Curs 5_____________________________________________________________________________________

CONSTITUŢIA FIZICO-CHIMICĂ MATERIALELOR METALICE

Materialele metalice se clasifică în metale şi aliaje. In principiu, un metal pur este monocomponent, adică alcătuit dintr-o singură specie de atomi. In practică, metalele de puritate tehnică conţin mici proporţii din alte specii de atomi denumite impurităţi.

Aliajele sunt materiale metalice alcătuite din două sau mai multe specii de atomi. Elementele care formează compoziţia chimică a unui aliaj se numesc componenţii aliajului. Metalul predominant este componentul principal sau de bază şi dă denumirea aliajului: aliaje feroase, aliaje de cupru, de nichel etc. Celelalte elemente chimice prezente se numesc elemente de aliere sau componenţi secundari. In funcţie de numărul elementelor de aliere, se pot distinge aliaje binare, ternare, cuaternare şi complexe. Şi în aliaje există impurităţi, adică elemente chimice străine de compoziţia aliajului.

Un sistem de aliaje cuprinde mulţimea tuturor aliajelor alcătuite din aceeaşi componenţi: de exemplu, sistemul Cu-Zn (alamele), Al-Si (siluminurile) etc. Un sistem de aliaje este de fapt un sistem fizico-chimic ale cărui stări depind de condiţiile interne cum sunt compoziţia chimică, impurităţile, imperfecţiunile reţelei cristaline, precum şi de condiţiile externe: temperatura, presiunea, câmpuri electromagnetice, radiaţii.

Un sistem fizico-chimic poate fi omogen, dacă are aceeaşi compoziţie şi aceleaşi caracteristici în toată masa lui sau eterogen, dacă este constituit din mai multe părţi, numite faze, la rândul lor omogene fizic şi chimic.

Faze sunt acele părţi omogene ale unui sistem având caracteristici fizico-chimice şi structurale specifice, delimitate de celelalte faze din sistem prin suprafeţe de separare (interfeţe).

Natura şi numărul fazelor prezente în anumite condiţii într-un aliaj determină constituţia fizico-chimică a aliajului. Componenţii unui aliaj se pot asocia între ei în următoarele moduri:

- atomi de aceeaşi specie, rezultând cristale de “metal pur”;- atomi ai elementelor de aliere se încorporează în reţeaua cristalină a metalului de bază,

formând cristale de “soluţie solidă”;- atomi de specii diferite se combină între ei şi formează cristale de “compus chimic”.Deci, în aliajele solide pot fi întâlnite trei tipuri de faze: metalul pur, soluţia solidă şi

compusul chimic.In funcţie de compoziţia chimică, fazele existente în aliaje se clasifică în faze cu

compoziţie constantă (metale pure şi compuşi chimici) şi faze cu compoziţie variabilă (soluţii solide, compuşi cu compoziţie variabilă ş.a.).

Aspectele caracteristice pe care le prezintă materialele metalice la microscop poartă numele de constituenţi metalografici; ei pot fi monofazici (metal pur, soluţie solidă, compus chimic) sau polifazici, constituenţii polifazici numindu-se şi amestecuri mecanice.

Metalul pur

Faza metal pur este alcătuită dintr-o singură specie de atomi; se caracterizează prin reţea cristalină specifică, curbe de răcire care prezintă paliere la temperaturile de solidificare şi de transformare polimorfă, conductibilitate electrică şi termică ridicate, plasticitate mare şi proprietăţi de rezistenţă (duritate, limită de curgere, rezistenţă la rupere etc.) scăzute.

Curs 5_____________________________________________________________________________________

Soluţii solide

Faza soluţie solidă este formată din mai multe specii de atomi amestecate intim la scară atomică. Caracteristica de bază a soluţiilor solide o constituie faptul că ele pot există într-un interval de concentraţie. Structura cristalină a soluţiilor solide este identică cu structura unuia dintre elementele componente, numit component de bază; această structură conţine atât atomii componentului de bază (dizolvantului), cât şi atomii celorlalţi componenţi (dizolvaţilor). Rezultă deci, că o soluţie solidă se obţine prin pătrunderea în reţeaua unui metal pur a unor atomi de altă natură numiţi atomi străini sau de aliere. Pătrunderea atomilor străini în reţeaua componentului de bază se poate realiza fie prin substituţie, fie prin pătrunderea în interstiţii. In primul caz, atomii străini înlocuiesc în reţeaua cristalului atomi ai componentului de bază, soluţiile solide astfel obţinute numindu-se soluţii solide de substituţie (fig.1.a.). In cel de-al doilea caz, atomii străini pătrund în reţeaua cristalină în interstiţiile dintre atomii componentului de bază, soluţiile solide formate în acest fel numindu-se soluţii solide interstiţiale (fig.1.b.).

Fig.1. Soluţii solide:a) soluţie solidă de substituţie; b) soluţie solidă interstiţială;

- atomi A; - atomi B.

Compuşi chimici (faze intermediare)

Faza compus chimic numită şi fază intermediară sau compus definit se formează la anumite compoziţii chimice, corespunzătoare unor rapoarte fixe între numărul atomilor componenţilor şi se caracterizează prin: reţea cristalină proprie, diferită de cele ale componenţilor, proprietăţi fizico-chimice şi mecanice deosebite de cele ale componenţilor, curbe de răcire cu paliere la punctele de solidificare. De regulă compusul chimic este dur şi fragil. In cazul în care toţi componenţii ce formează un compus sunt metale, compusul se numeşte şi fază intermetalică.

Compuşii chimici se pot clasifica după numeroase criterii şi anume: modul cum respectă legile valenţei, lărgimea domeniului de concentraţie în care există ca fază unică, modul de comportare la topire, factorul predominant în determinarea energiei libere etc.

Constituenţi metalografici

La examinarea microscopică fazele dintr-un material prezintă aspecte structurale caracteristice numite constituenţi structurali sau metalografici. Un material monofazic este format din una din cele trei faze posibile: metal pur, soluţie solidă sau compus chimic.

Aceşti constituenţi se prezintă în sistemele monofazice sub formă de cristale poliedrice omogene aproape echiaxe. In cazul metalului pur, dacă atacul cu reactiv este de scurtă durată,

a b

Curs 5_____________________________________________________________________________________

apar numai limitele dintre cristale, la un atac mai îndelungat cristalele colorându-se diferit. Soluţiile solide au acelaşi aspect microscopic cu metalele pure numai dacă sunt omogene, structura microscopică a soluţiilor solide neomogene fiind dendritică. In figura 2.a. este prezentat aspectul microscopic al unui metal pur, soluţie solidă omogenă sau compus chimic, iar în figura 2.b., aspectul microscopic al unei soluţii solide neomogene.

Fig.2. Aspectul schematic al structuriimicroscopice a materialelor monofazice:

a) metal pur, soluţie solidă omogenă sau compus chimic; b) soluţie solidă neomogenă.

Intr-un material binar bifazic, în afara unuia dintre cei trei constituenţi structurali ai unui material monofazic, apare şi un al patrulea, format dintr-un amestec intim din cel puţin două faze. Acest constituent metalografic se numeşte amestec mecanic sau agregat cristalin; fazele care formează un amestec mecanic se separă simultan fie din soluţia lichidă, în care caz amestecul mecanic se numeşte eutectic, fie din soluţia solidă, în care caz se numeşte eutectoid. De cele mai multe ori aspectul microscopic al amestecului mecanic este lamelar sau punctiform. Aliajele bifazice sunt formate fie numai din amestec mecanic, fie dintr-un amestec mecanic şi un constituent monofazic (metal pur, soluţie solidă sau compus chimic). Dacă aliajele binare bifazice conţin alături de amestec mecanic şi metal pur sau compus chimic sub formă de cristale primare (separate direct din lichid), aceste cristale au forme geometrice regulate (fig.3.).

Fig.3. Aspectul schematic a structurii microscopice alunui material metalic format din cristale de metal pur sau compus

chimic separate direct din lichid şi amestec mecanic.

Dacă aliajele binare bifazice sunt formate dintr-un amestec mecanic şi un constituent monofazic secundar, metal pur, soluţie solidă sau compus chimic (consti-tuent rezultat în urma unei transformări în stare solidă), acesta apare sub formă de cristale neregulate (fig.4.a.); dacă cristalele de constituent monofazic secundar sunt în cantitate mică, ele se găsesc sub formă de reţea la limitele grăunţilor (fig.4.b.).

Un alt aspect structural întâlnit la aliajele binare bifazice constă din soluţie solidă şi o mică cantitate dintr-un al doilea constituent care poate fi soluţie solidă secundară sau compus secundar. In acest caz, structura este formată din cristale primare de soluţie solidă şi cristale de fază secundară care au formă de ace, lamele, discuri sau globule (fig.5.).

a b

A

A

A

Curs 5_____________________________________________________________________________________

Fig.4. Aspectul schematic al structurii microscopice a unor aliaje binare bifazice:

a) aliaj format din cristale secundare de metal pur, soluţie solidă sau compus chimic şi o mică canti-tate de amestec mecanic; b) aliaj format dintr-o

reţea de metal pur, soluţie solidă sau compus chimic şi amestec mecanic.

Fig.5. Aspectul schematic al structurii microscopice a unor aliaje binare bifazice:a) aliaj format din soluţie solidă şi cristale

secundare aciculare de compus; b) aliaj format din cristale primare se soluţie solidă şi cristale

secundare globulare de compus.

Structura aliajelor ternare, cuaternare sau în general polinare polifazice este formată tot din fazele şi constituenţii menţionaţi la aliajele binare, aspectele structurale fiind mai complicate.

Incluziuni în metale şi aliaje

Metalele şi aliajele industriale, datorită faptului că nu sunt de mare puritate prezintă la microscop, pe lângă constituenţii metalografici care formează structura propriu-zisă şi unele particule străine numite incluziuni nemetalice.

Se pot distinge:- incluziuni exogene, care sunt antrenate din mediul exterior în timpul proceselor de

fabricaţie; de exemplu, particule din cărămizile refractare, particule de nisip de turnătorie, particule de zgură etc;

- incluziuni endogene, care apar în urma reacţiilor chimice între gazele din atmosfera cuptoarelor, impurităţi şi componenţii aliajelor, cum sunt de exemplu incluziunile de oxizi, sulfuri, silicaţi şi aluminaţi din oţeluri sau cele de oxizi din aliajele de aluminiu.

Incluziunile nemetalice din metalele şi aliajele industriale pot fi observate direct la microscop, pe probe şlefuite, dar neatacate. Grafitul din fontele cenuşii şi pestriţe poate fi, de asemenea, pus în evidenţă pe probe fără atac chimic, însă el nu reprezintă o incluziune nemetalică, fiind de fapt un constituent structural asimilat ca metal pur.

Legea fazelor

Relaţia:

reprezintă legea fazelor, formulată de W. Gibbs şi ea arată dependenţa dintre numărul gradelor de libertate V a unui sistem de aliaje, numărul componenţilor n şi numărul fazelor . Prin varianţă sau numărul gradelor de libertate se înţelege numărul factorilor fizici (temperatură, presiune, concentraţii ale componenţilor) ce pot varia fără a perturba echilibrul sistemului, deci

a ba b

amestecmecanic

metal pur,soluţie solidă

saucompus chimic

Curs 5_____________________________________________________________________________________

fără a modifica natura şi numărul fazelor din sistem. Dacă numărul gradelor de libertate este egal cu zero (sistem invariant) factorii fizici (temperatură, presiune, concentraţie) de care depinde starea sistemului nu pot fi variaţi fără a provoca schimbarea numărului de faze; dacă sistemul are un singur grad de libertate (sistem monovariant) este posibil să varieze unul din factorii enumeraţi fără a provoca micşorarea sau creşterea numărului de faze.

Intrucât sistemele metalice sunt utilizate în mod obişnuit la presiune atmosferică (p = const.), numărul variabilelor trebuie diminuat cu o unitate, iar legea fazelor devine:

Dacă sistemul este monocomponent, n = 1 (metal pur, compus chimic) numărul minim de grade de libertate V = 0 se obţine pentru = 2. La un astfel de sistem pot exista deci cel mult două faze şi acestea numai la o temperatură constantă. Ca urmare, în cazul metalelor pure şi compuşilor, procesele de solidificare, topire şi transformare polimorfă se desfăşoară la temperatură constantă. Transformările care se produc la varianţă nulă se numesc invariante. In cazul sistemelor monocomponente, o singură fază poate exista într-un interval de temperatură deoarece pentru = 1, V = 1. Curba de răcire a unui sistem monocomponent prezintă un palier la temperatura de transformare Tt (fig.6.).

Fig.6. Curba de răcirea unui sistem monocomponent care prezintă o transformare (solidificare sau transformare

polimorfă).

Fig.7. Curbe de răcire ale unor aliaje binare:a) aliaje binare formate din componenţi complet solubili în stare lichidă şi solidă; b) aliaje binare formate din componenţi complet

solubili în stare lichidă şi parţiali solubili în stare solidă, cu transformare eutectică (Tis - temperatură de început

de solidificare; Tss - temperatura de sfârşit de solidificare).

In cazul sistemelor binare (n = 2) numărul minim de grade de libertate V = 0 poate fi obţinut pentru = 3. La astfel de sisteme pot exista deci în echilibru cel mult trei faze, dar numai pentru o anumită temperatură şi concentraţie. Dacă într-un astfel de sistem se produc transformări la care participă trei faze, aceste transformări sunt invariante şi au loc la temperatură constantă, pe curbele de răcire obţinându-se paliere la temperaturile de transformare. In sistemele binare sunt posibile opt transformări invariante: transformarea (reacţia) eutectică, transformarea peritectică, transformarea monotectică, transformarea sintectică, transformarea eutectoidă, transformarea peritectoidă, transformarea monotectoidă şi transformarea sintectoidă. Dintre aceste transformări, primele patru se produc la solidificare, iar ultimele patru la transformări în stare solidă.

In prezenţa a două faze, sistemele binare sunt monovariante, starea lor (numărul lor de faze) nemodificându-se dacă unul din factorii fizico-chimici, temperatura ori concentraţia,

V = 0

ba

T

t

Tis

V = 2

V = 1

V = 2

T

t

Tis

V = 2

V = 1

V = 2

T

t

Tt

V = 1

V = 0

V = 1Tss Tss

Curs 5_____________________________________________________________________________________

variază în anumite limite. Un astfel de exemplu îl constituie solidificarea unei soluţii lichide binare cu formare de soluţie solidă. In prezenţa unei singure faze, sistemele binare sunt bivariante. Două dintre curbele de răcire posibile la sistemele binare sunt prezentate în figura 7., din care rezultă că soluţiile solide se formează într-un interval de temperatură Tis - Tss.

COMPORTAREA MATERIALELORMETALICE LA SOLICITĂRI MECANICE

Materialele metalice, sub acţiunea forţelor exterioare, au o comportare ce se caracterizează cantitativ printr-o serie de proprietăţi mecanice. Răspunsul acestora la solicitările mecanice depinde de tipul de legătură interatomică, de aranjamentul structural al atomilor şi de tipul şi numărul imperfecţiunilor acestui aranjament. Datorită acestei dependenţe de structură, proprietăţile mecanice ale metalelor şi aliajelor sunt foarte sensibile la procedeele de fabricaţie, ceea ce poate conduce la caracteristici diferite pentru unul şi acelaşi material de compoziţie chimică dată. Pe de altă parte, această dependenţă structurală a proprietăţilor mecanice permite o intervenţie deliberată în ajustarea valorilor lor, prin alegerea unei scheme de fabricaţie a produsului metalic care să-i asigure acestuia proprietăţile de utilizare cele mai adecvate destinaţiei.

Deformaţii elastice, plastice şi anelastice

Sub acţiunea sarcinilor exterioare corpurile pot să se deformeze, adică pot să-şi modifice formele şi dimensiunile, sau chiar să se rupă. In funcţie de caracterul permanent sau nepermanent al deformării se disting trei tipuri de deformaţii: elastice, plastice şi anelastice.

Deformaţiile elastice sunt deformaţii cu caracter nepermanent care se menţin doar pe durata acţiunii forţelor ce le-au produs; ele dispar brusc în momentul în care sunt înlăturate forţele care le-au cauzat.

Deformaţiile plastice sunt deformaţii cu caracter permanent; odată produse, aceste deformaţii se menţin şi după în lăturarea forţelor care le-au determinat.

Deformaţiile anelastice sunt tot deformaţii cu caracter nepermanent dar, spre deosebire de cele elastice, aceste deformaţii dispar în timp după îndepărtarea forţelor.

Tensiuni şi deformaţii

Prin acţiunea de deformare exercitată asupra unui corp de către forţe exterioare, în interiorul acestuia apar forţe ce se opun deformării şi care se numesc şi tensiuni.

Tensiunea reprezintă intensitatea forţei cu care materialul reacţionează la sarcinile mecanice ce tind să modifice aranjamentul particulelor sale constitutive, aranjament datorat forţelor de interacţiune dintre aceste particule. Tensiunea se măsoară prin forţa ce acţionează pe unitatea de suprafaţă a planului pe care este aplicată:

,

unde: este tensiunea; F – forţa; S – suprafaţa pe care acţionează forţa.

Curs 5_____________________________________________________________________________________

In funcţie de modul de aplicare a forţei, tensiunile pot fi statice (nu se modifică în timp) sau dinamice (se modifică în timp). Tensiunile dinamice pot fi generate de forţe de impact (de exemplu, şocuri) sau de forţe alternante (de exemplu, vibraţii).

Tensiunile statice sunt cele mai frecvente. Orice stare de tensiune statică creată de acţiunea unor forţe complexe asupra unei corp poate fi descrisă complet în termenii a trei tensiuni principale reciproc perpendiculare (tensiuni normale). Pot apărea trei cazuri importante:

a) starea de tensiune sau compresiune uniaxială, când tensiunea acţionează într-o singură direcţie (fig.8.a.);

b) starea de tensiune sau compresiune biaxială sau plană, când tensiunea acţionează în două direcţii perpendiculare (fig.8.b.);

c) starea de tensiune sau compresiune triaxială, când tensiunea acţionează în trei direcţii perpendiculare (fig.8.c.); dacă cele trei tensiuni sunt egale se generează o stare de compresiune sau de întindere hidrostatică.

Fig.8. Stări de tensiune statică:a) uniaxială; b) plană; c) triaxială (spaţială).

Tensiunea este denumită de întindere (sau simplu “tensiune”) când forţa ce o ge-nerează tinde să separe particulele constitutive ale materialului. Tensiunea este numită de compresiune dacă forţa care o generează tinde să aducă particulele constitutive ale materialului într-un contact mai strâns. Un tip special de tensiuni îl constituie tensiunile de forfecare care sunt generate de forţe paralele la un plan imaginar într-un punct; aceste tensiuni fiind paralele cu planul pe care acţionează sunt numite şi tensiuni tangenţiale. Tensiunile de forfecare sau tangenţiale se notează cu spre a le deosebi de tensiunile normale la plan (de întindere sau compresiune) care se notează cu .

Deformaţia reprezintă alterarea formei şi a dimensiunilor unui corp ca efect al eforturilor aplicate acestuia. Deformaţia se exprimă în unităţi adimensionale sau în procente. Intrucât există trei tipuri diferite de tensiuni, vor exista în mod corespunzător şi trei tipuri de deformaţii:

a) deformaţia de întindere;b) deformaţia de compresiune;c) deformaţia de forfecare.

cba