TEORIJA LEGURA Čisti metali nemaju ... - MASINAC.org

neograničenom rastvorljivošću jednog elementa u drugom mogu se formirati, ali je neophodno da sezadovolje Hjum-Roderijeva (Hume-Rothery) pravila čvrstih rastvora. Dva atoma moraju da zadovoljesledeće:• kristalne rešetke oba elementa moraju biti jednake,• razlika u poluprečnicima ∆R njihovih atoma mora biti manja od 15%,• razlika u elektronegativnosti ne sme biti značajna,• elementi bi trebalo da imaju istu valentnost.Ako ovi uslovi nisu ispunjeni obrazovanje čvrstog rastvora zamenom atoma neće biti potpuno, akoličina obrazovanog čvrstog rastvora biće ograničena.Ako postoji razlika u prečnicima atoma dva elementa koji formiraju čvrsti rastvor zamenomdoći će do iskrivljenosti kristalne rešetke (skupljanje ili proširivanje) u okolini zamenjenog atoma.U svakom slučaju, u kristalnoj rešetki se pojavljuju naponi. Ovi naponi rastu sa porastom koncentracijerastvorenog elementa i dostižu neku kritičnu vrednost, što dovodi do ograničenog stvaranjačvrstog rastvora. Ako je razlika u prečnicima atoma manja od 15%, "faktor veličine" je pogodan zaobrazovanje čvrstih rastvora. Na primer, neograničenu rastvorljivost u čvrstom stanju imaju metalisa KPC rešetkom u sistemu: Ag–Au (∆R = 0,2%); Ni–Cu (∆R = 3%); Mo–W (∆R = 9,9%); V–Ti(∆R = 2%). Metali kao što su Na, Pb, K, Ca imaju veći prečnik atoma od γ–Fe, Cu, Ag, i ne moguse rastvarati.Čvrsti rastvori sa umetnutim atomima. Pri obrazovanju čvrstih rastvora sa umetnutimatomima, atomi rastvorene komponente raspoređuju se između čvorova u prazan prostor kristalnerešetke rastvarača dok atomi osnovnog elementa ostaju u čvorovima rešetke. Pri tome atomi seraspoređuju, ne u bilo koji prostor između čvorova rešetke, nego u praznine gde za njih ima najvišeslobodnog prostora. Kao primer uzmimo kubnu površinski centriranu rešetku kod koje je najpogodnijaoktaedarska šupljina koja se nalazi u centru elementarne kristalne rešetke.Čvrsti rastvori sa umetnutim atomima mogu se stvarati samo u slučajevima kada je poluprečnikatoma elementa rastvarača mnogo veći od poluprečnika atoma rastvorenog elementa. Kao primeruzmimo atome ugljenika (0,075 nm), azota (0,071 nm), i vodonika (0,046 nm) koji imaju malipoluprečnik i koji se mogu rastvarati u rešetki metala (gvožđu, molibdenu, hromu) i ostvariti čvrstirastvor sa umetnutim atomima. Čvrsti rastvori sa umetnutim atomima mogu se obrazovati samo saograničenom rastvorljivošću, jer se atomi rastvorenog elementa ugrađuju u međuprostore rešetkeelementa rastvarača.Potrebni uslovi za obrazovanje čvrstih rastvora sa umetnutim atomima su:• atomi rastvorenog elementa moraju imati više od jedne valence,• poluprečnik atoma rastvorenog elementa mora biti manji od 59% od atoma elementa rastvarača.Ako ovi uslovi nisu zadovoljeni, neće uopšte doći do obrazovanja čvrstog rastvora sa umetnutimatomima, ili će biti ograničeno.Važan primer čvrstog rastvora sa umetnutim atomima pojavljuje se kod čelika i livenih gvožđa.Na temperaturi većoj od 912°C γ–gvožđe ima KPC rešetku koja ima relativno veliki prazan prostor– „šupljinu“ u centru rešetke. Kako atom ugljenika ima veoma mali poluprečnik (0,075 nm), on jesposoban da prodre u taj prazan prostor (0,053 nm) i na taj način obrazuje čvrsti rastvor gvožđa iugljenika. Na slici je prikazana šematski deformacija rešetke γ–gvožđa u okolini umetnutog atomaugljenika. Na nižim temperaturama gvožđe menja rešetku u KZC, kod koje je prostor između atomagvožđa mnogo manji (0,036 nm), pa je rastvorljivost ugljenika veoma ograničena. Razlika izmeđupoluprečnika atoma ugljenika (0,075 nm) i poluprečnika atoma γ–gvožđa (0,129 nm) je 42%. Ipak ipored ove razlike, u rešetki γ–gvožđa maksimalno se rastvori 2,11%C na temperaturi 1148°C, a urešetki α–gvožđa rastvoreno je samo 0,025%C na temperaturi od 727°C.Rastvorljivost u čvrstom stanju (u čitavom temperaturskom intervalu stabilnosti čvrstog stanja,mada se uobičajeno posmatra od temperature kristalizacije do sobne temperature) može da budeneograničena, ograničena, i da u potpunosti odsustvuje. Neograničena rastvorljivost u čvrstomstanju znači da se atomi komponenata mešaju na svim temperaturama, od temperature kristalizacijedo sobne temperature, u bilo kom količinskom odnosu. Jedan od uslova koji mora da bude ispunjenda bi se javila neograničena rastvorljivost u čvrstom stanju je da se veličina atoma osnovnog i2

legirajaćeg elementa razlikuje najviše do 8%. Ako čvrsti rastvor može da se dobije samo priodređenom količinskom odnosu, onda je rastvorljivost elemenata ograničena, a čvrsti rastvor kojinastaje je sa ograničenom rastvorljivošću. Razlika u veličini atoma osnovnog i legirajućegelementa u slučaju ograničene rastvorljivosti je 8–15%. Stepen rastvorljivosti u slučaju obrazovanjačvrstog rastvora sa ograničenom rastvorljivošću raste sa porastom temperature, jer se povećavarastojanje između atoma. Ukoliko je razlika između atoma osnovnog i legirajućeg elementa veća od15%, legirajući elementi više ne mogu da se rastvaraju u kristalnoj rešetki osnovnog metala na bilokojoj temperaturi čvrstog stanja. Pošto rastvorljivost potpuno odsustvuje u takvim uslovima nemože ni da dođe do obrazovanja čvrstih rastvora. Usvojeno je da se čvrsti rastvori označavajuslovima grčkog alfabeta, npr. α, β, γ, δ. Kriva hlađenja čvrstog rastvora je specifična i razlikuje seod krive hlađenja čistog metala zato što se proces kristalizacije odvija i u temperaturskom i uvremenskom intervalu.Hemijska jedinjenja. Specifičan karakter metalne veze u legurama dovodi do obrazovanjaposebnog oblika hemijskih jedinjenja. Komponente koje učestvuju u obrazovanju hemijskog jedinjenjamogu da budu sve iz grupe metala ili kombinovano metali i metaloidi, ili metali i nemetali.Za razliku od uobičajenih hemijskih jedinjenja koja nastaju hemijskom reakcijom elemenata koji suu tačnom stehiometrijskom odnosu, metalna hemijska jedinjenja mogu da nastanu i kada taj odnosnije zadovoljen, pri promenljivom sastavu, ali obavezno uz obrazovanje kristalne rešetke, sl. 4.7b,koja se najčešće razlikuje od kristalne rešetke pojedinačnih elemenata. Takođe, osobine nastalogjedinjenja se potpuno razlikuju od osobina pojedinačnih komponenata. Kriva hlađenja većinehemijskih jedinjenja je po obliku ista kao i kriva hlađenja čistih metala, što znači da se kristalizacijaodvija na konstantnoj temperaturi, t kr , i u određenom vremenskom intervalu. Neka hemijskajedinjenja su nestabilna na povišenim temperaturama tako da, pre nego što pređu u tečno stanje,dolazi do njihovog razlaganja. U ovakvim slučajevima ne može tačno da se odredi temperaturakristalizacije/topljenja.Mehaničke smeše. Ako se elementi koji ulaze u sastav legure ne rastvaraju u čvrstom stanju, štoznači da ne obrazuju čvrst rastvor, i ne stupaju u hemijsku reakciju praćenu obrazovanjem jedinjenja,onda oni obrazuju mehaničku smešu. Atomi svakog elementa pojedinačno kristališu obrazujućisopstvene kristalne rešetke, sl. 4.7c. Pri obrazovanju mehaničke smeše, kada svaki element kristališesamostalno, osobine nastale legure predstavljaju kombinaciju osobina pojedinačnih elemenata.Mehaničke smeše mogu da se obrazuju ne samo u kombinaciji dva čista elementa, već i između dvačvrsta rastvora sa ograničenom rastvorljivošću u čvrstom stanju ili između čvrstog rastvora saograničenom rastvorljivošću i hemijskog jedinjenja. Mehanička smeša je poznata i pod imenomeutektik. Prisustvo eutektika u sistemu se obično označava slovom E, a u zagradama iza slova Emogu da se upišu faze od kojih je eutektik sastavljen. Kriva hlađenja mehaničke smeše je po oblikuista kao i kriva hlađenja čistog metala.Pri izučavanju procesa koji se javljaju u metalima i legurama pri preobražaju (transformaciji),kao i pri opisivanju njihove strukture koriste se sledeći pojmovi:Sistem, pod kojim se podrazumeva sveukupnost faza koje se nalaze u ravnoteži pri određenimspoljašnjim uslovima (temperaturom i pritiskom). Sistem može da bude prost ako se sastoji iz jednekomponente i složen ako ga čini nekoliko komponenata.Faza, pod kojom se podrazumeva deo sistema, homogen po hemijskom sastavu, osobinama ikristalnoj strukturi, koji je odvojen od ostalih delova sistema graničnom površinom. Faze mogu dabudu metali i nemetali, tečni i čvrsti rastvori, hemijska jedinjenja. Jednofazni sistem je npr.,homogeni rastop, dvofazni – mehanička smeša dve vrste kristala.Komponenta, pod kojom se podrazumevaju materijali koji učestvuju u obrazovanju sistema.Komponente mogu da budu elementi ili stabilna hemijska jedinjenja.3

4.4. DIJAGRAMI STANJA DVOKOMPONENTNIH LEGURADijagrami stanja predstavljaju grafički prikaz faznog stanja legure u zavisnosti od temperature isastava u ravnotežnim uslovima. Da bi se konstruisao dvokomponentni dijagram stanja neophodnoje prethodno odrediti krive hlađenja čitavog niza legura koje sadrže različit procentualni udeolegirajuće komponente, kao i krive hlađenja čistih metala, odnosno hemijskih elemenata koji ulazeu sastav legure.Dijagrami stanja omogućavaju da se za konkretnu leguru odrede preobražaji pri zagrevanju ihlađenju; da se odredi temperatura početka i završetka topljenja (interval kristalizacije) legure; da seutvrdi da li je legura homogena; da li je sklona poroznosti; što su sve podaci od interesa npr. zalivarstvo. Strukturni preobražaji u čvrstom stanju, njihov karakter i strukture koje se dobijaju, kao itemperaturni intervali u kojima započinju i završavaju, su neophodni podaci i korisna saznanja priodređivanju parametara procesa termičke i termomehaničke obrade, zavarivanja, plastične deformacijena hladno i izbora legure.U zavisnosti od razlike u veličini atoma komponenata A i B koje čine leguru, odnosno reakcijekoje mogu da nastanu između komponenata u čvrstom stanju razlikuju se tri osnovna tipa dijagramastanja:• sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju,• sa potpunom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanji,• sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju.4.4.1. Dijagram stanja legura sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanjuKao primer komponenata koje se uopšte ne rastvaraju u čvrstom stanju (razlika u veličini atomaje veća od 15%) mogu da se navedu olovo (Pb) i antimon (Sb). Na sl. 4.9 su prikazane krivehlađenja čistog olova, čistog antimona i tri legure sa različitim sadržajem komponenata. Krivehlađenja koje odgovaraju čistom olovu, čistom antimonu i leguri koja sadrži 87% Pb i 13% Sb,sl. 4.9a,c,e su istog oblika, jer se odlikuju samo jednom kritičnom tačkom kojoj odgovara horizontalnizastoj. Horizontalni zastoj za čiste metale je na 327°C za olovo, odnosno 631°C za antimon štoodgovara njihovim temperaturama kristalizacije. Za leguru koja sadrži 87% Pb i 13% Sb horizontalnizastoj koji odgovara temperaturi 246°C, što predstavlja temperaturu kristalizacije mehaničkesmeše olova i antimona. Temperatura na kojoj se obrazuje mehanička smeša ili eutektik se nazivaeutektička temperatura, a sastav legure – eutektički sastav.a) b) c) d) e)Slika 4.9. Krive hlađenja sistema olovo–kalajZa druge dve legure sistema olovo–kalaj, sl. 4.9b,d, uočavaju se dve kritične tačke, označene sa1 i 2, koje ukazuju na to da legure ne kristališu na konstantnoj temperaturi, već u temperaturnomintervalu. Kod ovih legura je temperatura kristalizacije niža nego kod čistih metala (sl. 4.9b – tačka4

1 je niža od temperature kristalizacije Pb; sl. 4.9d – tačka 1 je niža od temperature kristalizacije Sb),a konačna temperatura kristalizacije ne zavisi od polaznog sastava legure. Za bilo koju leguru izsistema Pb–Sb, nezavisno od procentualnog udela olova, odnosno antimona, konačna temperaturakristalizacije je uvek ista i odgovara eutektičkoj temperaturi (za dati sistem T E = 246°C).Na krivoj hlađenja legure, tačka 1 uvek odgovara početku kristalizacije legure (ili ako je obrnutproces – završetku topljenja) i naziva se likvidus temperatura; tačka 2 uvek odgovara završetkuprocesa kristalizacije (ili ako je obrnut proces – početku topljenja) i naziva se solidus temperatura.Karakteristika ovog tipa dijagrama stanja je da legure bilo kog sastava mogu završno da kristališusamo u slučaju da sve te legure imaju eutektički sastav (87% Pb i 13% Sb). Tako npr., legura Bkoja sadrži 95% Pb i 5% Sb ima veći sadržaj olova, a manji sadržaj antimona u poređenju sasastavom eutektičke legure. Kristalizacija ove legure započinje izdvajanjem kristalnih zrna čistogolova tako da se u preostalom rastopu, kako napreduje proces kristalizacije, sve više smanjujekoličina olova, ali se istovremeno povećava količina antimona. Taj proces se odvija sve do trenutkadok se u preostalom rastopu ne postigne eutektički sastav koji kristališe na eutektičkoj temperaturi(246°C) uz obrazovanje eutektika. Po završetku procesa kristalizacije dobija se struktura koja sesastoji od kristalnih zrna čistog olova i eutektika (mehanička smeša kristala Pb i Sb).Kod legure D (60% Pb i 40% Sb), nasuprot leguri B, postoji višak antimona, odnosno manjakolova u odnosu na eutektički sastav. Zato se u temperaturnom intervalu između tačaka 1 i 2 prikristalizaciji prvo izdvajaju kristalna zrna čistog antimona sve dok se u preostalom rastopu nepostigne eutektički sadržaj od 87% Pb i 13% Sb koji dalje kristališe na eutektičkoj temperaturi od246°C uz obrazovanje eutektika. Strukturu legure D, po završetku procesa kristalizacije, činekristalna zrna čistog antimona i eutektik (mehanička smeša kristala olova i antimona).Ako se sa svih krivih hlađenja kritične temperature, koje odgovaraju tačkama 1 (za sve legurerazličitog sastava su različite) i 2 (za sve legure različitog sastava su iste), prenesu na mrežu sakoordinatama temperatura (ordinata) – koncentracija (apscisa), i te tačke međusobno spoje, dobićese dijagram stanja legura Pb–Sb, sl. 4.9. Na tom dijagramu linija AEB (nastala spajanjem svihtačaka sa oznakom 1) koja odgovara početku kristalizacije legura se naziva likvidus linija. Iznad telinije sve legure se nalaze u tečnom stanju, pa se ta oblast jednoznačno predstavlja kao rastop.Linija CED, koja je nastala spajanjem tačaka 2, označava da je kod svih legura proces kristalizacijezavršen i naziva se solidus linija. Treba zapaziti da, kod dijagrama stanja komponenata koje se nerastvaraju u čvrstom stanju, solidus linija predstavlja istovremeno i eutektičku temperaturu. Ispodsolidus linije sve legure se nalaze u čvrstom stanju, a između solidus i likvidus linija u ravnoteži senalaze tečna i čvrsta faza – što je temperatura bliža likvidus liniji ima više rastopa i obrnuto, što jetemperatura bliža solidus liniji, ima više kristala čvrste faze nego rastopa.Kod dvokomponentnih eutektičkih sistema, kao što je sistem olovo-kalaj, olovo-antimon postojiodređen sastav legure poznat pod nazivom eutektički sastav. Ovaj sastav očvršćava na najnižojtemperaturi u odnosu na druge sastave posmatrane legure. Najniža temperatura na kojoj je leguraeutektičkog sastava još potpuno u tečnoj fazi u uslovima laganog hlađenja, naziva se eutektičkatemperatura. Eutektička temperatura i eutektički sastav određuju u dijagramu stanja tačku kojunazivamo eutektičkom tačkom.Pri laganom hlađenju legure eutektičkog sastava i na eutektičkoj temperaturi tečna faza setransformiše jednovremeno u dve čvrste faze: α–čvrsti rastvor i β–čvrsti rastvor.Ova fazna transformacija naziva se eutektičkom reakcijom i predstavlja se jednačinom:eutektička temperaturahlađenjeTečna faza ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→α-čvrsti rastvor + β-čvrsti rastvorPrema dijagramu stanja Pb–Sb, po liniji AC se iz rastopa izdvajaju kristali olova, a po liniji CBkristali antimona. Između linija AC i DC, uporedo sa rastopom postoje i kristali olova, a izmeđulinija CB i CE – rastop i kristali antimona. Solidus linija DCE je takođe i linija obrazovanja eutektikakojeg čine kristali olova i antimona. Legura koja sadrži 13% Sb (što odgovara tački C) posleočvršćavanja se sastoji samo iz jedne faze – eutektika. Legure koje se po sadržaju antimona nalazelevo od tačke C se nazivaju podeutektičke, a one koje se nalaze desno – nadeutektičke.5

Na osnovu dijagrama stanja može da se odredi, ne samo broj i vrsta faza koje se izdvajaju, već injihov sastav i količinski udeo. Npr., da bi se odredio količinski udeo faza u leguri I–I (80%Sb i20% Pb) na temperaturi 280°C, sl. 4.10, na dijagramu stanja je u prvom koraku neophodno povućiliniju KM. Projekcija tačke K sa likvidus linije na koncentracijsku osu (x–osa) pokazuje sadržajtečne faze: 20% Sb i 80% Pb, a projekcija tačke M – sadržaj čvrste faze: 100% Sb. Odnos tečne ičvrste faze se određuje po pravilu odsečaka (pravilo poluge), prema kome je taj odnos jednak brojukoji se dobija kada se dužina odsečka koja se nalazi na strani „one druge“ faze podeli sa ukupnomdužinom odsečka KM.Slika 4.10. Dijagram stanja olovo–antimon – pravilo polugeNeka je količina kristala čvrste faze antimona označena sa Q č.f ., a količina tečne faze sa Q t.f.Linija legure I–I deli horizontalnu liniju KM dužine 80 jedinica (od 20 do 100) na odsečak KL dužine60 jedinica (od 20 do 80) i odsečak LM dužine 20 jedinica (od 80 do 100). Po pravilu poluge sledi:Q č.f = (KL/KM)⋅100 = (60/80)⋅100 = 75%Q t.f. = (LM/KM)⋅100 = (20/80)⋅100 = 25%odnosno, legura će na 280°C da se sastoji od 75% kristala antimona i 25% tečne faze. Pravilopoluge se na opisani način može primeniti kod bilo kog tipa dijagrama stanja i za bilo koju leguru.4.4.2. Dijagram stanja legura sa neograničenom rastvorljivošću komponenti u čvrstom stanjuNeograničenu rastvorljivost u čvrstom stanju (razlika u veličini atoma je manja od 8%) posedujumnoge dvojne legure kao npr. Fe–Cr, Fe–V, Cu–Ni, Cu–Au, Au–Ag. Na opštem tipu dijagramastanja, sl. 4.11, gornja linija je likvidus linija, a donja – solidus linija. Iznad likvidus linije svelegure se nalaze u tečnom stanju – područje rastopa, a ispod solidus linije sve legure su u čvrstomstanju – područje niza α–čvrstih rastvora. Između likvidus i solidus linija se odvija proces kristalizacijelegura koje se sastoje iz tečne i čvrste faze.Ako se posmatra proces kristalizacije neke legure prema tom dijagramu stanja pri veomasporom hlađenju, tj. u ravnotežnim uslovima. Neka to bude legura I–I koja se sastoji od 50%komponente A i 50% komponente B, sl. 4.11. Pri temperaturi t kr započinje proces kristalizacije iobrazuju se prvi kristali čvrste faze.6

It krMLK I N PSlika 4.11. Dijagram stanja sa potpunom rastvorljivošću u čvrstom stanjuPošto se komponente A i B neograničeno rastvaraju jedna u drugoj i u tečnom i u čvrstom stanju,to mogu da postoje samo dve faze – rastop (R) i čvrsti rastvor (α). Sastav čvrste faze (sastav kristalakoji se nalazi u ravnoteži sa tečnom fazom se očitava na solidus liniji) na posmatranoj temperaturi jeodređen projekcijom tačke M na koncentracijsku osu. To znači da prvi kristali koji se obrazuju imajusastav koji odgovara tački M. Pri daljem hlađenju, kada legura dostigne npr. temperaturu t 1 , u ravnotežisa rastopom se nalaze samo kristali čiji sastav odgovara tački L na solidus liniji.Razmotrimo na koji način se prethodno obrazovani kristaliti sastava koji odgovara tački Mtransformišu u kristalite sastava koji odgovara tački L. U kristalitima sastava M ima više komponenteB nego u kristalitima sastava L, što znači da kristaliti komponente B treba da se obogate komponentomA. To se i dešava, a sam proces se odvija na račun difuzije atoma komponente A na posmatranojtemperaturi. Pri dovoljno dugom vremenu držanja ili veoma sporom hlađenju na temperaturi t 1 uspostavljase ravnoteža kristala sastava koji odgovara tački L i rastopa. Međutim, u kristalima sastava Lkomponente B je više nego u leguri, što znači da je preostala tečna faza osiromašena na komponentiB. Na posmatranoj temperaturi sastav tečne faze se određuje projekcijom tačke N sa likvidus linije nakoncentracijsku osu.Pri daljem hlađenju, kada legura dostigne temperaturu t 2 i kada se uspostavi ravnoteža, legura sesastoji iz kristala čvrstog rastvora sastava koji odgovara tački K i dela tečne faze čiji sastav odgovaratački P.Na taj način, sa sniženjem temperature raste udeo kristala α–čvrstog rastvora čiji se sastav sveviše približava polaznom. Na temperaturi t s dolazi do potpune kristalizacije legure koja se sastoji izhomogenih kristala α–čvrstog rastvora polaznog sastava. Opisani proces se odvija u uslovimaveoma sporog hlađenja, jer je samo tada moguće da dođe do potpunog izjednačavanja hemijskogsastava u svim nastalim kristalnim zrnima. Kada se hlađenje odvija većom brzinom (najčešće su torealni uslovi hlađenja) sastav kristala nije homogen, a uzrok ove pojave leži u činjenici da je brzinakristalizacije veća od brzine difuzije atoma.Nehomogenost hemijskog sastava unutar poligonalnih kristalnih zrna se naziva kristalna likvacija,a kada je takva nehomogenost povezana sa kristalnim zrnima oblika dendrita, onda se takvanehomogenost u hemijskom sastavu naziva dendritna likvacija. Dendritna likvacija inače može dase odstrani dugotrajnim zagrevanjem legure na visokim temperaturama, koje je poznato kao difuzionožarenje. Tokom difuzionog žarenja se intenzivira premeštanje (difuzija) atoma iz oblasti savećom koncentracijom u oblasti sa manjom koncentracijom, usled čega dolazi do izjednačavanjahemijskog sastava. Nehomogenost po zapremini celog komada, zonalna likvacija, se praktično nemože odstraniti.Dijagram stanja sistema Cu–Ni, sl. 4.12, je po obliku isti kao i opšti tip dijagrama stanja legurasa neograničenom rastvorljivošću u čvrstom stanju. Konstruisan je na osnovu krivih hlađenja dvačista metala, bakra i nikla (učešće komponenata – 100%) i niza krivih hlađenja legura sa različitom7

količinom bakra i nikla. Spajanjem tačaka sa krivih hlađenja koje odgovaraju početku kristalizacijeoba metala (za Cu–1083°C, a za Ni–1452°C) i svih legura je dobijena likvidus linija. Na isti način,spajanjem tačaka sa krivih hlađenja koje odgovaraju završetku kristalizacije oba metala i svihlegura, dobijena je solidus linija. Treba uočiti da temperature početka i završetka kristalizacije rastusa porastom sadržaja nikla u leguri. Iznad likvidus linije je ceo sistem u rastopljenom stanju (R), aispod solidus linije u čvrstom stanju, gde postoji neprekidan niz α čvrstih rastvora. Između likvidusi solidus linija se istovremeno nalaze i tečna i čvrsta faza (R + α), s tim što je količina čvrste fazeveća što je temperatura bliža odgovarajućoj solidus temperaturi.Slika 4.12. Dijagram stanja legura Cu–Ni4.4.3. Dijagram stanja legura sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanjuDijagram stanja sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju je karakterističanza brojne sisteme u koje spadaju npr. Cu–Al, Cu–Zn, Al–Mg, itd, a opšti tip tog dijagrama stanja jeprikazan na sl. 4.13.Slika 4.13. Opšti tip dijagrama stanja sa delimičnom rastvorljivošću u čvrstom stanjuRazlika u veličini atoma hemijskih elemenata koji obrazuju ovakav tip dijagrama stanja jeizmeđu 8 i 15%, što znači da legirajući element do tačno određenog sadržaja može da se rastvori u8

ešetki osnovnog metala, čime nastaje čvrst rastvor. Kada je legirajući element sadržan u leguripreko određene količine, on više ne može uopšte da se rastvara. Stoga, ovaj tip dijagrama stanja,radi jednostavnosti, može da se prikaže kao da je dobijen kombinacijom dijagrama stanja legurakoje se uopšte ne rastvaraju u čvrstom stanju (tip I) i dijagrama stanja legura sa potpunom rastvorljivošćuu čvrstom stanju (tip II), sl. 4.14.Slika 4.14. Pojednostavljen prikaz dijagrama stanja legura sa sl. 4.13Na sl. 4.14 je prikazan dijagram stanja legura za slučaj kada obe komponente mogu da obrazujučvrste rastvore do određenog sadržaja legirajuće komponente. Prema prikazanoj slici, metal A možeda rastvori do 40% metala B, a metal B rastvara do 20% metala A. Stoga će sa obe strane dijagramastanja da postoji oblast čvrstog rastvora, α–na strani metala A i β–na strani metala B. Ove dveoblasti izgledaju kao delovi dijagrama stanja legura sa potpunom rastvorljivošću (tip II). Rastvorljivostje ograničena (do 40% B, odnosno 20% A), a linija koja pokazuje to ograničenje se nazivalinija rastvorljivosti ili solvus linija. Između linija zasićenja, sadržaji komponenata A i B su takvida se one više ne rastvaraju jedna u drugoj, a kristalizacija legura se odvija prema dijagramu stanjalegura tipa I. Ova oblast dijagrama stanja je po obliku ista kao i dijagram stanja legura Pb–Sb, s tomrazlikom što pojedinačne faze i faze koje obrazuju mehaničku smešu više nisu čisti metali, većčvrsti rastvori α i β.Kristalizacija legura sa sadržajem komponente B do 40% se odvija tako što ispod likvidus linijepočinje izdvajanje prvih kristala α čvrstog rastvora iz rastopa i taj proces traje sve dok rastop upotpunosti ne pređe u čvrsto stanje. Kraj procesa kristalizacije je označen odgovarajućim delomsolidus linije. Ispod solidus linije sve te legure u čvrstom stanju su u obliku α čvrstog rastvora. Istitip kristalizacije se odvija i na strani komponente B samo uz obrazovanje β čvrstog rastvora sagraničnim sadržajem legirajuće komponente A do 20%.Legure sa sadržajem komponente B od tačke C do tačke E (podeutektičke legure) kristališu takošto se ispod likvidus linije pa do solidus linije CED izdvajaju iz rastopa kristali α čvrstog rastvora.Sa sniženjem temperature do solidus linije, koja je u ovom delu i eutektička linija (tip dijagramastanja I), preostali rastop poprima eutektički sadržaj pa se i završetak kristalizacije ovih leguraodvija uz obrazovanje eutektika koji se sastoji od smeše kristala dva čvrsta rastvora. Ispod solidus(eutektičke) linije struktura podeutektičkih legura se sastoji od kristala α čvrstog rastvora i kristalaeutektika. Legura sa eutektičkim sadržajem počinje da kristališe i završava taj proces na konstantnoj,eutektičkoj, temperaturi i sastoji se samo od mehaničke smeše dva čvrsta rastvora (α + β).Nadeutektičke legure, legure sa sadržajem komponente B između tačaka E i D (komponenta Bviše nije legirajuća već osnovna komponenta), započinju kristalizaciju sa izdvajanjem β čvrstograstvora. Na eutektičkoj liniji, preostali rastop očvršćava u vidu mehaničke smeše kristala α i βčvrstih rastvora. Ispod solidus linije, mikrostruktura svih legura sastoji se od β čvrstog rastvora ikristala mehaničke smeše dva čvrsta rastvora.9

Ako se uporede dijagrami stanja na sl. 4.13 i 4.14, može da se uoči da solvus linije nemaju istioblik. Solvus linija na sl. 4.13 pokazuje pad rastvorljivosti komponente B u kristalnoj rešetkiosnovnog metala A, sa sniženjem temperature od eutektičke do sobne. Ovakvo ponašanje se češćejavlja kod legura ovog tipa dijagrama stanja. Sa sniženjem temperature, usled smanjenja rastvorljivosti,onaj deo atoma komponente B koji „postaje višak“ mora da se izdvoji iz kristalne rešetkekomponente A. Izdvajanje viška komponente B je praćeno pojavom sitnih čestica, koje su označenekao sekundarna faza ili talog čvrstog rastvora na bazi komponente B, ili hemijskog jedinjenja akoga komponente A i B pri nekom sadržaju obrazuju. Proces izdvajanja sekundarne faze iz čvrstograstvora se naziva sekundarna kristalizacija, za razliku od primarne kristalizacije, koja se odvija izrastopa.4.4.5. Veza između svojstava legura i tipa dijagrama stanjaSvojstva legura zavise od vrste reakcije koja se odvija između komponenata, odnosno odstrukture koja se obrazuje. Drugim rečima, mora da postoji veza između svojstava legura i njihovihdijagrama stanja. Na sl. 4.15 je šematski prikazan opšti tok promene tvrdoće H, i specifične električneotpornosti ρ, u zavisnosti od tipa dijagrama stanja. Na osnovu sl. 4.15 može da se zaključi dase u slučaju obrazovanja:- mehaničke smeše, svojstva menjaju skoro pravolinijski, sl. 4.15a- čvrstih rastvora, svojstva menjaju parabolično, sl. 4.15b- hemijskih jedinjenja, svojstva menjaju skokovito, sl. 4.15c.a) b) c)Slika 4.15(a–c). Veza između svojstava legura i tipa dijagrama stanjaNa osnovu dijagrama stanja mogu da se predvide i tehnološka svojstva legura. Tako npr. većitemperaturni interval između likvidus i solidus linija znači da je legura više sklona likvaciji, veća jeporoznost i sklonost ka pojavi prslina kod odlivaka. Najbolju livkost imaju eutektičke legure kao inajbolju obradljivost rezanjem. Jednofazne legure – čvrsti rastvori – imaju najbolju sposobnostdeformisanjem u toplom i hladnom stanju. Legure koje se nalaze u oblasti solvus linije mogu jedineda se termički obrađuju u cilju poboljšanja mehaničkih osobina.Na osnovu izloženog jasno je da dijagrami stanja omogućavaju da se na naučnoj osnovi predvidesvojstva legura, izabere legura sa optimalnim osobinama za željenu namenu i da se primeniracionalna vrsta obrade.10