Metalurgie Fizica

63
Transformari in stare solida Consideraţii generale privind transformările în stare solidă Criterii de caracterizare a transformărilor în stare solidă Transformările în stare solida sunt apreciate dupa termodinimica mecanismul, cinetica si morfologia transformării. Termodinamica transformării oferă indicaţii cu privire la condiţiile de stabilitate ale stărilor iniţiale si finale ale sistemului, forţa motrice a transformării, etc. Mecanismul transformării indică modul în care se produc deplasările de atomi individuali cînd sistemul trece din starea iniţială în starea finală. Cinetica transformării oferă indicaţii despre vitezele de transformare şi despre modul cum aceste viteze depind de temperatură, presiune, timpul scurs de la începerea transformării etc. Morfologia transformării oferă indicaţii asupra structurii, la nivel macroscopic şi microscopic, rezultată din transformare. Forţa motrice a transformărilor în stare solidă Din punct de vedere termodinamic, starea unui sistem se caracterizează prin energia liberă Gibbs, în cazul sistemelor condensate putand fi folosită în acest scop şi energia liberă Helmholtz (F). In general, forţa motrice (respectiv ). Dacă, la transformarea în stare solidă, apariţia fazei noi se face cu modificare de volum, pentru acomodarea acestei faze în matrice se cheltuieşte o energie pentru deformarea elastică a reţelei. Ca urmare, energia liberă a fazei finale conţine, în afara termenului de natura pur chimică şi termenul pozitiv de natură mecanică. Clasificarea termodinamică a transformărilor în stare solidă Din punct de vedere termodinamic, transformările se împart 1

description

metalurgie

Transcript of Metalurgie Fizica

Metalurgie Fizica

Transformari in stare solida

Consideraii generale privind transformrile n stare solid

Criterii de caracterizare a transformrilor n stare solidTransformrile n stare solida sunt apreciate dupa termodinimica mecanismul, cinetica si morfologia transformrii. Termodinamica transformrii ofer indicaii cu privire la condiiile de stabilitate ale strilor iniiale si finale ale sistemului, fora motrice a transformrii, etc. Mecanismul transformrii indic modul n care se produc deplasrile de atomi individuali cnd sistemul trece din starea iniial n starea final. Cinetica transformrii ofer indicaii despre vitezele de transformare i despre modul cum aceste viteze depind de temperatur, presiune, timpul scurs de la nceperea transformrii etc. Morfologia transformrii ofer indicaii asupra structurii, la nivel macroscopic i microscopic, rezultat din transformare.Fora motrice a transformrilor n stare solidDin punct de vedere termodinamic, starea unui sistem se caracterizeaz prin energia liber Gibbs, n cazul sistemelor condensate putand fi folosit n acest scop i energia liber Helmholtz (F). In general, fora motrice (respectiv ). Dac, la transformarea n stare solid, apariia fazei noi se face cu modificare de volum, pentru acomodarea acestei faze n matrice se cheltuiete o energie pentru deformarea elastic a reelei. Ca urmare, energia liber a fazei finale conine, n afara termenului de natura pur chimic i termenul pozitiv de natur mecanic.Clasificarea termodinamic a transformrilor n stare solid

Din punct de vedere termodinamic, transformrile se mpart n transformri de orodinul 1, 2, 3 ... n, o transformare fiind de ordinul n daca la temperatura de transformare derivatele de ordinul 1, 2 ... n-1 ale energiei libere variaz continuu, derivatele de ordinul n, discontinuu, iar cele de ordin superior lui n devin infinite. Practic snt cunoscute numai transformri de ordinul 1 si 2. Dintre transformrile de ordinul 1 se menioneaz transformrile polimorfe, iar dintre transformrile de ordinul doi, transformrile magnetice. Snt i transformri care n timp ce n unele aliaje decurg ca transformri de ordinul nti, n alte aliaje decurg ca transformri de ordinul doi. Din aceast grupa fac parte transformrile de ordine-dezordine.

Clasificarea transformrilor n stare solida dup fluctuaiile care le produc

In materialele solide, exist n mod curent mici abateri locale de la compoziia i energia medie, abateri numite fluctuaii de compoziie respectiv de energie (termice). Fluctuaiile joac un rol foarte mare n iniierea i n modul de desfurarea transformrilor n stare solid. Sunt de 2 feluri a)-mofazice; b)-eterofazice. Fluctuaiile omoazice determin aranjari atomice rnai putin importante, care snt extinse ns pe volume foarte mari. Fluctuaiile eterofazice determin rearanjri drastice de atomi, localizate ns n volume foarte mici.Transformrile n stare solid, produse de fluctuaiile omofazice se numesc transformri omogene, iar transformrile n stare solid, produse de fluctuaii eterofazice, transformri eterogene.Structura interfeelor faz iniial/faz final

La transformrile n stare solid, interfeele dintre faza nou i cea final pot fi coerente, semicoerente sau incoerente.Interfetele snt coerente dac trecerea de la faza iniiala la faza nou se face prin intermediul unui plan comun ambelor faze. In mod obinuit, distanele interatomce si dintre atomii fazei i atomii fazei situai pe planul comun nu snt egale, motiv pentru care, la interfeele coerente, reelele cristaline ale celor dou faze snt deformate elastic. Diferena dintre distanele interatomice i este caracterizat prin diferena relativ de parametrii de reea.

Interfetele semicoerente snt analoage limitelor la unghiuri mici sau sublimitelor, fiind formate din regiuni de complet coerent, separate prin dislocaii

Interfeele incoerente reprezint zone de trecere de la faza iniial la faza nou relativ nguste, n care atomii ocup poziii intermediare celor pe care ar trebui s le ocupe dac ei ar aparine pe rnd fazei iniiale i fazei finale. La o astfel de interfa deformarea asociat cu formarea unei particule de faz nou n reeaua fazei iniiale, corespunde unei deformri hidrostatice, produs prin nlocuirea volumului V din faza iniial cu volumul (1 + ) V din faza final, unde este pozitiv sau negativ. In prezena dilatatiei sau contraciei , provocat de transformare, reeaua cristalin a fazei iniiale se acomodeaz cu reeaua cristalin a fazei finale fie prin curgere plastic, dac faza iniial i cea final snt plastice, fie prin deformare elastic, dac faza iniial i cea final sunt rigide elastic. In primul caz, energia de deformare este neglijabil, in cel de al doilea, caz mrimea acestei energii depinde de valoarea modulelor de elasticitate i de forma particulei.Energia superficial a interfeelor coerente este cuprins ntre 25 i 200 erg/cm2, a interfeelor semicoerente ntre 200 i 500 erg/cm2, iar a interfeelor incoerente, ntre 500 i 1000 erg/cm2.Transformri omogene

Transformrile omogene au loc simultan n ntreg volumul corpului, fr procese de gerimnare si de crestere. Dintre transformarile omogene fac parte unele transformri de ordine-dezordine i transformrile spinodale.

Distribuia ordonata a atomilor.Ordinea ndeprtat

In multe soluii solide i faze intermediare, atomii elementului de aliere nu snt distribuii dezordonat n reeaua componentului de baz, ci ocup n reea poziii bine definite, formnd soluii solide ordonate, numite i suprastructuri", sau suprareele". Denumirea de suprafeele deriv din faptul c reeaua cristalin a unei soluii solide ordonate, format din atomi A i B, este alctuit din dou subretele care se ntreptrund; prima, care conine numai atomi A, se numete subreea alfa () iar a doua, care conine numai atomi B, se numete subreea beta ().Suprastructurile se obin la temperaturi relativ joase, la temperaturi nalte fiind stabile soluiile solide dezordonate. Temperatura care separ domeniul de stabilitate al soluiilor solide ordonate de soluiile solide dezordonate se numete temperatura Curie-Kurnakov". Structura ordonat se obine la rcirea aliajelor cu vitez mic, rcirea cu vitez mare ducnd, chiar i sub temperatura C-K, la obinerea strii dezordonate. Inclzind o soluie solid ordonat la temperaturi mai nalte dect temperatura C-K, ca urmare a agitaiei termice se distruge ordinea de distribuie a atomilor, rezultnd soluii solide dezordonate. Trecerea la nclzire, de la starea ordonat la cea dezordonat sau la rcire, de la starea dezordonat la cea ordonat este cunoscut sub numele de transformare de ordine-dezordine".Ordinea n distribuia atomilor, caracteristic suprareelelor, se ntinde pe distane foarte mari, motiv pentru care este numit ordine ndeprtat". sau ordine pe lung distan".Ordinea apropiat

Soluiilor solide le este proprie i ordinea apropiat, determinata fie de tendina unor atomi de specii diferite A i B de a forma legturi de tipul AB, fie de tendina atomilor de aceeai specie de a forma legturi A A respectiv BB.Considernd tendina atomilor de specii diferite de a se atrage unii pe alii la temperaturi mai inalte decat temperatura C-K se formeaz n mod spontan domenii nu prea mari, numite domenii de ordine apropiat", n care atomii de A se gsesc n vecintatea atomilor de B, domenii care nu sunt ins stabile n timp. La coborrea temperaturii sub temperatura C-K domeniile de ordine apropiat devin stabile i cresc din ce n ce mai mult, pn ce toat soluia solid este format numai din astfel de domenii. In mod frecvent ordinea n distribuia atomilor n dou domenii alturate nu este identic. Considernd un aliaj binar A-B i dou domenii vecine este posibil ca n primul domeniu atomii A s ocupe nodurile subreelei , iar n cel de al doilea nodurile subreelei. Astfel de domenii se numesc domenii anti-faz", limitele dintre acestea fiind numite limite antifaz" sau prescurtat APB (antiphase bounderies).In cazul n care predomin tendina formrii de legturi ntre atomi identici A-A respectiv B-B se formeaz domenii cu concentraie mare n atomi A sau B numite grupri de atomi sau clustere de atomi", gruprile de atomi suficient de mari pentru a fi vizibile in microscopie electronic snt numite zone Guinier- Preston" sau prescurtat zone GP".Ordinea apropiat se caracterizeaz prin parametrul de ordine apropiat sau local definit prin relaia:

Unde: PA(B)- este probabilitatea ca un atom A s se gseasc alturi de un atom B; XA- fracie molar a componentului A.Transformri de ordine-dezordine.Soluii solide ordonate

Soluiile solide ordonate se formeaz n intervale de compoziii bine definite, care conin de regul compoziiile AB, AB2 i AB3. Dintre sistemele de aliaje n care se formeaz suprastructura se mentioneaza sistemele Cu-Au,Cu-Zn, Fe-Co, Cu-Be, i Fe-AlSnt cunoscute mai multe tipuri de supraretele: B2(CuZn, AgCd, AlIn, AuZn, CoFe, NiTi etc.); DO3 (AlFe3, CsMg3, SiFe3 etc.); D019 (Mg3Cd, Co3Mo, Fe3Sn etc.) L10(CuAu, AgTi, AlTi etc.); L11(CuPt etc.); L12(Cu3Au, PtoAu, Pt3Co, Pt3Mn, Co3AI, Ni3Al, Xi3Fe, Cu3Pt, etc.) .a. Majoritatea supra structurilorse formeaz pe baza principalelor tipuri de structuri metalice: AI, A2 i A3. Astfel suprareelele B2 formeaz pe baza structurii A2 (c.v.c. tip alam (), supraretele L10 i L12 se formeaz pe baza structurii A1 (c.f.c. tip Cu) etc.Transformri de ordine-dezordine omogene i transformri de ordine-dezordine eterogeneTransformrile de ordine-dezordine snt fie transformri omogene, fie transformri eterogene. Primele snt transformri de ordinul doi, iar celelalte, transformri de ordinul intaiTransformarea de ordine-dezordine omogen se produce la rcire, respectiv la incalzire; fr germinare i cretere; la nclzire ordinea se distruge treptat prin schimbarea locurilor intre atomi, viteza de transformare fiind cu att mai mare cu ct temperatura este mai ridicat, la temperatura Curie-Kurnakov aliajul fiind complet dezordonat. La rcire fenomenul se desfoar n sens invers. Dintre aliajele in care au loc astfel de transformri, se menioneaz CuZn, CuSn, CuSi, etc.Transformrile de ordine-dezordine eterogene se produc prin germinare i cretere. In astfel de cazuri, la nclzire la temperatur Cune-Kunakov apar germenii soluiei solide dezordonate care cresc pe seama soluiei solide ordonate, prin deplasarea limitelor, dintre faze. Astfel de transformri se produc n aliajele PtCo, AuZn etc.Transformri spinodaleTransformrile spinodale sunt transformri cu difuzie. Ele se produc n unele aliaje din sistemul de aliaje care prezint lacune de miscibilitate n stare solida. Domeniul de transformare spinodal estek

Transformri eterogeneTransformrile eterogene au loc prin germinare i cretere. Dintre acestea se menioneaz transformrile polimorfe, transformrile eutectoide, transformrile peritectoide, unele precipitri din soluii solide suprasaturate, o parte din transformrile ordine-dezordine.Clasificarea transformrilor eterogene dupa modul de crestere al nucleelor

Transformrile eterogene se impart dup procesele de cretere a nucleelor in, transformri cu difuzie, transformri fr difuzie (transformri martensitice sau transformri prin forfecare) i transformri intermediare (transformri mixte).Transformrile cu difuzie se produc la subrciri mici, la temperaturi la care mobilitatea atomilor este mare iar fora motrice relativ mic. La aceste transformri, germenii ating dimensiunile critice prin activare termic. Ca urmare, volumul de faz nou crete prin deplasarea relativ lent a interfeelor nucleu-matrice, deplasare produs de micarea activat termic a unor atomi care traverseaz individual limitele dinspre matrice spre germeni; viteza cu care interfeele germene-matrice se deplaseaz, variaz cu temperatura, la temperaturi sczute fiind foarte mic, motiv pentru care astfel de interfee se numesc neglisile. Interfeele germene-matrice, la transformrile eterogene cu difuzie snt necoerente.Dintre transformrile cu difuzie se menioneaz transformrile eutectoide, transformrile peritectoide, transformrile polimorfe la grade mici de subrcire, descompunerea soluiilor solide suprasaturate etc.Transformrile fr difuzie (martensitice sau prin forfecare), se produc la subrciri mari, cnd mobilitatea atomilor este mic, iar fora motrice foarte mareDe cele mai multe ori, la aceast transformare germenii sint activai (ating dimensiunile critice) pe cale a termic, prin subrcire. La aceste transformri, creterea germenilor se produce prin deplasri coordonate ale unor mari grupri de atomi, fiecare atom deplasndu-se pe distane mai mici dect un parametru de reea, dup deplasare un atom avnd aceiai vecini ca i n faza iniial, aranjai ns ntr-un mod diferit, motiv pentru care, la transformrile martensitice nu se produce modificarea compoziiei chimice, faza rezultat numit martensit avnd aceeai compoziie chimic cu faza iniial. Datorit caracterului coordonat al micrii atomilor la creterea germenilor de martensit, caracter care impune o ordine precis att n deplasarea fiecrui atom ct i a unor mari grupri de atomi, transformrile martensitice snt numite i transformri militare", n opoziie cu transformrile prin difuzie care, datorit deplasrii neordonate a atomilor, snt numite transformri civile". Viteza cu care se produce o transformare martensitic este foarte mare i independenta de temperatur. Interfeele germene-matrice la transformrile martensitice snt coerente sau semicoerente; ele se pot deplasa sub aciunea forelor motrice chiar i la temperaturi foarte sczute, fr a necesita o activare termic, motiv pentru care se numesc glisile. Transformrile martensitice au loc la subrciri mari n metale pure i soluii solide care prezint transformri polimorfe (Fe, Co, Ti, Zr, Li, Cs, aliaje Fe-Ni, Fe-Mn etc.) aliaje feroase i neferoase care prezint transformare eutectoid, peritectoida etc.Transformrile intermediare (mixte) se produc la subrciri mai mari dect cele la care se produc transformrile cu difuzie si mai mici dect cele necesare transformrilor fr difuzie. In astfel de condiii, mobilitatea unor specii de atomi este nul sau mic, a altor specii de atomi (atomii elementelor interstiiale) mare, iar fora motrice mult mai mic dect cea necesar producerii transformrii martensitice. Ca urmare, nu se produc nici transformri cu difuzie, nici fr difuzie, ci transformri intermediare, transformri cu caracter mixt. Snt dou tipuri de transformri intermediarei transformri masive i transformri bainitce.La nclzire, n funcie de temperaturile de transformare i de gradul de supranclzire, este posibil s se produc aceleai transformri ca i la rcire, respectiv, transformarea fr difuzie, transformarea intermediar sau transformarea cu difuzie.Germinarea la transformarile eterogene cu difuzieAre loc fie pe cale omogena fie pe cale eterogena. La germinarea omogena este necesar deosebirea dintre cazul sistemelor monocomponente i cel al sistemelor multicomponente, deoarece n timp ce la sistemele monocomponente germenii au aceeai compoziie cu matricea,la sistemele multicomponente germenii au o compoziie diferit de a matricei.Considerand germinarea omogena la transformarea la rcire ntr-un sistem monocomponent germenii de faza au aceeai compoziie cu matricea . Formarea unui germene de faz a este nsoit, n afara variaiei de energie liber i superficial i de o cretere a energiei, cretere determinat de deformarea elastic a reelei. Ca urmare, variaia de energie la germinarea unui nucleu n cazul unei transformri n stare solid este:

Deoarece energia liber pe atom de faz iniial este , iar energia liber pe atom de faz final , fora motrice a transformrii este:

Este clar c transformarea are loc numai dac