Transcript Presentation4 - Universitatea Tehnică

UNIVERSITATEA TEHNICĂ
DIN CLUJ NAPOCA
CURS 4
CRISTALIZAREA METALELOR
Diagrame de echilibru
FACULTATEA DE INGINERIA
MATERIALELOR SI A MEDIULUI
BODEA MARIUS
CURS DE MATERIALE - I
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
Topirea: Trecerea corpurilor de
la stare solidă la stare lichidă
(de obicei prin încălzire).
Se absoarbe căldura latentă de
topire
Cristalizarea: Formarea structurii
cristaline. Solidificarea
materialelor cristaline.
Determinată de sensul scăderii
energiei libere in sistem.
Variatia energiei libere la
solidificare
Când ΔF e suficientă – solidificare
→ solidificarea se produce nu la
T0 ci la T1
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
Germeni cristalini
particule solide de mici
dimensiuni de unde
incepe procesul de
cristalizare
Prin creşterea germenilor viabili se formează
agregatul policristalin – microstructura.
De obicei creşterea este dendritică
Omogeni: grupuri de
atomi de aceeaşi natură
cu topitura
Eterogeni: particule
solide de altă natură (in
general ceramică)
Germinarea eterogenă este
mult mai probabilă decât
cea omogenă
Sectiune in
dendrita
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
Histerezis termic
dintre curba de racire
si cea de incalzire a
unui metal pur
Curba de răcire a unui corp (fară
transformări de fază ) - exponenţială
Curba de răcire a unui
metal pur
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
Puncte critice = temperaturi la care au loc transformări în stare solidă
(transformari alotropice)
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
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
CRISTALIZAREA METALELOR
Compozitia aliajului
Fractia fazei lichide
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
Elaborarea aliajelor : obţinerea compoziţiei
chimice dorite (de obicei în stare topită)
Dupa elaborare, aliajele se toarnă in lingotieră → LINGOU
1 – zona graunţilor marginali:
răcire foarte rapidă (exterior)
structura fină, echiaxială
2 – zona cristalitelor columnare:
gradient de temperatură interior
(temperatura mare) → exterior
(temperatura mai mică)
cristalite grosolane, alungite
3 – zona cristalitelor centrale
viteza foarte mică de răcire,
temperatura relativ uniformă
cristalite echiaxiale, grosolane
MATERIALE I
CRISTALIZAREA METALELOR
Distribuţia temperaturilor în
vecinătatea lingotierei şi în
metalul turnat
Solidificare
columnar dendritică
Solidificare echiaxial
dendritică
Solidificare echiaxial
non-dendritică
MATERIALE I
CRISTALIZAREA LINGOULUI - SIMULARE
A simulated solidification sequence and macrosegregation formation (Fe-0.34 wt.% C)
(a)
(b)
(c)
(d)
Volume fraction of columnar dendrite trunks fc scaled from 0 (red) to 1 (blue), and the liquid
velocity μm,
mix concentration cmix scaled from 0.28 wt.% (blue) to 0.4 wt.% (red)
liquid concentration cl scaled from 0.34 wt.% (blue) to 4.3 wt.% (red)
solid concentration cs scaled from 0.0984 wt.% (blue) to 0.38 wt.% (red)
MATERIALE I
DEFECTELE LINGOULUI
RETASURA
gol rezultat prin contracţia de solidificare
•
superioara în maselota (defect de principiu)
•
centrală (defect accidental)
•
dispersată (defect accidental)
SEGREGAŢIA
neomogenitate chimică
• macroscopică (la nivelul lingoului)
• microscopică (in interiorul grauntilor cristalini)
• segregaţia zonară superioară
• segregaţia zonară inferioară
INCLUZIUNILE NEMETALICE
particule ceramice exo / endogene
• incluziuni macroscopice
• incluziuni microscopice
• sufluri = incluziuni de gaze
ZONE DE MINIMĂ REZISTENŢĂ
zone de intâlnire a cristalitelor columnare de pe
laturi adiacente
Maselota = retasura (superioară) +
segregaţia superioară (20-25%)
MATERIALE I
TEORIA ALIAJELOR
METAL
ALIAJELE = METAL
+
Amestecuri prin difuzie
sau
METALOID
Elementele care formează aliajul se numesc componenţi
Constituienţii în aliaje
omogeni
Metale pure
Soluţii solide
eterogeni
Compuşi chimici
Amestecuri
mecanice de faze
MATERIALE I
TEORIA ALIAJELOR
Component
A
B
Soluţii solide de
substituţie
Fe dizolva 0,0218 %C
Carbonul se plasează la limitele grăunţilor şi în zona
defectelor reticulare
Soluţii solide de
pătrundere
MATERIALE I
DIAGRAME CU EUTECTIC
Diagrama cu insolubilitate totala in stare solida si formare de eutectic
EUTECTICUL
constituient structural
eterogen (amestec mecanic
de 2 sau mai multe faze)
rezultat din descompunerea
unei soluţii lichide la
temperatură constantă
100 %
LE  ( A  B)  E
tE
Aliber
AE
0
MATERIALE I
DIAGRAME CU EUTECTIC
LEDEBURITA = la temperatura ambiantă este formată din perlită şi
cementită (cementita liberă este cca. 60%). Perlita apare sub formă
de insule de culoare închisă pe fond de cementită (culoare deschisă).
MATERIALE I
DIAGRAME CU EUTECTIC
Insolubilitate în stare solidă
Solubilitate limitată în stare solidă
LICHID
A
A
A şi B nu formează soluţii solide
B
L+B
E
100% B
a+E
E
b+E
b
100% B
100 %
Aliber
a
aliber
AE
E=A+B
aE
b
E=a+b
0
B
L+b
0
100 %
0
L+a
a
B+E
0
A şi B formează soluţii solide (a şi
b) pe un interval limitat de
concentraţii
Temperatura
Temperatura
L+A
A+E
LICHID
MATERIALE I
DIAGRAME CU EUTECTIC
Solubilitate limitată şi variabilă
A
Temperatura
B
LICHID
L+a
C
a
L+b
E
a+ b’’E
D
b+a’’+E
• solubilitatea componenţilor variază
cu temperatura
b
a+ b’’
• la răcire solubilitatea scade având
loc cristalizări secundare
b+a’’
0f
g
b’’
a’’
100 %
a
a
b
E
0
• 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.
MATERIALE I
DIAGRAME CU EUTECTIC
solubilitate limitată şi variabilă
MATERIALE I
DIAGRAME CU PERITECTIC formarea unei solutii solide beta (P)
aD+Lc—>bP
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
dintre o fază lichidă şi o
fază solidă la temperatura
constantă.
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
MATERIALE I
DIAGRAME CU FORMARE DE
EUTECTOID
DIAGRAME CU FORMARE DE
PERITECTOID
Eutectoidul este un amestec
Peritectoidul este o reacţie de
mecanic de 2 faze obţinut prin
descompunerea unei soluţii solide la
temperatură constantă
compunere între 2 faze solide,
rezultând o fază nouă de compoziţie
intermediară
MATERIALE I
DIAGRAMĂ CUMULATIVĂ A TIPURILOR DE TRANSFORMĂRI
MATERIALE I
DIAGRAME TERNARE