Dijagrami faznih transformacija Aleksandra Boričić · β - čvrsti kristali (proeutektički β kristali) E - Eutektička smeša α-čvrsog rastvora i β-čvrstog rastvira Ravnotežni

Dijagrami faznih transformacija

Aleksandra Boričić

Agregatna stanja

Čvrsto stanje

Tečno stanje

Gasovito stanje

Priti

sak

Temperatura

3

Vodenapara

Led

So

AlkoholVoda

Primeri:

a) Agregatna stanja vodeb) Potpune rastvorljivosti,c) Delimične rastvorljivosti,d) nerastvorljivosti)

Agregatna stanja i efekat mešanja

4

Čvrst rastvor Zn u Cu

JedinjenjeCu i Zn

a) Hemijsko jedinjenjeb) Čvrsti rastvorc) Složen sistem

Rastvori i jedinjenja

Čvrsti rastvor: faza u kojoj jedna komponenta (rastvarač) zadržava svoju kristalnu rešetku, a atomi druge komponente (rastvorka) rasporedjuju se u toj rešetki.

5

RAVNOTEŽNI DIJAGRAMI STANJADijagram stanja predstavlja grafički prikaz faza u leguri pri različitim temperaturama i sastavu legure.

Ravnotežni dijagrami stanja koriste se za razumevanje i predskazivanje mnogih vidova ponašanja materijala. Neki od važnijih podataka koji se mogu dobiti korišćenjem dijagrama stanja su:

Koje faze postoje u leguri? Kakav je njihov količinski sastav? Kakvi su međusobni količinski odnosi za različite temperature i različite

sastave? Na kojoj temperaturi pri hlađenju legure pod ravnotežnim uslovima počinje

očvršćavanje i u kom temperaturnom intervalu se ono dešava? Na kojoj temperaturi počinje topljenje različitih faza? Kakva je rastvorljivost jedne komponente u drugoj?

6

Ovi i drugi podaci koji se mogu dobiti na osnovu ravnotežnih dijagrama stanja potrebni su pri:

Definisanju tehnologije termičke obrade,

Obradi deformisanjem u čvrstom stanju,

Zavarivanju,

Livenju i

Mnogim drugim važnim proizvodnim procesima u

preradi metala.

7

Dijagrami stanja se konstruišu na osnovu prethodno snimljenih krivih hlađenja.

Krive hlađenja

Krive hladjenja: grafički prikaz promene temperature u

funkciji vremena za čiste metale i legure; promena se prati

od tečnog stanja do sobne temperature.

Kriva hlađenja čistog metala

8

Tem

pera

tura

Vreme

Rastop

Rastop + čvrsto stanje

Čvrstostanje

Kriva hlađenja legura

9

Tem

pera

tura

Vreme

Rastop

Rastop + čvrsto stanje

Čvrstostanje

Šta su legure?

• Legura je smeša dva ili više elementa, od kojih je bar jedan metal!!!

• Primeri:- nerđajući čelik,- livena gvožđa,- mesing,- bronza,....

11

Čist metal Legura

12

Ravnotežni dijagrami stanja u zavisnosti od broja komponenti u sistemu, mogu se podeliti na: Jednokomponentne, Dvokomponentne (binarni), Trokomponentne (ternarne) i Višekomponentne.

BINARNI TERNARNI

13

Binarni (dvokomponentni) ravnotežni dijagrami stanja

Prema uzajamnoj rastvorljivosti u tečnom stanju dva metala mogu biti:

Potpuno rastvorljivi, Ograničeno rastvorljivi (Ag961°C-Cr1875°C, Al660°C -Cd321°C,

Al660°C -Pb327°C, Fe1538°C -Pb327°C, Cu1083°C -Pb327°C ) i

Potpuno nerastvorljivi (Fe1538°C -Bi278°C, W3410°C -Cu1083°C, W3410°C -Ag961°C).

Slično kao i u tečnom stanju postoje tri slučaja rastvorljivosti i u čvrstom

stanju: metali potpuno rastvorljivi u tečnom stanju rastvaraju se i u čvrstom stanju:

potpuno, ograničeno ili se uopšte ne rastvaraju.

Rastvorljivost metala• Slično kao i u tečnom stanju postoje tri slučaja

rastvorljivosti i u čvrstom stanju: metali

potpuno rastvorljivi u tečnom stanju rastvaraju

se i u čvrstom stanju:

potpuno, ograničeno ili se uopšte ne rastvaraju.

15

Ravnotežni dijagram dva metala potpuno rastvorljivih u čvrstom stanju

Rastvorljivost odnosno nerastvorljivost dva metala u čvrstom stanju zavisi

od njihovih osobina. Na primer, dva metala potpuno rastvorljiva u čvrstom

stanju moraju imati pre svega:

isti tip kristalne rešetke, neznatne razlike u veličini atoma, elektrohemijskim osobinama i valenci.

Potpuna rastvorljivost u čvrstom stanju: odnosi se na komponente

koje grade čvrste rastvore pri bilo kojim koncentracijama; (Cu-Ni, Au-Ag,

Au-Pt, Co-Ni, Ni-Pt, Bi-Sb).

16

Konstrukcija binarnih faznih dijagrama

X Y% Y raste

Rastop - R

Čvrsto stanje -α

Tačka topljenjaKomponente Y

Tačka topljenjaKomponente X

Dve fazeR + α

17

X Y% Y raste

Likvidus

Solidus

Likvidus linija: linija koja povezuje temperature početka očvršćivanja legura različitog sastava.

Solidus linija: linija koja povezuje temperature završetka kristalizacije (očvršćivanja) legura različitog sastava.

18

Za dvokomponentne sisteme, koji su u ravnoteži, za poznati sastav i temperaturu, koristeći dijagrame stanja možemo odrediti: Prisutne faze, Sastav faza, Procentualni odnos svake faze.

Pravilo poluge

100%A 0%B

100%B 0%A

Likvidus

Solidus

t1

t2

t3

CRastop (R)

Rastop + α

Čvrsti rastvor α

Koncentracija B, maseni %

Tem

pera

tura

, °C

42%A58%B

50%A50%B

58%A42%B

A

Bx yR

α(α+R)

D E

100%A 0%B

100%B 0%A

Likvidus

Solidus

t1

t2

t3

CRastop (R)

Rastop + α

Čvrsti rastvor α


Tem

pera

tura

, °C

42%A58%B

50%A50%B

58%A42%B

A

Bx yR

α(α+R)

D E

Mašinski materijali - Dr Dragan 19

x y Rα⋅ = ⋅ yR xα

=

Količina čvrste faze yKoličina tečne faze x

=

( ) ( )R x R x yα + ⋅ = ⋅ + ⇒

( ) ( )R x

R x yα=

+ +

Količina tečne faze x Suprotan krak polugeKoličina legure x y Ukupna dužina poluge

= = =+

Relativan udeo tečne faze

Moment za tačku B

⇒

odnosno

Moment za tačku D

odnosno

100%A 0%B

100%B 0%A

Likvidus

Solidus

t1

t2

t3

CRastop (R)

Rastop + α

Čvrsti rastvor α


Tem

pera

tura

, °C

42%A58%B

50%A50%B

58%A42%B

A

Bx yR

α(α+R)

D E

20

( ) ( )R y x yα α+ ⋅ = ⋅ + ⇒

( ) ( )y

R x yα

α=

+ +

Količina čvrste faze y Suprotan krak polugeKoličina legure x y Ukupna dužina poluge

= = =+

Relativan udeo čvrste faze

Moment za tačku E

odnosno

22

A B

Likvidus

Solidus

Rastop (R)

Rastop + α

Čvrst rastvor α

Koncentracija B [Maseni %]Te

mpe

ratu

ra,

°C

Neki metali, koji su uzajamno potpuno rastvorljivi u tečnom i čvrstom stanju, imaju na linijama likvidus i solidus minimum ili maksimum. Od ova dva slučaja je tehnički značajan ravnotežni dijagram sa minimumom (sl. 3.8); javlja se kod mnogih binarnih legura, kao npr. Au-Cu, Au-Ni, Fe-Cr, Ni-Pd. U dodirnoj tački likvidusa i solidusa odvija se kristalizacija pri konstantnoj temperaturi, a posledica kristalizacije je opet čvrst rastvor α.

Ravnotežni dijagram dva metala potpuno rastvorljivih u čvrstom stanju sa minimumom na krivoj likvidus i solidus

23

Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

0 20 40 60 80 100

Wt% FeO

Tem

pera

ture

(C)

Equilibrium Phase Diagram - Cu-Ni

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

1500

0 20 40 60 80 100

Wt% Ni

Tem

pera

ture

(C)

Equilibrium Phase Diagram - Nb-W

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

0 20 40 60 80 100

Weight % W

Tem

pera

ture

(C)

Primeri binarnih faznih dijagramapotpuno rastvorljivih metala

Chart1

00

2020

4040

6060

8080

100100

Wt% FeO

Temperature (C)


2800

2800

2650

2350

2400

2000

2100

1700

1720

1450

1320

1320

Sheet1

Phase Diagrams

MgO-Fe)Temperature

Wt %LiquidusSolidus

028002800

2026502350

4024002000

6021001700

8017201450

10013201320

Sheet1

Wt% FeO

Temperature (C)


Sheet2

Sheet3

Chart3

00

2020

4040

6060

8080

100100

Wt% Ni

Temperature (C)


1085

1085

1200

1170

1280

1240

1355

1305

1405

1380

1455

1455

Sheet1

Phase Diagrams

MgO-Fe)Temperature

Wt %LiquidusSolidus

028002800

2026502350

4024002000

6021001700

8017201450

10013201320

Nb-W

Wt%LiquidusSolidus

024802480

2026002520

4027302600

6029002720

8031002930

10033503350

Cu-Ni

Wt%LiquidusSolidus

010851085

2012001170

4012801240

6013551305

8014051380

10014551455

Sheet1

Wt% FeO

Temperature (C)


Sheet2

Weight % W

Temperature (C)


Sheet3

Wt% Ni

Temperature (C)


Chart2

00

2020

4040

6060

8080

100100

Weight % W

Temperature (C)


2480

2480

2600

2520

2730

2600

2900

2720

3100

2930

3350

3350

Sheet1

Phase Diagrams

MgO-Fe)Temperature

Wt %LiquidusSolidus

028002800

2026502350

4024002000

6021001700

8017201450

10013201320

Nb-W

Wt%LiquidusSolidus

024802480

2026002520

4027302600

6029002720

8031002930

10033503350

Sheet1

Wt% FeO

Temperature (C)


Sheet2

Weight % W

Temperature (C)


Sheet3

25

Ravnotežni dijagram dva metala potpuno nerastvorljivih u čvrstom stanju

Potpuna nerastvorljivost u čvrstom stanju: karakteriše se time što se iz rastopa (tečne faze potpuno rastvorenih komponenata) dobija smeša kristala čistih metala (Sn-Zn, Al-Sn, Bi-Cd).Eutektička reakcija: fazna transformacija koja se odvija pri konstantnoj (eutektičkoj) temperaturi a proizvod eutektičke promene jeste smeša finih kristala (komponenta A + komponenta B) nazvanih eutektikum.Eutektička tačka: tačka u binarnom dijagramu koja odredjuje eutektički sastav i eutektičku temperaturu.Podeutektička legura: legura koja je levo od eutektičke tačke.Nadeutektička legura: legura koja je desno od eutektičke tačke.

26

U oblasti ispod eutektičke prave sve legure su u čvrstom stanju. S obzirom na to da je reč o dva metala nerastvorljiva u čvrstom stanju, u strukturi se ne može pojaviti kristal čvrstog rastvora, koji je predstavnik rastvorljivosti u čvrstom stanju. Rezultat kristalizacije biće stoga uvek smeša kristala čistih metala A i B.

CL1

L2m2 m m1 b1

a1D

G

1 a2 b2 2

F E

A BI II III III III

100%A 100%B

A + E B + E

Rastop (R)

Rastop + A Rastop + B

Tem

pera

tura

, °C

Tem

pera

tura

, °C


1 1' 2 2'

E

A

B

E

Vreme

100

0

A

x

yE

E E1'

B

E1 B1A1Koncentracija B, maseni %

% s

trukt

urni

h

kom

pone

nti

Podeutektička legura

Eute

ktič

ka le

gura

Nadeutektička legura

0%B 0%A

CL1

L2m2 m m1 b1

a1D

G

1 a2 b2 2

F E

A BI II III III III

100%A 100%B

A + E B + E

Rastop (R)

Rastop + A Rastop + BT

em

pera

tura

, °

C

Tem

pera

tura

, °

CKoncentracija B, maseni %

1 1' 2 2'

E

A

B

E

Vreme

E E '

Podeutektička legura

Eu

tekt

ička le

gura

Nadeutektička legura

0%B 0%A

27

Na temperaturi koja odgovara tački m u ravnoteži su dve faze: rastop (sastava koji odgovara tački m1) i čvrsta faza (kristal čistog metala A sastava koji odgovara tački m2). Odnos sadržaja ovih faza biće prema pravilu poluge:

2

1

količina rastopa mmkoličina kristala metala mm

=

Odnos količine primarno izlučenih kristala A i eutektike, npr. u leguri I može se odrediti pomoću pravila poluge:

2

2

a FEa

=EkoličinaA količina

28

A B

L

S

Rastop (R)

Rastop + A

A + B

C

F D = E


Tem

pera

tura

, °C

U različitim sistemima može eutektička tačka zauzimati u ravnotežnom dijagramu različite položaje. U nekim slučajevima približava se jednoj od komponenata, a ponekad se s njom i spaja.Legure u kojima se eutektička tačka uvek spaja sa jednom komponentom obrazuju npr. parovi metala: Al-Sn, Cu-Bi, Cd-Ge, Sn-Si, Sb-Si itd. Granični položaj eutektičke tačke

29

Ravnotežni dijagram dva metala sa ograničenom i promenljivom rastvorljivošću u čvrstom stanju

Uzajamna rastvorljivost metala u čvrstom stanju zavisi od temperature i

obično se sa opadanjem temperature smanjuje. Uzajamna

rastvorljivost dva metala najveća je na eutektičkoj temperaturi, a sa

opadanjem temperature se menja prema krivoj promene rastvorljivosti

koja se naziva solvus linijom.

Prema opisanom ravnotežnom dijagramu kristališu se neki parovi

metala kao npr. Cu-Ag, Al-Si, Pb-Sn.

30

Max. rastvorljivostCu u rešetki Ag

Max. rastvorljivostAg u rešetki Cu

Eutektičkatačka

Solvus linija Solvus linija

31Težinski % YX Y

Rastop (R)

αβ

LikvidusSolidus

SolvusSolvus

Solidus

α + R β + R

α + β

32

α

β


R→α

R→β

R→Ε

αdeo→β"

R→α

I II III IIIIII

C

A H J B

FE

G

D

a1

b1

a2b2

a3

b3

a3'

b3' b3''

Rastop (R)

R + α R + β

α + E β + E

αβ

α + β" β + α"

Tem

pera

tura

, °C

a4

Solvuslinija

α - čvrsti kristali (proeutektički α kristali)β - čvrsti kristali (proeutektički β kristali)E - Eutektička smeša α-čvrsog rastvora i β-čvrstog rastvira

Ravnotežni dijagram dva metala sa promenljivom rastvorljivošću u čvrstom stanju

33

Cu-Agsistem

Primer: Cu-Ag sistem

• Hlađenje po tačkastoj liniji: R (71.9%) α (8%) + β (91.2%)

R (rastop)

α R+ α R+β β

α + β

Sastav, Tež.% Ag20 40 60 80 1000

200

1200T(°C)

400

600

800

1000

CE

TE 8.0 71.9 91.2779°C

34

Primer: Pb-Sn

Pb-Snsistem

R+ αR+β

α + β

200

T(°C)

18.3

Co, tež.% Sn20 40 60 80 1000

Co

300

100

β

R (rastop)

α183°C

61.9 97.8150

• Za 40tež%Sn-60tež%Pb legure na 150°C, naći...

-- koje se faze pojavljuju?

-- sastav tih faza

-- relativni udeo svakefaze

35

• Za leguru sa 40%Sn-60%Pb na 150°C- koje faze postoje:

α + β- sastav tih faza:

Cα = 11 tež%SnCβ = 99 tež%Sn

- relativni udeo svake faze:(pravilo poluge)

Pb-Snsistem

R+ αR+β

α + β

200

T(°C)

18.3

Co, tež.% Sn20 40 60 80 1000

Co

300

100

R (Rastop)

α183°C

61.9 97.8150

11 99

R S

β

36

Analiza dijagrama

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

37

Rastop

R + α

α

α + β

Rastop

R + α + β

Procentualni sastav

Težinski sastav

Kako se dolazi do čvrste faze?

38

Rastop

R + α

α

α + β

Krive hlađenja

39

Rastop

Rastop + α

α

α + β

Tem

pera

tura

Vreme

R+ α

200

T(°C)

10 200Co

300

100

R

α

30

α + β

400

TE

2

40

Eutektička reakcija

Eutektička reakcija je specijalan slučajinvariante ili izotermalne reakcije

Eutektička reakcija može da se opiše sledećom formulom:

Rastop Čvrsta faza 1 + Čvrsta faza 2 pri T= Teut

Krive hlađenja za eutektički sistemPb-Sn

41

Rastop

Tem

pera

tura

Vreme

α + βR + α + β

R α + β

42

• Efekat ojačanja čvrstog rastvora:

-- Zatezna čvrstoća (Rm) -- Duktilnost (%A,%Z)

Mehaničke osobine: Cu-Ni sistemaZa

tezn

a čv

rsto

ća(M

Pa

)

Sastav, tež%NiCu Ni0 20 40 60 80 100

200

300

400

Rm začist Ni

Rm za čist Cu

Elo

ng

aci

ja(%

EL

)Sastav, tež%Ni

Cu Ni0 20 40 60 80 10020

30

40

50

60

%A začist Ni

%A za čist Cu

Kriva hlađenja za podeutektički sistem

43

Rastop

Rastop + α

Tem

pera

tura

Vreme

α + βR + α + β

44

Sn-Pb legura - Mikrostrukture različitih sastava

Eutektički sastav63% Sn - 37% Pb

Nadeutektički sastav70 % Sn – 30 % Pb

Nadeutektički sastav90 % Sn – 10 % Pb

Podeutektički sastav40% Sn - 60% Pb

HVALA NA PAŽNJI!!!

Dijagrami faznih transformacija��Aleksandra BoričićAgregatna stanja Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Kriva hlađenja čistog metalaKriva hlađenja leguraŠta su legure?Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Rastvorljivost metalaSlide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23PauzaSlide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Primer: Pb-SnSlide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Kako se dolazi do čvrste faze?Krive hlađenjaSlide Number 40Krive hlađenja za eutektički sistem Pb-SnSlide Number 42Kriva hlađenja za podeutektički sistemSlide Number 44HVALA NA PAŽNJI!!!

Documents

Dijagrami faznih transformacija Aleksandra Boričić · β - čvrsti kristali (proeutektički β kristali) E - Eutektička smeša α-čvrsog rastvora i β-čvrstog rastvira Ravnotežni