aliaje,notiuni generale

  • View
    610

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of aliaje,notiuni generale

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

Capitolul 2NOIUNI GENERALE DESPRE ALIAJE

2.1. IntroducereAliajele 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): % Am =MA 100 ; M

% Bm = 100 % Am =

MB M

100 ,

(2.1)

MA i MB fiind masele componentelor A i B corespunztoare unei mase M de aliaj (evident, M = MA + MB); * concentraiile atomice ale componentelor (%Aat; %Bat): % Aat =NA A 100 ; NA

% Bat = 100 % Aat =

NAB NA

100 ,

(2.2)

NAA i NAB fiind numrul atomilor care alctuiesc masele MA i MB ale47

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

componentelor, iar NA - numrul total de atomi n aliaj (NA = NAA + NAB); ntre concentraiile atomice i concentraiile masice ale componentelor aliajului binar exist relaiile: % Aat =% Am m aA % Am % B m + m aA m aB

100 ; % Bat =

% Bm m aB % Am % Bm + m aA m aB

100

(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: Ce =1 (% Aat v A 100

+ % Bat v B )

(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).

2.2. Fazele solide din structura aliajelorTipul 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 solideSoluiile 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 aceluiai48

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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 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. figura 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 (cnd predomin rolul entropiei n determinarea strii cu energie liber minim)49

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

soluii solide neordonate, care, la temperaturi joase (sub temperatura CurieKurnakov), devin soluii solide ordonate (structura atinge starea de echilibru, cu energia liber minim, adoptnd configuraii caracterizate prin valori sczute att pentru entropie, ct i pentru energia intern). Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de substituie este influenat de mai muli factori: a) tipul structurilor cristaline ale 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 (s formeze soluii solide de substituie la orice raport al concentraiilor lor), 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 d r =r A rB rA

100 , 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).50

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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); * valori de baz strict definite (fixe) ale concentraiilor componentelor care51

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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: * 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 ale52

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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 atomiceraA raB

= 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.

2.3. Constituenii structurali (metalografici) ai aliajelorConstituenii 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.53

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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. Legea fazelorStrile aliajelor unui sistem de aliaje (privit ca un sistem termodinamic) sunt influenate de o serie de factori externi (temperatura i presiunea) i interni (concentraiile componentelor sistemului n aliaje i n fazele care alctuiesc structura acestora). 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 presiunea) exist o relaie numit legea fazelor (Gibss), avnd urmtoarea formulare analitic: (2.5) V=k-f+2 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: (2.6) V=k-f+1 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). Aplicnd (pentru exemplificare) legea fazelor n cazul unui sistem binar (cu k = 2 componente), rezult urmtoarele situaii posibile: * k = 2; f = 3; V = 0; sistemul este invariant, prezentnd trei faze care pot coexista n echilibru numai dac temperatura i concentraiile componentelor sistemului nu se modific; * k = 2; f = 2; V = 1; sistemul este monovariant, prezentnd dou faze care coexist n echilibru chiar dac se produc mici variaii ale temperaturii sau concentraiilor componentelor; * k = 2; f = 1; V = 2; sistemul este bivariant, prezentnd o structur monofazic chiar dac se produc modificri simultane ale temperaturii i concentraiilor componentelor.54

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

2.5. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare2.5.1. Principiile reprezentrii i utilizrii diagramelor de echilibruProprietile aliajelor sunt dependente de compoziia lor chimic i, mai ales, de constituia fazic a acestora (natura, numrul i proporia fazelor care le alctuiesc structura). Pentru determinarea constituiei fazice a aliajelor n funcie de temperatur se folosesc diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje crora aparin acestea. 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 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 intersecteaz55

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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 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.

2.5.2. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare ale cror componente au solubilitate total att n stare lichid, ct i n stare solidSolubilitate 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),56

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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 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), t = t 0 e q , 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 are loc cristalizarea primar) compoziiile fazelor ce coexist n echilibru se modific continuu; astfel, aplicnd regula izotermei, rezult (v. figura 2.2):57

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

* 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;

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

* la o temperatur t x (t 1 ;t 2 ), compoziia soluiei lichide corespunde abscisei punctului L x (%A = a Lx < a; %B = 100 a Lx > 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). 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 se formeaz variaz dup curba solidus (ntre abscisele corespunztoare punctelor Gc i t2); - cristalele de soluie solid care se formeaz n procesul de cristalizare58

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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. Evident, n intervalul de temperaturi n care verticala aliajului considerat traverseaz un domeniu monofazic al diagramei, problema determinrii coninuturilor procentuale de faze ale structurii aliajului este banal (aliajul conine n proporie de 100 % cristalele fazei din domeniul traversat, iar compoziia cristalelor este identic cu cea corespunztoare aliajului). 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: (2.7) mL + m = m; - suma maselor de component A din cele dou faze care alctuiesc structura este egal cu masa corespunztoare componentului A n aliaj: (2.8) mLaLx + maGx = ma.59

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

nmulind cu

100 m

0 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 ; (2.9) %LaLx + %aGx = 100a; prin rezolvarea sistemului (2.9) se obin soluiile: %L =a Gx a a Gx a Lx

100 ; % = 100 %L =

a a Lx a Gx a Lx

100 .

(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;

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

* 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 orice60

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

temperatur i se poate ataa fiecrui aliaj al sistemului o diagram de variaie a coninuturilor procentuale de faze i/sau constitueni n funcie de 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.

2.5.3. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, insolubile n stare solid, cu transformare eutecticn 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 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 i61

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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), t = t 0 e q , 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

* 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 E62

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

(concentraiile componentelor n soluia lichid sunt date de abscisa punctului E: %A = e; %B = 100 e); n aceste condiii se produce transformarea: (2.12) L (A + B); 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).

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

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; %B = 100 e) i structura (n stare solid) alctuit dintr-un singur constituent: eutecticul (A + B); * aliaje hipoeutectice, cu %A < e (verticalele corespunztoare acestor aliaje63

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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). Folosind principiile i metodele prezentate n scap. 2.5.2, 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)

2.5.4. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile n stare solid, cu transformare eutecticn 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: 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 se64

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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.2.5.2); 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;

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

* 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; * 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 65

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

(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. 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 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: (2.13) LE (N + M); 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 66

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

* 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 (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.2.5.2) 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.

2.5.5. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile n stare solid, cu transformare peritecticn 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 domeniile67

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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 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.2.5.2); 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.2.5.4; 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, cristalele68

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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: (2.14) L N + M P; 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 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,69

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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

* 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), 70

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

(rezultat din reacia peritectic), (dispus intercristalin n masa fazei ) i (dispus intercristalin n masa fazei ). Aplicnd principiile i metodele prezentate anterior (v. scap.2.5.2) 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.

2.5.6. 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 intermetalicin 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. 2.5.6.1. 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 A nB m are configuraia prezentat n figura 2.18; o astfel de diagram poate fi descompus n diagrame simple de tipul studiat n scap. 2.5.3. Dintre sistemele de aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica:Ag-Ba; AgCe; 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. 2.5.6.2. 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 A nB m 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 2.21.71

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

2.5.6.3. 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. 2.5.4. Dintre sistemele de aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica: Al-Li; AlPd; 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. 2.18. 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.

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.

72

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

2.5.6.4. 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;

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.

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 73

Fig. 2.25. Diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de aliaje binare din figura 2.24.

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

* 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; 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 ); * 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): (2.15) L M + A AnBm; 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: (2.16) AnBm L M + A ; datorit acestui mod de comportare la nclzire (descompunerea n dou faze nainte de topire), compusul AnBm este denumit compus cu topire incongruent.

2.5.7. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ale cror componente au solubilitate total n stare lichid i prezint (n stare solid) transformri alotropicen 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 binare74

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

ce se ncadreaz n aceast categorie sunt prezentate n continuare. 2.5.7.1. 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: * 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; * 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. 2.5.3.

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

2.5.7.2 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:75

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

* 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. 2.5.2.

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

2.5.7.3. 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. 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 t 1 , iar curba de rcire a acestuia este convex; * la atingerea temperaturii t 1 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;76

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

* ntre t2 i t3 aliajul se rcete fr a suferi transformri structurale i curba sa de rcire este convex; * la atingerea temperaturii t 3 , 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 t 3 E);

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 t 4 (corespunztoare izotermei MEN din diagrama de echilibru) concentraia componentului A n soluia solid corespunde abscisei punctului E i sunt ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii: (2.17) E (A + B); 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 t 4 ) alctuit din: a) faze: A i B; b) constitueni: A (separat preeutectoid) i eutectoid (A + B).77

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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. 2.5.3 (numai c n locul eutecticului (A + B) apare eutectoidul (A + B)).

2.6. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternaren 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. 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 prin78

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

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

%B b = %C c

= ct . .

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 piciorul n interiorul triunghiului) reprezint un aliaj al sistemului cu evoluia sa structural la diferite temperaturi; perpendiculara pe planul triunghiului concentraiilor corespunztoare unui aliaj al sistemului este denumit (ca i n cazul sistemelor de Fig. 2.32. Triunghiul concentraiilor pentru un aliaje binare) verticala aliajului; sistem de aliaje de ternare 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.79

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

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 fazic au ordonatele Fig. 2. 33. Diagrama de echilibru fazic a unui transformare sistem de aliaje ternare n care componenii corespunztoare temperaturilor de sunt complet solubili att n stare lichid, solidificare (topire) ale componentelor A, ct i n stare solid 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:80

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

* 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 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 t 1 i t 2 ; 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 t 2 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 t a (temperatura poate scdea de la t 2 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 acestui81

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

triunghi) sau pe diagrame fazice la diverse temperaturi (obinute prin secionarea diagramei ternare cu plane izoterme). Pentru exemplificare, n 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).

Cuvinte cheiealiaj, 47 componentele aliajelor, principal (de baz), de aliere, 47 compus chimic/intermetalic, cu topire congruent, cu topire incongruent, 52 compus cu compoziie variabil/faz bertholid,52 compus definit/faz daltonid, 52 compus electrochimic, 52 compus electronic, 53 compus geometric, 52 concentraie, masic, atomic, electronic, 47 constituent structural, monofazic, multifazic, 53 diagram de echilibru, 55 diagram pseudobinar, 79 diagrame structurale (Tammann), de faze, de constitueni, 60 eutectic, 53, 63 eutectoid, 54, 78 faz, 48 faz secundar, 65 legea fazelor (Gibbs), 54 linia lichidus, 56 linia solidus, 56 linia solvus, 64 linii de transformare fazic, 55 regula izotermei, 56 regula segmentelor invers, 60 segregaia dendritic, 59 sistem de aliaje, 47 solubilitate total, parial, 49 solut, 49 soluie solid, de substituie, interstiial, 49 soluie solid omogen, 59 solvent, 49 suprafa lichidus, 80 suprafa solidus, 80 transformare peritectic, 69 transformare eutectic, 53, 63 transformare eutectoid, 54, 77 triunghiul concentraiilor, 78 varian, 54 verticala aliajului, 55, 79

Bibliografie1. Colan H. s.a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983 2. Flinn A. R., Trojan K. P., Engineering materials and their applications, Houghton Mifflin Company, Dallas Geneva, Illinois, 1986 3. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. I, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1979 4. Geru N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 198182

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

5. Geller Yu. A., Rakhshtadt A. G., Science of materials, Editura MIR, Moscova, 1981 6. Lakhtine I., Mtallographie et traitements thermiques des mtaux, Editura MIR, Moscova,1978 7. * * * Manualul inginerului metalurg, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 1978 8. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983 9. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1995 10. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers, Macmillan Publishing Company, New York, 1991 11. Smithells C. J., Metals Reference Book vol.1, Butterworths Scientific Publications, London 1955 12. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989

Teste de autoevaluareT.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 %Sn m = 20 % i %Cu m = 80 %; b) aliajul cu %Sn m = 30 % i %Sb m = 70 %; c) aliajul cu %Snm = 10 % i %Cu m = 90 %; d) aliajul cu %Sn m = 5 % i % Cu m = 95 %; e) aliajul cu %Snm = 20 %; %Cu m = 75 % i %Sb m = 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: 1) soluii solide de substituie; 2) soluii solide de ptrundere? T.2.5. Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de substituie este influenat de: a) dimensiunile atomilor componentelor; b) temperatura de solidificare - topire a componentelor; c) tipul structurii cristaline a componentelor; d) diferena dintre valenele componentelor?83

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

T.2.6. 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.2.7. 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.2.8. 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.2.9. 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.2.10. 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.2.11. Care din urmtoarele proprieti corespund concentraiei electronice a unui aliaj: a) este un numr ntreg mai mare sau egal cu 1; b) este un numr real subunitar; c) este un numr real strict mai mare dect 1; c) este un numr real mai mare sau egal cu 1? 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. T.2.13. Pe diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje binare sunt precizate numai fazele din domeniile monofazice. Folosind regula izotermei, s se elaboreze o metodologie cu care s se poat determina fazele din domeniile bifazice ale diagramei de echilibru i s se aplice aceast metodologie pentru fiecare din tipurile de diagrame de echilibru studiate n scap. 2.5.84

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

AplicaiiA.2.1. S se stabileasc relaiile dintre concentraiile masice i concentraiile atomice ale componentelor, pentru: a) aliajele binare; b) aliajele polinare. Rezolvare a) Se consider o mas M dintr-un aliaj binar cu componentele A1 i A2. Dac se noteaz MA1 , MA2 masele corespunztoare componentelor care alctuiesc masa M de aliaj, se pot defini concentraiile masice ale componentelor, cu relaiile (v. scap. 2.1.): % A1m =M A1 100 ; M

% A2 m = 100 % A1m =

M A2 100 M

Dac masa M de aliaj conine NA atomi, iar NAA1, NAA2 reprezint numrul atomilor componentelor A1 i A2 n aceasta, se pot defini concentraiile atomice ale componentelor, cu relaiile (v. scap. 2.1): % A1at =NA A1 100 ; NA m aA1 NA

% A2 at = 100 % A1at =m aA2 NA

NA A 2 100 . NA

Dac A1 i A2 au masele atomice maA1 , maA2 , atomii componentelor vor avea masele matA1 = , matA2 = , N A fiind numrul lui Avogadro NAA1 =M A1 m atA1

(N A = 6,0221023 ); pe acast baz, rezult NAA2 =M A2 m atA2

= NA

M A1 m aA1

,

= NA

M A2 m aA 2

i relaiile de definire a concentraiilor atomice aleM A2 m aA 2 M A1 M A2 + m aA1 m aA 2

componentelor aliajului devin: % A1at =M A1 m aA1 M A1 M A2 + m aA1 m aA 2

100 ;

% A2 at =

100 .

Combinnd aceste relaii cu relaiile de definire a concentraiilor masice ale componentelor aliajului, rezult: % A1at =% A1m m aA1 % A1m % A2 m + m aA1 m aA 2

100 ;

% A2 at =

% A2 m m aA 2 % A1m % A2 m + m aA1 m aA 2

100 .

b) Folosind notaii i raionamente similare celor anterioare, rezult pentru un aliaj polinar, cu componentele A1, A2, , Aj, , Ak:85

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR % A jm

% A jat =

m aAj k % A jm j =1 m aAj

100 , j = 1k.

A.2.2. S se stabileasc relaia de determinare a concentraiei electronice a unui aliaj (polinar) cu k componente. Rezolvare Se consider c aliajul are componentele A1, A2, ..., Aj, ..., Ak, cu masele atomice maA1, maA2, ..., maAj, ..., maAk, valenele vA1, vA2, ..., vAj, ..., vAk i concentraiile atomice n aliaj %A1at, %A2at,, ..., %Ajat, ..., %Akat. Notnd cu NA numrul total de atomi i cu NAA1, NAA2, ..., NAAj, ..., NAAk numrul atomilor fiecrui component ntr-o mas M de aliaj, rezult c numrul electronilor de valen estek NE =

NA Aj v Aj i,j =1

k

evident, numrul total de atomi este

NA =

NA Aj . Folosind aceste relaii i aplicnd definiia dat n scap. 2.1. pentruj =1 k NA Aj v Aj NE = j =1 NA NA k % A jat v Aj j =1 100

concentraia electronic CE a unui aliaj, rezult: CE = = .

A.2.3. Un aliaj Cu-Sn (bronz) are concentraia masic de staniu %Snm = 20 %. S se determine concentraiile atomice ale componentelor i concentraia electronic corespunztoare acestui aliaj. Rezolvare Din tabelul 1.1. i tabelul 1.2., rezult c cuprul este un metal bivalent (vCu = 2), cu masa atomic maCu = 63,55, iar staniul este un metal tetravalent (vSn = 4), cu masa atomic maSn = 118,7. Aplicnd relaiile (pentru aliajele binare) stabilite la rezolvarea aplicaiei A.1.1, se obin urmtoarele valori ale concentraiilor atomice ale componentelor n aliajul considerat: %Cu at =% Cu m m aCu %Cu m % Sn m + m aCu m aSn

100 =

80 63,55 100 80 20 + 63,55 118 ,7

= 88,2% ;

86

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje % Sn m 20 118,7 100 80 20 + 63,55 118,7

% Snat =

m aSn %Cu m % Sn m + m aCu m aSn

100 =

= 11,8% .

Concentraia electronic a aliajului considerat este: CE =%Cu at v Cu + % Sn at v Sn 100

=

88 ,2 2 +11,8 4 100

= 2 ,236 .

A.2.4. Un aliaj Cu-Al (bronz cu aluminiu) are concentraia masic de aluminiu %Alm = 1