Studiul Metalelor
of 396
-
Upload
alexandrustoica -
Category
Documents
-
view
210 -
download
10
description
Carte de Studiul Metalelor
Transcript of Studiul Metalelor
-
Profesor dr. ing. HORIA PETRU VERTAN
TIINA MATERIALELOR
EDITURA ACADEMIEI TEHNICE MILITARE
BUCURESTI
- 2008 -
-
2
REFERAT ASUPRA LUCRRII
TIINA MATERIALELOR
Cartea are un bogat continut stiintific si informativ.
Are 6 capitole dupa cum urmeaza :
Capitolul 1 - Structura i proprietatile metalelor.
Capitolul 2 - Deformarea si ruperea materialelor
metalice.
Capitolul 3 - Efectul compozitiei asupra structurii de
echilibru n aliaje.
Capitolul 4 - Tratamentele termice ale metalelor si
aliajelor.
Capitolul 5 - Oeluri i fonte aliate.
Capitolul 6 - Aliaje neferoase, cu destinaie precizata i
sinterizate din pulberi metalice.
Cartea este utila institutiilor din invatamantul tehnic
militar.
Prof.dr.ing
Tiberiu Stefan Manescu
Universitatea Eftimie Murgu Arad
-
3
PREFA
Tematica carii se ncadreaza ntr-unul dintre cele mai
dinamice domenii ale stiintei la acest sfarsit de secol si anume
tiina materialelor. Mai mult de un sfert din activitatea
economica a celor mai industrializate tari este legata de materiale.
In aceasta lucrare se expun concret problemele
complexitaii aspectelor legate de formarea structurilor si de
comportamentul materialelor metalice sub aciunea sarcinilor
exterioare, accentuand-se proprietaile mecanice. Sunt studiate
modelele structurii cristaline, echilibrele si transformarile de faze,
sistemele de aliaje etc.
Cartea de Stiinta Materialeler a fost elaborata in
conformitate cu tematica ceruta de programele de nvamant
pentru Academia Tehnic Militar i pentru alte instituii de
nvamnt superior similare.
Folosindu-se o bibliografie bogata si adusa la zi, s-a
ntocmit o lucrare structurata in sase capitole, astfel:
Capitolul 1 - Structura i proprietatile metalelor.
Capitolul 2 - Deformarea si ruperea materialelor
metalice.
Capitolul 3 - Efectul compozitiei asupra structurii de
echilibru n aliaje.
Capitolul 4 - Tratamentele termice ale metalelor si
aliajelor.
Capitolul 5 - Oeluri i fonte aliate.
Capitolul 6 - Aliaje neferoase, cu destinaie precizata i
sinterizate din pulberi metalice.
Lucrarea, ntocmit pentru uzul didactic, este deosebit de
favorabila si absolvenilor care se perfecioneaza postuniversitar
sau in alte forme.
Autorul are convingerea ca orice sugestie sau apreciere va
fi primit favorabil, inndu-se cont de acestea la o noua editare.
Autorul
-
4
CUPRINS
CAPITOLUL I
STRUCTURA I PROPRIETILE METALELOR ........................... 9
1.1 PRINCIPII CRISTALOGRAFICE ..................................... 9
1.2 CORELATIA TIPULUI DE LEGATURA CU
STRUCTURA SI PROPRIETAILE CRISTALELOR .......... 14
1.2.1 Legatura Van der Waals ............................................... 15
1.2.2 Legatura ionic .............................................................. 17
1.2.3 Legatura covalent ........................................................ 18
1.2.4 Legatura metalic .......................................................... 19
1.2.5 Legtura de hidrogen .................................................... 22
1.3 FAZE N SISTEMUL DE ALIAJE .................................. 23
1.3.1 Soluia solid ................................................................. 23
1.3.2 Fazele intermediare: ...................................................... 25
1.4 DEFECTE N CRISTALE ................................................ 27
1.5 DIFUZIA N METALE I ALIAJE ................................. 35
1.6 CRISTALIZAREA I SOLIDIFICAREA METALELOR
I ALIAJELOR ........................................................................ 39
1.6.1 Cristalizarea .................................................................. 39
1.6.2 Germinarea i creterea cristalelor ............................... 41
1.6.3 Creterea cristalelor ...................................................... 46
1.6.4 Forma cristalelor obinute la solidificare ....................... 51
1.6.5 Macrostructura cristalin a pieselor turnate .................. 56
1.6.6 Solidificarea aliajelor .................................................... 60
1.7 TRANZIIA VITROASA. ALIAJE AMORFE SAU
STICLE METALICE ............................................................... 68
1.8 INFLUIENA PRESIUNII ASUPRA PROPRIETILOR
METALELOR .......................................................................... 74
1.8.1 Influena presiunii asupra proprietilor mecanice ale
metalelor. ............................................................................... 75
1.8.2 Influiena presiunii asupra unor caractiristici termice ale
metalelor. ............................................................................... 78
1.8.3 Influiena presiunii asupra proprietilor electrice i
magnetice ale metalelor. ........................................................ 80
-
5
CAPITOLUL II
DEFORMAREA l RUPEREA MATERIALELOR
METALICE ................................................................................. 83
2.1 DEFORMAREA PLASTIC A METALELOR I
ALIAJELOR ............................................................................ 83
2.1.1 Generaliti .................................................................... 83
2.1.2 Deformarea plastic a monocristalelor ideale ............... 86
2.1.3 Deformarea plastic a agregatelor policristaline........... 90
2.2 RUPEREA MATERIALELOR METALICE .................... 98
2.2.1 Generaliti .................................................................... 98
2.2.2 Fisurarea lent ntr-un mediu coroziv ......................... 107
2.2.3 Ruperea prin CORFIS (fisur coroziv) ...................... 108
2.2.4. Ruperea la oboseal ................................................... 111
2.2.5 Fluajul ......................................................................... 112
CAPITOLUL III
EFECTUL COMPOZIIEI ASUPRA STRUCTURII DE ECHILIBRU
N ALIAJE ................................................................................ 115
3.1 ECHILIBRUL SISTEMELOR ETEROGENE ................ 115
3.1.1 Generaliti .................................................................. 115
3.1.2 Legea fazelor .............................................................. 117
3.2 DIAGRAME DE ECHILIBRU........................................ 119
3.2.1 Aliaje binare ................................................................ 121
3.3 DEPENDENA NTRE PROPRIETILE ALIAJELOR
l DIAGRAMELE DE ECHILIBRU .................................... 142
3.3.1 Proprietile fizice ....................................................... 142
3.3.2 Proprietile tehnologice ............................................. 143
3.4 SISTEMUL DE ALIAJE FIER - CARBON .................... 145
3.4.1 Fierul: .......................................................................... 145
3.4.2 Carbonul: ..................................................................... 147
3.4.3 Aliajele fier - carbon: .................................................. 148
3.4.4 Sistemul fier - cementit (Fe - Fe3C)........................... 151
3.4.5 Punctele critice din sistemul Fe-Fe3C ......................... 156
3.4.6 Constituienii de echilibru ai aliajelor Fe-Fe3C .......... 157
3.5. OELURILE CARBON ................................................. 166
3.5.1 Clasificarea i simbolizarea oelurilor carbon: ........... 166
-
6
3.5.2 Influiena elementelor nsoitoare asupra structurii i
proprietilor oelurilor carbon. ........................................... 172
3.6 FONTE ............................................................................. 177
CAPITOLUL IV
TRATAMENTELE TERMICE ALE METALELOR l
ALIAJELOR ............................................................................. 195
4.1 CICLURI TERMICE. CLASIFICARE. GENERALITI
................................................................................................ 195
4.2 TRANSFORMRILE CARE AU LOC N TIMPUL
NCALZIRII OELURILOR ................................................ 200
4.2.1 Termodinamica i mecanismul transformrii perlitei n
austenit ............................................................................... 200
4.2.2 Creterea gruntelui de austenit la nclzire. Gruntele
ereditar. ................................................................................ 202
4.3 MECANISMUL TRANSFORMRII AUSTENITEI LA
RCIRE ................................................................................. 208
4.4 PRINCIPALELE TIPURI DE TRATAMENTE TERMICE
ALE OELURILOR .............................................................. 221
4.4.1 Recoacerea .................................................................. 221
4.4.2 Clirea i revenirea ..................................................... 226
4.5 TRATAMENTE TERMOCHIMICE ............................... 242
4.5.1 Carburarea: ................................................................. 242
4.5.2 Nitrurarea: .................................................................. 243
4.5.3 Carbonitrurarea: .......................................................... 244
4.5.4 Metalizri prin difuzie: ............................................... 244
4.5.5 Aluminizarea: ............................................................. 246
4.5.6 Cromarea: ................................................................... 247
4.5.7 Silicierea: .................................................................... 247
4.6 TRATAMENTE TERMOMECANICE ........................... 248
CAPITOLUL V ......................................................................... 254
OELURI l FONTE ALIATE ................................................. 254
5.1 CLASIFICAREA OELURILOR ALIATE ................... 254
5.1.1 Clasificarea dup compoziie i dup structura n stare
de echilibru .......................................................................... 254
5.1.2 Clasificarea dup structura la rcire n aer liber
-
7
(clibitatea n aer liber) ........................................................ 255
5.1.3 Clasificarea dup gradul de aliere: .............................. 256
5.1.4 Clasificarea dup destinaie (utilizare): ....................... 257
5.2 INFLUIENA ELEMENTELOR DE ALIERE .............. 257
5.2.1 Raportul elementelor de aliere cu fierul: .................... 258
5.2.2 Raportul elementelor de aliere cu carbonul: ............... 261
5.2.3 Influena elementelor de aliere asupra transformrii
austenitei: ............................................................................. 263
5.2.4 Influena elementelor de aliere asupra transformrilor la
revenire: ............................................................................... 266
5.3 OELURI ALIATE TERNARE ......................................... 267
5.3.1 Oeluri cu nichel (Ni): ................................................. 267
5.3.2 Oelurile cu mangan (Mn): ......................................... 269
5.3.3 Oeluri cu crom (Cr): ................................................... 270
5.3.4 Oeluri cu wolfram (W):.............................................. 272
5.3.5 Oeluri cu molibden (Mo): .......................................... 272
5.3.6 Oeluri cu vanadiu (V): ............................................... 273
5.3.7 Oeluri cu siliciu (Si): .................................................. 273
5.3.8 Alte oeluri ternare: ..................................................... 274
5.4 OELURI ALIATE FOLOSITE IN TEHNIC ................ 275
5.4.1 Oeluri aliate de construcie: ....................................... 275
5.4.1.1 Standardizarea oelurilor aliate pentru
construcie ............................................................................ 280
5.4.2 Oelurile aliate pentru scule: ....................................... 280
5.4.3 Oeluri aliate cu proprieti speciale ............................ 283
5.5 FONTE ALIATE .............................................................. 290
5.5.1 Generaliti privind fontele aliate: ............................... 290
5.5.2 Clasificarea fontelor: ................................................... 291
CAPITOLUL VI
ALIAJE NEFEROASE CU DESTINAIE PRECIZAT l
SINTERIZATE DIN PULBERI METALICE ............................... 296
6.1 ALIAJE NEFEROASE ...................................................... 296
6.1.1 Cuprul i aliajele de cupru .......................................... 297
6.1.2 Aluminiul i aliajele de aluminiu ................................ 318
6.1.3 Magneziul i aliajele de magneziu .............................. 327
-
8
6.1.4 Aliajele metalelor grele uor fuzibile (Pb, Sn, Sb, Zn) 329
6.1.5 Aliaje neferoase greu fuzibile ..................................... 336
6.1.6 Nichelul i aliajele sale ................................................ 340
6.1.7 Vanadiul i aliajele de vanadiu .................................... 342
6.1.8 Aliaje dure .................................................................. 343
6.2 ALIAJE CU DESTINAIE PRECIZAT ...................... 343
6.2.1 Aliaje electrotehnice i energetice ............................... 343
6.2.2 Materiale compozite ................................................... 350
6.2.3 Materiale metalice amorfe .......................................... 375
6.3 ALIAJE SINTERIZATE DIN PULBERI METALICE .. 381
6.3.1 Generaliti .................................................................. 381
6.3.2 Parametrii tehnologici ai sinterizrii ........................... 386
6.3.3 Structura pieselor sinterizate din pulberi metalice ....... 387
BIBLIOGRAFIE ....................................................................... 395
-
9
CAPITOLUL I
STRUCTURA I PROPRIETILE METALELOR
1.1 PRINCIPII CRISTALOGRAFICE
Toate corpurile sunt formate din atomi sau molecule ntre
care se exercita fore de interacie de atracie si de respingere.
Atunci cnd fortele de atracie sunt predominante fa de
micarea de agitaie termic, corpul respectiv se consider solid
in anumite condiii de presiune si temperatur. La o presiune dat
va exista o temperatur la care are loc transformarea din faza
solid n cea lichid. Mai jos de aceast temperatur, pna la 0 K,
corpul se menine n faza solid.
Corpurile ale caror atomi sau molecule prezint un
aranjament spaial regulat se gasesc n stare cristalin, acestea
fiind cele mai raspandite din natura. Alte corpuri prezinta o
distribuie dezordonat a atomilor sau moleculelor i acestea sunt
corpuri amorfe (necristaline).
Starile structurale precristaline sau mezomorfe prezinta un
nceput de ordine uni si bidimensional a particulelor
constituiente si sunt considerate ca stari intermediare Intre starea
amorf si cea cristalin.
Din aceast categorie fac parte i cristalele lichide.
Structura reprezinta modul cum este alcatuit un material din
prile sale constitutive. Dup scara la care este examinat
avem: structura microscopic sau macroscopic, substructura,
structura fina, structura atomic i nuclear.
Starea solida este caracterizata printr-o aranjare periodica
a particulelor constituiente (ioni, atomi sau molecule) dupa
trei directii spaiale, formnd o reea cristalin.
-
10
La aceasta reea se ajunge plecnd de la o celula
elementar (fig.1.1), particulele fiind reprezentate sub forma de
bile, celula ce se multiplica la infinit ntr-un sistem ortogonal.
Elementele ce caracterizeaza celula elementara (celula
Bravis) sunt: vectorii a, b, c (muchiile paralelipipedului) si
unghiurile , , (fig.1.2).
Celula elementar pstrez simetria ntregii reele si fiecare
nod al celulei este nconjurat. Nodul de reea reprezint o noiune
cu totul diferit de cea a unei poziii atomice. Numai n cristalele
pentru care toi atomii sunt identici i exist un singur atom pe nod
de reea, se poate confunda nodul de reea cu poziia atomic.
-
11
n tabelul 1.1 se dau relaiile dintre muchii si unghiuri
pentru cele apte sisteme de reele (singonii).
Dup cum se vede din tabelul 1.1 sunt definite 14 tipuri de
reele dintre care 7 tipuri sunt primitive. Celulele Bravais ale
fiecrui tip de reea sunt reprezentate n figura 1.3.
-
12
Reelele Bravais tridimensionale se pot obine una din alta
prin deformare pe diferite directii. Posibilitile de a trece de la un
tip de reea la altul sunt artate n schema din figura 1.4.
Aceste reele sunt mai mult sau mai puin compacte.
Lucrul acesta este pus n evidena de numarul de coordinaie,
caracteristic care determina numrul de atomi egali deprtai
minim de altul dintre acetia. De exemplu, reeaua cubic cu
volum centrat (C.V.C.) are numarul de coordinaie C=8, iar
reeaua cubic cu fee centrate (C.F.C.) i hexagonal compacts
numarul de coordinatie este C=12. In studiul structurilor cristaline
sunt des utilizate noiunile de plane si direcii. Pentru identificarea
lor se face apel la metoda indicilor Miller, astfel: se alege un
sistem de trei axe x, y, z de-a lungul a trei muchii neparalele ale
celulei elementare. Un plan cristalografic se noteza n funcie de
lungimea segmentelor pe care acestea le intersecteaza pe cele trei
axe, segmente masurate de la originea axelor de coordonate,
utiliznd valorile inverse ale acestor segmente. Astfel, daca
lungimea segmentelor intersectate pe cele trei axe sunt m, n, p,
inversul acestora: h =1/m; k =1/n si I =1/p reprezint tocmai
indicii lui Miller si se noteaz (h, k, I).
-
13
Bara de deasupra unuia din indici arata ca planul
intersecteaz una dintre axe in partea sa negativ. Direciile
cristalografice sunt indicate ntre paranteze drepte [u v w] fara
ns utilizarea valorilor inverse. Indicii cristalografici ai unor
plane si directii sunt artai n figura 1.5. a si 1.5. b.
Majoritatea metalelor (circa 3/4 din numrul lor) au o
structura cubica cu volum centrat, o structura cubica cu fee
centrate sau o structura hexagonal compact.
Cristalul metalic poate fi considerat ca alcatuit dintr-un
numr imaginat sub forma unor mici sfere rigide, meninute ntr-o
anumit dispunere, datorita fortelor de atraie n asa fel ncat s
formeze un volum total minim. Exista cazuri cand interactiunea cu
simetrie centrala este modificata datorita influenei electronilor din
paturilor inferioare ale ionilor. Ca rezultat, structura cristalelor
reale prezinta grade diferite de compactitate sau mpachetare.
Aceasta poate fi caracterizat prin coeficientul de impachetare
(compactitate) n, definit ca raportul dintre volumul ocupat de
sferele in contact (ionii cristalului) si volumul geometric total al
cristalului.
Acest coeficient are urmatoarele valori: n=0,52 n cazul
structurii cubice simple, n=0,68 in cazul structurii cubice cu
volum centrat i n=0,74 pentru structura cubic cu fee centrate
ct i pentru cea hexagonal.
-
14
Proprietile diferitelor cristale variaz cu direciile
cristalografice, adic cu aranjarea atomilor (ionilor, moleculelor)
n spatiu. Acest fenomen poarta numele de anizotropie.
Anizotropia este mai evidenta la cristalele cu simetrie redus.
Dupa cum se stie solidele sunt alcatuite din foarte multe
cristale. formnd agregate policristaline, fiecare cristal avnd o
anumit directie. n acest caz, de-a lungul oricarei direcii,
repartiia orientrilor diferite ale grunilor este statistic uniform,
deci materialul se comport ca si cum ar fi izotrop. Din punct de
vedere al proprietilor mecanice, comportarea izotrop este
preferat n general, iar n ceea ce priveste proprietile electrice
si magnetice caracterul anizotrop al materialelor trebuie exploatat.
1.2 CORELATIA TIPULUI DE LEGATURA CU
STRUCTURA SI PROPRIETAILE CRISTALELOR
Existena strii cristaline sau amorfe precum si existenta
moleculelor poliatomice nu poate fi explicata decat prin existena
unor fore de interactiune care se manifest ca forte de atractje
sau de respingere.
Forele de atracie determina apropierea atomilor,
apropierea fiind limitata insa de forele de respingere dintre atomi
(fig.1.6 a). Forele de atractje incep sa actioneze la distance mari,
iar forele de respingere devin preponderente la distante foarte
mici.
La o anumita distanta de la care forele sunt egale, atomii
sunt In echilibru, iar energia este minima. Daca distanta atomica
variaza in jurul valorii d0 .energia creste, astfel ca fortele atomice
se vor opune la orice for care provoaca deplasare, aceasta putnd
avea loc numai daca se furnizeaza lucru mecanic (fig. 1.6 b).
-
15
Presiunea se adaug forelor de atracie care apropie
atomii, iar creterea temperaturii sistemului duce la creterea
energiei cinetice de vibraie a atomilor. Dac energia cinetic
depeste energia minim, fora de artacie nu mai este capabil sa
menin atomii legati unul de altul, acetia ndeprtndu-se.
Temperaturi ridicate de fierbere i de topire caracterizeaz
fore de atracie mari n material. Putem spune c n corpuriie
cristaline exist legturi ntre molecule sau atomi, caracteristice
acestor stri. Aceste legturi sunt: legatura Van der Waals
(molecular), legatura ionic, legatura covalent, legatura metalic
si legatura de hidrogen. Din aceste tipuri de legturi, ntre atomii
cristalelor rezult o serie de proprieti caracteristice fiecarui tip de
cristal.
1.2.1 Legatura Van der Waals
Acest tip de legtur se realizeaz ntre dipolii electrici
indui pe atomii cu pturile superioare complete sau ntre
molecule cu legturi saturate. Din prima categorie fac parte
cristalele gazelor nobile, care au o structur cubic cu fee
centrate, sunt transparente, bune izolatoare si au temperaturi de
topire coborate.
-
16
Din a doua categorie fac parte molecule nepolare, ca: H2,
N2, 02, F2, HBr, CH4 care au toate legturile din interiorul
moleculei saturate.
Faptul c gazele inerte ct si gazele moleculelor nepolare
se lichefieaz i cristalizeaz la temperaturi joase, dovedete ca
ntre molecule exist fore de atracie slabe. Aceste fore,
denumite generic Van der Waals cuprind mai multe tipuri de
interaciuni ntre atomii nelegai chimic.
a) Fore de dispersie mecanic cuantice:
In acest caz moleculele nu numai se atrag, dar se si resping
cand distana ntre ele este prea mic. Forele de respingere sunt
datorate sarcinii de acelai semn a elecronilor exteriori. Energia
potential se determin cu ajutorul relaiei:
unde:
Er= potenialul forelor de respingere
(Er> 0) ;
= potenialul fortelor de atracie;
r = distana dintre nucleele atomilor cel mai apropiai ai
moleculelor considerate.
Experimental s-a dovedit in mai multe cazuri c, distana
de echilibru "r" ntre molecule unite prin fore Van der Waals,
este de ordinul constantei reelei: 3...4, deci mult mai mare decat
distanele interatomice n legturile covalente sau ionice. Pe de
alt parte, energia de legatur Van der Waals este mult mai mic
dect n cazul electrovalenelor, fiind de ordinul cldurii de
vaporizare a substanei respective. n tabelul 1.2 se dau unele date
asupra cristalelor gazelor nobile la K i presiune normal.
6
A
r
-
17
Tabelul 1.2
Date asupra cristalelor gazelor nobile
b) Forte ioni-dipoli si dipoli-dipoli:
n aceeai categorie de fore de atracie slabe ntre
molecule diferite se claseaz forele care se dezvolt ntre ioni si
molecule polare (dipoli permanent), precum i ntre doi dipoli
permanent. Acestea sunt fore de natur electrostatic i se pot
manifesta la distane mai mari dect forele de dispersie.
1.2.2. Legatura ionic
Cristalele ionice sunt ntotdeauna combinaii de dou
tipuri diferite de atomi, dintre care unii cedeaz electronii de
valen (unul sau mai muli) celorlali atomi pe care i folosesc
pentru completarea paturilor lor de valena aproape saturate
(complete). Ca urmare, ambele tipuri de atomi au, n final, paturi
electronice complet ocupate, ei devenind ioni. Prezena acestor
configuraii complete constituie una din proprietile remarcabile
ale cristalelor ionice (de exemplu: NaCI, KCI).
Cristalele ionice sunt ru conducatoare de cldur i
electricitate, deoarece ele nu au electroni liberi. Totui la
temperaturi nalte, ionii pot capata o anumit mobilitate, ceea ce
determin o conductibilitate electric a cristalelor ionice. n mod
obisnuit, cristalele ionice sunt dure, casante si au punct de topire
nalt datorit forelor electrostatice, relativ puternice, care se
manifest ntre ioni.
Cristalul r [A] Energia de
legatur
[J/Kmol]
Temperatura de
topire [K] Ne 3.13 1.88-10 24
Ar 3.76 7.69-10 87
Kr 4.01 10.62-10 120
Xe 4.35 14.92-10 165
-
18
Energia de legatur a unui cristal ionic este preponderant
electrostatic, fiind suma unui potenial repulsiv al unui cmp
central de forma: i un potenial couloumbian de forma
unde:
- m i n sunt dou constante ;
- Wij este energia de legatura dintre ionul "i" si "j".
Interaciunea repulsiv scade brusc cu cretera distanei ionii
vecini si are o raz mic de aciune. Structuri tipice de cristal
ionice sunt prezentate in figura 1.7.
1.2.3 Legatura covalent
Aceasta legatur se realizez prin electroni de valen colectivizai
ntre doi atomi, legatura fiind foarte puternic. Astfel, la diamant
atomii de carbon au legaturi covalente n toate cele patru direcii,
energia de coeziune corespunztoare legturii fiind de 7.3 eV fa
de atomii neutri separai. Valoarea energiei este comparabil cu
cea corespunztoare cristalelor ionice, dei legtura covalent
acioneaz ntre atomii neutri. Acesta este motivul pentru care
cristalul de diamant este deosebit de dur.
r
mme
2
0
:4
q
r
2
0
,4
ijr
mij
ij
qW me
r
-
19
Legtura covalent are pronunate proprieti direcionale
ca, de exemplu: la carbon, siliciu i germaniu a cror structur
este asemntoare cu a diamantului, cu atomi care formeaz cu
cte patru dintre vecinii apropiai tetraedre, chiar dac un
asemenea aranjament d o slab umplere a spaiului.
n general, legtura covalent este format din doi
electroni, cte unul de la fiecare dintre cei doi atomi ntre care se
realizeaz legtura, localizndu-se n regiunea dintre acetia.
Legtura covalent se stabilete mai usor la atomii care au
paturile electronice incomplete, deoarece n acest caz
suprapunerea electronic se face fr excitarea electronilor pe alte
stri cu energie mai ridicat (de exemplu: C, Si, Ge). n cazul
carbonului configuraia electronic n starea fundamental este:
1s2 2s
2 2p
2. n conformitate cu teoria cuantic, pentru a avea loc
legturi covalente atomii de carbon trebuie sa fie n stare excitat,
cu configuraia electronic 1s22s22p3. Aceast trecere necesit ns
energii relativ mici, de ordinul 4 eV. Exist nsa i cristale cu
legturi ntre limitele legturii ionice si a celei covalente. Aceste
legturi mixte se ntalnesc la unii compui dintre elementele din
primele dou coloane ale tabelului periodic i elemente din
celelalte coloane. Elementele din primele dou coloane tind s
formeze legturi ionice, n timp ce elementele din celelalte
coloane avnd paturi electronice incomplete tind s formeze
legturi covalente. Cteva structuri tipice de cristale covalente
sunt prezentate in figura 1.8.
1.2.4 Legatura metalic
Legatura metalic este legatura datorat electronilor de
valen ai atomilor metalului, care se comport ca electroni liberi
n cristal.
Concepia actual asupra cristalelor metalice consider
metalul ca un sistem alcatuit dintr-un subsistem de ioni pozitivi
formnd o structur cristalin periodic ce execut mici oscilaii
n jurul poziiior lor de echilibru si dintr-un subsistem de electroni
-
20
de valena care ocup spaiile dintre ioni putndu-se deplasa liberi
sau cvasiliberi n cristal.
Metalele tind s cristalizeze n structuri relativ compacte,
iar conductibilitatea electric a acestora se datoreaz electronilor
liberi sau cvasiliberi.
n general, energia de legtur n cristalele metalice se
calculeaz folosindu-se fenomenele i relaiile de baz ale teoriei
electrice. Astfel, dupa Slater, energia de legtur a metalelor la
zero K poate fi calculat cu funcia Morse, folosit pentru
moleculele biatomice i care este de forma:
U = L { exp [-2C (r-r0)] - 2exp [-C( r-r0)]} ,
unde:
- U - energia de legatura pe mol-gram ;
- L = cldura latent de vaporizare pentru un mol-gram ;
- r = o distan arbitrar aleas ;
- r0 - distan de echilibru ntre atomii cei mai apropiai ;
- C = constant care depinde de modul de compresibilitate.
O alt formul pentru energia de legtur a cristalelor
metalice U (propus de Bardeen) are expresia:
-
21
unde:
-V i V0 sunt volumele unui mol-gram la zero K si la
temperatura de lucru.
Pentru: V = V0 energia de legtur capt valoarea minim:
U=A + B - C ,
care este egal cu cldura de evaporare ce se poate determina pe
cale experimental.
Cele mai frecvente structuri cristaline ale metalelor. sunt:
structura cubic cu fee centrate (CFC), structura cubic cu volum
centrat (CVC) i structura hexagonal compact (HC) (fig.1.9).
Multe metale sunt polimorfe, adic prezint proprietatea
de a cristaliza n dou sau mai multe tipuri de structuri cristaline n
funcie de condiiile exterioare de temperatur i presiune.
Existena transformrilor polimorfe este datorat modificrii
energiei libere ca rezultat ai variaiei unor parametri ca: volumul,
presiunea, temperatura.
Deoarece, pentru metale variaia volumului n procesele
izobare este neglijabil, se poate caracteriza starea de echilibru
termodinamic cu minimum energiei libere Gibbs, la volum
constant:
E = U - TS = min.
-
22
1.2.5 Legtura de hidrogen
Atomul de hidrogen, avnd un singur electron ar trebui n
mod normal s se uneasc cu un singur alt atom printr-o legtur
covalent. n multe cazuri ns, acest atom se unete ns cu ali
atomi formnd o legtur hidrogenoid sau legtur de hidrogen,
cum i se mai spune obinuit. Acest tip de legtur se realizeaz
ntre protonul atomului de hidrogen care a pierdut electronul i
ceilalti doi atomi. Prin caracterul ei, legtur de hidrogen ar fi mai
mult de natur ionic. Proprietile fizice caracteristice ale apei si
gheii se datoresc legturii de hidrogen. Prin aciunea legturii de
hidrogen se poate explica n mod satisfctor aranjamentul
moleculelor n proteine, polimerizarea unor substane, structura
moleculei de AND si proprietile unor cristale feroelectrice.
Concluzionnd cele expuse se pot da unele caracteristici
ale celor cinci tipuri de cristale solide n tabelul 1.3.
-
23
1.3 FAZE N SISTEMUL DE ALIAJE
Structura materialelor metalice poate fi alctuit din una
sau mai multe faze. Metalele sunt formate dintr-o singur faz,
faza metal pur.
n cazul aliajelor fazele posibile sunt : metal pur, soluie
solid i compus chimic numit i compus definit sau faza
intermediar. Dac fazele se amestec fr a se dizolva reciproc,
ele formeaz amestecuri mecanice.
1.3.1 Soluia solid
Soluia solid reprezint o faza care exist pe un interval de
concentraii i n care atomii sunt dispui ntr-o reea unic i au o
distribuie statistic uniform.
Dac soluia solid include unul din cei doi componeni ai
aliajului (pentru aliajele binare), soluia solid este denumit
soluie solid primar, iar dac domeniul de solubilitate
corespunde unor concentraii mai mari i nu cuprinde nici unul
dintre componeni, soluia este secundar. Soluiile solide
primare se mai numesc i faze terminate i sunt izomorfe
(cristalizeaz n acelai sistem) cu metalul de baz sau cu
solventul respectiv. Soluiile solide secundare care sunt faze
intermediare prezint de obicei un sistem de cristalizare diferit de
cel al metalelor componente (fig.1.10). Soluiile solide se noteaz
cu literele alfabetului grec: , , .
-
24
Din punct de vedere al distribuei atomilor, soluiilee
solide pot fi:
- de substituie (de inlocuire)(fig.1.11 a) ;
- de interstiie (de patrundere)(fig.1.11 b).
Soluiilee solide de substituie pot s se formeze numai n
cazul n care:
-dimensiunile atomilor le permit, iar diferenele ntre
diametre nu trebuie s depeasc 8...15% ;
-s existe izomorfismul reelelor cristaline ale
componenilor;
-factorul electrochimic s fie favorabil, deoarece o
diferen de electronegativitate prea mare conduce la formarea
compuilor intermetalici;
-poziii favorabile ale componenilor n sistemul periodic,
deoarece elementele din aceeai grup sau din grupe vecine
favorizeaz formarea soluiilor solide.
Aceste reguli prezint importan major pentru
metalurgie, cu toate c nu sunt riguroase, prezentnd excepii. O
solubilitate total exist n sistemul Ag-Au, ambele metale
cristalizeaz n reeaua CFC, iar razele lor atomice sunt practic
aceleai (1,44 A).Totui, dei Al posed caracteristici similare,
n sistemele Ag-AI i Au-AI, se formeaz compui intermetalici.
De asemenea Ag si Cu, dei sunt izomorfe, cu raze atomice
apropiate i din aceeai grup sistemului periodic, prezint o
solubilitate destul de limitat.
-
25
Studiul cu radiaii X al soluiilor solide de substituie a
pus n eviden dou modaliti de dispunere a componenilor,
dup cum atomii dizolvatului nlocuiesc n mod dezordonat sau n
mod ordonat atomii reelei de baz. Din acest punct de vedere
exist:
a)Solii solide de substituie dezordonate: caracterizate
prin faptul ca fiecare nod al reelei este ocupat n mod indiferent
de ctre un atom A sau B, probabilitatea de ocupare fiind
proportional cu concentraia atomic ;
b)Soluii solide de substituie ordonate: caracterizate prin
faptul c exist o ordine n dispunerea atomilor A si B, specific
fiecrui tip de structur.
1.3.2 Fazele intermediare:
Fazele intermediare reprezint compui cu o reea
cristalin esenial diferit de reelele componeniior iniiali, care
pentru un raport determinat al componenilor sunt parial solubile
n stare solid. Formarea lor are loc n special cnd componenii se
deosebesc puternic ntre ei prin factorul electrochimic, factorul
geometric i concentraia electronic.
Pe aceasta baza se poate face o clasificare a fazelor
intermediare, astfel:
a) Compui electrochimici (chimici): Acetia sunt
caracterizati de urmatoarele proprietati:
-atomii se gasesc Tntr-o proportie definita exprimata prin
formula: AmBn;
-au o retea cristalina proprie cu o aranjare ordonata a
componenilor, retea diferita de a componentilor A si B ;
-se topesc la o anumita temperatura ca si metalele pure.
-
26
Se pot menjiona urmatorii compusi electrochimici :
-compusi cu structura NaCI: au o re|ea
formata din ntrepatrunderea a dou subreele formate fiecare
din ioni pozitivi sau negativi (MgSe, CaSe, SrBe, SnSe, PbSe).
Muli dintre aceti compui posed propriei semiconductoare
remarcabile ;
-compui cu structura CaF2: (florura de calciu sau
fluorita), unde ntlnim: PtAI2,PtGa2, CoSi2etc. Exist i compui
cu o reea antifluorit, reeaua fiind identic cu a fluoritei, dar n
care poziiile ionilor pozitivi i negativi sunt interschimbabile
(Mg,Pb, Mg2Se, Mg2Sn, Li2Sn. Li2Se, Na2S, Cu2S etc.) ;
-compui cu structura ZnS: (blenda) n reeaua crora
fiecare atom al unui component este nconjurat de patru atomi
vecini apropiai de cellalt component, dispui n courile unui
tetraedru (fig.1.12 ).
Dintre acetia menionm: ZnS, BeS, CdS, ZnSe, CdSe,
ZnTe, CdTe, formai din elemente aezate simetric n sistemul
periodic fa de grupa a IVa, fiind din grupele: lIb i VIa. Aceti
compui au proprieti semiconductoare remarcabile.
-compui cu structura NiAs (arseniura de nichel) la care
structura este alcatuit dintr-o reea hexagonal compact format
din atomii unui metaloid n ale carei interstiii octaedrice sunt
dispui atomii metalului. Aici ntlnim CrS, FeS, CoS , NiS,
FeSe, CuSn (fig.1.13).
-
27
b) Compusi tip geometric:
Criteriul principal de formare I constituie raportul
dimensiunii razelor atomilor componeni. Din acest punct de
vedere deosebim compui geometrici de substituie (fazele Laves,
fazele Zinti i fazele ) i compui geometrici de interstiie (faze
interstiiale).
1.4 DEFECTE N CRISTALE
Structura cristaleior reale difer de cea a cristalelor
perfecte unde atomii sunt distribuii riguros n nodurile reelei.
Cristalele reale prezint numeroase abateri de la distribuia
ordonat a atomilor ca: deplasri de atomi din poziile normale,
modificri ale distanelor medii dintre acetia, schimbarea
numarului de coordinaie, modificri n distribuia sarcinilor
electrice. Aceste abateri de la structura perfect a unui cristal se
numesc imperfeciuni sau defecte de structur, iar cristaiele care le
conin, se numesc: cristale reale. Defectele din structura
cristalelor joaca un rol important n determinarea multor
proprietai a corpurilor solide, influiennd putenic caracteristicile
fizico-mecanice ale acestor corpuri, stnd la baza difuziunii n
solide i a semiconductivitii acestora. Ele exist la scara reelei
spaiale, fiind numite defecte de reea i la scara subatomic,
numite defecte electronice.
-
28
Defectele de retea se mpart n:
-defecte dinamice: provoac deplasri de atomi variabile
n timp. Aici se includ vibraiile termice ale ioniior n jurul
poziiei de echilibru. Aceast agitaie termic este cu atat mai
mare cu ct temperatura este mai ridicat. Vibraiile termice se
propag n corpurile solide sub form de unde termice. Pe baza
dualismului und-particul , li se asociaz acestor unde,
cvasiparticule denumite fononi, care reprezint o cuant de
energie termic. La nclzire corpurile absorb fononi care se
propag de la suprafaa corpului spre interiorul lui, interacionnd
unii cu alii sau cu ionii reelei cristaline. Din cauza ciocnirilor,
fononi i schimb direcia de micare i produc o rezisten la
propagarea cldurii. La ciocnirea fotonilor cu ionii reelei sau cu
ali fotoni, energia i momentul se conserv, ionii absorb energia
mrindu-i amplitudinea de vibraie i deci distanele cu care ei se
deplaseaz de la poziia de echilibru.
-defecte statice: sunt defectele care iau natere la
deplasri de atomi care se menin dac temperatura nu este
ridicat. Se mpart n:
-defecte punctiforme (zerodimensionale) ;
-defecte liniare (unidimensionale);
-defecte de suprafa (bidimensionale).
Defectele punctiforme (zerodimensionale)
Defectele punctiforme sau zerodimensionale (fig. 1.14)
reprezint abateri de la periodicitate, n structura cristalin ideal,
care nu depesc dimensiuniie atomice. Sunt ntalnite urmatoarele
defecte punctiforme:
a) vacane: noduri ale reelei neocupate cu atomi;
b) noduri ale reelei ocupate de atomi care distrug
periodicitatea ideal. Acetia pot fi atomi de impuriti
(imperfeciuni chimice) sau pot fi atomii proprii care ocupa alte
locuri dect cele normale n reeaua cristalin;
c)atomi interstiiiali ai reelei sau straini ;
-
29
d)grupari de defecte punctiforme (vacane sau atomi
interstiiali).
a) Vacane
b) Atomi de impuriti (imperfeciuni chimice)
c) Atomi interstiiali (straini)
d) Grupri de defecte punctiforme
Fig.1.14 Defecte punctiforme (zerodimensionale)
Dac unii din atomii situai n nodurile reelei din stratul
superficial al cristalului, capt o energie suficient de mare
datorit excitaiei termice, ajunge la suprafaa metalului, n acest
caz reeaua are un defect Schottky. Daca un atom este deplasat
dintr-un nod al reelei cristaline ntr-un interstiiu, apare o pereche
format dintr-o vacan i un atom interstiial, numit defect
Frenkel (fig. 1.15). Metalele, care au n general o structur
cristalin compact, nu posed interstiii (spaii interstiiale) n
care ar putea fi plasai atomi suplimentari.
Pentru ca defectele Frenkel sa poat aprea este nevoie de
o cheltuial mare de energie, de exemplu n cazul iradierii
metalului cu particule care au o energie suficient pentru
formarea de perechi vacane-atomi interstiiali.
-
30
Acest tip de defect influeneaz coeficientul de dilatare
termic a metalelor. La metale, n condiii de echilibru termic,
chiar la temperaturi nalte, numarul atomilor interstiiali este
neglijabil de mic, tipul principal de defecte punctiforme l
reprezinta defectele Schottky, numrul lor crescnd exponenial
cu temperatura. Acest tip de defect asociat cu deplasarea atomilor,
accelereaz procesele de difuzie si de sinterizare .
Defectele liniare (unidimensionale)
Defectele structurale ale caror dimensiuni ntr-o direcie
ntrec pe cele atomice si care se extind la un ir de atomi,
reprezint defecte liniare sau unidimensionale, cele mai
importante defecte liniare sunt dislocaiile. Pentru a le putea
descrie se va considera o seciune ntr-un cristal ideal n care
executm o tietur cu un plan perpendicular (fig.1.16 a),
introducem apoi un semiplan atomic AE si obinem o reea de
dislocaie (fig.1.16 b). Dup cum se observ reeaua este
deformat n jurul dislocaiei. O caracteristic important a
dislocaiei este vectorul Burgers b, care d mrimea i direcia
alunecrii, asociat cu dislocaia considerat. Considerm un
circuit nchis n care plecnd dintr-un nod al reelei i parcurgnd
un numr "m" de distane atomice n jos i "n" de distane atomice
spre dreapta, apoi "m" distane atomice n sus si "n" spre stnga,
vom vedea ca ntr-un cristal perfect circuitul se nchide, iar n
cristalul cu dislocatie, circuitul rmne deschis. Vectorul necesar
pentru nchiderea circuitului este tocmai vectorul Burgers b
(fig.1.16b).
Acest vector este determinat de structura cristalului. n
cazul reelei cubice cu volum centrat este egal n mrime cu
jumtate din diagonala spaial, iar n reeaua cubic cu fee
centrate, este egal cu jumtatea diagonalei feei celulei
elementare.
-
31
Dupa direcia de alunecare se deosebesc:
-dislocaii marginale (Taylor), la care direcia de
alunecare este perpendicular pe dislocaie (fig. 1.17).
-dislocaii elicoidale (Burgers), la care direcia de
alunecare este palalel cu linia dislocaiei (fig. 1.18).
n general, dislocaiile din cristale sunt parial marginale
i parial elicoidale, formnd curbe i bucle de dislocaii. La
formarea unei dislocaii se cheltuiete lucru mecanic care se
nmagazineaz sub forma energiei de deformare a reelei cristaline
n jurul liniei de dislocaie.
-
32
Diferena dintre energia cristalului care conine o
dislocaie i energia aceluiai cristal fr dislocaie se numete
energie de dislocaie. Aceast energie este proportional cu
patratul vectorului Burgers n cazul ambelor tipuri de dislocaii
(marginale i elicoidale).
Daca se acioneaz cu o fora exterioar suficient de mare
asupra unui corp care conine dislocaii, acestea se pot deplasa
mrind regiunile alunecate ale cristalului. Dislocaiile dintr-un
cristal interacioneaza unele cu altele, atrgndu-se sau
respingndu-se. Existena unei interaciuni ntre dislocaiile
distribuite ntmpltor, conduce la o compensare reciproc a
deformaiilor elastice n vecintatea fiecarei dislocaii. Ca atare,
deformaiile elastice dispar la distane sensibil egale cu distana
medie dintre dislocaii, care este de aproximativ 104 distane
interatomice. De asemenea, interaciunea dintre dislocaii poate s
contribuie la micarea acestora sau s frneze aceast micare.
Micarea dislocaiilor este deosebit de important n deformarea
plastic i rezistena mecanic a materilelor metalice.
Se tie c atomii strini deformeaz reeaua cristalin a
unui metal producnd tensiuni. Dislocaiile acioneaz i cu
atomii strini care se plaseaz n reeaua cristalin din imediata
vecinatate a acesteia. Atomii strini cu raza atomic mai mare vor
ocupa regiunea din reeaua cristalin unde atomii sunt mai
distanai, iar cei cu raz atomic mai mic ocup regiunile de
lang dislocaii n care atomii cristalului sunt mai apropiai. Ca
urmare n jurul dislocaiilor se formeaz regiuni de concentraie
mai ridicat n atomi strini dect concentraia medie, regiuni care
se numesc atmosfere de impuriti sau atmosfere Cottrell.
Exist, n mod asemntor, o interaciune a dislocaiilor
cu vacanele, care pot forma atmosfere n jurul dislocaiilor ca i
atomii strini. La deformarea plastic a metalelor numrul
dislocaiilor crete de la 108...1012 dislocaii pe metru ptrat la
metalele recoapte, la 1016
dislocaii pe metru ptrat.
-
33
Din acest motiv rezistena mecanic a cristalelor reale este
de sute sau chiar de mii de ori mai mic decat valorile calculate
pe baza forelor de coeziune dintre atomi.
Dislocaiile influeneaz ntr-un mod nsemnat nu numai
proprietile mecanice ale metalelor si aliajelor acestuia, ci i
proprietile electrice i optice, ducnd la mprtierea
electronilor.
Defectele bidimensionale (de suprafa)
Sunt defecte structurale cu o extensiune n dou
dimensiuni formnd suprafee de separate (interfee) ntre dou
pari ale unui cristal cu structuri diferite, ntre dou cristale sau
ntre doua faze diferite. Din aceast categorie de defecte fac parte
zonele de trecere dintre doi grauni vecini ai unui material
policristalin. Aceste zone numite limite de grauni au o structur
determinate de structura si orientarea ambilor grauni. Jonciunea
dintre cele dou poriuni de grauni (cristalite), care se deosebesc
prin orientarea lor, se poate realiza n trei tipiri diferite (fig.1.19).
Primul tip corespunde cazului n care fiecare dintre cele
dou cristalite are o structur perfect pn la suprafaa de
separare dintre ele (fig.1.19 a).Cazul n care ntre cele dou tipuri
de structuri ordonate se formeaz un strat de tranziie, n
-
34
care atomii ocupa poziii intermediare ntre poziiile pe care ar
trebui s le ocupe dac ar aparine pe rnd la cele dou tipuri de
structuri (fig.1.19 b), sau cazul cnd suprafaa de separare dintre
cele doua regiuni l formeaz un strat amorf (fig.1.19 c). Ultimele
dou cazuri sunt cele mai des utilizate.
Dat fiind orientarea absolut ntmpltoare a grunilor,
unghiul dintre un plan din primul graune i un plan identic din
cel de-al doilea graune se numete unghi de dezorientare
(fig.1.20). Daca > 30 (cum este n mod curent), limitele care
separ gruni poart denumirea de limite la unghiuri mari.
Grosimea acestor limite este de cteva distane intraatomice.
Limitele dintre grauni fiind zone n stare solid, ca precipitri de
faze, transformri de faze etc., avnd o influen mare asupra
proprietilor mecanice, electrice, magnetice. Dac < 20,
limitele dintre grauni se numesc limite la unghiuri mici. Exemplu
este limita nclinat, format dintr-un perete de dislocaii paralele
aezate una sub alta la distanja "d" (fig. 1.20).
Sublimitele sunt tot defecte de suprafaa. n interiorul unui
graunte structura formeaz mici blocuri care fac ntre ele unghiuri
mici, de ordinul minutelor, iar reeaua capt aspectul unui
mozaic. Sublimitele sunt rezultatul deformrilor metalului la
temperaturi nalte i datorit transformarilor de faz, de exemplu
la recoacarea pieselor deformate plastic. Dintre defectele de
suprafa se mai amintesc limitele de macl, defectele de
mpachetare, suprafeele dintre domeniile magnetice.
-
35
1.5. DIFUZIA N METALE I ALIAJE
Difuzia n materialele metalice joac un rol deosebit att
n procesele metalurgice ct i n tehnologiile de tratamente
termice, termochimice, la procesele de sintetizare. Transportul de
mas difuziv care st la baza acestor procese, se realizeaz prin
deplasrile atomilor de impuriti sau a atomilor substanei de
baz la distane mari n comparaie cu constanta reelei, ca urmare
a excitaiei termice. Acest proces este strns legat de prezena n
cristalele reale ale unor diferite tipuri de defecte structurale cum ar
fi vacanele, impuritile, dislocaiile.
Se pot distinge n general dou tipuri de difuzie. Primul
tip presupune existena n cristal a unui gradient de concentrate a
unei substane chimice (atomi de impuriti), iar difuzia este
caracterizat de viteza de egalizare a concentraiei atomilor
acestei substane. Acest tip de difuzie se numeste heterodifuzie
(difuzie chimic). n al doilea caz are loc numai un proces de
deplasare a atomilor cristalului, deci un schimb de locuri ntre
atomi sau de difuzie a vacanelor, prin care concentraia substanei
pe ansamblu rmne constant, acest tip de difuzie se numete
autodifuzie.
Difuzia reprezint deci, amestecarea de la sine a unor
substane care sunt n contact direct. Se va explica n ceea ce
urmeaz, fenomenul difuziei din punct de vedere cantitativ.
Se consider un cilindru de seciune S (fig.1.21), care
reprezint grafic gradientul de concentraie n timpul difuziei. n
seciunea haurat dx va exista o scdere a concentraiei egal cu
-dc/ dx .
Expresia matematic, care se refer la difuzia n corpul
solid cristalin, consider difuzia ca un flux continuu de atomi
(ioni) prin stratul stratul izotrop n grosimea dx, cu sectjunea S n
timpul dt, este:
-
36
unde:
- dn - reprezint numrul de moli care trec prin seciunea
S n timpul dt. Aceasta este prima lege a lui A. Fick.
unde D0 este factor preexponenial. Gradientul de
concentraie indic viteza de difuzie.
Prin mprirea ambilor membrii ai egalitii cu volumul
V si cu intervalul de timp dt, rezult:
-
37
Pentru viteza de difuzie rezult relaia:
Prima lege a lui Fick se refer la starea staionar a
fluxului de difuzie, cnd concentraia n orice punct nu variaz n
timp. n cazul unui flux nestaionar, cnd concentraia din orice
punct variaz n timp, este valabil a doua lege a lui Fick:
Reducerea concentraiei variaz ntre Xi x + dx cu:
astfel concentraia n poziia x va fi:
iar n poziia X+dx, va fi:
Rezulta ca fenomenul de diminuare a
concentratiei reprezinta o functie a spatiului. In figura
1.22 se da variatia gradientului de concentratie :
Difuzia implic considerarea unui anumit
mecanism de deplasare a atomilor n reeaua cristalin
a metaiului sau aliajului (teoria atomic a difuziei).
-
38
Exist mai multe mecanisme atomice de difuzie in
metale (fig.1.23), astfel:
a)schimburi de locuri ntre atomii vecini ;
b)difuzia pe noduri vacante ;
c) difuzia pe interstiii;
d)difuzia pe interstiii pe calea nlocuirii.
Exist i alte mecanisme de difuzie mai complexe, care
constau n deplasarea unor grupri de defecte punctuale (vacane
duble sau triple, vacan i atomul nvecinat), permutarea ciclic a
trei sau mai muli atomi dup un anumit contur nchis, deplasarea
unui lan atomic ca urmare a dereglrii echilibrului termodinamic
n reea.
n metalele pure i n aliajele de substituie, mecanismul
predominant de difuzie este cel prin vacane, iar n aliajele formate
prin interstiie, care conin n interstiie atomi ai elementelor
uoare, este important difuzia prin deplasarea atomilor
interstiiali.
-
39
1.6 CRISTALIZAREA I SOLIDIFICAREA METALELOR I
ALIAJELOR
Trecerea aliajului din stare lichid n stare solid este
nsoit de dou procese i anume: cristalizarea i solidificarea.
1.6.1 Cristalizarea
Prin cristalizare se inelege formarea cristalelor izolate i a
zonelor cristaline n seciunea peretelui unei piese oarecare, iar
solidificarea este procesul legat de dinamica creterii de faza
solid i de micorare a fazei lichide pn la dispariia complet a
acesteia.
Transformrile de faz ncep n anumite puncte (centre de
cristalizare), procesul numindu-se germinare sau nucleere. n
continuare are loc creterea particulelor fazei noi, concomitent cu
unele procese secundare care conduc la schimbarea structurii sau
morfologiei precipitatului primar.
Solidificarea metalelor din topitur (cristalizarea primar)
se studiaza pe curbe de rcire (fig.1.24). Curba de rcire a unui
metal pur are aspectul din figura 1.24 a. Temperatura Ts,
corespunztoare palierului acestei curbe, este temperatura de
solidificare a metalului. Un punct critic asemntor se obine i la
procesul invers, la nclzire.Tt. Temperatura T reprezint
temperatura de topire a metalului respectiv (fig.1.24 b).
Cele dou puncte critice, Ts si Tt , corespund numai n
cazul ideal cnd nclzirea i rcirea se fac cu viteze foarte mici.
n mod practic aceste viteze sunt relativ mari, solidificarea
producndu-se la o temperatur mai joas T (temperatura reala de
solidificare) (fig.1.24 c).
-
40
Fenomenul poart numele de subrcire i depinde de
puritatea metalului ct i de viteza sa de rcire. Astfel, cu ct
metalul este mai pur i cu ct viteza de rcire este mai mare, cu
att mai mare va fi subrcirea.
Diferena:
este numit: grad de subrcire.
Starea unui sistem se caracterizeaz prin energia libera Gei
starea stabil fiind cea pentru care aceast energie este minim.
De remarcat ca orice transformare spontan (solidificarea,
topirea, transformarea poliform) este determinat de scderea
energiei libere a strii respective sub energia strii iniiale. Dac
avem un sistem alctuit din dou faze, lichid i solid (metal pur
topit cu energia liber Ge i metal pur solid cu energia liber Gs ),
reprezentarea energiilor libere ale acestora n funcie de
temperatur se d n figura 1.25.
-
41
1.6.2 Germinarea i creterea cristalelor
Solidificarea ncepe prin formarea unor germeni de faz
solid, numii centre de cristalizare sau nuclee. Acetia sunt mici
grupuri de atomi proprii ai metalului care solidific, cu distribuie
ordonat, care se pot forma n dou moduri: fie direct din
topitur.fie pe suprafee existente anterior (inciuziuni nemetalice,
suprafaa formelor de turnare). n primul caz germinarea poate fi
omogen sau spontan (se formeaz germeni omogeni), iar n
cazul al doilea, germinarea este indus (se formeaz germeni
eterogeni) sau forat.
Mersul solidificrii este determinat de vitezele cu care se
desfasoar naterea germenilor i creterea lor, parametrii de baz
ai cristalizrii sunt:
-viteza de germinare vg;
-viteza de cretere a germenilor Vc .
Aceste mrimi se pot utiliza spre a se deduce ce fel de
structur se obine n diferite condiii, care este .mrimea, forma
i dispersia cristalelor. Teoretic s-a artat c viteza liniar de
cretere a germenilor tridimensionali Vc atinge valoarea maxim
la subrciri mai mici dect viteza de germinare vg.
-
42
n figura 1.26, se arat schematic variaia vitezei de
germinare vg i de cretere vc cu gradul de subrcire, cu
temperatura i cu viteza de rcire, indicndu-se totodat i
structurile obinute in zonele reprezentative.
Zona I: este caracterizat de o subrcire i viteza de rcire
foarte mic. Viteza de germinare i de cretere a cristalelor fiind
mic, rezult o structur grosolan.
Zona a ll-a: corespunde la o vitez mare de rcire, vg
rmne n continuare mic, deci centrele de cristalizare sunt tot
puine, n schimb Vc este foarte mare. Drept consecin va
predomina creterea cristalelor n direcia gradientului de
temperatur, obinndu-se cristale columnare.
Zona a lll-a: are multe centre de cristalizare, atat Vc ct i
vn sunt mari, iar graunii nu vor avea posibilitatea s creasc la
dimensiuni mari.
-
43
Teoria clasic a germinarii (nucleerii) omogene
presupune formarea unei faze noi solide din componenii
fazei lichide, fr schimbarea compoziiei chimice i fr a
interveni impuriti sau suprafee de separaie.
Teoretic s-a constatat c exist o dependen foarte mare
ntre viteza de germinare (nucleere) i subrcirea termic dT. n
figura 1.27 se prezint aceast dependen, de unde se constat c
exist o anumit valoare pentru dT la care are loc o cretere foarte
rapid a vitezei de germinare vg.
Aceast teorie a nucleerii a fost confirmat de o serie de
experimentri care au presupus observaii microscopice i analize
termice ale unor picturi mici obinute prin rcire rapid. Pe baza
acestor experimentri s-a constatat c are loc o subrcire a fazei
lichide pn la dTcrltic fr nici o germinare, dup care are loc o
germinare rapid. La o subracire mai mic dect cea critic, faza
lichid poate fi meninut o durat mare de timp fr a ncepe
procesul de nucleere (germinare).
Nucleerea omogen, n cazul aliajelor, este un proces
deosebit de complex, ind cont c diagrama de faze presupune
echilibrul ntre un nucleu solid i lichid de diferite compoziii. n
aceste situaii procesele de difuzie joac un rol important.
n practic, marea majoritate a metalelor i aliajelor lichide
prezint un grad de subrcire mult mai mic decat cel calculat pe
baza nucleerii omogene.
-
44
Aceasta diferen se explic prin aceea c nucleerea
ncepe pe suprafee ale impurittilor existente in faza lichid,
care mpiedic germinarea omogen. n acest caz germinarea
(nucleerea) are un caracter eterogen.
Proprietatea unei suprafee solide de a aciona ca un factor
catalizator al procesului de cristalizare al unui metal din topitur
sa depinde de modul n care faza solid i lichid interacioneaz
cu aceast suprafa, adic de modul n care acestea umecteaz
suprafaa particulei strine.
Gradul de umectare este o msur a diferenelor ntre
energiile superficial dintre solid-particul i lichid-particul.
Aceast diferen se poate exprima prin mrimea unghiului de
umectare (fig.1.28).
n cazul germinrii reale, aglomerrile formate sunt de
ordinul ctorva sute de atomi, situaie total diferit de cea real n
care se msoar unghiul . Din acest motiv se iau n considerare
numai acele situaii cnd unghiul de umectare = 0, acestea fiind
i situaiile care prezint importana practic.
Factorul cel mai important care este luat n considerare n
acest caz este posibilitatea existenei unei potriviri a reelei celor
dou faze solide la interfaa nucleu-suport-catalizator i dac
nucleul este din punct de vedere structural coerent cu suportul
catalizator.
-
45
Se apreciaz ca proprietatea unui suport de a cataliza un
proces de nucleere se manifest n capacitatea lui de a ordona
atomii la limita de separate lichid-suport, ca urmare a interaciunii
dintre acestea.
n practic industrial este utilizat metoda introducerii n
metalul sau aliajul topit a unor ageni care s ajute la obinerea
unor materiale metalice cu o structur fin. De exemplu, se
introduc titan i bor n aliajele de aluminiu, ferosiliciul n fonta,
carbon n aliajele de magneziu etc. Aceste elemente introduse n
baia metalic formeaz compui care pot fi centri de nucleere.
Efectul de nucleere al diferiilor ageni se micoreaz cu
temperatura i cu timpul de meninere n metalul sau aliajul
lichid.
O alt metod de mrire a vitezei de germinare i de
obinere a unor materiale cu structuri fine o reprezint germinarea
dinamic. Germinarea dinamic presupune prezena unor
stimulatori dinamici (vibraiile sonice i ultrasonice, presiunea,
agitarea n cmp electric sau magnetic, injectarea de gaze).
Exist mai multe explicaii care ns nu trebuie
generalizate. Astfel, se poate considera c mrirea vitezei de
germinare const n fragmentarea dentritelor n cretere, lucru care
conduce la apariia unui mare numr de centrii de cristalizare. 0
alt explicaie const n faptul c, datorit presiunilor mari care
apar n timpul vibrrii, se micoreaz raza critic a nucleelor
stabile care pot apoi crete. Aceast consideraie este ns
infirmat de faptul c structura metalelor pure nu este influenat
prin vibrare.
De asemenea, s-a acceptat i ideea care presupune c
presiunea care apare determin creterea punctului de topire al
aliajului, lucru care determin activarea acelor nuclee care sunt
inactive la temperatura obinuit de topire.
-
46
Procesele de germinare prezentate succint pn acum
presupun existena n faza lichid a aceluiai fel de atomi, adic
metale pure. n cazul aliajeior ns, procesele de formare a
structurii sunt mai complexe ca urmare a redistribuirii elementelor
dizolvate n faza lichid, ntre faza lichid i cea solid n timpul
schimbrii strii de agregare. Aceast redistribuire conduce la
schimbri n morfologia de cretere a cristalelor i la apariia de
microsegregaii i macrosegregaii n piesa turnat.
1.6.3 Creterea cristalelor
Procesele de cretere care decurg dup nucleere determin
structura cristalin a pieselor turnate. Aceast structur i form a
interfeei solid-lichid influeneaz morfologia cristalelor, numrul
i distribuia defectelor din structura cristalin a fazei solide.
Modul de cretere a cristalelor individuale, ct i de avansare a
frontului de solidificare depind i de schimbrile termice i
constituionale care apar n lichidul adiacent fazei solide.
Creterea din faza lichid se consider rezultatul a dou
micri diferite ale atomilor. La interfaa cristalului are loc o
trecere din lichid n solid, micare care determin viteza de
solidificare i trecerea din solid n lichid care determin viteza de
topire.
Interfaa solid-lichid se definete ca un strat limit ntre
lichid i solid (fig.1.29). Exist dou tipuri de interfee (suprafee
de separaie) : suprafee plane bine definite (treceri abrupte)
(fig.1.29 a) i suprafee rugoase sau nedefinite (treceri gradate)
(fig. 1.29 b).
-
47
n primul caz, trecerea de la lichid la solid se face printr-
un singur strat atomic (teoretic). n mod real n procesul de
cretere aceasta trecere presupune mai multe straturi atomice.
n a doua situaie, trecerea de la lichid la solid se face
printr-o zona format din mai multe straturi atomice, care se
numete suprafa de separaie difuz n care ordonarea atomilor
crete dinspre faza lichid spre cea solid, pn cnd atomii i
ocup poziiile lor n reeaua cristalin a solidului (fig.1.30).
De remarcat c n zona difuz proprietile termodinamice
ale straturilor atomice se schimb continuu, de la faza lichid la
faza solid.
n funcie de forma pe care o au suprafeele de separaie
lichid-solid,creterea cristalelor se poate face prin trei mecanisme:
- mecanismul creterii continue;
- mecanismul creterii laterale;
- mecanismul creterii pe defecte.
a) Mecanismul creterii continue a cristalelor : presupune
c toate locurile de pe suprafaa de separaie sunt egale ca
proprieti i aceast suprafa avanseaz prin depunerea succesiv
a atomilor.
Considernd c toate locurile de pe suprafaa de separaie
sunt favorabile procesului de cretere, se poate scrie c viteza de
cretere este dat de relaia:
-
48
de unde rezult c viteza de cretere este direct
proporional cu subrcirea (fig.1.31).
Constanta c poate fi calculat i are valoarea egalp cu
10"2 m-s'K
1 ca urmare este de ateptat obinerea unor viteze mari
de cretere n cazul unor subrciri mici. Pe de alt parte vitezele
de cretere ntlnite n practic (tabelul 1.4) arat c subrcirile
sunt practic foarte mici, de ordinul a 10-4 C.
b) Mecanismul creterii laterale consider c suprafaa de
separaie solid-lichid este plan i n trepte i ca procesul de
cretere are loc prin nucleerea omogen de straturi noi sub forma
unor discuri care cresc lateral pn cnd se formeaz un strat
complet.
-
49
Figura 1.32 evideniaz schematic modul de cretere
lateral.
Viteza de cretere lateral se exprim prin relaia:
n care:
1 si b sunt constante care depind de natura metalului
lichid.
Se constat din relaia de mai sus c vitezele de cretere
sunt destul de mici la subrciri mici.
c)Mecanismul creterii pe defecte: presupune c exist pe
suprafaa de separaie mai multe trepte de cretere continu pe
care atomii din lichid se pot ataa continuu.
Aceasta nseamn c se formeaz un cristal care nu este
perfect i are o dislocaie elicoidal la interfaa solid-lichid
(fig.1.33).
-
50
Ca i germenii bidimensionali, dislocaiile elicoidale
formeaz la suprafaa cristalului trepte pe care se depun atomi
individuali n condiii energetice avantajoase, producnd creterea
aceluiai strat atomic sub forma unei spirale.
Viteza de cretere este data de relaia:
din care se constat o dependen a vitezei de cretere de
ptratul subrcirii (fig.1.34).
n cristalele reale metalice numarul de dislocaii este de
ordinul 108 pe cm
2. n figura 1.35 se prezint comparativ creterea
n cazul existenei unei dislocaii (a) i respectiv dou dislocaii
(b).
Viteza total de cretere este practic aceeei indiferent de
numrul de perechi de dislocaii de semn opus.
-
51
Viteza se schimb atunci cnd pe suprafaa de separaie
exist dislocaii care nu au o pereche de sens opus. Viteza total
devine egal cu viteza obinut din relaia de mai sus multiplicat
cu numrul de dislocaii fr pereche de sens opus.
Este interesant de artat c defectele la scar atomic
(vacane, dislocaii) se pot produce n timpul creterii cristalelor,
n special n prezena impuritilor, cnd au loc deformri i
torsionri ale reelei la interfaa suport-germene.
1.6.4 Forma cristalelor obinute la solidificare
n absena subrcirii, comportarea aliajelor lichide n
timpul solidificrii este aceeai ca i a metalelor pure, cu diferena
c va apare un fenomen de macrosegregare. Existena unei zone
subrcite fn faa frontului de solidificare conduce la perturbarea
formei unei suprafee plane de separaie lichid-solid. La o
subrcire mic celulele dintr-o suprafa cu o structur celular
devin alungite (fig. 1.36).
Pe masur ce subrcirea crete, varfurile celulelor devin
tot mai alungite i se ramific tinznd ctre o form de dendrite
(fig.1.37).
-
52
Denumirea de dendrit este dat unei morfologii
particulare : cristalelor cu aspect arborescent (fig. 1.38) i se
poate forma prin cretere din topitur, din vapori sau n timpul
depunerii electrolitice. Structura dendritic este caracteristic
unui numr foarte mare de materiale metalice obinute prin
cristalizare din topitur, ceea ce explic interesul practic deosebit
pe care aceast structur I prezint.
n cazul structurii celulare, celulele se formeaz i cresc n
general la viteze mici de cretere, perpendicular pe suprafaa
lichid-solid indiferent de orientrile cristalului. Pe msur ce viteza
crete, orientrile cristalografice influeneaz creterea n sensul c
direcia de cretere a celulei ncepe s devieze dup anumite
direcii cristalografice prefereniale.
-
53
n mod similar ncepe s se simt influena orientrilor
cristalografice i n seciunea transversal a celulelor (fig.1.39).
Pe msur ce viteza de cretere devine tot mai mare, ramurile
laterale devin tot mai pronunate, devenind ramuri de ordinul II
(fig.1.39 c).
n general structura dendritelor este direct legat de
creterea preferenial pe unele plane cristalografice. n metalele
cu structura cubic cu fee centrate, de exemplu aluminiul, axele
dendritelor se gsesc n axele unei piramide formate de patru
plane (111). n cazul n care cristalul de aluminiu crete n
aluminiu lichid, cele trei axe principale vor crete cu aceeai
vitez (fig.1.40 a).
Ramurile dendritice principale vor crete din aceste axe
principale, iar cele secundare vor crete din cele primare. Dac
cristalul nucleeaz pe suprafaa formei n care aliajul sau metalul
este turnat, axele principale i ramurile principale nu vor crese
cu aceeai vitez.
-
54
Cele dou ramuri care cresc de-a lungul suprafeei de
separaie vor crete mai repede fa de cea perpendicular acestei
suprafee ca urmare a faptului c, subrcirea maxim se obine la
suprafaa de separaie metal-form i se micoreaz pe masur ce
distana crete de la suprafaa de separaie spre axa termic a
piesei (fig. 1.40 b).
n figura 1.40 c se arat situaia creterii unui cristal n
cazul n care numai axa principal crete n lungul suprafeei
formei, iar n figura 1.40 d cazul n care axele principale
intersecteaz peretele formei n acelai punct.
n condiii practice pe suprafaa formei nucleeaz n
acelai timp mai muite cristale (fig.1.41 a). La nceput dendritele
se dezvolt independent (fig.1.41 b), dup care, pe masur ce
cresc, ajung n contact i formeaz un strat subire solid la
suprafaa formei. Axele i ramurile dendritice paralele cu direcia
fluxului termic vor crete cu o vitez mai mare fa de cele
neparalele care sunt mpiedicate de cristalele nconjurtoare.
Ramurile primare, care cresc preferenial, formeaz ramuri
secundare. Cnd aceste ramuri vin n contact cu dendritele
adiacente (fig. 1.41 d) se schimb direcia de cretere i ramurile
dendritice vor crete n direcie paralel cu direcia ramurilor
primare (de ordinul II).
n general este de dorit ca distanele dintre ramurile
dendritice s fie ct mai mici posibile avnd n vedere c
microsegregarea care se formeaz ntre aceste ramuri afecteaz
proprietile mecanice ale aliajului solid.
-
55
Avnd n vedere c pentru micorarea microsegregaiilor
interdendritice sunt necesare tratamente termice de lung durat i
c duratele de tratament se micsoreaz pe masur ce se
micsoreaz distanele dintre ramurile dentritice, se consider c
msura cea mai potrivit pentru a se obine distane dorite ntre
ramurile dendritice const n aplicarea unor viteze de rcire
corespunztoare.
Pe de alt parte, dac condiiile de rcire sunt identice,
distane dintre ramurile dendritice sunt influenate de ctre
concentraia dizolvantului n aliajul lichid. Pe msur ce
concentraia dizolvantului crete, segregarea acestuia tinde s
mpiedice creterea uniform a ramurilor (fig. 1.42 b, c). Pe
msur ce concentraia dizolvantului crete i mai mult ca urmare
a segregrii, se accentueaz tendina de frnare a creterii unor
ramuri dendritice. Aceast tendin se manifest i n cazul
ramurilor de ordinul II sau III, ceea ce conduce la apariia de
distane diferite ntre ramurile dendritice.
n cazul unei concentraii mici a elementului dizolvat
(fig.1.42 a) distanele dintre ramurile dendritice sunt mai mici.
Procesul descris mai sus, poate fi explicat, n zilele
noastre, folosind structurile fractale.
-
56
1.6.5 Macrostructura cristalin a pieselor turnate
Dup cum s-a vazut anterior, structura cristalin a
metalelor i aliajelor turnate este determinate de trei factori
principali: compoziia chimic, condiiile termice i condiiile de
nucleere i cretere a cristalelor n aliajul lichid.
Compoziia chimic influeneaz formarea structurii
primare prin coeficientul de repartiie, coeficienii de difuzie ai
elementelor de aliere n faza lichid i solid, ceea ce influeneaz
tendina de subrcire.
Compoziia chimic determin structura primar n cazul
aliajelor monofazice sau cu grauni sau combinaii ale acestora
dou.
Condiiile termice se manifest prin distribuia
temperaturii i vitezei de rcire a piesei turnate. Acestea depind de
temperaturile iniiale ale aliniamentului lichid i formei i de
proprietile termice ale acestora.
Condiiile de nucleere i cretere n lichid sunt exprimate
prin posibilitpile existente pentru nucleere omogen sau
eterogen, care depind la randul lor de prezena unor particule
strine existente sau adugate deliberat n baia metalic.
Dintre cei trei factori principali, condiiile termice prezint
o variaie mare n decursul formrii structurii primare a unei piese
turnate. Ca urmare, structura piesei turnate va consta din zone
separate cu caracteristici diferite.
n figura 1.43, n mod schematic sunt reprezentate cele
trei zone principale care se ntalnesc n structura unui lingou:
-la margine un strat ngust de cristale fine echiaxiale cu
orientare ntmpltoare, format In condiii de germinare eterogen
favorizat de pereii formei;
-spre interior urmeaz o zon de cristale dezvoltate alungit
(dentritic) n direcia de transmitere a cldurii, perpendicular pe
pereii formei, denumite cristale columnare ;
-
57
-n centrul piesei turnate o zon de cristale echiaxiale i
uniforme.
Aceste trei zone se ntlnesc de obicei n piese sau lingouri
turnate din oeluri carbon i slab aliate. Uneori una din zone poate
s lipseasc, cum este cazul oelurilor inoxidabile, unde structura
este columnar, fr zona de cristale echiaxiale i cu o zona mic
sau fr de cristale fine la margine (fig.1.44 a).
n aliajele de aluminiu cu structur fin (modificate),
structura este format numai din cristale echiaxiale (fig. 1.44 b).
n cazul n care se urmrete obinerea unei izotropii
ridicate a structurii, atunci trebuie s se obin o structur fin cu
cristale echiaxiale.
Dac din contr, se dorete obinerea unor proprieti
anizotrope atunci se urmrete obinerea unei structuri columnare.
n consecin, rezult c structura unei piese turnate poate fi
influenat i ea poate varia de la una complet columnar la una
numai cu gruni echiaxiali.
-
58
Zona cu cristale fine
Se formeaz pe sau lang peretele formei, ca urmare a
germinrii eterogene avantajate de existena unei subrciri termice
foarte mari la contactul aliajului cu peretele formei. Numrul de
cristale din aceast zon mai depinde i de supranclzirea
aliajului lichid, temperatura formei, capacitatea de nucleere a
pereilor formei sau a aliajului lichid. Cristalele din aceast zon
sunt echiaxiale i cu orientare ntmpltoare.
Zona cu cristale columnare
Cristalele columnare cresc de la zona de cristale fine (fig.
1.45) i au o puternic orientare cristalografic, care corespunde
cu direciile de cretere preferenial ale dendritelor. Axele
cristalelor columnare sunt paralele cu direcia fluxului termic.
Pentru un aliaj cu o compoziie dat, mrimea zonei
columnare crete odat cu creterea temperaturii de turnare (fig.
1.46).
-
59
Pentru o temperatur de turnare dat, mrimea zonei
columnare se micoreaz odat cu creterea concentraiei
elementelor de aliere (fig.1.47).
n cazul solidificrii metalelor pure, structura de turnare
este format numai din cristale columnare.
Zona cu cristale echiaxe
Cristalele din aceast zon au o mrime mai mare dect
cea a cristalelor din zona de cristale fine i au o orientare
ntmpltoare. Mrimea zonei cu cristale echiaxe este influenat
de temperatura de turnare i de concentraia de aliere.
-
60
O temperatur mare de turnare conduce la o micorarea
tendinei de formare a cristalelor echiaxe i de mrire a
dimensiunilor lor i a zonei cu cristale columnare (fig. 1.46), n
timp ce creterea concentraiei elementelor de aliere determin
mrirea zonei cu cristale echiaxe i micsorarea zonei columnare
(fig. 1.47).
Trecerea de la zona columnar la cea cu cristale echiaxe
are loc cnd cristalele echiaxe formate n faa cristalelor columnare
au crescut suficient Tn marime si numar. Aceasta Tnseamna ca
trecerea are loc atunci cand cristalele echiaxe au format o zona
bifazica sau un schelet.
1.6.6 Solidificarea aliajelor
Solidificarea este procesul de trecere al aliajului la scar
macroscopic din stare lichid n stare solid, fr s in seama
de formarea microstructurii, datorit rcirii lui. Solidificarea
poate fi de mai multe tipuri n funcie de urmatoarele criterii:
- modul de cretere a zonei n curs de solidificare ;
- viteza de cretere a zonei n curs de solidificare ;
- structura zonei n curs de solidificare.
1)Din punctul de vedere al modului de cretere a zonei
curs de solidificare, procesul de solidificare poate fi de dou
tipuri:
a)Solidificarea succesiv (exogen): caracterizat prin
aceea ca suprafaa stratului solidificat se deplaseaz succesiv de la
suprafaa de contact aliaj-form spre interior adic spre axa
termic. Suprafaa stratului solidificat se mai numete i front de
solidificare. Noiunea de exogen indic tocmai deplasarea
frontuiui de solidificare de la suprafaa de contact aliaj-forma spre
axa termic, indic cu alte cuvinte c nceputul procesului de
solidificare are loc la suprafaa de contact aliaj-form (este vorba
de o influen extern i anume influena peretelui formei);
b)Solidificarea n volum (endogen): caracterizat prin
aceea c frontul de solidificare nu este continuu i nu se
-
61
deplaseaz succesiv de la suprafaa de contact aliaj-form spre
axa termic. n cazul solidificrii n volum apar pe seciunea
peretelui piesei turnate numeroase volume cu faz solid i deci
numeroase suprafee de contact ntre faza lichid i faza solid
care nu se constituie ntr-un front comun. Se numete solidificare
endogen, pentru c este caracterizat prin apariia fazei solide n
anumite zone de faz lichid din interiorul peretelui piesei
turnate. Aadar, din punct de vedere a modului de cretere a zonei
solidificate, poate exista un front de solidificare continuu
(solidificarea succesiv) i un front de solidificare discontinuu
(solidificarea n volum).
2)Din punct de vedere a vitezei de cretere a zonei
solidificate, pot fi dou tipuri de procese de solidificare: -
solidificarea continu; -solidificarea discontinu sau intermitent.
3)Din punct de vedere al structurii zonei n curs de
solidificare, procesul de solidificare poate fi de asemenea mprit
n dou tipuri:
-solidificare fr zon bifazic, caracterizat prin aceea c
zona solid vine direct n contact cu zona lichid ;
-solidificare cu zona bifazic (solidificare bifazic),
caracterizat prin aceea c ntre zona solid i zona lichid se
interpune o zon bifazic constituit din cristale solide i faz
lichid.
Din punct de vedere practic cele mai importante probleme
le ridic solidificarea succesiv cu zon bifazic.
Solidificarea succesiv reprezint creterea succesiv n
timp a grosimii crustei solidificate ncepnd cu suprafaa de
contact aliaj-form i pn la axa termic. Poate fi analizat mai
simplu n cazul aliajelor fr zon bifazic, adic a aliajelor
eutectice sau a metalelor pure. n cazul pieselor simple i a
aliajelor fr zon bifazic, desfurarea procesului de solidificare
succesiv se poate studia n mod simplificat lundu-se n
considerare urmtoarele:
-
62
-tempertura de turnare a aliajului este mai mic dect
temperatura lichidus;
-piesa reprezint o plac semilimitat (adic lungimea i
limea este de ase ori mai mare dect grosimea plcii);
-din momentul contactului cu forma, aliajul nu mai curge
(n cazul turnrii directe).
n cazul ndeplinirii acestor condiii, grosimea stratului
solidificat pe ambele pri ale peretelui piesei turnate (a plcii)
variaz n timp dup o curb parabolic, conform legii rdcinii
ptrate
n care: S = grosimea stratului solidificat, n [m] ;
t - timpul, n [h] ;
K = constanta de solidificare, n [m/h1/2
].
Aceast dependen ntre grosimea crustei solidificate i
timp este artat n figura 1.48, unde este reprezentat i relaia:
n condiiile n care K, > K .
Din figura 1.48, rezult c, cu ct este mai mare valoarea
lui K cu att procesul de solidificare se desfoar mai repede.
-
63
Prin axa termic se nelege dreapta sau curba care unete
totalitatea punctelor n care solidificarea are loc n ultimul
moment. Momentul n care curba de soliditicare atinge axa
termic, adic acolo unde are loc intersecia curbei:
cu axa termic, reprezint momentul terminrii procesului de
soliditicare al peretelui piesei turnate.
Cu ct solidificarea are loc mai repede cu att durata de
soliditicare este mai scurt. Coeticientul de soliditicare K,
caracterizeaz de fapt viteza de solidificare, iar valoarea acestei
constante poate fi exprimat prin relaia:
n care:
Tc = temperatura de cristalizare a aliajului, n K ;
Tf = temperatura formei, n K ;
bf = coeficientul de acumulare a cldurii de ctre form, n
Ws t/2
/m2h ;
Q=cantitatea de cldur a aliajului nainte de a atinge
temperatura de cristalizare, n J/m3
Solidificarea succesiv are dou ci:
- solidificarea succesiv- continu ;
- solidificarea succesiv- intermitent (periodic).
La majoritatea pieselor turnate, solidificarea este succesiv
continu, doar n cazul pieselor mari al cror volum este apropiat
de volumul formei sau chiar mai mare, poate s aib loc
solidificarea succesiv intermitent.
n ceea ce privete structura zonei bifazice ea poate fi
schematic artat cu ajutorul figurii 1.49.
-
64
Zona bifazic poate fi mprit n trei subzone i anume:
1)Subzona transferului de mas macroscopic:
Aceast subzon este nvecinat suprafeei izolichidus i
se caracterizeaz prin aceea c cristalele solide se gsesc n
suspensie n faza lichid i n cazul scurgerii aliajului lichid din
interiorul peretelui piesei, aceste cristalite se ndeprteaz odat
cu el. Suprafaa de contact dintre subzona de transfer macroscopic
i zona urmtoare este caracterizat de aa-zisa limit de scurgere.
n aceast subzon procesul de alimentare are loc n condiii mai
bune.
2)Subzona transferului local de faz lichid: situat ntre
limita de scurgere i limita de alimentare a peretelui piesei. Ea se
caracterizeaz prin aceea c cristalele solide formeaz un schelet
continuu ns faza lichid poate s curg liber printre ele.
n timpul procesului de scurgere al miezului cu aliaj lichid
din peretele piesei, ntre cristalite rmn resturi de faz lichid,
determinate de forele capilare.
3)Subzona transferului microscopic de faz lichid:
situat ntre limita de alimentare i curba izosolidus (frontul de
solidificare propriu-zis). Caracteristic pentru aceast subzon este
faptul c poriuni de faz lichid sunt izolate ntre ramurile
cristalitelor n cursa de cretere.
-
65
Posibilitatea de transfer de faz lichid poate s aib loc
numai n interiorul acestor microvolume.
Din subzona a doua de transfer local n subzona a treia de
transfer microscopic nu poate s aib loc nici o deplasare de faz
lichid.
Prin temperatur de scurgere se nelege temperatura la
care cristalitele curg n suspensie odat cu faza lichid.
Prin limit de alimentare se nelege temperatura apropiat
de izosolidus pn la care faza lichid se poate deplasa printre
cristalite datorit forelor capilare. Limitele lichidus i solidus
sunt caracteristici fizico-chimice ale aliajului. Temperatura lor
este indicat pe diagrama de echilibru. Temperatura de scurgere
se determin experimental i de obicei ea corespunde cu
temperatura de fluiditate zero. Limita de alimentare (temperatura
de alimentare) poate fi stabilit cu ajutorul zo
