-
Dijagrami faznih transformacija
Aleksandra Boričić
-
Agregatna stanja
Čvrsto stanje
Tečno stanje
Gasovito stanje
Priti
sak
Temperatura
-
3
Vodenapara
Led
So
AlkoholVoda
Primeri:
a) Agregatna stanja vodeb) Potpune rastvorljivosti,c) Delimične rastvorljivosti,d) nerastvorljivosti)
Agregatna stanja i efekat mešanja
-
4
Čvrst rastvor Zn u Cu
JedinjenjeCu i Zn
a) Hemijsko jedinjenjeb) Čvrsti rastvorc) Složen sistem
Rastvori i jedinjenja
Čvrsti rastvor: faza u kojoj jedna komponenta (rastvarač) zadržava svoju kristalnu rešetku, a atomi druge komponente (rastvorka) rasporedjuju se u toj rešetki.
-
5
RAVNOTEŽNI DIJAGRAMI STANJADijagram stanja predstavlja grafički prikaz faza u leguri pri različitim temperaturama i sastavu legure.
Ravnotežni dijagrami stanja koriste se za razumevanje i predskazivanje mnogih vidova ponašanja materijala. Neki od važnijih podataka koji se mogu dobiti korišćenjem dijagrama stanja su:
Koje faze postoje u leguri? Kakav je njihov količinski sastav? Kakvi su međusobni količinski odnosi za različite temperature i različite
sastave? Na kojoj temperaturi pri hlađenju legure pod ravnotežnim uslovima počinje
očvršćavanje i u kom temperaturnom intervalu se ono dešava? Na kojoj temperaturi počinje topljenje različitih faza? Kakva je rastvorljivost jedne komponente u drugoj?
-
6
Ovi i drugi podaci koji se mogu dobiti na osnovu ravnotežnih dijagrama stanja potrebni su pri:
Definisanju tehnologije termičke obrade,
Obradi deformisanjem u čvrstom stanju,
Zavarivanju,
Livenju i
Mnogim drugim važnim proizvodnim procesima u
preradi metala.
-
7
Dijagrami stanja se konstruišu na osnovu prethodno snimljenih krivih hlađenja.
Krive hlađenja
Krive hladjenja: grafički prikaz promene temperature u
funkciji vremena za čiste metale i legure; promena se prati
od tečnog stanja do sobne temperature.
-
Kriva hlađenja čistog metala
8
Tem
pera
tura
Vreme
Rastop
Rastop + čvrsto stanje
Čvrstostanje
-
Kriva hlađenja legura
9
Tem
pera
tura
Vreme
Rastop
Rastop + čvrsto stanje
Čvrstostanje
-
Šta su legure?
• Legura je smeša dva ili više elementa, od kojih je bar jedan metal!!!
• Primeri:- nerđajući čelik,- livena gvožđa,- mesing,- bronza,....
-
11
Čist metal Legura
-
12
Ravnotežni dijagrami stanja u zavisnosti od broja komponenti u sistemu, mogu se podeliti na: Jednokomponentne, Dvokomponentne (binarni), Trokomponentne (ternarne) i Višekomponentne.
BINARNI TERNARNI
-
13
Binarni (dvokomponentni) ravnotežni dijagrami stanja
Prema uzajamnoj rastvorljivosti u tečnom stanju dva metala mogu biti:
Potpuno rastvorljivi, Ograničeno rastvorljivi (Ag961°C-Cr1875°C, Al660°C -Cd321°C,
Al660°C -Pb327°C, Fe1538°C -Pb327°C, Cu1083°C -Pb327°C ) i
Potpuno nerastvorljivi (Fe1538°C -Bi278°C, W3410°C -Cu1083°C, W3410°C -Ag961°C).
Slično kao i u tečnom stanju postoje tri slučaja rastvorljivosti i u čvrstom
stanju: metali potpuno rastvorljivi u tečnom stanju rastvaraju se i u čvrstom stanju:
potpuno, ograničeno ili se uopšte ne rastvaraju.
-
Rastvorljivost metala• Slično kao i u tečnom stanju postoje tri slučaja
rastvorljivosti i u čvrstom stanju: metali
potpuno rastvorljivi u tečnom stanju rastvaraju
se i u čvrstom stanju:
potpuno, ograničeno ili se uopšte ne rastvaraju.
-
15
Ravnotežni dijagram dva metala potpuno rastvorljivih u čvrstom stanju
Rastvorljivost odnosno nerastvorljivost dva metala u čvrstom stanju zavisi
od njihovih osobina. Na primer, dva metala potpuno rastvorljiva u čvrstom
stanju moraju imati pre svega:
isti tip kristalne rešetke, neznatne razlike u veličini atoma, elektrohemijskim osobinama i valenci.
Potpuna rastvorljivost u čvrstom stanju: odnosi se na komponente
koje grade čvrste rastvore pri bilo kojim koncentracijama; (Cu-Ni, Au-Ag,
Au-Pt, Co-Ni, Ni-Pt, Bi-Sb).
-
16
Konstrukcija binarnih faznih dijagrama
X Y% Y raste
Rastop - R
Čvrsto stanje -α
Tačka topljenjaKomponente Y
Tačka topljenjaKomponente X
Dve fazeR + α
-
17
X Y% Y raste
Likvidus
Solidus
Likvidus linija: linija koja povezuje temperature početka očvršćivanja legura različitog sastava.
Solidus linija: linija koja povezuje temperature završetka kristalizacije (očvršćivanja) legura različitog sastava.
-
18
Za dvokomponentne sisteme, koji su u ravnoteži, za poznati sastav i temperaturu, koristeći dijagrame stanja možemo odrediti: Prisutne faze, Sastav faza, Procentualni odnos svake faze.
Pravilo poluge
100%A 0%B
100%B 0%A
Likvidus
Solidus
t1
t2
t3
CRastop (R)
Rastop + α
Čvrsti rastvor α
Koncentracija B, maseni %
Tem
pera
tura
, °C
42%A58%B
50%A50%B
58%A42%B
A
Bx yR
α(α+R)
D E
-
100%A 0%B
100%B 0%A
Likvidus
Solidus
t1
t2
t3
CRastop (R)
Rastop + α
Čvrsti rastvor α
Koncentracija B, maseni %
Tem
pera
tura
, °C
42%A58%B
50%A50%B
58%A42%B
A
Bx yR
α(α+R)
D E
Mašinski materijali - Dr Dragan 19
x y Rα⋅ = ⋅ yR xα
=
Količina čvrste faze yKoličina tečne faze x
=
( ) ( )R x R x yα + ⋅ = ⋅ + ⇒
( ) ( )R x
R x yα=
+ +
Količina tečne faze x Suprotan krak polugeKoličina legure x y Ukupna dužina poluge
= = =+
Relativan udeo tečne faze
Moment za tačku B
⇒
odnosno
Moment za tačku D
odnosno
-
100%A 0%B
100%B 0%A
Likvidus
Solidus
t1
t2
t3
CRastop (R)
Rastop + α
Čvrsti rastvor α
Koncentracija B, maseni %
Tem
pera
tura
, °C
42%A58%B
50%A50%B
58%A42%B
A
Bx yR
α(α+R)
D E
20
( ) ( )R y x yα α+ ⋅ = ⋅ + ⇒
( ) ( )y
R x yα
α=
+ +
Količina čvrste faze y Suprotan krak polugeKoličina legure x y Ukupna dužina poluge
= = =+
Relativan udeo čvrste faze
Moment za tačku E
odnosno
-
21
-
22
A B
Likvidus
Solidus
Rastop (R)
Rastop + α
Čvrst rastvor α
Koncentracija B [Maseni %]Te
mpe
ratu
ra,
°C
Neki metali, koji su uzajamno potpuno rastvorljivi u tečnom i čvrstom stanju, imaju na linijama likvidus i solidus minimum ili maksimum. Od ova dva slučaja je tehnički značajan ravnotežni dijagram sa minimumom (sl. 3.8); javlja se kod mnogih binarnih legura, kao npr. Au-Cu, Au-Ni, Fe-Cr, Ni-Pd. U dodirnoj tački likvidusa i solidusa odvija se kristalizacija pri konstantnoj temperaturi, a posledica kristalizacije je opet čvrst rastvor α.
Ravnotežni dijagram dva metala potpuno rastvorljivih u čvrstom stanju sa minimumom na krivoj likvidus i solidus
-
23
Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
0 20 40 60 80 100
Wt% FeO
Tem
pera
ture
(C)
Equilibrium Phase Diagram - Cu-Ni
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
0 20 40 60 80 100
Wt% Ni
Tem
pera
ture
(C)
Equilibrium Phase Diagram - Nb-W
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
0 20 40 60 80 100
Weight % W
Tem
pera
ture
(C)
Primeri binarnih faznih dijagramapotpuno rastvorljivih metala
Chart1
00
2020
4040
6060
8080
100100
Wt% FeO
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0
2800
2800
2650
2350
2400
2000
2100
1700
1720
1450
1320
1320
Sheet1
Phase Diagrams
MgO-Fe)Temperature
Wt %LiquidusSolidus
028002800
2026502350
4024002000
6021001700
8017201450
10013201320
Sheet1
Wt% FeO
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0
Sheet2
Sheet3
Chart3
00
2020
4040
6060
8080
100100
Wt% Ni
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Cu-Ni
1085
1085
1200
1170
1280
1240
1355
1305
1405
1380
1455
1455
Sheet1
Phase Diagrams
MgO-Fe)Temperature
Wt %LiquidusSolidus
028002800
2026502350
4024002000
6021001700
8017201450
10013201320
Nb-W
Wt%LiquidusSolidus
024802480
2026002520
4027302600
6029002720
8031002930
10033503350
Cu-Ni
Wt%LiquidusSolidus
010851085
2012001170
4012801240
6013551305
8014051380
10014551455
Sheet1
Wt% FeO
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0
Sheet2
Weight % W
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Nb-W
Sheet3
Wt% Ni
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Cu-Ni
Chart2
00
2020
4040
6060
8080
100100
Weight % W
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Nb-W
2480
2480
2600
2520
2730
2600
2900
2720
3100
2930
3350
3350
Sheet1
Phase Diagrams
MgO-Fe)Temperature
Wt %LiquidusSolidus
028002800
2026502350
4024002000
6021001700
8017201450
10013201320
Nb-W
Wt%LiquidusSolidus
024802480
2026002520
4027302600
6029002720
8031002930
10033503350
Sheet1
Wt% FeO
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0
Sheet2
Weight % W
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Nb-W
Sheet3
-
Pauza
-
25
Ravnotežni dijagram dva metala potpuno nerastvorljivih u čvrstom stanju
Potpuna nerastvorljivost u čvrstom stanju: karakteriše se time što se iz rastopa (tečne faze potpuno rastvorenih komponenata) dobija smeša kristala čistih metala (Sn-Zn, Al-Sn, Bi-Cd).Eutektička reakcija: fazna transformacija koja se odvija pri konstantnoj (eutektičkoj) temperaturi a proizvod eutektičke promene jeste smeša finih kristala (komponenta A + komponenta B) nazvanih eutektikum.Eutektička tačka: tačka u binarnom dijagramu koja odredjuje eutektički sastav i eutektičku temperaturu.Podeutektička legura: legura koja je levo od eutektičke tačke.Nadeutektička legura: legura koja je desno od eutektičke tačke.
-
26
U oblasti ispod eutektičke prave sve legure su u čvrstom stanju. S obzirom na to da je reč o dva metala nerastvorljiva u čvrstom stanju, u strukturi se ne može pojaviti kristal čvrstog rastvora, koji je predstavnik rastvorljivosti u čvrstom stanju. Rezultat kristalizacije biće stoga uvek smeša kristala čistih metala A i B.
CL1
L2m2 m m1 b1
a1D
G
1 a2 b2 2
F E
A BI II III III III
100%A 100%B
A + E B + E
Rastop (R)
Rastop + A Rastop + B
Tem
pera
tura
, °C
Tem
pera
tura
, °C
Koncentracija B, maseni %
1 1' 2 2'
E
A
B
E
Vreme
100
0
A
x
yE
E E1'
B
E1 B1A1Koncentracija B, maseni %
% s
trukt
urni
h
kom
pone
nti
Podeutektička legura
Eute
ktič
ka le
gura
Nadeutektička legura
0%B 0%A
-
CL1
L2m2 m m1 b1
a1D
G
1 a2 b2 2
F E
A BI II III III III
100%A 100%B
A + E B + E
Rastop (R)
Rastop + A Rastop + BT
em
pera
tura
, °
C
Tem
pera
tura
, °
CKoncentracija B, maseni %
1 1' 2 2'
E
A
B
E
Vreme
E E '
Podeutektička legura
Eu
tekt
ička le
gura
Nadeutektička legura
0%B 0%A
27
Na temperaturi koja odgovara tački m u ravnoteži su dve faze: rastop (sastava koji odgovara tački m1) i čvrsta faza (kristal čistog metala A sastava koji odgovara tački m2). Odnos sadržaja ovih faza biće prema pravilu poluge:
2
1
količina rastopa mmkoličina kristala metala mm
=
Odnos količine primarno izlučenih kristala A i eutektike, npr. u leguri I može se odrediti pomoću pravila poluge:
2
2
a FEa
=EkoličinaA količina
-
28
A B
L
S
Rastop (R)
Rastop + A
A + B
C
F D = E
Koncentracija B, maseni %
Tem
pera
tura
, °C
U različitim sistemima može eutektička tačka zauzimati u ravnotežnom dijagramu različite položaje. U nekim slučajevima približava se jednoj od komponenata, a ponekad se s njom i spaja.Legure u kojima se eutektička tačka uvek spaja sa jednom komponentom obrazuju npr. parovi metala: Al-Sn, Cu-Bi, Cd-Ge, Sn-Si, Sb-Si itd. Granični položaj eutektičke tačke
-
29
Ravnotežni dijagram dva metala sa ograničenom i promenljivom rastvorljivošću u čvrstom stanju
Uzajamna rastvorljivost metala u čvrstom stanju zavisi od temperature i
obično se sa opadanjem temperature smanjuje. Uzajamna
rastvorljivost dva metala najveća je na eutektičkoj temperaturi, a sa
opadanjem temperature se menja prema krivoj promene rastvorljivosti
koja se naziva solvus linijom.
Prema opisanom ravnotežnom dijagramu kristališu se neki parovi
metala kao npr. Cu-Ag, Al-Si, Pb-Sn.
-
30
Max. rastvorljivostCu u rešetki Ag
Max. rastvorljivostAg u rešetki Cu
Eutektičkatačka
Solvus linija Solvus linija
-
31Težinski % YX Y
Rastop (R)
αβ
LikvidusSolidus
SolvusSolvus
Solidus
α + R β + R
α + β
-
32
α
β
Koncentracija B, maseni %
R→α
R→β
R→Ε
αdeo→β"
R→α
I II III IIIIII
C
A H J B
FE
G
D
a1
b1
a2b2
a3
b3
a3'
b3' b3''
Rastop (R)
R + α R + β
α + E β + E
αβ
α + β" β + α"
Tem
pera
tura
, °C
a4
Solvuslinija
α - čvrsti kristali (proeutektički α kristali)β - čvrsti kristali (proeutektički β kristali)E - Eutektička smeša α-čvrsog rastvora i β-čvrstog rastvira
Ravnotežni dijagram dva metala sa promenljivom rastvorljivošću u čvrstom stanju
-
33
Cu-Agsistem
Primer: Cu-Ag sistem
• Hlađenje po tačkastoj liniji: R (71.9%) α (8%) + β (91.2%)
R (rastop)
α R+ α R+β β
α + β
Sastav, Tež.% Ag20 40 60 80 1000
200
1200T(°C)
400
600
800
1000
CE
TE 8.0 71.9 91.2779°C
-
34
Primer: Pb-Sn
Pb-Snsistem
R+ αR+β
α + β
200
T(°C)
18.3
Co, tež.% Sn20 40 60 80 1000
Co
300
100
β
R (rastop)
α183°C
61.9 97.8150
• Za 40tež%Sn-60tež%Pb legure na 150°C, naći...
-- koje se faze pojavljuju?
-- sastav tih faza
-- relativni udeo svakefaze
-
35
• Za leguru sa 40%Sn-60%Pb na 150°C- koje faze postoje:
α + β- sastav tih faza:
Cα = 11 tež%SnCβ = 99 tež%Sn
- relativni udeo svake faze:(pravilo poluge)
Pb-Snsistem
R+ αR+β
α + β
200
T(°C)
18.3
Co, tež.% Sn20 40 60 80 1000
Co
300
100
R (Rastop)
α183°C
61.9 97.8150
11 99
R S
β
-
36
Analiza dijagrama
-
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic
37
Rastop
R + α
α
α + β
Rastop
R + α + β
Procentualni sastav
Težinski sastav
-
Kako se dolazi do čvrste faze?
38
Rastop
R + α
α
α + β
-
Krive hlađenja
39
Rastop
Rastop + α
α
α + β
Tem
pera
tura
Vreme
R+ α
200
T(°C)
10 200Co
300
100
R
α
30
α + β
400
TE
2
-
40
Eutektička reakcija
Eutektička reakcija je specijalan slučajinvariante ili izotermalne reakcije
Eutektička reakcija može da se opiše sledećom formulom:
Rastop Čvrsta faza 1 + Čvrsta faza 2 pri T= Teut
-
Krive hlađenja za eutektički sistemPb-Sn
41
Rastop
Tem
pera
tura
Vreme
α + βR + α + β
R α + β
-
42
• Efekat ojačanja čvrstog rastvora:
-- Zatezna čvrstoća (Rm) -- Duktilnost (%A,%Z)
Mehaničke osobine: Cu-Ni sistemaZa
tezn
a čv
rsto
ća(M
Pa
)
Sastav, tež%NiCu Ni0 20 40 60 80 100
200
300
400
Rm začist Ni
Rm za čist Cu
Elo
ng
aci
ja(%
EL
)Sastav, tež%Ni
Cu Ni0 20 40 60 80 10020
30
40
50
60
%A začist Ni
%A za čist Cu
-
Kriva hlađenja za podeutektički sistem
43
Rastop
Rastop + α
Tem
pera
tura
Vreme
α + βR + α + β
-
44
Sn-Pb legura - Mikrostrukture različitih sastava
Eutektički sastav63% Sn - 37% Pb
Nadeutektički sastav70 % Sn – 30 % Pb
Nadeutektički sastav90 % Sn – 10 % Pb
Podeutektički sastav40% Sn - 60% Pb
-
HVALA NA PAŽNJI!!!
Dijagrami faznih transformacija��Aleksandra BoričićAgregatna stanja Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Kriva hlađenja čistog metalaKriva hlađenja leguraŠta su legure?Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Rastvorljivost metalaSlide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23PauzaSlide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Primer: Pb-SnSlide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Kako se dolazi do čvrste faze?Krive hlađenjaSlide Number 40Krive hlađenja za eutektički sistem Pb-SnSlide Number 42Kriva hlađenja za podeutektički sistemSlide Number 44HVALA NA PAŽNJI!!!