1

Bibliografie

1. Baciu, C., ş.a., Ştiinţa materialelor metalice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1996.

2. Băncescu, N., Dulucheanu, C., Materiale şi tehnologii, vol.I, Editura Didactică şi Pedagogică, R.A., Bucureşti, 2004.

3. Bibu, M., Studiul metalelor, Editura Universităţii „Lucian Blaga”, Sibiu, 2000.

4. Bolunduţ, I.L., Ştiinţa şi ingineria materialelor, Editura Tehnica - Info, Chişinău, 2010.

5. Colan, H., ş.a., Studiul metalelor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.

6. Constantinescu, D., Văireanu, D.I., Maior, I., Ştiinţa materialelor, Editura Matrix Rom, Bucureşti, 2004.

7. Dulucheanu, C., Băncescu, N., Introducere în ştiinţa materialelor metalice, Editura PIM, Iaşi, 2013.

8. Gâdea, S., Petrescu, M., Metalurgie fizică şi studiul metalelor, vol.I - III, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979 - 1981.

2

9. Geru, N., Metalurgie fizică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1981.

10. Geru, N., ş.a., Materiale metalice. Structură, proprietăţi, utilizări, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1985.

11. Popescu, N., ş.a., Ştiinţa materialelor pentru ingineria mecanică, vol. 1 - 2, Edidura Fair Partners, Bucureşti, 1999.

12. Protopopescu, H., Metalografie şi tratamente termice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.

13. Rădulescu, M., Studiul metalelor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982.

14. Şerban, V.A., Răduţă, A., Ştiinţa şi ingineria materialelor, Editura Politehnica, Timişoara, 2012.

15. Truşculescu, M., Studiul metalelor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1977.

3

Definirea materialelor

Prin materiale definim totalitatea substanţelor simple sau compuse, ca forme concrete şi diverse de existenţă a materiei, care reprezintă, la rândul ei, totalitatea modalităţilor de organizare structurală (agregare şi dispunere în spaţiu) a particulelor materiale individuale constitutive: atomi, ioni, molecule.

4

Stări de agregare ale materieiAtomii şi moleculele pot forma, în funcţie de factorii interni, cum

sunt natura şi mărimea forţelor de interacţiune şi externi (temperatura, presiunea, natura şi intensitatea câmpurilor în care se află), corpuri aflate în cinci stări de agregare:

- solidă;

- lichidă;

- gazoasă;

- plasmă;

- materie hiperdensă neradiativă (black-holes = găuri negre).

5

Stări structurale ale substanţelor în stare solidă

- starea amorfă se caracterizează prin existenţa unei distribuţii dezordonate a particulelor elementare (molecule, atomi, ioni), între care nu există relaţii de orientare, simetrie şi periodicitate.

- starea mezomorfă face tranziţia între stările amorfă şi cristalină. In această categorie intră aşa numitele cristale lichide. Se cunosc mai multe tipuri de stări mezomorfe:

- starea nematică;- starea colesterică;- starea smectică;

- starea cristalină este caracterizată prin distribuţia ordonată în spaţiul tridimensional a particulelor elementare, după o anumită periodicitate.

6

Clasificarea materialelor

Indiferent de gradul de prelucrare, materialele se pot clasifica în funcţie de compoziţia chimică de bază în

- materiale organice care au ca elemente de bază carbonul, hidrogenul, oxigenul şi azotul (uleiuri, grăsimi, piei, lână, mătase, cauciuc etc.)

- materiale anorganice, care sunt simple sau compuse de tipul oxizilor, sărurilor, halogenurilor (nisip, ciment, sticlă etc.).

7

Materialele solide utilizate în prezent, se împart în trei mari grupe, diferenţiate prin modul de organizare structurală şi prin proprietăţile fundamentale diferite, pe care această organizare structurală le determină, (fig.1.1.):

1) materiale metalice (metale şi aliaje metalice);2) materiale polimerice organice;3) materiale ceramice.Materialele ceramice şi cele polimerice formează, împreună,

grupa materialelor nemetalice.In plus, cele trei tipuri de materiale se pot combina, de regulă

câte două, dând naştere unui alt tip de materiale, numite materiale compozite.

8

Fig.1.1. Clasificarea generală a materialelor

9

Proprietăţile materialelor

Cunoaşterea temeinică a proprietăţilor şi a factorilor de care depind are o importanţă deosebită pentru utilizarea optimă a materialelor.

In general, proprietăţile materialelor se clasifică în: - fizice- chimice- mecanice- tehnologice- de exploatare.

10

Proprietăţile fizice - stabilesc comportarea materialelor sub acţiunea unor fenomene fizice (câmp termic, electric, magnetic, luminos etc.) şi au o importanţă deosebită în alegerea şi utilizarea materialelor în domenii speciale: electronică, electrotehnică, aeronautică, industrie nucleară etc.

1. Densitatea2. Proprietăţi termice

- temperatura de topire; - temperatura de inflamabilitate, - temperatura de înmuiere, - căldura specifică (Cp) , - conductivitatea termică (), - dilatarea termică etc.);- rezistenţa la şoc termic (Rst) ;- stabilitatea termică;- îmbătrânirea termică .

11

3. Proprietăţi electrice - conductivitatea electrică (e) ; - rezistivităţii electrice (). - permitivitatea relativă (r);

- rigiditatea dielectrică (Estr);- forţa termoelectromotoare.

4. Proprietăţi magneticeMaterialele pentru care AT (momentul magnetic atomic) = 0

sunt numite diamagnetice.Materialele caracterizate prin AT 0 se împart după

distribuţia momentelor magnetice atomice în:- paramagnetice; - feromagnetice; - antiferomagnetice; - ferimagnetice;

12

5. Proprietăţi optice

- reflexia;

- refracţia;

- reflexia totală internă;

- transferul luminii;

- transparenţa şi claritatea.

13

Proprietăţi chimice - sunt rezultatul interdependenţei dintre material şi fenomenele chimice şi au o mare importanţă în alegerea şi utilizarea materialelor în industria chimică, alimentară, medicală, nucleară şi aerospaţială.

1) Refractaritatea

2) Rezistenţa la coroziune

14

Proprietăţi mecanice. Indică modul de comportare a acestora sub acţiunea diferitelor forţe exterioare la care sunt supuse.

Din punctul de vedere al alegerii şi utilizării materialelor în diferite ramuri industriale, aceste proprietăţi au un rol preponderent, întrucât ele determină comportarea materialelor în procesele de prelucrare şi mai ales în exploatare.

1) Rezistenţa la rupere2) Elasticitatea3) Rigiditatea4) Plasticitatea5) Fragilitatea6) Tenacitatea7) Fluajul8) Duritatea9) Rezistenţa la oboseală

15

Proprietăţi tehnologice - indică capacitatea de prelucrare şi modul de comportare a materialelor la diferite metode tehnologice de transformare la cald sau la rece a acestora (prin turnare, deformare plastică, aşchiere, sudare, tratament termic etc) şi se exprimă de regulă prin aprecieri calitative:

Principalele proprietăţi tehnologice sunt: - turnabilitatea;- deformabilitatea;- aşchiabilitatea;- sudabilitatea;- călibilitatea.

16

Proprietăţi de exploatare - indică comportarea materialelor în timpul exploatării produselor (organe de maşini, mecanisme, echipamente, scule).

Aceste proprietăţi sunt: - rezistenţa la uzare; - fiabilitatea organelor de maşini şi a sistemelor; - durabilitatea sculelor; - designul.

17

Starea metalică

In prezent pentru realizarea diferitelor produse se utilizează, într-o foarte mare măsură, materiale metalice, şi anume: metale şi aliaje.

Materialele metalice sunt materiale în stare solidă constituite dintr-o singură specie de atomi (metale pure: fier, aluminiu, cupru, plumb, zinc etc.), respectiv din combinaţii de două sau mai multe specii de atomi ai unor elemente metalice sau chiar nemetalice (aliaje: oţeluri, fonte, alame, siluminuri etc.).

18

Corpurile solide, pe care în mod curent le numim metale, se caracterizează printr-o serie de proprietăţi fizice dintre care menţionăm: luciu metalic, conductibilitate electrică înaltă asociată cu o bună conductibilitate termică, coeficient de temperatură al rezistivităţii electrice pozitiv, proprietatea de a emite electroni, proprietăţi optice, magnetice şi galvanomagnetice specifice.

Starea materiei caracterizată prin astfel de proprietăţi se numeşte stare metalică.

In general prin metal se înţelege o substanţă solidă sau lichidă cu proprietăţi metalice (de genul celor enumerate mai sus), fie că este vorba de un element chimic (metal pur), fie că este vorba de un aliaj.

Dintre proprietăţile menţionate, cea mai convenabilă pentru o caracterizare calitativă macroscopică este conductibilitatea electrică, în raport cu care corpurile solide se pot împărţi în metalice (conductori) şi nemetalice (semiconductori şi izolatori).

19

Tipuri de legături în cristale

După natura forţelor de legătura, între atomi se deosebesc:- legături principale

- legătura ionică- legătura covalentă, - legătura metalică

-legături secundare - legătura Van der Waals- legătura de hidrogen).

20

Structura cristalină a materialelor metalice

Metalele şi aliajele sunt corpuri solide cristaline; distribuţia atomilor este ordonată prezentând o periodicitate în cele trei direcţii spaţiale.

Fiecare cristal metalic este format dintr-un aranjament regulat de ioni pozitivi, care în primă aproximaţie pot fi asimilaţi cu sfere tangente.

Acest aranjament regulat de atomi poate fi divizat în paralelipipede elementare în contact şi egale între ele.

Laturile paralelipipedelor formează un sistem de drepte paralele în trei direcţii necoplanare (ortogonale sau nu).

21

Ansamblul acestor paralelipipede numite şi celule elementare constituie o reţea cristalină (fig.2.5.) ale cărei noduri sunt punctele de intersecţie ale laturilor paralelipipedelor (colţurile celulelor elementare). Forma şi mărimea unei celule elementare sunt date de lungimile laturilor (a, b, c) şi mărimea unghiurilor (, , ) paralelipipedului elementar (fig.2.6.). Lungimile a, b, c şi unghiurile , , se numesc parametrii reţelei.

22

In funcţie de raportul dintre lungimile a, b, c şi de mărimea unghiurilor , , se definesc şapte tipuri distincte de celule elementare, care corespund la şapte sisteme cristaline.

23

Studiind aranjamentele de puncte care îndeplinesc condiţia impusă pentru a face parte dintr-o reţea cristalină, adică să fie identice şi oricare dintre ele să aibă acelaşi număr de vecini distribuiţi în acelaşi mod, A. Bravais a arătat că sunt posibile numai 14 astfel de aranjamente, numite reţele Bravais sau grupuri de translaţie, enumerate în tabelul 2.2. şi reprezentate în figura 2.7.

24

25

Metalele, cu excepţia manganului şi mercurului, a pământurilor rare şi a elementelor de tranziţie, cristalizează în următoarele reţele cristaline: - cubică cu volum centrat (CVC), - cubică cu feţe centrate (CFC) - hexagonal compactă (HC).

26

In aceste reţele, sferele tangente ocupă numai o parte a volumului total. Restul volumului (volumul liber al celulei elementare) se găseşte fragmentat în goluri, numite interstiţii, cu anumite dimensiuni şi amplasamente.

27

Reţeaua cubică cu feţe centrate caracterizează structura cristalină a unui număr de 18 metale, cunoscute prin ductilitatea şi plasticitatea lor, cum sunt: Cu, Ag, Au, Al, Pt, Pb, Ni, Fe. In acest tip de reţea atomii sunt situaţi în colţurile celulei elementare şi în centrul fiecărei feţe a celulei (fig.2.11.a.).

In cristalele cu reţea CFC numai 74 % din volumul geometric este ocupat de atomi, deşi sferele sunt înghesuite la maximum, restul de 26 % reprezentând spaţii vide (interstiţii).

28

Reţeaua cubică cu volum centrat caracterizează structura cristalină a unui număr de 16 metale (V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe etc.), majoritatea acestora fiind materiale cu rezistenţă ridicată şi plasticitate moderată. Reţeaua CVC are câte un atom în colţurile celulei elementare şi un singur atom în centrul ei (fig.2.11.b.).

Structura este mai puţin compactă, interstiţiile reţelei totalizând 31,8 %.

29

Reţeaua hexagonal compactă are celula elementară de forma unei prisme hexagonale (fig.2.11.c.) cu 12 atomi în colţuri, doi atomi în centrul bazelor şi alţi trei atomi situaţi în interior la 1/2 din înălţime şi 1/3 din fiecare a doua apotemă. In cristalele cu reţea HC 74 % din volumul geometric este ocupat de atomi.

In acest tip de reţea cristalizează 25 de metale, cele mai cunoscute fiind Be, Mg, Zn, Cd, Ti, Zr, materiale care au o plasticitate scăzută.

30

Alotropia metalelor

Prin alotropie sau polimorfism se înţelege proprietatea unor metale de a prezenta mai multe tipuri de reţele cristaline în funcţie de condiţiile de temperatură, presiune şi de alţi factori.

Diferitele reţele cristaline poartă numele de forme alotropice, iar trecerea de la o formă la alta se numeşte transformare alotropică sau polimorfică.

31

Imperfecţiuni în structura cristalină a materialelor metalice

Până în acum s-a considerat că structura cristalelor este perfectă, atomii fiind distribuiţi riguros în nodurile reţelei cristaline care este o reţea ideală.

In realitate structura cristalină nu este ideală, cristalele conţinând întotdeauna numeroase abateri de la distribuţia ordonată a atomilor ca: deplasări de atomi din poziţiile lor normale, modificări ale distanţelor medii dintre atomi şi ale coordinaţiei, modificări în distribuţia sarcinilor electrice etc.

Astfel de abateri de la structura perfectă a unui cristal se numesc imperfecţiuni sau defecte de structură, iar cristalele care le conţin, cristale reale.

32

Cristalele reale conţin defecte atât la scara reţelei spaţiale denumite defecte de reţea, cât şi la scară subatomică (mult mai mici) numite defecte electronice.

Defectele de reţea se împart în dinamice şi statice.

Defectele dinamice provoacă deplasări de atomi variabile în timp, datorită încălzirii materialului şi dispar cu scăderea temperaturii, un astfel de defect fiind agitaţia termică a ionilor din corpurile solide.

Defectele statice produc deplasări de atomi care, dacă temperatura nu este prea ridicată ca atomii să difuzeze, se menţin timp îndelungat.

33

In funcţie de raportul dintre cele trei dimensiuni defectele statice se clasifică în:

- defecte punctiforme, care au toate dimensiunile de ordinul de mărime al distanţei interatomice:

- vacanţele,- atomii interstiţiali- atomii de impurităţi;

34

- defecte liniare, la care două dimensiuni sunt de ordinul distanţei interatomice, iar cea de-a treia dimensiune este de mii de ori mai mare:

- dislocaţii marginale; - dislocaţii elicoidale.

35

36

- defecte de suprafaţă, care au o singură dimensiune de acelaşi ordin de mărime cu distanţa interatomică, iar celelalte două mult mai mari

- limite de grăunţi, - sublimitele, - suprafeţele de separare dintre faze, - limitele de maclă, - defectele de împachetare, - pereţii domeniilor magnetice etc.

37

Solidificarea materialelor metalice

Metalele solide se obţin în mod obişnuit din topitură, prin solidificare. Deoarece la solidificare se formează întotdeauna grăunţi cristalini, procesul de solidificare se mai numeşte şi cristalizare primară sau simplu cristalizare.

Acest proces se studiază cu ajutorul curbelor de răcire.

38

Diferenţa T dintre temperatura ideală de solidificare Ts şi temperatura reală de solidificare Tr poartă denumirea de grad de subrăcire:

Fenomenul de subrăcire se produce la toate transformările care au loc la răcirea materialelor metalice (solidificare, transformări în stare solidă).

La transformările ce au loc la încălzirea metalelor se produce fenomenul opus subrăcirii, adică ridicarea temperaturii de transformare. Acest fenomen este numit supraîncălzire.

39

Cercetările efectuate de numeroşi oameni de ştiinţă au arătat că solidificarea se realizează prin două procese principale:

- procese de germinare, care constau din formarea unor grupări de atomi denumite germeni (centri) de cristalizare;

- procese de creştere progresivă a acestor germeni pentru formarea cristalelor care alcătuiesc structura corpului solid.

Germenii cristalini se pot forma fie direct în topitură, fie pe suprafeţe preexistente ca de exemplu: suprafaţa particulelor străine existente în topitură (incluziuni nemetalice) sau suprafaţa formelor de turnare.

Primul tip de germeni poartă numele de omogeni iar cel de al doilea, eterogeni. Ca urmare, germinarea poate fi omogenă, în cazul germenilor omogeni, sau eterogenă, în cazul germenilor eterogeni.

40

Solidificarea unui metal topit, aflat într-un creuzet, are loc în modul reprezentat schematic în figura 2.32.

41

Prin răcire, la temperatura de solidificare, atomii în anumite puncte încep să se ordoneze, formând primele celule elementare, primii germeni de cristalizare (fig.2.32., etapa 1).

Apoi aceste cristale elementare cresc prin aşezarea ordonată a noilor atomi pe ele, formându-se reţele cristaline spaţiale. Intre timp, mai apar şi alţi germeni, care, de asemenea, pornesc pe drumul creşterii treptate (fig.2.32., etapa 2 şi 3).

Spre sfârşitul solidificării, cristalele, acolo unde încep să se atingă, se împiedică reciproc în creşterea lor liberă; în continuare, cristalizarea poate să progreseze numai în locurile în care mai există încă metal topit. In această fază finală, creşterea cristalelor este neregulată, formându-se grăunţii cristalini, care, ulterior pot fi observaţi şi la microscop.

Mărimea grăunţilor este diferită în funcţie de momentul când a apărut centrul de cristalizare, adică de timpul disponibil pentru creşterea cristalului respectiv (fig.2.32., etapa 4).