CURS 5-6 CURS DE MATERIALE - I BODEA MARIUS TEORIA ALIAJELOR UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA FACULTATEA DE INGINERIA MATERIALELOR SI A MEDIULUI BODEA MARIUS CURS DE MATERIALE - I CURS 5-6 TEORIA ALIAJELOR Diagrame de echilibru

= + METAL ALIAJELE METAL METALOID MATERIALE I Amestecuri prin difuzie TEORIA ALIAJELOR METAL Amestecuri prin difuzie ALIAJELE METAL = + sau METALOID Elementele care formează aliajul se numesc componenţi Constituienţii în aliaje omogeni eterogeni Amestecuri mecanice de faze Metale pure Soluţii solide Compuşi chimici

TEORIA ALIAJELOR

TEORIA ALIAJELOR

TEORIA ALIAJELOR NOŢIUNI DE TERMODINAMICĂ Pentru buna înţelegere a principiilor şi legilor care stau la baza construcţiei şi interpretării diagramelor de echilibru sunt necesare introducerea unor noţiuni de bază ale termodinamicii: Un aliaj poate fi asimilat unui sistem termodinamic. Astfel, prin SISTEM TERMODINAMIC – înţelegem o porţiune din universul material la nivelul căruia au loc fenomene de schimb de căldură şi lucru mecanic. Faza (constituient microstructural dintr-un aliaj, ex. o soluţie solidă) este porţiunea omogenă de materie care prezintă în toată întinderea sa proprietăţi macrofizice identice (duritate, presiune, indice de refractaritate etc). Echilibrul termodinamic este starea unică spre care se postulează că tinde orice sistem, în condiţii exterioare date (T, P, câmp magnetic, câmp electric) şi care se caracterizează prin lipsa oricărei modificări în timp. Parametrii extensivi sau factori de capacitate sunt mărimi ce depind de cantitatea de substanţă din sistem: masa (kg); numărul de moli; volumul (m3). Parametrii intensivi sau factori de intensitate sunt mărimi care nu depind de cantitatea de substanţă din sistem (volum molar, volum specific, temperatură, presiune, concentraţie etc). Funcţiile de stare termodinamică sunt mărimi derivate din parametrii de stare (energia internă, entropia, etc).

MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR The First Law of Thermodynamics, as stated by Julius von Mayer, James Joule, and Hermann von Helmholtz in the 1840s, states that energy can be neither created nor destroyed. Therefore, it is called the Law of Conservation of energy. Principiul I al termodinamicii, exprimă în esenţă echivalenţa formelor de energie şi conservarea acesteia; Principiul al II-lea al termodinamicii precizează sensul spontan de transformare a energiei şi entropiei sistemelor; Principiul al III-lea al termodinamicii enunţă imposibilitatea atingerii punctului de zero absolut (anularea entropiei la temperatura de zero absolut). The Second Law of Thermodynamics, which was advanced by Rudolf Clausius and William Thomson (Lord Kelvin). The Second Law states that the spontaneous flow of heat always is from the higher temperature body to the lower-temperature body. Third Law of Thermodynamics, a principle advanced by Theodore Richards, Walter Nernst, Max Planck, and others, states that the entropy of all chemically homogeneous materials can be taken as zero at absolute zero temperature (0 K).

Procesele termodinamice (în cazul nostru aliajele) sunt caracterizate de 4 mărimi termodinamice care determină echilibrul sau transformările suferite de un sistem: energia internă (U) entalpia (H) energia liberă Helmholtz (F) energia liberă Gibbs (G) ENERGIA INTERNĂ este suma tuturor energiilor de mişcare de translaţie şi de rotaţie a moleculelor şi de vibraţie a atomilor, precum şi a energiilor potenţiale de interacţiune a atomilor şi moleculelor. Deoarece energia internă este o funcţie termodinamică de stare, variaţia energiei interne nu depinde de calea pe care se realizează procesul, ci depinde numai de starea iniţială şi cea finală a sistemului. Atât cantitatea de căldură cât şi cantitatea de lucru mecanic schimbate de un sistem termodinamic depind de drumul parcurs, însă suma lor este independentă de drum.

MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR Energia liberă Gibbs este indicată pentru fiecare fază: ,  şi L (diagrama din dreapta). Punctul 9 corespunde minimului energiei Gibbs pentru faza , iar punctul 11 pentru faza  (domenii mofazice). Tangenta între punctele 9-11 corespunde locului geometric al minimului energiei Gibbs pentru aliaje cu concentraţie intermediară punctelor 9-11. În acest caz, sistemul este în echilibru dacă se separă în două faze (domeniu bifazic). Se identifică astfel domeniul de concentraţii şi de temperaturi în care fazele sistemului binar se află în echilibru termodinamic.

Soluţii solide de substituţie Soluţii solide de pătrundere Component MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR Atomi cu dimensiuni apropiate Atomi cu dimensiuni mult diferite A B Soluţii solide de substituţie Soluţii solide de pătrundere Component În reţeaua c.v.c. (ferita) interstiţiul maxim are un diametru de 0,072 nm. FERITA este o soluţie solidă dintre Fe-C care dizolvă max. 0,022 % C la 727C. Carbonul se plasează interstiţial în reţeaua cristalină c.v.c. a fierului (în acest domeniu de temperaturi < 727C), respectiv la limitele grăunţilor şi în zona defectelor reticulare. Aspect metalografic a grăunţilor cristalini de ferită.

Construcţia diagramelor binare de echilibru MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR Construcţia diagramelor binare de echilibru Reprezentări grafice în coordonate temperatură - concentraţie (0 – 100%) pentru sistemele de aliaje. Furnizează informatii despre: domeniile de existenţă a fazelor; temperaturile la care se produc transformări; structura aliajelor la diferite temperaturi.

MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR Copper nickel alloys are single phase alpha structures because nickel is completely soluble in copper. Compozitia aliajului Atomii de Ni (1.91) şi Cu (1.90) având electronegativităţi şi dimensiuni atomice apropiate, acelaşi sistem de cristalizare (c.f.c.), formează soluţii solide pe toată axa de concentraţii. Acest tip de soluţii solide se numesc soluţii solide izomorfe. Fractia fazei lichide

Eutecticul diagramei Pb-Sn (conţine 61.9% Sn) MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC Diagrama cu insolubilitate totala in stare solida si formare de eutectic Eutecticul diagramei Pb-Sn (conţine 61.9% Sn) 100 % Aliber EUTECTICUL Constituient structural eterogen (amestec mecanic de 2 sau mai multe faze) rezultat din descompunerea unei soluţii lichide, la temperatură constantă. AE

Solubilitate limitată şi variabilă MATERIALE I Solubilitate limitată şi variabilă DIAGRAME CU EUTECTIC loc geometric al punctelor de început de solidificare într-o diagramă de echilibru a unui sistem fizico-chimic binar. solubilitatea componenţilor variază cu temperatura. la răcire solubilitatea scade având loc cristalizări secundare. intersecţiile izotermelor cu liniile Cf şi Dg indică pentru fiecare temperatură compoziţia fazelor a şi b. La formare eutecticul este compus din E = aC + bD Datorită variaţiei solubilităţii în stare solidă au loc transformări – se produce o separare de b” din a, respectiv de a” din b. E B Temperatura LICHID L+a L+b a+ b’’+E b+a’’+E 100% Pb 0%Sn a b A 100 % a+ b’’ b+a’’ b’’ a’’ C D f g 0% Pb 100%Sn Curba Lichidus Curba Solidus

solubilitate limitată şi variabilă MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC solubilitate limitată şi variabilă

MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC Pentru a realiza durificarea prin precipitare, aliajul este încălzit deasupra temperaturii de transformare (punctul 1) pentru a se obţine o soluţie solidă α omogenă, prin dizolvarea fazei secundare ϴ şi eliminarea segregaţiilor chimice. Mecanismul de durificare prin precipitare (12) Odată atinsă temperatura de solubilizare, aliajul este răcit cu viteză mare de răcire, pentru a împiedica procesul de difuzie a atomilor către potenţialii germeni de nucleaţie. (23) Se obţine o soluţie solidă αss suprasaturată, care printr-o încălzire corespunzătoare punctului 3, inferioară temperaturii de transformare, va permite atomilor să difuzeze pe distanţe scurte. Deoarece faza αss este instabilă termodinamic, fiind suprasaturată cu atomi de cupru, aceştia difuzează din soluţia solidă spre limita de grăunte, unde va forma precipitate fine de CuAl2.

MATERIALE I

solubilitate limitată şi variabilă MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC solubilitate limitată şi variabilă

solubilitate limitată şi variabilă MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC solubilitate limitată şi variabilă

MATERIALE I aD+Lc—>bP DIAGRAME CU PERITECTIC Formarea unei solutii solide bP 1 2 aD+Lc—>bP 3 4 5 Prin reacţie peritectică între o soluţie solidă saturată aD şi o soluţie lichidă Lc se formează o altă soluţie solidă saturată bP.

MATERIALE I DIAGRAME CU PERITECTIC formarea unui compus chimic AmBn compusul chimic nu se topeşte la temperatura constantă ci se descompune într-o fază lichidă şi una solidă la temperatură constantă are loc reacţia peritectică Lc+BAmBn obţinându-se o fază nouă intermediară ca şi compoziţie (AmBn) Peritecticul este o fază care rezultă din reacţia de compunere dintre o fază lichidă şi o fază solidă la temperatura constantă.

Topire congruenta (la temperatura constanta) MATERIALE I DIAGRAME CU FORMARE DE COMPUSI CHIMICI Topire congruenta (la temperatura constanta) Diagrame cu solubilitate limitată cu formare de soluţii solide pe bază de compuşi chimici Diagrame cu insolubilitate totală cu formare de compuşi chimici intermetalici

DIAGRAME CU FORMARE DE COMPUSI CHIMICI 1 1 1 2 3 2 2 3 4 5 3 DIAGRAME CU FORMARE DE COMPUSI CHIMICI

MATERIALE I

MATERIALE I

DIAGRAME CU FORMARE DE EUTECTOID DIAGRAME CU FORMARE DE PERITECTOID MATERIALE I DIAGRAME CU FORMARE DE EUTECTOID DIAGRAME CU FORMARE DE PERITECTOID 1 1 2 2 3 3 4 4 5 Eutectoidul este un amestec mecanic de 2 faze obţinut prin descompunerea unei soluţii solide la temperatură constantă. Peritectoidul este o reacţie de compunere între 2 faze solide, rezultând o fază nouă de compoziţie intermediară. E F + G F + G  P

DIAGRAMĂ CUMULATIVĂ A TIPURILOR DE TRANSFORMĂRI MATERIALE I DIAGRAMĂ CUMULATIVĂ A TIPURILOR DE TRANSFORMĂRI

MATERIALE I DIAGRAME TERNARE