Metallurgia e materiali non metallici - Riassunto completo sui diagrammi di stato

DIAGRAMMI DI STATO

Il diagramma di stato è una sequenza di condizioni di equilibrio di un sistema. Esso è un grafico bidimensionale

che riporta sull’asse

(e per noi binario, ossia costituito da due elementi chimici A e B, per esempio Ni e Cu) la

sull’asse sull’asse

composizione chimica del sistema e la temperatura. Muovendosi da A verso B si

aumenta la percentuale in peso dell’elemento B quindi sull’asse

nel sistema, staranno le leghe di A e B,

si ha l’elemento puro.

= 0

mentre salendo sulle ordinate aumenta la temperatura, quindi in

Indicheremo con ○ il sistema e con • la fase o le fasi del sistema. Si dice fase la porzione omogenea di un

sistema eterogeneo. è una fase solida, nei casi particolari che studieremo è una soluzione solida. I

diagrammi possono rappresentare tre tipi di sistemi:

- Completa solubilità allo stato solido

- Completa insolubilità allo stato solido



- Parziale solubilità allo stato solido smiscelamento

COMPLETA SOLUBILITÀ ALLO STATO SOLIDO

Consideriamo l’elemento puro 100%A, cioè nichel

puro nel nostro esempio. Sopra la temperatura di

l’elemento è al 100%

solidificazione/fusione

liquido, sotto di essa è al 100% solido.

Consideriamo invece una lega al 30% in B. In il

1

sistema è costituito da una sola fase liquida: 100%

liquido.

Scendendo con la temperatura si incontra la linea del

liquidus, temperatura alla quale cominciano a

,

solidificare i primi nuclei di fase e in si ha una

2

zona bifasica: quali siano le due fasi di cui parliamo si

le intersezioni tra l’orizzontale

legge considerando

passante per e le due linee di liquidus e di solidus.

2

Le zone di monofase che la linea andrà ad incontrare rappresentano le fasi in questione. Le percentuali in peso

si individuano sull’ascissa dei punti di intersezione dell’orizzontale con le

delle composizioni di ciascuna fase abbiamo in 20%B l’intersezione con la linea del

linee di liquidus e di solidus. Nel caso della lega al 30% in B

solidus, quindi in la soluzione conterrà al 20% di B, mentre il liquido rimanente sarà al 40% in B, dato che

2

l’orizzontale interseca la linea del liquidus in 40%B. Possiamo stabilire la percentuale di fase solida e di fase

liquida presente nel sistema attraverso la regola della leva: questa regola dice che per calcolare la presenza in

l’orizzontale all’interno della zona

percentuale di peso di una fase in un composto bifasico bisogna considerare

bifasica e la linea verticale di composizione della lega: a questo punto dividere il segmento orizzontale in due

parti, una a destra ed una a sinistra dell’intersezione ( in questo caso). Il risultato sarà dato dal calcolo della

2

percentuale di segmento occupata dal semisegmento opposto all’intersezione tra l’orizzontale e la linea del

liquidus, se si vuole calcolare la percentuale di fase solida, viceversa se si vuole calcolare la percentuale di fase

liquida. Vediamo l’esempio per capire meglio: 40−30

= 100 = 50%

20

{ 40−20

Nel nostro caso avremo questi risultati: = 50%

40

Scendendo con la temperatura sulla linea del solidus abbiamo la composizione delle

fasi si calcola ancora con il metodo della linea orizzontale. Grazie alla regola della leva

possiamo dire che la fase liquida tende a 0, quindi è presente in tracce, invece è il

100%. Il sistema ha terminato la solidificazione: i grani sono accresciuti a tal punto da

esaurire il liquido. Al microscopio si osserverà la situazione in figura.

Abbassando ancora la temperatura fino a temperatura ambiente non osserveremo

cambiamenti: avremo 100% al 30% in B. La composizione e le proprietà del sistema in ogni suo punto sono le

stesse: il sistema è omogeneo. Vi è completa solubilità allo stato solido, cioè per qualsiasi quantità relativa di A

e B, c’è sempre una fase che sia soluzione dei due componenti.

Abbiamo visto che al diminuire della temperatura la quantità delle fasi è diversa ma la quantità percentuale

totale degli elementi è sempre la stessa: il sistema è in equilibrio e la composizione dei grani è la stessa in tutti i

punti: questo avviene perché, facendo decrescere la temperatura in tempi molto lunghi, è possibile mantenere il

sistema in equilibrio.

La conoscenza del comportamento delle soluzioni in equilibrio è il punto di partenza per studiare il

comportamento dei materiali al variare della temperatura.

Regola della varianza

La varianza è il numero di gradi di libertà di un sistema, cioè il numero di parametri che posso variare

mantenendo il sistema in equilibrio.

= + −

: numero dei componenti chimici indipendenti del sistema.

: numero dei fattori fisici del sistema (pressione e

temperatura. Per quanto ci riguarda la pressione non

influenza il sistema, poiché non avremo a che fare con

= 1).

sistemi gassosi, quindi porremo

: numero delle fasi in detta temperatura.

= 2 + 1 − 2 = 1.

In avremo Ciò significa che il

2

sistema è monovariante: durante la solidificazione delle

leghe la temperatura varia. (quando l’acqua solidifica in

ghiaccio la temperatura è costante, per questa lega non è

= 1 + 1 − 2 = 0:

così). Per gli elementi puri quando un

elemento chimico puro solidifica la temperatura rimane

costante.

Se andassimo a diagrammare la temperatura in funzione del

tempo otterremmo il grafico in figura.

COMPLETA INSOLUBILITÀ ALLO STATO SOLIDO

: orizzontale eutettica.

in B.

Consideriamo una lega che all’11%

Questa lega si dice lega eutettica poiché passa proprio per

il punto di minimo della linea del liquidus, che sta

sull’orizzontale eutettica. Per ascisse maggiori vi saranno

composizioni ipereutettiche, per ascisse minori

composizioni ipoeutettiche.

In il sistema è costituito da una sola fase liquida e la

1

composizione sarà di 11% in B.

+

In , un grado sopra la temperatura eutettica, il sistema

è ancora al 100% liquido all’11% in B

−

In , un grado sotto la temperatura eutettica, il sistema

{

avrà due fasi: .

100−11

−

= ⋅ 100 = 89%.

Quanto A abbiamo in ? Utilizzando la regola della leva otteniamo: Le percentuali

100

di composizione si mantengono al passaggio da liquido a solido, esse sono organizzate in una

microstruttura bifasica (detta microstruttura eutettica) costituita da lamelle alternate di A e di

B. Allo stato solido avremo il 100% di microstruttura eutettica, da cui dipendono le proprietà

meccaniche. Tutto e solo il liquido di composizione eutettica dà origine alla microstruttura

eutettica.

Portandoci a temperatura ambiente non cambia più nulla.

= 2 + 1 − 3 = 0

In la varianza vale quindi la temperatura di

solidificazione è costante e ci vorrà tempo affinché la solidificazione si

completi. In figura vediamo le tre fasi presenti nel sistema alla temperatura

eutettica.

Consideriamo ora un sistema al 20% in B sullo stesso diagramma.

Quando il sistema si trova sulla linea del liquidus cominciano a comparire i

primi grani di solidificazione.

= 10%

+

{

In avremo quindi grani di B per il 10% in peso, il resto in liquido.

80

= 100 = 90%

11% 89 eutettico = 90% +

− poiché l’eutettico deriva dal liquido in

{

In le fasi saranno così distribuite: grani di B = 10%

A è completamente in MS

{

Le MS (microstrutture) saranno così costituite: poiché A è complessivamente al

10% B in MS

80% mentre B è complessivamente al 20%

PARZIALE SOLUBILITÀ ALLO STATO SOLIDO 0 < < 10

Sia la soluzione solida di B in A. In si

ha un diagramma simile a quello di completa

solubilità.

80 < < 100

In si ha la stessa situazione, cioè è

la soluzione solida di A in B.

Consideriamo una lega al 30