28 April 2020 Off By Sdbamie



9.1 Introduction


Component: pure metal or compound (e.g., Cu, Zn in Cu-Zn alloy, sugar, water, in a syrup.)
Solvent: host or major component in solution.
Solute: dissolved, minor component in solution.
System: set of possible alloys from same component (e.g., iron-carbon system.)
Solubility Limit: Maximum solute concentration that can be dissolved at a given temperature.
Phase: part with homogeneous physical and chemical characteristics


9.2 Solubility Limit

Effect of temperature on solubility limit. Maximum content: saturation. Exceeding maximum content (like when cooling) leads to precipitation.


9.3 Phases

One-phase systems are homogeneous. Systems with two or more phases are heterogeneous, or mixtures. This is the case of most metallic alloys, but also happens in ceramics and polymers. A two-component alloy is called binary. One with three components, ternary.


9.4 Microstructure

The properties of an alloy do not depend only on concentration of the phases but how they are arranged structurally at the microscopy level. Thus, the microstructure is specified by the number of phases, their proportions, and their arrangement in space.
A binary alloy may be

  • a single solid solution
  • two separated, essentially pure components.
  • two separated solid solutions.
  • a chemical compound, together with a solid solution.

The way to tell is to cut the material, polish it to a mirror finish, etch it a weak acid (components etch at a different rate) and observe the surface under a microscope. 


9.5 Phase Equilibrium


Equilibrium is the state of minimum energy. It is achieved given sufficient time. But the time to achieve equilibrium may be so long (the kinetics is so slow) that a state that is not at an energy minimum may have a long life and appear to be stable. This is called a metastable state.
A less strict, operational, definition of equilibrium is that of a system that does not change with time during observation.

Equilibrium Phase Diagrams

Give the relationship of composition of a solution as a function of temperatures and the quantities of phases in equilibrium. These diagrams do not indicate the dynamics when one phase transforms into another. Sometimes diagrams are given with pressure as one of the variables. In the phase diagrams we will discuss, pressure is assumed to be constant at one atmosphere.


9.6 Binary Isomorphous Systems

This very simple case is one complete liquid and solid solubility, an isomorphous system. The example is the Cu-Ni alloy . The complete solubility occurs because both Cu and Ni have the same crystal structure (FCC), near the same radii, electronegativity and valence. The liquidus line separates the liquid phase from solid or solid + liquid phases. That is, the solution is liquid
above the liquidus line.
The solidus line is that below which the solution is completely solid (does not contain a liquid phase.)

Interpretation of phase diagrams

Concentrations: Tie-line method
a. locate composition and temperature in diagram
b. In two phase region draw tie line or isotherm
c. note intersection with phase boundaries. Read compositions.
Fractions: lever rule
a. construct tie line (isotherm)
b. obtain ratios of line segments lengths.
Note: the fractions are inversely proportional to the length to the boundary for the particular phase. If the point in the diagram is close to the phase line, the fraction of that phase is large.


Development of microstructure in isomorphous alloys

a) Equilibrium cooling

Solidification in the solid + liquid phase occurs gradually upon cooling from the liquidus line. The composition of the solid and the liquid change gradually during cooling (as can be determined by the tie-line method.) Nuclei of the solid phase form and they grow to consume all the liquid at the solidus line.


b) Non-equilibrium cooling

Solidification in the solid + liquid phase also occurs gradually. The composition of the liquid phase evolves by diffusion, following the equilibrium values that can be derived from the tie-line method. However, diffusion in the solid state is very slow. Hence, the new layers that solidify on top of the grains have the equilibrium composition at that temperature but once they are solid their composition does not change. This lead to the formation of layered (cored) grains (Fig. 9.14) and to the invalidity of the tie-line method to determine the composition of the solid phase (it still works for the liquid phase, where diffusion is fast.) 


9.7 Binary Eutectic Systems

Interpretation: Obtain phases present, concentration of phases and their fraction (%).
Solvus line: limit of solubility Eutectic or invariant point. Liquid and two solid phases exist in equilibrium at the eutectic composition and the eutectic temperature.
• the melting point of the eutectic alloy is lower than that of the components (eutectic = easy to melt in Greek).
• At most two phases can be in equilibrium within a phase field.
• Single-phase regions are separated by 2-phase regions.

Development of microstructure in eutectic alloys Case of lead-tin alloys. A layered, eutectic structure develops when cooling below the eutectic temperature. Alloys which are to the left of the eutectic concentration (hipoeutectic) or to the right (hypereutectic) form a proeutectic phase before reaching the eutectic temperature, while in the solid + liquid region. The eutectic structure then adds when the remaining liquid is solidified when cooling further.
The eutectic microstructure is lamellar (layered) due to the reduced diffusion distances in the solid state.
To obtain the concentration of the eutectic microstructure in the final solid solution, one draws a vertical line at the eutectic concentration and applies the lever rule treating the eutectic as a separate phase.

9.8 Equilibrium Diagrams Having Intermediate Phases or Compounds

A terminal phase or terminal solution is one that exists in the extremes of concentration (0 and 100%) of the phase diagram. One that exists in the middle, separated from the extremes, is called an intermediate phase or solid solution. An important phase is the intermetallic compound, that has a precise chemical compositions. When using the lever rules, intermetallic compounds are treated like any other phase, except they appear not as a wide region but as a vertical line.

9.9 Eutectoid and Peritectic Reactions

The eutectoid (eutectic-like) reaction is similar to the eutectic reaction but occurs from one solid phase to two new solid phases. It also shows as V on top of a horizontal line in the phase diagram.
There are associated eutectoid temperature (or temperature), eutectoid phase, eutectoid and proeutectoid microstructures. Solid Phase 1 à Solid Phase 2 + Solid Phase 3 

The peritectic reaction also involves three solid in equilibrium, the transition is from a solid + liquid phase to a different solid phase when cooling. The inverse reaction occurs when heating.

Solid Phase 1 + liquid à Solid Phase 2

9.10 Congruent Phase Transformations

Another classification scheme. Congruent transformation is one where there is no change in composition, like allotropic transformations (e.g., a-Fe to g-Fe) or melting transitions in pure solids.

9.13 The Iron–Iron Carbide (Fe–Fe3C) Phase Diagram

This is one of the most important alloys for structural applications. The diagram Fe—C is simplified at low carbon concentrations by assuming it is the Fe—Fe3C diagram. Concentrations are usually given in weight percent. The possible phases are:
• a-ferrite (BCC) Fe-C solution
• g-austenite (FCC) Fe-C solution
• d-ferrite (BCC) Fe-C solution
• liquid Fe-C solution
• Fe3C (iron carbide) or cementite. An intermetallic compound.

The maximum solubility of C in a- ferrite is 0.022 wt%. d-ferrite is only stable at high temperatures. It is not important in practice. Austenite has a maximum C concentration of 2.14 wt %. It is not stable below the eutectic temperature (727 C) unless cooled rapidly (Chapter 10). Cementite is in reality metastable,
decomposing into a-Fe and C when heated for several years between 650 and 770 C.
For their role in mechanical properties of the alloy, it is important to note that:

  • Ferrite is soft and ductile
  • Cementite is hard and brittle
  • Thus, combining these two phases in solution an alloy can be obtained with intermediate properties.
  • (Mechanical properties also depend on the microstructure, that is, how ferrite and cementite are mixed.)

9.14 Development of Microstructures in Iron—Carbon Alloys

The eutectoid composition of austenite is 0.76 wt %. When it cools slowly it forms perlite, a lamellar or layered structure of two phases: a-ferrite and cementite (Fe3C).
Hypoeutectoid alloys contain proeutectoid ferrite plus the eutectoid perlite. Hypereutectoid alloys contain proeutectoid cementite plus perlite.
Since reactions below the eutectoid temperature are in the solid phase, the equilibrium is not achieved by usual cooling from austenite. The new microstructures that form are discussed in Ch-10.

9.15 The Influence of Other Alloying Elements

As mentioned in section 7.9, alloying strengthens metals by hindering the motion of dislocations. Thus, the strength of Fe–C alloys increase with C content and also with the addition of other elements.

9.1 परिचय


घटक : शुद्ध धातु या यौगिक (जैसे, Cu, Zn में Cu-Zn मिश्र धातु, चीनी, पानी, एक सिरप में।)
विलायक : समाधान में मेजबान या प्रमुख घटक।
घुला हुआ पदार्थ : घोल में घोल, मामूली घटक।
प्रणाली : एक ही घटक से संभव मिश्र धातुओं का सेट (जैसे, लौह-कार्बन प्रणाली।)
घुलनशीलता सीमा : अधिकतम विलेय सांद्रता जो किसी दिए गए तापमान पर भंग किया जा सकता है।
चरण : सजातीय भौतिक और रासायनिक विशेषताओं के साथ हिस्सा

9.2 विलेयता की सीमा

घुलनशीलता सीमा पर तापमान का प्रभाव। अधिकतम सामग्री: संतृप्ति। अधिकतम सामग्री (जैसे ठंडा होने पर) से अधिक वर्षा होती है।

9.3 चरण

एक-चरण प्रणाली सजातीय हैं। दो या दो से अधिक चरणों वाले सिस्टम विषम या मिश्रण होते हैं। यह अधिकांश धातु मिश्र धातुओं का मामला है, लेकिन सिरेमिक और पॉलिमर में भी होता है। द्वि-घटक मिश्र धातु को द्विआधारी कहा जाता है। तीन घटकों के साथ एक, टर्नरी।

9.4 माइक्रोस्ट्रक्चर

एक मिश्रधातु के गुण केवल चरणों की सघनता पर निर्भर नहीं करते हैं बल्कि सूक्ष्मदर्शी स्तर पर उन्हें संरचनात्मक रूप से कैसे व्यवस्थित किया जाता है। इस प्रकार, माइक्रोस्ट्रक्चर को चरणों की संख्या, उनके अनुपात और अंतरिक्ष में उनकी व्यवस्था द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है।
एक बाइनरी मिश्र धातु हो सकता है

  • एक ठोस समाधान
  • दो अलग, अनिवार्य रूप से शुद्ध घटक।
  • दो अलग ठोस समाधान।
  • एक रासायनिक यौगिक, एक ठोस समाधान के साथ।

यह बताने का तरीका यह है कि सामग्री को काटकर, दर्पण को खत्म करने के लिए इसे पॉलिश करें, इसे एक कमजोर एसिड (एक अलग दर पर घटकों को खोदें) और एक माइक्रोस्कोप के तहत सतह का निरीक्षण करें। 

9.5 चरण संतुलन

संतुलन न्यूनतम ऊर्जा की स्थिति है। इसे पर्याप्त समय दिया जाता है। लेकिन संतुलन प्राप्त करने का समय इतना लंबा हो सकता है (कैनेटीक्स इतना धीमा होता है) कि एक राज्य जो न्यूनतम ऊर्जा पर नहीं है, उसका जीवन लंबा हो सकता है और स्थिर हो सकता है। इसे एक मेटास्टेबल स्थिति कहा जाता है।
एक कम सख्त, परिचालन, संतुलन की परिभाषा एक ऐसी प्रणाली है जो अवलोकन के दौरान समय के साथ नहीं बदलती है।

संतुलन चरण आरेख

तापमान के एक समारोह और संतुलन में चरणों की मात्रा के रूप में एक समाधान की संरचना का संबंध दें। जब एक चरण दूसरे में बदल जाता है तो ये आरेख गतिशीलता को इंगित नहीं करते हैं। कभी-कभी आरेखों को एक चर के रूप में दबाव के साथ दिया जाता है। चरण आरेखों में हम चर्चा करेंगे, दबाव को एक वातावरण में स्थिर माना जाता है।

9.6 बाइनरी आइसोमॉर्फस सिस्टम

यह बहुत ही सरल मामला एक पूर्ण तरल और ठोस घुलनशीलता है, एक आइसोमोर्फस प्रणाली है। इसका उदाहरण Cu-Ni मिश्र धातु है। पूर्ण घुलनशीलता इसलिए होती है क्योंकि Cu और Ni दोनों में एक ही रेडी, इलेक्ट्रोनगेटिविटी और वैलेंस के पास एक ही क्रिस्टल संरचना (FCC) होती है। द्रव की रेखा तरल चरण को ठोस या ठोस + तरल चरणों से अलग करती है। यही है, समाधान तरल
रेखा के ऊपर तरल है।
सॉलिडस लाइन वह है जिसके नीचे समाधान पूरी तरह से ठोस होता है (जिसमें तरल चरण नहीं होता है।)

चरण आरेखों की व्याख्या

सांद्रता: टाई-लाइन विधि
ए। आरेख में रचना और तापमान का पता लगाएं
b। दो चरण क्षेत्र में टाई लाइन या इज़ोटेर्म
सी ड्रा । चरण सीमाओं के साथ चौराहे पर ध्यान दें। रचनाएँ पढ़ें।
अंश: लीवर नियम
a। निर्माण टाई लाइन (इज़ोटेर्म)
बी। लाइन खंड लंबाई के अनुपात प्राप्त करें।
नोट: अंश विशेष चरण के लिए सीमा की लंबाई के विपरीत आनुपातिक हैं। यदि आरेख में बिंदु चरण रेखा के करीब है, तो उस चरण का अंश बड़ा है।

आइसोमोर्फस मिश्र में माइक्रोस्ट्रक्चर का विकास

ए) संतुलन ठंडा

सॉलिड + लिक्विड फेज में सॉलिडिफिकेशन धीरे-धीरे लिक्विड लाइन से ठंडा होने पर होता है। ठोस और तरल की संरचना शीतलन के दौरान धीरे-धीरे बदलती है (जैसा कि टाई-लाइन विधि द्वारा निर्धारित किया जा सकता है।) ठोस चरण के नाभिक और वे सभी तरल को सॉल्यूस लाइन पर उपभोग करने के लिए बढ़ते हैं।

बी) गैर-संतुलन शीतलन

ठोस + तरल अवस्था में जमना भी धीरे-धीरे होता है। तरल चरण की संरचना संतुलन द्वारा विकसित होती है, जो संतुलन मूल्यों के बाद होती है जिसे टाई-लाइन विधि से प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, ठोस अवस्था में प्रसार बहुत धीमा है। इसलिए, नई परतें जो अनाज के ऊपर जम जाती हैं, उस तापमान पर संतुलन रचना होती है, लेकिन एक बार जब वे ठोस हो जाती हैं तो उनकी संरचना नहीं बदलती है। यह ठोस चरण की संरचना को निर्धारित करने के लिए स्तरित (कोर) अनाज (चित्र। 9.14) और टाई-लाइन विधि की अशुद्धता के लिए नेतृत्व करता है (यह अभी भी तरल चरण के लिए काम करता है, जहां प्रसार तेज है।) 

9.7 बाइनरी यूटेटिक सिस्टम

व्याख्या: वर्तमान चरणों, चरणों की एकाग्रता और उनके अंश (%) को प्राप्त करें।
सॉल्वस लाइन: विलेयता की सीमा Eutectic या invariant बिंदु। तरल और दो ठोस चरण अण्डाकार रचना और यूक्टेक्टिक तापमान पर संतुलन में मौजूद हैं।
• यूक्टेक्टिक मिश्र धातु का पिघलने बिंदु घटकों की तुलना में कम है (ग्रीक में पिघलना आसान है)।
• कम से कम दो चरण एक चरण क्षेत्र के भीतर संतुलन में हो सकते हैं।
• एकल-चरण क्षेत्र 2-चरण क्षेत्रों द्वारा अलग किए जाते हैं।

यूक्टेक्टिक मिश्र धातुओं में माइक्रोस्ट्रक्चर का विकास सीसा-टिन मिश्र धातुओं का मामला। एक स्तरित, यूक्टेक्टिक संरचना विकसित होती है, जब यूक्टेक्टिक तापमान के नीचे ठंडा होता है। मिश्रधातुएं जो यूटेक्टिक सांद्रता (हिपोयूटेक्टिक) के दाईं ओर या दायीं ओर (हाइपरेक्टेक्टिक) होती हैं, जो इच्छामृत्यु के तापमान तक पहुंचने से पहले एक प्रोएक्टेक्टिक चरण बनाती हैं, जबकि ठोस + तरल क्षेत्र में। यूटैक्टिक संरचना तब जोड़ती है जब आगे ठंडा होने पर शेष तरल जम जाता है।
ठोस अवस्था में कम प्रसार दूरी के कारण यूटेक्टिक माइक्रोस्ट्रक्चर लैमेलर (स्तरित) है।
अंतिम ठोस विलयन में युक्टेक्टिक माइक्रोस्ट्रक्चर की सांद्रता प्राप्त करने के लिए, एक यूटक्टिक सघनता पर एक लंबवत रेखा खींचता है और एक अलग चरण के रूप में यूटेरिक का इलाज करने वाले लीवर नियम को लागू करता है।

इंटरमीडिएट चरणों या यौगिकों के साथ 9.8 संतुलन चित्र

एक टर्मिनल चरण या टर्मिनल समाधान वह है जो चरण आरेख की एकाग्रता (0 और 100%) की चरम सीमा में मौजूद है। एक जो बीच में मौजूद है, चरम सीमा से अलग हो जाता है, उसे मध्यवर्ती चरण या ठोस समाधान कहा जाता है। एक महत्वपूर्ण चरण इंटरमेटेलिक यौगिक है, जिसमें एक सटीक रासायनिक रचनाएं हैं। लीवर नियमों का उपयोग करते समय, इंटरमिटेलिक यौगिकों को किसी अन्य चरण की तरह व्यवहार किया जाता है, सिवाय इसके कि वे एक विस्तृत क्षेत्र के रूप में नहीं बल्कि एक ऊर्ध्वाधर रेखा के रूप में दिखाई देते हैं।

9.9 यूटेक्टॉइड और पेरिटेक्टिक प्रतिक्रियाएं

यूटेक्टॉइड (यूक्टेक्टिक-जैसी) प्रतिक्रिया यूटक्टिक प्रतिक्रिया के समान है लेकिन एक ठोस चरण से दो नए ठोस चरणों तक होती है। यह चरण आरेख में एक क्षैतिज रेखा के शीर्ष पर V के रूप में भी दिखाता है।
जुड़े हुए यूटेक्टॉइड तापमान (या तापमान), यूटेक्टॉइड चरण, यूटेक्टॉइड और प्रोयूटेक्टॉइड माइक्रोस्ट्रक्चर हैं। ठोस चरण 1 आ ठोस चरण 2 + ठोस चरण 3 

पेरिटेक्टिक प्रतिक्रिया में संतुलन में तीन ठोस भी शामिल हैं, संक्रमण एक ठोस + तरल चरण से ठंडा होने तक एक अलग ठोस चरण से होता है। उलटा प्रतिक्रिया गर्म होने पर होती है।

ठोस चरण 1 + तरल एक ठोस चरण 2

9.10 अभिनंदन चरण रूपांतरण

एक और वर्गीकरण योजना। समसामयिक परिवर्तन वह होता है, जहां रचना में कोई परिवर्तन नहीं होता है, जैसे कि एलोट्रोपिक परिवर्तन (जैसे, ए-फे टू जी-फ़े) या शुद्ध ठोस में संक्रमण पिघलना।

9.13 आयरन-आयरन कार्बाइड (Fe-Fe3C) चरण आरेख

यह संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए सबसे महत्वपूर्ण मिश्र धातुओं में से एक है। आरेख Fe- C को कम कार्बन सांद्रता में सरल मानकर इसे Fe-Fe3C आरेख कहा जाता है। सांद्रता आमतौर पर वजन प्रतिशत में दी जाती है। संभव चरण होते हैं:
• एक-फेराइट (बीसीसी) Fe-C समाधान
• जी ऑस्टेनाईट austenite (एफसीसी) Fe-C समाधान
• डी-फेराइट (बीसीसी) Fe-C समाधान
• तरल Fe-C समाधान
• Fe3C (लौह कार्बाइड) या सीमेंटेड है। एक इंटरमेटेलिक यौगिक।

A- फेराइट में C की अधिकतम घुलनशीलता 0.022 wt% है। डी-फेराइट केवल उच्च तापमान पर स्थिर होता है। यह अभ्यास में महत्वपूर्ण नहीं है। ऑस्टेनाइट में अधिकतम C एकाग्रता 2.14 wt% है। यह तब तक स्थिर नहीं होता है जब तक कि यह तेजी से ठंडा नहीं होता (727 C)। (अध्याय 10) सीमेंटाइट वास्तव में मेटास्टेबल है,
650 और 770 सी के बीच कई वर्षों तक गर्म होने पर ए-एफ और सी में विघटित होता है
, मिश्र धातु के यांत्रिक गुणों में उनकी भूमिका के लिए, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है:

  • फेराइट नरम और नमनीय है
  • सीमेंटाइट कठोर और भंगुर होता है
  • इस प्रकार, इन दो चरणों को एक मिश्र धातु के संयोजन से मध्यवर्ती गुणों के साथ प्राप्त किया जा सकता है।
  • (यांत्रिक गुण माइक्रोस्ट्रक्चर पर भी निर्भर करते हैं, अर्थात फेराइट और सीमेंटाइट मिश्रित हैं।)

9.14 लौह-कार्बन मिश्र में माइक्रोस्ट्रक्चर का विकास

ऑस्टेनाइट की यूटेक्टॉइड रचना 0.76 wt% है। जब यह धीरे-धीरे ठंडा होता है तो यह पर्लाइट, एक लैमेलर या दो चरणों की स्तरित संरचना बनाता है: ए-फेराइट और सीमेंटाइट (Fe3C)।
Hypoeutectoid मिश्र धातु में प्रोएक्टेक्टॉइड फेराइट और यूटेक्टॉइड पेरलाइट होते हैं। हाइपरेयूटेक्टोइड मिश्र धातुओं में प्रोएक्टेक्टॉइड सीमेंटाइट प्लस पेरीलाइट होता है।
चूंकि यूटेक्टॉइड तापमान के नीचे की प्रतिक्रियाएं ठोस चरण में होती हैं, अस्टिनाइट से सामान्य शीतलन द्वारा संतुलन प्राप्त नहीं किया जाता है। नए माइक्रोस्ट्रक्चर जो कि फॉर्म 10 में चर्चा करते हैं।

9.15 अन्य मिश्र धातु तत्वों का प्रभाव

जैसा कि खंड 7.9 में उल्लेख किया गया है, अलॉयलेशन धातुओं को अव्यवस्था की गति में बाधा डालकर मजबूत करता है। इस प्रकार, Fe-C मिश्र धातुओं की ताकत सी सामग्री के साथ और अन्य तत्वों के अतिरिक्त के साथ बढ़ जाती है।

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