Studiul diagramelor de fază cu eutectic - analiza termică a aliajelor Sn-Pb

1. INTRODUCERE.

Structura unui material metalic depinde de compoziţia sa. Ea poate fi modificată prin încălzire, răcire, deformare plastică, etc. În funcţie de prelucrările metalurgice, un material metalic de compoziţie dată poate avea diferite structuri care determină proprietăţile lui fizico–chimice. Aceste proprietăţi pot fi studiate prin metode calorimetrice, analiză termică, analiză dilatometrică, metode magnetice, metode electrice, etc.

Scopul lucrării este studiul diagramelor de fază prin analiză termică.

2. PRINCIPIUL LUCRĂRII.

Analiza termică studiază efectele care însoţesc diferite transformări din materialele metalice, topire-solidificare, etc. Pentru a determina temperaturile la care se produc aceste transformări (aşa numitele “puncte critice”) se înregistrează, în procesul de încălzire sau de răcire, variaţia în timp a temperaturii probei şi se construiesc termogramele respective.

Fig. 1 Curbele de răcire tipice pentru diferite materiale.

În fig.1 sunt reprezentate câteva curbe de răcire pentru diferite materiale metalice. Dacă nu are loc nici o transformare, curba de răcire are aspectul reprezentat în fig.1a. Dacă în timpul răcirii au loc transformări de fază, pe curba de răcire apar abateri produse de degajarea căldurii latente de transformare, fig.1b. La solidificarea substanţelor pure, a compuşilor chimici, a eutecticelor precum şi la transformările alotropice ale metalelor pure, pe curbele de răcire apare un palier caracteristic, fig.1b. Alte aliaje au curbele de răcire cu un aspect ceva mai complicat. Transformările care se produc la solidificarea unei compoziţii date, cu o singură soluţie solidă, prezintă curbe ca cea reprezentată în fig.1c. Dacă din topitură se separă o fază solidă, după care are loc o transformare eutetică, se obţine curba din fig.1d.

În solide atomii sunt distribuiţi ordonat formând o reţea cristalină, în lichide atomii capătă posibilitatea să se deplaseze mai liber, păstrând ordinea în apropiere. Nu trebuie să considerăm însă că distribuţia atomilor în lichide este complet haotică cum este de pildă în cazul gazelor. Când un metal trece din starea lichidă în starea de vapori, forţele de legătură dintre atomi practic dispar în timp ce la trecerea metalului din starea solidă în starea lichidă aceste forţe scad ca intensitate, iar cifra de coordinaţie (numărul de atomi vecini de ordinul unu) de regulă scade, fiind şi excepţii.

Fig.2 Curbele de răcire-încălzire a unei substanţe pure. Fenomene de subrăcire.

În solide distribuţia spaţială a atomilor se păstrează pe distanţe foarte mari. În această situaţie există “ordine la distanţă”. În lichide această ordine are loc pe distanţe relativ mici, şi se numeşte “ordine apropiată”. Datorită agitaţiei termice, atomii care formează un domeniu cu ordine apropiată se schimbă neîncetat cu alţi atomi din topitură, motiv pentru care lichidele prezintă izotropie.

În unele cazuri, metalele în stare solidă sunt obţinute şi prin alte metode decât prin solidificarea topiturilor. Astfel magneziul şi zincul pot fi obţinute direct din fază de vapori, iar wolframul prin reducere în stare solidă.

Procesele de solidificare pot fi studiat cu ajutorul curbelor de răcire. Curba de răcire a unei substanţe pure are aspectul din fig.2a, unde Ts este temperatura de solidificare. Cum topirea este un fenomen invers solidificării un palier asemănător celui din fig.2a se obţine şi la încălzire. După cum se vede din curba de încălzire a aceleaşi substanţe reprezentată în fig.2b, Tt este temperatura de topire a substanţei si in transformările la quasiechilibru este egală cu Ts temperatura de solidificare.

În fig. 2c este prezentată o curbă reală de solidificare. Diferenţa dintre temperatura ideală de solidificare Ts şi temperatura reală de solidificare Tr se numeşte grad de subrăcire. Fenomenul se datorează stării metastabile, ce corespunde tranziţiilor de fază de ordinul unu.

Fenomenul opus subrăcirii se numeşte supraîncălzire şi constă în ridicarea temperaturii de transformare. Subrăcirea are loc atât la transformările solid–solid (cum sunt transformările alotropice) cât şi la transformările lichid–solid (solidificare).