TEORIA ALIAJELOR

TEORIA ALIAJELOR. DIAGRAME DE ECHILIBRU

1. CONSTITUTIA FIZICO-CHIMICA A ALIAJELOR

Materialele metalice se impart in metale si aliaje. În cazul metalelor, existand o singura specie de

atomi, la solidificare se va forma o singura faza, respectiv metal pur.

Aliajele sunt materiale metalice obtinute prin amestecul intim, uneori la scara atomica, a unui

metal de baza cu alte elemente metalice sau nemetalice, aceste amestecuri realizandu-se de cele mai multe

ori prin topire si solidificare.

Totalitatea aliajelor alcatuite din aceiasi componenti, formeaza un sistem de aliaje. Dupa numarul

componentilor (speciilor atomice din aliaj), aliajele pot fi binare, ternare, cuaternare sau polinare,

respectiv pe langa componentul de baza mai sunt prezenti unul, doi, trei sau mai multi alti componenti,

numiti si componenti de aliere sau elemente de aliere. Componentul de baza este intotdeauna metalic, iar

elementele de aliere pot fi, fie metalice fie nemetalice.

Din punct de vedere al constitutiei fizico-chimice, componentii unui aliaj se pot asocia in

urmatoarele moduri:

- formeaza o combinatie sau un compus chimic;

- formeaza cristale separate de metal pur;

- atomii elementelor de aliere se incorporeaza in reteaua cristalina a metalului de baza formand

cristale de solutie solida. Exista deci trei tipuri de faze in aliajele solide: metal pur, solutie solida, compus

chimic.

CONSTITUENTI METALOGRAFICI

La examinarea microscopica, fazele dintr-un material metalic prezinta aspecte structurale

caracteristice, numite constituenti structurali sau metalografici.

Proprietatile aliajelor sunt determinate de tipul fazelor prezente in aliaj, dar si de modul in care

sunt distribuiti constituentii metalografici, de forma si de raportul lor cantitativ. Deci, in timpul cercetarii

microscopice, prin studierea tipului, formei, cantitatii si distributiei constituentilor metalografici, se vor

putea face aprecieri asupra proprietatilor metalelor sau aliajelor.

Constituentii metalografici pot fi grupati in patru categorii distincte:

- metalul pur;

- solutia solida;

- compusul chimic;

- amestecul mecanic.

1. Metalul pur

Metalul pur se caracterizeaza prin conductibilitate electrica si termica ridicata, plasticitate mare,

dar cu duritate, limita de curgere si rezistenta la rupere, scazute.

Solutia solida

Grauntii de solutie solida sunt formati din atomi ai unor componenti diferiti care sunt distribuiti

intamplator in cadrul retelei. Componentul care predomina este numit component de baza sau solvent, iar

in reteaua sa cristalina vor fi inglobati atomii componentului de aliere, respectiv componentului dizolvat.

Dupa modul in care se incadreaza atomii componentilor dizolvati in reteaua cristalina a solventului, vor

rezulta solutii solide de substitutie, de interstitie si complexe. În solutiile solide de substitutie, atomii

componentului de aliere inlocuiesc in nodurile retelei cristaline o parte din atomii metalului de baza. În

solutiile solide de interstitie atomii componentului de aliere ocupa pozitii interstitiale ale retelei metalului

de baza. În solutiile solide complexe apar atomi straini, atat in nodurile retelei, cat si in spatiile

interstitiale.

În figurile 1, 2 si 3. sunt prezentate schematic principalele tipuri de solutii solide, respectiv

solutiile de substitutie, solutiile solide de interstitie si solutiile solide complexe.

Figura 1. Solutie solida de substitutie in sistemul Cu-Ni:

a) reprezentare in spatiu; b) reprezentare in plan

a b

Figura Solutie solida de interstitie de carbon in Feγ:

a) reprezentare in spatiu; b) reprezentare in plan.

a b

Figura 3. Solutie solida complexa in aliajul polinar Fe-Cr-Ni-C:

a)     reprezentare in spatiu; b) reprezentare in plan.

b)     Pentru a se putea forma solutii solide cu solubilitate nelimitata (solutii solide totale), componentii

c)     aliajului trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

d)     a) sa aiba acelasi tip de retea cristalina;

e)     b) diferenta dintre diametrele atomilor sa nu fie mai mare de 8 %;

f)      c) sa ocupe pozitii apropiate in tabelul periodic al elementelor, adica sa aiba un caracter

g)     electrochimic asemanator;

h)     d) sa aiba temperaturi de topire apropiate.

i)      3. Compusul chimic

j)      În conditiile in care intre atomii metalului de baza si atomii elementelor de aliere se stabilesc

k)     legaturi chimice, iau nastere asa numitii compusi chimici. Compusul chimic este un constituent

l)      metalografic care prezinta o compozitie chimica constanta si bine definita, iar reteaua sa cristalina este

m)   diferita de cea a componentilor.

n)     Datorita legaturilor chimice complexe care apar intre atomii componentilor aliajelor, compusii

o)     chimici prezinta de regula o duritate ridicata, dar si o fragilitate mare. De asemeni compusii chimici

p)     prezinta de obicei temperaturi de topire mai mari decat elementele componente. Astfel, prezenta in aliaje

q)     a compusilor chimici, va determina cresterea duritatii si deci si a rezistentei la uzare, cresterea fragilitatii

r)      si ridicarea temperaturii de topire. Se pot deosebi trei tipuri de compusi chimici: compusi electrochimici,

s)     compusi chimici electronici si compusi chimici interstitiali.

t)      Compusii electrochimici (cu valenta normala) se formeaza intre componentii aliajului, pe baza

u)     respectarii legii valentelor. Formulele chimice ale acestor compusi, vor exprima proportia ce exista intre

v)     elementele componente. Se pot forma compusi electrochimici intre atomii unui element metalic si atomii

w)   unui element cu caracter nemetalic (Al O , BeS, FeS, ) sau intre atomi metalici de specii diferite

x)     (CuBe , MgCu , ZrFe

y)     Compusii chimici electronici se caracterizeaza prin raportul ce exista intre numarul electronilor

z)     de valenta si numarul atomilor din formula compusului chimic.

aa)  Compusii chimici interstitiali se formeaza intre atomii unor elemente metalice si atomii unor

bb) elemente nemetalice care au un diametru atomic foarte mic (H, N, C, B). Se formeaza astfel, asa numitele

cc)  hidruri, nitruri, carburi si boruri.

dd) 4. Amestecul mecanic

ee)  Amestecul mecanic este un constituent format din doua sau mai multe faze solide, care s-au

ff)   separat fie dintr-o solutie lichida (amestec mecanic eutectic), fie dintr-o solutie solida suprasaturata

gg) (amestec mecanic eutectoid).

hh) În diverse aliaje se formeaza amestecuri mecanice intre un metal pur si o solutie solida, sau intre

ii)    un metal pur si un compus chimic, sau intre un compus chimic si o solutie solida etc. Fazele constituente

jj)    ale amestecurilor mecanice se pot prezenta ca lamele sau globule ale unei faze, in masa celeilalte faze.

kk) Amestecurile mecanice eutectoide prezinta o dispersie mai ridicata a fazelor, ele sunt deci mai

ll)    fine decat amestecurile mecanice eutectice. Proprietatile amestecurilor mecanice sunt determinate de

mm)         proprietatile fazelor constituente, respectiv proprietatile sunt intermediare. De asemeni proprietatile

nn) amestecurilor mecanice sunt influentate si de dispersia fazelor, cu cat aceasta este mai avansata cu atat

oo) rezistenta la rupere este mai mare.

pp) 3. DIAGRAMELE DE ECHILIBRU ALE ALIAJELOR BINARE

qq) Construirea diagramelor de echilibru se face experimental urmarindu-se transformarile ce se

rr)   produc la incalzire si racire in conditii de echilibru, ale unui mare numar de aliaje dintr-un sistem dat.

ss)   3.1. Clasificarea sistemelor de aliaje binare

3. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenti insolubili atat in stare lichida cat si in

stare solida

În fig

În figura 4. este prezentata diagrama

de echilibru a unui sistem cu componenti

insolubili in stare lichida si solida,

particularizandu-se diagrama pentru sistemul

Fe-Pb La temperaturi superioare temperaturii

TA , cele doua lichide metalice nu sunt

miscibile. La temperatura TA , se va solidifica

metalul A, pastrandu-se metalul B in stare

lichida pana la temperatura TB , cand si acesta

se va solidifica. În final se vor obtine cristale

de metal pur A si cristale de metal pur B.

Figura 4. Diagrama de echilibru a unui sistem cu componenti

insolubili in stare lichida si solida.

3.3. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenti partial solubili in stare lichida si

insolubili in stare solida

Un exemplu pentru un astfel de sistem este prezentat in figura 5particularizandu-se diagrama

pentru sistemul Pb-Zn.

Figura 5. Diagrama de echilibru a unui sistem cu componenti

partial solubili in stare lichida si insolubili in stare solida

3.4. Diagramele

Figura 5. Diagrama de echilibru a unui sistem cu componenti

partial solubili in stare lichida si insolubili in stare solida

3.4. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenti complet solubili in stare lichida

3.4.1. Sisteme binare cu componenti complet solubili atat in stare lichida cat si in stare solida

Sistemele binare cu componenti complet solubili in stare lichida si in stare solida, se mai numescsi sisteme binare cu solutie solida totala, sau cu solutie solida izomorfa. În figura 6. este prezentata

diagrama de echilibru a unui sistem cu solutie solida totala (izomorfa), particularizandu-se diagrama

pentru sistemul Cu-Ni.

Figura 6. Diagrama de echilibru a unui sistem cu solutie solida totala.

3.4. Regula orizontalei

Regula orizontalei se aplica in studiul diagramelor de echilibru binare, pentru determinarea

compozitiei chimice a fazelor aflate in echilibru la o anumita temperatura.

Fie aliajul M din sistemul binar cu solutie solida izomorfa (fig. 7), incalzit la o temperatura

superioara curbei lichidus. La scaderea temperaturii, in momentul cand este atinsa temperatura T , in

lichidul metalic vor lua nastere primii germeni de cristalizare. Trasand o orizontala Ia nivelul temperaturii

T , aceasta va intersecta curbele lichidus si solidus, pe fiecare intr-un punct. Proiectand pe axa

concentratiilor aceste puncte, vor rezulta punctele M si alfa , punctul M va indica compozitia chimica a

lichidului, iar punctul alfa - compozitia chimica a germenilor de cristalizare. Se observa ca germenii de

cristalizare sunt de solutie solida cu o concentratie ridicata de atomi ai componentului B.

Odata cu scaderea temperaturii germenii de cristalizare se vor dezvolta, modificandu-se echilibrul

dintre faze. La temperatura T , orizontala va intersecta curbele lichidus si solidus, proiectia punctelor de

intersectie fiind l si alfa . Punctul l indica compozitia chimica a fazei

lichide, iar punctul alfa indica compozitia chimica a fazei solide

(cristalelor de solutie solida), la temperatura T . Se poate observa ca

pe masura ce temperatura scade, concentratia de component B din

cristale scade, iar concentratia de component A din lichid creste.

La temperatura T , este atinsa curba solidus. Orizontala

trasata la aceasta temperatura, indica faptul ca grauntii au ajuns Ia

compozitia chimica M, iar ultimele parti lichide ale aliajului care s-a

solidificat, au avut compozitia chimica l . Presupunand deci ca in

timpul solidificarii si racirii nu s-au manifestat difuzii ai atomilor

componentilor A si B, grauntii vor prezenta in centrul lor compozitia

chimica alfa , iar la suprafata lor compozitia chimica l

Figura 7. Regula orizontalei aplicate

la o diagrama binara cu solutie solida izomorfa.

3.4.3. Regula parghiei

Pe langa regula orizontalei, in studiul diagramelor de echilibru este utilizata si regula parghiei. Cu

ajutorul regulii parghiei, este posibila determinarea raportului cantitativ, care exista intre fazele aflate in

echilibru Ia o anumita temperatura.

Între curbele lichidus si solidus, aliajele prezinta un amestec de doua faze, respectiv una solida si alta

lichida, raportul dintre cantitatea de solid si cea de lichid variind cu

temperatura. La temperaturi apropiate de T (fig. 7), cantitatea de solid

este foarte mica, iar cea de lichid foarte mare, iar la temperaturi apropiate

de T , cantitatea de faza solida este foarte mare, pe cand cea de lichid

este redusa. Cantitatea fazelor solide si lichide, existente la o anumita

temperatura, poate fi determinata cu ajutorul regulii parghiei.

Referindu-ne la figura 8, se presupune ca dorim sa determinam

cantitatea de lichid si solid a aliajului M, aflat la temperatura Tm . Notam

intersectia dintre verticala concentratiei M si orizontala temperaturii Tm

cu "m". Orizontala trasata prin punctul "m", intersecteaza curba lichidus

in punctul "l" , iar curba solidus in "s".

Figura 8. Regula parghiei aplicata la o

diagrama binara cu solutie solida izomorfa.

Aliajul aflandu-se in echilibru, punctul "m" poate fi considerat ca punct de sprijin al parghiei "ls",

parghie aflata si ea in echilibru sub actiunea greutatii lichidului Gl si a solidului Gs.

Ecuatia momentelor acestei parghii este:

de unde:

Rezulta ca greutatea fazei lichide este proportionala cu segmentul "sm", iar greutatea fazei solide

cu segmentul "lm". Daca se imparte parghia "ls" in 100 de diviziuni, respectiv 100 %, segmentul "sm" va

exprima procentual cantitatea de lichid, iar segmentul "lm", cantitatea de solid. Din acest motiv regula

parghiei mai poarta denumirea de regula segmentelor inverse.

3.4.4. Sisteme binare cu componenti solubili in stare lichida si insolubili in stare solida

a) Diagrama cu eutectic

Un exemplu pentru o diagrama cu eutectic, dintr-un

sistem cu componenti insolubili in stare solida si

solubili in stare lichida, este prezentat in figura 9,

particularizandu-se diagrama pentru sistemul Pb-Sb.

Figura 9. Diagrama de echilibru cu eutectic pentru un sistem binar

cu componenti solubili in stare lichida si insolubili in stare solida.

Cristalizarea lichidului cu concentratie eutectica poate fi exprimata prin relatia:

Pentru determinarea rapida a raportului

cantitativ dintre fazele constituente ale unui aliaj,

respectiv dintre constituentii metalografici, sub

diagramele de echilibru pot fi construite diagramele de

faze si de constituenti (fig. 10

Figura 10. Diagramele de faze si de

constituenti intr-un sistem binar cu eutectic.

b) Diagrama cu compus chimic stabil

Acest gen de diagrame de echilibru apar in

sistemele in care la o anumita compozitie chimica se

formeaza un compus chimic stabil AmBn , care nu se poate

dizolva in componentii A si B. În figura 11. este prezentat

un exemplu pentru o astfel de diagrama.

Figura 11. Diagrama de echilibru cu compus chimic

pentru un sistem binar cu componenti solubili in stare

in stare lichida si insolubili in stare solida.

c) Diagrame cu punct peritectic

O diagrama cu componenti insolubili in stare solida, care

prezinta un punct peritectic este prezentata in figura 1

Figura 1 Diagrama de echilibru cu punct peritectic pentru un sistem binar

cu componenti solubili in stare lichida si insolubili in stare solida.

3.4.5. Sisteme binare cu componenti solubili in stare lichida si partial solubili in stare solida

a) Diagrame cu eutectic

În figura 13 sunt prezentate diagramele de echilibru cu eutectic ale sistemelor cu componenti complet

solubili in stare lichida si partial solubili in stare solida. În cazul "a" solubilitatea componentilor nu

variaza cu temperatura, iar in cazul "b" solubilitatea componentilor variaza cu temperatura

Figura 13. Diagrame de echilibru cu eutectic pentru un sistem binar cu componenti solubili in stare

lichida si partial solubili in stare solida:

a) solubilitatea componentilor nu variaza cu temperatura;

b) solubilitatea componentilor variaza cu temperature

În ambele diagrame transformarea eutectica se produce astfel:

deci amestecul mecanic eutectic este constituit din doua solutii solide (alfa si beta).

b) Diagrame cu compus chimic

În figura 14. sunt prezentate doua diagrame cu compus chimic cu componenti solubili in stare

lichida si partial solubili in stare solida. În stanga este prezentat cazul cand solubilitatea nu variaza cu

temperatura, iar in dreapta, cazul cand solubilitatea variaza cu temperatura.

Figura 14. Diagrama de echilibru cu compus chimic pentru sisteme binare cu componenti solubili in

stare lichida si partial solubili in stare solida:

a) solubilitatea componentilor nu variaza cu temperatura;

b) solubilitatea componentilor variaza cu temperatura.