimensioni.

REGOLE DI LETTURA DIAGRAMMA DI STATO

Data una Lega di una certa composizione, una volta fissata la temperatura, se il punto

rappresentativo cade in un campo monofasico, l'unica fase presente ha la stessa

composizione della lega.

Se il punto rappresentativo della Lega cade in un

campo bifasico, si traccia una linea orizzontale fino

ad incontrare i confini del campo bifasico. Dai punti

di intersezione si tracciano due linee verticali e

sull'asse delle ascisse si leggono le composizioni

delle due fasi in equilibrio.

e costituiscono le quantità delle fasi,

m m

S L

x x

mentre e le composizioni delle fasi.

S L

REGOLA DELLA LEVA Il calcolo delle quantità relative delle due

fasi in equilibrio è leggermente più

complesso.

Il segmento verticale, già tracciato, divide

quello orizzontale in due parti, le lunghezze

sono inversamente proporzionali alle

quantità delle due fasi precedenti.

Per la conservazione della massa totale e di quella del componente B si deve avere:

Sostituendo nella prima equazione si ha:

Ovvero:

Da cui: REGOLA DELLA LEVA

Applicando la regola del componendo alla precedente si ha anche:

DIAGRAMMI DI STATO A COMPLETA INSOLUBILITA’ ALLO STATO SOLIDO

La completa immiscibilità di

un solido è un caso limite,

difatti vi è sempre una

piccola percentuale di

solubilità per ogni materiale.

Quando però tale

percentuale risulta essere

particolarmente bassa, si

può considerare nulla.

In tal caso, in accordo anche con la legge di Raoult (ossia che la lega sia solubile allo

stato liquido e insolubile allo stato solido), verifichiamo un abbassamento continuo

della linea del liquidus, mentre la linea del solidus risulta essere orizzontale e passante

T

per .

B T

Al di sotto delle temperatura vi è il cosiddetto TETTO SOLIDO (A+B),dove è

B

possibile trovare entrambi i materiali allo stato solido. Otteniamo dunque una miscela

meccanica, nella quale i reticoli sono separati, poiché insolubili e non formano

pertanto un sistema omogeneo. In altre parole, il RETICOLO DI A E IL RETICOLO DI B SI

FORMANO SEPARATAMENTE. + +C

V F=N

Considerando la legge di Gibbs, abbiamo che:

Dove:

- N (numero di variabili fisiche) = 1 (temperatura)

- C (numero di componenti) = 2

⟹V + +C

F=3=N

Ma se a temperatura costante la varianza (V) è nulla, vale che F = 3, ossia vi sono 3

fasi finché non solidifica completamente.

DIAGRAMMA DI STATO A COMPLETA INSOLUBILITA’ ALLO STATO SOLIDO (EUTETTICA)

se ciascuno dei due

componenti abbassa il punto

di solidificazione dell’altro, le

linee del liquidus si

intersecano in un punto,

detto PUNTO EUTETTICO.

La composizione della lega in

tale punto è detta

composizione eutettica e la

T

temperatura è la

E

temperatura eutettica. Essa è

la minima temperatura di

esistenza della fase liquida.

Una lega a composizione eutettica fonde alla temperatura più bassa di tutte le altre

leghe dello stesso sistema. T

La linea del solidus è orizzontale e passa per la temperatura .

E

La lega eutettica solidifica a temperatura costante e più bassa rispetto leghe di altre

composizioni e ciò è una anomalia.

In generale la lega solidifica formando una STRUTTURA ORDINATA. Per STRUTTURA, si

intende la disposizione delle fasi:

- FASE LIQUIDA;

- DUE DISTINTE FASI SOLIDE.

Per le leghe eutettiche, la solidificazione non avviene secondo una disposizione

→ STRUTTURA ORDINATA

casuale dei reticoli, ma in modo ordinato .

Pertanto, parliamo di STRUTTURA EUTETTICA, ovvero due fasi solide distinte, che

formano un sistema eterogeneo. Nel punto eutettico, verifichiamo che

coincidono la linea del liquidus di destra e di

sinistra, per cui si ha una simultanea

solidificazione dei componenti A e B.

Finché è presente il liquido, la temperatura di

solidificazione rimane costante.

Infatti sono presenti le due fasi solide A e B ed una fase liquida ed applicando la

=2+1−3=0

V

regola delle fasi (o legge di Gibbs), otteniamo che: .

Il sistema è pertanto definito zerovariante, ovvero somministrando o sottraendo

piccole quantità di calore si ha solo una variazione delle quantità relative delle fasi

presenti.

In generale, la lega eutettica si presenta esclusivamente dove si trovano due materiali

solidi distinti nelle leghe.

Inoltre, la lega sulla sinistra è detta IPOEUTETTICA, mentre la lega sulla destra è detta

IPEREUTETTICA.

DIAGRAMMI DI STATO A PARZIALE SOLUBILITA’ ALLO STATO SOLIDO

α β

- e rappresentano le

zone di solubilità del

diagramma.

α

- che coincide con la

SOLUZIONE SOLIDA DI SOLUTO

(B) E SOLVENTE (A).

β

- che coincide con la

SOLUZIONE SOLIDA DI SOLUTO (A) E SOLVENTE (B).

α β

- Le zone e sono CAMPI MONOFASICI, dunque costituiscono un’unica

fase solida.

α β

- La zona + determina un CAMBO BIFASICO, pertanto allo stato solido

α β

e NON SONO MISCIBILI. Tale zona è definita dalle LINEE DEL SOLVUS.

- L’intersezione tra linea del solvus e la percentuale minore di B rappresenta la

MINIMA SOLUBILITA’ DI B IN A, A 0°C.

- L’intersezione tra linea del solvus e la percentuale maggiore di B rappresenta la

MINIMA SOLUBILITA’ DI A IN B, A 0°C.

- La x rappresenta LA MASSIMA SOLUBILITA’ DI B IN A ALLA TEMPERATURA

EUTETTICA (analogamente per la seconda x, in B).

Considero la lega di composizione

eutettica ad una temperatura

leggermente superiore della

temperatura eutettica. Otteniamo che

la lega è in fase liquida (L). L+α β

Per la temperatura eutettica, vi sono invece 3 fasi: + α

Per una temperatura minore della temperatura eutettica vi sono due fasi distinte:

β

e . α

Quando la lega eutettica si solidifica, essa darà origine alle due fasi solide distinte

β

e .

Considerando una generica lega, verificheremo che al di sotto della temperatura

eutettica vi sarà la solidificazione della fase liquida (L) della lega. Tale processo

avviene ISOTERMICAMENTE, ossia a temperatura costante, poiché la fase liquida (L) è

costituita dalla lega eutettica.

Considerando una lega 30% B, otteniamo:

α

- è detto PROEUTETTICO, ossia che SOLIDIFICA PRIMA DELLA TEMPERATURA

EUTETTICA

β

- è detta IPEREUTETTICA

Arrivati alla temperatura eutettica la parte liquida solidifica isotermicamente,

portandosi alla composizione eutettica.

DIAGRAMMA DI STATO CON REAZIONE PERITETTICA ⇆

L+α β

Una fase liquida con la fase solida

forma una fase solida ,

α β

completamente diversa dalle

precedenti.

Raggiunta infatti la TEMPERATURA

¿

T

PERITETTICA ( , il liquido e il

P

α

solido solidificano

ISOTERMICAMENTE, dando poi origine

β

al solido .

Tale trasformazione è detta

TRASFORMAZIONE PERITETTICA.

TRASFORMAZIONI ALLOTROPICHE DEL FERRO

Il ferro presenta due forme allotropiche distinte, in quanto cambia il reticolo cristallino

(dunque si considera allo stato solido). La posizione degli atomi del ferro può assumere

dunque due reticoli distinti:

- Otteniamo un reticolo cristallino CUBICO A CORPO CENTRATO (c.c.c.) dalla

temperatura ambiente fino a 911°C e fra 1392°C e 1536°C. A 1536°C vi è la

TEMPERATURA DI FUSIONE DEL FERRO.

- Otteniamo un reticolo cristallino CUBICO A FACCE CENTRATE (c.f.c.) dalla

temperatura di 911°C alla temperatura di 1392°C.

Se non vi fosse la trasformazione del reticolo cristallino, non sarebbe possibile

effettuare determinate lavorazioni e ottenere acciai o altre leghe aventi particolari

caratteristiche e performance.

In definitiva, per TRASFORMAZIONE ALLOTROPICA si intende la VARIAZIONE DEL

RETICOLO CRISTALLINO AL VARIARE DELLA TEMPERATURA. Dunque, vi è una

variazione della dimensione degli atomi interstiziali, ossia della dimensione degli atomi

che si pongono nei siti interstiziali dei reticoli cristallini.

POSIZIONI DEL CARBONIO NEL FERRO c.c.c. E c.f.c.

Nel SITO INTERSTIZIALE TETRAEDRICO Nel SITO INTERSTIZIALE

OTTAEDRICO

' '

=0.291 =0.414

r Fe=¿ r Fe=¿

0.291∙ 0.1241 nm=0.036 nm

0.414 ∙ 0.1241 nm=0.051nm

=0.077

r nm

C

Otteniamo rispettivamente

- FERRITE: con FERRO ALFA E DELTA → Ferrite alfa (tra temperatura ambiente e

911°C);

Ferrite delta (tra 1392°C e 1536°C).

- AUSTENITE: con FERRO GAMMA (tra 911°c e 1392°C).

DIAGRAMMA FERRO-CARBONIO

In questo diagramma non sono riportate le fasi (come negli altri diagrammi), bensì le

strutture.

La percentuale di carbonio arriva al massimo al 6.67%, in quanto al 6.67% di C si

forma il carburo di ferro (cementite), che coincide con la quantità massima.

Le leghe da 0% a 2% sono definite ACCIAI.

Le leghe da 2% a 6.67% sono definite GHISE.

- A 723°C vi è la TEMPERATURA EUTETTOIDICA.

- A 1147°C vi è la TEMPERATURA EUTETTICA.

- A 1492°C vi è la TEMPERATURA PERITETTICA.

La lega eutettica è una ghisa, avente il 4.43% di carbonio.

La prima linea EFB alla temperatura di 1493°C èrappresentativa di una reazione

⇆

liquido+ ferrite δ austenite

eutettica fra fra il liquido e l’austenite:

La seconda linea HKI alla temperatura di 1147°C è rappresentativa di una reazione

eutettica fra il liquido, l’austenite e la cementite:

⇆ (ledeburite)

liquido eutettico austenite+cementite

La terza ed ultima line