ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR

ŞEF LUCRĂRI DR. ING. RADU CĂLIMAN

Motto:

”Fierul e izvorul tuturor artelor folositoare şi un popor care ştie a topi fierul şi de a face din el tot ce e necesar pentru corăbii de o mărime considerabilă, de la cui pân‘ la ancoră, nu poate să fi trăit într-o stare de barbarie, precum se admite în genere”

Mihai Eminescu Opere, vol. XV, Ed.Academiei, 1983, pag.936

• Ştiinţa materialelor este o ştiinţă interdisciplinară fizico-chimico-tehnică care se ocupă de caracterizarea complexă ( chimică, structurală, fizică, tehnologică şi tehnică) a materialelor, cu studierea corelaţiilor, a legăturilor funcţionale dintre compoziţia chimică, structură, proprietăţi, tehnologie (elaborare, prelucrare, tratament) şi utilizarea tehnică a materialelor, în scopul stabilirii unor legi, reguli, criterii şi modele care să permită obţinerea unor materiale cu proprietăţi prestabilite, selecţia optimă a unui material pentru o utilizare raţională şi fundamentarea ştiinţifică a tehnologiei materialelor.

CLASIFICAREA MATERIALELORClasificarea generală a materialelor după mai multe

criterii, împarte materialele în opt clase principale :1. metale ;2. semiconductori ;3. dielectrici ;4. ceramice ;5. sticle ;6. polimeri sintetici (fibre sintetice, elastomeri, mase

plastice) ;7. substanţe naturale ( piatră, lemn, fibre, piei etc.);8. compozite (materiale compuse din două sau mai

multe materiale din cele şapte tipuri precedente)

MATERIALE METALICE

• Ştiinţa despre metale – Metalografie- Metalurgie fizică – Studiul metalelor

PRINCIPALELE MOMENTE ÎN EVOLUŢIA CERCETĂRII METALELOR

• Anul 1665 – R. Hook publică primele observaţii efectuate la microscop în lucrarea “Micrographia”;

• 1772 - Réamur cercetează oţelurile şi fontele în casură, descoperind fenomenul de grafitizare a fontelor;

• 1808 - Widmannstätten aplică lustruirea şi atacul cu acizi al probelor în scopul studierii la microscop;

• 1831 – P.P. Anosov studiază oţelul săbiilor de Damasc la microscop;

• 1864 – H.C.Sorby foloseşte pregătirea probelor pentru studiul la microscop şi realizează primele microfotografii;

• 1868 – D.K.Cernov descoperă cu aproximaţie punctele critice la oţeluri şi trasează curbele de echilibru din diagrama aliajelor Fe-C;

• 1869 - D.I.Mendeleev descoperă legea periodicităţii elementelor;

• 1875 – W.Gibbs formulează legea fazelor ce stă la baza construirii diagramelor de echilibru;

• 1900 – Studiile lui R.Austin îi permit lui B. Roozeboom trasarea primei diagrame Fe-C, pe baza determinării precise a punctelor critice de către Osmond, cu ajutorul pirometrului inventat de Le Châtelier.

PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR METALICE

Pentru a face o alegere corespunzătoare a materialelor metalice, trebuie cunoscute proprietăţile acestora, compoziţia chimică, structura şi modul în care acestea răspund la diferite solicitări.

PROPRIETĂŢI FIZICE a) densitatea ;b) temperatura de fuziune ;c) căldura specifică ;d) conductibilitatea termică ;e) căldura latentă de topire ;f) dilatarea termică ;g) conductibilitatea electrică ;h) magnetismul ;i) forţa termoelectromotoare ;j) coloraţia ;k) luciul metalic.

PROPRIETĂŢI MECANICEa) - rezistenţa mecanică ;b) - elasticitatea ;c) - plasticitatea ;d) - tenacitatea ;e) - fragilitatea ;f) - rezilienţa ;g) - curgerea plastică ;h) - fluajul ;i) - duritatea ;j) - rezistenţa la oboseală ;k) - ecruisarea ;l) - relaxarea plastică ;m)- revenirea elastică.

PROPRIETĂŢI TEHNOLOGICEa) – deformabilitatea plastică : - maleabilitatea ; - ductilitatea ; - forjabilitateab) – turnabilitatea : - fluiditatea ; - segregaţia ; - contracţiac) – sudabilitatea ;d) – aşchiabilitatea ;e) – călibilitatea ;f) – susceptibilitatea la supraîncălzire ;g) – susceptibilitatea la deformare şi fisurare

PROPRIETĂŢI DE EXPLOATARE

a) – rezistenţa la uzare ; uzura poate fi : mecanică, abrazivă, de aderenţă (gripare), corozivă ;

b) - fiabilitatea ;c) - durabilitatea ;d) - designul produsului

STRUCTURA CRISTALINĂ A MATERIALELOR METALICE

• Corpurile solide se pot clasifica în funcţie de gradul de ordonare a atomilor în trei stări structurale :

- stare amorfă (necristaline); - stare mezomorfă sau precristalină ; - stare cristalină.• Metalele - elemente chimice cu luciu caracteristic,

opace, maleabile, bune conducătoare de căldură şi de electricitate.

Aceste proprietăţi ale metalelor sunt conferite de:- legătura metalică;- structura policristalină.

• STRUCTURA ATOMULUI : nucleu şi electroni– NUCLEUL este format din:

• Neutroni:- masa mn~mp,

- sarcina electrică nulă;• Protoni:

- masa: mp= 1,67 x 10-27 kg;

- sarcina electrică: e = 1,6 x 10-19 C;

– ELECTRONII: - masa me =0,91x10-30 kg

- sarcina electrică e =-1,6 x 10-19 C

STRUCTURA POLICRISTALINĂ• Materialele metalice au o structură policristalină

formată dintr-o multitudine de grăunţi cristalini cu dimensiunea medie de 2÷20 μm.

• Aceşti grăunţi cristalini au forme diferite în funcţie de condiţiile de solidificare şi de tratamentul termic.

• Multitudinea grăunţilor cristalini se datorează faptului că, în timpul solidificării, apar nenumăraţi germeni de cristalizare care, ulterior, vor creşte în dimensiune şi vor ajunge grăunţi cristalini de dimensiuni mai mari sau mai mici.

• Fiecare grăunte cristalin are un aranjament ordonat al atomilor, iar orientarea acestui aranjament este diferită de la un grăunte la altul.

• Deosebirea dintre metale şi corpurile amorfe: în metale, atomii sunt aşezaţi într-o ordine strictă, pe când în corpurile amorfe atomii ocupă poziţii întâmplătoare (aleatorii) şi dezordonate.

TIPURI DE LEGĂTURI CHIMICE INTERATOMICE

Legăturile intermetalice pot fi:• IONICE• COVALENTE• METALICE

Aceste legături determină proprietăţile specifice fiecărui material.

Legătura ionicăSe realizează între atomi foarte electropozitivi sau foarte

electronegativi prin cedare, respectiv, prin acceptare de electroni de valenţă. Atomul electropozitiv donează unul sau mai mulţi electroni atomului negativ

• Proprietăţi caracteristice:– fragilitate;– transparenţă;– refractaritate înaltă;– conductivitate electrică foarte slabă.

EXEMPLE DE MATERIALE : NaCl, Al2O3.

Legătura covalentă• Are loc între elemente apropiate în tabelul periodic prin

punerea în comun a unor electroni de valenţă în vederea completării straturilor lor exterioare :

• Proprietăţi caracteristice:– duritate înaltă;– refractaritate înaltă;– conductivitate electrică foarte slabă.

EXEMPLE DE MATERIALE: Si, C sub formă de diamant

Legătura metalică

- Electronii de valenţă sunt liberi. Această structură cu electroni liberi explică proprietăţile termice şi electrice ale metalelor.

• Proprietăţi caracteristice:– maleabilitate bună;– opacitate;– conductivitate electrică bună.

EXEMPLE DE MATERIALE : Cu, Al, Fe.

ELEMENTE DE CRISTALOGRAFIE

STRUCTURA CRISTALINĂ A METALELOR

• Un monocristal perfect este format dintr-un ansamblu de ioni aranjaţi într-un anumit mod în spaţiu.

• Structura cristalină este formată din:– reţeaua cristalină;– motivul cristalin.

Reprezentarea în plan a unei reţele cristaline

Reţea cristalină

Reţeaua cristalină este obţinută prin repetarea unei celule elementare. Celula elementară este caracterizată de parametrii de reţea (vectorii a, b, c şi unghiurile α, β, γ).

Parametrii celulei elementare

Poziţia unui nod oarecare este dată de relaţia:

r = a∙u + b∙v + c∙w unde: a,b,c, sunt numere întregi;

u, v, w sunt vectori unitari.

Există 7 celule elementare care definesc 7 sisteme cristaline.

Sisteme cristalineSisteme cristaline

Parametrii reţeleia,b,c α,β, γ

Cubic a = b = c α = β = γ = 90ºRomboedric a = b = c α = β = γ ≠ 90ºHexagonal a = b ≠ c α = β = 90º;

γ = 120ºTetraedric a = b ≠ c α = β = γ = 90ºOrtorombic a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90ºMonoclinic a ≠ b ≠ c α = γ = 90º ≠ βTriclinic a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90º

Motivul elementar este cel mai mic ansamblu de ioni, de coordonate:

xi ,yi, zi

unde i =1.....n

• Atunci când xi = yi= zi = 0, structura cristalină cubică se caracterizează prin:

a = b = c; α = β = γ = 90º

Structuri cristaline principale ale metalelor pure

• CUBICĂ CU VOLUM CENTRAT (cvc);• CUBICĂ CU FEŢE CENTRATE (cfc);• HEXAGONAL COMPACTĂ (hc).Unele metale pot prezenta mai multe

structuri cristaline, proprietate numită alotropie. Astfel, fierul suferă unele transformări alotropice la încălzire:

- la 912 ºC: cvc→cfc;- la 1394 ºC: cfc →cvc.

STRUCTURA CUBICĂ CU VOLUM CENTRAT - CVC

• Este constituită dintr-un motiv structural de doi ioni, unul în origine şi celălalt în centrul celulei elementare.

Caracteristici:

• Numărul de atomi pe celulă = 2;

• Numărul de coordinaţie = 8 (nr. de atomi ce se găsesc la distanţă egală şi cea mai apropiată de un atom dat).

• Raza ionică Ra= 4

3a

STRUCTURA CUBICĂ CU FEŢE CENTRATE - CFC

• Este constituită dintr-un motiv structural de 4 ioni, unul în origine şi ceilalţi trei în centrul feţelor celulei elementare.

Caracteristici:• Numărul de atomi pe celulă = 4;

• Numărul de coordinaţie = 12 (nr. de atomi ce se găsesc la distanţă egală şi cea mai apropiată de un atom dat).

• Raza ionică Ra=

• Structura cfc prezintă o compactitate maximă spre deosebire de cvc.

42a

STRUCTURA HEXAGONAL COMPACTĂ - HC

• Este constituită dintr-un motiv structural de doi ioni, unul în centrul bazei hexagonale şi celălalt în centrul unui triunghi din planul median.

Caracteristici:

• Numărul de atomi pe celulă = 6;• Numărul de coordinaţie = 12 (nr. de atomi ce se

găsesc la distanţă egală şi cea mai apropiată de un atom dat).

• Raza ionică Ra= 2a

EXEMPLE:• magneziu Mg – structură (hc);

• aluminiu Al – (cfc); ∙ aur Au – (cfc);

• crom Cr – (cvc); ∙ nichel Ni – (cfc);

• vanadiu Va – (cvc); ∙ fier Fe – (cvc) şi (cfc);

• cupru Cu – (cfc); ∙ titan Ti – (cvc) şi (hc).

• niobiu Nb – (cvc); ∙ molibden Mo – (cvc);

DEFECTELE STRUCTURII CRISTALINE

• Metalele şi aliajele au o structură formată dintr-o multitudine de microvolume de formă poliedrică, numite cristalite sau grăunţi cristalini. Dimensiunea medie a acestora este de 2-20 μm, funcţie de condiţiile de solidificare.

• Cristalele nu sunt perfecte.

Defectele cristaline pot fi:

• punctiforme (zerodimensionale) ;• liniare (dislocaţii) ;• de suprafaţă (bidimensionale)

DEFECTELE PUNCTIFORME

Pot rezulta ca urmare a prezenţei:a) unui loc vacant în structura cristalină;b) unui ion al matricei în poziţie interstiţială

(autointerstiţial); c) unui ion străin în poziţie substituţională;d) unui ion străin în poziţie interstiţială (ion

străin interstiţial).

DEFECTELE PUNCTIFORME

a b c d

DEFECTE LINIARE

• se mai numesc dislocaţii• dislocaţiile pot fi:

- marginale - elicoidale.

DEFECTE LINIARE

• a) secţiune într-un cristal ideal• b) reţeaua de dislocaţie a b

Dislocaţia marginală

• În cazul acestei dislocaţii, vectorul Burgers (b) este un defect de închidere al circuitului Burgers şi este perpendicular pe linia de dislocaţie.

L-vectorul unitar al liniei de dislocaţie marginală, b – vectorul Burgers

DISLOCAŢIA ELICOIDALĂ

• Vectorul Burgers este paralel cu linia de dislocaţie.

Dislocaţiile stau la baza mecanismului de deformare plastică.

• Densitatea de dislocaţie este lungimea liniilor de dislocaţii raportată la unitatea de volum. Are ordinul de mărime:– 106-108 cm/cm3, la un metal recopt;– 1011-1012 cm/cm3, la un metal deformat puternic.

Defectele de suprafaţă Defectele de suprafaţă numite şi imperfecţiuni

bidimensionale sunt suprafeţe din interiorul corpului cristalin care separă porţiuni ce se deosebesc între ele prin structura cristalografică, orientare cristalografică etc. şi sunt reprezentate prin :

• suprafeţe libere;• limitele de grăunţi;• interfeţele dintre două faze.

Suprafeţele libere

• sunt suprafeţe de separaţie dintre materialul metalic şi diferite gaze; în general nu sunt netede, motiv pentru care le este asociată o energie de suprafaţă cu atât mai mică, cu cât planul cristalografic este cu densitate mai mare de ioni.

• aceste defecte influenţează în procesele de frecare, coroziune, sudare etc.

Limitele de grăunţi

• Separă microvolume cu orientări cristalografice diferite. În funcţie de mărimea unghiului de dezorientare (θ), limitele de grăunţi pot fi:– limite la unghiuri mici, dacă θ≤10º;– limite la unghiuri mari, dacă θ > 10º.Limitelor de grăunţi le este asociată o energie şiconstituie:- locuri pentru amplasarea impurităţilor ;- obstacole în calea deplasării dislocaţiilor.

Interfeţele dintre două faze pot fi:

• incoerente – dacă nu există continuitate între planele cristaline ale celor două faze;

• coerente – dacă există continuitate între planele cristaline ale celor două faze (deformare locală a structurii cristaline).