ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELORMATERIALELOR

conf.dr.ing. Liana Balteşbaltes@unitbv.ro

curs 5

DIAGRAME DE ECHILIBRU BINARE

TA

T ( °C)

LichidusLichid

Solid + Lichid

TBSolidus

S lid

% BA B

Solid

În fiecare diagramă de echilibru a aliajelor binare AB avem:-curba deasupra căreia nu sunt prezente decât lichidele, curba

li hidlichidus;-curba dedesubtul căreia nu sunt prezente decât solidele, curba

solidus.

1. Diagramă de echilibru a aliajelor cu componente imiscibile înstare lichidă şi solidă

•În cazul în care atomii componentelor din lichid nu se dizolvă, ele se separă dupădensitatea lor, rezultând două lichide imiscibile (LA + LB), la temperaturi mai mare decât TA. L T lidifi ă l l A d B ă â li hid â ă l•La temperatura TA se solidifică metalul pur A, dar B rămâne lichid până la

temperatura de TB, la care se va solidifica.•In final se obţin cristale de metal pur A şi cristale de metal pur B.•T = temperatura de topire a•TA = temperatura de topire a

componentului A•TB = temperatura de topire a

componentului Bcomponentului B•LA = component A în stare

lichidă•LB = component B în stare B p

lichidăA = component A în stare solidăB = component B în stare solid

Diagrama de echilibru Fe+Pb

•TA-a-TB = linia lichidus•TA-b-TB = linia solidus 3

•Linia superioară T a T (lichidus) indică temperatura de debut a cristalizării în timp

2. Diagramă de echilibru a aliajelor care formează soluţii solide nelimitate•Linia superioară TA-a-TB (lichidus) indică temperatura de debut a cristalizării, în timp ce linia inferioară TA-b-TB (solidus) indică temperatura de final a cristalizării.•Intervalul de temperaturi între lichidus şi solidus marchează domeniul în care cristalelede soluţie solidă se formează în faza lichidă. α = soluţie solidă totală între A şi Bde soluţie solidă se formează în faza lichidă. α soluţie solidă totală între A şi B•Sub linia solidus nu sunt decât cristale de soluţie solidă omogenăA şi B.

Diagrama de echilibru Cu-NiMicrografia soluţiei solide Cu-Ni (x200).a) dendritele în soluţie solidăb) poliedre în soluţie solidă (după recoacere de omogenizare)

1. stare lichidă1

2T

T ( °C)

2

3

TA

45

TB

• 2 începutul solidificăriiCB ( %)A BC0

2. începutul solidificăriicu formarea germenilor de soluţie

solidăso dă

3 50% li hid 50% lidT ( °C)

1

3. 50% lichid, 50% solid TA2

3

TB45

4 fâ i l lidifi ă ii ( d li hid)

CB ( %)A BC0

4. sfârşitul solidificării (urme de lichid)

5. stare solidă

•Diagrama de echilibru are ca şi coordonate:compoziţia chimică a fazelor (C) care este dată de conţinutul fiecărui element

Diagrame de echilibru binare

-compoziţia chimică a fazelor (C), care este dată de conţinutul fiecărui element. Aceasta este exprimată în procente de masă sau procente de atomi ai unui element. Aceasta va fi reprezentată pe axa orizontală; -temperatura (T), care va fi reprezentate pe axa verticală.temperatura (T), care va fi reprezentate pe axa verticală.

•Domeniile monofazice: T şi C pot varia în cadrul domeniului, fără a se schimba natura fazei. Se pot determina cu: analiză termică, difracţia razelor X, dilatometrie, micrografie.•Domeniile bifazice: determinarea compoziţiei se face cu regula orizontalei.•Regula orizontalei: se determină natura şi compoziţia fazelor care sunt în echilibru la o temperatură dată, într-un sistem de aliaje date. Ducând orizontala corespunzătoare temperaturii T, aceasta intersectează curba de solubilitate în M şi P. Fazele în echilibru sunt soluţiile solide Φ1 (pe bază de A) şi Φ2(pe bază de B) iar compoziţiile lor sunt C t Φ i C t Φ

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

C1 pentru Φ1 şi C2 pentru Φ2.•Regula pârghiei: determină proporţiile fazelor în echilibru la o temperatură dată într-un aliaj dat Se duce verticala de

REGULA ORIZONTALEI

într-un aliaj dat. Se duce verticala de compoziţie a aliajului (NC0) şi se formează o pârghie.

Punctul de sprijin al pârghiei este la intersecţia verticalei de compoziţie cu orizontala corespunzătoare temperaturii MP, iar punctele de aplicaţie ale forţelor la intersecţia orizontalei cu verticalele de compoziţie ale fazelor în echilibru (în punctele M şi P).

în 1 : C = Cîn 1 : CB lich. = C0

în 5 : CB Sol. = C0

• în 3 : CB lich. = ?? C1 C2C2

CB sol. = ??C1

Într-un domeniu bifazic concentraţiile în element B corespund absciselorÎntr un domeniu bifazic concentraţiile în element B corespund absciselor de la intersecţia izotermei cu limitele domeniului.La o temperatură T, toate aliajele de compoziţie C0 (%B), cu C1<C0<C2, sunt formate din 2 faze Φ şi Φ :sunt formate din 2 faze Φ1 şi Φ2:Φ1 cu conţinut C1 în B şi (100-C1) în A;Φ2 cu conţinut C2 în B şi (100-C2) în A;.

3. Diagramă de echilibru a aliajelor cu componente miscibile în stare lichidă şi imiscibile în stare solidă. Diagrama cu eutectic

Li i i ă T T (li hid ) ) i di ă d d bLinia superioară TA-e-TB (lichidus) ) indică temperatura de debut a cristalizării, în timp ce linia inferioară TA-a-e-b-TB (solidus) indică temperatura de final a cristalizării.pIntervalul de temperaturi între lichidus şi solidus marchează domeniul în care cristalele de componenţi A şi B se formează în faza lichidă.Sub linia solidus nu este decât amestec mecanic eutectic E (cristale de component A şi cristale de component B), cristale de A şi cristale de B.

aeb = orizontala eutectică, după care se produce transformareaeutectică atât la încălzire cât şi la

i d i d i irăcire, descrisă de reacţia eutectică:)( BAELe +⇔

4. Diagramă de echilibru a aliajelor cu componente miscibile în stare lichidă, care formează soluţii solide limitate în stare solidă. Diagrama cu eutecticDiagrama cu eutectic.

Linia lichidus: tA-c-tB

Linia solidus: tA-d-c-e-tB

l ţi lidă î A l tα = soluţie solidă în care A = solventB = dizolvant

β = soluţie solidă în care A = dizolvantβ ţB = solvent

Dreapta dce = linia eutectică după l ţi t ti ăcare are loc reacţia eutectică

( ) ( ) ( )[ ]ed

rac

încEcL βα +↔

Aliajul eutectic este compus din grăunţi de eutectic αd + βe.

5. Diagramă de echilibru a aliajelor cu componente miscibile în stare lichidă, care formează soluţii solide limitate în stare solidă. Diagrama cu compus chimicDiagrama cu compus chimic•Linia lichidus tA-e1-tAmBn-e2-tB•Linia solidus tA-a-e1-b-tAmBn-c-e2-d-tBA 1 AmBn 2 B

•Cele 2 reacţii eutectice:•Cele 2 reacţii eutectice:

[ ]rac( ) ( ) ( )[ ]ba

rac

încEeL γα +↔ 11

rac( ) ( ) ( )[ ]dc

rac

încEeL βγ +↔ 22

6. Diagramă de echilibru a aliajelor cu componente miscibile în stare lichidă, care formează soluţii solide limitate în stare solidă. Diagrama cu peritecticDiagrama cu peritectic•a-c-b = linia lichidus •a-d-e-b = linia solidus •Punctul c = punct de inflexiune sau•Punctul c = punct de inflexiune sau punct peritectic•cde = orizontală peritectică, la traversarea ei la încălzire sau la răcire se produce transformarea peritectică în prezenţa a trei faze, un lichid şi două p ţ , şsolide α şi β.•α are ca solvent componentul A şi dizolvat pe Bdizolvat pe B, •β invers.•Transformarea peritectică

( ) ( ) ( )decL αβ ↔+

DIFUZIA ÎN MATERIALE

Difuzia este fenomenul de deplasare a unor atomi într-o structură cristalină i i i â i i i ă i i i ăpe distanţe mai mari decât distanța interatomică medie caracteristică

structurii. Difuzia atomilor elementului (metalului) de bază al structurii cristaline este denumită autodifuzie, în timp ce difuzia unor atomi care nu aparţin elementului (metalului) de bază poartă numele de eterodifuzie.Procesele de difuzie în structurile cristaline se realizează prin:p

mecanismul bazat pe schimbul simplu de locuri între atomi (a); mecanismul bazat pe schimbul ciclic de locuri între atomi (b); mecanismul bazat pe schimbul de locuri între atomi şi vacanţe (c);mecanismul bazat pe schimbul de locuri între atomi şi vacanţe (c); mecanismul bazat pe deplasarea interstiţială a atomilor care difuzează(d).

Mecanismele difuziei în structurile cristaline ale materialelor metalice

Difuzia stă la baza tratamentelor termice, la solicitarea materialelor, la producerea semiconductorilor și a bateriilor solare

DIFUZIA ÎN MATERIALE

producerea semiconductorilor și a bateriilor solare.Analizând posibilităţile desfăşurării proceselor de difuzie în funcţie de caracteristicile structurale ale corpurilor metalice, rezultă următoarele

taspecte:în metalele monocristaline perfecte (ideale) difuzia poate avea loc numai prin interiorul structurii cristaline sau pe suprafeţele cristalului;în metalele monocristaline reale (cu imperfecţiuni ale structurii cristaline) există aceleaşi posibilităţi de difuzie ca şi la monocristalele perfecte, darcoeficienţii de difuzie sunt mai mari datorită prezenţei defectelor de tip

tif ( ţ ) li i (di l ţii) i ă tit tpunctiform (vacanţe) sau liniar (dislocaţii), care micşorează compactitatea structurii şi diminuează astfel energiile de activare necesare realizării salturilor difuzive;î t l l t t ă li i t li ă lă ţi ibilităţil d dif iîn metalele cu structură policristalină reală se menţin posibilităţile de difuzie proprii monocristalelor reale şi există în plus posibilitatea difuziei prin limitele cristalelor: datorita numărului mare de posibilităţi de desfăşurare şi existenţei imperfecţiunilor procesele de difuzie în corpurile metalice policristaline suntimperfecţiunilor, procesele de difuzie în corpurile metalice policristaline sunt mai intense şi se produc mai uşor decât în corpurile monocristaline.

DIFUZIA ÎN MATERIALE

înainte de difuzie

DIFUZIA ÎN MATERIALE

înainte de difuzie

după o perioadăde timpde timp

d pă dif iedupă difuzie

Dif i C î Ni i t ilDifuzia Cu în Ni, mișcarea atomilor și variația concentrației Cu

DIFUZIA ÎN MATERIALE

Inițial După o perioadă de timpInițial După o perioadă de timp

100%Cu Ni

100%

C t ti P fil0

Concentration Profiles0

Concentration Profiles Concentration Profiles

DIFUZIA ÎN MATERIALE

Difuzia staționarăDifuzia staționară

X+Rezultatul desfăşurării procesului de difuzie, ca proces de transport de substanță într-o structura cristalină, poate fi caracterizat la scară macroscopică cu ajutorul legilor lui Fick

X+

macroscopică cu ajutorul legilor lui Fick. Prima lege a lui Fick are următorul enunţ: fluxul de difuzie J (numărul de atomi transportați prin difuzie în unitatea de timp printr-o suprafaţă

it ă i t t i i t li ) t di t ţi lunitară a unei structuri cristaline) este direct proporţional cu gradientul de concentraţie al elementului care difuzează, măsurat pe direcţia normală la suprafaţa unitară.

unde: J = fluxul de atomi [atomi/cm2s]xCDJΔΔ

−=

unde: J fluxul de atomi [atomi/cm s]D = coeficientul de difuzie [cm2/s]ΔC/Δx = gradientul de concentrație [atomi/cm3cm] = ct. în timp

DIFUZIA ÎN MATERIALE

Variația concentrației elementului B în solventul Aelementului B în solventul A

Coeficientul de difuzie

DIFUZIA ÎN MATERIALE

Coeficientul de difuzie

RTQa

eDD−

= 0

unde: Qa = energia de activare a procesului de difuzie,T = temperatura structurii cristaline, R t t l f tR = constanta gazelor perfecte, D0 = o constantă care depinde de tipul structurii cristaline în care se

realizează procesul.Factorii principali care influenţează desfăşurarea şi rezultatele unui proces

de difuzie sunt: gradientul de concentraţie al elementului care difuzeazăgradientul de concentraţie al elementului care difuzează,temperatura la care are loc difuzia,durata procesului.

DIFUZIA ÎN MATERIALE

•Difuzia carbonului în stratul superficial din stânga a determinat formarea carburii dureFe3C.dureFe3C.• Tratament termochimic de carburare.

suprafaţă miezExemplu de suprafață durificată prin difuzie în stare solidă.

SUBIECTEDiagramă de echilibru a aliajelor cu componente complet miscibile înDiagramă de echilibru a aliajelor cu componente complet miscibile înstare lichidă şi solidă. Regula orizontalei.Diagramă de echilibru a aliajelor cu componente miscibile în stare lichidă, care formează soluţii solide limitate în stare solidă. Diagrama cu eutectic.