16

2.3.6. Diagrame de echilibru termic ale sistemelor de aliaje ternare Majoritatea materialelor metalice utilizate n prezent n tehnic sunt alctuite din mai mult de doi componeni; din acest motiv, este necesar i studierea sistemelor de aliajele cu trei componeni (aliaje ternare). 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 i anume, concentraia celui de-al treilea component. Fiind trei variabile independente se obine o diagram n spaiu; o astfel de diagram are de obicei 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 de concentraie; vrfurile triunghiului corespund componenilor puri A, B, C ale sistemului ternar considerat, punctele situate pe laturile triunghiului corespund diferitelor aliaje care aparin sistemelor binare A B, B C i C A, iar punctele situate n interiorul triunghiului corespund aliajelor ternare. Concentraia componentului A (CA) n aliajul ternar corespunztor punctului P (fig.2.71.) se determin pe laturile AB sau AC, ducndu-se o paralel prin P la latura BC opus vrfului A, ea fiind egal cu segmentele delimitate de aceast paralel pe laturile respective: CA = a (metoda paralelelor). In acelai mod pot fi aflate i concentraiile componenilor B i C trasndu-se paralele prin punctul P la laturile triunghiului opuse vrfurilor respective. Astfel, compoziia aliajului ternar P va fi dat de segmentele a = CA, b = CB i c = CC. Suma segmentelor a, b, c ntre care se formeaz unghiuri de 120 n punctul P, este egal cu suma concentraiilor, reprezentat prin latura triunghiului echilateral. Astfel: a + b + c = CA + CB + CC = AB = BC = CA = 100%.

Fig.2.71. Determinarea compoziiei

unui aliaj ternar prin metoda paralelelor.

Compoziia aliajului situat n punctul figurativ P mai poate fi determinat ducnd perpendiculare din acest punct pe cele trei laturi ale triunghiului concentraiilor, figura 2.72. (metoda perpendicularelor). Se observ c perpendicularele Pa, Pb i Pc sunt paralele cu nlimile triunghiului concentraiilor, care au fost mprite n 100 de diviziuni. Lungimile acestor perpendiculare vor exprima procentul concentraiile componentelor aflate n vrfurile nlimilor cu care sunt paralele, iar suma lor este egal cu valoarea unei nlimi (ntr-un triunghi echilateral suma perpendicularelor coborte din orice punct pe laturile sale este egal cu nlimea sa): Pa + Pb + Pc = AA = BB = CC = 100%.

C

A

% A

% B B

% C CA

b

a

b

P

a

b

c c c

CB

CC

a

17

Fig.2.72. Determinarea compoziiei unui aliaj ternar prin metoda

perpendicularelor.

Diagramelor de echilibru ternare prezint, ca i diagramele binare, sisteme lichidus, solidus i de transformare n stare solid; ns, spre deosebire de diagramele binare unde aceste sisteme sunt formate din linii, la diagramele ternare ele sunt constituite din suprafee: suprafee lichidus, suprafee solidus, suprafee de transformare n stare solid. Sistemele ternare de aliaje se pot clasifica dup aceleai criterii ca i cele binare, adic dup solubilitatea componentelor n stare lichid i solid, dup tendina lor de a forma compui i dup influena pe care o manifest transformrile polimorfice ale componenilor. Deoarece numrul componenilor este mai mare, sunt posibile mai multe tipuri de diagrame ternare dect cele binare; ns, aceste diagrame sunt utilizate ntr-o msur mai mic n raport cu diagramele de echilibru binare i din acest motiv, n continuare, sunt descrise numai urmtoarele dou tipuri de diagrame ternare: a) diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare formate din componeni total solubili n stare lichid i solid; b) diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare formate din componeni complet solubili n stare lichid i total insolubili n stare solid. 2.3.6.1. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare formate din componeni total solubili n stare lichid i solid. Sistemele de aliaje ternare ai cror componeni sunt complet solubili att n stare lichid, ct i n stare solid, prezint o diagram de echilibru ca cea din figura 2.73. Se observ c diagrama este reprezentat printr-o prism ale crei muchii corespund componenilor puri, iar feele sistemelor binare A B, B C, C A. Sistemul lichidus este format din suprafaa convex care se sprijin pe punctele de topire TA, TB i TC ale componenilor puri, iar sistemul solidus, din suprafaa concav care se reazem pe aceleai puncte; diagramele binare A B, B C i C A devin vizibile dac sunt rabate feele prismei (fig.2.74). Deoarece n interiorul prismei (fig.2.73.) nu exist suprafee care s se intersecteze, n proiecie nu se obine pe suprafaa triunghiului de concentraie nici un fel de linie. Cunoscnd diagrama ternar se poate determina pentru orice aliaj temperatura nceputului i sfritului de solidificare dup locul de intersecie dintre verticala de compoziie i suprafeele lichidus i solidus; n cazul aliajului I (fig.2.73.) nceputul solidificrii este 1, iar sfritul 2. In reprezentarea plan a diagramelor ternare,

A

C

% A

% B B

% C

A

b B

C

P

a

c

20

20 20 40 40 40

60 60

60

80 80

80

18

temperatura nu mai poate fi precizat, procesul cristalizrii putnd fi urmrit fr a specifica temperaturile de nceput i de sfrit de solidificare.

Fig.2.73. Diagrama de echilibru a

sistemului ternar format din componeni total solubili n stare lichid i solid.

Fig.2.74. Rabaterea feelor diagramei

de echilibru ternare format din componeni total solubili n stare lichid i solid.

2.3.6.2 Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare formate din

componeni complet solubili n stare lichid i total insolubili n stare solid. Diagrama de echilibru caracteristic pentru aceste sisteme este reprezentat n figura 2.75. Componenii A, B i C formeaz perechi de diagrame binare cu eutectic binar E1(A + B), E2(B + C), E3(C + A) i eutecticul ternar E(A + B + C). Sistemul lichidus al acestei diagrame este alctuit din suprafeele curbe E1EE2TBE1, E1EE3TAE1 i E3EE2TCE3, iar sistemul solidus, din planul paralel cu baza prismei, care conine punctul E i din suprafeele FGTAE3TCF, FHTBE2TCF i HGTAE1TBH. Se observ c punctele eutectice binare E1, E2 i E3 trec n linii eutectice E1E, E2E i E3E. Prin rabatarea suprafeelor laterale ale prismei cu unghiul de 90, n planul triunghiului concentraiilor se obine diagrama desfurat a sistemului ternar considerat (fig.2.76.). Curbele E'1E', E'2E' i E'3E' reprezint proiecia pe triunghiul de concentraie a curbelor eutectice binare din diagrama ternar. Dup curba E'1E' se separ eutecticul binar E1(A + B), dup curba E'2E' se formeaz eutecticul E2(B + C), iar dup curba E'3E' eutecticul binar E3(A + C). Segmentul E1A reprezint proiecia liniei lichidus a sistemului A B dup care se separ componentul A primar; segmentul E'3A este proiecia liniei lichidus a sistemului A C dup care se separ, de asemenea, componentul A primar. Rezult deci c n sistemul ternar componentul A primar se va separa dup suprafaa lichidus care se sprijin pe curbele TAE1 i TAE3, deci dup suprafaa TAE1EE3TA. In mod asemntor, componentul B primar se va separa dup suprafaa TBE1EE2TB, iar componentul C primar dup suprafaa TCE3EE2TC. Proieciile acestor suprafee pe triunghiul concentraiei sunt AE'1E'E'3A, BE'1E'E'2B i CE'3E'E'2C. Deci, dac un aliaj se gsete n poriunea AE'1E'E'3A a triunghiului de concentraie, el i va ncepe solidificarea prin separarea componentului A primar. Punctul E' reprezint proiecia eutecticului ternar E(A + B + C) din diagrama spaial.

T

TA

TC

TBI

1

2

C

A

%A

%C

B%B

TA

A

TB

B

TB

TC

C

TC

TA

19

LP

Fig.2.75. Diagrama de echilibru a

sistemului ternar format din componeni complet solubili n stare lichid i total

insolubili n solid.

Fig.2.76. Reprezentarea n plan

diagramei de echilibru ternare format din componeni complet solubili n stare lichid i total

insolubili n stare solid.

Pentru a observa modul cum decurge solidificarea aliajelor ternare se consider rcirea lent a unui aliaj corespunztor punctului figurativ P din domeniul AE'1E'A (fig.2.77.), care deasupra suprafeei lichidus, n punctul M (fig.2.75.), se afl n stare topit. La intersecia verticalei MP cu suprafaa lichidus ncepe cristalizarea compo-nentului pur A; pe msur ce temperatura scade, lichidul se mbogete tot mai mult n componentele B i C dup linia PL pn ajunge la concentraia punctului L, cnd va ncepe cristalizarea simultan a componentelor A i B sub form de eutectic binar E1. Rcind n continuare, lichidul rmas se mbogete n component B dup curba LE' pn cnd ajunge la compoziia punctului E'; aici ultima cantitate de lichid solidific la temperatur constant sub form de eutectic ternar, E. In stare solid, acest aliaj este format din cristale de component A, din eutectic binar E1 i din eutectic ternar E (conform figurii 2.77.). In mod similar, decurge solidificarea oricrui aliaj ternar situat n alte domenii ale triunghiului concentraiilor.

Fig.2.77. Proiecia diagramei

ternare n planul triunghiului concentraiilor.

G TC

TB

P

M

C

A

H

B

F

TA

E3 E E2

E1

T

E'

L

E'3 E'2

E'1

TA

A

TB

B

TB

TC

C

TC

TAE'

E3

E'3

E1

E'1

E'2

E2

LP

C

A

E'2C + E2 + E

B

E'3

E'1

B+E2+E

L P

C + E3 + E

B+E1+E

A+E3+E

A+E1+ +E

E'

20

Bibliografie

1. Askeland, D.R., The Science and Engineering of Materials, PWS Engineering, Boston, Massachusetts,1984.

2. Baciu, C., .a., tiina materialelor metalice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1996. 3. Bibu, M., Studiul metalelor, Editura Universitii Lucian Blaga, Sibiu, 2000. 4. Bolundu, I.L., tiina i ingineria materialelor, Editura Tehnica - Info, Chiinu, 2010.

5. Colan, H., Studiul metalelor i tratamente termice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1964.

6. Colan, H., .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983. 7. Dulucheanu, C., Bncescu, N., Introducere n tiina materialelor metalice, Editura

PIM, Iai, 2013. 8. Gdea, S., Petrescu, M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol.I, Editura

Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1979. 9. Geru, N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981. 10. Geru, N., .a., Materiale metalice. Structur, proprieti, utilizri, Editura

Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1985. 11. Popescu, N., .a., tiina materialelor pentru ingineria mecanic, vol. 1, Edidura Fair Partners, Bucureti, 1999.

12. Protopopescu, H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983.

13. Rdulescu, M., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982. 14. erban, V.A., Rdu, A., tiina i ingineria materialelor, Editura Politehnica, Timioara, 2012.

15. Suciu, V., Suciu, M.V., Studiul materialelor, Edidura Fair Partners, Bucureti, 2008. 16. Truculescu, M., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1977. 17. * * *, Manualul inginerului metalurg, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 1978. 18. * * *, Tratat de tiina i ingineria materialelor metalice, vol.1. Bazele tiinei materialelor, AGIR, Bucureti, 2006.