Fizica metalelor 7

FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 1-2, 2004

TRANSFORMRI DE FAZ N METALE

Emil PASINCOVSCHI INSTITUTUL DE FIZIC APLICAT AL AM

Sub presiunea puternic a costurilor nalte la materia prim i energie, dar i a

costurilor de producie, actualmente se pune problema creterii durabilitii pieselor i a fiabilitii mainilor i instalaiilor n care acestea sunt incorporate. Fenomenele de uzur, oboseal i coroziune sunt factorii principali care duc la ieirea din uz a unei piese. Toate aceste fenomene nedorite ns au o trstur comun: ele se produc preponderent sau n exclusivitate n straturile superficiale ale pieselor.

Din aceste considerente reiese nsemntatea deosebit care se acord cercetrii proceselor fizico-chimice ce au loc n straturile superficiale, precum i a tehnologiilor de obinere a acestor straturi. Problemele de duritate, uzur i oboseal sunt rezolvate prin folosirea, n majoritatea cazurilor, a unor tratamente termice i termochimice care permit obinerea proprietilor necesare de exploatare datorit transformrilor ce au loc n metale la nclzirea rcirea lor. Cea mai simpl operaie de tratament care face ca duritatea metalelor s creasc este clirea superficial sau volumic a acestora. Clirea este nclzirea metalului pn la o anumit temperatur, meninerea la aceast temperatur i rcirea lui brusc.

Acest tratament termic era folosit din vremurile strvechi. Drept confirmare, n poemul epic Odiseea al lui Homer despre clirea oelurilor putem citi: n aa mod fierarul ndemnatic, confecionnd un topor sau o secure, n foc ncingndu-l, ca o duritate dubl s obin, l scufund i clocotete el zgomotos n umiditatea rece. Aceast procedur i-a amintit-o Odiseu n momentul cnd el mpreun cu cei doisprezece tovari de drum, tovari nenfricai i de ncredere, mplntau parul incandescent n unicul ochi al ciclopului-canibal. Avnd n vedere c Homer descrie evenimente din timpurile cderii Troiei (sec.XII .H.), se poate conchide c oamenii folosesc clirea oelului de cel puin trei mii i ceva de ani. Aducem aici nc un citat, mai puin agreabil, din cronicul templului Balgal (Asia Mic, sec. IX . H.), n care e descris metoda de clire a lamei oelului de Damasc: Se nclzete pn ncepe a lumina ca soarele ce rsare n pustiu, apoi se rcete pn la obinerea culorii purpurii mplntndu-l n corpul musculos al unui sclav. Vigoarea sclavului trecnd n secure atribuie metalului duritate.

n evul mediu se considera c rcirea oelului incandescent trebuie fcut n urina unui bieel rocat. Mai trziu s-a renunat la aceast metod, ns au aprut altele, nu mai puin bizare. De exemplu, americanii timp ndelungat transportau apa pentru clirea oelului cu navecisterne din Anglia, pentru c, dup prerea lor, o clire de calitate nu putea fi efectuat dect n ap adus din Anglia.

Acum este evident c aceste metode absurde, iar uneori chiar i barbare, de clire a oelului erau rezultatul necunoaterii proceselor ce se produc n oel n timpul tratamentului. Abia n anii 20-30 ai sec. XX au fost determinate i studiate fenomenele i procesele ce au loc la clirea oelului i care sunt responsabile de schimbrile radicale ale unor asemenea proprieti ca duritatea, fiabilitatea, rezistena, etc. S-a demonstrat c posibilitatea de clire a oelului se bazeaz pe polimorfismul fierului.

Fenomenul polimorfismului, o nsuire a unor metale i aliaje, este capacitatea de a exista n diferite modificaii cristaline (faze). n prezent, particularitile transformrilor polimorfe sunt studiate destul de bine. n timpul rcirii metalului incandescent aflat n starea

8 Fizica metalelor

FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 1-2, 2004

solid, la presiune constant, la o anumit temperatur are loc rempachetarea atomilor ntr-o reea cristalin de un alt tip. La rcirea de mai departe, poate avea loc o nou regrupare a atomilor ntr-un al treilea tip de reea sau n reeaua iniial (la fier). De exemplu, manganul (Mn) exist n patru modificaii cristaline. La nclzire, toate reorganizrile reelei cristaline, n mod normal, au loc n ordine invers. Modificrile reelelor cristaline ale metalelor i aliajelor la rcirea sau nclzirea acestora sunt exemple de transformri de faz.

Numeroase transformri de faz ne sunt cunoscute din copilrie. De exemplu, la nclzirea gheii obinem ap (faza lichid). La nclzirea de mai departe apa se transform n vapori (faza gazoas). n cazul acestor transformri fazele se deosebesc considerabil prin distana interatomic i caracterul micrilor termice ale atomilor, pe cnd n cazul transformrilor care au loc n starea solid fazele se deosebesc numai prin modul de mpachetare a atomilor, distana dintre acetia variind nesemnificativ. Proprietile mecanice ale diferitelor modificri cristaline ale unuia i aceluiai metal nu se deosebesc mult, cum se ntmpl, de exemplu, n cazul apei i gheii. Alte proprieti ns, ca de exemplu, proprietile magnetice, pot s difere considerabil.

i totui, exist o anumit asemnare ntre transformrile lichid cristal i cristal cristal cu alt reea cristalin. n metalele pure transformrile polimorfe au loc numai la anumite temperaturi fixe care depind de presiunea exterioar (ca n cazul topirii sau cristalizrii). Numai la aceste temperaturi este posibil existena a dou faze. Dac, la nclzire, transformarea necesit o anumit cantitate de energie termic, atunci n cazul rcirii ea este nsoit de degajarea energiei.

Exist dou mecanisme principale ale transformrilor de faz n corpul solid. Dac temperatura este suficient de nalt (de exemplu, din temperatura de topire) i atomii sunt comparativ mobili, ei au posibilitatea s-i schimbe reciproc locurile cu vecinii i n acest mod s se deplaseze la distane care depesc pe cea interatomic. n acest caz, atomii ca i cum ar abandona poziiile lor din reeaua veche, formnd, separat sau n grupuri mici, alte reele noi.

Dac aceast restructurare a reelei cristaline are loc la temperaturi joase, atunci caracterul deplasrilor atomilor este altul. n acest caz mobilitatea atomilor fiind joas, ei n-au posibilitatea de a schimba locurile cu vecinii i ca rezultat al deplasrilor reciproc coordonate la distane mici atomii se pomenesc ntr-o situaie nou, corespunztoare altui tip de reea.

Zona modificat a corpului cristalin ca i cum ar fi deplasat fa de zona vecin, n care s-a pstrat nc tipul vechi de reea, precum i fa de regiunea cu structura anterioar de mpachetare a atomilor, n care ea nsi s-a format. Transformrile de tipul acesta au fost numite martensitice, iar faza cu o nou reea format n urma transformrii este numit martensit (n memoria fizicianului german A. Martens care a avut o contribuie nsemnat n studiul metalelor). n cazul temperaturilor nalte, faza alotropic a fierului i a oelului este numit austenit (n memoria metalurgistului englez W. Roberts-Austen). Anume transformarea austenitei n martensit condiioneaz schimbrile radicale ale proprietilor oelului la clire.

Modificaia alotropic a fierului la temperaturi nalte, austenita (faza ), are reeaua cristalin cubic cu fee centrate (celula format de 14 atomi), cu o mpachetare dens, ns cu spaiul interstiial liber comparativ mare n care pot fi amplasai atomii carbonului. Ca rezultat, n austenit pot fi dizolvate pn la 2% de carbon. Deci, la temperaturi de 800 1000oC tot carbonul din componena oelului (n mod normal, oelul conine mult mai puin de 2% de carbon) se gsete n reeaua austenitei i formeaz soluii solide de interstiie sau

Fizica metalelor 9

FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 2, nr. 1-2, 2004

de ptrundere. Modificaia fierului la temperaturi joase, ferita (faza ), are reeaua cubic cu volum

centrat, format de 9 atomi, i cu un spaiu interstiial liber foarte mic, de aceea n ea se dizolv extrem de puin sau practic nu se dizolv carbon.

Dac austenita este rcit lent, atunci n procesul de formare a fierului - (ferita) carbonul se va separa de soluia solid i va forma compui chimici cu fierul. n acest caz structura oelului va prezenta un amestec de ferit, fr carbon, i carbur de fier Fe3C, n care carbonul constituie cca 7%.

Procesul de formare a carburii necesit deplasri ale atomilor de carbon la distane considerabile. Dar mobilitatea atomilor, cum se tie, depinde mult de temperatur i acest proces practic devine imposibil sub 200-300 oC. Rcirea rapid, la clire, tocmai este necesar pentru a transforma austenita n acest interval de temperaturi i a nu permite dezintegrarea ei ntr-un amestec de ferit i carbur. Numai aa se realizeaz transformarea martensitic, n urma creia atomii de carbon sunt nchii forat n reeaua feritei, contra dorinei lor. Tot carbonul dizolvat la nclzire n austenit trece involuntar n ferit, provocnd n reeaua ei deformri foarte puternice. De exemplu, dup clirea oelului cu 0,6 % de carbon obinem o suprasaturare a feritei de 100 de ori, deoarece la temperatura camerei n ea se pot dizolva benevol doar 0,006% de carbon. Cum a stabilit G. V. Kurdiumov, specialist rus n domeniul fizicii metalelor, anume transformarea fr difuzie (fr deplasarea atomilor) a austenitei n ferit puternic suprasaturat (martensit) provoac durificarea brusc a oelului. n aceast stare el este greu de deformat plastic din cauz c n martensit deplasarea dislocaiilor (defecte ale structurii) este dificil. Aceasta se explic prin faptul c zonele deformate ale reelei n care sunt amplasai atomii carbonului prezint obstacole n calea dislocaiilor. n plus, distana dintre aceste zone este de o sut de ori mai mic n comparaie cu ferita nesuprasaturat.

Transformrile care au loc n metale pot schimba nu numai proprietile, ci i forma exterioar a acestora, ceea ce ine de memoria mecanic a metalelor. ns fenomenul acesta va fi tema unui alt articol.