17-12-2025-Materials Technologies - The Binary Phase Diagram [EN]-[IT]

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ENGLISH

17-12-2025-Materials Technologies - The Binary Phase Diagram [EN]-[IT]
With this post, I would like to provide a brief introduction to the topic in question.
(lesson/article code: QE_10)

Image created with artificial intelligence, the software used is Microsoft Copilot

Introduction
Below, I show a binary phase diagram.

This is a binary phase diagram for a hypothetical alloy composed of two elements, A and B.
To be precise, it is a binary phase diagram. Isomorphic with liquid->solid solidification.
In simple terms, it is a generic representation of liquid-solid behavior along an isotherm.

X-axis

On the x-axis, or abscissa, we have a weight fraction of element B, where 0 indicates that the alloy is 100% A, and 1 indicates that we are at the 100% B point.

In this graph, we also see the terms w0, w_l, and w_s, which represent the following:
w₀ = overall composition of the alloy
w_l = composition of the liquid phase
w_s = composition of the solid phase

Y-axis
On the y-axis, we have the temperature.

What do L, O, and S represent
In this graph, we see the points L, O, and S. Below, I've reproduced the image of the graph with the highlighted points.

L = composition of the liquid at temperature T

S = composition of the solid at temperature T

O = composition of the total alloy (starting point)

Exercise
A short exercise on reading this graph could be the following.
Using the lever rule, determine the weight fraction of the solid phase given the following graph.

In this case, we need to brush up on the lever rule formula.
When we want the fraction of solid, the lever rule formula is as follows:
Solid fraction = segment opposite the solid / entire isotherm

Mathematically, we can translate it as follows:

Essentially, in the liquid + solid two-phase system, if we want the quantity of solid, we must take the segment opposite the solid phase --> LO then divide by the entire segment of the isotherm, i.e. LS.
So the result is as follows.

Result
LO/LS

Conclusions
The binary phase diagram is used to determine the weight fraction of the liquid phase and the weight fraction of the solid phase at a given temperature in a binary system.
This diagram is used in metallurgy for various purposes, such as alloy solidification, structural analysis, microstructural prediction, and melting and casting processes.
The binary phase diagram is used, for example, by factories producing aluminum alloys. In a factory producing an aluminum–copper (Al–Cu) alloy, the process engineer will use the Al–Cu phase diagram, which is conceptually identical to the graph I showed in this post.

Question
Did you know that the Dutchman H.W. Bakhuis Roozeboom was one of the first to graphically represent phase equilibria in alloys?
Roozeboom was born in 1854 and died in 1907.
Did you know that Roozeboom is considered one of the experimental founders of modern physical chemistry for his work on phase equilibria and the classification of binary phase diagrams (the graphs shown in the post)?

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ITALIAN

17-12-2025-Tecnologie dei materiali - Il diagramma di stato binario [EN]-[IT]
Con questo post vorrei dare una breve istruzione a riguardo dell’argomento citato in oggetto
(codice lezione/articolo: QE_10)

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è Microsoft Copilot

Introduzione
Qui di seguito mostro un diagramma di stato binario

Questo è un diagramma di stato binario riferito ad un ipotetica lega composta da due elementi A e B.
Volendo essere precisi si tratta di un diagramma di stato binario isomorfo con solidificazione liquido --> solido.
In parole semplici è una rappresentazione generica del comportamento liquido solido lungo un'isoterma.

Asse delle x
Sulle ascisse, cioè asse delle x, abbiamo una frazione in peso dell'elemento B, dove il punto 0 ci da l'informazione che la lega è composta al 100% da A ed 1 ci dice che siamo nel punto di 100% B

In questo grafico vediamo anche i termini w0, w_l e w_s e questi rappresentano quanto segue:
w₀ = composizione complessiva della lega
w_l = composizione della fase liquida
w_s = composizione della fase solida

Asse delle y
Sull'asse delle ordinate (asse y) abbiamo la temperatura.

Cosa rappresentano L,O e S
In questo grafico vediamo i punti L, O ed S. Qui di seguito ripropongo l'immagine del grafico con i punti in evidenza

L = composizione del liquido alla temperatura T

S = composizione del solido alla temperatura T

O = composizione della lega totale (punto di partenza)

Esercizio
Un piccolo esercizio a riguardo la lettura di questo grafico può essere il seguente.
Attraverso la regola della leva, determinare la frazione di peso della fase solida dato il seguente grafico

Dobbiamo in questo caso rispolverare la formula della regola della leva.
Quando vogliamo la frazione di solido, la formula della regola della leva è come segue:
Frazione solido = tratto opposto al solido / intera isoterma

Matematicamente possiamo tradurla come segue:

Sostanzialmente nel sistema bifasico liquido + solido, se si vuole la quantità di solido bisogna prendere il segmento opposto alla fase solida --> LO poi dividere per l'intero tratto dell'isoterma, cioè LS
Quindi il risultato è il seguente.

Risultato
LO/LS

Conclusioni
Il diagramma di stato binario serve per determinare la frazione in peso della fase liquida e la frazione in peso della fase solida ad una determinata temperatura in un sistema binario.
Questo diagramma viene usato in metallurgia per diversi scopi come, la solidificazione di leghe, l'analisi strutturale, la previsione microstrutturale ed i processi di fusione e colata.
Il diagramma di stato binario viene usato per esempio dalle fabbriche che producono leghe in alluminio. In una fabbrica che deve produrre una lega di alluminio–rame (Al–Cu), l’ingegnere di processo, userà il diagramma di stato Al–Cu, identico concettualmente al grafico che ho mostrato in questo post.

Domanda
Sapevate che l'olandese H.W. Bakhuis Roozeboom fu uno dei primi a rappresentare graficamente gli equilibri tra fasi nelle leghe?
Roozeboom nacque nel 1854 e morì nel 1907.
Sapevate che Roozeboom è considerato uno dei fondatori sperimentali della chimica fisica moderna per il suo lavoro sugli equilibri di fase e la classificazione dei diagrammi di stato binari (i grafici mostrati nel post)?

THE END