31 - i sistemi ternari

Finora abbiamo trattato, al massimo, sistemi binari, ma è possibile rappresentare sistemi ternari, costituiti cioè da tre componenti A, B, C?

 

Cerchiamo di costruire un diagramma relativamente semplice, in cui ogni coppia di componenti presenta un eutettico.

Fig.31.1 Diagramma ternario in cui ogni coppia di componenti presenta un diagramma eutettico.

Ognuna delle coppie possibili fra i tre componenti A, B, C, ha un suo diagramma di stato liquido-solido con presenza di punto eutettico. Le Ti rappresentano le singole temperature.

La coppia A-B, per esempio, presenta (come le altre coppie) un eutettico D, ed è rappresentata dalla faccia del prisma triangolare su cui giacciono i punti (TA A B TB TD). La parte superiore della faccia rappresenta la fase liquida L, sempre per la coppia A-B. Essendo però presenti tre componenti (all'interno del prisma), il sistema, a seconda dei rapporti A/B/C, ha le sue condizioni di equilibrio liquido-solido sulle tre superfici ternarie (TA TE TG TD, marrone), (TB TF TG TD, grigio), (TC TF TG TE, verde).

In particolare, la superficie (TA TE TG TD) dà le condizioni in cui il solido A si separa dal liquido ternario.

Le curve generate dalle intersezioni tra due superfici, (TD TG), (TE TG), (TF TG), sono le curve eutettiche ternarie, che rappresentano le condizioni di separazione di due fasi solide dal liquido (le fasi A puro e B puro per la curva TDTG, per esempio).

Queste tre curve si incontrano in un punto eutettico ternario, individuato dalla TG, che rappresenta la sola temperatura in cui il liquido può coesistere in equilibrio con le tre fasi solide A, B, C. E' un punto invariante (v = 3 + 2 - 4 = 1) dato che la p è fissata.

Sotto TG il liquido non può esistere.

esempio di diagramma di stato ternario con eutettici

 

I punti D', E', F', G' sono le proiezioni di TD, TE, TF, TG, sul piano ABC, che, essendo perpendicolare all'asse del prisma, è isotermo; qualsiasi piano ad esso parallelo rappresenta perciò una sezione del prisma che individua una situazione isoterma.

 

Ognuna di queste sezioni dà una rappresentazione bidimensionale delle condizioni di equilibrio a quella temperatura. Per esempio, a T > TA, TB, TC, è un triangolo equilatero che rappresenta solo la fase liquida.

Fig.31.2 Sezione isoterma del diagramma tridimensionale ternario a T> TA, TB, TC,

Rappresenta una situazione in cui esiste solo la fase liquida, L, in cui i tre componenti sono completamente miscibili tra loro.

sezione del diagramma ternario con sola fase liquida

A T < TG, rappresenta solo le fasi solide A, B, C ed è il triangolo base del prisma già visto in figura 31.1.

 

Più interessanti sono le sezioni isoterme che intersecano la zona di esistenza delle curve di equilibrio ternario solido-liquido, per esempio a T > TG, ma di poco superiore:

Fig.31.3 Sezione isoterma del diagramma tridimensionale ternario a T > TG.

Il triangoloide interno, L, rappresenta la zona di esistenza della fase liquida.

A E' D' (colore marrone) identifica la zona di esistenza di A,

B D' F' (colore grigio) identifica quella di B,

C F' E' (colore verde) identifica quella di C.

D', E', F' sono le miscele eutettiche delle coppie AB, AC, BC.

sezione del diagramma ternario con tre fasi solide

 

Se la temperatura è invece un po' più alta, per esempio T = TD, ci troviamo esattamente alla temperatura dell'eutettico tra A e B:

Fig.31.4 Sezione isoterma del diagramma tridimensionale ternario a T = TD.

Per il sistema AC siamo a temperatura superiore a quella del suo eutettico (TE), perciò esiste ancora la fase liquida tra E'' e E'''.

Per il sistema BC invece la temperatura è inferiore a quella del suo eutettico (TF): non può esistere fase liquida con solo B e C a questa temperatura, dato che già tutto è solidificato e cristallizzato come B e C.

Per il sistema AB, infine siamo esattamente alla temperatura del suo eutettico (TD), perciò coesistono la fase liquida L e le fasi solide A e B.

sezione del diagramma ternario con tre fasi solide

 

Se aumentiamo ancora la temperatura, in modo essa sia inferiore a TA, ma superiore a TB e a TC:

Fig.31.5 Sezione isoterma del diagramma tridimensionale ternario a T compresa tra (TB, TC) e TA: TB, TC > T > TA.

A questa temperatura non può esistere A solido, e anche il campo di esistenza per B e per C è abbastanza ridotto.

sezione del diagramma ternario con solo due fasi solide

Abbiamo visto così come sia possibile interpretare un diagramma di stato tridimensionale piuttosto complesso fissando uno dei parametri:

se fissiamo la temperatura (se cioè utilizziamo sezioni perpendicolari all'asse del prisma) possiamo analizzare il comportamento del sistema ternario a quella temperatura;

se invece poniamo che la concentrazione di uno dei componenti sia nulla, esaminiamo una delle facce del prisma: per esempio, se poniamo che non ci sia C, utilizzeremo la faccia TA A B TB, che rappresenta semplicemente il diagramma di stato con eutettico del sistema A-B.

 

Questi diagrammi ternari isobari (consideriamo di operare a pressione costante, generalmente quella atmosferica) e isotermi (per semplificare l'interpretazione del diagramma tridimensionale) sono molto utili per lo studio di leghe metalliche, di materiali ceramici e vetri.

Le applicazioni dei diagrammi di stato in generale sono molte e molto più complessi possono essere, in certi casi, alcuni diagrammi (per esempio quello Fe/C); ma sono generalmente riconducibili a quelli più semplici, interpretandone le varie parti in base a quelli considerati.

 

prima lezione, ti prego di registare i tuoi dati completando il modulo di uscita (basterà fare un clic sul pulsante "registrati")... nel modulo potrai anche scrivere le tue osservazioni.


all'indice della lezione 12 all'indice generale