ΑΕΝ ΑΣΠΡΟΠΥΡΓΟΥ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑ Ε εξαμήνου ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΔΑΝΙΗΛ ΠΛΑΪΝΑΚΗΣ ΚΡΑΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ Κράμα λέγεται κάε μεταλλικό σώμα που αποτελείται από περισσότερο από ένα μέταλλα ή γενικότερα στοιχεία από τα οποία τουλάχιστον ένα είναι μέταλλο. Το κύριο σημείο του ορισμού είναι η μεταλλική υφή του κράματος. Κατά τα άλλα το κράμα μπορεί να περιέχει και αμέταλλα, τα οποία άλλοτε σχηματίζουν ενώσεις με το μέταλλο και άλλοτε μείγματα. Παράδειγμα ο άνρακας που άλλοτε σχηματίζει με το σίδηρο την ένωση που ονομάζεται σεμεντίτης Fe 3 C αλλά και άλλοτε μετέχει στο κράμα και με την μορφή του γραφίτη C. Το πλεονέκτημα του κράματος ως προς το κααρό μέταλλο είναι ότι το πρώτο έχει βελτιωμένες ιδιότητες, σε κάε επιυμητή κατεύυνση. Τα κράματα με βάση το πλήος των συστατικών τους διακρίνονται σε διμερή, όταν αποτελούνται από δύο συστατικά Α και Β, τριμερή κ.λ.π. Εμείς εδώ α ασχοληούμε με τα διμερή κράματα. Έτσι λοιπόν ένα διμερές κράμα δύο στοιχείων Α και Β με βάση την συμπεριφορά του κατά την πήξη που, όπως α δούμε, έχει και πολλές ακόμη συνέπειες, μπορεί να ανήκει σε ένα ή ακόμη και σε συνδυασμό από τα εξής είδη : α) Κράμα τύπου στερεού διαλύματος β) Κράμα απλού ευτηκτικού τύπου γ) Κράμα σύνετου ευτηκτικού τύπου δ) Κράμα ευτηκτοειδούς τύπου ε) Χημική ένωση Ο έλεγχος του τύπου του κράματος και της κρυσταλλικής δομής του γίνεται με τις παρακάτω μεόδους : α) ερμική ανάλυση β) μικροσκοπική εξέταση γ) ακτινανάλυση με ακτίνες Χ ή γ.
2 ΕΙΔΗ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΚΡΑΜΑ ΤΥΠΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ Κράμα τύπου στερεού διαλύματος έχουμε όταν τα στοιχεία Α και Β είναι πλήρως αναμείξιμα και στην υγρή και στη στερεή κατάσταση με αποτέλεσμα να παραμένουν διαλυμένα το ένα μέσα στο άλλο και μετά τη στερεοποίηση. Επομένως δεν είναι δυνατόν πλέον, σε στερεή κατάσταση, τα δύο στοιχεία Α και Β να διακριούν μεταξύ τους ούτε μακροσκοπικά ούτε μικροσκοπικά. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα του Α και του Β διατάσσονται στο κρυσταλλικό πλέγμα το διάλυμα μπορεί να είναι : α) διάλυμα αντικατάστασης όταν τα άτομα του Β αντικαιστούν άτομα του Α μέσα στο κρυσταλλικό τους πλέγμα συνήως ακανόνιστα και σπανίως κανονικά. Αυτό συμβαίνει όταν τα άτομα του Β ελάχιστα διαφέρουν σε μέγεος από τα άτομα του Α. Παράδειγμα το κράμα νικελίου - χαλκού. β) διάλυμα παρεμβολής όταν τα άτομα του Β παρεμβάλλονται μεταξύ των ατόμων του Α μέσα στο κρυσταλλικό τους πλέγμα συνήως ακανόνιστα και σπανίως κανονικά. Αυτό συμβαίνει όταν τα άτομα του Β διαφέρουν σημαντικά σε μέγεος ( πολύ μικρότερα ) από τα άτομα του Α. Αυτό συνήως συμβαίνει στη περίπτωση που το στοιχείο Β είναι αμέταλλο. Παράδειγμα τα κράματα φερρίτης και ωστενίτης ( και τα δύο είναι κράματα Fe - C ). Στερεό διάλυμα αντικατάστασης Στερεό διάλυμα παρεμβολής = άτομα του στοιχείου Β = άτομα του στοιχείου Α
3 ΚΡΑΜΑ ΑΠΛΟΥ ΕΥΤΗΚΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Κράμα απλού ευτηκτικού τύπου έχουμε όταν τα στοιχεία Α και Β είναι πλήρως αναμείξιμα στην υγρή και πλήρως μη αναμείξιμα στη στερεή κατάσταση. Το αποτέλεσμα είναι ότι σε ορισμένη αναλογία των συστατικών του ( ευτηκτική αναλογία ) και σε ορισμένη ερμοκρασία να δημιουργείται ένα χαρακτηριστικό κρυσταλλικό είδος που ονομάζεται κράμα ή ευτηκτική. Το είδος αυτό έχει την ιδιότητα να εμφανίζει το χαμηλότερο σημείο πέρατος τήξης από κάε άλλη αναλογία και γι αυτό λέγεται έτσι, αποτελείται δε από πλακοειδείς κρυστάλλους εναλλάξ των συστατικών του Α και Β. Παράδειγμα έχουμε στο κράμα βισμουίου - καδμίου ( Bi - Cd ). ΚΡΑΜΑ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΕΥΤΗΚΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Κράμα σύνετου ευτηκτικού τύπου έχουμε όταν τα στοιχεία Α και Β είναι πλήρως αναμείξιμα στην υγρή και μερικώς αναμείξιμα στη στερεή κατάσταση. Το αποτέλεσμα είναι ότι πάλι σε ορισμένη αναλογία των συστατικών του ( ευτηκτική αναλογία ) και σε ορισμένη ερμοκρασία να δημιουργείται ένα χαρακτηριστικό κρυσταλλικό είδος που ονομάζεται κράμα ή ευτηκτική. Το είδος αυτό έχει την ιδιότητα να εμφανίζει το χαμηλότερο σημείο πέρατος τήξης από κάε άλλη αναλογία και γι αυτό λέγεται έτσι, αποτελείται δε από πλακοειδείς κρυστάλλους εναλλάξ κορεσμένου διαλύματος Α σε Β και κορεσμένου διαλύματος Β σε Α. Παράδειγμα έχουμε στους χυτοσίδηρους στην περιοχή του λεδεμβουρίτη. ΚΡΑΜΑ ΕΥΤΗΚΤΟΕΙΔΟΥΣ ΤΥΠΟΥ Κράμα ευτηκτοειδούς τύπου έχουμε όταν το ήδη υπάρχον διάλυμα μετασχηματίζεται πάλι σε χαμηλότερη ερμοκρασία με μορφή παρόμοια της ευτηκτικής. Το αποτέλεσμα είναι ότι πάλι σε ορισμένη αναλογία των συστατικών του ( ευτηκτοειδής αναλογία ) και σε ορισμένη ερμοκρασία να δημιουργείται ένα χαρακτηριστικό κρυσταλλικό είδος που ονομάζεται ευτηκτοειδές κράμα ή ευτηκτοειδής. Το είδος αυτό έχει την ιδιότητα να εμφανίζει το χαμηλότερο σημείο πέρατος μετασχηματισμού από κάε άλλη αναλογία και γι αυτό λέγεται έτσι. Παράδειγμα έχουμε στους ανρακούχους χάλυβες στην περιοχή μετασχηματισμού του ωστενίτη σε περλίτη.
4 ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΩΣΗ Χημική ένωση έχουμε όταν τα στοιχεία Α και Β αντιδρούν μεταξύ τους και σχηματίζουν χημική ή μεσομεταλλική ένωση. Η χημική ένωση δεν εμφανίζει μεταλλικό χαρακτήρα και είναι σκληρή αλλά εύραυστη με μικρή μηχανική αντοχή. Γι αυτό και μόνη της δεν αποτελεί καλή επιλογή για κράμα. Εξ άλλου το διάλυμα έχει καλή μηχανική αντοχή πλαστικότητα και δυσραυστότητα αλλά όχι επαρκή συνήως σκληρότητα. Γι αυτό προτιμούμε στη πράξη να έχουμε κράμα που να προκύπτει από συνδυασμό κυρίως στερεού διαλύματος και μικρής αναλογίας χημικής ένωσης ώστε να συνδυάζει τις παραπάνω ιδιότητες σε ικανοποιητικό βαμό. Παράδειγμα χημικής ένωσης είναι ο σεμεντίτης ( Fe 3 C ). ΘΕΡΜΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΔΙΜΕΡΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΑ Τα παρακάτω είναι τυπικά ερμικά διαγράμματα ισορροπίας για τα αντίστοιχα είδη των κραμάτων. Οι κόκκινες γραμμές είναι οι γραμμές Solidus, οι πράσινες γραμμές είναι οι γραμμές Liquidus και οι κυανές γραμμές είναι οι γραμμές Solvus. Θ ( C ) Θ ( C ) Θ ( C ) Π % Β Π % Β Π % Β Στερεό διάλυμα Απλού ευτηκτικού τύπου Σύνετου ευτηκτικού τύπου
5 ΘΕΡΜΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΤΥΠΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ Η μορφή του ερμικού διαγράμματος ισορροπίας κράματος τύπου στερεού διαλύματος είναι η παρακάτω : και Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα τύπου στερεού διαλύματος Έστω κράμα που βρίσκεται με τη μορφή τος με = 20 % και και αρχίζει να αποψύχεται Ακολουούμε την κατακόρυφη γραμμή και μόλις αυτή αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους αρχίζει η στερεοποίηση 0 10 20 Π % σε B Όσο η ερμοκρασία κατεβαίνει συνυπάρχει μαζί με και όταν η κατακόρυφη γραμμή αγγίξει την γραμμή σόλιντους τότε ολόκληρη η ποσότητα του κράματος έχει γίνει πλέον στερεή. Για να υπολογίζουμε τώρα σε μία τυχαία ερμοκρασία την σύσταση του τος αλλά και του στερεού κάνουμε την εξής διαδικασία : Από το σημείο του διαγράμματος που βρισκόμαστε φέρουμε ευεία οριζόντια που τέμνει τις γραμμές λίκουϊντους και σόλιντους σε δύο σημεία και από αυτά φέρουμε δύο κατακόρυφες ευείες που τέμνουν τον οριζόντιο άξονα σε δύο ορισμένες συστάσεις. Από αυτές εκείνη που προέκυψε από την γραμμή λίκουϊντους ( τώρα 10 % ) δίνει την σύσταση του τος και η άλλη που προέκυψε από την γραμμή σόλιντους ( τώρα 80 % ) δίνει την σύσταση του στερεού Ας παρατηρήσουμε ότι : α) στα κράματα το υλικό που στερεοποιείται δεν έχει συνεχώς σταερή αναλογία και οπωσδήποτε όχι απαραίτητα την αναλογία του τος!!! Προφανώς όταν η στερεοποίηση ολοκληρωεί πάλι η σύσταση του στερεού α είναι ίση με την σύσταση του αρχικού τος ( τώρα 20 % ). β) όσο η ερμοκρασία ελαττώνεται τόσο β 1 ) η σύσταση του τος σε Β ελαττώνεται, δηλαδή εμπλουτίζεται σε Α και β 2 ) η σύσταση του στερεού σε Β ελαττώνεται μέχρις ότου τελικά και οι δύο συστάσεις, που συνεχώς πλησιάζουν η μία την άλλη, συμπίπτουν μεταξύ τους καώς και με την αρχική σύσταση του τος στο τέλος της στερεοποίησης.
ΘΕΡΜΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΑΠΛΟΥ ΕΥΤΗΚΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ 6 Η μορφή του ερμικού διαγράμματος ισορροπίας κράματος απλού ευτηκτικού τύπου είναι η παρακάτω : και και Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα απλού ευτηκτικού τύπου υπο. Υπο λέγεται το κράμα που η σύστασή του είναι μικρότερη της ευτηκτικής ( τώρα < 60 % ). Εστω κράμα που βρίσκεται με την μορφή τος με σύσταση 20 % < 60 % σε Β. Όσο το αποψύχεται η ερμοκρασία ελαττώνεται μέχρις ότου αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους. Τη στιγμή αυτή αρχίζει η στερεοποίηση. Για να βρούμε την σύσταση της πρώτης σταγόνας του τος που στερεοποιείται φέρουμε μία οριζόντια ευεία που τέμνει την γραμμή σόλιντους πάνω στον άξονα δηλαδή σε σύσταση 0 % σε Β άρα 100 % σε Α, που σημαίνει ότι στην αρχή στερεοποιείται μόνο το ένα συστατικό, το Α με αποτέλεσμα το να εμπλουτίζεται συνεχώς σε Β, πράγμα που διαπιστώνουμε εύκολα εάν φέρουμε, σε χαμηλότερη ερμοκρασία και δεύτερη οριζόντια ευεία και στην συνέχεια τις κατακόρυφες που τέμνουν τον άξονα των συστάσεων. Αυτό συμβαίνει μέχρις ότου η σύσταση του υγρού που συνεχώς αυξάνει φάσει στην ευτηκτική αναλογία ( τώρα 60 % σε Β ), οπότε αμέσως ( εννοείται όχι ακαριαία χρονικά αλλά χωρίς μεταβολή πλέον της σύστασης ) ολόκληρη η υπόλοιπη ποσότητα του τος στερεοποιείται. Το τελικό αποτελείται από πρωτογενείς κρυστάλλους Α που περιβάλλονται από κρυστάλλους ευτηκτικού κράματος ( περιεκτικότητας 60 % σε Β ). και και
7 Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα απλού ευτηκτικού τύπου υπερ. Υπερ λέγεται το κράμα που η σύστασή του είναι μεγαλύτερη της ευτηκτικής ( τώρα > 60 % ). Έστω κράμα που βρίσκεται με την μορφή τος με σύσταση 80 % > 60 % σε Β. Όσο το αποψύχεται η ερμοκρασία ελαττώνεται μέχρις ότου αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους. Τη στιγμή αυτή αρχίζει η στερεοποίηση. Για να βρούμε την σύσταση της πρώτης σταγόνας του τος που στερεοποιείται φέρουμε μία οριζόντια ευεία που τέμνει την γραμμή σόλιντους πάνω στον άξονα δηλαδή σε σύσταση 100 % σε Β, που σημαίνει ότι στην αρχή στερεοποιείται μόνο το ένα συστατικό, το Β με αποτέλεσμα το να εμπλουτίζεται συνεχώς σε Α, πράγμα που διαπιστώνουμε εύκολα εάν φέρουμε, σε χαμηλότερη ερμοκρασία και δεύτερη οριζόντια ευεία και στην συνέχεια τις κατακόρυφες που τέμνουν τον άξονα των συστάσεων. Αυτό συμβαίνει μέχρις ότου η σύσταση του υγρού που συνεχώς ελαττώνεται φάσει στην ευτηκτική αναλογία ( τώρα 60 % σε Β ), οπότε αμέσως ( εννοείται όχι ακαριαία χρονικά αλλά χωρίς μεταβολή πλέον της σύστασης ) ολόκληρη η υπόλοιπη ποσότητα του τος στερεοποιείται. Το τελικό αποτελείται από πρωτογενείς κρυστάλλους Β που περιβάλλονται από κρυστάλλους ευτηκτικού κράματος (περιεκτικότητας 60 % σε Β ). και και
8 Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα απλού ευτηκτικού τύπου : Ευτηκτικό λέγεται το κράμα που η σύστασή του είναι ίση με την ευτηκτική αναλογία ( τώρα ίση με 60 % σε Β ). Έστω κράμα που βρίσκεται με την μορφή τος με σύσταση 60 % σε Β. Όσο το αποψύχεται η ερμοκρασία ελαττώνεται μέχρις ότου αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους. Τη στιγμή αυτή γίνεται ακαριαία ( όχι χρονικά αλλά χωρίς πλέον να μεταβάλλεται η σύσταση του τος μέχρις ότου ολοκληρωεί η στερεοποίηση) μετάβαση από την υγρή στη στερεή κατάσταση και ολόκληρη η ποσότητα του τος στερεοποιείται με την ευτηκτική αναλογία.το τελικό αποτελείται από κρυστάλλους ευτηκτικού κράματος ( Π(Β) =60 % ). και και Στη συνέχεια α δείξουμε σχηματικά τις κρυσταλλικές δομές που εμφανίζονται κάε φορά που στερεοποιείται ένα κράμα υπο, και υπερ και Α και Β Α και Β και
9 ΘΕΡΜΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΕΥΤΗΚΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Η μορφή του ερμικού διαγράμματος ισορροπίας κράματος σύνετου ευτηκτικού τύπου είναι η παρακάτω : και και Οι γραμμές αυτές λέγονται γραμμές σόλβους Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα σύνετου ευτηκτικού τύπου υπο. Υπο λέγεται το κράμα που η σύστασή του είναι μικρότερη της ευτηκτικής ( τώρα < 60 % ). Εστω κράμα που βρίσκεται με την μορφή τος με σύσταση 30 % < 60 % σε Β. Οσο το αποψύχεται η ερμοκρασία ελαττώνεται μέχρις ότου αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους. Τη στιγμή αυτή αρχίζει η στερεοποίηση. Για να βρούμε την σύσταση της πρώτης σταγόνας του τος που στερεοποιείται φέρουμε μία οριζόντια ευεία που τέμνει την γραμμή σόλιντους και στην συνέχεια την κατακόρυφη που τέμνει τον οριζόντιο άξονα σε σύσταση 15 % σε Β, που σημαίνει ότι στην αρχή στερεοποιείται ένα διάλυμα πλούσιο σε Α με αποτέλεσμα το να εμπλουτίζεται συνεχώς σε Β, πράγμα που διαπιστώνουμε εύκολα εάν φέρουμε, σε χαμηλότερη ερμοκρασία και δεύτερη οριζόντια ευεία και στην συνέχεια τις κατακόρυφες που τέμνουν τον άξονα των συστάσεων. Αυτό συμβαίνει μέχρις ότου η σύσταση του υγρού που συνεχώς αυξάνει φάσει στην ευτηκτική αναλογία ( τώρα 60 % σε Β ), οπότε αμέσως ( εννοείται όχι ακαριαία χρονικά αλλά χωρίς μεταβολή πλέον της σύστασης ) ολόκληρη η υπόλοιπη ποσότητα του τος στερεοποιείται. Το τελικό αποτελείται από κρυστάλλους στερεού διαλύματος που περιβάλλονται από κρυστάλλους ευτηκτικού κράματος (περιεκτικότητας 60 % σε Β ). και και
10 Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα σύνετου ευτηκτικού τύπου υπερ. Υπερ λέγεται το κράμα που η σύστασή του είναι μεγαλύτερη της ευτηκτικής ( τώρα > 60 % ). Έστω κράμα που βρίσκεται με την μορφή τος με σύσταση 70 % > 60 % σε Β. Όσο το αποψύχεται η ερμοκρασία ελαττώνεται μέχρις ότου αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους. Τη στιγμή αυτή αρχίζει η στερεοποίηση. Για να βρούμε την σύσταση της πρώτης σταγόνας του τος που στερεοποιείται φέρουμε μία οριζόντια ευεία που τέμνει την γραμμή σόλιντους και στην συνέχεια την κατακόρυφη που τέμνει τον οριζόντιο άξονα σε σύσταση 85 % σε Β, που σημαίνει ότι στην αρχή στερεοποιείται ένα διάλυμα πλούσιο σε B, με αποτέλεσμα το να εμπλουτίζεται συνεχώς σε A, πράγμα που διαπιστώνουμε εύκολα εάν φέρουμε, σε χαμηλότερη ερμοκρασία και δεύτερη οριζόντια ευεία και στην συνέχεια τις κατακόρυφες που τέμνουν τον άξονα των συστάσεων. Αυτό συμβαίνει μέχρις ότου η σύσταση του τος, που συνεχώς ελαττώνεται, φάσει στην ευτηκτική αναλογία ( τώρα 60 % σε Β ), οπότε αμέσως ( εννοείται όχι ακαριαία χρονικά αλλά χωρίς μεταβολή πλέον της σύστασης ) ολόκληρη η υπόλοιπη ποσότητα του τος στερεοποιείται. Το τελικό αποτελείται από κρυστάλλους στερεού διαλύματος που περιβάλλονται από κρυστάλλους ευτηκτικού κράματος (περιεκτικότητας 60 % σε Β ). και Πορεία σύμφωνα με την οποία στερεοποιείται ένα κράμα σύνετου ευτηκτικού τύπου. Ευτηκτικό λέγεται το κράμα που η σύστασή του είναι ίση με την ευτηκτική αναλογία ( τώρα ίση με 60 % σε Β ). Έστω κράμα που βρίσκεται με την μορφή τος με σύσταση 60 % σε Β. Όσο το αποψύχεται η ερμοκρασία ελαττώνεται μέχρις ότου αγγίξει την γραμμή λίκουϊντους. Τη στιγμή αυτή γίνεται ακαριαία ( όχι χρονικά αλλά χωρίς πλέον να μεταβάλλεται η σύσταση του τος μέχρις ότου ολοκληρωεί η στερεοποίηση) μετάβαση από την υγρή στη στερεή κατάσταση και ολόκληρη η ποσότητα του τος στερεοποιείται με την ευτηκτική αναλογία.το τελικό αποτελείται από κρυστάλλους ευτηκτικού κράματος (περιεκτικότητας 60 % σε Β ).
11 και και Π % σε Στη συνέχεια α δείξουμε σχηματικά τις κρυσταλλικές δομές που εμφανίζονται κάε φορά που στερεοποιείται ένα κράμα υπο, και υπερ. και διάλυμα και διάλυμα διάλυμα και διάλυμα και