DIAGRAMMI DI EQUILIBRIO_Analisi termica_Sistemi in equilibrio

Classe 4^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - UdA n° 1: Materiali metallici, costituzione, trattamenti Diagrammi di equilibrio delle leghe ferrose - Analisi termica - Sistemi in equilibrio
DIAGRAMMI DI EQUILIBRIO DEI MATERIALI E DELLE LEGHE
DI INTERESSE INDUSTRIALE
ANALISI TERMICA
Consiste nell’esaminare l’andamento della temperatura di un corpo in raffreddamento (o in
riscaldamento) in funzione del tempo.
Mediante l’analisi termica si determinano i cosiddetti PUNTI CRITICI, cioè le temperature
di trasformazione dello stato fisico (solido, liquido, aeriforme) o della struttura cristallina di un
elemento o di una lega.
I diagrammi che indicano la diminuzione della temperatura in funzione del tempo si
chiamano CURVE DI RAFFREDDAMENTO. Esse si costruiscono per punti, dopo avere
portato il materiale, in forno, a temperatura superiore a quella di fusione e quindi fatto
raffreddare sempre in forno a pressione costante.
FASI DEL RAFFREDDAMENTO DURANTE LA SOLIDIFICAZIONE
Il raffreddamento può essere:
- rapido (curve quasi verticali
cristalline.
), quando non avvengono trasformazioni di stato o di strutture
- lento (curve suborizzontali
o
), quando avvengono trasformazioni di stato ma anche
cambiamenti di concentrazione fra liquido e solido (sistema con almeno due componenti).
- nullo (linea retta orizzontale
), quando avvengono trasformazioni di stato senza
cambiamenti di concentrazione a temperatura costante (elementi, composti chimici, leghe
eutettiche).
Durante la solidificazione, il raffreddamento è molto più lento a causa del contemporaneo
sviluppo del “calore latente di solidificazione”, che si oppone al raffreddamento.
Una sostanza non soggetta ad alcuna trasformazione (di stato, allotropica, strutturale …)
nell’intervallo preso in esame, con la temperatura del mezzo raffreddante che rimane costante, è
sottoposta ad una legge a variazione esponenziale data dall’equazione:
T = T0 · e (– k / c) · t
dove:
T = Differenza di temperatura fra sostanza in esame ed ambiente
T0 = Temperatura iniziale (all’istante T = 0)
e = base dei logaritmi neperiani
k = costante dipendente dalle condizioni del raffreddamento (natura, dimensioni e forma della
sostanza, ambiente di raffreddamento …)
c = capacità termica massica (variabile con la sostanza e con la temperatura)
t = tempo
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•
METALLI PURI (e Lega eutettica)
Partendo dal punto A in cui la massa è liquida, il
metallo si raffredda rapidamente secondo una legge
esponenziale:
T = T0 • e – k /
Per T = 0
c•t
T = T0
Arrivati al punto B, corrispondente alla temperatura
di solidificazione TF = TS, si nota che la temperatura
rimane costante finché tutto il metallo non si è
solidificato e nonostante l’ambiente continui a sottrarre
calore. Ciò avviene perché durante la solidificazione la massa metallica restituisce all’ambiente
il CALORE LATENTE DI FUSIONE in precedenza assorbito nel passaggio solido – liquido.
I metalli molto puri possono rimanere liquidi a temperature di oltre 100° < TS. Tale
fenomeno, dovuto all’inerzia, è detto “sottoraffreddamento” (tratto BC).
•
LEGHE METALLICHE
Tranne che nelle leghe eutettiche, la solidificazione
non avviene a temperatura costante, bensì in un intervallo
di solidificazione durante il quale la temperatura
diminuisce lentamente da T1 a T2. Ciò è dovuto al fatto
che, solidifica dapprima il componente più alto fondente e
successivamente solidificano gli altri, mentre si ha un
continuo variare della composizione e, quindi, della
temperatura di solidificazione.
La curva di raffreddamento presenta un tratto
intermedio BC più o meno inclinato rispetto all’asse dei
tempi, ma comunque nettamente meno inclinato che nel
tratto finale CD di raffreddamento senza trasformazioni.
RILIEVO DEI PUNTI CRITICI
I PUNTI CRITICI sono le TEMPERATURE CARATTERISTICHE in corrispondenza delle
quali si ha la fusione o la solidificazione, una trasformazione strutturale … di un materiale.
Per individuare con precisione tali temperature, si utilizzano strumenti che sfruttano la
variazione di alcune proprietà dei materiali (quali il magnetismo, la massa volumica, la
dilatazione …) al variare della temperatura.
Tali strumenti permettono la costruzione di una CURVA sulla quale sono rilevabili gli
eventuali “punti critici”.
Per la determinazione dei punti critici degli acciai molto diffuso è il METODO
DILATOMETRICO.
Il metodo si basa sulla osservazione della dilatazione lineare dei materiali.
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Si ricorda che:
l = l0 + l0 · α · ∆t = l0 · (1 + α · ∆t)
dove l = lunghezza finale del provino
l0 = lunghezza iniziale del provino
α = coefficiente di dilatazione lineare
∆t = T – T0 = intervallo di temperatura
L’analisi dilatometrica si basa sui seguenti fenomeni:
1) Riscaldando gradualmente in forno un provino d’acciaio, la temperatura aumenta fino a
quando non intervengono le variazioni strutturali. Pur continuando a somministrare calore,
si ha un arresto della temperatura fino a quando la trasformazione strutturale non si è
compiuta.
2) Durante la fase di riscaldamento, la lunghezza del provino aumenta gradualmente finché non
interviene la trasformazione strutturale. Durante la trasformazione si manifesta una
riduzione della lunghezza del provino, che poi aumenta ancora dopo che si è ultimata la
trasformazione strutturale.
Un DILATOMETRO molto impiegato è quello tipo CHEVENARD, basato sul confronto tra
la dilatazione di un provino del materiale da esaminare e la dilatazione di un pezzo campione
che ha la caratteristica di non presentare anomalie nella dilatazione (di solito una lega CromoNichel-Tungsteno della Pyros).
Il dilatometro Chevenard, disposto su un banco di sostegno, è costituito da:
-
un forno elettrico di riscaldamento che permette la regolazione del calore fornito
due tubi di quarzo entro cui si pongono rispettivamente il provino del materiale da
esaminare e quello del materiale campione
un misuratore di temperatura (pirometro termoelettrico)
un amplificatore di spostamenti (astine di quarzo e piastrina triangolare fulcrata)
una fonte luminosa (lampada)
un ago scrivente sulla carta avvolgente un carrello mobile (o una lastra fotografica)
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In seguito al riscaldamento, le dilatazioni subite dai due materiali vengono trasmesse,
attraverso le due aste di quarzo, ad una piastrina triangolare fulcrata sulla quale è disposto uno
specchio.
Un raggio di luce, proveniente da una lampada,
viene riflesso dallo specchio su una lastra
fotografica.
Poiché, per effetto delle dilatazioni dei materiali
(che originariamente hanno le stesse dimensioni), si
ha lo spostamento delle due aste, ne consegue una
rotazione della piastra attorno al suo fulcro. Sulla
lastra fotografica (o su carta mobile) viene tracciato
il camminno del raggio che man mano si sposta al
variare delle lunghezza delle due aste.
Si ha una linea abbastanza rettilinea ma
inclinata fino a quando il pezzo in esame subisce la
trasformazione allotropica o strutturale. Allora si ha
un cambiamento brusco della traiettoria a causa
della variazione della dilatazione.
Quanto detto per le dilatazioni conseguanti al
riscaldamento vale anche per le contrazioni conseguenti al raffreddamento. I punti critici, però,
non sono gli stessi e, in particolare, al raffreddamento risultano leggermente inferiori a quelle
registrate in fase di riscaldamento.
SISTEMI IN EQUILIBRIO
Un sistema si dice in equilibrio se:
• Ognuna delle fasi, solida o liquida, ha concentrazione costante
• Tutte le fasi presenti si trovano alla stessa temperatura
Un sistema in equilibrio ha il minimo livello di energia.
Un sistema in equilibrio è definito da:
• Numero dei componenti chimici indipendenti
• Numero delle fasi che possono coesistere
• Grado di libertà o varianza
1) Il numero dei componenti chimici è pari ad uno nel caso di metallo puro, è pari a due nel
caso di lega binaria.
2) I sistemi costituiti da elementi metallici possono presentare fasi solide e fasi liquide a
seconda dello stato fisico dei componenti e quindi della temperatura. In generale si
possono avere una o due fasi coesistenti e addirittura tre nelle leghe eutettiche (due
solide ed una liquida).
3) Il grado di libertà è dato dal numero delle variabili che caratterizzano le condizioni di
equilibrio. Queste variabili sono: pressione, temperatura, concentrazione.
Siccome la fusione dei metalli viene effettuata alla pressione atmosferica, che si può ritenere
costante, nel campo metallurgico le variabili indipendenti si riducono a due: temperatura e
concentrazione dei componenti.
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In definitiva: Il grado di libertà indica il numero di fattori fisici (temperatura,
concentrazione) che possono variare indipendentemente l’uno dall’altro senza che vari
l’equilibrio del sistema (cioè senza che vari il numero delle fasi).
LEGGE DI GIBBS
Stabilisce la relazione tra il numero della fasi che possono coesistere, il numero dei
componenti ed il grado di libertà di un sistema in equilibrio:
V=C+n–F
dove n è un numero riferito ai fattori fisici efficienti, cioè quelli che influiscono sull’equilibrio
considerato.
Sappiamo che le variabili in gioco sono tre: pressione, temperatura e concentrazione. Si è
detto che la pressione ha una influenza praticamente nulla: rimangono quindi temperatura e
concentrazione. Essendo la concentrazione determinata, si ha in definitiva n = 1, per cui, nel
campo metallurgico, il grado di libertà è:
V=C+1–F
che dà il numero minimo di fattori funzioni di stato che bisogna fissare perché lo stato del
sistema resti definito.
1) Caso dei metalli puri
Per i metalli puri la concentrazione è unica e
perciò il fattore variabile è la temperatura.
Con riferimento alla figura, nel tratto orizzontale si
trovano in presenza la fase solida e la fase liquida: F
= 2.
Il componente è unico (metallo puro): C = 1.
Per cui:
V=1+1–2=0
Il sistema è quindi invariante: V = 0.
Cioè non esistono variabili indipendenti: le due fasi possono coesistere soltanto ad una data
temperatura (TF = TS) che, essendo l’unico fattore di equilibrio, non può variare. E’ noto infatti
che durante la solidificazione di un metallo puro la temperatura rimane invariata.
Nei tratti superiore ed inferiore (zona liquida e zona solida), sia ha: F = 1 e C = 1 per cui:
V=1+1–1=1
Il sistema è quindi monovariante: V = 1
Entro certi limiti, la temperatura può variare senza che vari lo stato del sistema.
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2) Caso delle leghe binarie
Per le leghe binarie i fattori variabili sono la temperatura e la concentrazione.
Con riferimento alla figura, nella zona di coesistenza
liquido – solido, si ha C = 2 ed F = 2 per cui:
V=C+1–F=2+1–2=1
Il sistema è quindi monovariante: V = 1.
Esistendo un solo grado di libertà, la variabile
indipendente può essere o la temperatura o la
concentrazione, non entrambe: variando la temperatura si
hanno diversi stati di equilibrio a cui corrispondono
altrettante concentrazioni. E viceversa.
Sempre nel caso di leghe binarie, con riferimento alla figura, nel punto eutettico si hanno tre
fasi ( F = 3), per cui:
V=2+1–3=0
Il sistema è quindi invariante: V = 0.
Essendo nullo il grado di libertà, non esistono
variabili indipendenti e quindi le tre fasi possono
coesistere soltanto ad una data temperatura e per una
determinata concentrazione. E’ il caso delle leghe
eutettiche in cui si hanno 2 fasi solide ed una fase
liquida. Variando la temperatura o la concentrazione, le
tre fasi non possono coesistere e perciò una delle fasi
deve scomparire.
Se le fasi in presenza fossero 4, si avrebbe V = 2 +1 – 4 = - 1
Evidentemente un grado di libertà negativo non ha senso, quindi non si possono avere più di tre
fasi coesistenti in equilibrio.
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DIAGRAMMI DI STATO (o di equilibrio)
Indicano le VARIAZIONI DI STATO o di STRUTTURA subite da una lega al variare della
temperatura e della percentuale dei componenti.
In altri termini, indicano le posizioni assunte dai punti critici secondo la composizione della
lega.
Un diagramma di equilibrio (o DIAGRAMMA DI STATO) si presenta come un insieme di
linee che racchiudono in uno stesso piano varie zone. In ogni zona si individuano una o più fasi
in equilibrio per certi valori di temperatura e di concentrazione.
Su ogni linea vi sono due o più fasi confinanti in equilibrio (da cui il nome).
I diagrammi di equilibrio hanno forme diverse secondo il modo con cui i componenti si
comportano fra loro:
•
COMPLETA SOLUBILITA’ dei componenti allo stato
solido con formazione di una soluzione solida.
I due componenti A e B sono completamente solubili
l’uno nell’altro allo stato solido come lo erano allo stato
liquido.
•
NESSUNA SOLUBILITA’ tra i componenti allo stato
solido: si ha generalmente formazione di una lega
eutettica (E) e di un miscuglio della lega eutettica con i
cristalli semplici di uno dei due componenti (E + A ed E
+ B). La lega eutettica E è costituita da A e da B (E = A
+ B).
A sinistra della lega eutettica si hanno le leghe
“ipoeutettiche”, a destra le leghe “ipereutettiche”.
•
PARZIALE
SOLUBILITA’ dei
componenti allo stato
solido
con
formazione
di
soluzioni solide e di
un eutettico fra le
stesse: E = α + β.
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•
FORMAZIONE
DI
UN
COMPOSTO
INTERMETALLICO, solubile, insolubile o
parzialmente solubile con A e/o con B.
A lato è il caso del composto intermetallico C che
non è solubile né con A né con B.
•
TRASFORMAZIONE PERITETTICA
con formazione, allo stato solido, di uno
o più punti di transizione (punti
peritettici).
Al contrario del punto eutettico, dopo il
quale la curva del liquidus risale, dopo il
punto peritettico P, che è un punto di
discontinuità, la curva del liquidus
continua a scendere.
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Costruzione dei diagrammi
Si portano allo stato liquido, e si lasciano raffreddare lentamente in forno, diversi campioni
di lega, tali che, partendo da A puro, vengono aggiunte via via concentrazioni crescenti di B
fino ad arrivare a B al 100 % (puro).
Cioè si considera dapprima il componente puro A, quindi la lega avente il 90 % di A ed il 10
% di B, quindi quella avente 80 % di A e 20 % di B. E così via fino a considerare solo il
componente puro B.
Per ciascun campione si
traccia
la
curva
di
raffreddamento
sul
diagramma
Temperaturetempi (T - t), individuando le
temperature di inizio e fine
trasformazione.
I punti di inizio e fine
trasformazione
(che
costituiscono l’intervallo di
solidificazione), che sono sul
piano T - t, devono essere
proiettati su un piano
Temperature-concentrazioni
(T - c), come indicato in
figura.
Unendo tra loro tutti i punti si ottiene un diagramma diviso in tre zone:
-
in quella superiore il metallo è allo stato liquido
in quella intermedia c’è coesistenza di liquido e di solido
in quella inferiore è allo stato solido
Le due curve sono dette rispettivamente del “liquidus” e del “solidus”.
E’ il diagramma della “completa solubilità”. In esso l’intervallo di fusione della lega
diminuisce man mano che aumenta la percentuale del componente più fusibile (vicino A puro o
vicino B puro).
Nella zona compresa fra le due curve si ha una mescolanza di liquido (A + B) e di cristalli
misti costituiti da soluzione solida di A disciolto in B (β) e viceversa (B disciolto in A, che
chiamiamo α).
Dopo la solidificazione, la lega risulta formata da un’intima unione di cristalli di soluzione
solida fra i componenti A e B.
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