5-diagrame binare

Materiale industriale

CURSUL 5

DIAGRAME DE ECHILIBRU

TERMIC FAZAL

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor

Catedra de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor Oxidice şi Nanomateriale

LEGEA FAZELOR

Faza F:

O fază este o parte omogenă a unui sistem, fizic delimitată de

restul sistemului, şi separată de acesta prin suprafeţe bine

definite.

Numărul de componenţi C:

Fiecare fază conţine un număr de elemente chimice bine definit.

Numărul de componenţi este definit de numărul de specii minus

numărul de relaţii chimice dintre ele.

Varianţa V:

Atunci când numărul de componenţi ai unui sistem şi

componenţii fiecărei faze sunt definiţi, pentru a caracteriza starea

de echilibru a sistemului trebuie definit numărul de factori care o

influenţează.

Varianţa este astfel definită ca numărul de grade de libertate ale

sistemului.

LEGEA FAZELOR

Factorii care pot varia sunt temperatura şi presiunea (2):

F + V = C + 2

Atunci când faza gazoasă nu este prezentă, presiunea nu

influenţează echilibrul sistemului, deoarece solidele şi lichidele

sunt considerate incompresibile. Legea fazelor devine:

F + V = C + 1

DIAGRAME DE ECHILIBRU TERMIC

FAZAL

A. SISTEME UNARE

TOPIREA

Tf

S

S+L L

Temperatură

Timp

Legea fazelor: F + V = C + 1

S: 1 + V = 1 + 1 V = 1 T variază

S + L: 2 + V = 1 + 1 V = 0 T rămâne constantă până când

numărul de faze se diminuează

L: 1 + V = 1 + 1 V = 1 T variază

DIAGRAME DE ECHILIBRU TERMIC

FAZAL

B. SISTEME BINARE

e

TB

TA

A B

Te

I. SISTEMUL BINAR ELEMENTAR

Generalităţi

• A, B: componenţii

sistemului binar

•TA: Temperatura de topire

a compusului A

•TB: Temperatura de topire

a compusului B

• Te: Temperatura

eutectică

• e: amestecul binar cu

cea mai joasă temperatură

de topire

xB xA

T

Liq

e

B+liq

TB

A+B

TA

A B

A+liq

Te


Generalităţi

• TAe, TBe: curbe liquidus –

indică punctele de coordonate

T-x, la care apare pentru

prima dată faza solidă la

răcire, sau se termină topirea,

la încălzire;

• TATeeTeTB: drepte solidus;

• Dreptele solidus şi curbele

liquidus delimitează patru

zone ale sistemului, dpdv al

compoziţiei fazale:

I: F=2 A+liq

II: F=1 Liq

III: F=2 B+liq

IV: F=2 A+B

I

IV

II

III

Liq

e

B+liq

TB

A+B

TA

Tx

T1

T2

A B Mx L1 L2 L3

T3 l3

l2

l1

lx

A+liq

Te


Trasee de topire / cristalizare

Cristalizare Mx

• T > Tx: liq Mx

• Tx: A + liq lx

• Tx – Te:

A + liq (lx- le)

Etapă de cristalizare

primară (A cristalizează

singur)

• Te: A + B + liq le

3+V = 2+1 =>V=0

(sistem invariant)

Etapă de cristalizare

secundară (A şi B

cristalizează simultan)

• T < Te: A + B

Liq

e

B+liq

TB

A+B

TA

Ty

A B My

ly A+liq

Te



Topire My

• T < Te: A+B

• Te: A + B + liq le

3+V = 2+1 =>V=0

(sistem invariant)

• Te – Ty:

B + liq (le - ly)

• Ty: B + liq ly

•T > Ty: liq My

Orice masă din sistem

cristalizează, respectiv se

topeşte, pe un interval de

temperatură.

Liq

e

B+liq

TB

A+B

TA

A B

A+liq

Te



Te:

• punct invariant al sistemului;

• temperatura la care se

încheie procesul de

cristalizare, sau începe

procesul de topire pentru orice

masă din sistem;

• este singura masă din

sistem, care, deşi nu este un

compus chimic definit, se

topeşte la o temperatură

definită.

e

TB

TA

Tx

A B M L

lx

Te

S

G L

a m


Relaţii cantitative

• G = cantitatea amestecului M

• S = cantitatea de fază solidă

(cristale A) la TX

• L = cantitatea de fază lichidă

(topitura lx) la TX

Legea conservării masei:

G = S + L

I. SISTEMUL BINAR ELEMENTAR Relaţii cantitative

e

TB

B M L

lx

Te

A Liq.

lx

P

S

G

L

a m

O

A

Tx

TA

• vectorul G, aplicat pe pârghia în punctul m,

se descompune în componentele S şi L, aplicate la

extremităţile pârghiei conform raportului braţelor.

• Pentru a evita măsurarea segmentelor şi

, respectiv pentru a obţine raportul fazelor direct în

procente, acestea se transpun pe abscisa a

diagramei, care este împărţită în 100 părţi.

• Transpunerea se realizează prin unirea

extremităţilor segmentelor şi .

• Prelungind dreptele Aa şi respectiv Blx, acestea

se intersectează în punctul O.

• Din acest punct se duce apoi o dreaptă prin

punctul m până la intersecţia cu abscisa AB în

punctul P.

xal

am

ABxal

xml

AB

SISTEMUL BINAR ELEMENTAR Relaţii cantitative

e

TB

B M L

lx

Te

A Liq. lx

P

S

G

L

a m

Regula pârghiei:

100*%

100*%

x

x

x

x

al

amliql

al

mlA

O

A

Tx

TA

Regula pârghiei poate fi utilizată

pentru determinarea cantităţilor de

faze aflate în echilibru, la o anumită

temperatură, pentru o masă cu o

anumită compoziţie.


Relaţii cantitative

e

TB

B M L

lx

Te

A Liq. lx

P

S

G

L

a m

• Pe baza asemănării

triunghiurilor:

ΔamO ~ ΔAPO şi

ΔmlxO ~ ΔPBO,

se poate scrie:

• Deci, la temperatura Tx

există:

% fază lichidă (topitură)

% fază solidă (cristale A)

O

A

Tx

TA

am

ml

Lxtopiturăcantitate

Acristalecantitate x)_(_

__

Sistemul binar în care se formează

compuşi binari

II I

TA

Te1

Te2

TB

A+AmBn

AmBn+B

A+liq

B+liq

Am Bn+

liq

Liq Liq

AmBn

e1

e2

TAm

Bn

A B

II. SISTEMUL BINAR CU COMPUS BINAR CONGRUENT


Sistemul este împărţit în

două subsisteme:

I: A-AB e1

II: AB-B e2

AmBn=AB

II I

TA

Te1

Te2

TB

A+AmBn

AmBn+B

A+liq

B+liq

Am Bn+

liq

Liq Liq

AmBn

e1

e2

TAm

Bn

A B



Regulile de parageneză:

• Fiecare dintre subsistemele

formate ascultă de propriul

eutectic;

• La solidificarea de echilibru

a unei mase dintr-un

subsistem se formează

compuşii de margine ai

subsistemului respectiv.

II I

TA

Te1

Te2

TB

A+AmBn

AmBn+B

A+liq

B+liq

Am Bn+

liq

Liq Liq

AmBn

e1

e2

TAm

Bn

A B



Cristalizare Mx

• T > Tx: liq Mx

• Tx: AB + liq lx

• Tx – Te2:

AB + liq (lx- le2)

• Te2: AB + B + liq le2

3+V = 2+1 =>V=0

(sistem invariant)

• T < Te2: AB + B

Mx

Tx

ℓx

TA

TB

Tg2

Te1

A+

liq

AmBn+B

A+AmBn

AmBn+liq

B+liq

Liq

A B

I II

g2

AmBn

e1

III. SISTEM BINAR CU COMPUS BINAR INCONGRUENT

ÎN PREZENŢA FAZEI LICHIDE

Trasee de topire / cristalizare. Zone cu resorbţie

AmBn B + liq g2

Tg2

g2

g: punct invariant peritectic

Tg: temperatura de

descompunere a

compusului incongruent în

topitură şi unul dintre

componenţii sistemului

Sistemul este împărţit în

două subsisteme:

I: A-AB e1

II: AB-B g2

TA

TB

Tg2

Te1

TM1

A+

liq

AmBn+B

A+AmBn

AmBn+liq

B+liq

Liq

A B

I II

g2

M1 AmBn

e1

III. SISTEM BINAR CU COMPUS BINAR INCONGRUENT ÎN PREZENŢA FAZEI LICHIDE


M1 - FR

• T>TM1: liq(M1)

•TM1 – Te

: AB + liq (lM1-le1)

•Te1: AB + A + liq le1

V = 0

•T < Te1: AB + A

FR

AmBn B + liq g2

Tg2

g2

ℓM1

• Cristalele de AmBn apar la solidificare prin interacţia lui B cu liq. g, la temperatura Tg.

• Procesul se numeşte resorbţia lui B în topitura g cu formare de AmBn.

Parţială

Totală

II

TA

TB

Tg2

Te1

ℓM2

A+

liq

AmBn+B

A+AmBn

AmBn+liq

B+liq

Liq

A B

I

g2

M2 AmBn

RT(B)

e1

M2 – RT(B)

T>TM2: liq(M2)

TM2 – Tg2: B + liq (ℓM

2 → g2)

Tg2: B + AB + liq g2

V = 0 (resorbţia totală a lui B )

Tg2 – Te1: AB + liq (g2 → e1)

Te1: AB + A + liq e1

V = 0

T < Te1 : AB + A

b

TM2

FR

AB B + liq g2

Tg2



• Resorbţia decurge la temperatură constantă până când B dispare total – resorbţie totală.

II

TA

TB

Tg2

Te1

A+

liq

AmBn+B

A+AmBn

AmBn+liq

B+liq

Liq

A B

I

g2

AmBn M3

RT(B) RP(B)

e1

M3 – RP(B)

T>TM3: liq(M3)

TM3 – Tg

2: B + liq (ℓM

3 → g2)

Tg2: B + AB + liq g2

(resorbţia parţială a lui B), V = 0

T < Tg2: B + AmBn

b

TM3

FR

ℓM3

AB B + liq g2

Tg2



• Resorbţia decurge la temperatură constantă, B nu dispare total – resorbţie parţială.

II

TA

TB

Tg2

Te1

A+

liq

AmBn+B

A+AmBn

AmBn+liq

B+liq

Liq

A B

I

g2

AmBn

RT(B) RP(B)

e1

b

FR


Tratamente termice

1. Răcire bruscă, de la Tg cu

întreruperea integrală a

echilibrului; Masa solidificată este formată din

cristale primare de B şi sticlă de

compozitie g2;

2. Răcire moderată, cu

întreruperea echilibrului

termodinamic la răciri mai

avansate, topitura g îngheţată la

Tg se poate comporta ca un

amestec din sistemul I (A - AmBn),

cu cristalizare independentă;

3. Răcire lentă la echilibru

termodinamic.

TA

Te e

A+B

B+liq.

Liq.

A+liq.

h

k

2 liq.

h’ Th

TK

TB

A B

IV. SISTEM BINAR ELEMENTAR CU TOPITURI NEMISCIBILE

• Curba de echilibru de care ascultă

nemiscibilitatea în fază lichidă este

curba sub formă de cupolă cu vârful

în k.

• Nemiscibilitatea apare la Th.

• Cu creşterea temperaturii

domeniul compoziţional de

neomogenitate se restrânge, până

se confundă cu un punct.

TA

Te Te e

A+B

B+liq.

Liq.

A+liq.

h

h3 h’3

h1

h2

k

h’2

h’1

2liq.

h’ Th

TK

TB

A M B

IV. SISTEM BINAR ELEMENTAR CU TOPITURI NEMISCIBILE

Trasee de cristalizare / topire

M1 - la Th1 apare o topitură formată din

două lichide de compoziţie h1 şi h1’.

Th1 → Th: cele două lichide îşi modifică

compoziţia după cupolă

h1 → h

h1’ → h’

T < Th: topitura devine omogenă

În continuare traseul de cristalizare

evoluează analog SB simplu.

Th1

Th2

Th3

5-diagrame binare

Documents

Transcript of 5-diagrame binare