MATERIJALIIzv. prof. dr. sc. Loreta Pomenić

FAZNI DIJAGRAMIII. dio

POTPUNA TOPIVOST U KRUTOME

+

Čisti metal A

Čisti metal B

Taljevina

OhlađivanjeTaljenje

Slika 1. Shematski prikaz nastajanja α kristala mješanaca kod dijagrama potpune topivosti u krutome (izomorfne legure)

α kristali mješanci

( A u B ili B u A)

Taljevina

Likvidus linija Solidus linija

α

α + T

Cu maseni % Ni Ni

Tem

pera

tura

, ϑ

Slika 2 . Ravnotežni dvokomponentni dijagram potpune topivosti u krutome za legureCu-Ni

Mikrostrukture u izomorfnoj leguri

Mikrostrukture će se mijenjati u odnosu na ohlađivanje legure (tj. na uvjete procesa)

Slika 3 . Mikrostruktura u izomorfnoj leguri Cu-Ni (35%Ni, 65 %Cu)

T T

T (

T

α + T

maseni % Ni

Tem

pera

tura

, ϑ

α

Mehanička svojstva u izomorfnim legurama Cu-Ni

Vlač

na č

vrst

oća,

MPa

Prod

ulje

nje

(% u

50m

m)

Maseni % Ni

Maseni % Ni

Slika 4. Mehanička svojstva u izomorfnim legurama Cu - Ni

Vlačna čvrstoća

Vlačna čvrstoća legura raste s porastom koncentracije Ni u leguri u odnosu na čisti Cu

Za leguru od 60% Ni i 40% Cu vlačna čvrstoća je maksimalna i zatim opada

Produljenje

S porastom koncentracije Ni legurama opada iznos produljenja, u odnosu na čisti Cu, sve do približno 60% Ni

Za koncentracije veće od 60%Ni legurama se povećava iznos produljenja

RAVNOTEŽNI DVOKOMPONENTNI DIJAGRAMI S EUTEKTIČKOM REAKCIJOM

a) Potpune netopivosti u krutome

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Taljevina, T

Tem

pera

tura

, ϑ

A + T T + B

A + E ( Ae + Be) E ( Ae + Be) +B

E ( Ae + Be) ϑE

xE %B

1

2

3

54

Slika 5. a) Krivulje ohlađivanja, b) Ravnotežni dvokomponentni dijagram

potpune netopivosti u krutome s eutektičkom reakcijom

Tem

pera

tura

, ϑ

Vrijeme, t

10 %B

A + T

T TxE %B

T E T E

A +E E

a) b)

Opis dijagrama (Slika 5)

1-2-3 - likvidus linija; 4-2-5 - solidus linija; A – kristali čistog metala A,

B – kristali čistog metala B

E(Ae+Be) – EUTEKTIKUM (lako taljiv) – mješavina čistih kristala metala A i B

ϑE - eutektička temperatura (izotermala)

xE – eutektička koncentracija legure

Eutektička reakcija s potpunom netopivošću u krutomeTaljevina, T EUTEKTIKUM (Ae + Be)ohlađivanje

ϑE i xE

Na eutektičkoj temperaturi ϑE i za koncentraciju legure xE %B taljevina prelazi u eutektikum koji je fina eutektička (e) mješavina čistih kristala A i B.

Ne nastaju kristali mješanci jer je to slučaj potpune netopivosti u krutome.

Točka 2 –invarijantna točka – koegzistiraju taljevina i dvije krute faze

EUTEKTIČKA REAKCIJA S POTPUNOM NETOPIVOŠĆU U KRUTOME

++

Čisti metal A

Čisti metal B

Taljevina

OhlađivanjeTaljenje

EUTEKTIKUM (Ae+Be)

mješavina čistih kristala metala A i B

Slika 6. Shematski prikaz nastajanja eutektikuma kod potpune netopivosti u krutome

T E(Ae+ Be)

RAVNOTEŽNI DVOKOMPONENTNI DIJAGRAMI S EUTEKTIČKOM REAKCIJOM

a) Potpune netopivosti u krutome (strukture)

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Slika 7. Shematski prikaz struktura u ravnotežnom dvokomponentnom dijagramu potpune netopivosti u krutome s eutektičkom reakcijom

Taljevina, T

Tem

pera

tura

, ϑ

A + T T + B

A + E ( Ae + Be) E ( Ae + Be) +B

E ( Ae + Be)

ϑE

xE

Podeutektičke legure Nadeutektičke legureEutektička legura

Eutektička struktura: naizmjenični slojevi A i B kristala

A

T

TT

E

E

E

B

B

A

BB

BB

AA

AA

b) Ravnotežni dvokomponentni dijagram djelomične topivosti u krutome s eutektičkom reakcijom

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Tem

pera

tura

, ϑ

Tem

pera

tura

, ϑ

20%BxE%B

1

2

3

4 5

6 7

Taljevina, T

α + T T + β

α β

α +E (αe+ βe) E (αe+ βe) + β

E (αe+ βe)

T

Tα + T

T E

α +E (αe+ βe)

T E

Vrijeme, t

Slika 8. a) Krivulje ohlađivanja, b) Shematski prikaz ravnotežnog dvokomponentnog dijagrama djelomične topivosti u krutome s eutektičkom reakcijom

ϑE

xE%B

xα xβ

E (αe+ βe)

Opis dijagrama, Slika 8.

1-2-3 - likvidus linija; 1- 4-2-5 -3 - solidus linija; 4-6 - i 5-7 - solvus linije

α – kristali mješanci B u A; β – kristali mješanci A u B

E(αe + βe) – EUTEKTIKUM, E – mješavina kristala mješanacaα i β

ϑE - eutektička temperatura (izotermala) xE % B – eutektička koncentracija legure

Eutektička reakcija s djelomičnom topivošću u krutomeTaljevina, T EUTEKTIKUM, E (αe + βe)

ohlađivanje

ϑE i xE

Na eutektičkoj temperaturi ϑE i za koncentraciju legure xE %B taljevina prelazi u eutektikum koji je fina mješavina eutektičkih (e) kristala mješanaca αe i βe.

Točka 2 na dijagramu – invarijantna točka – koegzistiraju taljevina i dvije krute faze

Sve legure između koncentracija Xα i xβ imaju na eutektičkoj temperaturi eutektičku transformaciju

PrimjerI: Pb – Sn, Cu - Ag

EUTEKTIČKA REAKCIJA DJELOMIČNOM TOPIVOŠĆU U KRUTOME

++

Čisti metal A

Čisti metal B

Taljevina

OhlađivanjeTaljenje

EUTEKTIKUM, E (αe + βe)mješavina kristala mješanaca

α i β

Slika 9. Shematski prikaz nastajanja eutektikuma E (αe+ βe) kod djelomične topivosti u krutome s eutektičkom reakcijom

Kristali mješanci α(B u A)

Kristali mješanci β(A u B)

T E(αe+ βe)

MIKROSTRUKTURE FAZNOG DIJAGRAMA DJELOMIČNE TOPIVOSTI S EUTEKTIČKOM REAKCIJOM

Tem

pera

tura

, ϑ

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Taljevina, T

α + T T + β

α + E (αe+ βe)E (αe+ βe) + β

E (αe+ βe)α βϑE

xE%B

α

α

α

β

β

β

TTT

Slika 10. Shematski prikaz mikrostruktura na ravnotežnom dvokomponentnom dijagramu djelomične topivosti s eutektičkom reakcijom

xα xβ

αα

αα

E (αe+ βe)

E (αe+ βe)

β βββ

ββ

αα

ββ

E (αe+ βe)

T

Sn

Pb β

αBogato sPb

Za postizanje velikih homogenih područja, potrebne su velike difuzijske udaljenosti atoma.

Lamelarna su područja nastala jer su za njih potrebne relativno male difuzijske udaljenosti atoma.

Fotografija mikrostrukture eutektičke koncentracije Pb - Sn legure.

Mikrostruktura se sastoji iz naizmjeničnih slojeva α - faze (kristali mješanci bogati s Pb –crne pruge) i β - faze (kristali mješanci bogati sa Sn – bijela područja), kod povećanja od 375x

T

Smjer eutektičkog rasta

Slika 11. Mikrostruktura eutektičke Pb- Sn legure

Bogato saSn

RAVNOTEŽNI DVOKOMPONENTNI DIJAGRAM S PERITEKTIČKOM REAKCIJOM

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Tem

pera

tura

, ϑ

1

3

24 5

6 7

xP % B

Taljevina

α

α + T

β

T + β

α + βTe

mpe

ratu

ra, ϑ

35% B

35% BxP % B

T + β

TT

T + β

ϑPα + T

ααT + β α

T + β α

a) b)

Slika 12 . a) Krivulje ohlađivanja, b) Ravnotežni dvokomponentni dijagram

s peritektičkom reakcijom

Vrijeme, t

xα xβ

Opis dijagrama s peritektičkom reakcijom, Slika 121- 2 – 3 - likvidus linija; 1- 4- 5 - 3- solidus linija; 4-6 i 5-7- solvus linije

ϑP - peritektička temperatura (izotermala)

xP % B - peritektička koncentracija legure

PERITEKTIČKA REAKCIJA

T + β αNaϑP i za xP % B

ohlađivanje

Taljevina, T i jedna kruta faza,β na peritektičkoj temperaturi ϑP za peritektičku koncentraciju legure xP % B ohlađivanjem daje novu krutu fazu α. Sve legure s koncentracijom između X α i X β imaju na peritektičkoj temperaturi peritektičku pretvorbu.Primjer: Ag- Pt legure

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Tem

pera

tura

, ϑ

ϑP

xP % B

T + β

α + T

α + βα

β

T

α

α

T

T

T

β

β

α

β

Slika 13. Shematski prikaz struktura na dijagramu s peritektičkom reakcijom

β

β β

β ββ

βαα αα αα

αα

αα

α

α

Slika 14. Shema peritektičke reakcije

Čisti metal A

Čisti metal B

Taljevina T + β α

Taljenje OhlađivanjeOhlađivanje

T + β α

+

RAVNOTEŽNI DVOKOMPONENTNI DIJAGRAM

S EUTEKTOIDNOM REAKCIJOM (reakcija u krutome)

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Tem

pera

tura

, ϑ

α’+Eid (αEid+βEid)

β’Eid (αEid+βEid)α’

γ + β’α’+ γ

γ

T + γ

T

Eid (αEid+βEid) + β’

xα xβ

12

3

4 7

8 9

ϑEid

Podeutektoidne legure Nadeutektoidne legure

Eutektoidna legura

x Eid

a) b)

Slika 15. a) Ravnotežni dvokomponentni dijagram s eutektoidnom reakcijom, b) Krivulja ohlađivanja

3

4

5

6

Vrijeme, t

T

T + γ

γ

γ Eid (αEid+βEid)

Eid

x Eid % B

Tumačenje dijagrama s eutektoidnom reakcijom, Slika 15.1-2 – likvidus linija; 1-2 –solidus linija, 1-3-2 ,1-4-3-5, 1-4-6 i 2-5-7- solvus linije

ϑEid – eutektoidna temperatura (izotermala)

x Eid – eutektoidna legura

EUTEKTOIDNA REAKCIJA

γ EUTEKTOID, Eid (αEid + βEid)Ohlađivanje

Sekundarna kristalizacija

ϑEid i x Eid

Eutektoid na grčkom znači nalik na eutektikum. Eutektoidna reakcija je slična eutektičkoj samo za razliku od nje ova se odvija iz krutine.

Eutektoidna reakcija: jedna kruta faza, γ daje dvije nove krutine αeid + βeid čija se mješavina nazivaEUTEKTOID.

Točka 4 – invarijantna točka u kojoj su u ravnoteži tri krutine γ, α’ i β’

Oznaka ( ’ ) – zanači da je krutina nastala sekundarnom kristalizacijom – iz krutine. Krutine nastale izravno iz taljevine su primarne krutine.

Uvjet za nastajanje eutektoidne reakcije je da barem jedna od dviju komponenti A ili B moraju biti polimorfne

(imati alotropske modifikacije)

γ - kristali mješanci s I. tipom kristalne rešetke metala A

α’ - kristali mješanci s II. tipom kristalne rešetke metala A

β’ - kristali mješanci s kristalnom rešetkom metala B

αEid - kristali mješanci s II. tipom kristalne rešetke metala A nastali eutektoidnom reakcijom

βEid - kristali mješanci s kristalnom rešetkom metala B nastali eutektoidnom reakcijom

Za sve se legure s koncentracijom od xα do xβ %B na eutektoidnoj temperaturi ϑEid odvija eutektoidna reakcija

+

Čisti metal A

Čisti metal B

TaljenjeOhlađivanje

Ohlađivanje

γ Eid (αEid+βEid)

(I. tip rešetke metala) A

αEidβEid

Slika 16. Shema nastajanja eutektoida

+

Eutektoid (αEid + βEid )

γ

(II. tip rešetke metala) A

STRUKTURE U RAVNOTEŽNOM DVOKOMPONENTNOM DIJAGRAMU

S EUTEKTOIDNOM REAKCIJOM (reakcija u krutome)

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

maseni % B

Tem

pera

tura

, ϑ

α’+Eid (αEid +βEid)

β’Eid (αEid+βEid)α’

γ + β’α’+ γ

T + γ

T

Eid (αEid+βEid) + β’

xα xβ

12

3

4 7

8 9

ϑEid

Podeutektoidne legure Nadeutektoidne legure

Eutektoidna legura

x Eid

Slika 17. Shematski prikaz struktura u ravnotežnom dvokomponentnom dijagramu

s eutektoidnom reakcijom

3

4

5

6

TT

γ

γ β’

β’

α’

α’γ

Eid (αEid+βEid)

α’

β’

α’

α’α’

γγγ γ γγ

γ

β’

β’β’

β’

α’α’α’

γ

γγ

β’γ

Eid (αEid+βEid)

Ravnotežni dvokomponentni dijagram s intermedijatnim fazama (faze između α i η)

Cu maseni % Zn Zn

Slika 18. Ravnotežni dvokomponentni dijagram za legure Cu - Zn

Tem

pera

tura

, ϑ( 0 c

)

Tem

pera

tura

, ϑ( 0

F)Taljevina (L)

RAVNOTEŽNI DIJAGRAM S INTERMETALNIM SPOJEMTe

mpe

ratu

ra, ϑ

( 0 c)

Tem

pera

tura

, ϑ( 0

F)

Mg maseni % Pb Pb

Slika 19. Ravnotežni dvokomponentni diagram za legure Mg – Pb na kojemu je prikazano nastajanje intermetalnog spoja Mg2Pb koji dijeli dijagram na dva dijela

Taljevina (L)

ϑ

A B...potpuna topivost u krutome

T

T+ α

α

A B...potpuna netopivost u krutome s eutektičkomreakcijom

ϑ T

T+ A T+ B

E+ A E+ B

T EUTEKTIKUM, E (A + B) T α

E

A B

...djelomična topivost u krutome s eutektičkom reakcijom

ϑ

β

T+ α T+ βα

E + α E + βE

T

T EUTEKTIKUM, E (α + β)

A B

...djelomična topivost u krutome s peritektičkom reakcijom

ϑT

αα + β

β

T+ βT+ α

T + β α