sm 1-8

ŞTIINŢA

MATERIALELOR

2016

ŞTIINŢA MATERIALELOR

• Nr.credite:

• Disciplina este prevăzută cu ore de:

-Curs

-Laborator

• Prezentarea la examen NU este condiţionată de încheierea situaţiei la laborator care

presupune obţinerea unei note (nota pe activitatea pe parcurs).

• Examenul este oral şi constă în rezolvarea celor 3 subiecte de pe biletul de examen.

•Subiectele se comunica inainte de sesiunea de examene

•O parte din materie (aprox. 1/2) se examineaza la jumatatea semestrului intr-un

examen partial (scris) la o data planificata de catre Decanat

•Nota finală se calculează ca medie intre nota de la examen (care este media dintre

nota de la partial si nota primita la examen pe partea a II-a din materie – in cazul

promovarii examenului partial) si cea primita pe parcurs

•Examenul partial si promovarea oricareia dintre cele 2 parti se recunosc pana la

sfarsitul anului

Nota pentru activitatea pe parcurs este o apreciere de ansamblu a prestaţiei

studentului pe parcursul întregului semestru, surprinzând elemente cum sunt:

•gradul şi calitatea participării la discuţii şi dezbateri şi răspunsurile date la

întrebări în cadrul orelor de curs, seminar, laborator şi proiect,

•modul de efectuare a lucrărilor de laborator,

•gradul de rezolvare a temelor de casă şi calitatea acestora,

•ritmicitatea în munca de proiectare,

•prezenţa la orele de curs, seminar, laborator, proiect, etc.

REGULAMENT de organizare si defasura re a procesului de invatamant la ciclul de

studii Licenta din Universitatea Politehnica Timisoara

Art. 21. Prezenta studentilor la activitatile de invatamant de toate tipurile (curs,

seminar, laborator, proiect, practica) este obligatorie... Eventualele cazuri de

exceptie... vor fi tratate de Consiliul de Administratie.

The Science

and Engineering

of MaterialsSixth Edition

Donald R. Askeland

E I G H T H E D I T I O N

Materials Science

and Engineering

An IntroductionWilliam D. Callister, Jr.

Engineering Materials 1, 2An Introduction to Properties,

Applications, and DesignFourth Edition

Michael F. Ashby

Introduction to Materials Science for

Engineers,

James F. Shackelford,

Pearson/Prentice Hall, 2005

Elements of Materials Science

and Engineering,

Sixth Edition,

Lawrence H. van Vlack

1.1 Definiţia materialeloracea parte a materiei universului alcătuită din substanţe ale căror proprietăţi

le face utile în realizarea maşinilor, dispozitivelor şi a produselor

grafitul din care este realizată mina de creion

cuprul din care se realizează cablul electric

cauciucul din anvelope

lemnul din mobilă

material ↔ energie ↔ mediu,

Circuitul materialelor în natură

dezvoltare durabilă

disponibilitatea

Dezvoltarea

tehnologiei

Prospecţiuni

Rezerve

potenţiale Rezerve cunoscute,

încă nerentabile

Rezerve actuale

rentabile

consumurile energetice

MaterialConsum de energie

GJ/ tonă

Aluminiu 300

Polimeri 100

Cupru 100 (actual)500 (previzibil, din zăcăminte

sărace)

Oţel 50

Ciment 8

MaterialulPreţul de cost,

$/ tonă

Diamant 100.000.000

Platină 25.000.000

Aur 10.000.000

Compozit Co – WC 70.000

Wolfram 70.000

Titan 30.000

Oţel inoxidabil, oţel rapid 5.000

Aluminiu, cupru şi aliajele lor 3 – 7.000

Cauciuc natural 1.500

Oţel carbon şi slab aliat 500

Ciment 50

Preţul de cost

1.2 Clasificarea materialelor

1000

Metale

1

10

100

Clasa de materiale

Pre

ţ d

e u

nit

ar, u

.a.

0,1

Ceramice Polimeri Compozite

Titan

Oţel

inoxidabil

Platina

Fontă

Cupru

Oţel

carbon

Silicon

Nylon

PET

PVC Cărămidă

Beton

Alumină

Carbură

de bor

Lemn

esenta tare

CFRP*

SMC**

Evoluţia istorică a utilizării diferitelor clase de materiale

Aur

Ceramice

Polimeri

Compozite

Metale

Fier Cupru

Titan

Zirconiu

Piatră

Lemn Piei

Dez

vo

ltar

ea m

ater

iale

lor

Ceramică Sticlă

Oţeluri microaliate

Alumina

Metale amorfe

Zirconia

Superaliaje

Sec XX

Bachelită Poliester

MMC

Nanomateriale

Perioada ante-industrializare Sec XXI

Clasa de

materialeMaterialul

Temperatura

de topire, ºC

Densitate,

g·cm-3

Rezistivitate

electrica,

m

Modul de

elasticitate, GPa

Duritate

HB,daN·mm-2

Metalice

Aluminiu 660 2.7 3x10-8 70 70

Cupru 1083 8.9 1,7x10-8 115 85

Aur 1063 19 2,3x10-8 77 70...100

Wolfram 1538 7.8 5,3x10-8 400 80

Oţel 1400...1500 7.75 2x10-7 207 100...800

Titan 1668 4,2 5x10-7 103 130...300

Ceramice

Cuarţ 1750 2.65 1018 130 700

Alumină 2045 4 1013 380 1700

Diamant 3550 3.5 1014 1000 8000

Beton - 2.3 109 30

Polimerice

Polietilenă 135 0.95 1016 1

Nylon 265 1.14 1013 2

Proprietăţi specifice claselor de materiale

1.3 Obiectul ştiinţei materialelor

CERINTE SOCIALE

CUNOSTINTE

EMPIRICE CUNOSTINTE

STIINTIFICE

STIINTE

FUNDAMENTALE

ŞTIINŢA

MATERIALELOR

STRUCTURA

PRELUCRARE

PROPRIETATI

PERFORMANTE

Deformare

Durit

ate PRELUCRARE

STRUCTURĂ PROPRIETĂŢI

STRUCTURA

PRELUCRARE

PROPRIETATI

PERFORMANTE

2 Structura materialelor

Macrostructura

Structura microscopica (microstrusctura) 10-6 m

Nanostructura 10-8 ... 10-9 m

Structura cristalina 10-9 ... 10-10 m

.

.

.

Structura atomica,

Structura subatomica

Macrostructura

Microstructura

Structura

cristalina

2.1 Legături atomice

Legătura metalică Legătura ionică Legătura covalentă

Legături principale

Pepita de aur Cristale de NaCl Cristal de cuart

Legături secundare

Legătura Van der WaalsLegătura de hidrogen

Atom de

hidrogen

Atom de

oxigen Moleculă

de apă

Legătură de

hidrogen

Legături Van der Waals în

policlorura de vinil Legături de hidrogen în apă

Secundară

Metale

Covalentă

Ceramice

şi

sticle

Metalică

Ionică

Polimeri

Forţa interatomică şi energia de

legăturăFt= Fa+ Fr

Fa forţe de atracţie (care depinde de natura legăturii dintre atomi)

Fr o forţă de respingere (se manifestă în momentul în care atomii se aproprie atât

de mult încât electronii care ocupă straturile exterioare ale celor doi atomi ajung să

se jeneze reciproc)

d0 ≈ 0,3 nm

Energia

totală Et

Distanţa interatomică d

Forţa de respingere Fr

Forţa de atracţie Fa

Forţa

totală Ft

d0

Fo

rţa

F

Atr

acţi

e R

esp

ing

ere

0

Distanţa interatomică d

Energia de respingere Er

Energia de atracţie Ea

E0

En

erg

ia p

ote

nţi

ală

E

Atr

acţi

e R

esp

ing

ere

0

+

-

-

+

a)

b)

Dacă distanţa dintre cei doi atomi

este x, energia potenţială este

FdxE

0 0 0

raratt EEdxFdrFdxFE

Ea şi Er reprezintă energia de atracţie respectiv

de respingere pentru cei doi atomi

Corespunzător poziţiilor de echilibru ale celor

doi atomi (distanţa d0) se poate determina

valoarea energiei de echilibru E0 numită

energie de legătură.

Tipul legăturii SubstanţaEnergia de legatură,

kJ/mol

Temperatura de

topire, ºC

Legături principale

IonicăNaCl 640 801

MgO 1000 2800

CovalentăSi 450 1410

C (diamant) 713 ~3550

Metalică

Hg 68 -39

Al 324 660

Fe 406 1538

W 849 3410

Legături secundare Van der Waals

Ar 7.7 -189

Cl2 31 -101

HidrogenNH3 35 -78

H2O 52 0

O valoare mare a energiei de legătură presupune că atomii rămân în poziţiile de echilibru, chiar la

creşterea energiei termice care produce oscilaţii termice importante.

=> materialele se topesc la temperaturi cu atât mai mari cu cât energia de legătură

este mai ridicată

Variaţia coeficientului de dilataţie termică liniară în funcţie de temperatura de topire

Temperatura de topire, C

Coe

fici

ent d

e di

lata

re te

rmic

ă lin

iară

, 10

-6

C-1

Substanţe ionice şi covalente

NaCl

Sticle

CsCl

Hg

Cu

Pb

0 1000 2000

0 3000

MgO TiC

Al

Fe

Metale

W 0

10

20

30

40

50

60

Energia de legătură determină şi valoarea altor proprietăţi fizice ale materialelor

2.2 Arhitectura atomică(Aranjamentul atomic)

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™

a) Gaz

b) Lichid

c) Solid amorf

d) Metal cristalin

Arhitectura atomică

A A1 A2

B B1 B2

A' A'1 A'2

B' B'1 B'2

a

b c

RETEACRISTALINA

BAZADE ATOMI

STRUCTURACRISTALINA+ =

D D1 D2 D3 D4

C1 C C2 C4 C3

B1 B B2 B4 B3

A1 A A2 A4 A3

a

b

A1 A2 A3 An A

a

Şir reticular Reţea plană Reţea spaţială

Sisteme de cristalizare

Sistem de cristaliza

re

Constantereticulare

Unghiuriledintre axe

Celuleelementare

Cubic a = b = c α=β=γ=90° Simplă (CS)Cu feţe centrate (CFC)Cu volum centrat (CVC)

Tetragonal a = b ≠ c α = β = γ =90° SimplăCentrată

Ortorombic a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90° SimplăCu baza centratăCu feţe centrateCu volum centrat

Romboedric a = b = c α = β = γ ≠ 90° Simplă

Monoclinic a ≠ b≠ c α = β = γ ≠ 90° SimplăCu baza centrată

Triclinic a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90° Triclinic simplă

Hexagonal a = b ≠ c α = β = γ =120°δ=90°

Hexagonală compactă (HC)

Număr de atomi ai celulei elementare,

Raza interstiţiilor, RI din celula elementară Ni- numărul de atomi din interiorul celulei;NF – numărul de atomi de pe feţele celulei;NV - numărul de atomi din vârfurile celulei

Gradul de compactitate,

V - volumul unui atom.

Numărul de coordinaţie, Z

Raportul dintre constanta reticulară a celulei şi raza atomică, a0/r –

.

N 8

1 + N

2

1 + N = N vFi

ce

cV

VN=g

Sistemul cubicReţeaua cubică cu volum centrat (CVC)

x

y

z

a

b

c

a2

a3

R

0,68=R

(

R=

a

R=gc 3

3

3

3

34

3

4π2

3

4π2

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson

Learning™

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing /

Thomson Learning™

Rit = 0,29 R Rio = 0,15R

A

A'

I

a

A

A'

I

a

Feα, Feδ, Mo, V, Cr, W, Ta, Tiβ.

Feγ, Cu, Al, Pb, Au, Ag, Ni, Pt, Ir, etc.

Reţeaua cubică cu feţe centrate (CFC)

a

0,41R=2

2R-a=Rio

Rit = 0,22R

Sistemul hexagonal

gc = 0,74 este identic cu cel de la celula elementară CFC care are acelaşi număr de coordinaţie (z= 12).

Celula are interstiţii tetraedrice care au aceleaşi dimensiuni cu cele din sistemul CFC şi anume: Rio = 0,41R şi Rio = 0,22R.

În sistemul hexagonal cristalizează : Mg, Zn, Cd, Be, Hf, Zr, Re, Tiβ.

POLIMORFISM proprietatea unui material de a cristaliza in reţele

diferite pe intervale de temperatură diferite

TRANSFORMĂRI ALOTROPICE modificarea strucrurii

cristaline la trecerea dintru-u domeniu de temperatura in altul

caracterizat printr-o retea de cristalizare diferita

stările alotropice se noteaza cu litere ale alfabetului grecesc

α, β, γ, δ, etc. (în ordine alfabetică, pornind de la temperaturi joase

spre temperaturi ridicate), scrise dupa simbolul chimic al

materialului

respectiv.

Exemplu: Feα, Feγ, Feδ, Tiβ, Ti α etc.

Metal Formă

alotropică

Interval de

temperatură, oC

Tip reţea

cristalină

Fe α < 912 CVC

γ 912 - 1395 CFC

δ 1395 - 1534 CFC

Ti α < 882 H

β 885-1720 CVC

Co α < 450 H

β 450 - 1490 CFC

Sn α < 18 Tip diamant

β 18 - 232 Tetragonal cu

volum centrat

Aplicatie:

Cunoscând RCu = 0,1278 nm, MACu =65,3 u.a.m., NA = 6,02 1023, să se

determine masa specifică a cuprului.

Ra2

4

3

3

7

23

3/93,8

102

4

10023,6

3,6544

cmg

Ra

N

M

A

ACU

Cuprul cristalizează în sistemul CFC care are Na=4 atomi/celula elementară.

Masa specifică g se obţine raportând masa unei celule elementare (masa a 4

atomi) la volumul celulei:

Rezolvare:

Constanta reticulară a celulei este:

2.2.3. Direcţii cristalografice

A1(x1,y1,z1) şi A2(x2,y2,z2) indicii cristalografici se obţin prin scăderea coordonatelor celor două puncte. Direcţia cristalografică ce va trece prin aceste două puncte va avea indicii [u v w], unde

u = x1-x2

v = y1-y2

w = z1-z2

X

Y

Z

u

w

v O

A(u,v,w)

a

b

c

Direcţia [uvw] poate fi definită ca fiind

direcţia ce trece prin origine şi prin punctul A

de coordonate u, v, w

familie de direcţii cristalografice se reprezintă înscriind indicii uneia dintre direcţii în paranteze unghiulare <UVW>.

cW+bV+aU

Wc=

z+y+x

z=

cW+bV+aU

Vb=

z+y+x

y=

cW+bV+aU

Ua=

z+y+x

x=

222222222

222222222

222222222

cos

cos

cos

Unghiul dintre două direcţii care au indicii [UVW] şi [U1V1W1] se determină pornind de la relaţia:

111 ++= coscoscoscoscoscoscos

22

1

22

1

22

1

222222

2

1

2

1

2

1coscW+bV+aUcW+bV+aU

+cWW+bVV+aUU=

Pentru o anumită direcţie se poate definii densitatea liniară ρl (numărul de atomi

corespunzător unităţii de lungime pe direcţia respectivă):

l

N= A

l

2.2.4. Plane cristalografice

familie de plane cristalografice se simbolizează prin indicii unui plan înscrişi între acolade {hkl}

A

B

C

O

ab

c

x

y

z

1=OC

z+

OB

y+

OA

x

h=a

OA; k=

b

OB; l=

c

OC

1=zc

l+y

b

k+x

a

h

(h k l)indicii Miller

)c

l(+)

b

k(+)

a

h(

c

l

=

)c

l(+)

b

k(+)

a

h(

b

k

=

)c

l(+)

b

k(+)

a

h(

a

h

=

222

222

222

cos

cos

cos

A

B

C

O

x

y

z

d

P

)l

c(

d

OC

OP=

)k

b(

d

OB

OP=

)h

a(

d

OA

OP= cos;cos;cos

1=

)l

c(

d+

)k

b(

d+

)h

a(

d

1=++

2

2

2

2

2

2

222 coscoscos

)c

l(+)

b

k(+)

a

h(

1=d

222

în sistemul cubic (a=b=c) l+k+h

a=d

222

Sistemul cubic

cea mai mare densitate de atomi o au planele {111} din sistemul CFC.

Densitatea de atomi ρ - numărul de atomi N de pe unitatea de suprafaţă:

1

23

x

y

z

O

1

2

3

x

y

z

v

Aplicaţii:

A.2.9 Să se calculeze densitatea de atomi prin planul (100) pentru cupru. Se

cunoaşte raza atomică a cuprului R = 0,1278 nm.

R22=a

mmatomi/1015,3=

nmatomi15,3=R4

1=

R8

2=

a

2=

a

44

1+1

=

212

2222

/2

Pe faţa cubului cu suprafaţa a2 din planul (100) sunt conţinuţi 2 atomi

(un atom complet şi patru sferturi).

Densitatea de atomi va fi:

Rezolvare:

Constanta reticulară a celulei cuprului

(CFC) este:

2.2.5. Structura cristalină a materialelor ceramice

Reţele ionice

x

z

y

O

a

Na+

Cl-

Reţeaua clorurii de sodiu

Reţeaua clorurii de sodiu

Cl de atomi 4 = 3 + 1 = 4

1 12 +

1

1 1 = N Cl

Na de atomi 4 = 1 + 3 = 8

1 8 +

2

16 = N Na

Numărul de coordinaţie este Z=6.

Numărul de ioni din celula elementară este:

Acest tip de reţea se întâlneşte şi la alte materiale ceramice uzuale:

MnS, FeO, CaO, LiF, BaO, MgO, NiO.

Aşadar celula elementară este

neutră.

Reţeaua clorurii de cesiu

(pulbere solubila in apa,

aplicatii in chimia analitica si

medicina, toxicitate redusa

dar are o forma radioactiva –

accident Brazilia)

Cs+

Cl-

x

z

y

O

a

Reţeaua fluorinei

Ca+

F-

x

z

y

O

a

fluorit, fluorina este un mineral, cu formula chimică CaF2

are duritatea 4 pe scara Mohs

Reţele covalente

Parametrii celulei sunt a = 0,2456 nm şi c = 0,6696nm. Distanta dintre două straturi este c/2=0,335nm.

x

z

y

O

a

x

y0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

1/4

1/43/4

3/4

1/2

1/2 1/2

1/2

OReţeaua diamantului

c

a Reţeaua grafitului

Reprezentarea în plan a aranjamentului atomic în SiO2: a) Structura cristalină;

b) Structura amorfă

a) b)

(c) 2003 Brooks/Cole

Publishing / Thomson

Learning™

2.2.6. Structura cristalină a polimerilor

(103…105) de unităţi (denumite monomeri sau meri de la grecescul meros-parte)

După forma lanţurilor macromoleculare, polimerii pot să fie:

- polimeri liniari sau filiformi - lanţurile macromoleculare sunt dezvoltate într-o singură direcţie;

- polimeri ramificaţi –lanţurile macromoleculare sunt dezvoltate după două direcţii;

- polimeri tridimensionali – lanţurile macromoleculare formează o reţea spaţială.

polimeri liniari polimeri ramificaţi polimeri tridimensionali

polimerii amorfi polimeri cristalini polimeri semicristalini

polimerilor semicristalini (polietilena, politetrafluoretilena) sunt caracterizaţi

prin gradul de cristalinitate

Gcr=Masa zonelor cristaline

Masa totală⋅100 ,

Densitatea polimerilor cristalini este mai mare decât cea a polimerilor amorfi

Gradul de cristalinitate pentru un anumit material polimeric poate fi determinat

experimental cu relaţiaGcr=

ρc (ρs−ρa )

ρs (ρc−ρa )

⋅100 ,%

•ρs este densitatea materialului analizat;

•ρc este densitatea materialului considerat, având structură complet cristalină;

•ρa este densitatea materialului considerat, având structură complet amorfă.

ρs se determină experimental pe eşantionul analizat iar valorile ρc şi ρa sunt

determinate pentru fiecare tip de polimer.

2.3. Imperfecţiuni în structura cristalină

După raportul dintre cele trei dimensiuni, defectele de reţea se

împart în:

- defecte punctiforme;

- defecte liniare;

- defecte de suprafaţă

proprietăţi sensibile structural (rezistenţa de rupere, limita de

curgere, câmpul coercitiv).

proprietăţi insensibile structural (modulul de elasticitate sau

magnetizarea de saturaţie ) - nu sunt afectate de defectele de

structură

2.3.1. Defecte punctiforme

vacanţele

atomii interstiţiali

substituţiile de atomi

V

vacanţă

Autodifuzia prin vacanţe

I

atom interstiţial

TK

U

eN=n

f

-N – numărul de atomi din cristal;

-Uf - energia de formare [J];

- k - constanta lui Boltzman (k = 1,38x10-23

J/grad);

- T – temperatura absolută.

Proporţia vacanţelor

•10-8 din numărul noduri ale reţelei, la temperatura ambiantă

• 5·10-3 din numărul de noduri ale reţelei, la temperatura de topire

2.3.2. Defecte liniare

A

B

A'

b

B'

pozitive notate cu negative, notate cu T

dislocaţii marginale

B vectorului Burgers

a b

Dislocaţiile elicoidale

AB

C

DC'

B'b

b

Linia dislocaţiei

Dislocaţiile mixte

Deplasarea dislocaţiilor

densitatea de dislocaţii (lungimea totală a dislocaţiilor din unitatea de volum):

ρ=∑ l

V[m-2 ]

Densitatea de dislocatii

Rez

iste

nta

Rm

1

2

3 4

5

1 rezistenţa ideală (teoretică)

1-2 rezistenţa cristalelor filiforme cu număr foarte

redus de defecte (whiskers) obţinute în condiţii

speciale

3-4 material metalic cu structură de echilibru

(material turnat sau recopt) cu densitatea de

dislocaţii =108-1012m-2

4-5 materialele metalice care, în urma unor

tratamente termice sau prin ecruisare, ajung la o

densitate de dislocaţii de ordinul =1016m-2

2.3.3. Defecte de suprafaţă

- limite de grăunţi;

- sublimite;

- macle;

- limite de domenii magnetice.

limite de grăunţi

Zonamaclata

Plan de maclare

sublimite de grăunţi

Macle

2.2.7. Solide necristaline

Conservă proprietăţile de bază ale fazelor cristaline

anizotropie

temperatură de topire definită

variaţie bruscă a căldurii specifice, a greutăţii specifice şi a altor proprietăţi la

temperatura de topire

Funcţia de distribuţie radială g(r) exprimă numărul de atomi ale căror centre se află pe

sfera cu raza r.

Deoarece atomii se găsesc într-o stare de agitaţie termică, este mai corect să se

definească, în loc de sfere de coordinaţie, straturi sferice (volumul delimitat de razele r

şi r+dr).

0 1 2 x= r/r0 0 1 2 x= r/r0

Materiale amorfe

Structura cvasicristalină

la cristale, nu pot exista decât axe de simetrie de ordinul

n=2,3,4 şi 6, la care corespund unghiuri de rotaţie de 180,

90, 60 şi multiplii lor.

Din aceste considerente, în cristalografie se admite ca

valabil principiul că axe de simetrie de ordinul 5 sau mai mare

decât 6 nu există în nici un cristal.

planului care nu poate fi acoperit decât de poligoane

cărora le corespund axe de simetrie de ordinul 2, 3, 4 sau 6

(paralelogram, dreptunghi, romb, triunghi echilateral, hexagon

regulat centrat),

în spaţiu nu se poate realiza o împachetare compactă după

modelul icosaedrului.

poliedrul care are axa de simetrie de ordinul 5 –

icosaedrul

Structura nanocristalină

materiale care au o structură cristalină cu

dimensiuni ale grăunţilor de până la 100 nm.

defectele de suprafaţă (limite de grăunţi)

reprezintă aproximativ 50% din volumul de

material

în cazul materialelor metalice uzuale cu

distanţe interatomice de 0,2...0,4 nm. Rezultă

că un grăunte poate avea 5...25 straturi atomice.

zonele de limită au influenţă asupra reţelei

cristaline a grăunţilor prin distorsionările care

se pot propaga până la câteva distanţe

interatomice

zonele de limităgrăunţi cristalini

nanomateriale

Cristale lichide

modelele de aranjament numite mezomorfe, intermediare între stările lichidă şi solidă

moleculele din care sunt alcătuite aceste materiale sunt dipoli electrici sau pot fi polarizate cu uşurinţă.

sunt materiale cu anizotropie însemnată, care au ordonare după o direcţie

Solid cristalin Cristal lichid Lichid Funcţie de tipul de ordonare:

- aranjamentul smectic la care moleculele se aliniază în straturi (a);

- aranjamentul nematic la care lipseşte orientarea în straturi (b);

- aranjamentul colesteric la care moleculele se aranjează în straturi între care

există diferenţe mici de orientare, formând o structură elicoidală al cărei pas

depinde de temperatură (c); ca rezultat, culoarea cristalelor colesterice depinde de

temperatură.

a)

b)

c)

2.4. Identificarea constituenţilor structurali prin

difracţie de raze X

Razele X (raze Röntgen) sunt radiaţii electromagnetice

cu lungimea de undă l=0,1...10Å , emise de un tub de

raze X prin bombardarea unui metal cu electroni de

înaltă energie

2

λ n=sinθ d 2=B A+BA'=Δ

(c) 20

03

Bro

ok

s/Cole P

ub

lishin

g / T

hom

son

Learn

ing

0 1 2 3 4 Unghiul 0 1 2 3 4 Unghiul

λ = 0.7107 Å (Mo)

Feα

868.2)4)(71699.0(

71699.0)71.29sin(2

7107.0

sin2

2224000

400

lkhda

d

PROPRIETĂŢILE MATERIALELORproprietăţi de exploatare (mecanice, fizice şi chimice)

proprietăţi tehnologice

PROPRIETĂŢI MECANICE

În România, încercările mecanice sunt standardizare în norma SR EN ISO 377-2000

3.2. Încercarea la solicitarea de tracţiune si compresiune

1001000

0

0

l

ll

l

lA

f

n

%100)(

0

0

S

SSZ

f

Rezistenţa la tracţiune, Rm tensiunea maximă atinsă în timpul

încercării:

Rm = Fmax/So

Alungirea la rupere, An,

unde n reprezintă valoarea raportului l0/d0; n = 5; 10

Gâtuirea la rupere, Z

S0 şi Sf reprezintă aria secţiunii iniţiale, respectiv finale după

ruperea epruvetei

Rm

Rp0,2

0,2

α

An

Ten

siunea

σ,

MP

a

Deformaţia , %

a ceramica

b Cu recopt

50

100

150

200

250

300

0

a

b

Ten

siun

ea σ

, MPa

Deformaţia , %

10

20

30

50

40

60

1 2 3 4 5 6 7 8 Deformaţia ε, %

Ten

siu

nea

σ,

MP

a

A

B

C

A – Polimer termorigid

B – Polimer termoplastic

C – Elastomer

3.3. Incercarea de duritate Metoda Brinell

Metoda Vickers

Metoda Knoop

Metoda Rockwell

)(*45.3 MPaHBr

Metoda BRINELL

Măsurarea automată a urmei

Metoda ROCKWELL

ROCKWELL portabil

Metoda

Vickers

Microduritate Vickers

3.4. Încercarea de rezilienţă (CHARPY)

Energia consumată pentru ruperea epruvetei W , va fi:

W = Wo - Wf = G (H - h)

La epruvete cu crestătura în U se calculează rezilienţa (notată KCU) ce se defineşte ca raportul dintre energia consumată pentru ruperea epruvetei, W şi aria secţiunii iniţiale în dreptul crestăturii, S0:

KCU = W/S0 , J/cm2

La epruvetele cu crestătura în V, rezilienţa se exprimă prin valoarea energiei de rupere W, notându-se cu KV , J

H

h

CHARPY

IZOD

Tranzitia ductil-fragil

Fr

O

material

ceramic

oţel

moale

0

Wmed

DUCTIL KV

, J

Temperatura, °C TTDF

FRAGIL

3.5 Deformabilitatea şi ruperea materialelor

Modificarea poziţiilor relative ale atomilor la solicitarea de întindere

pentru metaleşi ceramice

3.5.1.Deformarea elastică

Forta

Distanta dintre

atomi, r

Distanta de

echilibru, ro Energia de

legatura W(r)

dr

dWrF )(

Fort

a, F

Distanta dintre atomi, r

orrdr

dF

Legaturi puternice,

material rigid

Legaturi slabe,

material elastic

dr

dF

Definirea modulului de elasticitate pe curba de

variaţie a forţei de legătură interatomică

Modificarea poziţiilor relative ale atomilor la

solicitarea de întindere pentru polimeri

3.5.2. Deformarea plastică Deformarea plastică prin alunecare

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

Deformarea plastică prin alunecare în cristalele reale

Deformarea plastică prin

alunecare în cristalele

ideale

Deplasarea dislocaţiilor

1

45o

1

1

2

1

2

1

3

2

3

1

32

3

3

2

3

1

3

2

3

1

,

MP

a

, %

20

10

100 200

policristal

monocristal

Deformarea plastică prin maclare

Deformarea plastică a agregatelor policristaline

plane de maclare

Efectele deformării plastice Ecruisarea

Texturarea apare la grade mari de deformare (20...50%) şi provoacă o anizotropie a proprietăţilor mecanice ale materialului deformat, mai accentuată la metalele ce cristalizează în sistemele CVC şi HC.

Tensiunile reziduale - date de o parte a energiei de deformare (≈ 10%), care rămâne înmagazinată sub formă de energie potenţială..

Efectul termic al deformării plastice

Transformările de fază în materialul metalic pot fi rezultatul deformării plastice care produce o încălzire a materialului şi o “afânare”a structurii (de exemplu, transformarea Arez → M la deformarea plastică pentru un oţel aliat cu crom).

modificarea unor proprietăţi fizice şi chimice:

creşterea densităţii ca urmare a compactizării prin deformare plastică la cald;

scăderea conductibilităţii electrice, mai ales la grade de deformare mici (la cupru, întinderea la rece cu 4% reduce conductibilitatea cu 1,5%, iar deformarea la trefilare cu 40% reduce conductibilitatea cu 2%);

reducerea rezistenţei la coroziune (coroziune sub tensiune);

creşterea câmpului coercitiv şi reducerea permeabilităţii;

modificarea culorii (la aliajele Au-Ag-Cu prin deformare plastică la rece se obţine culoarea galbenă).

Proprietăţile modificate prin deformare plastică la rece pot fi restabilite prin recoacere.

Deformarea plastică la cald produce o modificare a structurii şi proprietăţilor materialelor,datorită acţiunii simultane a proceselor de deformare şi de recristalizare.

3.5.3. Comportarea la rupere a materialelorDacă valoarea încărcării dintr-o anumită secţiune a unui produs

depăşeşte limita de rupere, se distruge coeziunea materialului prin

apariţia unor discontinuităţi volumice sau de suprafaţă în interiorul

materialului:

microfisuri sau cavităţi având dimensiuni de ordinul 10-6…10-3 m

macrofisuri cu dimensiuni de ordinul 10-2…10-1 m.

Efecte:

efectele negative (Costurile avariilor provocate de ruperea materialelor

sunt de ordinul sutelor de miliarde de dolari pe an. Si mai importante sunt

pierderile de vieţi omeneşti şi rănirile pe care aceste avarii le pot provoca)

se pot identifica şi aplicaţii tehnologice ale ruperii (debitarea prin rupere a

profilelor)

disciplină care are acest obiect - ”Mecanica ruperii”.

Rezistenţa teoretică la rupere

Cum

λ/2

σ

d d0

σt

Atracţie

Respingere

Rezultanta

x

xt

2sin x = d - d0

tt dx

xU

2sin

2

0

Energia suprafeţei de ruperes

t

2

Energia de legătură interatomică pe unitatea de suprafaţă

Dacă deplasarea atomilor din poziţiile de echilibru este redusă:

xx

22sin

xt

2

od

xE

egalând ultimele două relaţii va rezulta:02 d

Et

s

t

2

02 d

Et

Dacă se înmulţesc între ele relaţiile

0d

E st

va rezulta:

Pentru valorile specifice fierului (d0=2,48·10-10m, γ=1,95

J/m2, E=210 GPa) se obţine valoarea ideală a rezistenţei la

rupere σt = 40500 MPa adică aproximativ E/6.

Această rezistenţă teoretică este foarte ridicată comparativ cu

valorile reale (oţelurile de mare rezistenţă au rezistenţa la

rupere de ordinea 2000-3000 MPa, adică de ordinul E/100).

Materialele reale au o rezistenţă la rupere de ordinul

σt=E/100 datorita defectelor de structură.

În cazul monocristalelor elaborate în condiţii speciale

(filamente de tip Wiskers), se pot obţine valori ale rezistenţei

la rupere de ordinul σt=E/10.

100

Rezi

sten

ţa l

a ru

per

e, G

Pa

101

102

103

104

105

Fier monocristalin

Fier policristalin

Oţeluri

Wiskers

Valoarea teoretică

Tipuri de rupereDupă tipul tensiunior care produc ruperea

Rupere produsă de tensiuni normale (rupere prin clivaj) - pe planele de clivaj care sunt planele {100} pentru reţeaua CVC (Fe, V, Cr, Mo) sau planele {1000} pentru sistemul hexagonal (Ti, Cd)

Rupere produsă de tensiuni tangenţiale (rupere prin forfecare) -prin forfecarea unor legături de-a lungul planelor cu densitate maximă de atomi

σ

σ

τ

σ

τ

r

r r

r

După aspectul ruperii

Rupere intercristalină când fisura se propagă prin limitele de grăunţi;

Rupere intracristalină când fisura se propagă prin grăunţi;

După deformarea plastică realizată la rupere

- Rupere fragilă

- Rupere ductilă

a b c

Rupere intercristalină

Rupere fragilă Rupere ductilă

Rupere prin oboseală

1289 din cele 4694 nave Liberty s-au distrus între 1942 şi 1952 prin ruperea fragilă în ZIT

Pod peste râul Saint-Marice, Trois

Rivieres, Canada, rupt în februarie1951

PROPRIETĂŢI TEHNOLOGICE capacitatea de turnare (turnabilitatea);

capacitatea de deformare plastică la cald şi rece (deformabilitatea);

prelucrarea prin aşchiere (aşchiabilitatea);

capacitatea de călire (călibilitatea);

capacitatea de sudare (sudabilitatea).

4. Sisteme de aliaje

În cele mai multe cazuri, materialele inginerești

nu sunt substanțe pure și nici amestecuri

omogene din punct de vedere chimic și

structural ci amestecuri obținute în urma unor

procese fizico-chimice

Caracteristicile acestor materiale depind de de

compoziția lor chimica dar si de modul in care

au fost elaborate și prelucrate.

Difuzia

procesul de modificare a poziţiilor atomilor prin deplasarea ordonată a acestora pe

distanţe foarte mari în raport cu distanţele interatomice

Prima lege a lui Fick exprimă viteza cu care se realizează difuzia

ba

C

C0

C0

/2

0

tot

1t2

t3t

4t5

t

x

M

N

e=f RT

Q-

- frecvenţa de vibraţie a atomilor;

Q - energia de activare pentru difuzie, cal/mol;

R - constanta gazelor R = 8,31 J/mol K;

T - temperatura absolută, K.

scm

atomi

dx

dcae

3

1

2

1-=J

2

2RT

Q

scmeD=ea1

=D RT

Q-

RT

Q-2 /2

0

D - coeficientul de difuzie

a - distanţa dintre două poziţii succesive ale atomilor

gradientul concentraţiei este dc/dx [cm-4]

= 1/Z (Z este numărul de coordinaţie)

Fluxul de atomi este:

Prima lege a lui Fick se poate scrie pentru direcţia xdx

dc-D=J

Pentru cazul tridimensional

)z

C+

y

C+

x

C(-D=J

sau

C-D=J

:

( este operatorul lui Hamilton).

Cea de-a doua lege a lui Fick exprimă dependenţa difuziei de timp

Pentru cazul monodimensional x

CD=

t

C2

2

)z

CD(

z+)

y

CD(

y+)

x

CD(

x=

t

Czyx

În cazul tridimensional:

Dacă Dx = Dy = Dz (mediu izotrop) CD=t

C

( este operatorul lui Laplace)

factorii tehnologici:

temperatura care influenţează difuzia prin intermediul coeficientului de difuzie conform figurii 4.3; la creşterea temperaturii cu 20 C difuzia creşte de aproximativ două ori;

viteza de încălzire care, la valori ridicate, conduce la creşterea adâncimii de difuzie;

factorii metalurgici:

concentraţia - influenţează difuzia modificând coeficientul de difuzie;

mărimea de grăunte (cu cât grăuntele este mai mic, cu atât difuzia este mai mare);

imperfecţiunile (atât defectele punctiforme de tipul vacanţelor, cât şi cele liniare favorizează difuzia);

natura elementului de difuzie (elementele cu dimensiune redusă difuzează mai uşor);

structura cristalină (carbonul difuzează mai rapid în Fe decât în Fe)

Mecanismele difuziei

difuzia prin schimbarea locului

difuzia prin vacanţe

difuzia ciclică

difuzia prin inserţiiV

V

a b dc

Aplicaţii practice ale legilor difuziei

Decarburarea

erf(y)C=C 0x Dt2

x=y

x - distanţa de la suprafaţă, cm;

D - coeficientul de difuzie, cm2/s;

t – timpul, s.

funcţia erorilor lui Gauss sau integrala de probabilitatedye2

=yerf y-

y

0

2

)(

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 y

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

erf(y)

Tratamente termochimice

tD2

xerf-1=

C-C

C-C

01

0x

C[%]

C1

Cx

x [mm]

C0

4.2 Solidificarea materialelor

Solidificarea materialelor4.2.1 Parametrii termodinamici ai transformărilor

Energia internă U - cuprinde energia tuturor formelor de mişcare şi interacţiune a

particulelor corespondente (energia de rotaţie şi translaţie a atomilor, energia de vibraţie,

energia legăturilor interatomice, energia stărilor electronice).

variaţiei energiei interne ΔU la trecerea sistemului din starea energetică iniţială U1, într-o

altă stare energetica U2:12 UUU

Entalpia H - suma dintre energia internă şi lucrul mecanic necesar pentru ca sistemul să-şi

ocupe volumul său propriu la presiune constantă

Entropia - exprimă conţinutul legii a doua a termodinamicii, conform căreia, într-un sistem

izolat, procesele spontane se desfăşoară într-un singur sens. Diferenţiala ei este:

T

dQ=dS

(dQ este cantitatea de căldură absorbită sau cedată într-un proces reversibil).

Este o măsură a gradului de dezordine internă a unui sistem. La corpurile cristaline este o

măsură a devierii structurii reale de la aranjamentul ideal al particulelor.

Energia liberă reprezintă partea maximă din energia sistemului care poate fi transformată în

lucru mecanic efectuat de sistemul în evoluţie. F = H – TS

T

dQ=dS

- mecanismul transformării - indică modul în care au

loc deplasările şi aranjamentul atomilor în sistemul

considerat la trecerea de la starea iniţială la cea finală;

- cinetica transformării - indică modul în care viteza

transformării depinde de timp

- morfologia transformării - indică succesiunea

straturilor ce se formează în condiţiile date, la trecerea din

starea iniţială în cea finală.

Solidificarea materialelor

la temperatura Te (FLichid = FSolid), deci faza lichidă şi cea

solidă pot să coexiste sau sunt în echilibru

la temperaturi T < Te, FLichid > FSolid şi transformarea are loc

în sensul

L S (solidificarea materialului);

la temperaturi T > Te, FLichid < FSolid şi transformarea are

loc în sensul

S L (topirea materialului).

4.2.2 Analiza termică

Lichid

Solid

Timp Timp

Solid

Solid

Lichid

Lichid

TE

TL

l

TS

Tem

per

atura

Tem

per

atura

a b

4.2.3 Germinarea

a) Germinarea omogenă

Fv diferenţa dintre energia liberă a unităţii de volum dintre cele două faze:

V

FFF SL

v

r4+Fr3

4-=F 2

v3

energia superficială a unităţii de suprafaţă pe interfaţa dintre germeni şi topitură

Energia de suprafaţă

Energia de volum

Raza

nucleului rcr

Energia totală

Modif

icar

ea e

ner

gie

i li

ber

e

0=r

F)(

v

crF

2=r

e

f

vT

THF

Hf -căldura latentă de topire a materialului;

T - gradul de subrăcire la care are loc transformarea;

Te - temperatura absolută de echilibru .

b)Germinarea eterogenă

Solid (germene)

Impuritate (suport)

VK+FV=F

VK=A

AK+FV=F

3

2-

v

3

2

v

Volumul critic se va obţine pentru 0=V

F)(

AFv3

1

4.2.4 Cinetica procesului de solidificare Capacitatea de germinare Qg [mm-2·s-1],

Viteza de creştere liniară Vcr, [m·s-1]

Qg

T

ΔT

t, s t1 t2

03

43

1 VeVtVQ

s

crg

4.2.5 Solidificarea vitroasă

numărul de cristale din unitatea de volum a materialului solidificat

T

t tmin

)V

Q(0,9=

V

N

cr

g4

3

0

4.2.6 Structura de solidificare a materialelor

metalice

Calitatea produselor turnate este determinată de:

structura materialului solidificat (microstructura şi macrostructura);

nivelul tensiunilor reziduale;

porozitatea;

conţinutul de incluziuni nemetalice;

segregaţia elementelor de aliere şi a impurităţilor.

a b

c d

Topitură Topitură

Topitură

Germeni de cristalizare Crusta

Grăunţi columnari Grăunţi echiaxiali

d

k+= 0

relaţia Hall-Petch

Reducerea zonei cristalelor columnare şi extinderea zonei cristalelor echiaxiale poate fi favorizată de:

supraîncălzirea mică a topiturii (fragmentele de dendrite netopite reprezintă germeni de cristalizare);

turnarea în forme din amestec (dendritele formate sunt lungi şi subţiri şi sunt rupte de curenţii de convecţie);

vibraţiile mecanice sau ultrasonice aplicate topiturii în timpul solidificării.

a b

Secţiune periculoasă

Structura materialului

Solidificarea dirijată

Tensiunile reziduale

Porozitatea

Piesă turnată

Retasură Maselotă

Sufluri

Microporozitatea

Incluziunile nemetalice

Segregaţie normală

Segregaţie inversă.

Segregaţie gravitaţională

amprenta Baumann

4.2.7 Faze şi constituenţi structurali constituenţi omogeni - au aceeaşi compoziţie chimică şi aceeaşi structură în tot

volumul pe care îl ocupă; se mai numesc şi faze cristaline;

Pot să fie: metale pure

soluţii solide

compuşi definiţi;

constituenţi neomogeni - sunt formaţi din doi sau mai mulţi constituenţi omogeni; se mai numesc amestecuri mecanice

Soluţii solide

A şi B solubilitatea maximă a lui B în A este cBmax.

cB > cBmax = A(B) AxBy

A

B

AXBY

Precipitarea unui compus într-o soluţie solidăSoluţiile solide de substituţie

condiţiile Hume-Rothery1. condiţia geometrică- dimensiunile atomilor celor două elemente nu trebuie să difere prin mai

mult de 14%:

Exemplu:Cuprul şi nichelul au solubilitate totală pentru că RCu = 0,1278nm, iar RNi = 0,1246 nm (RCu/RNi=1,0256), în timp

ce cuprul în aluminiu are solubilitate maximă de 20%, pentru că RAl = 0,1431 (RCu/RAl=0,8931).

2. condiţia de structură, exprimată prin necesitatea ca cele două elemente să aibă aceeaşi structură

cristalină.

3. condiţia de afinitate chimică - cele două componente să nu difere mult din punct de vedere al

învelişului electronic. În caz contrar, componentele vor avea tendinţa de a forma compuşi definiţi şi nu

soluţii solide.

4. condiţia de valenţă, - un metal cu valenţă mai mare are o solubilitate mai mare într-un metal cu valenţă

mai mică şi invers

1,14<R

R<0,86

A

B

RSn/RCu = 1,18

RBe/RCu = 0,89

RZn/RCu = 1,05

Sn

Be

Zn

30 20 10

Si

Ni Al

Solubil, %

Rez

iste

nţa

Soluţii solide de inserţie

B (solubilul), având dimensiuni mai reduse,

ocupă interstiţiile din reţeaua cristalină a

elementului A (solventul)

Compuşi definiţi

formule de tipul AxBy (Fe3C, Cu5Zn8, Cu3Sn, FeS, SiO2, Al2O3 etc.).

În funcţie de modul în care respectă legea valenţei, compuşii definiţi pot fi:

• compuşi care nu respectă legea valenţei (CuBe, NiAl, CuZn);

• compuşi cu valenţă normală (Mg2Si, Mg2Sb).

După intervalul de concentraţie în care pot să existe, se cunosc:

• compuşi stoichiometrici - au o compoziţie chimică bine definită (Fe3Cr, NiAl3, AlSb,

Mg2Ni, Mg2Si)

• compuşi nestoichiometrici -pot exista într-un interval de concentraţie (Cu2Al, Ni3Al,

Cu31Sn8, FeZn7).

După comportarea la încălzire, compuşii definiţi pot fi:

• cu topire congruentă - care nu se descompun înainte de topire şi au temperaturi de topire

mai mari decât cele ale componentelor (NiAl, Cu2Mg, AlSb);

• cu topire incongruentă - care, înainte de topire, se descompun într-un amestec de două faze

(NiAl3, Ni2Al3).

Se caracterizează prin valenţă normală, au la bază legătura ionică sau covalentă. Sunt, în general,

compuşi cu topire congruentă şi cu concentraţie chimică definită sau cuprinsă într-un domeniu foarte

restrâns.

compuşi ionici de forma AB care au o structură cristalină de tipul clorurii de sodiu (MgSe, PbSe,

BaTe)

compuşi ionici de tipul AB2 cu structura de tipul fluorinei (Mg2Si, Mg2Sn, Na2S, Be2C)

compuşi AB cu structura blendei (BeS, ZnSe, AgTe, AlN, MnS).

Compuşii electrochimici

Compuşii geometrici

de tip interstiţial, - atomii componenţilor diferă mult din punct de vedere dimensional (RA/RB<0,59);

se formează între un metal şi un metaloid; carburi (TiC, WC, V2C), nitruri (Fe4N, Fe2N);

faze Laves, - raportul dintre dimensiunile atomilor componentelor este RA / RB=1,225, asigurând o

împachetare maximă a atomilor (MgCu2, TiFe2);

faze sigma, - între un metal de tranziţie din grupele V sau VI şi un alt metal de tranziţie din grupele

VII sau VIII; au domenii de concentraţii largi (CrFe, VCo, CrCo, WFe).

Compuşii electronici

Faza Structura Concentraţia electronică, Ce Exemple

C.V.C. 3/2 CuZn, Cu5Sn, Ag3Al, NiAl

H.C. 7/4 CuZn3, Cu3Sn, Ag5Al3

Cubică complexă

(52atomi/celula)21/13 Cu5Zn8, Cu31Sn8, Mn5Zn21

se formează datorită tendinţei atomilor de a se aranja în structuri cristaline în care gazul de

electroni se caracterizează printr-o energie internă de valoare minimă.

M

AxBy

M

AxBy

M

AxBY

Amestecuri mecaniceA

B

A

B

a b

Perlita P (eutectoidul aliajelor Fe-C) este un amestec mecanic format din ferită F (soluţie

solidă de inserţie C în Fe) şi cementită Ce (compus definit Fe3C)

4.2.8 Microscopia optică şi electronică

Lampă

Lampă

Ocular

Obiectiv

Obiectiv

Probă

Probă

Probă

Probă

Sursa de electroni

Lentila proiector

Lentila obiectiv

Ecran fluorescent

Lentila condensor

Bobina de deflexie

Lentila condensor

Lentila condensor

a b c b

Detector

Ecran

Fis

uri

1cm

1mm

100μm

1Å

100nm

Po

ri

Gră

unte

cris

tali

n

Nan

ost

ruct

ură

Incl

uzi

uni

Pre

cpit

ări

fine

Dis

loca

ţie

Ato

m

Microscopie optică

10μm

1μm

10nm

1nm

Microscopie electronică

Analiza

macroscopică

Microscopul optic metalografic

Cap trinocular

Cameră achiziţii

imagini

Diafragmă de câmp

Diafragmă

de apertură

Coloană

Sursa de lumină

Obiectiv

Cap

revolver

Probă

Masă în coordonate

Masă în

coordonate

Talpă

Ocular

Reglaj fin

Reglaj grosier

Iluminator vertical

Lampă Condensor

Caracteristicile principale ale unui microscop optic

este lungimea de undă a luminii folosite;

n este indicele de refracţie al mediului între lentila obiectiv şi probă;

este jumătate din unghiul de deschidere a conului de lumină captat de lentila obiectiv.

A apertura obiectivului (puterea de strângere a razelor)

A=n sin

mărirea, M (raportul dintre dimensiunea imaginii, di şi cea a obiectului, do.o

i

d

dM

puterea de separaţie, d (distanţa minimă dintre două puncte de pe probă care pot fi văzute

distinct).

sin2nd

Unde

radio

106

108

1010

1012

1014

1016 10

18

Unde

radio

FM

,

TV

Mic

rounde,

radar

Unde

mil

imet

rice

,

tele

met

rie

Infr

aroşi

i

Spec

tru v

izib

il

Ult

ravio

lete

Rad

iaţi

i X

,

Rad

iaţi

i γ

Hz

Frecvenţe mari

Lungimi de undă mici

Energie mare

Frecvenţe mici

Lungimi de undă mari

Energie redusă

Tehnici speciale de microscopie

Cîmp întunecat

Iluminare oblică

Lumină polarizată

Microscopie electronică prin transmisie

(TEM)

Microscopie electronică cu baleiaj (SEM)

Microanaliza

Suprafaţa de rupere

b) distribuţia Si c) distribuţia Cr d) distribuţia Fe

4.3 Diagrame de faze

sistem - un element, un compus chimic ori mai multe elemente sau compuşi chimici care, în anumite condiţii de temperatură şi presiune pot să reacţioneze între ei

un gaz� un amestec de gaze

� gheaţa

� amestecul de gheaţă şi apă

� sistemele SiO2-MgO

� Fe-C

� Cu-Ni

� Cu-Zn-Pb.

4.3.1 Legea fazelorse consideră un sistem din N componenţi cu F faze, se pot scrie N(F-1) relaţii care să exprime starea de echilibru a sistemului.

Compoziţia unei faze se specifică prin concentraţiile a N-1 componenţi. Pentru cele F faze vor exista F(N-1) parametri interni.

Dacă P numărul parametrilor externi, numărul gradelor de libertate sau varianţa sistemului, V va fi

)1()1( −−+−= FNPNFV FPNV −+=

Dacă parametrii care se modifică sunt temperatura şi presiunea (P=2)

FNV −+= 2FNV −+= 1dacă şi presiunea este constantă

Pentru sistemele binare (N=2): FV −= 3

Sisteme cu un component� OA – linia transformării Solid → Gaz;� OB – linia transformării Lichid →Gaz;� OC – linia transformării Solid → Lichid.

� O (punctul triplu al diagramei) sunt în echilibru toate cele trei faze (solidă, lichidă şi gazoasă).

Temperatura

P 1

T 1

O

GazSolid

Lichid

A

C

B

P 2. .

.

.

..M

1

.2 3

5

4

Legea fazelor într-un punct dintr-un anumit domeniu se scrie sub forma:V = N + 1 – F

Varianţa în punctul M este: VM = 1 + 2 –1 = 2

Într-un punct C situat pe o linie de echilibru, varianţa este: VC = 1 + 2 – 2 = 1

În punctul triplu O, varianţa este VO = 1 + 2 – 3 = 0

- transformări la presiune constantă: - transformări la temperatură constantă:

1

23

Feα Feγ FeδLichid

Gaz

Temperatura

Feα (CVC)Feγ (CFC)Feδ (CVC).

4.4 Sisteme binare

A B

Tem

pera

tura

M TM

cM

0 20 40 60 80 100 % B

100 80 60 40 20 0 % A

cM

Concentraţie

20

60

80

40

100

0 0 20 40 60 80 100

Concentraţia de zahăr, %

Tem

pera

tura

, °C

A

B

Soluţie lichidă

(Sirop)

Soluţie

lichidă

+

Zahăr solid

4.4.1Diagrame de echilibru cu componenţi total solubili

linii de echilibru :TNi M TCu - linia lichidusTNi N TCu - linia solidus

domeniul soluţiei solide a = Ni(Cu) situat sub temperatura solidus (domeniu monofazic):

domeniul format din lichid şi soluţie solidă a, cuprins între liniile lichidus şi solidus (domeniu bifazic):

domeniul fazei lichide, situat deasupra liniei lichidus (domeniu monofazic):

FNV −+= 1 2112 =−+=

FNV −+= 1 1212 =−+=

FNV −+= 1 2112 =−+=

1100

1300

1400

1200

1500 T, °C

Cu 20 40 60 80 Ni

TCu

TNi

Ni, %

m n

Lichid

L+α

α

M N O

1

2

100% ×=MN

OML 100% ×=

NM

ONα %100100100%% =×=×

+=+

MN

MN

MN

OMONL α

1100

1300

1400

1200

1500

Cu 20 40 60 80 Ni

TCu

Ni, %

,4α

α3

Lichid

L+α

α

T1

TNi

,3α

,5α

,2α

m

L1

α4 α5

T2

T3

T4 T5

L2

L3

L4

L5

T, °C

recoacere de omogenizare

Purificarea prin cristalizare fracţionată şi topire zonală

a 1’

a 2

a 3

b 1 a 2’

a 3’

α

b 2

b 3

L+α

L ichid

aA BB , %

T, °C

Inductor pentru topire

Material purificat

Zonă cu impurităţi

Material impur

� proprietăţi insensibile structural, care depind numai de temperatură, presiune şi concentraţie (densitatea şi coeficientul de dilataţie);

� proprietăţi sensibile structural, care depind şi de neomogenitatea chimică, de mărimea de grăunte, de forma grăunţilor (rezistenţa la rupere, limita de curgere).

1100

1300

1400

1200

1500 T, °C

TCu

TNi

Cu 20 40 60 80 Ni

Lichid

L+α

α

Pro

pri

etăţi

mec

an

ice

Rezistenţa

la rupere

Alungirea

Ni, %

Apa sarata

Apa sarata şi cristale de sare

Apa sarata şi gheaţă

Amestec de gheaţă şi cristale de sare

% NaCl

Temperatura eutectică

H2O

% CaCl2

Apa sarata



H2O

% CH3COOH

Acid acetic (solid)

şi solutie (lichidă)

Gheaţă şi acid acetic solid

100H2O

0

Tem

pera

tura

, ºC

solutie de acid acetic şi apă

16,6

-26,7

4.4.2 Sisteme de aliaje binare cu reacţie eutectică

� TAETB - linia lichidus;

� TACEDTB - linia solidus;

� CED - linia transformării eutectice;

� CM, DM - linii solvus

T, ºC

B, %

21

racireSSL + →

E punct de transformare eutectică

T, ºC

B, %

T, ºC

Sn, %

T, ºC

Sn, %

L

1

α Lrest

2

E = α E + βE

β" α rest β" α rest β" α rest

Crist

aliz

are

se c

unda

raC

r is t

a li z

a re

p

rim

ara

T, oC

Sn, %

L

1

E = αE + βE

β" αrest βrestα"

T, oC

Sn, %

%55100195,97

199,61%

%45100195,97

9,615,97%

=−

−=

=−

−=

Eutectic

Eutectic

β

α

T, oC

B, %

T, oC

B, %

Diagrame de echilibru cu reacţie peritectică

J punct de transformare peritectică.HJB este linia transformărilor peritectice.

21 SSLracire →+

α=Pt(Ag)

β=Ag(Pt)

L+α→β+α’ (reacţie cu surplus de α)

L+α→β+L’ (reacţie cu surplus de lichid)

4.4.4 Diagrame de echilibru cu reacţie eutectoidă

4.4.5 Diagrame de echilibru cu reacţie monotecticăL

1→ L

2+ S

4.4.6 Sisteme binare cu compuşi definiţi

300

500

600

400

200

Mg 20 40 60 80 Sn Sn, %

T, °C L

θ+L

L+α

α

800

37,6

α + θ

561

700

100

14,8 70,6

L+β

L+β

β

97,9

L+Sn 203,5

4.5 Diagrame de echilibru ale aliajelor ternare

%A+%B+%C=100%

P : 0,5%B, 1%C si 98,5%A Pa %A; Pb %B; Pc %C

(Pa+Pb+Pc=h=100%

4.5.1 Diagrame ternare ai căror componenţi au solubilitate totală în stare solidă

4.5.2 Diagrame ale sistemelor ternare ai căror

componenţi sunt insolubili în stare solidă

În cazul aliajelor Bi-Pb-Sn (Tf pentru Bi este 272°C, Tf

pentru Pb este 372 °C, Tf pentru Sn 232 °C) temperatura eutecticului ternar TE = 95 °C.

TE = 65 °C aliaj Wood(50% Bi, 26.7% Pb, 13.3% Sn, 10% Cd )

Aliaje de aur

Tip Aur, % Argint, % Cupru, % Culoare

22 K

91.6 8.4 - Galben

91.6 5.5 2.8 Galben

91.6 3.2 5.1 Galben intens

91.6 - 8.4 Roz/rosu

18 K

75.0 25.0 - Verd gălbui

75.0 16.0 9.0 Galben pal

75.0 12.5 12.5 Galben

75.0 9.0 16.0 Roz

75.0 4.5 20.5 Rosu, 5N

14 K

58.5 41.5 - Verde pal

58.5 30.0 11.5 Galben

58.5 9.0 Rosu

9 K

37.5 62.5 - Alb

37.5 55.0 7.5 Galben pal

37.5 42.5 20.0 Galben


37.5 20.0 42.5 Roz

37.5 7.5 55.0 Roşu

Digrame de echilibru

sistem - un element, un compus chimic ori mai multe elemente sau compuşi chimici care, în anumite condiţii de temperatură şi presiune pot să reacţioneze între ei

un gaz� un amestec de gaze

� gheaţa

� amestecul de gheaţă şi apă

� sistemele SiO2-MgO

� Fe-C

� Cu-Ni

� Cu-Zn-Pb.

Legea fazelorse consideră un sistem din N componenţi cu F faze, se pot scrie N(F-1) relaţii care să exprime starea de echilibru a sistemului.

Compoziţia unei faze se specifică prin concentraţiile a N-1 componenţi. Pentru cele F faze vor exista F(N-1) parametri interni.

Dacă P numărul parametrilor externi, numărul gradelor de libertate sau varianţa sistemului, V va fi

)1()1( −−+−= FNPNFV FPNV −+=

Dacă parametrii care se modifică sunt temperatura şi presiunea (P=2)

FNV −+= 2FNV −+= 1dacă şi presiunea este constantă

Pentru sistemele binare (N=2): FV −= 3

Sisteme cu un component� OA – linia transformării Solid → Gaz;� OB – linia transformării Lichid →Gaz;� OC – linia transformării Solid → Lichid.

� O (punctul triplu al diagramei) sunt în echilibru toate cele trei faze (solidă, lichidă şi gazoasă).

Temperatura

P 1

T 1

O

GazSolid

Lichid

A

C

B

P 2. .

.

.

..M

1

.2 3

5

4

Legea fazelor într-un punct dintr-un anumit domeniu se scrie sub forma:V = N + 1 – F

Varianţa în punctul M este: VM = 1 + 2 –1 = 2

Într-un punct C situat pe o linie de echilibru, varianţa este: VC = 1 + 2 – 2 = 1

În punctul triplu O, varianţa este VO = 1 + 2 – 3 = 0

- transformări la presiune constantă: - transformări la temperatură constantă:

1

23

Feα Feγ FeδLichid

Gaz

Temperatura

Feα (CVC)Feγ (CFC)Feδ (CVC).

Sisteme binare

A B

Tem

pera

tura

M TM

cM

0 20 40 60 80 100 % B

100 80 60 40 20 0 % A

cM

Concentraţie

20

60

80

40

100

0 0 20 40 60 80 100

Concentraţia de zahăr, %

Tem

pera

tura

, °C

A

B

Soluţie lichidă

(Sirop)

Soluţie

lichidă

+

Zahăr solid

Diagrame de echilibru cu componenţi total solubili

linii de echilibru :TNi M TCu - linia lichidusTNi N TCu - linia solidus

domeniul soluţiei solide a = Ni(Cu) situat sub temperatura solidus (domeniu monofazic):

domeniul format din lichid şi soluţie solidă a, cuprins între liniile lichidus şi solidus (domeniu bifazic):

domeniul fazei lichide, situat deasupra liniei lichidus (domeniu monofazic):

FNV −+= 1 2112 =−+=

FNV −+= 1 1212 =−+=

FNV −+= 1 2112 =−+=

1100

1300

1400

1200

1500 T, °C

Cu 20 40 60 80 Ni

TCu

TNi

Ni, %

m n

Lichid

L+α

α

M N O

1

2

100% ×=MN

OML 100% ×=

NM

ONα %100100100%% =×=×

+=+

MN

MN

MN

OMONL α

1100

1300

1400

1200

1500

Cu 20 40 60 80 Ni

TCu

Ni, %

,4α

α3

Lichid

L+α

α

T1

TNi

,3α

,5α

,2α

m

L1

α4 α5

T2

T3

T4 T5

L2

L3

L4

L5

T, °C

recoacere de omogenizare

Purificarea prin cristalizare fracţionată şi topire zonală

a 1’

a 2

a 3

b 1 a 2’

a 3’

α

b 2

b 3

L+α

L ichid

aA BB , %

T, °C

Inductor pentru topire

Material purificat

Zonă cu impurităţi

Material impur

� proprietăţi insensibile structural, care depind numai de temperatură, presiune şi concentraţie (densitatea şi coeficientul de dilataţie);

� proprietăţi sensibile structural, care depind şi de neomogenitatea chimică, de mărimea de grăunte, de forma grăunţilor (rezistenţa la rupere, limita de curgere).

1100

1300

1400

1200

1500 T, °C

TCu

TNi

Cu 20 40 60 80 Ni

Lichid

L+α

α

Pro

pri

etăţi

mec

an

ice

Rezistenţa

la rupere

Alungirea

Ni, %

Apa sarata



Amestec de gheaţă şi cristale de sare

% NaCl

Temperatura eutectică

H2O

% CaCl2

Apa sarata



H2O

% CH3COOH

Acid acetic (solid)

şi solutie (lichidă)

Gheaţă şi acid acetic solid

100H2O

0

Tem

pera

tura

, ºC

solutie de acid acetic şi apă

16,6

-26,7

Sisteme de aliaje binare cu reacţie eutectică

� TAETB - linia lichidus;

� TACEDTB - linia solidus;

� CED - linia transformării eutectice;

� CM, DM - linii solvus

T, ºC

B, %

21

racireSSL + →

E punct de transformare eutectică

T, ºC

B, %

T, ºC

Sn, %

T, ºC

Sn, %

L

1

α Lrest

2

E = α E + βE

β" α rest β" α rest β" α rest

Crist

aliz

are

se c

unda

raC

r is t

a li z

a re

p

rim

ara

T, oC

Sn, %

L

1

E = αE + βE

β" αrest βrestα"

T, oC

Sn, %

%55100195,97

199,61%

%45100195,97

9,615,97%

=−

−=

=−

−=

Eutectic

Eutectic

β

α

T, oC

B, %

T, oC

B, %

Diagrame de echilibru cu reacţie peritectică

J punct de transformare peritectică.HJB este linia transformărilor peritectice.

21 SSLracire →+

α=Pt(Ag)

β=Ag(Pt)

L+α→β+α’ (reacţie cu surplus de α)

L+α→β+L’ (reacţie cu surplus de lichid)

Diagrame de echilibru cu reacţie eutectoidă

Diagrame de echilibru cu reacţie monotecticăL

1→ L

2+ S

Sisteme binare cu compuşi definiţi

300

500

600

400

200

Mg 20 40 60 80 Sn Sn, %

T, °C L

θ+L

L+α

α

800

37,6

α + θ

561

700

100

14,8 70,6

L+β

L+β

β

97,9

L+Sn 203,5

Diagrame de echilibru ale aliajelor ternare

%A+%B+%C=100%

P : 0,5%B, 1%C si 98,5%A Pa %A; Pb %B; Pc %C

(Pa+Pb+Pc=h=100%

Diagrame ternare ai căror componenţi au solubilitate totală înstare solidă

Diagrame ale sistemelor ternare ai căror componenţi

sunt insolubili în stare solidă

În cazul aliajelor Bi-Pb-Sn (Tf pentru Bi este 272°C, Tf

pentru Pb este 372 °C, Tf pentru Sn 232 °C) temperatura eutecticului ternar TE = 95 °C.

TE = 65 °C aliaj Wood(50% Bi, 26.7% Pb, 13.3% Sn, 10% Cd )

Aliaje de aur

Tip Aur, % Argint, % Cupru, % Culoare

22 K

91.6 8.4 - Galben

91.6 5.5 2.8 Galben


91.6 - 8.4 Roz/rosu

18 K

75.0 25.0 - Verd gălbui

75.0 16.0 9.0 Galben pal

75.0 12.5 12.5 Galben

75.0 9.0 16.0 Roz

75.0 4.5 20.5 Rosu, 5N

14 K

58.5 41.5 - Verde pal

58.5 30.0 11.5 Galben

58.5 9.0 Rosu

9 K

37.5 62.5 - Alb

37.5 55.0 7.5 Galben pal

37.5 42.5 20.0 Galben


37.5 20.0 42.5 Roz

37.5 7.5 55.0 Roşu

Diagrama de echilibru metastabilă fier-carbon

Ferita F = Fe(C),

stabilă până la 912 oC

CVC

0,02 %C la 727 oC

0,06 %C la temp.ambiantă.

moale, cu tenacitate bună

grăunţi poliedrici

Ferita F = Fe (C)

stabilă între 1394 oC şi 1543 oC

CVC

max. 0,1 %C la 1495 C

Fe Fe3C 1 2 3 4 5 6

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Lichid

Cementita primară

+ Ledeburită I

Cementita

primară

Cementita primară

+ Ledeburită II

Austenită +

Cementita secundară

+ Ledeburită I

Perlită +


+ Ledeburită II

Perlită +


Austenită

Austenită +

Cementita

secundară

Lichid +

Austenită

Lichid +

Cementită

primară

Ferită

+Perlită

Ferită

Ferită +

Cementită

terţiară

Austenită

+ Ferită

Ferită δ Austenită +Ferită δ

Lichid + Ferită δ

Led

eburi

tă I

L

edeb

uri

tă I

I

Per

lită

Tem

per

atu

ra,

°C

Conţinut de carbon, %

Austenita A = Fe (C), stabilă de la temperatura de 727 oC până la 1495 C, care cristalizează în

sistemul cubic cu feţe centrate şi are un conţinut de C de 0,77 % la 727 C şi de 2,11 %C la 1148 C.

Cementita Ce = Fe3C, care conţine 6,67 %C este un constituent dur şi fragil care cristalizează într-

un sistem complex cu 8 atomi de fire şi 4 atomi de carbon. Cementita se descompune în jurul

temperaturii de 1300 C.

Constituenţii eterogeni:

Perlita P=Fp+Cep amestec mecanic, este eutectoidul aliajelor Fe-C, conţine 0,77%C şi se formează

prin descompunerea austenitei la 727 oC.

Ledeburita Le este eutecticul aliajelor Fe-C şi se formează prin descompunerea lichidului care

conţine 4,3 %C la temperatura de 1148 oC. La temperatura ambiantă este un amestec mecanic de

PLe+CeLe notat LeI, iar la temperaturi mai mari de 727 oC este formată din ALe+CeLe (LeII).

ABCD - linia lichidus;

AHJECFD - linia solidus;

HJB - linia transformărilor peritectice (1495 C) ;

ECF - linia transformărilor eutectice (1148 C);

PSK - linia transformărilor eutectoide (727 C), care se mai

notează cu Ac1 (porţiunea PS) şi cu AC13 (porţiunea SK);

GS - linia punctelor AC3;

PQ - linia solvus a feritei sau linia separării cementitei terţiare;

ES - linia solvus a austenitei sau linia separării cementitei secundare, care se mai notează cu Acem;

LKFD - linia cementitei primare;

MO - linia transformării magnetice a feritei (770 C).

Se poate considera că diagrama Fe-C este formată din trei diagrame.

Punctele critice de transformare de pe diagrama metastabilă

Punctul DenumireaTemperatura,

oC

Conţinutul de

carbon, %

J punct de transformare peritectică 1453 0,15

C punct de transformare eutectică 1148 4,3

S punct de transformare eutectoidă 727 0,77

E punct de solubilitate maximă a C în Fe 1148 2,11

P punct de solubilitate maximă a C în Fe 727 0,02

H punct de solubilitate maximă a C în Fe 1495 0,1

G punct de transformare alotropică FeFe 912 0

N punct de transformare alotropică FeFe 1394 0

A punct de topire a fierului pur 1538 0

B

punct de concentraţie maximă a liniei

perlitice 1495 0,51

D punct de descompunere a cementitei 1200 6,67

Aliajele care conţin până la 2,11 %C şi pot fi aduse prin încălzire în stare de soluţie solidă cu cementita complet dizolvată, putând fi deformate plastic, se numesc oţeluri.

Aliajele de pe această diagramă care conţin peste 2,11 %C, nu pot fi aduse prin încălzire în stare de soluţie solidă (păstrează în structură cementită sub diferite forme până la temperatură solidus), nu pot fi deformate plastic, se utilizează în stare turnată şi se numesc fonte albe.

Diagrama de echilibru stabilă fier-carbon

Fe C 1 2 3 4 5 6

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Lichid

Cementita

primară

Austenită

+

Grafit

Ferită +Grafit

Austenită

Lichid +

Austenită

Lichid +

Grafit

Ferită

Austenită

+ Ferită

Tem

pera

tura

, °C

Conţinut de carbon, %

(Perlită +Grafit)

Grafit

736

1154

0 7 100

Fonte cenuşii

Fontele cenuşii cu grafit lamelar

standardul EN 1561 respectiv SR EN 1561.

Fontele feritice şi ferito-perlitice (EN-GJL-100,

EN-GJL-150 EN-GJL-200, EN-GJL-250)

Fontele perlitice (EN-GJL-300 EN-GJL-350)

În România STAS 568-82 (Fc150, Fc200, Fc 400).

Fontele cu grafit nodular (sferiodal)

EN1563 şi SR EN 1563 (EN-GJS-350-22-LT,, EN-

GJS-400-18-LT, EN-GJS-450-10, EN-GJS-900-2)

STAS 6071-82: Fgn 370-17, Fgn 400-12, Fgn 800-2

Fontele maleabile

EN 1562 respectiv SR EN 1562

EN-GJMB-350-10, EN-GJMB-550-4, EN-GJMB-800-1

În STAS-ul 569-79 Fma 350, Fmn 370, Fmp 700

Simbolizarea alfanumerică

Simbolul

grafitului

Tipul grafitului Simbolul

structurii

Tipul structurii sau stării

L Lamelară A Austenita

S Sferoidală F Ferita

M Grafit în cuiburi P Perlita

V Vermiculară M Martensita

N Fără grafit

(structura ledeburitică)

Q

T

Călita

Călită şi revenită

Y Structura specială

(indicată în standardul de produs)

B

W

Inima neagră

Inima albă

(pt. fonte maleabile)

G - piesa turnată

J - fonta

EN-GJL- HB180

Structura oţelurilor aliate

TRANSFORMĂRI DE

FAZĂ ÎN STARE SOLIDĂ

în aliajele Fe-Fe3C

I. Transformarea perlitei în austenită (P A), are loc la

temperaturi mai mari decât AC1, la care energia liberă a

perlitei (Ep) este mai mare decât energia liberă a austenitei

EA. Este o transformare la încălzire.

Temperatura

Ener

gia

lib

eră

Ms AC1

Perlita, P şi austenita, A sunt constituenţi de echilibru.

Martensita, M este o soluţie solidă de inserţie a carbonului în fierul

în stare suprasaturată, simbolizată M = FeSS(C). Se obţine în urma

răcirii austenitei cu viteză mare. Este un constituent în afară de

echilibru.

II. Transformarea austenitei în perlită (A P), are loc la temperaturi mai mici decât AC1, la care energia

liberă a austenitei (EA) este mai mare decât energia liberă a perlitei (Ep). Este o transformare la răcire care

se produce când viteza de răcire este redusă.

III. Transformarea martensitei în perlită (M P), are loc la orice temperatură, deoarece peste tot EM >Ep. La

temperaturi reduse, nu este sesizabilă, dar viteza de transformare creşte peste 200 oC.

IV. Transformarea austenitei în martensită (A M), are loc la temperaturi mai mici decât temperatura

critică de transformare MS atunci când EA>EM). Este o transformare la răcire care se produce când viteza de

răcire este mai mare decât o valoare caracteristică pentru fiecare oţel, numită viteză critică de răcire.

Martensita este un constituent în afară de echilibru.

Transformarea M A, nu a fost evidenţiată experimental, ea având loc prin intermediul transformărilor M

P şi P A

În afara acestor transformări principale pot avea loc şi transformări intermediare.

Transformarea austenitei în bainită (A B) care are loc la viteze de răcire cuprinse între cele de echilibru

şi cele în afară de echilibru. Bainita, B = FeS(C) - soluţie solidă de inserţie saturată a carbonului în fier .

Transformarea perlitei în austenită

)%77,0()%67,6()%02,0(

)()( 3

CCC

CFeCFeCFe incalzire Reacţia de transformare

(modificări ale numărului de faze şi modificări ale compoziţiei chimice, deci transformarea presupune

procese de germinare şi creştere a unei faze noi precum şi procese de difuzie a atomilor de fier şi carbon)

AC1 T, ºC

1 2 3 4 5

Mecanismul transformării

Curba cinetică a transformării

t, s

50

100

A, %

t1 t2

Evoluţia dimensiunii grăunţilor de austenită

Temperatura

Grăunte ereditar

grosolan

Măr

ime

de

gră

unte

Ac1

Grăunte ereditar

fin

Măr

imea

gră

un

telu

i

de

per

lită

Măr

imea

gră

un

telu

i

de

aust

enit

ă

Punctajul unui oţel N.

Determinarea punctajului se poate face prin numărarea

grăunţilor de austenită de pe o suprafaţă de 1mm2 (n).

Legătura dintre punctajul N şi numărul de grăunţi este dată

de relaţia:Nn 28

În funcţie de punctaj, oţelurile se clasifică în :

• oţeluri cu granulaţie grosolană (N = 1...3);

• oţeluri cu granulaţie mijlocie (N = 4…5);

• oţeluri cu granulaţie fină (N = 6…8).

Transformări la răcirea oţelurilor

T,

°C E

Ms

Bf

Bs

A

P

B

M

F

P+F

A+F

M+B

A+CeII

P+CeII

Astab

G

P S

Q 0,77 2,11 C, %

I II III

Vit

eza

de

răci

re

P+F Austenita

P B

M+B

M

răcire Austenita

P B

M

răcire

P+CeII Austenita

P B

Astab

M

răcire

Oţel hipoeutectoid (I) Oţel eutectoid (II) Oţel hipereutectoid (III)

Diagrame TTT

curbă de început de transformare (1)

curbă de sfârşit de transformare (2)

la oţelurile hipoeutectoide sau hipereutectoide mai

există o ramură (3) care corespunde separării fazelor

proeutectoide.

temperaturile punctelor critice Ac1, Ac3, Ms, Mf.

Tem

per

atu

ra, °C

A

Timp, s

TA

A+F

A+P

A+M

Ac3

Ac1

ΔT1

ΔT2

T1

T2

1 2

3

1 10 100 1000

Du

rita

te,

HR

C

Ms

Mf

Diagrame CCT Viteza critică Vcr este tangentă la cotul perlitic

sau bainitic:

Tem

per

atu

ra, °C

A

Timp, s

TA

A+F

A+P

A+M

Ac3

Ac1

H3

V2

T1

Ms

1 10 100 1000

V3 V1

x %F

y %P

Vcr

Mf

H2 H1

A

A+B TC

tC

z %B

c

cAcr

t

TTV

Perlită grosolană

Perlită fină

Bainită Ms

M90

Ac3

Ac1 α+γ

Tem

pera

tura

, °C

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0,1 1 10 102 103 104

Timp, s

γ

α+Fe3C

28HRC

C45

V1 V2 V3 V4

497 332 240 234

1000

Duritatea HV0,1

700

600

900

800

100

200

300

400

500

1100

100 10 1.000 10.00

0

100.00

0

P

M

Timp, s

Tem

pera

tura

, ºC

1200

Ac3=790ºC

A

Ms

F

B

Ac1=720ºC

C45

1000

700

600

900

800

100

200

300

400

500

1100

100 10 1.000 10.000 100.000

P+C

M+C

Timp, s

Tem

per

atu

ra,

ºC

1200

Ac3=800ºC

Ac1=750ºC

267HV

A+C

B+C Ms

493HV

247HV

382HV

50CrMoV13-1

V1=300°C/s

775 768 712 365

1000

Duritatea HV0,1

700

600

900

800

100

200

300

400

500

1100

100 10 1.000 10.000 100.000

P+C

M+C

Timp, s

Tem

per

atura

, ºC

1200

Ac3=800ºC

Ac1=750ºC

95

88

5

10

2

A+C

B+C Ms

V2=2,5°C/s

V3=0,3°C/s

V4=0,02°C/s

50CrMoV13-1

Transformarea austenitei în perlită

Reacţia de transformare

Tem

per

atu

ră, °C

A

Timp, s

TA

A+P

Ac1

ΔT1

ΔT2

V1

V2

1 10 100 1000

Ms

Mf

ΔT3

V3

A+M

A+B

)%67,6()%02,0()%77,0(

)()( 3

CCC

CFeCFeCFe racire

Temperatura de transformare,°C

1

10

Dis

tan

ţa i

nte

rlam

elară

, µ

m

500 600 700


Austenită Austenită Colonie

de perlită Austenită Perlită

Ferita

perlitică

Cementita

perlitică

Temperatura Ac1

1 2 3 4

Cinetica transformării

t, s

50

100

Atr, %

t1 t2

Transformarea austenitei în martensită

Tem

per

atu

ra, °C

A

timp, s

TA

A+P

Ac1

V1

1 10 100 1000

Ms

Mf

Vcr

A+M

A+B

CC

CFeCFe SS

racire

%77,0%77,0

)()(

zMzA

yA

xM

yM

aA

xA

aA

cM

aM

Austenita

Martensita

cM/aM - gradul de tretragonalitate al reţelei

c

a

0 0,4 0,8 1,22,80

2,90

3,00

3,10

°

%C


Austenită Austenită Martensită Austenită

reziduală Martensită

Temperatura MS

1 2 3 4

T, ºC

50

100

Atr, %

Ms Mf

Arez

Curba cinetică a transformării


Transformarea austenitei în bainită viteza de răcire V1 sau gradul de

subrăcire T1 –

bainita superioară sau granulară

(fragilitate mare)

viteza de răcire V2 sau gradul de subrăcire T2 –

bainita inferioară sau bainita aciculară

(duritate bună şi tenacitate superioară celei granulare)

Tem

per

atu

ra, °C

A

timp, s

TA

A+P

Ac1

ΔT2

V1 V2

1 10 100 1000

Ms

Mf

A+M

A+B

400

200

ΔT2

CCC

CFeCFeCFe XS

racire

%67,6)%02,0()%77,0(

)()(


Transformarea austenitei reziduale şi martensitei la încălzireÎn intervalul I (80 ...200 oC) proba suferă o contracţie în raport cu etalonul.

Fe ss (C) Fe s (C) + FexC

(Mcălire) (Mrevenire) (carburi )

Structură aciculară - apare la microscop de culoare închisă.

Se păstrează duritatea, se reduc tensiunile interne şi densitatea de dislocaţii.

În intervalul II (200 ...400 oC) are loc transformarea:

Fe (C) Fes (C) + Fex C

(Arez) (ferita saturată) (carburi )

Transformarea are ca efect creşterea dimensiunilor probei. Continuă şi procesul de separare a carburilor din martensită, scade gradul de tetragonalitate, se micşorează duritatea

În intervalul III (400 ... 600 oC) apare din nou o scădere a dimensiunilor probei

Fes (C) + FexC Fe (C) + Fe3C

(ferită saturată) (carburi ) (F+Ce=Perlită)

structură de echilibru formată din cementită globulară cuprinsă într-o matrice feritică numită sorbită de revenire.

valori ridicate ale plasticităţii şi tenacităţii, rezistenţa mecanică bună valoarea durităţii se reduce mult

În domeniul IV ( 600 oC ... AC1) nu au loc transformări de fază.

se produce o creştere a globulelor de cementită pe seama dizolvării celor cu dimensiuni mai mici ( coalescenţă) şi conduce la obţinerea unei structuri de perlită globulară.

Temperatura,°C

I

200 400 600 80 Ac1

Δl,

mm

II II

I

IV

Tratamente termice

încălzirea la temperatura de încălzire

(Tinc) caracterizată prin durata

încălzirii (tinc), viteza de încălzire (vinc)

şi natura mediului de încălzire;

Încălzirea poate fi simplă sau în trepte

menţinerea la Tinc, definită prin

durata de menţinere (tmen) şi natura

mediului;

răcirea de la Tinc la o anumită

temperatură specifică mediului de

răcire, caracterizată de viteza de răcire

(vr), durata răcirii (tr).

Răcirea are loc într-un singur mediu

(continuă), în două medii (întreruptă),

sau cu menţinere izotermă (în trepte).tratamente• termice preliminare

(primare);

tratamente• termice finale (secundare)

Recoacerea

recoacerea de omogenizare ( 1);

recoacerea de normalizare ( 3);

recoacerea completă ( 2);

recoacerea incompletă ( 4);

recoacerea de detensionare ( 6);

recoacerea de globulizare ( 7);

recoacerea de recristalizare ( 5).

Călirea oţelurilorConduce la obţinerea unor

structuri în afară de echilibru:

martensita

bainita aciculară (inferioară)

răcirea cu o viteză vr mai

mare decât cea critică de

călire vcr

200

100

300

400

500

600

700

800

1 10 102 10

3 10

4 10

5

TA A1

I

II

Perlită

Sorbită

Troostită

Bainită

superioară

Bainită

inferioară Ms

Mf

A

a

b

vr vcr

Tem

per

atu

ra [

o C]

Timpul [s]

Martensită

Parametri tehnologici ai călirii

Viteza de încălzire

(vincvadm)

Temperatura de încălzire

pentru oţelurile hipoeutectoide

Tinc= Ac3 + (30 … 50)oC

pentru cele hipereutectoide

Tinc= Ac1 + (50 … 70)oC

Durata de menţinere

t = f(R, Tm, To, a, λ)

Medi ul de răcire

Procedee de călire volumicăCălirea directă1. constă în răcirea de la temperatura de austenitizare într-un mediu ce asigură o viteză de răcire superioară celei critice ( călire clasică sau continuă).

Călirea întreruptă2. (călirea în două medii) Cele mai uzuale combinaţii de medii sunt apa - ulei, ulei - aer.

Călirea la frig3. se aplică oţelurilor carbon cu peste 0,5%C şi majorităţii oţelurilor aliate ce posedă temperatura Mf sub 0oC. Trecerea într-un mediu refrigerent (zăpadă carbonică, azot lichid, etc.) după răcirea prealabilă în mediu primar (apă, ulei, aer) favorizează transformarea austenitei reziduale în martensită.

Călirea în trepte4. presupune mentinerea produsului într-o baie de săruri sau ulei a căror temperatură este uşor superioară temperaturii punctului Ms. După menţinere, va avea loc răcirea în aer

Călirea izotermă5. se efectuează în aceleaşi condiţii ca şi răcirea în trepte. Menţinerea se efectuează la temperatura care asigură transformarea austenitei în bainită aciculară. Se folosesc băi de săruri care asigură temperaturi de 250 –400oC, unde piesele se menţin până la finalizarea transformării austenitice, răcirea ulterioară neprezentând importanţă.

TA

A1

Ms

Mf

T

[oC]

ln t [s]

1 2

3

4

5

Călibilitateaviteza critică de călire v cr;

diametrul critic D (ideal, real)

lungimea critică

d

g

v

vcr

T

emp

erat

ura

, °C

A

Timp, s

TA

A+F

A+P

A+M

Ac3

Ac1

H3

V2

T1

Ms

1 10 100 1000

V3 V1

x %F

y %P

Vcr

Mf

H2 H1

A

A+B TC

tC

z %B

C45

proba

Jominy

bandă de

călibilitate

curbă de

călibilitate lcr

HSM

l [mm]

HRC

Revenirea oţelurilor

revenirea joasă (150 ... 250oC) ce are ca efect diminuarea tensiunilor interne, fără a se afecta duritatea;

revenirea medie (350 ... 500oC) - asigură o limită la elasticitate şi rezistenţa la oboseală superioară, creşterea tenacităţii şi menţinerea unor valori destul de ridicate ale durităţii şi rezistenţei mecanice;

revenirea înaltă (500 ... 650oC) - conduce la o scădere importantă a durităţii şi o creştere semnificativă a ductilităţii asigurînd o îmbinare optimă a proprietăţilor de rezistenţă, tenacitate şi ductilitate. Tratamentul termic de călire şi revenire înaltă se numeşte îmbunătăţire.

TRev [oC]

Prop.

mec.

400 200 600

HRC

O

O

O

X

X X

Rm [Mpa]

A5 [%]

KCU [J/mm2]

25

55

1900

860

4

18

40

80

Călirea de suprafaţă

implică încălzirea rapidă a

straturilor de suprafaţă utilizându-

se în acest scop energii concentrate

de 2 – 50 KW/cm2

T, oC

V înc ,oC/s

Ac1

500 100 3 1,5

1 2

3

Călirea cu flacără oxi -gaz

Călirea prin inducţie cu curenţi de înaltă frecvenţă

pentru = 1 ... 2 mm, frecvenţa optimă, f este de 60000 Hz

pentru = 2 ...4 mm, f = 5000 ... 10000 Hz.

direcţia curentului

în piesă

câmp

magnetic

piesa

inductor

apă

inductor

răcitor

strat călit

Tratamente termochimice

carburare (cementare) –îmbogăţirea cu carbon;

nitrurare –îmbogăţirea cu azot;

borizare –îmbogăţirea cu bor;

sulfizare –îmbogăţirea cu sulf;

carbonizare (cianizare) –îmbogăţirea simultană cu

carbon şi azot.

Carburarease aplică oţelurilor carbon sau slab aliate cu un conţinut scăzut în carbon

(%C0,25)

concentraţia în carbon a stratului superficial se limitează la 0,8...1,1% pe o adâncime de până la 1,5 mm

mediul de carburare poate fi: solid, lichid sau gazos

mediul solid -un amestec de cementare realizat din substanţe active (cărbune de lemn) şi substanţe activizante (BaCO3, Na2CO3

medii lichide - băi de săruri topite constituite din SiC ca sare activă şi din NaCl şi Na2CO3 ca săruri activizante

mediile gazoase - pe bază de oxid de carbon şi de hidrocarburi.

Temperatura de desfăşurare a procesului - în domeniul austenitic. Uzual, temperaturile sunt situate între 850 – 1050oC.

Durata de menţinere se stabileşte în corelaţie cu temperatura de încălzire

adoptată.

0,5 ... 3 h la carburarea în mediul lichid

3 ...8 h la carburarea în medii gazoase

5...12 h la cementarea în medii solide.

%C

g [mm]

I II III 0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

P F F P P P CeII

Cementare Călire I Călire II

Revenire

Ac1

Ac3

T

[oC]

t [h]

Nitrurarea

se efectuează la temperaturi joase 500 ... 580oC. Se evită astfel difuzia azotului în miez şi coalescenţa nitrurilor. Rezultă o adâncime de nitrurare scăzută (0,2 – 0,6 mm).

se poate efectua în medii gazoase, în medii lichide sau în plasmă.

Nitrurarea în mediul gazos utilizează ca mediu de lucru, amoniacul la 500 – 520oC timp de 40 ... 60 h.

Nitrurarea în mediul lichid utilizează băi de săruri pe bază de cianuri la temperatura de 550 – 570oC (tmen = 0,5 ... 3 h).

Nitrurarea în plasmă numită şi nitrurare ionică se bazează pe principiul descărcării luminescente într-o atmosferă rarefiată. Piesele fixate la catod sunt bombardate de ionii de gaz rezultaţi în urma cracării amoniacului: se produce încălzirea piesei şi difuzia azotului în straturile superficiale. Durata procesului este de 6 ... 20h.

Carbonitrurarea şi cianizarea)

Cianizarea se aplică oţelurilor cu 0,2 ... 0,4%C şi constă din încălzirea la temperaturi de 820 – 860oC în băi de săruri ce conţin cianuri, timp de câteva ore. Răcirea de la acestă temperatură se face în medii care asigură călirea directă.Stratul cianizat va prezenta o concentraţie în carbon de 0,6 ... 0,7%, şi 0,2... 0,3% azot. Adâncimea este de 0,15 ... 0,6 mm. Structura este formată din martensită, austenită reziduală şi eventual (în funcţie de natura oţelului), carburi, nitruri, etc. Se obţin durităţi ale stratului de 550 ... 650 HV.

Carbonitrurarea înltă înlătură dezavantajele cianizării legate de toxicitate şi

de controlul scăzut al procesului.

Mediul de lucru prezintă o atmosferă ce conţine amoniac şi gaze naturale.

duritatea stratului este de 600 – 700 HV.

Carbonitrurarea joasă se efectuează la temperaturi de 560 ... 580 oC într-o atmosferă de 50% gaz metan şi 50% amoniac. Se aplică oţelurilor de îmbunătăţire călite şi revenite în prealabil. Stratul de carbonitruri prezintă grosimi de 0,1 ... 0,2 mm, şi durităţi superficiale de 600 ... 1100HV.

sm 1-8

Documents

Transcript of sm 1-8