97521902-Stiinta-materialelor

Florentina Potecautiina materialelorGalai

Conf.dr.ing.Florentina Potecautiina materialelorGalai

1.MATERIALE - NOIUNI GENERALE.............................. 3Clase de materiale...................................................................... 4 Proprietile materialelor............................................................. 8 Proprieti intrinseci ................................................................ 8 Proprieti de utilizare ............................................................. 8 Rezumat i concluzii................................................................... 9 ntrebri .................................................................................... 10 Generaliti ............................................................................... 11 Reele cristaline specifice metalelor ......................................... 12 Polimorfism............................................................................... 16 Rezumat i concluzii.................................................................16 ntrebri .................................................................................... 181.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.3. 1.4.2.2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR................. 113.3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.STRUCTURA REAL A CRISTALELOR....................... 19Imperfeciuni punctiforme ......................................................... 19 Defecte liniare........................................................................... 20 Proprietile dislocaiilor............................................................ 22 Defecte de suprafa ................................................................ 26 Rezumat i concluzii................................................................. 28 ntrebri .................................................................................... 284.FAZE I CONSTITUENI STRUCTURALI..................... 29Soluii solide ............................................................................. 29 Soluii solide de substituie.................................................... 30 Soluii solide interstiiale........................................................ 31 Compui intermetalici ............................................................... 32 Rezumat i concluzii................................................................. 33 ntrebri .................................................................................... 34 Condiiile termodinamice ale cristalizrii ................................... 35 Mecanismul cristalizrii............................................................. 38 Procesele de germinare la solidificare .................................. 39 Germinarea omogen ........................................................... 39 Germinarea eterogen .......................................................... 41 Caracterizarea structurii primare .............................................. 42 Rezumat i concluzii................................................................. 42 ntrebri .................................................................................... 43 Cuplul de difuzie ....................................................................... 44 Mecanisme de difuzie............................................................... 45 Legile difuziei............................................................................ 46 Factori de influen ai difuziei ................................................... 47 Rezumat i concluzii................................................................. 48 ntrebri .................................

................................................... 494.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.2. 4.3. 4.4.5.CRISTALIZAREA METALELOR .................................... 355.1. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.3. 5.4. 5.5.6.6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6.DIFUZIA .......................................................................... 447.7.1. 7.2. 7.3. 7.4.DIAGRAME DE ECHILIBRU FAZIC ............................... 50Echilibrul n sistemele de aliaje. Legea fazelor ......................... 50 Clasificarea diagramelor de echilibru........................................ 52 Regula prghiei ........................................................................ 53 Diagrame de echilibru binare.................................................... 55

7.4.1. Diagrama de echilibru cu componeni total solubili n stare lichid i solid ....................................................................................55 7.4.2. Diagrama de echilibru cu componeni total solubili n stare lichid i insolubili n stare solid......................................................... 60 7.4.3. Diagrama de echilibru cu componeni total solubili n stare lichid, parial solubilin stare solid i reacie eutectic..................... 64 7.4.4. Diagrama de echilibrucu componeni total solubili n stare lichid, parial solubili n stare solid i reacie ptectic................... 68 7.4.5. Diagrame de echilibru cu compui intermediari .................... 73 7.5. Corelaia diagram de echilibru - proprieti fizico-mecanice ... 75 7.6. Rezumat i concluzii................................................................. 78 7.7. ntrebri .................................................................................... 798.FIERUL I ALIAJELE FIER-CARBON........................... 808.1. Fierul pur .................................................................................. 80 8.2. Aliaje fier carbon.................................................................... 84 8.3. Diagrama de echilibru metastabil fier carbon......................... 84 8.3.1. Fazele din sistemul Fe-Fe3C................................................. 86 8.3.2. Liniile i punctele din sistemulFe-Fe3C ................................ 88 8.3.3. Transformri zerovariante n oelurile carbon i fontele albe. 91 8.3.4. Diagramele Tammann pentru aliajele Fe - Fe3C................... 94 8.3.5. Proprietile mecanice ale aliajelor Fe-Fe3C ......................... 95 8.3.6. Cristalizarea aliajelor FeC din sistemul de echilibrumetastabil ............................................................................................ 96 8.3.7. Cristalizarea fierului tehnic pur (0,001%C) (I) ...................... 97 8.3.8. Cristalizarea oelului cu 0,01%C (II)...................................... 99 8.3.9. Cristalizarea oelului hipoeutectoid cu 0,45%C (IV). ........... 100 8.3.10. Cristalizarea oelului eutectoid cu 0, 77%C (VI) . ............ 102 8.3.11. Cristalizarea oelului hipereutectoid cu 1%C (VII)........... 104 8.3.12. Fontele albe..................................................................... 107 8.3.13. Oeluri clasificare .......................................................... 108 8.4. Fonte cenuii .......................................................................... 109 8.4.1. Clasificarea fontelor de turntorie ....................................... 110 8.4.2. Fonte modificate ................................................................. 113 8.4.3.Fonte maleabile .................................................................. 115 8.4.4. Simbolizarea i destinaia fontelor ...................................... 117 8.5. Rezumat i concluzii............................................................... 118 8.6. ntrebri .................................................................................. 1209.9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6.OELURI CARBON TRATATE TERMIC...................... 121Recoacerea ............................................................................ 121 Normalizarea .......................................................................... 123 Clirea .................................................................................... 123 Revenirea ............................................................................... 124 Rezumat i concluzii............................................................... 125 ntrebri .................................................................................. 126 Rezumat iconcluzii............................................................... 131 ntrebri .................................................................................. 131 Rezumat ................................................................................. 135 ntrebri .................................................................................. 135

10. ALUMINIUL...................................................................12710.1. 10.2. 11.1. 11.2.11. CUPRUL I ALIAJELE PE BAZ DE CUPRU ........... 132

12. STRUCTURA POLIMERILOR ...................................... 13612.1. 12.2. Rezumat ................................................................................. 140 ntrebri .................................................................................. 14013. RSPUNSURI LA NTREBRI .................................... 141 14. BIBLIOGRAFIE............................................................. 142

1. MATERIALE - NOIUNI GENERALEProgresul omenirii a fost posibil n decursul miilor de ani datorit apariiei de noimateriale i a dezvoltrii tehnologiilor de obinere a acestora innd cont de faptul c, toate domeniile activitii umane sunt indisolubil legate de materiale. Alturi de metale i aliaje, au aprut noi materiale precum polimerii, ceramicele, materialele compozite. Materialele sunt substanele care influeneaz nivelul de dezvoltare al unei societi prin diferitele obiecte necesare omului obinute prin procesarea acestora. Utilizarea materialelor depinde de o serie de factori cum ar fi resurse, calitate, dezvoltare tehnologic, cercetare, pre de cost, prelucrabilitate i compatibilitatea acestora cu mediul nconjurtor. Plecnd de la cunoaterea empiric a materialelor i continud cu experiena acumulat de-a lungul miilor de ani concretizat n inventivitate tehnologic i progrese teoretice continui s-a impus cu necesitate o abordare unificat i fundamental a descrierii comportrii materialelor n cadrul domeniului tiinei i inginerieimaterialelor. tiina i ingineria materialelor are ca obiect studiul proprietilor materialelor, prelucrarea i utilizarea raional a acestora. Dezvoltarea cunotinelor despremateriale sunt indisolubil legate de progresele din domeniile tiinelor fundamentale i inginereti precum chimia, fizica, cristalografia, mecanica, rezistena materialelor, electrotehnica, coroziunea,etc. Proprietile fizice i chimice ale materialelordepind de natura legturilor chimice dintre particulele constitutive, de geometriaaezrii acestora, de natura, proporia i distribuia elementelor de aliere, de cantitatea i modul de asociere a fazelor, de mrimea, forma i distributia constituentilor structurali, etc. Se poate aprecia astfel c, pentru alegerea i utilizarea unui material, se impune cunoaterea legturii dintre fenomenele care au loc n material la scara submicroscopic i microscopic, n corelaie cu proprietile macroscopice specifice. n fe de mijloacele de investigare folosite, se poate evidenia: structura reticular, care prezint aranjamentul atomic, observabil prin difracie cu radiaii X. microstructura, care descrie mrimea, forma i distribuia grunilor i particulelor constitutive observabile prin microscopie optic sau electronic; macrostructura, care indic alctuireamaterialului, rezultat prin observarea cu ochiul liber sau cu lupe ce mresc pn la 50x; Prin analiz microstructural se evideniaz spre exemplu pentru un anumit material metalic mrimea, forma i distribuia grunilor cristalini (a gruprilor de atomi) care l aluiesc, fiind cunoscui drept constitueni structurali. Noiunea de constitueni structurali se refer la acele pri ale materialelor cu aspect specific la microscopul optic icare sunt caracterizate de o anume compoziie chimic, cantitate relativ, aranjamentatomic, morfologie, mrime i mod de distribuie. Plecand de la toate aceste considerente se poate aprecia c, prin modificarea-3-

controlat a microstructurii apare posibilitatea obinerii unei game largi de proprieti pentru acelai material. Pentru a sugera aceaste multiple posibiliti de modificarea proprietilor, se exemplific cazul rezistenei de rupere la traciune a fierului i a unor aliaje (oeluri ) pe baz de fier: monocristal de fier material obinut n condiii speciale numai n laborator, alctuit dintr-un singur grunte cristalin de fier pur (whisckers) aproape fr defecte structurale 13000N/mm2; fier tehnic pur - material policristalin, format dintr-un numr mare de gruni cristalini cu orientri ntmpltoare, despprin limite de grunte 300 N/mm2; oelul eutectoid recopt - aliaj FeC cu 0,77%C prelucrat termic nct s adopte o stare apropiat de echilibru 800 N/mm2; oelul eutectoid clt - aliaj FeC cu 0,77%C prelucrat termic la o stare n afar de echilibru 2600 N/mm2;oelul eutectoid deformat plastic la rece - aliaj FeC cu 0,77%C prelucrat mecanicpn la o stare ndeprtat de echilibru, aa numit stare de ecruisare 4000 N/mm2. Ca urmaputem aprecia c tiina i ingineria materialelor stabilete corelaia dintre compoziia chiic, aranjarea particulelor constitutive (atomi, ioni sau molecule), microstructur iproprietile macroscopice ale materialelor, precum i a mecanismelor de modificare aacestor proprieti pe cale termic, chimic, mecanic, electromagnetic i radioactiv. 1.1lase de materiale Domeniul mare al materialelor se poate clasifica, dup compoziiechimic, structur i proprieti, n patru mari grupe de materiale: materiale metalice (metale i aliaje); polimeri organici; materiale ceramice i carbonice ; materiale compozite. Materialele ceramice i carbonice precum i materialele polimerice organice sunt incluse n categoria materialelor nemetalice, la care formarea structurii nu este bazat pe legtura metalic, ci pe celelalte tipuri de legturi interatomice (covalent, ionic, de hidrogen, Van der Waals), ceea ce le confer proprieti apropiate sau foarte diferite de cele ale materialelor metalice. n cazul n care proprietile sunt apropiate dar produsele sunt obinute cu costuri mai reduse, sunt utilizate ca nlocuitoare ale materialelor metalice. Pentru cazurile n care proprietile sunt net diferite,materialele nemetalice devin indispensabile i au domenii de aplicaie specifice (produse izolatoare termic i electric, semiconductoare). Metalele reprezint majoritatea elementelor chimice cunoscute n natur i reprezint materialele formate din aceeaispecie de atomi ( Fe, Cu, Zn, Au, Pb, etc). Din cele 109 elemente din tabelul periodic al-4-

elementelor, peste 80 sunt metale i dintre acestea, cele cunoscute ca avnd cea mare mare utilizare n practic sunt fierul, aluminiul i cuprul. Aliajele metalice conindou sau mai multe specii de atomi, metale sau nemetale, elementul principal fiindun metal. Astfel oelurile i fontele sunt aliaje Fe-C, alamele, aliajele Cu-Zn, bronzurile aliaje Cu-Sn etc. n stare de agregare solid metalele i aliajele sunt materiale policristaline formate dintr-un numr imens de gruni cristalini cu legtura de tip metalic ntre atomi. Acest tip de legtur interatomic le confer proprieti caracteristie: conductibilitate electric i termic, coeficient termic de rezistivitate pozitiv,opacitate la lumina vizibil i luciu metalic, emisie termoelectronic, deformabilitate plastic, duritate, rigiditate. Polimerii organici sunt substane solide formate prin asocierea unor macromolecule uriae, aranjate n structuri regulate. Macromoleculele la randul lor conin lanuri lungi de molecule mai mici legate ntre ele, cum arfi spre exemplu moleculele formate din atomi de carbon, pe care sunt fixate diferite elemente precum hidrogenul, clorul, florul, radicalul metil, etc. n compoziialanului pot interveni i elemente ca sulful, azotul, siliciul, etc. Cei mai cunoscui polimeri organici sunt: polietilena (PE), policlorura de vinil (PVC), polistirenul (PS), poliamidele (PA), politetrafluoretilena (PTFE) cunoscut i sub denumireacomercial de teflon, sticlele organice, cauciucul, etc. Legtura ntre atomii lanuluimolecular este covalent. ntre molecule pot fi legturi de tip van der Waals i legturipunctuale covalente. De aceea, polimerii organici au proprieti fizice foarte diversificate (termostabili, termoplastici, elastomeri, termorezisteni). Sunt materiale foarte uoare avand densiti cuprinse ntre 0,9 [g/cm3] i 1,8 [g/cm3], proprietate care a jucat un rol esenial n dezvoltarea, producerea i utilizarea polimerilor organici n ultima vreme. Muli polimeri plastici (polistirenul, polimetacrilatul) i derivaii lor au aplicaii optice speciale dintre care cele mai importante sunt lentilelede contact i fibrele optice. Deoarece indicele de refracie al multor polimeri estesuficient de mare sunt utilizai ca nlocuitori ai sticlelor optice (lentilele polimerice fiind mult mai subiri i mai uoare decat cele din sticl). Pot fi izolatori termici i electrici, sunt foarte uor de pus n form, au rigiditate redus i stabilitate termic limitat n general pn la 200C. Ceramicele sunt substane anorganice, care pot fi simle elemente nemetalice (B, C, S) sau compui definii obinuti ca produi de reacie dintre anumite metale (Mg, Al, Fe, etc.) cu metaloizi (O, C, N, F, Cl, S). Iniial termenul de materiale ceramice a fost atribuit oxizilor-5-

(alumina Al2O3, silicea SiO2, etc.) iar mai apoi s-a extins i la carburi (WC, SiC), nitruri (Si3N4), boruri (TiB2), sticle minerale (amestecuri de oxizi SiO2, Na2O, CaO), etc. n stare solid sunt agregate atomice cu legatur interatomic covalent, iono-covalent sau mixt. Silicea i silicaii (srurile acidului silicic) reprezint cea maibogat resurs natural i deoarece au structuri foarte diversificate care merg de la total cristaline la total amorfe, au deasemeni proprieti i aplicaii extrem de diversificate (ceramice obinuite, cimenturi, materiale refractare, sticle, ceramice speciale). Majoritatea materialelor ceramice (excepie grafitul, V2O, etc.), sunt izolatori termici i electrici (azbest, porelanul, mica), sunt foarte dure i fragile darse disting n principal prin rezisten mecanic i termic la temperaturi ridicate adic prn refractaritate (crmizi, blocuri refractare, tuburi). Specifice materialelor ceramice sunt proprietaile optice (reflecia, refracia, absorbia i dispersia luminii, culoarea, transparenta, luciul) ceea ce le-a dat mult timp exclusivitate n aplicaii optice (geamuri, lentile, filtre) sau pentru numeroase obiecte destinate construciilor (igle, cahle, plci de teracot, lespezi). mprtierea optic ce conduce la efecte de iuminare speciale e caracteristic materialelor ceramice formate din particule mici( zugrvelile interioare i emailurile porelanice). n ultimele decenii s-au nregistratprogrese remarcabile n domeniul materialelor ceramice cu aplicaii medicale n ortopedie, chirurgie, dentistic, n construcia unor dispozitive medicale performante (bioceramice) deoarece: sunt netoxice; inerte cu fluidele biologice; bioactive ntr-oanumit compoziie chimic i structural (pot forma legturi biologice directe ntre implantesutul viu); prezint rezisten nalt la uzare (restaurri dentare, valve ale inimii artiiciale); au rezisten ridicat la frecare (dei dure, fragile i cu proprieti de elasticitte reduse) ceea ce le recomand pentru confecionarea de articulaii protetice; pot fiprocesate cu uurin ntr-o gam larg de forme i dimensiuni Materialele carbonice reprezit categoria substanelor solide, naturale sau artificiale, constituite exclusiv saun proporie covritoare din atomi de carbon asociai n structuri specifice diferite, ceea ce le confer caracteristici i proprieti fizice, chimice i mecanice speciale. Produsele carbonice au urmtoarele avantaje: materia prim utilizat la producerea majoritii produselor carbonice este relativ ieftin i abundent (crbuni, smoale, gudroane, etc) tehnologiile de obinere a produselor carbonice sunt relativ uoare (dar ca dezavantaje sunt mari consumatoare de energie electric i poluante) au forme geometrice binedefinite (stabile la temperaturi ridicate), cu suprafee ce pot fi uor prelucrateprin lefuire mecanic;-6-

au rezisten mecanic satisfctoare ce crete odat cu creterea temperaturii pn la 25000onductivitate termic destul de mare, care poate crete considerabil odat cu gradul de grafitizare; rezistivitatea electric a materialelor carbonice grafitate fiind mic (~8 x 106 m) se evit nclzirea lor excesiv n cazul n care sunt folosite ca electrozperii, blocuri catodice, etc; rezistena la coroziune a produselor grafitate estefoarte mare att fa de oxigen ct i fa de acizi i baze tari; Produsele carbonice au impan pentru industrie i se fabric ntr-o gama diversificat : electrozi siderurgici pentrucuptoarele cu arc electric; blocuri catodice i dale pentru bile de electroliz a aluminiului; plci carbonice pentru cptueli anticorozive; creuzete, lingotiere, formede turnare, dopuri de grafit poros pentru elemente filtrante; semifabricate i forme pentru sinterizare; fibre, psl i esturi carbonice; compozite carbon-carbon; diamante industriale sintetice etc. Materialele compozite sunt materiale formate din combinarea a dou sau mai multe materiale individuale (componente), care i combin proprietile specifice n aa fel nct s fie diferite de ale fiecruia n parte. Orice materialzit este o structur spaial format din dou elemente fundamentale : matricea (mediu solid continuu), componentul cu cea mai mare proporie volumic ; armtura (umplutura), componentul sau componentele de armare (fibre, particule, formaiuni bidimensionale-plci, folii, lamele, etc). Astfel, la fabricarea brcilor de salvare, se utilizeazun compozit uor i rezistent mecanic, obinut din armarea unor poliesteri cu fibre desticl. Prin sinterizarea particulelor de WC n matrice de Co se obine un compozit dur, rezistent la uzur i suficient de tenace ceea ce l recomand pentru realizarea plcuelor utilizate n scopul creterii durabilitii tiului sculelor achietoare. De regul matra i armtura au proprieti diametral opuse, una fiind moale (plastic, ductil) iar cealalt dur (rigid, casant), astfel nct s rezulte un compozit rezistent i tenace. Componentdei diferite ca structur i compoziie chimic trebuie s ndeplineasc i o serie de ceriie compatibile, adic s aibe capacitatea de a conserva integritatea compozitului n exploatare fa de aciunile exterioare mecanice, chimice, termice; s asigure o legtur interfacial mai rezistent dect a celui mai puin rezistent dintre componente; difuzivitiletermice trebuie s fie corelate, nct nclzirile i rcirile s nu provoace avarierea (fisrea, crparea,-7-

spargerea) niciunuia din componeni i nici a legturii interfaciale; rezistena la coroziunea ansamblului trebuie s asigure stabilitatea chimic n condiiile mediilor i temperaturilor de prelucrare i funcionare n exploatare. 1.2. Proprietile materialelor Proprietile materialelor reprezint o evaluare cantitativ a comportarii materialului la diferite solicitri (mecanice, termice, electrice, magnetice, chimice). Proprietile materialelor ce trebuie s caracterizeze din punct de vedere tehnic un produs se clasific n proprieti intrinseci ale materialului i proprieti de utilizare ale acestuia..2.1. Proprieti intrinseci Proprietile intrinseci (funcionale) sunt nsuirile proprii fecrui material i se determin n urma unor ncercri n condiii standard de solicitare, cuunt: ncercarea de traciune, ncercarea de duritate, ncercarea de ncovoiere sub oc mecanic, etc. Dup natura solicitrii, proprietile intrinseci pot fi: chimice (rezistena lacoroziune, la oxidare, etc); fizice (proprietile termice, electrice, magnetice i optice) mecanice (rezisten, elasticitate, plasticitate, fragilitate, fluajul, tenacitate, duritatea, rezistena la oboseal, rezistena la uzur, etc.) Dup sensibilitatea lamicrostructur, proprietile intrinseci se pot grupa n: independente sau puin dependente de microstructur; dependente de microstructur. Proprietile independente sau puin dependente de modificrile microstructurale, apar n procesul de producie i se pot explica pe baza naturii atomilor i a legturii interatomice. Este cazul proprietilor chimice, termice i a unor proprieti magnetice (diamagnetismul i paramagnetismul), optice(opacitatea metalelor, transparena sticlelor) sau mecanice (elasticitatea sau rigiditatea metalelor i a cauciucurilor). Proprietile dependente de microstructur suntproprieti puternic modificate de natura i cantitatea defectelor microstructurale introduse n procesul de fabricaie i pot fi : proprietilor mecanice ale metalelor n ceamai mare parte (rezistena la rupere, duritatea, plasticitatea, tenacitatea, etc.); unele proprieti electrice (rezistena electric a metalelor, conductibilitatea electric a semiconductorilor); proprietile magnetice (feromagnetismul). 1.2.2. Proprieti de utilizare Proprietile de utilizare depind de metoda de prelucrare, domeniul i condiiile de exploatare i pot fi: tehnologice i -8-

de exploatare. Proprietile tehnologice caracterizeaz comportarea materialelor la diferite metode i procedee de prelucrare, cum sunt: la turnare (turnabilitatea, fuzibilitatea, contracia la solidificare), la deformare (deformabilitatea), la sudare (sudabilitatea), la clire (clibilitatea). Proprietile de exploatare determin alegerea materialului adecvat pentru o anumit aplicaie (rezisten la uzur, stabilitate la coroziune, rezisten electric, durabilitate, siguran n exploatare etc) la care se adaug roprietile economice, precum i atributele estetice. Se pot exprima pentru un produsprin una sau mai multe proprieti intrinseci. Astfel, capacitatea aluminiului de reflexie a luminii devine proprietate de exploatare la construcia reflectoarelor iar temperatura de topire a wolframului devine proprietate de exploatare la fabricarea filamentelor becurilor cu incandescen. O proprietate de exploatare n generalgreu de caracterizat este rezistena la uzur. Rezistena la uzur crete cu duritatea, n cazul abraziunii uscate. Un strat superficial subire, inhibitor al sudurilor locale, de exemplu din cadmiu, este benefic la uzura prin adeziune. O anumit porozitate este defavorabil frecrii uscate i foarte avantajoas n cazul frecrii cu ungere. 1.3.Rezumat i concluziiMaterialele sunt substanele constituite din particule (atomi, ioni, molecule) necesare omului pentru obinerea diferitele obiecte prin procesarea acestora. tiina i ingineria materialelor are ca obiect studiul structurii i proprietilor materialelor,prelucrarea i utilizarea raional a acestora. Materialele n funcie de proprietile speciice se difereniaz n trei mari categorii: materiale metalice (metalele i aliajele acestora) materiale nemetalice (polimeri organici i materiale ceramice i carbonice) imateriale compozite. Proprietile materialelor pot fi intrinseci (funcionale) i de utilizare (tehnologice i de exploatare ). Proprietile intrinseci caracterizeaz comportarea materialului n condiii standard de solicitare. Proprietile de utilizare caracterizeaz comportarea materialului la diferite condiii de exploatare i metode de prelucrare. Proprietile intrinseci (sunt nsuirile proprii fiecrui material ) i dup natura slicitrii pot fi: chimice (rezistena la coroziune, la oxidare, etc), fizice (proprietile termice, electrice, magnetice i optice), mecanice (rezisten, elasticitate, plasticitate, fragilitate, fluajul, tenacitate, duritatea). Dup sensibilitatea la microstructur pot fi independente de microstructur (depind de compoziia chimic, organizarea atomic i molecular, natura i cantitatea defectelor structurale introduse n procesul de fabricaie) sau dependente de microstructur. Alegerea unui material se facepe criterii de performan (proprieti) i economice (resurse i costuri). Materialele metalice datorit consumurilor energetice mari la elaborare i fabricaie, au cele mai mari costuri de producie, dar au avantajul valorificrii deeurilor prin reciclare constituind o important resurs secundar de materiale. n cazul materialelor polimerice organice, spre deosebire de materialele metalice i cele ceramice care pot fi uor reciclate, la acestea reciclarea este practic mpiedicat de complexitatea proceselor chimice care stau la baza obinerii lor. Materialele ceramice i polimerii organici, datorit resurselor inepuizabile ct i a costurilor mai mici de producie, reprezint o important surs de valorificare prin noi cercetri n viitorul apropiat.-9-

1.4. ntrebri1. Ce sunt materialele ? a. Materialele sunt substanele care influeneaz nivelul dedezvoltare al unei societi prin diferitele obiecte necesare omului. b. Materialelesunt elementele sistemului periodic. c. Materialele sunt produsele din oeluri i fonte. Care sunt principalele clase de materiale ? a. Metalele i aliajele ; b. Fierul, bronzul i alama ; c. Materialele metalice, materialele nemetalice, materialele compozite. Din categoria materialelor nemetalice fac parte : a. polimerii organici i materialele ceramice i carbonoce ; b. polimerii organici i aliajele metalelor; c. materialele ceramice i oelurile i fontele. Dai exemplu de 5 metale. a. Fe, Cu, C, Zn, Pb ; b. Fe, Cu, O, Zn, Pb ; c. Fe, Cu, Al, Zn, Pb . Ce tip de legtur estespecific materialelor metalice. a. ionic ; b. metalic ; c. covalent. Materialele metalice sunt : a. metalele i aliajele lor ; b. metalele i ceramicele ; c. oelurile,fontele, diamantul. Aliajele Fe C sunt : a. oeluri i fonte ; b. oeluri i alame ; c.bronzuri i alame. Materialele metalice au n principal urmtoarele proprieti : a. izolatori termici i electrici, deformabilitate plastic, duritate, rigiditate. b. conductibilitate termic i electric, transparen, refractaritate, rigiditate. c. conductibilitate termic i electric, opacitate, deformabilitate, luciu metalic, duritate, rigiditate. Dati exemple de 5 polimeri organici : a. polietilena, cauciucul, sticleleorganice, bronzurile, alamele ; b. polietilena, bronzurile, cauciucul, sticleleorganice, policlorura de vinil ; c. polietilena, cauciucul, sticlele organice, polistirenul, sticlele organice. Bioceramicele se caracterizeaz prin: a. sunt toxice, inerte cu fluidele biologice, rezisten mare la uzare (restaurri dentare, valveale inimii artificiale); b. sunt netoxice, inerte cu fluidele biologice, rezisten nalt la uzare (restaurri dentare, valve ale inimii artificiale); c. sunt netoxice,reacioneaz cu fluidele biologice, rezisten mic la uzare (restaurri dentare, valve aleinimii artificiale); Proprietile intrinseci (funcionale) ale materialelor dup naturasolicitrii pot fi: a. fizice, chimice, mecanice; b. termice, electrice, magnetice i optice ; c. fizice, chimice, mecanice, magnetice i optice Exemple de proprietileintrinseci- mecanice: a. rezisten, elasticitate, sudabilitate; b. rezistena, tenacitatea, duritatea ; c. rezistena la coroziune, rezistena la uzur, plasticitatea. Materialele compozite sunt formate: a. dintr-o matrice metalic ; b. matrice + elemente de armare ; c. matrice + elemente de aliere; Exemple de proprieti tehnologice:a. turnabilitatea, sudabilitatea, deformabilitatea; b. rezistena electric, rezistena la oxidare, rezistena la uzur; c. densitate, temperatur de topire, cldura specific. Materialele ce pot fi uor reciclate sunt : a. materialele metalice i ceramice; b. materialele ceramice i polimerice organice; c. materialele polimerice organice.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.

14.15.- 10 -

2. STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR2.1. Generaliti Metalele sunt substane policristaline, n care atomii sunt distribuiiordonat i periodic dup legile simetriei, n structuri cristaline specifice. Toate metalele, cu excepia mercurului la temperatura ambiant, sunt corpuri solide. Analizndsuperficial o pies pare neted i uniform dar n sprtura pieselor metalice, se disting la examinarea cu ochiul liber gruni cristalini cu dimensiunin de 0,1 mm, iar la microscopul optic se pot observa gruni mai fini de 0,1m. Un grunte cristalin, reprezintun agregat de atomi, caracterizat printr-o aranjare periodic n spaiu a particulelorconstitutive conform legilor de simetrie, anizotrop din punctul de vedere al proprietilor vectoriale discontinue. Prin reea cristalin se nelege un aranjament geometric regulat i periodic al punctelor echivalente poziiilor atomice n spaiu. n fapt reeaua cristalin este o abstraciune geometric care ne permite ca n schiele noastre s poziiomai uor i mai exact particulele materiale. Structura cristalin spre deosebire de reeaua cristalin este o realitate fizic i reprezint rezultatul asocierii la fiecare punct al reelei cristaline a unei baze formate din particule materiale (atomi, ioni). Deci este format din reeaua tridimensional + baza de particule (fig.2.1).Fig.2.1 Semnificaia structurii cristaline a metalelor: reea tridimensional + baz (ioni)Corpurile cristaline se caracterizeaz n principal prin: simetrie intern care const din aranjarea periodic, regulat n spaiu a particulelor constitutive; simetria extern (singonia), care se refer la forma de poliedru convex, determinat de procesele de cristalizare (elementele geometrice ce definesc poliedrul cristalin sunt feele, muchiile i colurile i sunt descrise de relaia lui Euler: F+C = M+2);- 11 -

cristalizarea ca stare rezultat din redistribuire ordonat a atomilor n microvolume(gruni cristalini) din stare gazoas, topituri, soluii, transformri n stare solid se relizeaz n principal prin procese de germinare i cretere; supuse unor eforturi cristalele se pot deforma sau rupe de-a lungul unor plane de maxim densitate atomic, numite plane de alunecare sau de clivaj; cristalele difract coerent razele X i fasciculele de electroni sau neutroni, deoarece planele reticulare se comport ca o reea de difracie pentru aceste lungimi de und; majoritatea proprietilor materialelor cristaline au un caracter vectorial i tensorial. Consecina acestei caracteristici determin anizotropia proprietilor mecanice i se datoreaz faptului c distanele dintre atomiifer n funcie de direciile cristalografice. 2.2. Reele cristaline specifice metalelorCele mai multe metale i compuii lor fac parte din sistemele cubic i hexagonal, iarfoarte puine din sistemele romboedric, tetragonale sau rombice. n sistemele monoclinic sau triclinic nu se ntlnesc metale cristalizate. ntruct n determinarea principalelor caracteristici ale reelelor cristaline este vorba numai de consideraii geometrice, pentru claritate atomii vor fi reprezentai prin centrul lor de greutate, respectiv prin centrul lor geometric. Reeaua cubic cu fee centrate, cunoscut ca reeauacuprului sau de tip A1, caracterizeaz structura cristalin a unui numr de 18 metale, cunoscute prin ductilitatea i plasticitatea lor, cum sunt: Cu, Ag, Au, Al, Pt,Pb, Fe , Ni, Ir.

Fig. 2. 2 Celula elementar cubic cu fee centrate (c.f.c) a sistemului cubic: astructura cristalin ; bpoziia centrilor atomilor; cpoziionarea atomilor ntr-o celul elementac.f.c.Principalele caracteristici ale acestui tip de reea sunt:- 12 -

Numrul de atomi care aparin celulei va fi (fig.2. 2): N= 8x1/8 + 6x1/2 =4 atomi/celul Cifra de coordinaie: Fiecare atom este nconjurat de ali 12 atomi aflai la distanade - a 2 /2. C = 12 (coordinaie maxim) Gradul de compactitate al reelei , se calculeaz innd cont c atomii sunt tangeni de-a lungul diagonalelor feelor (fig.2.3 b i c), cae sunt direciile de maxim densitate atomic. Dac a este parametru reelei, egal cu muchicubului, atunci: D2 = 2a2 = (4r)2 ; D = a 2 = 4r; a = 4r/ 2 . Volumul celulei elementare: Vcub = a3, iar volumul unui atom asimilat unei sfere va fi: Vatom = 4/3 r3 . Prin urmare : = Vatom/ Vcelulei elementare x 100 = 4 x4/3 r3 / 16 2 r3 x 100 = 74%. Acest rezultat arat c din volumul total al celulei cubice, numai 74% vafi ocupat efectiv de atomi, dei aceti sunt compactizai la maximum. Rmn 26% spaii libere, aa numitele interstiii, alctuite din goluri octaedrice, aflate n centrul celulei ila jumtatea muchiilor, cu dimensiuni de 0,146 a, care permit ptrunderea interstiial a unor atomi strini de mici dimensiuni, i 8 goluri tetraedrice n interiorul cubului, cu dimensiuni de 0, 08 a. Numrul sistemelor de alunecare este de 12, adic 4 familii de plane Fig. 2.3 Planul de maxim densitate octaedrice de maxim atomic (111) c.f.c. densitate atomic cu indicii Miller {111} i n fiecare plan 3 direcii de maxim densitate atomic din familia , ceea ce asigur plasticitatea remarcabil a metalelor care cristalizeaz n acest tip de reea a sistemului cubic (fig.2.3). NSA = 4 {111} X 3 = 12 Reeaua cubic cu volum centrat (fig.2.4), cunoscut ca reeaua -wolfr msau de tip A2, caracterizeaz structura cristalin a unui numr de 16 metale, cu plasticitate moderat, cum sunt: Fe , Cr, W, Mo, Nb, Ta, i metalele alcaline. Principalele caracteristici ale acestui tip de reea (fig.2.4) sunt: Numrul de atomi care aparin celulei: N= 8x1/8 + 1 =2 atomi/celul Cifra de coordinaie: C = 8. Fiecare atom este nconjurat de 8 vecini la distana a 3 /2=0,866a

- 13 -

Gradul de compactitate al reelei se calculeaz innd cont c atomii sunt tangeni pe diagonala cubului, direciile de maxim densitate atomic fiind : D2cub = 3a2 = (4r)2; D = a 3 ; a = 4r/ 3 . Volumul celulei elementare: Vcub = a3 = 64 r3/3 3 . Prinurmare: = 68, 2%, deoarece: = Vatom/ Vcelulei elementare x 100 = 2 x4/3 r3 / 64 r2/3 3 x100.Fig. 2. 4 Celula elementar cubic cu volum centrat (c.v.c) a sistemului cubic: a structura cristalin ; b poziia centrilor atomilor; c poziionarea atomilor ntr-o celullementar de tip c.v.cRezult c aranjamentul specific reelei cub cu volum centrat este mai rarefiat fa de cel al reelei cub cu fee centrate, deoarece din volumul total al celulei cubice, numai 68,2% va fi ocupat efectiv de atomi, restul de 31,8% sunt interstiii (goluri octaedrice i tetraedrice).Fig. 2.5 Planele de mare densitate atomic din familia {100}

Dei volumul total al interstiiilor este mai mare dect n cazul reelei cub cu fee centrate, solubilitatea atomilor strini dizolvai interstiial este surprinztor, mult mai mic, datorit geometriei reelei cub cu volum centrat unde n centrul cubului este plasatun atom ce frmieaz spaiul liber din interiorul celulei cubice n multe interstiii de mci dimensiuni n care atomii strini ptrund greu, provocnd puternice perturbri locale.Numrul sistemelor de alunecare este de 12 rezultat din cele 6 familii de plane demare densitate atomic {110} i cele 2 direcii de maxim densitate atomic din familia 14 -

, ceea ce determin plasticitatea moderat a metalelor care cristalizeaz n reea CVC. Planele de alunecare nu sunt de compactitate atomic maxim (nu toi atomii sunt reciproc tangeni) iar posibilitatea de alunecare este limitat de numrul mai mic al direciilor de alunecare de densitate maxim, astfel nct rezistena la alunecare este relativ mare (fig.2.5). La deformarea plastic pot fi activate sisteme secundare de alunecare dup planele {112}, {123} de compactitate apropiat, pstrnd aceeai direcie de alunecare , rezultnd pn la 48 sisteme de alunecare. Reeaua hexagonal compact, denumit i reeaua magneziului sau de tip A3, are celula elementar de forma unei prisme hexagonale (fig.2.6, 2.7), cu 12 atomi n coluri, doi atomi n centrul bazelor i ali treiatomi situai n interior la 1/2 din nlime i 1/3 din fiecare a doua apotem. n acest tie Fig. 2.6 Celula elementar hexagonal compactac reea cristalizeaz 25 (h.c) a sistemuluihexagonal: a structura metale, ca de cristalin; b poziia centrilor atomilor. exemplu: Zn, Cd, Be, Re, Os, -Ti, - i, Co Principalele caracteristici ale reelei hexagonal compact sunt: Numrul de atomi care aparin unei celule HC se calculeaz: N=12x1/6+2x1/2+3; N=6atomi/celul Cifra de coordinaie: C= 12. Gradul de compactitate al reelei:= 74%. Numrul sistemelor de alunecare este foarte redus, innd cont de faptul c densitatea atomic maxim este doar n Fig. 2.7 Celula elementar planele bazale (0001) undehexagonal compact planul i sunt incluse cele trei direcii direciile de maxim densitate coplanare de t i maxim densitate atomic.

- 15 -

2.3. Polimorfism Polimorfismul, reprezint capacitatea unor substane de a prezentamai multe tipuri de structuri cristaline, n funcie de condiiile de temperatur, presiune, sau ali factori. n cazul elementelor chimice se folosete i denumirea de alotropie. Dac trecerea unei modificaii n alta este ireversibil, transformarea se numete monotrop, ca exemplu polimorfismul carbonului n structurile de tip diamant (cubic) i grafit (hexagonal) (fig.2.8). n cazul metalelor, transformrile polimorfe sunt reversibile, fiind denumite enantiotrope. Un numr de 34 metale prezint polimorfism, n special cele de tranziie (Ti, Sb, Zr, Hf, W, Mn, Co, Ni, etc). Modificaiile alotropicesunt simbolizate printr-o liter din alfabetul grec, ataat la simbolul elementului.Schimbarea structurii cristaline determin modificarea densitii i modificarea unor proprieti fizico-chimice i mecanice.Fig.2.8 Structura carbonului: a, b tip diamant (celula elementar i reeaua spaial); c ip grafit.

Fierul prezint funcie de temperatur, dou modificaii polimorfe i anume: una care cristalizeaz n sistem cubic, reea cubic cu volum centrat, stabil pe dou intervale de temperatur: la temperaturi joase ( pn la 9120C, denumit Fe ) i la temperaturi nalte (intervaul 13940C - 15380C, Fe ); i una care cristalizeaz n sistem cubic, reea cubic cu fee cetrate (stabil n intervalul 9120C-13940C, Fe ). 2.4. Rezumat i concluziiMetalele sunt substane policristaline, n care atomii sunt distribuii ordonat i periodic dup legile simetriei, n structuri cristaline specifice. Gruntele cristalin, reprezint un agregat de atomi, caracterizat printr-o aranjare periodic n spaiu a particulelor constitutive conform legilor de simetrie, anizotrop din punctul de vedereal proprietilor vectoriale discontinue. Prin reea cristalin se nelege un aranjament geometric regulat i periodic al punctelor echivalente poziiilor atomice n spaiu (reprezint o ficiune geometric).- 16 -

Structura cristalin este descris de reeaua cristalin dar spre deosebire de aceasta este o realitate fizic i reprezint rezultatul asocierii unei baze formate din particule materiale (atomi, ioni) la reeaua cristaline. Celula elementar caracterizeaz structura cristalin i se refer la cel mai mic poliedru, care prin translaie descrie imaginea reelei spaiale. La metale structurile cristaline cele mai des ntlnite sunt CFC, CVC i HC, caracterizate de indicatorii de compactitate, mrimea interstiiilor i sistemele de alunecare. Indicatorii de compactitate arat c structurile CFC i HC suntde maxim compactitate atomic. Se apreciaz prin: cifra de coordinaie (C); gradul de compactitate (); numrul de atomi ce aparin celulei (N). Cifra de coordinaie, C, reprezint numrul de atomi aflai la distan minim i egal de un anumit atom luat drept reperVC=8, CCFC=12, CHC=12). Gradul de compactitate, este dat de raportul dintre volumul atomilor ce aparin celulei i volumul celulei (CFC = 74%,, CVC = 68,2%, HC = 74%).Numrul de atomi ce aparin unei celule se determin innd cont de poziia atomilor n colle, centrele feelor sau n interiorul celulelor (NCVC = 2 atomi; NCFC = 4 atomi; NHC = 6 atomi). Interstiiile structurilor cristaline se refer la spaiile neocupate departicule materiale. Structurile CFC i HC au o capacitate mai mare de a dizolvainterstiial atomi strini. Un sistem de alunecare se definete ca asocierea dintre unplan de alunecare i o direcie de alunecare preferenial, specific. Direciile preferenile de alunecare sunt cele de densitate atomic maxim, iar planele de alunecare prefereniale corespund celor de maxim compactitate (CFC, HC) i n lipsa acestora celor demare compactitate atomic (CVC). Capacitatea de deformare plastic a metalelor estedat att de numrul sistemelor de alunecare ct i de compactitatea planelor de alunecare. Structura CFC ntlnit la un numr de 18 metale (Cu, Ag, Au, Al, Pb, Fe, Ni, Pd, Pt,etc.), este caracterizat de o rezisten redus asociat cu o remarcabil plasticitate, datorit numrului mare de sisteme de alunecare sub eforturi reduse: 12 (4 plane de compactitate atomic maxim din familia {111}, fiecare fiind format din 3 direcii de alunecare corespunztoare familiei diagonalelor feelor cubului ). Structura CVC este specific pentru 16 metale (Cr, Fe, Fe, Mo, W, V, Nb, Ta, Li, Na, K, Ba, etc.),au o rezisten nalt i o plasticitate moderat, deoarece au multiple posibiliti de alunee, dar sub eforturi relativ mari. Dei sistemele principale de alunecare sunt n numrde 12 (6 plane de cea mai mare compactitate atomic din familia {110} i n fiecare plan sunt incluse cte 2 direcii de compactitate atomic maxim corespunztoare familiei diagonalelor volumului cubului ) planele de alunecare nu sunt de compactitate atomic maxim, astfel c rezistena la alunecare este relativ mare. Structura HC estecaracteristic pentru 25 metale (Be, Mg, Zn, Cd, Co, Ni , Ti, Zr, Hf, Sc, La, etc.),care prezint rezisten i plasticitate sczute, deoarece au un numr mic de sisteme de alunecare, dei sub eforturi reduse Acestea au doar 3 sisteme de alunecare (un singurplan de compactitate atomic maxim - planul bazal (0001), ce conine 3 direcii de alunecare din familia ) Polimorfismul, reprezint capacitatea unor substane dea prezenta mai multe tipuri de structuri cristaline, n funcie de condiiile de temperatur, presiune, concentraie. Prezint polimorfism un numr de 34 metale, n special cele de tranziie (Ti, Sb, Zr, Hf, W, Mn, Co, Ni, etc).- 17 -

2.5. ntrebri1. Precizai structura cristalin pentru urmtoarele metale? a. CFC: Be, Mg, Zn, Cd, Co; CVC: Cr, Fe, Mo, W, Nb; HC: Cu, Au, Al, Pb, Ni. b. CFC: Be, Mg, Zn, Cd, Co; CVC: Cu, Au, Al, Pb, Ni; HC: Cr, Fe, Mo, W, Nb. c. CFC: Cu, Au, Al, Pb, Ni ; CVC: Cr,Fe, Mo, W, Nb; HC: Be, Mg, Zn, Cd, Co. Structura cristalin este rezultatul asocierii dintre: a. reeaua cristalin + baz material (atomi, ioni); b. baz material (atomi, ioni)+ defecte structurale ; c. interstiii + reeaua cristalin(atomi, ioni, molecule). Celula elementar reprezint : a. o asociere de atomi aezai ntr-un grunte cristalin; b. cel mai mic poliedru, care prin translasie descrie imaginea reelei spaiale; c. ungrunte cristalin. n cazul celulei elementare CVC a sistemului cubic atomii sunt plasai : a. n colurile cubului i pe feele cubului; b. n colurile cubului; c. n coluribului i un atom n centrul acestuia. n cazul celulei elementare CFC a sistemului cubic atomii sunt plasai : a. n colurile cubului i pe feele cubului la intersecia diagonalelor; b. n colurile cubului i un atom n centrul acestuia; c. pe feele cubului la intersecia diagonalelor i un atom n centrul acestuia. Cifrele de coordinaie C, pentru reelele cristaline specifice metalelor sunt: a. CCVC=8, CCFC=12, CHC=12; b. CCVC=6, CCFC=12, CHC=12; c. CCVC=8, CCFC=8, CHC=12; Numrul de atomi pe celula elementar ncazul reelelor cristaline specifice metalelor este: a. NCVC=2 atomi, NCFC=4 atomi, NHC=6 atomi; b. NCVC=4 atomi , NCFC=2 atomi , NHC= 6 atomi; c. NCVC=2 atomi ,NCFC=4 atomi , NHC=4 atomi. Structurile cristaline de maxim compactitate atomic sunt: a. CFC si HC; b. CFC i CVC; c. CVC i HC. Structurile care au o capacitate maimare de a dizolva interstiial atomi strini sunt: a. CFC si HC; b. CFC i CVC; c. CVC i HC. Metalele care au cea mai mare plasticitate cristalizeaz n: a. reteaua CVC;b. reteaua CFC; c. reeaua HC. Capacitatea unor substane de a prezenta mai multe tipuri de structuri cristaline se numete: a. polimorfism; b. izomorfism; c. monomorfism. Pe o direcie de maxim densitate, atomii sunt: a. tangeni; b. rarefiai; c. aezaiperiodic la distane maxime (mult mai mari dect diametrul atomilor). Prezint polimorfism: a. Ti, Fe, Co, Ni; b. Au, Ag, Zn, Cu; c. Ti, Fe, Zn, Cu. Interstiiile structurilor cristaline sunt: a. spaii libere (goluri); b. atomi ai elementelor de aliere; c. atomi proprii dislocai din structura cristalin. Structura cristalin HC estentlnit la un numr de: a. 25 metale; b. 50 metale; c. 5 metale.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.

- 18 -

3. STRUCTURA REAL A CRISTALELORAranjarea perfect ordonat a atomilor considerai sferici, n reelele cristaline determin o structur perfect (ideal) a cristalelor. n realitate, n cristalele reale (gruniistalini), exist foarte multe abateri de la structura ordonat, periodic, aa numiteleimperfeciuni (defecte) structurale. Aceste imperfeciuni structurale reprezint domenii restrnse din volumul unui grunte cristalin cu dimensiuni pn la cteva distane interatomice, n care anumii atomi sau grupri de atomi nu sunt nconjurai n mod identic de aliatomi vecini (cifr de coordinaie diferit). Funcie de scara dimensional, defectele destructur se pot clasifica n: punctiforme (vacane, atomi strini, interstiiale) ; liniare (dislocaii); de suprafa (limite de grunte, sublimite, limite ntre faze); de volum(microdefecte, macrodefecte). Imperfeciunile apar n timpul solidificrii, dar i n cursul prelucrrilor mecanice i termice la care sunt supuse materialele metalice (deformri plastice, tratamente termice, iradieri cu particule accelerate). 3.1. Imperfeciuni punctiforme Defecte structurale caracterizate prin dimensiuni de ordinul demrime al cel mult cteva distane interatomice.Fig. 3.1 Defecte punctiforme asociate n aceeai reea: 1- vacane; 2 atomi proprii interstiiali; 3 - atomi strini interstiiali; 4,5 atomi strini de substituie

Defecte punctiforme simple (fig.3.1) Vacanele reprezint locuri neocupate de atomi nreeaua cristalin, comparativ cu aezarea ntr-o structur ideal. Numrul acestora creteonenial cu temperatura, astfel c n apropierea temperaturii de topire se ajunge la aproximativ 1vacan la 1000 poziii atomice. Prin rcire rapid de la o anumit temperatur omare parte din vacane se pot conserva. Evidenierea acestor imperfeciuni n cristalelereale a permis explicarea proceselor de difuzie n stare solid.- 19 -

Atomii interstiiali (fig.3.1), reprezint atomi proprii dislocai n poziii intermediare(interstiiale), ntre nodurile reelei cristaline i constituie un defect cu energie foarte mare (circa 4eV), deoarece determin o deformare local puternic, ceea ce are ca rezultat un important efect de durificare. Deplasarea unui atom interstiial n schimb, necesit o energie mult mai redus (~ 0,1eV). Atomii strini (fig.3.1) reprezintspecii de atomi diferii de cei existeni n reeaua cristalin a unui metal. Atunci cnd prezena lor este nedorit, accidental se numesc impuriti i se gsesc distribuii n reeauic ca atomi de substituie sau de interstiie (formnd cu metalul de baz soluii solide). compoziia chimic a metalelor tehnice se ntlnesc ntotdeauna impuriti.Fig. 3.2 Formarea soluiilor solide de substituie la o distribuie statistic a atomilor strini (a) sau a unor faze noi (de precipitare) ca rezultat al aglomerrilor de atomi strini (b)

Tehnicile actuale de purificare (topire zonar), permit diminuarea cantitii de impuriti pn la milionimi (10 -4 % sau o parte per milion1ppm) sau miliardimi de procent(10 -7 % sau o parte per miliard -1ppb) . Alierea voit i controlat cu atomi strini a permis crearea aliajelor industriale cu proprieti previzibile. Prin ptrunderea atomilor strini n reeaua cristalin a metalului de baz se provoac deformri elastice locale cre au ca efect creterea duritii (fig. 3.2). 3.2. Defecte liniare Dislocaiile reprezint imperfeciunile reticulare ntr-un cristal real, de mare ntindere de-a lungul uneidirecii i mai redus n celelalte dou direcii.Exist trei tipuri de dislocaii: liniare (ginale, de tipFig.3.3 Dislocaie marginal tip Taylor: a) semiplanul atomic suplimentar ABCD; distorsionarea reelei cristaline i formarea dislocaiei CD n planul de alunecare PPca urmare a apariiei semiplanului suplimentar ABCD; b) reprezentarea dislocaiei n plan- 20 -

Taylor) elicoidale (n urub, de tip Burgers) mixte. Dislocaiile marginale, se mai pot defini ca: iruri de atomi cu o coordinaie anormal (fig.3.3); un semiplan atomic suplimentar ntr-un cristal real; domeniul dintr-un cristal real din jurul irului reticular care desparte o zon alunecat de alta nealunecat (fig.3.3 b). Dislocaia propriu-zis cuprinde ntregul domeniu distorsionat din jurul liniei de dislocaie CD, cu aspect tubular extins pe o raz de cteva distane interatomice i se reprezint simbolic prin semnul , dac dislocaia este plasat deasupra planului PP (i se consider pozitivu prin semnul , dac dislocaia se gsete la partea inferioar a cristalului sub planul P(i se consider negativ). Planul PP separ partea superioar a cristalului (cu n+1 irurie atomi comprimai), de partea inferioar (avnd numai n iruri de atomi, fiind ca urmare rarefiai), reprezint un plan de alunecare (fig.3.3 c.).Fig.3.4 Formarea dislocaiei marginale prin deplasarea reciproc incomplet a celor dou pri dintr-un cristal ideal (a) sub influena unor fore de forfecare de-a lungul unuiplan de alunecare (c) i mecanismul alunecrii prin propagarea din aproape n aproapea dislocaiei pn la eliminarea sa (f).

Sub aciunea unor fore de forfecare , o parte dintr-un cristal ideal, sufer o alunecare incomplet (fig.3.4 a). Linia de separare care desparte partea alunecat de cea nealunecat (fig.3.4 c) constituie o dislocaie ce se poate deplasa n continuare pn la extremitatea cristalului, unde se elimin, rezultnd o treapt de alunecare (fig.3.4 f).Direcia i mrimea alunecrii asociate unei dislocaii sunt caracterizate prin vectorulBurgers r r notat prin b (fig.1.19). La dislocaia marginal, vectorul Burgers b este cuprins n planul de alunecare i este perpendicular pe dislocaie. Dislocaia elicoidal se obine prin forfecare, ca rezultat al deplasrii unei poriuni dintr-un cristal fa de o poriune fix, cu o distan egal cu b de-a lungul direciei (AD) a unui plan (fig.). Dislocaia elicoidal este reprezentat de atomii din jurul liniei AD care se nfoar duo spiral i de fapt se ntinde pe o raz de cteva distane atomice pe domeniul unde aezareatomilor este uor perturbat n urma forfecrii. Cristalul cu o dislocaie elicoidal apare ca i - 21 -

cum un plan atomic s-a rsucit, provocnd o deplasare relativ a irurilorFig. 3.5 Dislocaie elicoidal: a planul de forfecare ABCD n cristalul ideal; b forfecarea celor dou pri din cristal i apariia dislocaiei

de atomi care se refac n planul urmtor. Dup modul n care se nfoar spirala, dislocaiae fi orientat la dreapta, sau la stnga. Dislocaii mixte Liniile de dislocaii cel maiadesea au un contur ondulat sau frnt i conin fragmente de dislocaii marginale i elicoidale i formeaz bucle de dislocaii (dislocaii mixte). n cristalele reale se formeaze spaiale tridimensionale alctuite din fragmente de dislocaii ancorate n plane reticulare diferite. Ele converg n nodurile triple ale reelei. n metalele recoapte, reelele de dislocaii au dimensiuni de ordinul micrometrilor i se numesc reele Frank. 3.3. Proprietile dislocaiilor Dislocaiile au rol hotrtor n realizarea valorilor proprietmecanice ale metalelor, n explicarea fenomenelor ce au loc la deformarea plastic,fluaj, transformri de faze la nclzire i rcire etc. De aceea, cunoaterea existenei lora cantitii n care sunt prezente, a proprietilor specifice, prezint att interes teoretc, ct i practic. Dintre cele mai importante proprieti mecanice, se pot aminti: Cmpulde tensiuni asociat dislocaiei (fig.3.6), ca rezultat al distorsiunilor elasticeale reelei cristaline n vecintatea dislocaiei corespunde lucrului mecanic cheltuit pentru crearea dislocaiei. Diferena de energie liber dintre un cristal ideal i un cristal real corespunde energiei Fig.3. 6 Cmpul de tensiuni asociat unei dislocaiei (Ed = Gb2l), unde dislocaii G-modulul de elasticitate transversal; b-vectorul Burgers al dislocaiei; l lungimea dislocaiei). Acest cmp de tensiuni- 22 -

interne, respectiv energia dislocaiei acioneaz pe distane apreciabile n raport cu miezul dislocaiei (linia de dislocaie) i exercit o for de interaciune asupra celorlalte iperfeciuni; Interaciunea elastic dintre dou dislocaii sau dintre dislocaii i defecte pnctiforme se manifest n urma activrii termodinamice, deoarece cristalul real caut s-imicoreze energia spre a trece n stri mai apropiate de echilibru. Dou dislocaii marginale aflate n acelai plan de alunecare sau elicoidale de acelai semn, se vor respinge pentru a nu determina creterea efectului de distorsiune, deci a energiei liberea cristalului. n cazul n care dislocaiile sunt de semn contrar, ntre ele vor aparefore de atracie care vor favoriza refacerea unui plan atomic complet prin anulareacelor dou imperfeciuni (fig.3.7).Fig.3. 7 Dou dislocaii marginale, paralele, de semne contrare, se atrag i se refaceun plan atomic complet, sau unul incomplet care include colonii de vacane, sau,un plan atomic care prezint colonii de atomi interstiiali poziionate adiacent acestuia.Atunci cnd, dup deformarea plastic la rece se aplic produsului ecruisat (cu o densitate mare de dislocaii) o recoacere de recristalizare, se produce anularea dislocaiilor de semne opuse iar cele de acelai semn de pe planele de alunecare se redistribuie unele sub altele n aranjamente mai stabile, sub form de perei de dislocaii proces numit poligonizare (3.9).Fig.3.8 Dou dislocaii marginale, paralele, de acelai semn , avnd acelai plan de alunecare, se resping

n cmpul de tensiuni din jurul dislocaiilor se acumuleaz atomi strini de impuriti, formaa-numitele atmosfere Cottrell care blocheazFig. 3.9 Redistribuirea dislocaiilor n pereti de dislocatii cu formarea limitelorde blocuri in mozaic ( poligonizare)temporar dislocaiile, fiind necesare fore suplimentare pentru smulgerea acestora nvederea alunecrii. Dislocaiile sunt mobile, ele putndu-se deplasa dup dou mecanisme.Prin alunecare, (slip), sub aciunea unor fore exterioare, de-a lungul unor plane conform vectorului Burgers, producnd efecte - 23 -

elementare de deformare plastic (fig.3.3). Tensiunea real necesar deplasrii dislocatiilor respectiv nceperii alunecrii (limita de curgere), corespunde unei mrimi critice foarte reduse ce acioneaz n plan : = Gb/l, unde G-modulul de elasticitate transversal; b-vectorul Burgers al dislocaiei; l lungimea dislocaiei. Alunecarea dislocaiei este uurat de necesitatea deplasrii atomilor pe distane mai mici dect cele interatomice, din aproape n aproape, deoarece atomii au deja poziii uor scoase din echilibru (fig.3.3). Dislocaia, respectiv irul atomic suplimentar, se deplaseaz treptat spre dreapta n planul care conine dislocaia i vectorul b. Alunecarea se face foarte uorn planele paralele cu planele reticulare de densitate atomic maxim. Dislocaiile elicoidale nu se pot deplasa dect prin alunecare, dar deoarece dislocaia i vectorul asociat ei sunt paralele, alunecarea poate avea loc ntr-un numr mult mai mare de plane. Prin crare (climb), prin deplasarea dislocaiilor marginale pe vertical perpendiculr pe planul de alunecare, avnd la baz un transport de atomi prin difuzia defectelor punctiforme; aceast deplasare poate avea loc numai la temperaturi nalte, cnd apariruri suplimentare de atomi sau de vacane de-a lungul unei direcii. Din consecinelepractice ale mobilitii dislocaiilor se poate reine: producerea deformrii plastice (prin alunecare), fluajul (prin crare i alunecare), poligonizarea (interaciunea dintredislocaii), recristalizarea. Blocarea dislocaiilor n timpul deplasrii, n barierele preexistente (limite de grunte, alte dislocaii) sau n barierele care se formeaz chiar ntimpul deplasrii, conduce la ngreunarea proceselor de alunecare, respectiv la scderea plasticitii i la creterea duritii metalului deformat (ecruisare). Ca urmare se formeaz pduri de dislocaii ancorate n alte plane i pentru smulgerea acestor dislocaii saraversarea lor fiind necesare fore exterioare considerabile. n figura 1.30 sunt prezentate diferite situaii n care se produce blocarea dislocaiilor n dreptul diferitelor bariere. Dislocaiile se formeaz n timpul solidificrii la creterea grunilor cristalni i se multiplic n timpul deformrii plastice prin aa- numitele surse de dislocaii Frank Read. Figura 3.10 prezint mecanismul de multiplicare a dislocaiilor.Fig. 3.10 Mecanismul multiplicrii dislocaiilorUn segment de dislocaie N-N, imobilizat pe anumite bariere din plane diferite, subefectul unei tensiuni de alunecare F de mrime critic, se curbeaz treptat n planul de alunecare, lund forma unei bucle de tip 2 i succesiv configuraiile 3, 4 i 5. n cazul n care s-a realizat configuraia 5, se constat c bucla de dislocaie este format din dou- 24 -

fragmente de dislocaii elicoidale de semn opus, orientate ctre dreapta i respectivctre stnga, astfel c ntre ele vor apare fore de atracie. n urma interaciunii se va reera fragmentul de dislocatie N N, iar bucla nchis 6 se va desprinde de surs. La tensiuni sporite, sursa va emite noi bucle de dislocaie, teoretic n numr infinit, practic finit deoarece acestea se vor bloca pe anumite bariere i apoi avnd acelai semn sevor bloca unele pe altele. Deci, n timpul deformrii plastice, pe lng dislocaiile preexistente, care se deplaseaz i se elimin la suprafaa cristalului, se genereaz noi dislocaii care interacioneaz reciproc, blocndu-se i producnd barierele cunoscute sub numele de pduri de dislocaii. Densitatea dislocaiilor Nd exprim valoric cantitatea de dislocaii dintr-un cristal real i se exprim ca raport dintre suma lungimilor tuturor dislocaiilor raportate la unitatea de volum, deci [cm-2]. De densitatea de dislocaiidepinde rezistena metalelor - la rupere i deformare. Lund n considerare aceast dependen conform diagramei lui Oding (fig. 3.11) se constat dou posibiliti extreme contradctorii, de ameliorare a rezistenei metalelor: prin crearea cristalelor perfecte complet lipsite de dislocaii a cror rezisten se poate apropia de cea teoretic; prin saturarea cu dislocaii n vederea crerii de obstacole structurale eficiente n calea propagrii libere a dislocaiilor. n ambele cazuri, utilizarea mai complet a forelor de coeziune, prin creterea numrului de atomi ce iau parte concomitent la rezistena opus forelor exterioare, explic creterea brusc a rezistenei. Densitatea critic de dislocaiid, corespunde strii recoapte Nd = 106 108 [cm-2]. La densiti foarte mici, rezistena crete brusc la valori teoretice. S-au obinut n laborator astfel de cristale perfectefiliforme de dimensiuni reduse: 2-10 mm lungime i diametre de 0,52m, denumite whiskers (musti). n cazul monocristalelor de fier Rm = 13.000N/mm2, n timp ce valorile teoretice calculate sunt de ~ 12000 N/mm2, iar valorile reale pentru fierul tehnic sunt de ~ 300 N/mm2.Fig.3.11 Dependena rezistenei metalelor de densitatea Nd de defecte structurale (dislocaii): 1 cristale filiforme perfecte; 2 metale pure recoapte; 3 aliaje durificate prin aliere, ecruisare, clire, tratamente termomecanice; 4 materiale noi.Industrial, durificarea se realizeaz prin crearea structurilor cu numr mare de imperfeciuni, distribuite convenabil n masa de baz. Prin deformare plastic la- 25 -

rece, densitatea de dislocaii poate ajunge la Nd = 1010 1012 [cm-2]. O nou tehnic dedurificare este rezultat din armarea cu fibre (cristale perfecte) a unor mase metalice de baz moi (Cu, Al, Ag, polimeri), deschiznd calea unei mari diversiti de materiale compozite. 3.4. Defecte de suprafa Imperfeciuni structurale cu o extensie lanivel reticular, mai mare n dou direcii i limitat pe o a treia (suprafee de separare,interfee). Aceste defecte sunt domenii care fac jonciunea dintre dou reele vecine dezorientate cu un unghi mai mare sau mai mic, cu aranjamente atomice care prezint abateri de la aezarea ordonat (dar nu amorfe), care pot separa: faze (limite de faze); gruni cristalini (limite de gruni sau limite de unghiuri mari); subgruni (limitede subgruni sau limite de unghiuri mici). n afara defectelor enumerate, mai pot exista i alte tipuri de defecte de suprafa precum: limite de macle, defecte de mpachetare, etc. Materialele metalice (metale i aliaje), fiind materiale policristaline,sunt caracterizate de energie intern mult mai mare n raport cu cea a unui monocristal, tocmai prin valoarea energiei asociate defectelor de reea i n special a dislocaiilor care se grupeaz pe suprafee mari n cadrul limitei de racord dintre cristalele adiacente. Zonele de limit sunt caracterizate prin energie mai mare dect cea dininteriorul cristalelor (energia limitei se raporteaz la unitatea de suprafa i are dimensiunile unei tensiuni superficiale). Limitele de gruni Structura materialelormetalice tehnice obinute de obicei prin solidificarea unei topituri, rezult prin aezarea ordonat a atomilor la trecerea din starea lichid n solid producndu-se neuniformi nesimultan ntr-un numr foarte mare de puncte care constituie germeni de cristalizare. Din aceti germeni, prin aport de atomi dinspre topitur se dezvolt grunii cristalini (formaiuni cristalografice similare, Fig. 3.12 Seciune cristalografic cu diferite orientri imprimate de printr-o limit de grunte orientarea germenilor i asamblatecoerent prin intermediul limitelor de gruni) . Prezena limitelor are implicaii practice foarte importante, cum ar fi: materialele policristaline se deformeaz plastic mai greu dect monocristalele; ruperea (la rece) are loc are loc prin intermediul grunilor i nu prin limitele care au rezisten mecanic mai mare; sensibilitatea la coroziune a limitelor de grunte este mai accentuat dect a suprafeei grunilor. Zonele limitelor de grunte reprezint imperfeciuni de suprafa caracteristice, cu aranjamente atomice de tranziie ntre cele pe care le- 26 -

formeaz atomii pe rnd n fiecare grunte adiacent i este caracterizat evident prin numeroase perturbri (vacane, atomi interstiiali proprii i strini, dislocaii) (fig.3.12). Deoarece aceste imperfeciuni racordeaz reele cristaline cu diferene mari de orientare,limitele dintre gruni se numesc limite de unghiuri mari. Limite de subgruni n interiorul grunilor cristalini, exist n afara defectelor punctiforme sau liniare i abaterilocale fa de orientarea cristalografic global a gruntelui cristalin respectiv, ceea ce determin o fragmentare a gruntelui ntr-o serie de subgruni sau mici domenii de ordinul micronilor, denumite blocuri n mozaic, separate ntre ele prin reele de sublimite. Diferena de orientare este foarte redus ( rc va fi din punct de vedere termodinamic stabil, deoarece, creterea prin aport de atomi dinspre topitur cu dr, ar conducela o nou grupare de atomi cu dimensiunea r2+dr nsoit de scderea energiei libere a germenelui de la F2 la F2 - dF (stare din punct de vedere termodinamic din ce n ce mai favorabil). Deci, acest germene va fi viabil i progresiv i n timp se va transformaprin procese de cretere ntr-un grunte cristalin. La temperatura de echilibru ntre faze (Te=Ts=Tt), variaia energiei libere de volum aa cum s-a artat Fv = 0 (Fsolid=Flichid), i ca urmare, raza critic rc, la care germenii ar deveni stabili pentru produsele finite ce se solidific ar trebui s fie de mrime infinit: 2 r c= (5.18) Fv ceeaeste un nonsens i sugereaz imposibilitatea germinrii spontane la temperatura de echilibru. Pentru a se produce germinarea omogen sunt necesare anumite grade de subrcire T care s furnizeze suficient energie de activare pentru ca anumii Fig 5.4 Variaia energiei libere n funcie de germeni s devin gradul de subrcire si dimensiunea critiabili (stabili). rc a germenului de cristalizare (1 >2>3) Energia nece- 40 -

sar formrii germeni-lor proprii, de dimensiuni critice (Fc), se poate determina nlocuind n relaia variaiei energiei libere, valoarea obinut pentru raza critic.2 3 16 3 16 3 Fv + Fc = - 16 = 3 Fv 3 Fv 2 3Fv 2Determinnd i suprafaa germenelui critic: Sc = 4 r2c = rezult c,(5.19)16 2 Fv 2(5.20)1 Sc (5.21) 3 In concluzie la apariia fazei noi, mai stabile, o treime din energianecesar formrii suprafeei germenului de faz nou trebuie furnizat de sistem pe seama fluctuaiilor de energie deoarece numai dou treimi sunt compensate din micorarea energiei libere. Fc =a) b) Fig. 5. 5 Creterea uniform (a) i variante de depunere a germenilor bidimensionali

n fig. 5.4 este redat variaia energiei libere i a dimensiunii razei critice a germenilor pentru diferite grade de subrcire. Se observ c, la creterea gradului de subrcire(1 >2 >3) descrete energia necesar formrii germenilor deoarece au dimensiuni criticce n ce mai mici, altfel spus germinarea este mai rapid (deoarece germenele devine viabil la raze critice mai mici). Fc3 < Fc2 < Fc1 i rc3 > rc2 > rc1 (5.22) Germenii de cristalizare stabili, odat formai n condiii termodinamice favorabile, ncep s creasc prin depunere de noi straturi de atomi dinspre topitur, pe suprafeele lor (fig.5.5). 5.2.3. Germinarea eterogen Acest mod de germinare se va realiza mai uor deoarece suprafeele preexistente eterogene vor reduce energia necesar formrii suprafeelorde separare dintre germene i topitur i ca urmare germinarea devine posibil i pentrugrade de subrcire mult mai mici. Cristalizarea din germeni eterogeni este preferat ori de cte ori este posibil, deoarece tensiunile la interfeele solid-solid sunt mai reduse. Amorse de germinare eterogene pot fi: rugozitile de pe pereii lingotierei sau cochilei, particule greu fuzibile existente n topiturile metalice (incluziuni, pelicule de oxizi).- 41 -

Din punct de vedere termodinamic, metalul care se solidific poate adera la un germene eterogen dac tensiunea superficial dintre metalul solid i germene (SG) este maimic dect suma tensiunilor superficiale dintre metalul solid i topitur (SL) i dintre topitur i germenele eterogen (LG), adic: SG < SL + LG. (5.23) 5.3. Caracterizarea strucurii primare La solidificarea topiturilor metalice turnate n forme, n urma procesului de cristalizare rezult structura primar sau structura brut, de turnare a pieselor sau a lingourilor. Proprietile de exploatare ale pieselor turnate, respectiv proprietile tehnologice ale lingourilor - la operaiile de deformare plastic, tratamente termice, achiere etc., - sunt influenate att de natura materialelor metalice, ct ide structura primar macro i microscopic obinut la solidificare, precum i de defecteleconexe solidificrii (poroziti, retasuri, sufluri, etc.), astfel se poate afirma c, proprietile produselor finite depind n exploatare de calitatea produselor turnate care au un rol "ereditar". Grunii cristalini care rezult la solidificare sub forma unor conglomerate cristaline sunt caracterizai de o anumit form, mrime i orientare. 5.4. Rezumat i concluziiCristalizarea metalelor reprezint procesul de formare a structurilor cristaline,din stri mai puin ordonate prin transformri termodinamice. Proprietile materialelor metalice depind de forma i mrimea grunilor cristalini formai, dar i de o serie de fenomene conexe cristalizrii, care au ca efect apariia unor defecte de compactitate, neomogeniti chimice, incluziuni nemetalice, tensiuni interne. Fora motrice care amorseaz la rcire transformarea unei topituri metalice n stare solid (cristalin) o reprezint diferena de energie liber dintre cele dou faze: F = Fsolid Flichid . O transformare decurge ntotdeauna n sensul micorrii energiei libere astfel nct sistemul respectiv streac ntr-o stare mai apropiat de echilibru (F 0 c. F = 0 4. La temperatura de echilibru termodinamic ntre faze (Te), are loc transformarea: a. L S (cristalizarea) ; b. S L (topirea) ; c. L S ( nu are loc nici o transformare). 5. Cristalizarea decurge prin procese de : a. germinare omogen sau eterogen; b. cretere; c. germinare i cretere. 6. La germinarea omogen, germenele devine viabil dac raza sa reste: a. r < rc ; b. r > rc ; c. nu are legtur cu raza critic (rc= 2/ FV). 7. Formula razei critice este : a. rc = 2/ FV; b. rc = / FV; c. rc = 3/ FV; 8. Pentru a se produce cristalizarea unui sistem este necesar: a. existena unui grad de subrcire ();b. asigurarea unei energii de activare pentru cristalizare (Uas); c. att apariiaunui grad de subrcire () ct i asigu-rarea unei energii de activare pentru cristalizare (Uas). 9. Creterea gradului de subrcire () pentru o topitur face ca germinarea s fie: a. mai lent; b. mai rapid; c. nu are nici o influen. 10. Condiia pentru germinareaeterogen este : a. SG < SL + LG ; b. SG > SL + LG ; c. SG < SL - LG. 1.- 43 -

6. DIFUZIA6.1. Cuplul de difuzie Difuzia atomilor explic cea mai mare parte din procesele fundamentale ce se manifest n materialele cristaline - cristalizarea metalelor i aliajelor, tratamentele termice i termochimice, deformarea plastic la cald, sinterizarea pulberilor metalice etc.. Difuzia atomic este un proces de transfer de mas, care se realizeaz prin migrarea atomilor pe distane mai mari dect distana medie interatomic. n cazul metalelor pure, cnd se deplaseaz atomi de aceeai specie fenomenul estenumit autodifuzie i migrarea atomilor nu determin modificarea concentraiei n volumeizolate. Atunci cnd migrarea atomilor este nsoit de modificarea concentraiei, precumn cazul aliajelor sau al metalelor cu un coninut ridicat de impuriti, fenomenul este numit difuzie sau heterodifuzie.a. b. Fig. 6.1 Cuplul de difuzie Cu-Ni (a). Modificarea concentraiei atomice prindifuzie n vecintatea interfeei Cu- Ni dup meninere sub temperatura de topire timp ndelungat (b)

Pentru a nelege procesul de difuzie ca micare dirijat a particulelor materiale urmare a activrii termodinamice se prezint urmtorul experiment: se formeaz un cuplu metalic din dou bare de cupru i respectiv din nichel care se mbin printr-un contact ct maiintim (fig. 6.1a). Acest cuplu se menine o perioad mare de timp la temperatur ridicat (sub temperaturile de topire specifice celor dou metale ) pentru a activa n stare solid migrarea n contracurent a celor dou specii de atomi. Se va constata dup o perioad de meninere suficient c metalele sunt separate de o zon de difuzie, n care concentraia de Cu i Ni variaz n funcie de distana de la interfaa iniial de separaie. Acs-a format prin migrarea atomilor de Cu nspre bara de nichel i respectiv a celor de Ni nspre bara de cupru, altfel spus din zona cu concentraie ridicat spre cea cu concentraie sczut. Procesul care descrie migrarea atomilor unui metal spre alt matrice metalic se numete interdifuzie.- 44 -

6.2. Mecanisme de difuzie Difuzia se produce fie prin intermediul defectelor punctiforme, fie datorit prezenei dislocaiilor, princanalul din vecintatea liniei dislocaiilor specific zonei mai rarefiate a reelei cristaline (unde se manifest tensiunide ntindere). La materialele policristaline, difuzia poate fi volumic, superficial i pe limita de grunte (figura 6.2) i ntre energiile de activare ale difuziei manifestate pe aceste ci exist relaia: Esuprafa Dlimitslocaii>Dvolum. Cu ct granulaia este mai fin, este o cantitate mai mare de limit de grunte pentru accesul elementului de difuzie, iar difuzia este mai intens. Influenadensitii defectelor structurale Coeficientul de difuzie crete cu mrirea concentraieide vacane i cu densitatea de dislocaii. Ca urmare, se poate concluziona c vitezele rapide de nclzire i deformarea plastic prealabil intensific difuzia. Influena concentrai Coeficientul de difuzie uneori variaz considerabil cu concentraia. Cercetrile efectuate asupra sistemelor Ni-Cu, Au-Ni, etc., au artat c D crete cu concentraia elementului de difuzie. La aliajele Fe-C, coeficientul de difuzie a C n Fe nu variaz cuconcentraia, datorit slabei solubiliti a C (0,0218%). Limita de solubilitate a C n Feeste 2,11%, ceea ce face ca D s varieze cu concentraia. Factorul de frecven Do i energia de activare E scad cu creterea concentraiei de C. Avnd n vedere influena concentraiei asupra lui D, valoarea determinat experimental are semnificaia unei mrimi mediipe intervalul de concentraii considerat. Influena strii de tensiune- s-a constatatc, n prezena unei stri de tensiuni, se produce un flux de difuzie din zonele n carese manifest tensiuni de compresiune ctre cele unde se manifest tensiuni de ntindere.6.5. Rezumat i concluziiDifuzia atomic este un proces de transfer de mas n stare solid bazat pe deplasarea atomilor pe distane mai mari dect distana medie interatomic. Aceasta st la baza transformrilor n stare solid din aliaje, n timpul deformrii plastice la cald, a tratamentului termic sau termochimic, sinterizrii, omogenizrii chimice la cristalizare, etc.Se difereniaz autodifuzia (n absena unui gradient de concentraie) i heterodifuzia (determinat i nsoit de modificarea concentraiei locale). Procesul de difuzie poate fi evideniat de un cuplu de difuzie, format din dou bare de metal puse n contact intim, nclzite i meninute timp ndelungat sub temperatura de topire. La zona de contact apare ozona aliat, datorat procesului de interdifuzie (deplasarea atomilor unui metal n matricea celuilalt metal). Difuzia unui atom se face prin salturi activate termicde pe o poziie de echilibru pe alta vecin. Pentru a difuza un atom trebuie s aib atto poziie de echilibru liber n vecintate, ct i energia necesar efecturii saltului imrii elastice a reelei cristaline n timpul saltului. n volumul cristalului se manifest mecanisme de difuzie pe baza defectelor punctiforme (ciclic, de schimb, lacunar i interstiial) i pe baza dislocaiilor. Pentru difuzia atomilor metalici, cele maiprobabile mecanisme sunt cel lacunar, interstiial indirect i extins. Atomii de metaloid cu raz mic difuzeaz prin mecanismul interstiial direct. n materialele policristaline, difuzia n volumul gruntelui este nsoit de difuzia pe limita de grunte i superfiial. Cea mai redus energie- 48 -

de activare a difuziei este la difuzia superficial, urmat de difuzia pe limita degrunte i pe reeaua de dislocaii. Cantitativ, difuzia este evaluat cu ajutorul legilorlui Fick, pentru un regim de difuzie staionar sau nestaionar. Legile lui Fick sunt valabile numai pentru difuzia n sistemele bicomponente. Difuzia este activat decreterea temperaturii, viteze rapide de nclzire, procese de deformare plastic, starede tensiuni i prin finisarea granulaiei.

6.6. ntrebri1. Difuzia atomic este un proces de transfer de mas n stare solid bazat pe deplasarea atomilor pe distane : a. mai mari dect distana medie interatomic; b. mai mici dectdistana medie interatomic; c. egale cu o distana medie interatomic; Procesul de difuzie poate fi evideniat practic utiliznd a. un cuplu de difuzie; b. un aliaj binar;c. nu e posibil dect teoretic; Difuzia este posibil prin intermediul: b. imperfectiunilor structurale; c. retasurilor; d. suflurilor. n cazul metalelor pure, deplasarea atomilor de aceeai specie fenomenul se numete: a. autodifuzie; b. difuzie ncontracurent; c. heterodifuzie; n cazul metalelor pure, migrarea atomilor: a. nudetermin modificarea concentraiei n volume izolate; b. determin modificarea concentraiei n volume izolate; c. nu este posibil. La materialele policristaline, difuzia poate fi : b. volumic i superficial; c. volumic; d. volumic, superficial i pe limita degrunte. Factorul determinant al difuziei este: b. afinitatea electrochimic; c. diferena de diametru atomic; d. diferena potenialelor termodinamice (energiei libere).Un component migreaz ntotdeauna dinspre: a. starea cu un potenial termodinamic maimare ctre starea cu potenialul mai mic; b. starea cu un potenial termodinamic maimic ctre starea cu potenialul mai mare; Difuzia este activat de : a. scderea temperaturii.. b. meninerea constant a temperaturii.. c. creterea temperaturii.. Coeficienii de difuzie : b. scad la creterea razei atomilor de difuzie. c. cresc la creterearazei atomilor de difuzie.2.3.4.5.6.7.8.9.10.- 49 -

7. DIAGRAME DE ECHILIBRU FAZIC7.1. Echilibrul n sistemele de aliaje. Legea fazelor Starea unui aliaj se caracterizeaz prin numrul i natura fazelor n echilibru i depinde de concentraie i de condiiiexterne - temperatura i presiunea. n condiii de echilibru, la o presiune i temperatur date, energia liber are o valoare determinat. Aliajul se gsete n echilibru stabil, dac energia lui liber nu se modific n timp. Aceast stare se obine numai n condiii de e sau rcire foarte lente, care asigur timpul suficient adoptrii de ctre particulelemateriale a strii cu energie minim. n practic un echilibru real se realizeaz foarte rar. n majoritatea cazurilor, aliajele se gsesc ntr-o stare metastabil adic sunt caracterizate de o stare de energie liber mai mare, astfel c, stabilitatea lor este limitat, ceea ce va face ca sub influena unor factori externi s treac n alte stri mai stabile.Fig. 7.1 Curbele de variaie a energiei libere F n funcie de concentraie: a-componeniiA i B nemiscibili; b-componenii A i B total miscibili; c-componenii A i B parial miscibili

Pentru un aliaj aflat in condiii de echilibru termodinamic (la temperatur i presiune constante), starea de echilibru va corespunde acelei stri pentru care energia liber F are valoarea minim: F = U TS (7.1) Unde: U energia intern; T temperatura; S entropia. Un sistem binar A B, va prezenta variaia energiei libere n funcie de concentraie pentru structurile de echilibru specifice aliajelor : sub form de dreapt n cazul n care componenii A i B sunt nemiscibili (fig.7.1a), sub form de curb cu minim,pentru componeni miscibili, n cazul n care prima derivat se anuleaz, iar a doua derivat este pozitiv (fig.7.1b) . dF d 2F F = f(C) = minim, dac = 0 i > 0 (7.2) dC t dC 2 p = const- 50 -

Atunci cnd pe anumite domenii de concentraie (C - C ), variaia energiei libere n funcie concentraia componenilor va prezenta < 0, starea de echilibru nu va corespunde unei dC 2 singure faze omogene de concentraie minim, ci, pentru dou faze i care coexist, fiecare faz fiind caracterizat de concentraia minim C i respective C, determinatein tangenta comun la curba respectiv (fig.5.1c). Coexistena fazelor i la echilibru nr-un sistem de aliaje binar (cu componenii - A i B) implic ecuaia de condiie a tangentei comune: F F dF dF (7.3) C = C = C C dC dC n cazul gem cu n componeni, pentru realizarea echilibrului vor fi necesare ( 1) egalitai de forma: (grad F) c =(grad F)c = .. (grad F)c.(7.4) Fiecare egalitate implic prezena aponeni independeni pentru fiecare gradient al energiei libere, adic n total: n( 1) ecuaii de condiie. In fiecare faz, variabilele termodinamice vor fi concentraiile componenilor CA, CB, CC,, adic vor fi n numr de (n1) deoarece cea de-a n- concentraieiferena pn la 100% . Ca urmare n cele faze vor fi n total (n1) variabile de concenpendente, la care se mai adaug dou, temperatura i presiunea mediului i se obine c variana sistemului (V), adic numrul gradelor de libertate, va fi dat de Legea fazelor: Variana = numrul variabilelor numrul ecuaiilor i deci: V = (n1) +2 n ( 1) = n+2- u numrul gradelor de libertate reprezint numrul factorilor interni (temperatura, concentraia materialului) sau externi (temperatura, presiunea), care influeneaz starea sistemului de aliaje i care poate fi variat fr a modifica numrul i natura fazelor nechilibru. Deoarece sistemele de aliaje sunt de obicei utilizate n condiii izobare(presiunea atmosferic), numrul variabilelor din legea formulat de Gibbs, trebuie diminuat cu o unitate, i ca urmare, numrul gradelor de libertate se obine cu relaia:V = (n1) +1 n ( 1), de unde: V = n - +1 (7.5) unde: V - variana sistemului (numrulgradelor de libertate); n numrul componenilor; numrul fazelor care coexist la o anuit temperatur sau pe un interval de temperatur. curbura negativ

d 2F- 51 -

7.2. Clasificarea diagramelor de echilibru n condiii izobare, diagrama de echilibru fazic a unui sistem de aliaje A-B, este o reprezentare grafic n plan n coordonatetemperatur-concentraie. Planul diagramei de echilibru este format din domenii destabilitate fazic (stri de echilibru), desprite prin linii continue, pentru toate aliajele sistemului binar de la temperatura ambiant pana la starea de topitur i caracterizeaz transformrile care au loc n stare solid i lichid, la nclzirea sau rcirea folent a aliajelor. Comportarea reciproc a componenilor n stare lichid i solid funcie dolubilitatea sau reactivitatea lor chimic, determin clasificarea sistemelor de aliaje binare, corespunztor diagramelor lor de echilibru dup diferite criterii: Dup natura transformrilor care au loc n aliaje: diagrame de solidificare, care conin numai procese de cristalizare primar; diagrame cu transformri n stare solid, care conin iprocese de recristalizare. Dup solubilitatea componenilor n stare lichid i solid: diagrame cu componeni total solubili n stare lichid i cu solubilitate total, parial sau inolubilitate n stare solid; diagrame cu componeni parial solubili n stare lichid i cu slubilitate parial sau insolubilitate n stare solid; diagrame cu componeni insolubili nstare lichid i solid. Dup reactivitatea chimic a componenilor: diagrame fr compui iediari; diagrame cu compui intermediari cu topire congruent sau incongruent. La sistemele de aliaje monocomponente (metale pure) reprezentarea grafic se reduce la verticala de temperatur, pe care se indic punctele critice. Punctele critice sunt temperaturi la care fazele au aceeai energie liber (temperaturi de echilibru termodinamic ntre faze deci unde nu au loc transformri). Condiiile termodinamice de echilibru se refer la existena n sistem a energiei libere Fig.7.2 Tipuri de curbe de rcire trasate prin analiz termic: minime. O transformare a rcire fr transformri; de fazntan este b cu palier la T solidificare = ct (v=o), n cazul posibil numai dac este metalelor pure i eutecticelor; nsoit de scderea c interval de solidificare, ntre punctl energiei libere totale. lichidus i solidus, n cazul soluiilor solide.- 52 -

Geometria diagramelor de echilibru este obinut precis pe baza calculelor teoreticeale ecuaiilor termodinamice de echilibru i a legii fazelor sau pe baz experimental,utili-zndu-se analiza termic sau termodiferenial. Cu ajutorul analizei termice se determin curbele de rcire specifice aliajelor sistemului (acestea sunt reprezentri grafice n coordonate temperatur timp, trasate din starea de topitur pn la temperaturaambiant). Punctele de inflexiune sau palierele de pe curbele de rcire marcheaz temperaturile critice de transformare la rcirea sau la nclzirea unui aliaj (fig.7.2). Temperatura la care pentru un aliaj la rcire apar primii germeni stabili de faz solid se numete temperatur lichidus. Locul geometric al temperaturilor lichidus pentrutoate aliajele din sistem formeaz curba lichidus. Temperatura la care pentru unaliaj la rcire dispare ultima pictur de lichid se numete temperatur solidus. Locul geometric al temperaturilor solidus pentru toate aliajele din sistem formeaz curbasolidus. In cazul sistemelor binare (n = 2), diagrama de echilibru este un grafic plan. Axa orizontal este axa concentraiilor, delimitat de verticalele componenilorpuri, conventional notai A i B si corespunde a 100 uniti de lungime, pentru a exprima procentual concentraia aliajelor din sistem. Concentraia se exprim n general n procente de mas. Axa vertical este axa temperaturii, msurat n oC, sau K. Liniile diagramei sunt locuri geometrice ale punctelor critice cu aceeai semnificaie fizic. Un punct de pe diagram aparine unui domeniu, a crui compoziie fazic indic starea unui aliajla o anumit temperatur. El se gsete la intersecia verticalei de compoziie cu orizontala de temperatur. Astfel, punctul figurativ M de pe verticala de compozitie a aliajului x indic starea de echilibru a aliajului x la tempetatura TM. Diferena de temperatur ntre punctele lichidus i solidus formeaz intervalul de solidificare al aliajului. Curbele lichidus i solidus se ntlnesc ntotdeauna n punctele de echilibru topire-solidificareTA i respectivTB ale componenilor puri. Aceste linii delimiteaz trei domenii: deasupra curbei lichidus, domeniul monofazic lichid L, n care toate aliajele sunt n stare lichid; sub curba solidus, domeniul monofazic solid , n care toatealiajele sunt solidificate; ntre curbele lichidus i solidus, domeniul bifazic, L+, ncare aliajele sunt n curs de solidificare. 7.3. Regula prghiei In fig. 7.3 se prezinta diagrama de echilibru pentru doi componeni cu solubilitate total n stare lichid i solid. Pentru a caracteriza starea de echilibru a aliajelor n domeniile bifazice se folosete regula prghiei, cunoscuta i ca regula orizontalei sau a segmentelor inverse.- 53 -

Fig. 7.3 Aplicarea regulei prghieiPentru aliajul I e compozitie b%B, se analizeaza constituia fazic la temperatura corespunzatoare punctului b. Pentru aceasta se porneste pe izoterm prin b, catre dreapta si respectiv ctre stanga, pana la intersecia cu cele mai apropiate linii continue ale diagramei (punctele a i c). Conoda ac astfel obinut reprezint un segment deizoterm care include punctul b i se sprijin pe limitele domeniului de stabilitatefazic (fig. 7.3).

Conoda exprim: natura fazelor n echilibru, sugerat de domeniile monofazice pe carese sprijin capetele conodei. Aliajul de concentratie b%B conine la temperatura analizat 2 faze: lichid de concentraie a (La) i soluie solid de concentraie c (c) compochimic a fazelor n echilibru, indicaie obinut prin proiecia capetelor conodei pe axaconcentraiilor. Proiecia punctului a, d compoziia lichidului, La, iar proiecia punctuli c pe axa concentraiei, d compoziia chimic a soluiei solide , c. cantitile fazelobru, calculate ca raportul dintre lungimea segmentului de conod opus fazei de determinat i lungimea ntregii conode:%L a = bc ac 100 ; % c =ab ac 100(7.9)Dac se face raportul cantitatilor de faze n echilibru la temperatura corespunzatoare punctului b pentru aliajul I de compozitie b%B rezult:% La bc = %c ab(7.10)Relaia (7.10) arata c raportul dintre masele fazelor n echilibru este egal cu raportul invers al lungimii segmentelor de conod.Fig.7.4 Prghia de spea I

Aceast corelaie se regsete la prghia de spea I (fig. 7.4), de unde provine i denumirearegulei care conduce la cantitatea de faze la o anumit temperatur pentru un aliaj.- 54 -

7.4. Diagrame de echilibru binare 7.4.1. Diagrama de echilibru cu componeni totalsolubili n stare lichid i solid Componenii A si B sunt total solubili (miscibili) n stare de agregare lichid si solid i amestecul de atomi rezultat este soluia lichid omogen L i respectiv soluia solid omogen , de B pe baz de A. Dintre sistemele de aliaje csolubilitate nelimitat n stare lichid i solid, ntlnite n practica industrial, se exfic: Ni-Cu, Au-Ag, CuAu, W-Mo, Pd Ag, Bi-Sb, Cd-Mg, Si-Ge, Cu-Pt, Ti U, RbCs, Ir-Pt, TiMo, Ti-Nb, etc. n figura 7.5 se prezint diagrama de echilibru fazic pentru sistemul de aliaje binar A-B cu componenii teoretici A i B total solubili n stare lichid i solid. Liniile importante ale diagramei de echilibru sunt - lichidus TAaTB i solidus TAcTB, unde TA, TB temperaturile de echilibru topiresolidificare ale componenilor. Ele delim

97521902-Stiinta-materialelor

Documents

Transcript of 97521902-Stiinta-materialelor