CAPITOLUL VII

TIINA MATERIALELOR

CAPITOLUL 6ALIAJE TERNARE I POLINARE

6.1. REPREZENTAREA ALIAJELOR TERNARE

Deoarece majoritatea aliajelor utilizate n practic sunt formate din mai mult de doi componeni, prezint interes studierea aliajelor cu mai muli componeni, ca de exemplu a aliajelor cu trei componeni. La construirea diagramelor de echilibru ale sistemelor binare s-au folosit dou variabile independente, temperatura i concentraia unuia dintre cei doi componeni, obinndu-se o diagram n plan.

La sistemele ternare se mai adaug o variabil independent, concentraia celui de-al treilea component. Fiind trei componente independente, se obine o diagram n spaiu. De obicei, o astfel de diagram are forma unei prisme triunghiulare, concentraiile notndu-se pe baza prismei, iar temperaturile pe muchii. Ca baz pentru prisma utilizat la reprezentarea diagramei ternare se ia un triunghi echilateral, numit triunghi ce concentraie.

Considernd trei componeni A, B, C i reprezentnd concentraiile lor n procente cA, cB, cC, intre acestea exist urmtoarea legtur: cA + cB + cC = 100. Pentru reprezentarea grafic a compoziiei aliajului ternar se utilizeaz cu precdere triunghiul lui Gibbs.

n triunghiul echilateral, laturile reprezint concentraiile aliajelor binare, vrfurile - componenii A, B, C, iar punctele din interiorul triunghiului diferite aliaje ternare (fig. 7.1).

Concentraiile aliajului ternar se determin prin trasarea paralelelor la laturile triunghiului, din punctual n discuie, lund n considerare i sensul de variaie a concentraiei componenilor.

Fie un punct P interior triunghiului, care corespunde unui aliaj ale crui concentraii n fiecare din cei trei componeni sunt date de segmentele a, b, c sau a', b', c', ce trec prin punctual P i sunt paralele laturilor triunghiului. Aceast reprezentare este justificat prin faptul c:

a + b + c = AB = BC = CA

Punctele situate pe o dreapt paralel cu una din laturile triunghiului reprezint aliaje ce au concentraia constant n componentul opus acestei drepte. Fie dreapta NN' paralel cu latura BC a triunghiului. Aliajele P1,P2,P3,P4 vor avea aceeai concentraie n componentul A (fig. 7.2).

Fig. 7.2. Concentraiile aliajelor situate pe o

Fig. 7.3. Idem, dreapta trece prin unul din

dreapt paralel la una din laturile vrfurile triunghiului lui Gibbs. triunghiului lui Gibbs

Punctele situate pe o dreapt ce trece printr-unul dintre vrfurile triunghiului Gibbs, de exemplu linia AD, corespund aliajelor ce au un raport constant intre cei doi componeni, B i C (fig. 7.3).

constant

7.2 DIAGRAME DE ECHILIBRU ALE ALIAJELOR TERNARE

Pentru construirea diagramelor de echilibru se folosete triunghiul concentraiilor (baza diagramei) i, n funcie de solubilitatea componenilor cu temperatura, se traseaz suprafeele lichidus i solidus. Tipurile diagramelor de echilibru ternare depind de solubilitatea componenilor n stare lichid i solid.

7.2.1 Componenii sunt totali solubili n stare lichid

i n stare solid (Diagrama T1)

Fie componenii A, B, C complet solubili n stare lichid i solid, pentru care diagrama de echilibru este reprezentat n figura 7.4, din care se vede c diagrama are forma unei prisme triunghiulare ale crei muchii corespund componenilor puri iar feele sistemelor binare A-B, B-C i C-A.

Sistemul lichidus este suprafaa convex care se reazem pe punctele de topire ale componenilor puri TA, TB, TC, iar sistemul solidus este suprafaa concav care se reazem pe aceleai puncte.

Fig. 7.4. Diagrama de echilibru a sistemului ternar Fig. 7.5. Rabatarea feelor diagramei de echilibruformat din componeni complet solubili n stare ternare format. din componeni complet solubili lichid i solid

n stare solid i lichid

Diagramele sistemelor binare A-B, B-C i C-A, sunt diagrame de tip clasa B.

n cazul aliajului I (fig. 7.4), nceputul solidificrii este marcat de punctul N1 i sfritul solidificrii de punctual P1, iar curba de rcire a acestui aliaj are aspectul celei din fig. 7.6. n reprezentarea plan a diagramelor ternare, temperatura nu mai poate fi precizat, procesul cristalizrii putnd fi urmrit fr a specifica temperaturile de nceput i de sfrit de solidificare. Acest neajuns al diagramelor ternare este nlturat n parte prin proiectarea pe triunghiul concentraiilor a izotermelor de pe suprafeele lichidus si solidus, obinute prin secionarea diagramei ternare cu o familie de place (izoterme) orizontale echidistante i notnd pe aceste proiecii temperaturile care le corespund.

n figurile 7.7.b i c sunt reprezentate seciunile izoterme corespunztoare temperaturilor T1 i T2 din diagrama de echilibru ternar (fig. 7.7.a) i se observ c aceste izoterme sunt dispuse n form de evantai i nu se ntretaie n interiorul prismei triunghiulare.

Fig. 7.7.a. Diagrama de echilibru a unui Fig7.7.b. Seciune izoterm T1 Fig 7.7.c. Idem, T2.sistem ternar ale crui componente intr-o diagram ternar.

sunt complet solubile i in stare solid.

Spre a se uura studiul diagramelor ternare se face proiecia segmentelor izoterme i a liniilor solidus i lichidus coninute n planele izoterme T1 i T2, pe planul de baz (fig.7.8.a; b).

Cunoscnd poziia segmentelor izoterme este uor de a calcula compoziia fazelor n echilibru la orice temperatur.

Reprezentarea simplificat a unei diagrame ternare, n cazul solubilitii totale a componenilor n stare lichid i solid, se poate face prin folosirea triunghiului lui Gibbs pe care se proiecteaz punctele de intersecie ale izotermelor T1 i T2 i T3

cu suprafeele lichidus i solidus (fig. 7.9). Pentru aprecierea transformrilor aliajelor n funcie de temperature se utilizeaz de asemenea seciuni verticale (fig. 7.10 i 7.11). Dac se studiaz diagramele de echilibru binare coninute n asemenea plane de seciune verticale, trebuie s se evite aplicarea regulii orizontalei ca pentru o diagram binar, deoarece, n general, segmentele izoterme nu sunt cuprinse n planul seciunii, ci formeaz cu acesta un anumit unghi.

Studiul solidificrii aliajelor intr-o diagram ternar este similar cu cel descrise la aliajele binare.

Fig. 7.10. Seciune vertical intr-o diagram ternar Fig 7.11. Diagrame binare rezultate din seciuni verticale ale diagramelor ternare

n acest sens, se va considera un aliaj ternar n stare lichid (punctual P, fig. 7.12) care va fi supus rcirii lente, astfel nct, la fiecare temperatur considerat, stare sistemului s fie ct mai apropiat de starea de echilibru.

Fig. 7.12 Fazele n echilibru ale unui aliaj ternar la diferite temperaturi

La temperatura T1 (punctual L1) punctul figurativ al aliajului este pe linia lichidus i apar primele cristale solide de soluie (. Segmentul izoterm L1(1 ocup o poziie care poate fi precizat numai experimental (fig. 7.11). Cnd s-a atins temperatura corespunztoare T3, compoziia lichidului a evoluat dup o anumit linie L1L3, iar a solidului dup linia (1(3 (fig. 7.7a). Aceste linii aparin, una suprafeei lichidus (L1 L3) i alta solidusului ((1 (3) i nu pot fi determinate dect experimental.

La temperatura T3, ntregul lichid este solidificat i evident concentraia soluiei solide a aliajului considerat este cea a soluiei lichide iniiale (aliaj P).

Fcnd seciunile izoterme la temperaturile T1, T2, T3 i proiectndu-le pe triunghiul de concentraie, se poate determina cantitatea celor dou faze (fig. 7.12).

De exemplu, la temperatura T2, regula orizontalei d cantitile fazelor n echilibru:

;

Reacia de solidificare a aliajului P este de forma:

LP XP + Lrest

XP7.2.2 Componenii sunt total solubili n stare lichid i total insolubili n stare solid (Diagrama T2)Fie sistemul de aliaje ternare A-B-C ai crui componeni A, B i C sunt totali solubili n stare lichid i total insolubili n stare solid, a crui diagram de echilibru este reprezentat n figura 7.13.a.

Fig. 7.13. Diagrama de echilibru i simplificat a aliajelor ternare

a Diagrama de echilibru a aliajelor ternare cu componeni total insolubili n stare solid;

b Reprezentarea simplificat a diagramei ternare cu componeni insolubili n stare solid;

c Curba de rcire a unui aliaj considerat, P.

Componenii A, B i C formeaz perechi de aliaje binare cu eutectic binar A + B (E1), B + C (E2) i C + A (E3) i eutecticul ternar A + B + C (E). Sistemul lichidus al acestei diagrame este alctuit din suprafeele curbe E1EE2TBE1, E1E.E3TAE1, E3EE2TCE3, iar sistemul solidus din planul bazei A'B'C' care conine punctual E.

Dac se rabat feele prismei triunghiulare ale diagramei ternare se obin aliajele binare clasa A (fig. 7.14).

Proiectnd pe triunghiul lui Gibbs punctele eutectice binare E1, E2, E3 i eutecticul ternar E se obine diagrama simplificat i se poate urmri mai uor solidificarea aliajelor ternare (fig. 7.13.b i 7.14). Curba de rcire a unui aliaj ternar P este reprezentat n fig. 7.13.c pe care diferitele segmente reprezint:ab rcirea soluiei lichide;

bb' se separ primele cristale de component A;

bb'' se separ simultan cristale de A i cristale de A+C (eutecticul E3);

b''c cristalizeaz i restul soluiei lichide n eutecticul ternar E (cristalizeaz simultan componenii A B C). Variana sistemului la temperatura T2 va fi: V = 3+1-3 = 1; iar la temperatura T3 va fi: V = 3+1-4 = 0.

Structura aliajului ternar P, la diferite temperaturi este indicat n figura 7.15, la temperatura ambiant fiind format din cristale de component A, eutecticul binar E3 (A+C) i eutecticul ternar E (A+B+C).

Fig. 7.15 Scheme de cristalizare ale aliajului P

Pentru exemplificare, n figura 7.16 este reprezentat diagrama de echilibru ternar a unui sistem Sn-Bi-Pb, componeni ce sunt complet solubili n stare lichid i total sau pariali solubili n stare solid.

Fig. 7.16 Imagine i perspectiv a diagramei de echilibru ternare Sb Bi Pb

7.3. ALIAJE CUATERNARE

Studiul i reprezentarea grafic a aliajelor cuaternare prezint nc mari greuti. n general, se poate adopta o metod asemntoare cu cea folosit la aliajele ternare.

Concentraiile aliajelor cuaternare sunt reprezentate printr-un tetraedru regulat (fig. 7.17). Vrfurile vor reprezenta componenii muchiile aliaje binare, suprafeele laterale aliaje ternare, iar orice punct din interiorul tetraedrului aliaje cuaternare.

Fig. 7.17. Tetraedrul concentraiilor Fig. 7.18. Determinarea concentraiilor Fig. 7.19. Reprezentarea simplificat

la aliaje cuaternare unui aliaj cuaternar P. a diagramei unui aliaj cuaternar cu

componeni insolubili n stare solid.

Concentraiile aliajului cuaternar vor fi legate de relaia: A = 100 (B + C + D)

Compoziia unui aliaj cuaternar se poate determina ducnd din punctul considerat P, paralele la muchiile tetraedrului i lund n considerare lungimea segmentului ce intersecteaz suprafaa aliajului ternar ce conine i componentul dorit (fig. 7.18). Cel de al patrulea component se stabilete cu ajutorul relaiei de mai sus.

i n cazul aliajelor cuaternare se poate face reprezentarea simplificat a diagramelor de echilibru folosind tetraedrul concentraiilor. De exemplu, diagrama unui aliaj ai crui componeni sunt insolubili n stare solid este prezentat n fig. 7.19. n aceast diagram eutecticele binare e1 e6, eutecticele ternare E1 E4 sunt situate la temperaturi mai ridicate dect eutecticul cuaternar E. Sistemul va fi zero variant numai pentru temperatura i concentraia eutecticului cuaternar.

Aplicnd regula fazelor la sistemele cuaternare, se consta c numrul maxim de faze care pot coexista n cursul reaciei zero variante este de 5. Patru faze pot coexista n echilibru avnd un grad de libertate egal cu 1, adic sistemul este monovariant.

La o temperatur dat, poriunile din sistem cu patru faze ocup volume tetraedrice n interiorul tetraedrului izoterm i compoziiile fazelor sunt date de colurile acestor volume tetraedrice. Poriunile trifazice (ternare) sunt separate de poriunile cu patru faze (cuaternare) prin plane; n regiunea ternar sistemul are dou grade de libertate. Poriunile bifazice (binare) sunt separate de cele trifazice prin suprafee, iar poriunile monofazice sunt separate de cele trifazice prin suprafee, iar poriunile monofazice sunt separate de cele bifazice prin suprafee curbate n spaiu.

Numrul elementelor chimice susceptibile de a forma aliaje este de peste 80, de unde rezult posibilitatea existenei a circa 3 000 sisteme de aliaje binare i a peste 8 000 de sisteme de aliaje ternare.Fig. 7.1. Reprezentarea concentraiei aliajelor ternare folosind triunghiul

lui Gibbs

Fig. 7.6. Curba de rcire a unui aliaj ternar care solidific sub form de soluie solid

Fig. 7.8. Seciunile izoterme T1 i T2

proiectate pe triunghiul lui Gibbs

Fig 7.9. Reprezentarea simplificat a diagramelor ternare

Fig. 7.14. Reprezentarea n plan a diagramei ternare cu componeni insolubili n stare solid

PAGE 1

_1234878422.unknown

_1236351991.unknown

_1234875940.unknown