Download - Sim Lectii+Intrebari

Transcript
Page 1: Sim Lectii+Intrebari

Universitatea OVIDIUS Constanţa Departamentul ID-IFR Facultatea de Inginerie Mecanica, Industriala si Maritima

Stiinta Materialelor

Caiet de Studiu Individual Specializarea:

AR - Autovehicule Rutiere; IEDM - Inginerie Economica in Domeniul Mecanic

Anul de studii: I Semestrul 1

Titular disciplină: Prof. Dr. Ing. Anna Nocivin

2010

Page 2: Sim Lectii+Intrebari

Cuprins

2

Stiinta Materialelor CUPRINS

Unitate

de învăţare

1

2

3

4

Titlul INTRODUCERE UI-1: Introducere in Stiinta Materialelor. Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 1 1.1. Obiectivele si utilitatea disciplinei “Stiinta Materialelor” 1.2. Tipuri de materiale. Definitia materialului metalic. 1.3. Clasificarea materialelor metalice. Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 1 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 1 UI-2: Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 2 2.1. Starea de agregare a unui material 2.2. Tipuri de legaturi interatomice

2.2.1. Legatura ionica 2.2.2. Legatura covalenta 2.2.3. Legatura metalica 2.2.4. Legatura Van der Waals

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 2 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 2 UI-3: Structura cristalina a unui material metalic Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 3 3.1. Structura cristalina a unui material 3.2. Structuri cristaline tipice materialelor metalice

3.2.1. Structura cubica cu fete centrate – CFC 3.2.2. Structura cubica cu volum centrat – CVC 3.2.3. Structura hexagonal compacta - HC

3.3. Modificari alotropice ale metalelor Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 3 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 3 UI-4: Defecte ale structurii cristaline intr-un material metalic Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 4 4.1. Definirea si clasificarea defectelor de retea cristalina. 4.2. Defecte punctiforme de retea cristalina. 4.3. Defecte liniare de retea cristalina. 4.4. Defecte de suprafata de retea cristalina.

Pagina

6

7

14

23

35

Page 3: Sim Lectii+Intrebari

Cuprins

3

5

6

7

8

9

4.5. Defecte de volum de retea cristalina. Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 4 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 4 UI-5: Fazele structurale dintr-un material metalic – Partea I Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 5 5.1. Definirea notiunii de faza structurala intr-un material metalic 5.2. Tipuri de faze în sistemele de aliaje 5.3. Faza - Metal pur 5.4. Faza - Soluţie solida

5.4.1. Solubilitatea în stare solidă 5.4.2. Factorii Hume-Rothery ce determină solubilitatea în stare solidă 5.4.3. Soluţii solide pe baza unui compus chimic

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 5 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 5 UI-6: Fazele structurale dintr-un material metalic – Partea a II-a Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 6 6.1. Faza compus chimic 6.2. Constituienţi metalografici Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 6 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 6 UI-7: Difuzia in materialele metalice Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 7 7.1. Definirea procesului de difuzie 7.2. Mecanismele structurale de realizare a difuziei 7.3. Difuzia in diferite elemente chimice Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 7 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 7 UI-8: Deformarea si ruperea materialelor metalice Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 8 8.1. Proprietăţile metalelor şi aliajelor 8.2. Deformarea elastică şi plastică a materialelor metalice 8.3. Ruperea ductilă şi ruperea fragilă Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 8 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 8 UI-9: Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 9 9.1. Ecruisarea materialelor metalice 9.2. Recristalizarea materialelor metalice Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 9 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare

47

56

66

72

82

Page 4: Sim Lectii+Intrebari

Cuprins

4

10

11

12

13

14

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 9 UI-10: Diagrame de echilibru fazic – Partea I Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 10 10.1. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, cu solubilitate nelimitată în stare solidă a componenţilor 10.2. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, cu solubilitate parţială în stare solidă a componenţilor

10.2.1. Diagrama cu transformare eutectică 10.2.2. Diagrama cu transformare peritectică

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 10 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 10 UI-11: Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 11 11.1. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care se formează amestecuri mecanice din componenţi puri 11.2. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care componenţii formeaza compusi chimici 11.3. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care componenţii suferă transformări polimorfe Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 11 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 11 UI-12: Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita) Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 12 12.1. Fazele aliajelor Fe-carbon 12.2. Diagrama de stare Fe – cementită (starea metastabilă) Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 12 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 12 UI-13: Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-grafit) Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 13 13.1. Diagrama de stare Fe – Grafit (starea stabilă) 13.2. Clasificarea fontelor 13.3. Procesul de grafitizare al fontelor 13.4. Microstructura şi proprietăţile fontelor Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 13 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 13 UI-14: Oteluri carbon Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 14 14.1. Caracteristici generale 14.2. Influenţa carbonului asupra proprietăţilor oţelurilor 14.3. Influenţa incluziunilor asupra proprietăţilor oţelurilor 14.4. Clasificarea si simbolizarea otelurilor

91

100

107

116

127

Page 5: Sim Lectii+Intrebari

Cuprins

5

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 14 Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 14 BIBLIOGRAFIE + ANEXE

139 Observaţie: numărul unităţilor de învăţare este egal cu numărul şedinţelor de curs

la forma de învăţământ zi (14 UI = 28 ore curs)

Page 6: Sim Lectii+Intrebari

Introducere

6

Stiinta Materialelor INTRODUCERE

Lucrarea de faţă este adresată tuturor studenţilor de la specializările universitare de

licenţă de inginerie mecanică, care studiază în cadrul Facultăţii de Inginerie Mecanică, Industrială şi Maritimă din Universitatea “Ovidius” Constanţa, unde îmi desfăşor activitatea în prezent.

Lucrarea îşi propune să pună la dispoziţie, într-o prezentare unitară, noţiunile de bază legate de compoziţia, structura şi proprietăţile materialelor utilizate în industria mecanica, efectele proceselor de prelucrare în stare solidă asupra acestor materiale, precum şi principalele utilizări industriale ale metalelor şi aliajelor metalice. Lucrarea, in ansamblul ei, este structurata in doua parti.

Partea I prezinta notiunile generale legate de structura cristalina a materialelor metalice, de defectele care se formeaza in structura cristalina a materialelor metalice, de modificarile structurale ce apar la deformarea plastica, de fazele si constituentii structurali ce se formeaza intr-un material metalic.

Partea a II-a prezinta principalele sisteme de aliaje care se utilizeaza in industrie in momentul de fata, aliajele Fe-C, aliajele pe baza de Cu si aliajele pe baza de Al, cu descrierea structurilor, proprietatilor, a tratamentelor termice, termo-chimice sau termo-mecanice ce se pot aplica pentru a imbunatati aceste proprietati.

Volumul de fata reprezinta Partea I a lucrarii. Sperăm ca lucrarea de faţă să incite interesul cititorului-student pentru acest

domeniu atât de important al materialelor metalice, determinându-l să-şi extindă aria de interes şi dorinţa de aprofundare a cunoştinţelor acumulate pentru o mai bună desăvârşire profesională.

Sperăm, de asemenea, ca prin formatul sau sintetic, în care se evidenţiază uşor cuvintele cheie, noţiunile de bază, precum şi obiectivele şi concluziile fiecărui curs, lucrarea de faţă să fie un instrument eficient de studiu pentru studenţii formei de învăţământ „cu frecvenţă redusă”, care au astfel posibilitatea să aprofundeze mai uşor prin studiu individual întregul bagaj informaţional impus prin programa analitică a disciplinei „Ştiinţa Materialelor”.

Ţin să aduc întreaga mea consideraţie, şi pe această cale, întregului colectiv profesoral al Catedrei de Metalurgie Fizică al Facultăţii de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor din Universitatea Politehnica Bucureşti unde, printr-o îndrumare plină de profesionalism şi dăruire, m-am format ca inginer şi cadru didactic. De asemenea, mulţumesc colectivului Facultăţii de Inginerie Mecanică din Universitatea “Ovidius” Constanţa pentru încrederea avută în mine şi încurajarea manifestată pentru toate acţiunile mele din ultimii ani pe tărâm profesional şi didactic.

Prof. univ. Dr. ing. Anna Nocivin

Page 7: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

7

Unitatea de învăţare Nr. 1 – UI-1

INTRODUCERE IN STIINTA MATERIALELOR

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 1…………………………………………………….. 8

1.1. Obiectivele si utilitatea disciplinei “Stiinta Materialelor” 8

1.2. Tipuri de materiale. Definitia materialului metalic. 8

1.3. Clasificarea materialelor metalice 9

Lucrare de verificare pentru Unitate de învăţare Nr. 1………………………………….... 12

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 13

Bibliografie pentru Unitate de învăţare Nr. 1…………………………………………….. 13

Page 8: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

8

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 1

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 1 sunt:

• Prezentarea obiectivelor si oportunitatii studierii disciplinei “Stiinta Materialelor”

• Prezentarea tipurilor de materiale existente in natura • Clasificarea materialelor metalice

CONTINUTUL UI-1:

Obiectivele disciplinei

Metale Nemetale

1.1. Obiectivele si utilitatea disciplinei “Stiinta Materialelor”

Ştiinţa Materialelor studiază structura şi proprietăţile metalelor şi aliajelor corespunzătoare acestora, stabilind legătura între compoziţie, structură, proprietăţi si aplicatii, elaborând totodată căile posibile de modificare a acestor proprietăţi in vederea unor aplicatii performante.

Compoziţie ⇒⇒⇒⇒ structură ⇒⇒⇒⇒ proprietăţi ⇒⇒⇒⇒ aplicaţii

Studiul disciplinei „Ştiinţa Materialelor” conduce catre urmatoarele posibilitati de actiune a unui specialist in domeniu:

- Selecţia de material (alegerea materialului in functie de proprietati, performante, resurse, cost)

- Prevederea comportamentului materialului în exploatare - Design-ul de material

1.2. Tipuri de materiale. Definitia materialului metalic.

Metalul poate fi definit ca un material ce reprezinta unul din cele 8

tipuri de materiale ce pot exista în general în natură. Acestea sunt după cum urmează:

1) metale

2) semiconductori

3) dielectrici

4) ceramice

5) sticle

6) polimeri sintetici (fibre sintetice, elastomeri, mase plastice)

7) substanţe naturale (piatră, lemn, fibre, piei, etc.)

8) compozite (materiale compuse din două sau mai multe materiale din cele şapte tipuri precedente)

Elementele sistemului periodic se clasifică în mod covenţional în metale şi nemetale (clasificare cunoscută încă din sec. al XIX - lea). Astfel, având la bază concepţia electrochimică, metalele formează ioni pozitivi, iar nemetalele formeaza ioni negativi.

Page 9: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

9

Caracteristica de bază a unui

metal

După descoperirea legii periodicităţii de către D.I. Mendeleev, s-a observat că trecerea de la elementele electropozitive la cele electronegative este continuă, neputându-se stabili o limită netă. Astfel, de exemplu, I şi Te, deşi nu sunt metale, pot forma ioni pozitivi I3+ şi Te 4+, iar borul, care este un nemetal, nu formează ioni negativi. Rezultă că proprietăţile structurale şi fizico-chimice variabile permit clasificarea elementelor sistemului periodic după criterii diferite.

1.3. Clasificarea materialelor metalice

Metalele reprezintă 76 din cele 111 elemente cunoscute până în

prezent. Siliciul (Si), germaniul (Ge), arseniul (As), seleniul (Se), telurul (Te) sunt considerate elemente chimice intermediare metalelor şi nemetalelor, numite adesea semimetale. Toate elementele dispuse în stânga liniei imaginare trasată între bor şi astatin (de la nr. 5 până la nr. 85) sunt considerate metale, iar cele dispuse în dreapta acestei linii sunt nemetale. Această graniţă nu este clar definită, deoarece printre elementele dispuse in apropiere de aceasta linie se afla şi semimetale.

Toate proprietăţile caracteristice metalelor sunt valabile pentru stările

de agregare solidă şi lichidă, deoarece în aceste condiţii între atomii metalelor se manifestă legături metalice. In starea gazoasă, metalele nu se deosebesc de nemetale.

Caracteristica de bază a unui metal şi a aliajelor sale posibile, o reprezintă conductibilitatea sa termică şi electrică mare, ce creşte odata cu scăderea temperaturii. Teoria corpului solid defineşte drept criteriu fizic principal al stării metalice variaţia rezistivităţii electrice cu temperatura ρ (T), după cum urmează: pentru metale ρ → 0, dacă T → 0, în timp ce pentru nemetalele semiconductoare şi dielectrici ρ → ∞.

Cele mai reprezentative proprietăţi ale metalelor sunt: - tendinţa de a forma reţele cristaline compacte; - proprietăţi optice specifice (opacitate, luciu metalic, culoare); - conductibilitate termică şi electrică ridicată; - insolubilitate în dizolvanţi comuni (se dizolvă numai în metale cu

formare de aliaje). Exista mai multe criterii de clasificare a metalelor. Astfel, un prim

criteriu imparte metalele în două mari grupe: - aliajele feroase (oţelul şi fonta) - fierul şi aliajele pe bază de fier - aliajele neferoase - restul de metale si aliajele lor Al doilea criteriu de clasificare împarte metalele în următoarele

categorii: 1) Metale feromagnetice - fierul, cobaltul, nichelul şi manganul (care,

deşi nu este feromagnetic, este foarte apropiat ca proprietăţi de primele trei metale). Cobaltul, nichelul şi manganul sunt întâlnite foarte des ca adaosuri în aliajele de fier, dar şi ca elemente de bază în aliajele proprii, cu proprietăţi asemănătoare oţelurilor înalt aliate.

Page 10: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

10

Categorii de metale

2) Metale greu fuzibile - Temperatura de topire a acestor metale este mai mare decât cea a fierului (1536°C). Acestea sunt utilizate ca elemente de aliere în oţelurile aliate, dar şi ca elemente de bază în aliajele proprii. (V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re).

3) Metale uşor fuzibile – Sn (Ttop= 232° C), Pb (Ttop= 327° C), Zn

(Ttop= 410° C), precum şi Cd, Hg, Bi, Tl, Sb, sau elementele cu caracter metalic foarte slab Ga şi Ge.

4) Metale uşoare - beriliu, magneziu, aluminiu, titan, ce posedă o

densitate foarte scăzută (< 5g / cm3). 5) Metale grele – Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os, cu densitate >10 g

/ cm3. 6) Metale uranice - reprenzentate de grupa actinidelor, cu o utilizare

dirijată spre aliajele pentru energetica nucleară. 7) Metale rare - Lantan, ceriu, neodim, prazeodim ş.a., grupate toate

sub denumirea de lantanide, la care se mai adaugă şi Y şi Sc, care sunt apropiate de acestea. Aceste metale au proprietăţi chimice asemănătoare, dar diferă totuşi între ele din punct de vedere al proprietăţilor fizice (de ex. temperatura de topire). Ele sunt utilizate ca adaosuri în aliajele altor elemente. In stare naturală ele se găsesc grupate, ceea ce face ca, datorită dificultăţii separării pe elemente, acestea să fie utilizate sub formă amestecată - aşa numitul michmetal - ce conţine 40 - 45% Ce şi 45 - 50% alte elemente rare.

Reprezentative pentru aceste tipuri de aliaje este fero-ceriul (aliaj Ce - Fe cu o cantitate apreciabilă de alte metale rare) şi didimul (aliaj preponderent pe bază de neodim si prazeodim).

8) Metale alcalino – pământoase – Na, K, Li, Ca, care în stare liberă

se utilizează în reactoarele nucleare ca metale lichide cu conductibilitate termică. Sodiul se utilizează de asemenea drept catalizator în obţinerea cauciucului, iar litiul pentru alierea aliajelor pe bază de aluminiu uşoare şi rezistente, utilizate în industria aviaţiei.

9) Metale nobile - Ag, Au, metale platinice (Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Rn). La

acestea se poate adăuga şi cuprul ca metal semipreţios. Toate aceste elemente au o rezistenţă la coroziune foarte mare.

Metalele însă mai pot fi clasificate şi după criteriul ce ţine seama de

completarea orbitalilor electronici exteriori. Astfel, metalele se împart în două grupe:

- metale tipice - Metale care nu au electroni în orbitalul d (Li. Na, Ca, Al, ş.a.) sau care au orbitalul d în întregime completat (Cu, Zn, Cd, Ag, ş.a.), se numesc.

Page 11: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

11

Caracteristici comune

metalelor

- metale de tranziţie - Metale, ce prezintă orbitalul s exterior completat cu electroni, iar suborbitalul p şi d incomplet. Cele mai reprezentative metale de tranziţie sunt Fe, Cr, Ti, Mo, Ni, Cu, ş.a.

Vom exemplifica modelul electronic al unui atom utilizând atomul de Mg (N = 12). Acesta se notează în felul următor: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2. O asemenea notare semnifică faptul că pe primul nivel energetic se află doi electroni, ce ocupă orbitalul 1s; pe al doilea nivel se află 8 electroni, ce ocupă orbitalii 2s (2 electroni) şi 2p (6 electroni); pe cel de-al 3-lea nivel - 3 electroni situaţi pe orbitalul 3s.

Datorită faptului că o influenţă decisivă asupra proprietăţilor materialelor o are tocmai această stare a nivelelor şi subnivelelor electronice de valenţă, am considerat util să indicăm această informaţie în sistemul periodic al lui D.I. Mendeleev din Anexa 1, informaţie necesară în studiul ulterior al diferitelor tipuri concrete de materiale.

In concluzie, proprietăţile metalelor sunt foarte variate. Mercurul

solidifică la temperatura de –38,8° C, wolframul rezistă până la temperaturi de lucru de 2000° C (Ttop= 3420° C), litiul, natriul, kaliul sunt mai uşoare decât apa, iar iridiul şi osmiul sunt de 42 de ori mai grele decât litiul. Conductibilitatea electrică a argintului este de 130 de ori mai mare decât cea a manganului. Cu toate acestea, metalele au multe caracteristici comune, cum ar fi:

• Plasticitate ridicată; • Conductibilitate termică şi electrică ridicate; • Coeficient de temperatură pozitiv al rezistenţei electrice, care

semnifică creşterea rezistivităţii cu creşterea temperaturii şi a supraconductibilităţii multor metale (în jur de 30) la temperaturi apropiate de zero absolut;

• Opacitate şi luciu metalic caracteristic; • Emisie termo-electronică, adică capacitatea de emisie de electroni

la încălzire; • Structură cristalină în stare solidă; Utilizarea unui metal este dictată de mai multe criterii: proprietatile

acestuia, răspândirea acestuia în natură (resurse naturale), cost şi, de asemenea, de performantele cunoscute ale acestuia, dictate de dezvoltarea tehnologică a momentului respectiv.

Test de autoevaluare 1.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care este caracteristica de bază a unui metal şi a aliajelor sale posibile ? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Page 12: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

12

Test de autoevaluare 1.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt cele mai reprezentative proprietati ale metalelor ? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 1.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce intelegeti prin metale usoare ? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 1. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 1 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 1

1. Care sunt obiectivele disciplinei „Stiinta Materialelor”? 2. Ce intelegeti prin „aliaje feroase, aliaje neferoase”? 3. Ce intelegeti prin „metal de tranzitie”? 4. Ce este un nemetal? 5. Ce intelegeti prin „metal rar”? 6. Ce intelegeti prin „metal greu fuzibil”? 7. Care sunt caracteristicile comune ale unor metale? Barem (1 punct din oficiu):

Intrebarea nr. Punctaj maxim acordat 1 1 2 1 3 1 4 2 5 1 6 1 7 2

Page 13: Sim Lectii+Intrebari

Introducere in Stiinta Materialelor

13

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare:

1.1. Caracteristica de bază a unui metal şi a aliajelor sale posibile, o reprezintă conductibilitatea sa termică şi electrică mare, ce creşte odata cu scăderea temperaturii. Teoria corpului solid defineşte drept criteriu fizic principal al stării metalice variaţia rezistivităţii electrice cu temperatura ρ (T), după cum urmează: pentru metale ρ → 0, dacă T → 0, în timp ce pentru nemetalele semiconductoare şi dielectrici ρ → ∞.

1.2. Cele mai reprezentative proprietăţi ale metalelor sunt:

- tendinţa de a forma reţele cristaline compacte; - proprietăţi optice specifice (opacitate, luciu metalic, culoare); - conductibilitate termică şi electrică ridicată; - insolubilitate în dizolvanţi comuni (se dizolvă numai în metale cu

formare de aliaje). 1.3. Metalele uşoare – reprezinta acea categorie de metale ce

posedă o densitate foarte scăzută (< 5g / cm3). Exemple: beriliu, magneziu, aluminiu, titan.

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 1

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 1.1, 1.2, 1.3.

Page 14: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

14

Unitatea de învăţare Nr. 2 – UI-2

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 2…………………………………………………….. 15

2.1. Starea de agregare a unui material ............................................................................... 15

2.2. Tipuri de legaturi interatomice.....................................................................................

2.2.1. Legatura ionica

2.2.2. Legatura covalenta.

2.2.3. Legatura metalica

2.2.4. Legatura Van der Waals

16

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 2……………………………….... 21

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 22

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 2………………………………………….. 22

Page 15: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

15

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 2

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 2 sunt:

• Prezentarea principalelor legaturi interatomice dintr-un material metallic, care stau la baza formarii structurii cristaline a acestora

CONTINUTUL UI-2:

Plasmă

diagrama cu punct triplu

2.1. Starea de agregare a unui material

Orice substanţă se poate afla, în principal, în 3 stări de agregare: • solid • lichid • gaz

Cea de-a patra stare de agregare este numită plasmă – un gaz puternic ionizat

(sau gaz de particule încărcate - ioni sau electroni) ce se formează la temperaturi foarte ridicate ( > 105 K). Dar această delimitare este destul de relativă în lipsa unei transformări fazice între gaz şi plasmă. Totuşi, plasma se deosebeşte categoric de gaz datorită puternicelor interacţiuni electrice pe distanţe foarte mari dintre ioni şi electroni, interacţiuni care în faza gazoasă practic lipsesc.

Realizarea unei anumite stări de agregare a unei substanţe depinde în principal de temperatura şi presiunea la care aceasta se află (vezi figura 2.1.).

O caracteristică importantă în acest sens îl reprezintă raportul dintre energia medie a potenţialului de interacţiune dintre atomi - Ep şi energia medie cinetică - Ec. Astfel, pentru gaze Ep / Ec << 1, pentru lichide Ep / Ec ≈ 1, iar pentru corpurile solide Ep / Ec >> 1.

Figura 2.1 - Diagrama de stare a unei substanţe în funcţie de presiune şi temperatură

GAZ:

• distanţele intermoleculare sunt foarte mari (atomii din gaze sunt dispuşi sub formă de molecule – O2, N2, etc.),

Page 16: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

16

Solid cristalin

Solid amorf

• moleculele practic nu interacţionează unele cu altele, mişcându-se liber, ocupând astfel tot volumul posibil.

• gazul nu are volum şi formă proprie. LICHID:

• stare condensată a materiei • atomii sunt mai apropiaţi, deci interacţiuni mai puternice • un volum propriu stabil • vibraţii mici ale atomilor în jurul poziţiilor de echilibru • salturi dintr-o pozitie de echilibru in alta • “ordine la scurtă distanţă” în distribuţia atomilor • proprietatea de a curge

SOLID:

• formă proprie stabilă • numai o mişcare de vibraţie în jurul poziţiilor de echilibru • “ordine la lungă distanţă” în distribuţia atomilor, adica o

succesiune ordonată a atomilor pe distanţe egale şi în plan îndepărtat – structura cristalina.

Se formeaza un solid cristalin cu reţea cristalină – ce reprezinta o dispunere ordonată a atomilor într-un corp solid, dispunere ce se repetă periodic pe cele trei dimensiuni spaţiale

Dar, exista si solide amorfe ⇒ in care atomii execută mişcări de vibraţie în jurul poziţiilor de echilibru dispuse haotic, pozitii ce nu formează o reţea cristalină. Principalele caracteristici ale solidelor amorfe sunt: a) izotropie a proprietăţilor (aceleaşi proprietăţi pe orice direcţie) b) lipsa unui punct de topire - odată cu creşterea temperaturii corpul

amorf se înmoaie.

Starea amorfă la aliaje metalice – "sticle metalice“ - se obtine printr-o răcire ultrarapidă a topiturii (> 1.000.000 °C/s).

2.2. Tipuri de legaturi interatomice Intre atomii ce formează un material solid cristalin acţionează:

• forţe de atracţie • forţe de respingere

care se egalează la distanţe interatomice de ordinul ≈ 1Å DE CE - reţea atomica cristalina ? (~ 1Å pt. distanţele interatomice)

Page 17: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

17

Forţe de interacţiune

Legătura ionică

DEOARECE minimul energiei potenţiale a sistemului se atinge atunci când atomii sunt dispuşi ordonat şi periodic în spaţiu.

Figura 2.2 - Schema forţelor de interacţiune (a) şi a energiei potenţiale de interacţiune (b) dintre atomi, în funcţie de distanţa dintre aceştia

Forţele de atracţie din corpurile solide sunt, foarte diferite prin natura acestora. Se disting astfel 4 tipuri de legături interatomice: - ionică - covalentă - de tip Van der Waals - metalică Corespunzător acestor tipuri de legături există 4 tipuri de reţele cristaline:

- Retea cristalina ionica, - Retea cristalina atomica (sau de valenta), - Retea cristalina polara şi - Retea cristalina metalica.

Tipul legăturii influenţează puternic asupra proprietăţilor mecanice ale materialului, în primul rând asupra comportamentului acestuia la solicitări exterioare: se va deforma odată cu creşterea acestei sarcini, sau se va rupe fragil fără nici o deformare anterioară. 2.2.1. Legatura ionica

Legatura ionica se realizeaza prin transfer de electroni de valenta (cedare – acceptare) de la un element electronegativ spre un element electropozitiv.

Page 18: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

18

Legătura covalentă

Formaţiunile ionice sunt caracterizate de: - temperatură de topire înaltă, - rezistenţă mecanică şi duritate ridicate - coeficient scăzut de dilatare termică.

Figura 2.3 - Structurile cristaline corespunzătoare câtorva legături ionice:

a - NaCl; b - CsCl; c - CaF2

Cristalele ionice sunt izolatoare, deoarece toţi electronii sunt concentraţi

pe orbitalele atomice ale fiecărui atom în parte, neputând deci avea nici o contribuţie în procesul de conductibilitate.

Cristalele ionice pot insa deveni conductoare în stare topită, datorită

amestecului de ioni.

2.2.2. Legatura covalenta

Legatura covalenta se realizează prin punerea în comun a electronilor de valenţă ai atomilor învecinaţi, prin perechi de electroni de valenţă ce se află pe orbite comune - "punţi electronice".

Solidul tipic pentru o asemenea legătură este diamantul (atomi de C):

Figura 2.4 - Schema de distribuţie a atomilor de carbon în cristalul de diamant

Densitatea electronică în spaţiul interatomic din afara "punţilor" este

foarte scăzută.

Page 19: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

19

Legătura metalică

Cristalele în cadrul cărora atomii sunt legaţi prin legături covalente se numesc cristale de valenţă sau cristale atomice.

Cristalele de valenţă se pot forma si între elementele grupelor V, VI şi VII B din sistemul periodic.

Legatura covalentă apare, de asemenea, şi între atomii diferiţi dintr-o serie de compuşi chimici, cum sunt carburile (Fe3C, SiC), nitrurile (AlN), de o mare importanţă în aliajele tehnice.

Rezistenţa legăturii covalente depinde de gradul de completare al nivelelor de valenţă, fiind cu atât mai mare cu cât aceste nivele sunt mai apropiate de forma de octet. De aceea, proprietăţile solidului cu legături covalente pot varia semnificativ.

Caracteristica mecanica de bază a unor asemenea corpuri este fragilitatea crescută.

2.2.3. Legatura metalica

Prin condensarea vaporilor de metal în stare lichidă sau solidă, atomii se apropie întratât încât nivelele electronice de valenţă se suprapun, făcând posibil ca electronii de valenţă să treacă liber de la un atom la altul.

Se formează astfel aşa numitul "gaz electronic".

Legătura metalică reprezintă forţa de atracţie dintre ionii pozitivi şi gazul de electroni liberi. Electronii liberi nu sunt legaţi de un anume atom, având o mare mobilitate în cadrul reţelei ionice.

Figura 2.5 - Mecanismul legăturii metalice în cazul formării sodiului

Proprietatile legaturii metalice: • Conductibilitatea termică şi electrică ridicata a metalelor (datorată

deplasării libere în material a electronilor de valenţă) • Opacitatea şi puterea de reflexie a metalelor (determinate de faptul

că electronii liberi pot absorbi energie la orice lungime de undă şi emite în acelaşi timp fascicule luminoase)

Page 20: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

20

Legătura van der Waals

2.2.4. Legatura Van der Waals

Forţele Van der Waals sunt forţe de coeziune de natură electrostatică care se exercită între molecule (mono sau poliatomice) cu configuraţii electronice stabile, deci care nu necesită o punere în comun sau transfer de electroni.

Legătura covalentă sau ionică prezinta energii de legătură mari (100-

1000 kj ⋅ mol-1), pe cand legatura Van der Waals prezinta energii de legătură mici (4 - 8 kj ⋅ mol-1).

Existenţa forţelor Van der Waals explică starea condensată (lichidă şi

solidă) a substanţelor, deci agregarea lor şi unele proprietăţi fizice. Astfel, este ştiut că substanţele formate din molecule mici (cu număr mic de atomi) sunt în general gaze, dar pot fi şi lichide sau solide volatile.

Deoarece la formarea legăturii Van der Waals nu are loc nici un schimb

sau punere în comun de electroni, structura cristalelor ce se formează este determinată în primul rând de factori geometrici avand tendinţa spre o împachetare densă. Asemenea cristale sunt izolatoare deoarece toţi electronii sunt legaţi în octete (ns + nd).

Proprietăţile electrice ale acestor cristale se stabilesc prin proprietăţile

atomilor sau moleculelor componente şi variază foarte puţin la trecerea dintr-o stare de agregare în alta. Concluzii:

• Deşi legăturile interatomice sunt definite separat, existenţa unui singur tip de legătură în diferite cristale poate fi considerată mai degrabă o excepţie decât o regulă.

• Legătura ionică, prin natura sa, necesită existenţa a două sau mai multe tipuri de ioni (pozitivi şi negativi), motiv pentru care aceasta nu poate fi întâlnită în cristalele elementelor pure.

• In multe formaţiuni intermetalice pot exista concomitent legătura ionică şi metalică.

• De aceea, în practică, este foarte greu de stabilit o limită clară între diferitele tipuri de legături ce apar într-un cristal.

Test de autoevaluare 2.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt principalele 3 stari de agregare a unui material si care sunt parametrii de care depind acestea? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Page 21: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

21

Test de autoevaluare 2.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Definiti legatura ionica. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 2.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt principalele proprietati ale legaturii metalice? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 2. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 2 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 2

1. Ce este plasma? 2. Care sunt principalele caracteristici ale starii gazoase? 3. Care sunt principalele caracteristici ale starii lichide? 4. Care sunt principalele caracteristici ale formatiunilor ionice? 5. Dati cateva exemple de structuri cristaline corespunzătoare unor

legături ionice. 6. Care este caracteristica mecanica de baza a corpurilor cu legatura

covalenta? 7. Definiti legatura de tip metalic. 8. Ce reprezinta fortele de tip Van der Waals? 9. Cum este energia de legatura din cadrul fortelor Van der Waals fata

de cea din fortele covalente sau ionice? 10. De ce legatura ionica nu poate fi intalnita in structura cristalelor

elementelor pure?

Barem:

Intrebarea nr. Punctaj maxim acordat 1 1 2 1 3 1

Page 22: Sim Lectii+Intrebari

Tipuri de legaturi interatomice intr-un material metalic

22

4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 10 1

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

2.1. Solid, lichid si gaz; parametrii sunt temperatura si presiunea; 2.2. Legatura ionica este o legatura interatomica ce se formeaza intr-un material prin procesul de cedare-acceptare de electroni de valenta intre ioni pozitivi si negativi. 2.3. Principalele proprietati ale legaturii metalice sunt:

• Conductibilitatea termică şi electrică ridicata a metalelor (datorată deplasării libere în material a electronilor de valenţă)

• Opacitatea şi puterea de reflexie a metalelor (determinate de faptul că electronii liberi pot absorbi energie la orice lungime de undă şi emite în acelaşi timp fascicule luminoase)

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 2

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 1.4;

Page 23: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

23

Unitatea de învăţare Nr. 3 – UI-3

Structura cristalina a unui material metalic

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 3…………………………………………………….. 24

3.1. Structura cristalina a unui material 24

3.2. Structuri cristaline tipice materialelor metalice 28

3.2.1. Structura cubica cu fete centrate – CFC

3.2.2. Structura cubica cu volum centrat – CVC

3.2.3. Structura hexagonal compacta - HC

28

29

30

3.3. Modificari alotropice ale metalelor 31

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 3……………………………….... 33

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 33

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 3………………………………………….. 34

Page 24: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

24

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 3

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 3 sunt:

• Prezentarea sistemelor de cristalizare Bravais si a tipurilor de retele spatiale ce se formeaza intr-un material cristalin

• Prezentarea principalelor tipuri de retele cristaline ale materialelor metalice

CONTINUTUL UI-3:

Celulă elementară

Parametrii celulei

elementare

Sisteme cristaline

3.1. Structura cristalina a unui material

Atomii dintr-un corp solid cristalin sunt dispuşi ordonat în spaţiu, pe anumite distanţe, formând reţeaua cristalină. Această reţea cristalină poate fi construită cu ajutorul unui "bloc constructiv" ce se repetă pe cele trei coordonate spaţiale.

Acest bloc constructiv se numeste celulă elementară, care reprezinta cea mai mica grupare de atomi dintr-o retea cristalina, de forma paralelipipedica, caracterizata de sase parametri: trei laturi ale celulei - a, b, c şi cele trei unghiuri delimitate de acestea - α, β, γ.

Toate celulele elementare ce formează o reţea cristalină au aceeaşi formă şi acelaşi volum. Atomii se pot dispune atât în nodurile celulei elementare (celula elementară simplă), cât şi în alte puncte ale acesteia (celula elementară complexă).

Dacă forma celulei elementare este stabilită (prin cei sase parametri) şi este cunoscută dispunerea tuturor atomilor în cadrul acesteia (in nodurile si punctele retelei), atunci descrierea geometrică a cristalului este completă.

In cadrul cristalografiei sunt stabilite 7 sisteme cristaline, care definesc, prin cei sase parametri caracteristici fiecaruia, 7 forme distincte de celule elementare.

In cadrul fiecarui sistem (forma distincta a celulei elementare), atomii se pot distribui diferit pe nodurile retelei, rezultand in total 14 tipuri distincte de retele spatiale, care poartă denumirea de reţele spaţiale Bravais, dupa numele cristalografului frances Auguste Bravais.

Page 25: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

25

Reţele spaţiale Bravais

Indici Miller

Figura 3.1 – Reţelele spatiale Bravais

Poziţia oricărui nod din reţeaua cristalină se stabileşte în funcţie de poziţia originii celulei elementare prin coordonatele x, y, z.

Pentru o celulă elementară aceste coordonate sunt egale chiar cu parametrii reţelei a, b, c. Pentru o celulă oarecare coordonatele unui nod sunt: x = ma, y = nb, z = pc, unde m, n, p - numere întregi. Dacă mărimile a, b, c se aleg ca unităţi de măsură pentru axele reţelei, atunci coordonatele nodului vor fi numai m, n, p. Aceştia reprezintă indicii nodului şi se notează cu (m n p). De exemplu, pentru nodul care are coordonatele x = 3a, y = 1b, z = 4c, indicii corespunzători vor fi (314). Pentru indici negativi (valori negative pentru m, n, p) se pune semnul minus deasupra acestora - ex. (īoo).

Nodurile (poziţia atomilor), precum şi direcţiile în plan şi spaţiu se notează cu ajutorul indicilor Miller (vezi figura 3.2.).

Page 26: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

26

Reţea cristalină reală

Prin nodurile unei reţele cristaline se pot trasa diferite familii de drepte şi plane numite direcţii şi plane cristaline. Direcţia unei drepte dintr-o reţea cristalină spaţială se notează cu ajutorul a trei cifre, numite de asemeni indici, scrise în paranteză dreaptă: [x, y, z].

Pentru a determina indicii unei drepte se trasează prin origine şi printr-un punct de coordonate x, y, z, o paralelă la dreapta dată. Cifrele x, y, z reprezintă atât indicii dreptei dusă prin origine, cât şi a oricărei paralele la această dreaptă.

Pentru notarea planelor cristalografice, cel mai simplu sistem este tot cel introdus de cristalograful englez Miller. In acest sistem, un plan se notează cu trei indici (h, k, l). Aceşti indici reprezintă valorile inverse ale segmentelor tăiate de plan pe axele de coordonate, segmente măsurate cu parametrii de reţea. Figura 3.2 - Simbolizarea câtorva noduri, direcţii şi plane mai importante din reţeaua cubică

Noţiunea de "structură cristalină reală" a unui material nu este

identică cu aceea de "reţea spaţială".

Astfel, reţeaua spaţială reprezintă schema de repetiţie (modelul spaţial) ce caracterizează un cristal şi nu aranjamentul real al atomilor în cristal, aranjament ce constituie aşa numita "structură a cristalului". Numărul reţelelor spaţiale este limitat la 14, în timp ce numărul structurilor cristaline este nelimitat.

O structură cristalină se obţine prin ataşarea unei baze de atomi fiecărui nod al reţelei spaţiale.

Prin urmare: "Structura cristalină = Reţeaua spaţială + Baza de atomi".

Cele mai simple structuri cristaline se obţin prin ataşarea unei baze alcătuită dintr-un singur atom fiecărui nod al reţelei spaţiale - vezi figura 3.3.

Page 27: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

27

Compactitatea reţelei

cristaline

O structură ceva mai complexă se obţine prin ataşarea unei baze formată din doi sau mai mulţi atomi (de regulă formând molecule prin legături covalente) fiecărui nod al reţelei spaţiale. Exemple de astfel de structuri cristaline, cu baze de atomi complexe, sunt ilustrate în figura 3.4.

Figura 3.3 - Formarea unei structuri cristaline dintr–o reţea spaţială şi o bază alcătuită dintr–un singur atom

O O O O O ����� O O O O O + ● = ����� O O O O O �����

Reţeaua spaţială Baza Structura cristalină Figura 3.4 - Structurile cristaline ale câtorva elemente din grupele B ale sistemului periodic: a -

iod (VII B); b - seleniu (VI B); c - stibiu (V B); d - diamant (IV B)

Compactitatea unei structuri cristaline se apreciază prin:

- numărul de coordinaţie - Nc, sau prin

- compactitatea (gradul de umplere în atomi) - η.

- Numarul de atomi dintr-o celula elementara - N

Prin număr de coordinaţie se înţelege numărul de atomi din reţea dispuşi la cea mai mică distanţă fata de un atom dat. Cu cât acest număr este mai mare, cu atât reţeaua este mai compactă.

Compactitatea sau gradul de umplere în atomi - η - se defineşte prin raportul:

η = celuleivolumul

celulalaparticipacareatomilorvolumul 1.1

Numărul de atomi dintr-o celulă elementară - N se calculează cu

ajutorul relaţiei:

N = ni + 82

cf nn+ 1.2

Page 28: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

28

CFC CVC HC

unde ni - numărul de noduri din interiorul celulei elementare nf - numărul de noduri aflate pe feţele celulei nc - numărul de noduri situate în colţurile celulei 3.2. Structuri cristaline tipice materialelor metalice

Din sistemul periodic se observă că (cu excepţia Mg şi Hg) elementele grupelor A, inclusiv metalele de tranziţie, pământurile rare şi elementele grupelor I B şi II B cristalizează în una sau mai multe structuri tipic metalice, după cum urmează:

- cubic cu feţe centrate (A1, CFC)

- cubic cu volum centrat (A2, CVC)

- hexagonal compact (A3, HC)

3.2.1. Structura cubica cu fete centrate – CFC

In reţeaua CFC - A1 atomii sunt dispuşi în vârfurile celulei elementare şi în centrele feţelor acesteia (figura 3.5, a). Fiecare atom are 12 vecini apropiaţi dispuşi la aceeaşi distanţă a / √2 (= 0,707 a), unde a - latura celulei elementare. Astfel, numărul de coordinaţie al acestei reţele este egal cu 12. Cea de a doua sferă de coordinaţie constă din şase atomi dispuşi la distanţe mai mari, egale cu a.

Figura 3.5 - Reţeaua cubică cu feţe centrate A1, CFC: a - celula elementară; b - planele de maximă densitate în atomi {111}; c - interstiţii

octaedrice; d - interstiţii tetraedrice

Această structură cristalină conţine două tipuri de interstiţii (goluri) care

pot fi ocupate de atomi de dimensiuni mai mici ai altor elemente. Primul tip de interstiţii îl reprezintă cel octaedric (figura 3.5, c).

Page 29: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

29

CVC

Interstiţiu octaedric

Interstiţiu tetraedric

Aceste poziţii sunt ocupate, de exemplu, de atomii de carbon în reţeaua de austenită din oţel. Al doilea tip îl reprezintă interstiţiile tetraedrice, care dimensional, sunt mult mai mici (figura 3.5, d).

Dacă se presupune că reţeaua cubică cu feţe centrate este formată din sfere dure de rază r, ce se ating între ele, atunci raza maximă a sferei ce s-ar putea introduce în golurile ce se formează (interstiţii) va fi egală cu 0,41 r, pentru interstiţiile octaedrice şi 0,225 r, pentru interstitiile tetraedrice.

Planele cu cel mai mare număr de atomi (plane de maximă densitate în atomi) sunt planele {111}, conform figurii 3.5, b. Fiecare din aceste plane conţine câte trei direcţii de maximă densitate în atomi, în care atomii pot fi consideraţi ca fiind tangenţiali. Gradul de compactitate - η, calculat pentru reţeaua cubică cu feţe centrate, cu ajutorul relaţiei (1.1), are valoarea de 74 %.

3.2.2. Structura cubica cu volum centrat – CVC

Structura CVC are mai puţini atomi decât structura cubică cu feţe centrate. Atomii in reţeaua CVC sunt dispuşi în vârfurile şi în centrul celulei elementare, conform figurii 3.6, a. Fiecare atom din această reţea are opt vecini, dispuşi la distanţe egale cu a√3 / 2 (= 0,866 a), unde a este lungimea laturii cubului celulei elementare. Deci numărul de coordinaţie al acestei reţele este 8. Cea de a doua sferă de coordinaţie (vecinii de ordinul doi) conţine şase atomi, dispuşi la distanţa a.

Figura 3.6 - Reţeaua cubică cu volum centrat: a - celula elementară; b - planele de maximă densitate în atomi {110}; c – interstiţii

octaedrice; d - interstiţii tetraedrice

In structura cubic cu volum centrat există de asemenea două tipuri de

interstiţii.

Page 30: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

30

Compactitatea structurii

hexagonale

Cele mai mari, de tip octaedric, sunt dispuse pe feţele celulei elementare (figura 3.6, c) şi sunt înconjurate de 6 atomi ai reţelei CVC dispuşi în vârfurile unui octaedru regulat. Interstiţiile mai mici - de tip tetraedric - sunt înconjurate de 4 atomi ce ocupă vârfurile unui tetraedru neregulat (figura 3.6, d).

Dacă structura CVC este formată din sfere dure compacte, atunci în golurile tetraedrice se vor putea introduce sfere de rază 0,291 r, iar în golurile octaedrice sfere cu raza - 0,154 r, raze ce sunt mai mici decât cele corespunzătoare reţelei CFC.

In reţeaua cubică cu volum centrat nu există plane de maximă densitate în atomi similare cu cele din reţeaua cubică cu feţe centrate {111}. In cazul acesta planele cu maximă densitate în atomi sunt 12 plane (110} (figura 3.6, b). In aceste plane sunt două direcţii de maximă densitate în atomi, de-a lungul cărora atomii sunt tangenţiali.

Gradul de compactitate - η al reţelei cubic cu volum centrat, calculat cu ajutorul relaţiei (1.1), are valoarea de 68%, deci mai mică decât cea a reţelei cubic cu feţe centrate (74 %).

3.2.3. Structura hexagonal compacta – HC

Structura hexagonal compactă - A3, HC este formată din straturi suprapuse de atomi. Fiecare atom, în cadrul unui strat, este înconjurat de alţi 6 atomi dispuşi la distanţe egale a. Distanţa între straturi este egală cu înălţimea celulei elementare = c.

Fiecare atom dintr-un strat are câte 3 atomi vecini situaţi în plane intermediare, de o parte şi alta a straturilor atomice (figura 3.7, a) la distanţe egale cu a′, unde:

22

41

31

caa +=′

Dacă raportul c/a este egal cu (8/3)1/2 = 1,6330 atunci a′ devine egal cu a. O asemenea structură devine "ideal compactă", având numărul de coordinaţie - Nc - egal cu cel al reţelei CFC, adică 12.

Raportul c/a pentru majoritatea metalelor cu structura hexagonal compactă este cuprins între 1,56 şi 1,63, adică este ceva mai scăzut decât valoarea ideală. Excepţie fac zincul şi cadmiul care au c/a egal cu 1,86 şi respectiv 1,89.

In reţeaua hexagonal compactă există de asemenea 2 tipuri de interstiţii, ilustrate în figura 3.7, c, d. Poziţia interstiţiilor octaedrice este indicată în figură pe exemplul structurii arseniurii de nichel, în care atomii de As formează o reţea hexagonal compactă, iar atomii de nichel ocupă golurile octaedrice, formând o reţea hexagonală simplă cu înălţimea egală cu jumătate din înălţimea celulei elementare. In figura 3.7, d sunt ilustrate interstiţiile de tip tetraedric.

Page 31: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

31

Modificările alotropice ale

Fe

Figura 3.7 - Reţeaua hexagonal compactă: a - celula elementară; b - ordinea de suprapunere a planelor compacte (00.1) şi {111}; c -

interstiţii octaedrice; d - interstiţii tetraedrice

3.3. Modificări alotropice ale elementelor metalice

Multe elemente metalice, la încălzire sau răcire, pot suferi diferite modificări cristalografice, numite modificări alotropice. In tabelul 3.1 sunt indicate modificările alotropice stabile sub temperatura de topire, începând cu modificările de temperatură înaltă. Se observă următoarele două caracteristici generale:

1 - La temperaturi înalte, structura CVC este mai stabilă decât structurile CFC şi HC.

2 - Apariţia alotropiei este caracteristică în special pentru metalele care au o diferenţă nesemnificativă între energiile nivelelor electronice ns, np, (n - 1)d şi (n -2)f, adică pentru metalele grupei II A, metalele de tranziţie şi elementele dispuse la începutul seriilor de lantanide şi actinoide.

In cazul metalelor de tranziţie, de exemplu fierul, influenţa structurii electronice asupra căldurii specifice Cp devine la fel de importantă ca şi vibraţia atomilor din reţea. Seitz a presupus că trecerea la 912°C a fierului α cu structura CVC, în fier γ cu structura CFC, se datorează temperaturii caracteristice Debay, care este mai scăzută pentru Fe - γ decât pentru Fe - α. Dar, în jurul temperaturii de 1300°C, căldura specifică a Fe - α este mai mare decât cea a Fe - γ şi, astfel, la atingerea temperaturii de 1400°C are loc revenirea la structura CVC.

Page 32: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

32

Tabelul 3.1

Test de autoevaluare 3.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce reprezinta celula elementara a unei retele cristaline? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 3.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Cate sisteme cristaline si tipuri de retele cristalografice a definit Auguste Bravais? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

Page 33: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

33

Test de autoevaluare 3.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt retelele cristaline tipice materialelor metalice? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 3. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 3 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 3

1. Care sunt parametrii celulei elementare ai sistemului cubic? 2. Ce reprezinta un plan de maxima densitate in atomi? 3. Determinati N – numarul de noduri pe celula - pentru reteaua

cristalina CVC. 4. Calculati gradul de compactitate al retelei cristaline CFC. 5. Comparati gradul de compactitate al retelei CVC cu cel al retelei

CFC. 6. Cum sunt dispusi atomii in reteaua HC? 7. Care sunt modificarile alotrtopice ale fierului? Barem:

Intrebarea nr. Punctaj maxim acordat 1 1 2 1 3 2 4 2 5 2 6 1 7 1

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

3.1. Celula elementara reprezinta cea mai mica grupare de atomi dintr-o retea cristalina, de forma paralelipipedica, caracterizata de 6 parametri: trei laturi ale celulei - a, b, c şi cele trei unghiuri delimitate de acestea - α, β, γ.

3.2. 7 sisteme cristaline si 14 tipuri de retele spatiale cristalografice

3.3. CFC – cubic cu fete centrate; CVC – cubic cu volum centrat; HC – hexagonal compact;

Page 34: Sim Lectii+Intrebari

Structura cristalina a unui material metalic

34

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 3

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 1.4;

Page 35: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

35

Unitatea de învăţare Nr. 4 – UI-4

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 4…………………………………………………….. 36

4.1. Definirea si clasificarea defectelor de retea cristalina. 36

4.2. Defecte punctiforme de retea cristalina. 36

4.3. Defecte liniare de retea cristalina. 38

4.4. Defecte de suprafata de retea cristalina. 41

4.5. Defecte de volum de retea cristalina. 44

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 4……………………………….... 45

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 46

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 4………………………………………….. 46

Page 36: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

36

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 4

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 4 sunt:

• Definirea, clasificarea, descrierea si proprietatile defectelor de retea cristalina ce pot sa apara in structura reala a unui material metalic

CONTINUTUL UI-4.

Grăunţi de material

Cristale reale

Defecte

4.1. Definirea si clasificarea defectelor de retea cristalina.

In mod real, un metal este format dintr-un număr mare de mici cristale de formă neregulată, numite grăunţi. In fiecare grăunte, reţeaua cristalină are o orientare absolut arbitrară - figura 4.1. In unele cazuri, de exemplu după deformarea plastică la rece, orientarea grăunţilor devine preferenţială, pe direcţia de deformare plastică, numindu-se orientare texturată.

Figura 4.1 - Structura unui material policristalin (a - o orientare întâmplătoare a reţelei cristaline a grăunţilor; b – după prelucrarea prin deformare plastică)

Suprafeţele de separare dintre grăunţi se numesc limite de grăunte. Metalul format dintr-o multitudine de grăunţi cristalini este policristalin. In anumite condiţii, printr-o solidificare foarte lentă şi controlată, se poate obţine un metal format doar dintr-un singur cristal numit monocristal. La ora actuală, în condiţii de laborator, se pot obţine monocristale cu o greutate de câteva sute de grame şi chiar mai mult.

Cristalele întâlnite în natură, precum monocristalele sau grăunţii din policristale, nu prezintă un caracter strict periodic al distribuţiei atomilor în reţea, cu alte cuvinte nu sunt cristale "ideale". In realitate, cristalele "reale" conţin o serie de defecte în construcţia cristalină.

Defectele din cristale se clasifică din punct de vedere dimensional în:

§ defecte punctiforme (zerodimensionale); § defecte liniare (unidimensionale); § defecte de suprafaţă (bidimensionale); § defecte de volum (tridimensionale);

4.2. Defecte punctiforme de retea cristalina.

Page 37: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

37

Vacanţe

Interstiţiali

Impurităţi

Defectele punctiforme sunt acele neregularităţi ale reţelei cristaline comparabile dimensional cu mărimea unui atom. In cadrul defectelor punctiforme întâlnim următoarele tipuri (figura 4.2):

1 - vacanţele (noduri ale reţelei cristaline fără nici un atom) 2 - atomi interstiţiali (atomii ce se află interpuşi între nodurile reţelei

cristaline) 3 - atomi de impuritate de substituţie (atom de impuritate ce substituie

un atom al metalului de bază) 4 - atomi de impuritate interstiţial (atom de impuritate dispus în

interstiţiile reţelei cristaline)

Figura 4.2 - Schema defectelor punctiforme într-un cristal: 1 - vacanţă; 2 – atom interstiţial; 3 - atom de impuritate de substituţie; 4 - atom de impuritate

interstiţial;

La trecerea unui atom din starea de echilibru (din nod) în poziţie interstiţială, i-a naştere o pereche “vacanţă - atom interstiţial”, care se numeşte "defect Frankel". Dacă atomul dintr-un nod iese la suprafaţa cristalului, atunci se formează un "defect Schottky".

Defectele punctiforme reprezintă centri locali de distorsionare a reţelei cristaline, cu dimensiuni de ordinul a câteva diametre atomice. Deşi necesită o anumită cantitate de energie pentru formarea lor, aceste defecte se află în echilibru din punct de vedere termodinamic, cu alte cuvinte ele există întotdeauna într-un cristal. Aceasta se explică prin faptul că defectele punctiforme cresc entropia sistemului.

Ca urmare, energia liberă F = U - TS poate să scadă până la o valoare corespunzătoare unei concentraţii de echilibru a defectelor punctiforme. Calculul acestei concentraţii se realizează cu ajutorul următoarei relaţii:

Cv = n / N = e -E/kT

unde:

Cv - concentraţia de vacanţe dintr-un cristal n - numărul de vacanţe din cristal N - numărul de atomi din cristal E - energia necesară pentru trecerea unui atom dintr-un nod al reţelei din

interiorul cristalului într-un nod de la suprafaţă - energia de formare a unei vacanţe;

Pentru cupru, de exemplu Cv = 10 -19 la 300 K şi Cv = 10 -5 la 1100 K, adică o vacanţă corespunde la 100.000 de atomi.

Page 38: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

38

Dislocaţii

Energia de formare a unei vacanţe este de ordinul a 1 eV, iar energia de formare a unui atom interstiţial este de ordinul a ~ 3 eV, fapt explicabil prin aceea că un atom interstiţial duce la o distorsionare mai accentuată a reţelei decât o vacanţă.

Concentraţia de defecte punctiforme poate fi mărită prin iradiere cu particule elementare de energie înaltă, prin deformare plastică, sau prin călire de la temperaturi înalte (răcire ultrarapidă), ce "îngheaţă" concentraţia de vacanţe de la temperaturi ridicate.

Vacanţele pot interacţiona între ele formând perechi – bivacanţe - sau chiar aglomerări de vacanţe. Mişcarea vacanţelor în cristal joacă un rol important într-o serie de procese precum difuzia în aliaje, alunecarea etc.

4.3. Defecte liniare de retea cristalina.

Defectele liniare dintr-un cristal, numite si dislocatii, se caracterizează prin aceea că dimensiunea lor transversală nu depăşeşte câteva distanţe interatomice, pe când lungimea lor poate atinge dimensiunea întregului cristal.

Dislocaţiile pot fi marginale sau elicoidale (vezi figura 4.3).

Dislocaţia marginală reprezintă limita unui plan atomic incomplet (extraplan). Dislocaţia elicoidală rezultă prin alunecarea unei regiuni dintr-un cristal faţă de altă regiune. Dacă într-o reţea ideală se trasează un contur (conturul Bürgers) în jurul unui punct arbitrar ales, cu stabilirea unui anumit număr de parametri de reţea în jurul acestui punct, atunci conturul Bürgers se va închide. Intr-o reţea reală, conform figurii 4.4 care conţine o dislocaţie, conturul Bürgers nu se închide, diferenţa reprezentând-o vectorul Bürgers-br

. Pentru dislocaţia marginală, vectorul Bürgers este perpendicular pe linia de dislocaţie - ( )lbl

rrr⊥ , iar pentru dislocaţia elicoidală - b

r lr

.

Figura 4.3 - Schema unei dislocaţii marginale (a) şi elicoidale (b) dintr-o reţea cristalină

Page 39: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

39

Energia unei dislocaţii

In cristalele reale se pot, de asemenea, întâlni şi aşa numitele dislocaţii mixte, care au unghiul între vectorii b şi l arbitar (deci diferit de 0° sau 90°).

Energia unei dislocaţii se stabileşte pe baza următoarei formule:

Ed = α G b2 l 1.3

unde: α = 0,5....10; G - modulul de alunecare; b - vectorul Bürgers; l - lungimea dislocaţiei.

Forta f ce acţionează asupra unităţii de lungime a dislocaţiei este egală cu produsul dintre vectorul Bürgers b şi componenta tangenţială din planul de alunecare a tensiunii:

f = b τ 1.4

In cazul curbării dislocaţiei, tensiunea τ necesară pentru curbare va avea următoare expresie:

rGbα

τ = 1.5

unde: α - coeficient; G - modulul de alunecare; b - vectorul Bürgers; r - raza de curbură;

Figura 4.4 - Schema de deformare plastică prin alunecarea unei dislocaţii marginale într-o reţea cubic simplă:

a – starea iniţială a dislocaţiei marginale (⊥); b – conturul Burgers din jurul dislocaţiei şi alunecarea acesteia; c – conturul Burgers pentru o reţea nedeformată, după alunecare.

Page 40: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

40

Densitatea de dislocaţii

Interacţiunea dislocaţiilor

Densitatea de dislocaţii - ϕ reprezintă numărul de linii de dislocaţii ce intersectează o suprafaţă de 1 cm3 în interiorul metalului. Pentru majoritatea monocristalelor ϕ are valoarea cuprinsă între 103 - 104, iar pentru metalele puternic deformate ϕ = 1012.

Existenţa dislocaţiilor într-un cristal crează în jurul acestora câmpuri de tensiuni sub acţiunea cărora dislocaţiile pot interacţiona între ele.

Sub acţiunea forţelor exterioare, dislocaţiile se deplasează (alunecă), realizându-se deformarea plastica a materialului. Deplasarea dislocaţiilor în planul de alunecare duce la ruperea şi la formarea, ulterior, a unor noi legături interatomice pe linia de dislocaţie (figura 4.4). Drept urmare, deformarea plastică se poate realiza la tensiuni exterioare mici, mult mai scăzute decât cele necesare pentru deformarea plastică a unui cristal ideal, care nu are dislocaţii şi în cadrul căruia este necesară ruperea legăturilor interatomice pe întregul plan de alunecare.

Modul de interacţiune între dislocaţiile existente într-un cristal poate cuprinde următoarele variante:

1 - Dislocaţiile marginale de semne diferite, din acelaşi plan de alunecare, se vor atrage, astfel încât apropierea lor va duce la scăderea distorsiunilor reţelei cristaline. Când extraplanul superior (dislocaţie marginală pozitivă, simbolizată cu ⊥) va coincide cu extraplanul inferior (dislocaţie marginală negativă, simbolizată cu T), cele două dislocaţii se anulează reciproc, se anihilează.

2 - Dislocaţiile marginale de acelaşi semn, din acelaşi plan de alunecare, se resping, situându-se la distanţe mari una faţă de alta.

3 - Dislocaţiile marginale de semne diferite din plane de alunecare adiacente, se vor atrage.

4 - Dislocaţiile de acelaşi semn se grupează în "pereţi de dislocaţii”.

Asemenea pereţi formează limite la unghiuri mici (vezi figura 4.7), care împart cristalul în părţi mai mici. Acest proces se numeşte "poligonizare". In interiorul acestor poligoane practic nu mai există dislocaţii.

Principalul mecanism de înmulţire a dislocaţiilor prin deformare plastică se realizează cu ajutorul surselor Frank - Read (figura 4.5). Acestea reprezintă dislocaţii cu capetele blocate, care sub acţiunea forţelor de deformare se curbează creând noi dislocaţii.

Deoarece deformarea plastică în corpurile cristaline se realizează prin mişcarea dislocaţiilor, un metal se poate durifica prin blocarea alunecării acestor dislocaţii.

Dislocaţiile au o influenţă semnificativă nu numai asupra proprietăţilor de rezistenţă şi plasticitate a metalelor, ci şi asupra proprietăţilor fizice ale acestora, crescând rezistenţa electrică, viteza de difuzie, etc.

Page 41: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

41

Surse Frank-Read

Defecte de împachetare

Macle

Figura 4.5 - Schema de multiplicare a dislocaţiilor prin sursele Frank-Read

4.4. Defecte de suprafata de retea cristalina.

Defectele de suprafaţă dintr-o reţea cristalină prezintă dimensiuni mult mai mari pe două axe de coordonate, faţă de dimensiunea de câteva distanţe interatomice corespunzătoare celei de a treia axe de coordonate.

Dintre aceste defecte fac parte:

v defectele de împachetare v maclele v limitele de grăunte v suprafeţele exterioare ale cristalului.

Defectul de împachetare reprezintă o abatere locală a distribuţiei din cristal a planelor de maximă densitate în atomi.

De exemplu, în reţeaua CFC, planele de maximă densitate în atomi {111} sunt dispuse astfel încât fiecare al patrulea strat se află în aceeaşi poziţie ca şi primul. Dar, prin schimbarea succesiunii acestor planuri {111} astfel încât fiecare al treilea strat să se repete, va duce la formarea defectului de împachetare.

Defectul de împachetare nu crează, precum defectele punctiforme sau liniare, câmpuri de tensiuni interne. Totuşi, ele dispun de o energie, care pentru aluminiu, de exemplu, este de 2 ⋅ 10-5 J / cm2, iar pentru cupru este de 0,4-5 J / cm2.

Maclele reprezintă un alt tip de defect de suprafaţă. Acestea se formează printr-o reorientare simetrică a unor regiuni din reţeaua cristalină. Reţeaua din interiorul maclei este imaginea în oglindă a reţelei din restul cristalului.

De obicei, deformarea plastică prin maclare se produce în cazul când deformarea prin alunecare, adică prin deplasarea dislocaţiilor, este îngreunată. Maclarea presupune rearanjarea poziţiilor atomilor sub acţiunea efectului aplicat, determinând reorientări cristalografice mai favorabile deformării plastice în continuare a materialului metalic. Subiectul maclelor si al deformării plastice prin alunecare sau maclare va fi dezbătut pe larg în capitolul de deformare plastică a materialelor metalice.

Page 42: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

42

Blocuri în mozaic

Cercetările structurale de microscopie a metalelor au arătat faptul că grăunţii dintr-un policristal nu sunt monolitici, monocristale perfecte, ci sunt compuşi din subgrăunţi (blocuri în mozaic - figura 4.6), cu un unghi de dezorientare între ei foarte mic, de ordinul minutelor. Limitele de subgrăunte (sublimitele) şi limitele de grăunte din metale se împart în limite la unghiuri mici (când unghiul de dezorientare < 5 °) şi limite la unghiuri mari (> 5 °).

Figura 4.6 - Blocuri în mozaic

Figura 4.7 - Dispunerea dislocaţiilor într-o limită la unghiuri mici

Figura 4.8 – Schema limitelor interfazice: a) coerente; b) semicoerente; c) incoerente;

Page 43: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

43

Limite de grăunte

Mărimea de grăunte

Limitele la unghiuri mici se întâlnesc, de regulă, între subgrăunţi şi sunt formate fie din dislocaţii marginale paralele (limita înclinată – figura 4.7), fie din dislocaţii elicoidale - limită răsucită.

Structura limitelor la unghiuri mari este mult mai complicată.

In figura 4.8 se indică faptul că limitele dintre grăunţi şi faze pot să coincidă (să fie coerente), să coincidă parţial (să fie semicoerente), sau să nu coincidă de loc (să fie incoerente).

Limita dintre grăunţi reprezintă o zonă de trecere foarte îngustă, cu grosimea de aproximativ 5-10 distanţe interatomice (vezi figura 4.9). Dispunerea dezordonată a atomilor din această zonă se accentuează prin acumularea de dislocaţii şi de incluziuni.

Figura 4.9 – Configuraţia grăunţilor şi a limitei dintre aceştia

Planele şi direcţiile de alunecare din graunţii învecinaţi nu coincid.

Alunecarea se dezvoltă iniţial în graunţii cu orientări favorabile. Orientarea diferită a sistemelor de alunecare nu permite dislocaţiilor trecerea în grăunţii învecinaţi şi astfel, atingând limita de grăunte, acestea se opresc aici. Tensiunile datorate acumulării de dislocaţii la limita de grăunte se transmit în grăunţii învecinaţi, fapt care duce la activarea în aceştia a surselor de formare de noi dislocaţii (sursele Frank-Read). Are loc, astfel, transferul de deformaţie de la unii grăunţi la alţii, similar predării ştafetei din bine-cunoscuta probă de atletism.

Ca urmare a faptului că limita de grăunte împiedică alunecarea dislocaţiilor, reprezentând zone de acumulări mari de incluziuni, acestea au o influenţă semnificativă asupra proprietăţilor mecanice ale materialului metalic.

Prin mărimea de grăunte se înţelege valoarea diametrului său mediu. Această determinare este convenţională, deoarece forma reală a grăuntelui din materialele metalice variază în limite foarte largi – de la câţiva micrometri la milimetri. De exemplu, o dimensiune medie a grăuntelui de 10 puncte (punctaj 10, apreciat după un standard special care cuprinde valori de la 1 la 10) reprezintă numărul de grăunţi cuprinşi în 1 mm2 de suprafaţă a şlifului, la o mărire de 100:1 – figura 4.10.

Cu cât este mai fină granulaţia, cu atât este mai mare limita de curgere şi rezistenţa materialului.

Page 44: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

44

Punctajul granulaţiei

De asemenea, plasticitatea şi tenacitatea materialului vor fi mai mari, cea de-a doua fiind deosebit de importantă pentru materialele care lucrează la temperaturi scăzute. Valorile ridicate ale acestor două caracteristici sunt asigurate de o compoziţie uniformă, de o granulaţie fină uniformă, de lipsa defectelor structurale care pot provoca fisuri.

Figura 4.10 – Punctajul de determinare a mărimii de grăunte (SR ISO 643)

4.5. Defecte de volum de retea cristalina.

Defectele de volum (tridimensionale) sunt reprezentate de fisuri macroscopice, pori, sufluri, formate în diferitele etape ale procesului tehnologic de elaborare prin turnare sau de prelucrare a semifabricatelor. Este evident, în acest caz, rolul negativ al acestor defecte.

Page 45: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

45

Test de autoevaluare 4.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Clasificati, din punct de vedere dimensional, defectele de retea cristalina ce pot sa apara intr-un material metalic. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 4.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce este dislocatia marginala? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 4.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Definiti defectele de volum intr-o retea cristalina. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 4. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 4 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 4

1. Descrieti tipurile de defecte punctiforme e retea cristalina. 2. Ce defect punctiform are o energie de formare mai mare: vacanta sau atomul interstitial? 3. In ce conditii pot interactiona intre ele dislocatiile marginale? 4. Ce reprezinta sursele Frank-Read? 5. Ce influenta au defectele de retea cristalina asupra proprietatilor unui material metalic (limita de curgere si rezistenta mecanica)? 6. Ce sunt blocurile in mozaic? 7. Ce intelegeti prin limita coerenta de graunte?

Page 46: Sim Lectii+Intrebari

Defecte de retea cristalina in structura materialelor metalice

46

Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 1 2 1 3 1 4 2 5 2 6 1 7 2

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

4.1. Defectele de retea cristalina se impart in: defecte punctiforme, defecte liniare (dislocatii), defecte de suprafata si defecte de volum.

4.2. Dislocaţia marginală reprezintă limita unui plan atomic incomplet (extraplan).

4.3. Defectele de volum sunt defecte tridimensionale de retea cristalina, reprezentate de fisuri macroscopice, pori, sufluri, ce se formeaza în diferitele etape ale procesului tehnologic de elaborare prin turnare sau de prelucrare a semifabricatelor.

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 4

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 1.5;

Page 47: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

47

Unitatea de învăţare Nr. 5 – UI-5

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 5…………………………………………………….. 48

5.1. Definirea notiunii de faza structurala intr-un material metalic 48

5.2. Tipuri de faze în sistemele de aliaje 48

5.3. Faza - Metal pur 48

5.4. Faza - Soluţie solida 5.4.1. Solubilitatea în stare solidă 5.4.2. Factorii Hume-Rothery ce determină solubilitatea în stare solidă 5.4.3. Soluţii solide pe baza unui compus chimic

49

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 5……………………………….... 54

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 54

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 5………………………………………….. 55

Page 48: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

48

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 5

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 5 sunt:

• definirea notiunii de faza structurala intr-un material metalic • prezentarea caracteristicilor generale ale fazelor structurale • prezentarea fazei metal pur • prezentarea fazei solutie solida

CONTINUTUL UI-5:

FAZA

Definiţie

Tipuri de fază

5.1. Definirea notiunii de faza structurala intr-un material metalic

Orice substanţă, considerată ca un sistem, se poate afla, în funcţie de temperatură şi presiune, în stare solidă, lichidă sau gazoasă. Forţa motrice a transformărilor dintr-o stare în alta (cauze şi mecanisme) a fost mult timp necunoscută.

Chimia - fizică defineşte noţiunea de “sistem” ca un ansamblu de substanţe separate (elemente chimice sau diferite legături chimice independente) între care pot avea loc schimburi de energie sau procese de difuzie. Substanţele ce alcătuiesc sistemul se numesc “componentele sistemului”.

“Faza” reprezintă acea regiune omogenă a sistemului delimitată de altă regiune printr-o suprafaţă de separare, la intersecţia căreia se înregistrează o variaţie bruscă de proprietăţi.

5.2. Tipuri de faze în sistemele de aliaje

Metalele pure au numeroase utilizări în practică însă, cel mai adesea, sunt folosite sub forma de amestecuri de metale, numite aliaje.

Aliajul este un material metalic obţinut prin amestecul unui metal cu alte metale sau metaloide. Aceste amestecuri se realizează de cele mai multe ori prin topire şi solidificare. Totalitatea aliajelor alcătuite din aceiaşi componenţi, însă în proporţii diferite, formează un sistem de aliaje. Există două tipuri de aliaje: aliaje cu o singură fază - monofazice şi aliaje cu faze multiple - plurifazice.

In materialele metalice se pot forma următoarele tipuri de faze solide:

I - metal pur II - soluţie solidă III - compus chimic

5.3. Faza - Metal pur

Faza metal pur este alcătuită dintr-o singură specie de atomi, caracterizându-se printr-o reţea cristalină specifică. Curbele de răcire ale metalului pur prezintă palier la temperatura de solidificare şi la temperaturile transformărilor polimorfe. Metalul pur se caracterizează prin conductibilitate electrică şi termică ridicată, plasticitate mare şi proprietăţi de rezistenţă scăzute (duritate, limită de curgere, rezistenţă la rupere).

Page 49: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

49

Solubilitate

Soluţii solide de substituţie

5.4. Faza - Soluţie solida

5.4.1. Solubilitatea în stare solidă

In stare lichidă, majoritatea aliajelor metalice utilizate în tehnică formează topituri omogene, adică soluţii lichide. La trecerea în stare solidă, în multe astfel de aliaje se păstrează omogenitatea, deci solubilitatea. Faza solidă ce se formează ca rezultat al cristalizării unui asemenea aliaj se numeşte “soluţie solidă”.

Analiza chimică şi spectrală indică prezenţa în soluţiile solide a două sau mai multe elemente, în timp ce analiza metalografică a acestui tip de fază, ca şi în cazul metalului pur, prezintă o structură formată din grăunţi omogeni (figura 5.1). Analiza cu raze X, la rândul său, indică prezenţa unui singur tip de reţea cristalină, atât în cazul soluţiei solide, cât şi în cazul metalului pur.

Figura 5.1 - Schema microstructurii unei soluţii solide

Rezultă faptul că faza soluţie solidă este formată dintr-un singur tip de

cristale, toate având acelaşi tip de reţea cristalină. In plus, soluţia solidă poate exista într-un interval de concentraţie a componenţilor. Structura soluţiilor solide se formează ca urmare a penetrării în reţeaua componentului metalic de bază (solventul) a atomilor solubili. Din punct de vedere al pozitionarii atomilor solubili in reteaua solventului, se disting două cazuri diferite:

a) Soluţii solide de substituţie

In figura 5.2.a este ilustrată schema reţelei cristaline a metalului de bază - A (solventul). In aceeaşi figură (schema b) o parte din atomii de solvent A este substituită de atomii componentului solubil B, rezultând reţeaua cristalină a soluţiei solide de substituţie.

Soluţiile solide de substituţie pot avea solubilitatea limitată sau nelimitată. In cazul solubilităţii nelimitate, reţeaua cristalină a componentului de bază, pe măsură ce creşte concentraţia componentului solubil, se transformă treptat în reţeaua cristalină a componentului solubil.

In soluţiile solide cu solubilitate limitată, concentraţia elementului solubil este posibilă doar până la o anumită limită. Prin creşterea ulterioară a acestei concentraţii, soluţia solidă se descompune, formând amestecuri bifazice. Variaţia cu temperatura a solubilităţii componenţilor din soluţia solidă se poate explica pe baza legilor termodinamicii.

Page 50: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

50

Soluţii solide interstiţiale

Clusteri

Figura 5.2 - Schema reţelelor cristalografice pentru: a - metalul de bază (solventul); b - soluţie solidă de substituţie; c - soluţie solidă interstiţială;

b) Soluţii solide interstiţiale

Soluţiile solide interstiţiale se formează prin pătrunderea atomilor componentului solubil în interstiţiile reţelei cristaline a componentului de bază (solventul). Acest lucru este posibil dacă atomii solubili sunt dimensional mult mai mici decât atomii solventului (ca de exemplu atomii de H, C, N, B) cu diferenţe mari de diametre atomice, de aproximativ 45 - 59%. In figura 5.2.c este ilustrată schematic reţeaua cristalină a unei soluţii solide interstiţiale. Reţeaua cristalină a unei soluţii solide interstiţiale este aceea corespunzătoare solventului, care este evident totdeauna elementul cu diametrul mai mare. Prezenţa atomilor dizolvaţi vor determina o distorsionare a reţelei cristaline şi o uşoară creştere a parametrului reţelei.

In general, soluţiile solide se simbolizează cu ajutorul literelor mici ale alfabetului grecesc (α, β, γ, δ...). Atât soluţiile solide de substituţie, cât şi cele interstiţiale, pot fi dezordonate, cu o distribuţie statistică a atomilor în reţea, cât şi parţial sau total ordonate, cu un anumit aranjament al atomilor în reţea. Soluţiile solide total ordonate se numesc suprastructuri. Există şi situaţii când atomii de un anumit tip au o tendinţă mai accentuată de învecinare, fapt ce duce la formarea de clusteri în soluţia solidă. Aceşti clusteri, la rândul lor, pot fi distribuiţi dezordonat, sau pot forma structuri ordonate sau orientate, creând astfel suprastructuri complexe în cadrul soluţiilor solide. In figura 5.3 sunt arătate schematic diferite tipuri de soluţii solide.

Figura 5.3 - Ilustrarea schematică a soluţiilor solide: a) soluţie solidă de substituţie cu distribuţie dezordonată a atomilor; b) soluţie solidă de substituţie ordonată; c) soluţie solidă

interstiţială cu distribuţie dezordonată a atomilor; d) formarea de clusteri de atomi de un anumit tip într-o soluţie solidă.

In procesul de distribuţie al atomilor solubili (în special în cazul soluţiilor solide interstiţiale) o importanţă deosebită prezintă structura de dislocaţii. De regulă, în jurul dislocaţiilor se acumulează un număr mare de atomi dizolvaţi, formând aşa numitele "atmosfere Cottrell", care îngreunează deplasarea dislocaţiilor, crescând duritatea materialului.

Page 51: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

51

Duritatea soluţiei solide

Solubilitatea soluţiilor solide

Pentru o imagine mai cuprinzătoare a posibilelor defecte ce pot apare în cadrul unei soluţii solide, în figura 5.4 se indică schema bidimensională a unei regiuni dintr-o soluţie solidă, în cazul de faţă de substituţie.

Importanţa şi efectele prezenţei unor asemenea defecte de reţea în diferitele soluţii solide vor fi analizate în cadrul altor capitole.

Duritatea materialului, în cazul soluţiilor solide, creşte şi datorită variaţiei parametrilor reţelei cristaline. In general, indiferent de tipul metalelor, duritatea relativă a soluţiei solide este proporţională cu variaţia relativă a parametrilor de reţea (scăderea parametrului de reţea determină o durificare mai mare decât creşterea acestui parametru).

Figura 5.4 - Schema bidimensională structurală a unei regiuni dintr-o soluţie solidă de substituţie: L - vacanţă; B - atom interstiţial; S - atom de impuritate; A - limită antifază; Z -

limită de maclă; K - limită la unghi mic; G - limită la unghi mare; P - limită coerentă interfazică rezultată prin alunecare; P′ - limită coerentă interfazică rezultată prin forfecare; ⊥ -

dislocaţie

5.4.2. Factorii Hume-Rothery ce determină solubilitatea în stare solidă

Fenomenul de interacţiune între diferiţi atomi se reduce, de fapt, la interacţiunea între electroni, motiv pentru care se apelează la legile mecanicii cuantice. La ora actuală, însă, teoriile existente ale corpului solid nu sunt capabile să explice întru-totul multitudinea factorilor ce determină structura şi diferitele proprietăţi ale soluţiilor solide. Asemenea factori, precum natura chimică sau diferenţa dimensională a atomilor, sunt explicaţi aproape empiric, iar structura electronică pentru descrierea căreia există teorii mult mai avansate, este explicată complet doar în câteva cazuri simple.

Cu toate acestea, Hume - Rothery a fost acela care, după îndelungate cercetări, a formulat o serie de reguli generale referitoare la solubilitatea limitată a soluţiilor solide marginale şi la domeniile de existenţă şi stabilitate a anumitor faze intermediare.

Page 52: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

52

Factor dimensional

Factor de izomorfism

Caracter electrochimic

Concentraţie electronică

Aceste reguli ţin seama de diferenţa între razele atomice relative ale elementelor componente, de diferenţele de electro-chimie între acestea şi de valenţele relative. Regulile Hume - Rothery sunt formulate în felul următor:

♦ Dacă diferenţa dimensională a atomilor elementelor ce formează aliajul depăşeşte 14 - 15%, atunci solubilitatea în stare solidă va fi limitată.

Tensiunea reţelei produsă prin atomii dimensionaţi diferit este prea mare pentru a permite solubilitatea nelimitată. Valoarea de 15% este variabilă de la caz la caz. Astfel, s-a constatat ca în fier, de exemplu, sunt solubile nelimitat numai acele elemente a căror dimensiune atomică diferă de cea a fierului nu mai mult de 8%. Alte metale (Cu, de exemplu) formează serii continue de soluţii solide, pentru diferenţe ale razelor atomice de până la 10 - 11%, iar elementele uşor fuzibile, cu un modul de elasticitate mic (de ex. seleniul, telurul), sunt solubile nelimitat unele în altele pentru o diferenţă atomică ce merge până la 17%.

Această regulă este cunoscută ca regula “factorului dimensional”, şi reprezintă o regulă necesară, dar nu şi suficientă pentru formarea soluţiilor solide.

♦ Cea de-a doua condiţie de formare a soluţiilor solide nelimitate este existenţa aceluiaşi tip de reţea cristalină pentru ambii componenţi, adică condiţia de izomorfism.

Dacă reţelele cristaline nu sunt aceleaşi, dar sunt asemănătoare (de exemplu cubic cu feţe centrate şi tetragonal) atunci este posibilă o trecere treptată de la un tip de reţea la celălalt, cu formarea şi în acest caz a unei serii continue de soluţii solide.

♦ Caracterul electrochimic al elementelor componente să fie acelaşi. Solubilitatea nelimitată apare între acele elemente care sunt situate

foarte aproape unul de altul în tabelul periodic al lui Mendeleev, adică stratul de valenţă este asemănător sau, cu alte cuvinte, elementele componente au aproximativ aceeaşi electronegativitate. Dacă au electronegativităţi diferite, aceste elemente vor avea o tendinţă mai pronunţată spre formarea de compuşi chimici şi nu de soluţii solide.

♦ Concentraţia electronică. Cercetările empirice au arătat că în multe sisteme de aliaje unul dintre cei mai importanţi factori, ce determină gradul de solubilitate în stare solidă precum şi stabilitatea anumitor faze intermediare este concentraţia electronică.

Acest parametru reprezintă numărul tuturor electronilor de valenţă raportat la o celulă elementară, cu condiţia ca toate nodurile reţelei cristaline să fie ocupate. Dar, concentraţia electronică poate fi reprezentată şi ca raportul tuturor electronilor de valenţă la numărul de atomi. In acest caz, concentraţia electronică se notează cu e/a.

Hume - Rothery a arătat faptul că solubilitatea reciprocă a două elemente date, în stare solidă, este legată de valenţele relative ale acestora. Astfel, solubilitatea în elementul cu o valenţă mai mică este întotdeauna mai mare decât solubilitatea în elementul cu valenţă mai mare. Acest principiu general este numit uneori "efectul valenţei relative".

Page 53: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

53

B solubil în reţeaua AmBn

5.4.3. Soluţii solide pe baza unui compus chimic

Am urmărit soluţiile solide care se formează pe baza componenţilor puri, cu reţeaua unuia din componenţii aliajului. Dar capacitatea de formare a soluţiilor solide nu este proprie numai elementelor pure, ci şi compuşilor chimici. In aceste cazuri, se păstrează reţeaua compusului chimic AnBm, iar cantitatea de atomi în exces, de exemplu de atomi B, se dizolvă înlocuind în reţea o anumită cantitate de atomi A. Este posibilă de asemenea şi dizolvarea unui al treilea element C în reţeaua compusului chimic. In acest caz, atomii de C înlocuiesc în nodurile reţelei cristaline atomii de A sau B.

La formarea soluţiilor solide pe baza compusului chimic, formula acestuia din urmă nu mai corespunde raportului real al atomilor din compus. Pentru compusul chimic care dizolvă atomi străini s-a stabilit următoarea regulă de notare: de exemplu, boridul de fier (Fe4B2) este capabil să dizolve crom şi carbon, cromul înlocuind fierul în nodurile reţelei, iar carbonul borul. Raportul (Fe+Cr) / (B+C) = 4/2 se păstrează, soluţia solidă pe baza compusului chimic Fe4B2 notându-se cu (Fe, Cr)4 (B, C)2. Uneori, această notare se simplifică, utilizând litera M pentru metale şi litera X pentru nemetale. Ca urmare, soluţia solidă de baza compusului chimic Fe4B2 se notează cu M4X2.

Formarea soluţiilor solide pe baza compuşilor chimici poate fi însoţită nu numai prin înlocuirea unor atomi din nodurile reţelei cristaline, ci şi prin neocuparea (vacanţe) unor noduri din reţea (soluţii solide lacunare). De exemplu, compusul CoAl poate cristaliza cu un exces de Co şi Al, faţă de raportul stoechiometric Co : Al = 1 : 1. In cazul excesului atomilor de Al, acesta se datorează faptului că nu toate nodurile reţelei cristaline, unde ar trebui să fie atomi de Co, sunt ocupate, rezultând "goluri" sau "vacanţe" în reţea.

Spre deosebire de soluţiile solide marginale care există în domenii largi de concentraţie, soluţiile solide pe bază de compuşi există într-un domeniu îngust de concentraţie.

Trebuie menţionat faptul că nu orice compus poate dizolva atomi în exces, care să ducă la formarea de soluţii solide. Există, de asemenea, şi compuşi care există numai sub formă de soluţii solide, neexistând sub formă de compus chimc pur.

Astfel, de exemplu, compoziţia exactă a compusului CuAl2 este 54,1%gr Cu. In realitate, acest compus există pentru un procent de cupru ce variază între 53,25% şi 53,9%, adică există numai în condiţiile înlocuirii unui număr de atomi de cupru cu aluminiu. Fără această substituire reţeaua CuAl2 nu poate exista.

Test de autoevaluare 5.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Definiti notiunea de faza structurala intr-un material metalic. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

Page 54: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

54

...

Test de autoevaluare 5.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt proprietatile fazei metal pur? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 5.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Enuntati regula de solubilitate Hume-Rothery, numita regula „factorului dimensional”. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 5. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 5 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 5

1. Ce sunt atmosferele Cottrell? 2. Definiti solutiile solide interstitiale. 3. Enuntati regulile Hume-Rothery de solubilitate nelimitata a unei

solutii solide. 4. Cum se formeaza solutiile solide pe baza unui compus chimic? 5. Ce sunt solutiile solide lacunare?

Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

Page 55: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea I

55

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

5.1. “Faza” reprezintă acea regiune omogenă a sistemului delimitată de altă regiune printr-o suprafaţă de separare, la intersecţia căreia se înregistrează o variaţie bruscă de proprietăţi.

5.2. Faza metal pur este alcătuită dintr-o singură specie de atomi, caracterizându-se printr-o reţea cristalină specifică. Curbele de răcire ale metalului pur prezintă palier la temperatura de solidificare şi la temperaturile transformărilor polimorfe. Metalul pur se caracterizează prin conductibilitate electrică şi termică ridicată, plasticitate mare şi proprietăţi de rezistenţă scăzute (duritate, limită de curgere, rezistenţă la rupere). 5.3. Dacă diferenţa dimensională a atomilor elementelor ce formează aliajul depăşeşte 14 - 15%, atunci solubilitatea în stare solidă va fi limitată.

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 5

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 2.1;

Page 56: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

56

Unitatea de învăţare Nr. 6 – UI-6

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 6…………………………………………………….. 57

6.1. Faza compus chimic 57

6.2. Constituienţi metalografici 61

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 6……………………………….... 64

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 64

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 6………………………………………….. 65

Page 57: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

57

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 6

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 6 sunt:

• Prezentarea fazei compus chimic si a constituentilor metalografici care se formeaza intr-un material metalic

CONTINUTUL UI-6:

Compuşi chimici

Caracteristici

Principii geometrice

6.1. Faza - Compus chimic

Compuşii chimici ce se pot forma în aliajele metalice sunt foarte variaţi şi prezintă următoarele caracteristici: Ø Reţeaua cristalină a compuşilor chimici este diferită de reţeaua

componenţilor ce formează compuşii; Ø Compusul chimic se caracterizează întotdeauna printr-un raport exact al

componenţilor, permiţând exprimarea compoziţiei printr-o formulă simplă de tip AnBm, AmBnCp, etc (compus binar, ternar, etc). Din acest motiv, li se mai atribuie denumirea de compuşi definiţi.

Ø Proprietăţile compusului chimic se deosebesc radical de proprietăţile fiecărui component în parte. De regulă, compusul chimic este dur şi fragil.

Ø Temperatura de topire a compusului chimic este constantă sin u variabila. Ø Formarea compusului chimic este însoţită de un efect termic considerabil.

Precum se vede, în caz general, regula de formare a compuşilor definiţi este cea a valenţei. De exemplu, în sistemul K - Na se formează faza KNa2, dar nu şi faza KNa, deşi ambele elemente sunt monovalente. De ce totuşi nu se formează faza KNa? Cauza constă în diferitele tipuri de legături interatomice ce stau la baza formării compuşilor definiţi.

Laves a studiat posibilii factori ce pot determina apariţia unei structuri cristaline şi a definit trei principii de bază de formare a structurilor cristaline metalice, principii de care se poate ţine seama şi în cazul compuşilor definiţi, deşi modalitatea lor de formare este mai complexă. Aceste trei principii geometrice sunt următoarele: principiul împachetării spaţiale, principiul simetriei şi principiul asocierii.

a) Principiul împachetării spaţiale In sistemul periodic al elemetelor, din cele 91 de elemente cu structuri

cunoscute, 52 cristalizează formând structuri cubice sau hexagonal compacte, cu Nc = 12. Precum se ştie, 12 este numărul de coordinaţie cel mai mare, în cazul în care atomii de metal sunt de acelaşi tip. Presupunând că atomii de metal au o formă sferică, se poate uşor demonstra că cel mai mare grad de umplere al spaţiului va fi atins în cazul unei împachetări dense cubice sau hexagonale, adică pentru Nc = 12, spre care tind toate elementele.

b) Principiul simetriei Dintre celelalte elemente rămase, care nu cristalizează în CFC sau HC, un

număr de 23 vor cristaliza în CVC, având Nc = 8.

Page 58: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

58

Legea valenţei

De aceea, se presupune că există şi alţi factori ce determină structura cristalină şi care compensează acţiunea principiului împachetării spaţiale, cum ar fi factorul de temperatură şi factorul legăturii interatomice. Cu toate acestea, nu există numere de coordinaţie ca 9, 10 sau 11, deşi acestea ar asigura o împachetare mai mare decat Nc = 8. Distribuţia atomilor pentru Nc = 9, 10 sau 11 dispune de o simetrie mult scăzută faţă de situaţia cu Nc = 8. De aceea, tendinţa de formare de configuraţii de înaltă simetrie este evidentă şi poartă denumirea de principiul simetriei.

c) Principiul asocierii Dacă într-o structură cristalină vom uni prin nişte linii imaginare toţi

atomii între ei, iar dintre acestea vom păstra doar liniile cele mai scurte de legătură între oricare două tipuri de atomi, vom obţine în acest fel imaginea unor atomi legaţi ce formează nişte "asociaţii". Aceste "asociaţii" se numesc "omogene" dacă sunt formate din acelaşi tip de atomi, sau "eterogene" în caz contrar. Ele pot fi finite sau infinite, mono-, bi-, sau tridimensionale. Această tendinţă de formare a unor astfel de "asociaţii" stă la baza principiului asocierii.

Cele trei principii descrise mai sus permit explicarea formării structurilor

HC, CFC, CVC în metale. Dar, prin alierea a două sau mai multe metale se pot forma compuşi intermetalici în care nu se întâlnesc prea des aceste tipuri structurale.

Acest fapt este condiţionat de existenţa unor factori interatomici suplimentari, care vor fi urmăriţi în continuare şi care determină o varietate foarte largă a compuşilor definiţi.

Cele trei principii Laves rămân valabile, după cum vom vedea, doar în cazul aşa numitelor "faze Laves", care fac parte din compuşii de tip geometric.

Astfel, compuşii chimici se pot clasifica dupa câteva criterii precum: modul în care elementele componente respectă legile valenţei, lărgimea domeniului de concentraţie în care există ca fază unică, modul de comportare la topire, factorul predominant în determinarea energiei libere.

♦ După modul cum respectă legile valenţei, compuşii chimici se împart în:

a) compuşi care respectă legile valenţei, formaţi din metale cu nemetale tipice (O, S, Cl, s.a.). Aceşti compuşi se numesc oxizi, sulfuri, cloruri, etc. În aliajele metalice aceşti compuşi apar sub forma aşa numitelor incluziuni nemetalice. Un alt exemplu de astfel de compuşi sunt şi combinaţiile magneziului cu elementele din grupele IV, V şi VI ale tabelului periodic (Mg2Si, Mg2P6, Mg2P2, Mg2Sb2, Mg3Bi2, MgS, MgSe, etc.). b) compuşi care nu respectă legile valenţei, formaţi numai din metale, deci cu o legătură de tip metalic între elementele componente şi cu o dispunere în nodurile reţelei cristaline numai a ionilor pozitivi rezultaţi, susţinuţi de gazul de electroni. Această legătură interatomică nu este puternică. De aceea, în anumite condiţii, cantitatea unui element component poate fi mai mare, sau mai mică decât raportul stoechiometric corespunzător al elementelor.

Page 59: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

59

Compoziţie variabilă

Topire

Câteva exemple de compuşi care nu respectă legea valenţei sunt după cum urmează: CuZn, Cu5Zn8, Cu5Sn, Cu3Sn8, Cu3Sn, Ni3Al, NiAl, Ni2Al3, NiAl3, etc. In acest caz, datorită faptului că toţi componenţii sunt metale, compusul se numeşte compus intermetalic sau fază intermetalică.

♦ După lărgimea domeniului de concentraţie în care există ca fază unică se

deosebesc: a) compuşi cu compoziţie fixă (Fe3C, Mg2Si, Mg2Ni, Ni Al3, etc.) b) compuşi cu compoziţie variabilă (Cu2Al, CuZn, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al etc.). Compuşii cu compoziţie variabilă sunt de fapt soluţii solide pe bază de compuşi, despre care am amintit anterior. ♦ După comportarea la topire, compuşii chimici pot fi cu topire:

- congruentă, când rezultă un lichid cu aceeaşi compoziţie cu a fazei solide - incongruentă, când rezultă un amestec de două faze diferite, de obicei lichid şi solid

♦ După factorul predominant în determinarea energiei libere (care poate fi

factorul electrochimic, geometric sau concentraţia electronică) compuşii se împart în (vezi figura 6.1):

a) compuşi electrochimici b) compuşi de tip geometric c) compuşi electronici

Figura 6.1 - Schema celor trei tipuri principale de compuşi intermetalici (CEV - concentraţia

electronilor de valenţă)

a) Compuşii electrochimici sunt compuşi de valenţă normală cu legătura

interatomică de tip ionică sau covalentă. Aceasta se întâmplă când toţi atomii compusului fie primesc, fie cedează electroni de valenţă, formând un octet stabil ns2np6, adică toţi orbitalii s şi p sunt în întregime completaţi sau în întregime descompletaţi. Aceste octete pot fi completate în două modalităţi:

Ø un tip de atomi (cationii) cedează electroni altui tip de atomi (anionii), rezultând o legătură ionică;

Page 60: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

60

Compuşi geometrici

Laves

Sigma

Hagg

Ø electronii se distribuie între atomi, rezultând o legatură covalentă

In compuşii de acest tip, cu legături interatomice foarte puternice, compoziţia chimică este constantă şi corespunzătoare unui raport strict stoechiometric, neputând exista nici exces de atomi, nici atomi lipsă ai unui element. Un astfel de compus nu va avea proprietăţi metalice, dar va avea duritate mare şi fragilitate.

După structura cristalină, compuşii electrochimici se împart în: compuşi cu structura tip NaCl, compuşi cu structura tip CaF2, compuşi cu structura tip ZnS şi compuşi cu structura tip NiAs.

b) Compuşii de tip geometric se formează pe baza factorului geometric (diferenţa dintre razele atomice ale componenţilor). Din această grupă fac parte fazele Laves, fazele Sigma şi fazele Hägg (sau compuşi interstiţiali). Dacă diferenţa atomică este mare, se formează compuşii interstiţiali. Dacă dimensiunile atomice sunt relativ apropiate, se formează fazele Laves şi fazele Sigma.

Ø Faza Laves - are formula AB2 şi se formează între componenţi de tip A şi B cu un raport al diametrelor atomice DA / DB ≅ 1,2 (adesea între 1,1 ÷ 1,6). Fazele Laves au o reţea cristalină de tip hexagonal compactă (MgZn2 şi MgNi2) sau de tip CFC (MgCu2). Formarea lor se bazează pe cele 3 principii Laves enunţate la începutul acestui subcapitol. Din familia de faze Laves fac parte AgBe2, CaAl2, TiBe2, TiCr2, s.a. (de tip MgCu2); BaMg2, MoBe2, TiMn2 (de tip MgZn2).

Ø Faza Sigma se formează între metalele de tranziţie din grupele V şi VI cu metalele de tranziţie din grupele VII şi VIII, dacă diferenţele între diametrele atomice nu sunt mai mari de 10 - 12%. Aceste faze au compoziţia variabilă şi structura tetragonală complexă cu tetragonalitatea c/a = 0,52, conţinând circa 30 atomi pe celula elementară. Fazele Sigma sunt dure şi fragile şi au conductibilitate electrică mare. Dintre fazele Sigma se menţionează FeCr, FeV, CoCr, CoMo, MnCr, Mn2V.

Ø Faza Hägg reprezintă compuşii formaţi între metalele de tranziţie - M, cu raze atomice mari (Fe, Mn, Cr, Mo, etc.), şi nemetale - X cu raze atomice mici (H, B, C, N). Atomii de X ocupă interstiţiile structurii matrice de atomi M, formând compuşi precum carburi, nitruri, boruri, hidruri. Aceste faze pot avea următoarele formule M4X, (Fe4N, Mn4N, s.a.); M2X (W2C, Mo2C, Fe2N, s.a.); MX (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN, s.a.).

Structura cristalină a fazelor Hägg se stabileşte prin raportul razelor atomice ale nemetalului (RX) şi metalului (RM). Dacă RX / RM < 0,59, atunci atomii de metal formează unul din tipurile de reţea cristalină simplă: fie cubică (cu numărul de coordinaţie Nc = 8 sau 12), fie hexagonală (Nc = 12). In această reţea a metalului, atomii de nemetal ocupă anumite spaţii interstiţiale, de tip tetraedric sau octaedric. Dacă condiţia RX / RM < 0,59 nu este îndeplinită, cum este cazul carburii de fier, mangan şi crom, atunci se formează compuşi cu o reţea complexă, care nu mai pot fi considerate faze de pătrundere Hägg.

Page 61: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

61

Proprietaţile fazelor Hagg

Conform condiţiei enunţate mai sus, ar trebui să ne aşteptăm la un comportament corespunzător şi în cazul oxigenului, care are o rază atomică mică de 0,6 ⋅ 10-10 m. Cu toate acestea, fenomenul este rar întâlnit datorită electronegativităţii puternice a oxigenului (RO

2- = 1,32 ⋅ 10-10 m) care intervine şi care determină ca acesta din urmă să formeze legături ionice. Ca urmare, factorul geometric nu este singurul care favorizează formarea acestor tipuri de compuşi.

Pe baza fazelor Hägg se pot forma uşor "soluţiile solide lacunare" (vezi lectia anterioara), denumite uneori şi soluţii solide cu defecte de reţea. Soluţii solide lacunare se formează, de exemplu, în carburile VC, TiC, ZrC, NbC şi altele.

Fazele de pătrundere Hägg prezintă următoarele proprietăţi importante:

- Duritate, fragilitate şi temperatură de topire mari, asemănătoare materialelor cu legături ionice şi covalente. Duritatea fazelor Hägg este mare şi variază cu stoechiometria, fapt ce se explică prin legătura covalentă dintre electronii p ai nemetalului cu electronii d ai metalului de tranziţie. Temperatura de topire este foarte mare.

- La temperaturi înalte, proprietăţile mecanice ale acestora devin asemănătoare cu cele ale metalelor, adică sunt moi şi plastice.

- Proprietăţile mecanice indică prezenţa legăturii covalente dintre electronii p ai nemetalului şi electronii d ai metalului. Proprietăţile electronice se bazează pe legătura de tip metalic dintre electronii - d ai metalului. Legătura metalică d - d este puţin diferită faţă de legătura din cadrul elementului metalic pur, distanţa dintre atomii de metal fiind puţin mai mare, simetria fiind şi ea diferită.

- Conductibilitatea şi luciul sunt aceleaşi ca la metale, rezistivitatea electrică la 300K fiind aceeaşi ca a metalelor de tranziţie.

- Câţiva compuşi de acest tip au o temperatură de tranziţie superplastică mare: 17,5K pentru NbC0,3N0,7; Pd, Pd - Ag şi Pd - Cu nu sunt superconductori, dar prin adăugarea de hidrogen, devin superconductoare.

- Borurile şi fosfurile metalelor de tranziţie, ce se pot obţine în stare amorfă prin răcire ultrarapidă, posedă aceleaşi proprietăţi mecanice şi electrice ca şi oţelurile.

c) Compuşii electronici sunt compuşi care se formează pentru anumite rapoarte între electronii de valenţă şi atomi. La anumite valori de concentraţii electronice (c.e = 3 / 2; 21 / 3; 7 / 4) se formează, într-o mare varietate de sisteme de aliaje, faze izostructurale numite compuşi electronici. De exemplu: - pentru c.e = 3 / 2 se formează compuşi izostructurali cu faza β din alame - reţea CVC (CuZn, AgZn, AuZn, CuBe, AgMn, Cu3Al, Cu5Sn, CuSi, CoZn3);

- pentru c.e = 21 / 13 se formează compuşi izostructurali cu faza γ din alame - reţea cubic complexă (Cu5Zn8, Au5Zn8, Ag5Zn8, Ag5Cd8, Cu5Cd8, Cu9Al4, Cu39Sn39, Fe5Zn2, Co5Zn21, Ni5Zn21, Pd5Zn21, Pt5Zn21);

Page 62: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

62

Morfologia structurală

- pentru c.e = 7 / 4 se formează compuşi izostructurali cu faza ε din alame - reţea HC (CuZn3, AgCd3, Cu3Sn, Ag5Al3, Cu5Ge39, Ag3Sn, Au3Sn, Au3In).

6.2. Constituienţi metalografici

Constituienţii metalografici reprezintă părţi distincte ale structurii metalelor sau aliajelor metalice, având un aspect propriu, caracteristic la microscop. Aceştia sunt grupaţi în patru tipuri principale: metal pur, soluţie solidă, compus chimic şi amestec mecanic.

Metalele pure prezintă un aspect microstructural sub formă de grăunţi alotriomorfi (fără simetrie exterioară), cu limita de grăunte conturată clar după atacul chimic (figura 6.2, a). Dacă atacul este prelungit, se observă grăunţi diferit nuanţaţi, cu aspect mai mult sau mai puţin întunecat, datorat corodării diferite în funcţie de orientarea lor cristalografică (figura 6.2, b).

Figura 6.2 – Aspectul microscopic schematizat al metalelor pure: a) după atac chimic slab; b) după atac prelungit

Soluţiile solide prezintă două aspecte microscopice diferite:

a) soluţie solidă omogenă cu grăunţi alotriomorfi, asemănători cu cei ai metalului pur, structură de echilibru ce se obţine însă numai la răciri foarte lente;

b) soluţie solidă neomogenă, când răcirea se face mai repede (fapt curent în practica industrială) rezultând cristale neomogene, cu aspect caracteristic dendritic (dendron - copac, în limba greacă) - vezi figura 6.3.

Figura 6.3 - Microstructura unui bronz monofazic (Cu, 10%Sn): a) Soluţie solidă neomogenă - Atac clorură cuprică amoniacală (x 300); b) Soluţie solidă omogenă - Atac persulfat de

amoniu 10% (x 300)

Page 63: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

63

Eutectic

Eutectoid

Compuşii intermetalici prezintă în general la microscop forme aciculare, lamelare sau poliedrice, cu caracter idiomorf (cu simetrie exterioară). Fiind foarte rezistenţi la atacul cu reactivi metalografici, ei rămân necoloraţi şi în relief. In figura 6.4 este reprezentată schematic microstructura unui aliaj de cuzineţi de tip Babbit (83%Sn, 11%Sb, 6%Cu). Se observă compusul SnSb sub formă de cristale poliedrice şi compusul acicular Cu3Sn.

Figura 6.4 - Aspectul schematic al microstructurii unui aliaj de cuzineţi Sn - Sb – Cu

Amestecurile mecanice – (sau agregatele cristaline) sunt structuri eterogene, formate din două sau mai multe faze. Acestea se numesc eutectice, dacă se formează prin solidificare direct din topitură, sau se numesc eutectoide, dacă s-au format prin transformare în stare solidă dintr-o soluţie solidă. Aspectul microscopic caracteristic este variat, cel mai frecvent fiind însă cel lamelar (fig. 6.5) sau punctiform.

Figura 6.5 - Aspectul schematic lamelar al unui amestec eutectoid (perlită)

Test de autoevaluare 6.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Cum sunt valorile proprietatilor mecanice de rezistenta pentru un compus chimic? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

Page 64: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

64

...

Test de autoevaluare 6.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Scrieti compozitia chimica a aliajului de cuzineti de tip Babbit. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 6.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce sunt amestecurile mecanice? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 6. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 6 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 6

1. Ce aspect microscopic au compusii intermetalici? 2. Care este deosebirea intre o solutie solida omogena si una

neomogena ? 3. Care sunt categoriile de compusi de tip geometric ? 4. Ce sunt compusii electrochimici ? 5. Care sunt caracteristicile generale ale unui compus chimic ? 6. Definiti principiul « impachetarii spatiale » enuntat de Laves ca unul

din cele trei reguli de formare a structurilor cristaline metalice. Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 1 2 1 3 2 4 2 5 2 6 2

Page 65: Sim Lectii+Intrebari

Fazele structurale ale materialelor metalice – Partea a II-a

65

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

6.1. Compusul chimic este o faza dura si fragila.

6.2. 83%Sn, 11%Sb, 6%Cu

6.3. Amestecurile mecanice – (sau agregatele cristaline) sunt structuri eterogene, formate din două sau mai multe faze. Acestea se numesc eutectice, dacă se formează prin solidificare direct din topitură, sau se numesc eutectoide, dacă s-au format prin transformare în stare solidă dintr-o soluţie solidă.

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 6

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 2.1;

Page 66: Sim Lectii+Intrebari

Difuzia in materialele metalice

66

Unitatea de învăţare Nr. 7 – UI-7

Difuzia in materialele metalice

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 7…………………………………………………….. 67

7.1. Definirea procesului de difuzie 67

7.2. Mecanismele structurale de realizare a difuziei 67

7.3. Difuzia in diferite elemente chimice 69

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 7………………………………………….... 70

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 71

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 7…………………………………………………….. 71

Page 67: Sim Lectii+Intrebari

Difuzia in materialele metalice

67

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 7

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 7 sunt:

• Prezentarea principalelor procese care guverneaza difuzia in materialele metalice

• Mecanismele structurale prin care are loc difuzia in metale

CONTINUTUL UI-7:

Difuzia

Definiţie

Mecanisme

7.1. Definirea procesului de difuzie

Arhitectura interioară a unui corp solid nu este statică, atomii nefiind imobili în poziţiile lor de echilibru din reţeaua cristalină. Ei vibrează în permanenţă în jurul poziţiei lor şi se deplasează în diferite alte noduri ale reţelei. În cazul unei deplasări atomice direcţionate, care duce în final la un transfer de masă macroscopic, procesul poartă numele de “difuzie”.

Orice proces de germinare şi creştere de fază, de recristalizare, de coagulare şi sferoidizare, orice transformare fazică într-o soluţie solidă, sau de descompunere de soluţie solidă şi precipitare de fază secundară este legat de difuzia atomică.

Difuzia în aliajele metalice reprezintă un transfer de atomi de diferite specii, proces însoţit de variaţia de concentraţie a componenţilor în anumite zone.

Autodifuzia, ca un proces particular al difuziei, reprezintă transferul de atomi de aceeaşi specie in cadrul metalelor pure, sau in cadrul componentului de bază în cazul aliajelor.

7.2. Mecanismele structurale de realizare a difuziei

Difuzia atomilor interstiţiali cu rază atomică mică, de exemplu a carbonului în reţeaua fierului, se realizează prin interstiţii (figura 7.1). Acest proces decurge relativ uşor datorită faptului că numărul atomilor interstiţiali din reţea este mult mai mic decât numărul de interstiţii.

Pentru atomii din categoria metalelor, difuzia se realizează cel mai probabil prin intermediul vacanţelor (figura 7.2). Atomul de substituţie îşi schimbă uşor poziţia dacă în vecinătate există o vacanţă. Dar, într-o reţea normală, numărul de vacanţe este mult mai mic decât numărul de atomi, de aceea difuzia atomică este îngreunată. Totuşi, pentru mecanismul de difuzie ce utilizează vacanţele, o situaţie mult mai prielnică apare în nodurile deformate ale reţelei: la limita de grăunte sau de fază, sau în dislocaţii.

Pentru difuzia prin ambele mecanisme, atomii care se deplasează sunt obligaţi să învingă bariera de potenţial pentru a se putea strecura printre atomii elementului de bază, pentru a rupe legaturile interatomice şi pentru a deforma reţeaua cristalină.

Page 68: Sim Lectii+Intrebari

Difuzia in materialele metalice

68

Legea Fick

Coeficient de difuzie

Pentru aceasta atomii trebuie să beneficieze de un anumit nivel al energiei de activare, care depinde de forţa de legătură interatomică şi de defectele reţelei de reţea, care facilitează procesele de difuzie. În particular, nivelul necesar al energiei de activare la limita de grăunte este de două ori mai mic decât cel din interiorul grăuntelui.

Figura 7.1 – Deplasarea atomului interstiţial din interstiţiul său (a) în interstiţiul vecin (c), prin trecerea printr-o poziţie intermediară instabilă (b)

Figura 7.2 – Deplasarea atomului de substituţie din nodul său din reţea (a) în nodul vecin neocupat al reţelei (c), prin trecerea printr-o poziţie intermediară instabilă (b).

Conform legii Fick (enunţată în 1855) fluxul de substanţă difuzivă în

unitatea de timp şi prin unitatea de suprafaţă este proporţional cu coeficientul de difuziune D (cm2/s) şi cu gradientul de concentraţie dC/dx:

I = -D dxdC

[ scm

atom2 ]

Semnul minus din această ecuaţie semnifică faptul că fluxul difuziv are aceeaşi orientare cu gradientul de concentraţie, adică dinspre zona cu concentraţie mai mare spre zona cu concentraţie mai mică a elementului difuziv.

Coeficientul de difuzie stabileşte viteza de difuzie la scăderea concentraţiei cu o unitate şi depinde de compoziţia chimică a aliajului, de tipul de reţea cristalină, de dimensiunea de grăunte şi de temperatura procesului. Influenţa cea mai semnificativă o are temperatura.

S. Arrhenius a stabilit dependenţa exponenţială a coeficientului de difuzie în funcţie de temperatură:

D = D0 e-Q/RT

Unde D0 – multiplu pre-exponenţial determinat experimental ce depinde de forţa de legătură dintre atomi; Q – energia de activare a procesului de difuzie; R – constanta universală a gazelor; T – temperatura, K.

Page 69: Sim Lectii+Intrebari

Difuzia in materialele metalice

69

Difuzia în metale

Influenţa difuziei

7.3. Difuzia in diferite elemente chimice

Procesul de difuzie nu este identic pentru toate elementele chimice. Din figura 7.3 se poate observa faptul că, in cazul Sn, Si, Be, Al, Zn, coeficienţii de difuzie în cupru sunt total diferiţi.

Figura 7.3 – Dependenţa coeficientului de difuzie de concentraţia diferitelor elemente chimice ce difuzează în cupru

Difuzia uşoară a carbonului şi una dificilă a cromului în fier are ca efect

faptul că în procesul de formare a carburilor Cr23C6 la limita de grăunte, sunt implicaţi numai atomii de crom de la limita de grăunte. Limita de grăunte devine săracă în atomi de crom, ceea ce provoacă o coroziune intercristalină în oţelurile austenitice Cr-Ni.

Stabilitatea structurală şi proprietăţile aliajelor refractare se ating prin frânarea proceselor de difuzie. Frânarea difuziei, la fel ca şi frânarea deplasării dislocaţiilor, se obţine prin neuniformitate structurală.

Frânarea proceselor difuzive într-o structură turnată a unui oţel de scule se realizează prin formarea unui schelet dendritic amplificat cu carburi interdendritice rezistente termic. Neuniformitatea structurală poate fi factorul definitor în blocarea propagarii fisurilor. În figura 7.4 sunt arătate schematic condiţiile structurale ce îngreunează propagarea fisurilor pe baza ramificărilor multiple ale acestora şi a schimbării orientării lor datorită blocării în formaţiunile de fază secundară.

Figura 7.4 – Schema de frânare a deplasării fisurilor: a – prin ramificarea şi schimbarea direcţiei de propagare; b – prin blocarea de către formaţiunile de fază secundară

Page 70: Sim Lectii+Intrebari

Difuzia in materialele metalice

70

Test de autoevaluare 7.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce element chimic are o difuzie mai usoara in Fe: carbonul sau cromul? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 7.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Precizati care coeficient de difuzie este mai mare: cel al Zn in Cu sau cel al Sn in Cu? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 7.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care este factorul definitor in blocarea propagarii fisurilor? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 7. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 7 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 7

1. Descrieti condiţiile structurale ce îngreunează propagarea fisurilor. 2. Care este modalitatea structurala prin care se poate obtine o franare

a procesului de difuzie intr-un material metalic? 3. Care sunt factorii de care depinde coeficientul de difuzie? 4. De ce depinde energia de activare necesara atomilor pentru a realiza

salturi difuzive intr-un material metalic? 5. Ce reprezinta procesul de difuzie?

Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

Page 71: Sim Lectii+Intrebari

Difuzia in materialele metalice

71

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

7.1. Carbonul

7.2. Coeficientul de difuzie al Sn in Cu este mai mare ecat cel al Zn in Cu

7.3. Neuniformitatea structurală

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 7

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 2.3;

Page 72: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

72

Unitatea de învăţare Nr. 8 – UI-8

Deformarea si ruperea materialelor metalice

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 8…………………………………………………….. 73

8.1. Proprietăţile metalelor şi aliajelor 73

8.2. Deformarea elastică şi plastică a materialelor metalice 73

8.3. Ruperea ductilă şi ruperea fragilă 76

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 8……………………………….... 80

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 80

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 8………………………………………….. 81

Page 73: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

73

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 8

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 8 sunt:

• Modificarile structurale ale materialelor metalice ca urmare a deformarii plastice

• Tipuri de ruperi – ductila, fragila – si influenta acestora asupra structurii • Factori ce duc la ruperea unui material metalic

CONTINUTUL UI-8:

Proprietăţi generale

Proprietăţi mecanice

Deformare plastică

8.1. Proprietăţile metalelor şi aliajelor

Pentru caracterizarea materialelor metalice se determina următoarele tipuri de proprietăţi: fizice, chimice, tehnologice şi mecanice.

Proprietăţile fizice definesc comportarea materialelor metalice în diferite câmpuri: termice, gravitaţionale, electromagnetice sau de radiaţii. Astfel, vorbim despre densitate, capacitate termică, temperatura de topire, dilatare termică, caracteristici magnetice, conductibilitate termică şi electrică.

Proprietăţile chimice presupun capacitatea materialului de a intra în interacţiune chimică cu alte substanţe, de a se opune oxidării, penetrării gazelor sau a substanţelor chimic active. Exemplul caracteristic de interacţiune chimică între mediu şi materialul metalic îl reprezintă coroziunea.

Proprietăţile tehnologice ale metalelor şi aliajelor metalice caracterizează capacitatea acestora de a se supune unei prelucrări la rece sau la cald, unei prelucrări prin debitare, prin tratament termic sau prin sudura.

Proprietăţile mecanice ale unui material definesc capacitatea acestuia de a se opune deformării şi ruperii sub acţiunea diferitelor tipuri de sarcini. Sarcinile mecanice pot fi statice, dinamice sau ciclice. Materialele pot fi supuse deformării şi ruperii la diferite temperaturi, dar si în diferite medii agresive.

Principalul criteriu de alegere si utilizare a unui material se referă atat la proprietăţile acestuia cat şi la preţul de cost. In orice caz, la construirea unui dispozitiv se ţine cont în primul rând de proprietăţile mecanice ale materialelor utilizate.

8.2. Deformarea elastică şi plastică a materialelor metalice

Deformarea unui material presupune modificarea formei şi dimensiunilor acestuia, sub acţiunea unor tensiuni. Deformarea ce apare la tensiuni mici şi care dispare după înlăturarea sarcinii aplicate se numeşte deformare elastică; în schimb deformarea care rămâne şi după înlăturarea sarcinii se numeşte deformare plastică. Prin creşterea tensiunii aplicate deformarea poate duce la ruperea materialului.

Page 74: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

74

Deformare elastică

Plasticitate

Pe curba caracteristică tensiune – alungire (figura 5.1), deformarea elastică se caracterizează prin linia OA. Mai sus de punctul A nu mai există proporţionalitate între tensiune şi deformaţie. Creşterea tensiunii duce la o deformare plastică.

Din punct de vedere fizic, deformarea elastică se deosebeşte principial de deformarea plastică.

La deformarea elastică:

- are loc o deplasare reversibilă a atomilor din poziţia lor de echilibru in reţeaua cristalină.

- deformarea elastică nu produce modificări structurale remanente în structura şi proprietăţile metalului.

- după înlăturarea sarcinii aplicate, atomii deplasaţi sub acţiunea forţelor de întindere (la tracţiune), sau de comprimare (la compresiune) revin în poziţia iniţială de echilibru, iar cristalele revin la forma şi dimensiunile iniţiale. Proprietăţile elastice ale materialelor se stabilesc prin forţele de interacţine atomică.

Figura 5.1 – Curba caracteristică la întindere a unui material metalic

La deformarea plastică are loc:

- deplasarea ireversibilă a unor zone din cristal faţă de alte zone.

- După înlăturarea sarcinii dispare doar componenta elastică a deformării.

Plasticitatea, adică capacitatea materialelor metalice de a suferi o deformare plastică semnificativă înainte de rupere, este una dintre cele mai importante proprietăţi ale acestora. Datorită plasticităţii se poate efectua prelucrarea metalelor prin deformare. Plasticitatea permite redistribuirea uniformă a tensiunilor locale în întreg volumul de material, fapt ce micşorează pericolul ruperii.

Pentru metale, rezistenţa la întindere sau comprimare este mai mare decât cea de forfecare. De aceea, procesul de deformare plastică reprezintă de obicei un proces de alunecare a unei zone de cristal faţă de alta, pe o suprafaţă cristalografică sau un plan atomic de alunecare cu maximă densitate de atomi, unde rezistenţa la forfecare este minimă.

Page 75: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

75

Mecanism de deformare

plastică

Alunecarea, principalul mecanism structural de deformare plastica a unui material metalic, se realizează ca urmare a mişcării dislocaţiilor în cristal, proces care nu afectează arhitectura cristalografică (figura 5.2).

Figura 5.2 – Schema deformării plastice prin alunecare: a) starea iniţială; b) starea de deformare elastică; c) starea de deformare elasto-plastică; d) starea ulterioară deformării

plastice pe suprafaţa AB; F – forţa aplicată;

Un alt mecanism structural de deformare plastică este maclarea. Ca şi

alunecarea, maclarea se realizează printr-o deplasare atomică, dar de data aceasta deplasarea zonei de cristal are loc într-o poziţie corespunzătoare imaginii în oglindă a zonei nedeplasate (figura 5.3).

Maclele se formează de obicei în cazul în care alunecarea este îngreunată din diverse motive. Deformarea prin maclare se petrece de obicei la temperaturi scăzute şi viteze mari de aplicare a forţei, deoarece în aceste cazuri tensiunea de forfecare este mare. Maclele sunt caracteristice metalelor cu reţea hexagonala, cum ar fi Ti, Mg, Zn, sau celor cu reţea CFC, cum ar fi Cu.

Figura 5.3 – Deformarea plastică prin maclare: F – forţa aplicată; AB – suprafaţa de alunecare;

Page 76: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

76

Ruperea unui corp solid

Rupere fragilă

Conform teoriei dislocaţiilor, procesele de alunecare şi de maclare nu se realizează prin alunecarea bruscă a unei întregi suprafaţe atomice pe alta, ci prin deplasarea treptată a dislocaţiilor pe suprafaţa de alunecare.

8.3. Ruperea ductilă şi ruperea fragilă

Stadiul final al deformării unui material metalic este ruperea, fenomen devenit de actualitate ca subiect de cercetare, deoarece până de curând se considera că, odată cu apariţia fisurilor în material, piesa metalică nu mai poate fi folosită. Ruperea era privită ca momentul final al stadiului de încărcare, moment ce nu mai poate fi oprit. La ora actuală este stabilit deja faptul că stadiul de rupere al unui material metalic, din momentul apariţiei defectului, poate reprezenta până la 90% din durabilitatea construcţiei metalice.

Impulsul decisiv în cercetarea mecanicii ruperii l-au constituit diversele cazuri de avarii de nave maritime, poduri, rezervoare, aparate de zbor şi alte construcţii, condiţionate fiecare dintre acestea de utilizarea de materiale cu rezistenţe ridicate şi condiţii complexe de lucru.

Ruperea unui corp solid reprezintă un proces de desprindere a acestuia în fragmente sub acţiunea unei sarcini, care poate acţiona termic, sau prin radiaţie, prin coroziune sau alte mecanisme. La nivel atomic, ruperea presupune distrugerea legăturilor interatomice cu formarea de noi suprafeţe.

Dacă ruperea legaturilor interatomice are loc perpendicular pe suprafaţa de rupere, atunci ruperea materialului metalic se petrece prin retezare.

Dacă ruperea legăturilor are loc sub acţiunea forţei aplicată paralel la suprafaţa de rupere, atunci ruperea materialului se petrece prin alunecare sau forfecare. În materialele metalice ruperea se poate produce prin ambele modalităţi, fapt determinat de tipul de reţea cristalină. În plus, caracterul ruperii depinde de temperatură, de viteza de deformare, de starea de tensiuni, de puritatea materialului ş.a.m.d.

În funcţie de nivelul deformării plastice înainte de rupere, se disting două tipuri de ruperi: ductilă şi fragilă. Prin ruperea ductilă, metalul suferă înainte de rupere nu numai o deformaţie elastică ci şi una puternic plastică. Dacă deformarea plastică lipseşte, sau dacă are o valoare nesemnificativă, ruperea materialului se produce fragil.

Ruperea fragilă are loc prin rupere prin forfecare, când suprafaţa de rupere este perpendiculară la componenta normală a tensiunii (figura 5.4). Sub acţiunea tensiunilor normale are loc deformarea elastică a reţelei cristaline, iar după atingerea valorilor maxime are loc ruperea legăturilor interatomice cu desprinderea unei suprafeţe atomice de alta, adică ruperea metalului. Ruperea este iniţiată de un defect oarecare, în apropierea căruia se dezvoltă o concentraţie de tensiuni ce depăşesc rezistenţa teoretică a metalului. Concentraţia de tensiuni K este proporţională cu lungimea şi ascuţimea defectului:

K = 2 rl

Page 77: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

77

Rupere ductilă

unde l – lungimea defectului; r – raza de curbură la vârful acestuia.

Figura 5.4 – Schema ruperii fragile prin smulgere: a) starea iniţială; b) deformarea elastică; c) ruperea fragilă (smulgere);

Ruperea ductilă are loc prin alunecare, sub acţiunea tensiunilor

tangenţiale. Suprafaţa de alunecare este dispusă sub un unghi de 45° faţă de direcţia principalelor tensiuni normale.

Ruperea ductilă pură, prin alunecare are loc pentru materiale amorfe precum argila. Ruperea fragilă pură are loc pentru materiale elastice ideale, cum este de exemplu diamantul. Dar, majoritatea materialelor prezintă o rupere atât fragilă, cât şi ductilă, distincţia pe cele două tipuri făcându-se în funcţie de preponderenţa uneia sau alteia.

Caracteristica principală a unei ruperi ductile sau fragile este capacitatea energetică a materialului, adică valoarea lucrului mecanic de rupere, tipul fisurii şi al suprafeţei de rupere, viteza de propagare a fisurii.

Prin ruperea fragilă se consumă o valoare mult mai mică a lucrului mecanic pentru procesul propriu-zis de rupere decât în cazul ruperii ductile.

Ruperea fragilă, odată iniţiată, devine un proces ce se dezvoltă de la sine, pe baza eliberării energiei elastice acumulate în sistem, motiv pentru care pentru propagarea fisurii nu este necesar un aport suplimentar de energie.

Astfel, pentru ruperea fragilă, consumul de energie pentru formarea unor noi suprafeţe ca rezultat al deschiderii fisurii, este mult mai mic decât eliberarea de energie elastică acumulată anterior.

În cazul ruperii ductile se consumă un lucru mecanic mult mai mare. Pentru propagarea ruperii ductile este necesar un aport exterior continuu de energie, consumată cu deformarea plastică a metalului în zona din faţa fisurii ce se propagă. Astfel, lucrul mecanic consumat cu deformarea plastică este considerabil mai mare decât cel de rupere propriu-zisă.

Pentru ruperea fragilă, unghiul de deschidere al fisurii este ascuţit (fisură ascuţită), iar deformarea plastică în jurul suprafeţei de rupere lipseşte aproape integral (figura 5.5,a). În cazul ruperii ductile fisura are un unghi mare de deschidere (fisură teşită), suprafaţa de rupere fiind caracterizată de o puternică deformare plastică.

Page 78: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

78

Rupere transcristalină

Rupere intercristalină

Aspectul suprafeţei de

rupere

Figura 5.5 – Aspectul fisurii şi schema de rupere (secţiune perpendiculară pe suprafaţa de rupere): a) fragilă; b) ductilă;

La temperaturi scăzute, limitele intergranulare sunt de obicei mai

rezistente decât graunţii înşişi şi de aceea pentru majoritatea metalelor la temperaturi scăzute ruperea are un caracter transcristalin, propagându-se prin interiorul grăunţilor şi nu pe la limitele acestora.

La temperaturi ridicate, limitele intergranulare sunt de regulă mai slabe decât graunţii. De aceea, ruperea la aceste temperaturi are un caracter intercristalin (figura 5.6).

Figura 5.6 – Microstructura ruperilor: a) rupere fragilă; b) rupere ductilă în aliajul CuNi20; c) rupere cvasi-fragilă într-un oţel turnat la temperatura de 77K

La ruperea fragilă microfisura are un aspect neted şi strălucitor, dat de suprafeţele rupte ale grăunţilor cristalini. Cercetările de microscopie electronică au pus în evidenţă morfologii “în râuri” a suprafeţelor de rupere, formate ca urmare a interacţiunii dintre fisurile mobile şi defectele cristaline şi a existenţei unei orientări cristalografice preferenţiale a faţetelor de rupere.

În cazul ruperii ductile, suprafaţa de rupere are un aspect mat şi vălurit, fără luciu metalic, care prin microscopie electronică pune în evidenţă o morfologie “în cupe” a suprafeţei de rupere.

Pentru ruperea fragilă, viteza de propagare a fisurii este foarte mare, de ordinul a 0,4 din viteza de propagare a sunetului în metal. De aici rezultă că viteza de propagare a unei fisuri fragile în cazul unui oţel trebuie să fie ~ 2 x 103 m/s. Viteza de propagare a unei fisuri ductile este mult mai mică şi se stabileşte în funcţie de viteza de creştere a tensiunilor interne.

Cu toate aceste observaţii enumerate mai sus se poate stabili caracterul ruperii unei piese metalice (ductilă sau fragilă).

Page 79: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

79

Ruperea prin alunecare

Necesitatea stabilirii tipului de rupere pentru fiecare caz în parte este determinată de faptul că măsurile de prevenire ale ruperii fragile sau ductile sunt principial diferite. În cazul ruperii ductile este necesară creşterea rezistenţei materialului. În schimb, pentru ruperea fragilă trebuie crescută plasticitatea materialului, la nevoie chiar scăzând rezistenţa acestuia. Cea mai periculoasă rămâne totuşi ruperea fragilă.

Ruperea prin alunecare poate fi împărţită în trei faze: - germinarea microfisurii - creşterea acesteia până la dimensiunea critică şi - propagarea prin grăunţii vecini.

Nivelul tensiunilor de rupere este stabilit de faza cu cea mai mare capacitate energetică. În metalele pure aceste faze sunt primele două: germinarea fisurii şi creşterea iniţială a acesteia.

În metalele cu incluziuni, primele două stadii decurg relativ uşor, dar fisura este oprită de limita de grăunte. Din această cauză în aceste metale se întâmplă frecvent germinarea şi frânarea unei multitudini de fisuri până în momentul propagării instabile a uneia dintre ele.

Test de autoevaluare 8.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care este diferenta intre deformarea elastica a unui material metalic si deformarea plastica? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 8.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Definiti ruperea unui corp solid. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Page 80: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

80

Test de autoevaluare 8.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Definiti ruperea ductila a unui material metalic. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 8. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 8 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 8

1. Cum definiti plasticitatea unui material? 2. Care este principalul mecanism structural de deformare plastica? 3. Ce reprezinta maclarea? 4. Care este diferenta intre ruperea ductila si ruperea fragila a unui material metalic? 5. Descrieti aspectul fisurii si schema de rupere a unui material metalic in cazul unei ruperi ductile si respectiv fragile. Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

8.1. Deformarea ce apare la tensiuni mici şi care dispare după înlăturarea sarcinii aplicate se numeşte deformare elastică; în schimb deformarea care rămâne şi după înlăturarea sarcinii se numeşte deformare plastică. Prin creşterea tensiunii aplicate deformarea poate duce la ruperea materialului.

8.2. Ruperea unui corp solid reprezintă un proces de desprindere a acestuia în fragmente sub acţiunea unei sarcini, care poate acţiona termic, sau prin radiaţie, prin coroziune sau alte mecanisme. La nivel atomic, ruperea presupune distrugerea legăturilor interatomice cu formarea de noi suprafeţe.

8.3. Ruperea ductilă are loc prin alunecare, sub acţiunea tensiunilor tangenţiale. Suprafaţa de alunecare este dispusă sub un unghi de 45° faţă de direcţia principalelor tensiuni normale.

Page 81: Sim Lectii+Intrebari

Deformarea si ruperea materialelor metalice

81

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 8

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 3;

Page 82: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

82

Unitatea de învăţare Nr. 9 – UI-9

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 9…………………………………………………….. 83

9.1. Ecruisarea materialelor metalice 83

9.2. Recristalizarea materialelor metalice 84

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 9……………………………….... 89

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 89

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 9………………………………………….. 89

Page 83: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

83

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 9

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 9 sunt:

• prezentarea modificarilor structurale ce apar intr-un material metalic ca urmare a deformarii plastice la rece sau la cald

• definirea ecruisarii si a efectelor acesteia asupra materialului • procesele ce au loc la recristalizarea materialului dupa ecruisare

CONTINUTUL UI-9:

Ecruisare

Definiţie

9.1. Ecruisarea materialelor metalice

Ecruisarea. După înlăturarea sarcinii ce depăşeşte limita de curgere, proba rămâne deformată. Prin repetarea încărcării probei creşte limita de curgere a metalului şi scade capacitatea sa de deformare plastică, adică are loc durificarea materialului. Durificarea materialului sub acţiunea deformării plastice se numeşte ecruisare.

Prin deformare, grăunţii îşi schimbă forma şi orientarea, formând o structură texturată cu o orientare preferenţială a cristalelor. Grăunţii cu orientări diferite se rotesc şi se dispun cu axele de maximă densitate în atomi de-a lungul direcţiei de deformare. Astfel, grăunţii se deformează şi se aplatisează alungindu-se pe direcţia de acţiune a forţelor P, şi formând o structură texturată (figura 9.1). Orientarea cristalografică preferenţială a grăunţilor de-a lungul direcţiei de deformare se numeşte textura materialului. Cu cât este mai mare gradul de deformare, cu atât un număr mai mare de grăunţi vor obţine o orientare preferenţială. Formarea texturii facilitează apariţia anizotropiei proprietăţilor pe direcţia longitudinală şi transversală a orientării fibroase.

Figura 9.1 – Variaţia formei grăunţilor în urma deformării: a, b – schema formei grăunţilor până şi după deformare; c – microstructura unui oţel

carbon C 22 după deformare (x 150)

Page 84: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

84

Proprietăţi mecanice

Durificare prin ecruisare

Figura 9.2 – Influenţa gradului de deformare plastică asupra proprietăţilor mecanice ale unui oţel C22: 100

0

0 ⋅−

=F

FF kε unde F0 şi Fk – aria secţiunii înainte şi după deformare;

Cu creşterea gradului de deformare, proprietăţile mecanice ce caracterizează rezistenţa la deformare (σp 0,2, σm, HB) cresc, are loc o durificare prin deformare, iar capacitatea de deformare plastică (δ, ψ) scade (figura 9.2). Limita de curgere creşte mult mai pronunţat decât rezistanţa la rupere, însă, pe măsura creşterii gradului de deformare plastică, valorile celor două caracteristici se apropie. Ca urmare a ecruisării, proprietăţile mecanice se modifică substanţial: de exemplu, pentru un grad de deformare ε = 70%, în cazul unui oţel de îmbunătăţire, rezistenţa la rupere σm creşte de două ori, iar alungirea relativă δ scade de la 30 la 2%. O sârmă de oţel obţinută prin trefilare cu un grad de deformare de 80 – 90% capătă o valoare pentru σm = 4000 MPa, valoare care nu poate fi atinsă prin aliere sau tratament termic.

Durificarea prin ecruisare se explică prin creşterea substanţială a densităţii de dislocaţii ca urmare a procesului de deformare plastică. Densitatea de dislocaţii după deformarea la rece creşte cu câteva ordine de mărime faţă de densitatea de dislocaţii a unui material recopt, atingând valori de 1011 – 1012 cm-2. În acelaşi timp, în procesul de deformare plastică, are loc creşterea defectelor punctiforme – vacanţe şi atomi interstiţiali. Odată cu creşterea densităţii de dislocaţii şi în general a defectelor reţelei cristaline, se îngreunează libera circulaţie a dislocaţiilor. Se formează bariere suplimentare ca urmare a deformării grăunţilor şi a fragmentării blocurilor în mozaic. Toţi aceşti factori produc durificarea materialului prin ecruisare.

În acelaşi timp, ca urmare a deformării plastice, se modifică şi proprietăţile fizico-mecanice ale materialului metalic. Materialul ecruisat are o densitate mai mică, are o rezistenţă electrică mai mare, are o conductibilitate termică mai scăzută, rezistenţa la coroziune este mai scăzută. Materialele metalice cu reţea CFC se durifică, în urma ecruisării, într-un grad mult mai mare decât metalele cu reţea CVC.

9.2. Recristalizarea materialelor metalice

Creşterea numărului de defecte a reţelei cristaline şi apariţia tensiunilor interne ca urmare a ecruisării conduc la creşterea energiei libere a metalului, făcând ca acesta să treacă într-o stare în afară de echilibru.

Page 85: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

85

Diminuarea defectelor de

reţea

Poligonizarea

Menţinerea îndelungată la temperatura camerei şi cu atât mai mult încălzirea ar trebui să faciliteze trecerea metalului într-o stare structurala mult mai stabilă.

În primul rând, încă din timpul unei încălziri moderate (până la 400° C pentru fier), se diminuează defectele reţelei cristaline, adică se micşorează densitatea de dislocaţii prin anihilarea acestora, se micşorează cantitatea de vacanţe şi scad tensiunile interne. Cu toate acestea nu se petrec modificări vizibile ale structurii, iar forma alungită a grăunţilor se păstrează. Acest proces se numeşte “restaurare”. În cadrul acestui proces de restaurare rezistanţa aliajului scade cu aprox. 20 – 30 % în comparaţie cu starea iniţială, iar plasticitatea creşte.

Restaurarea se finalizează prin “poligonizare”, un mecanism care constă în următoarele: În urma ecruisării, dislocaţiile sunt distribuite haotic în planele de alunecare din interiorul grăunţilor. La încălzirea până la temperatura necesară procesului de autodifuzie, dislocaţiile de semn opus se anuleză reciproc, iar dislocaţiile de acelaşi semn se regrupează în pereţi de dislocaţii, formând o structură celulară (vezi figura 9.3), în care grăunţii policristalini se divid în subgrăunţi poligonali lipsiţi de dislocaţii.

Figura 9.3 – Regruparea dislocaţiilor de acelaşi semn (poligonizarea).

Figura 9.4 – Schema procesului de coalescenţă a subgrăunţilor: a) dispariţia limitelor; b)

contopirea subgrăunţilor şi schimbarea orientării acestora

Creşterea subgrăunţilor odată cu creşterea duratei de menţinere, sau cu

creşterea temperaturii de încălzire a metalului (figura 9.4), are drept urmare scăderea în continuare a rezistenţei mecanice.

Prin încălzirea ulterioară are loc modificarea microstructurii aliajului ecruisat (figura 9.5). Prin creşterea temperaturii, mobilitatea atomică creşte şi se formează grăunţi noi în locul structurii texturate. Formarea noilor grăunţi echiaxiali se numeşte “recristalizare”.

Page 86: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

86

Recristalizare primară

Figura 9.5 – Schema variaţiei structurii şi proprietăţilor metalului deformat în timpul încălzirii: 1 – 2 – restaurarea; 2 – 3 – recristalizare primară; 3 – 4 – recristalizarea

cumulativă (creşterea grăunţilor).

Procesul de recristalizare decurge în două stadii:

- recristalizare primara

- recristalizare cumulativă

“Recristalizarea primară” reprezintă procesul de formare de noi grăunţi echiaxiali. Noii grăunţi se formează la limita blocurilor în mozaic sau a vechilor grăunţi, adică acolo unde reţeaua este cel mai puternic deformată prin ecruisare. Din punct de vedere termodinamic, procesul de recristalizare primară este eficient deoarece la trecerea metalului deformat într-o stare mult mai stabilă are loc scăderea energiei libere. Ca urmare, în urma recristalizării primare ecruisarea metalului dispare, iar proprietăţile se apropie de cele corespunzătoare stării iniţiale. Densitatea de dislocaţii revine, de asemenea, la valoarea iniţială.

Temperatura de început de recristalizare se numeşte “pragul de temperatură al recristalizării”, sau mai scurt “temperatura de recristalizare”. Aceasta depinde de temperatura de topire, conform legii enunţată de A.A. Bocivar, astfel:

Trecristalizare = a Ttopire

unde a – este un coeficient ce depinde de compoziţia şi structura materialului metalic. Pentru metale de puritate tehnică a = 0,3 – 0,4, iar pentru aliaje a = 0,5 – 0,6. Cauza unei asemenea dependenţe este condiţionată de faptul că ambele procese (topirea şi recristalizarea) sunt legate de schimbarea dispunerii reciproce a atomilor şi pentru derularea acestora este nevoie de o anumită mobilitate difuzivă a atomilor. Raportul valorilor mobilităţii difuzive a celor două procese este aproximativ constant şi ca urmare şi raportul temperaturilor corespunzătoare celor două procese este constant.

Page 87: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

87

Recristalizare cumulativă

Mărimea grăuntelui

recristalizat

În aliaje, impurităţile interacţionează cu dislocaţiile limitând mobilitatea acestora, fapt ce îngreunează formarea germenilor noilor grăunţi frânând astfel recristalizarea. De aceea, temperatura de recristalizare a aliajelor este mai mare decât în cazul metalelor pure.

Creşterea ulterioară a temperaturii duce la al 2-lea stadiu al procesului – “recristalizarea cumulativă”, ce constă în creşterea noilor grăunţi formaţi. O mare cantitate de grăunţi dimensional mici au o mare rezervă de energie superficială. Prin creşterea grăunţilor, suprafaţa totală a interfeţei acestora scade, fapt ce facilitează trecerea metalului într-o stare mult mai stabilă. Forţa motrice a acestei etape de creştere a grăunţilor este tocmai scăderea energiei superficiale.

Dimensiunea grăunţilor formaţi în timpul procesului de recristalizare are o influenţă foarte mare asupra proprietăţilor materialului metalic. Formarea grăunţilor mari scad proprietăţile mecanice.

Mărimea grăunţilor la recristalizarea cumulativă depinde de temperatura de încălzire, de gradul de deformare plastică anterior şi, într-o mai mică măsură, de durata menţinerii la încălzire (figura 9.6). Cea mai mare mărime de grăunte se obţine dacă materialului i se aplică o mică deformare plastică anterioară (până la 15%), deformare care se numeşte “critică”. Pentru grade mici de deformare se produce o ecruisare neomogenă, adică defectele de reţea şi tensiunile sunt neomogene. În aceste condiţii, limitele de grăunte pot interacţiona cu rapiditate şi pe distanţe mari, fapt ce facilitează creşterea dimensională a grăunţilor mai rapidă.

Pentru stabilirea exactă a temperaturii de recristalizare este necesară cunoasterea conţinutului de impurităţi din metal, a mărimii de grăunte anterioară deformării, viteza de încălzire, durata menţinerii şi alţi factori.

Figura 9.6 – Influenţa gradului de deformare (a), a temperaturii (b) şi a duratei de încălzire (c) asupra dimensiunii grăuntelui recristalizat; εcritic – grad de deformare critic;

Dacă se impune înlăturarea totală a ecruisării, recoacerea metalului se realizează la temperaturi mult mai mari decât temperatura de recristalizare, pentru ca viteza de recoacere să decurgă cu o viteză eficientă – vezi tabelul 9.1.

Deformarea plastică se poate realiza “la rece” sau “la cald”. “Deformarea plastică la rece” se realizează la temperaturi mai scăzute decât temperatura de recristalizare şi duce la ecruisarea metalului.

Page 88: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

88

Deformare plastică la rece

Deformare plastică la cald

“Deformarea plastică la cald” se realizează la temperaturi mai mari decât temperatura de recristalizare şi se caracterizează prin înlăturarea totală sau parţială a durităţii. Astfel, la prelucrarea mecanică (prin presiune) au loc două procese: durificare pe baza deformării plastice şi inmuiere datorită recristalizării.

Tabelul 9.1 – Temperaturile regimurilor de tratament ale diferitelor metale

Metalul

Ttopire, °C

Trecristalizare, °C

Temp. de recoacere pentru recristalizare, °C

Temp. de deformare plastică

la cald, °C Molibden Titan Fier Cupru Aluminiu Plumb Staniu

2620 1672 1536 1083 660 327 232

900 500 450 270 100 -30 -70

1400-1600 650-750 650-750 500-600 350-400 - -

2000-1400 1150-800 1300-800 900-650 500-400 - -

Există metale care la temperatura camerei nu se ecruisează şi suferă o deformare plastică la cald. Exemplu în acest sens este plumbul care are temperatura de recristalizare mai mică decât temperatura camerei. Pentru molibden, care are temperatura de recristalizare în jur de 900° C, deformarea prin încălzire la 800° C reprezintă o deformare la rece.

În practică, deformarea la cald se realizează de obicei la temperaturi de (0,7 – 0,75) Ttopire.

Test de autoevaluare 9.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Definiti procesul de ecruisare a unui material metalic. Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 9.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce reprezinta textura unui material metalic? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Page 89: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

89

Test de autoevaluare 9.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Cum variaza proprietatile mecanice in functie de gradul de deformare plastica aplicat unui material metalic? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 9. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 9 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 9

1. In functie de ce parametru se face delimitarea intre deformarea plastica la rece si deformarea plastica la cald?

2. Care sunt modificarile structurale care apar la ecruisarea unui material?

3. In ce consta procesul de poligonizare, ca etapa a procesului de incalzire pentru recristalizare?

4. In ce consta procesul de coalescenta a grauntilor unui material, la incalzirea acestuia in cadrul recristalizarii?

5. Care sunt cele doua etape ale recristalizarii propriu-zise? Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

9.1. Durificarea materialului sub acţiunea deformării plastice se numeşte ecruisare. 9.2. Orientarea cristalografică preferenţială a grăunţilor de-a lungul direcţiei de deformare se numeşte textura materialului. 9.3. Cu creşterea gradului de deformare, proprietăţile mecanice ce caracterizează rezistenţa la deformare (σp 0,2, σm, HB) cresc si are loc o durificare prin deformare, iar capacitatea de deformare plastică (δ, ψ) scade.

Page 90: Sim Lectii+Intrebari

Ecruisarea si recristalizarea materialelor metalice

90

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 9

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 3;

Page 91: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

91

Unitatea de învăţare Nr. 10 – UI-10

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 10…………………………………………………… 92

10.1. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, cu solubilitate nelimitată în stare solidă a componenţilor

92

10.2. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, cu solubilitate parţială în stare solidă a componenţilor

10.2.1. Diagrama cu transformare eutectică 10.2.2. Diagrama cu transformare peritectică

93

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 10……………………………….. 99

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 99

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 10………………………………………… 99

Page 92: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

92

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 10

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 10 sunt:

• Prezentarea principalelor tipuri de diagrame de echilibru fazic pentru sisteme de aliaje binare cu solubilitati diferite in stare solida

CONTINUTUL UI-10:

Diagramă cu solubilitate

totală

10.1. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, cu solubilitate nelimitată în stare solidă a componenţilor

Datele iniţiale: ambii componenţi sunt totali solubili în stare lichidă şi solidă şi nu formează compuşi chimici.

Componenţii: elementele chimice A şi B; (K = 2)

Fazele: faza lichidă L, cristale de soluţie solidă α (Φ = 2).

Un exemplu pentru acest tip de diagramă este diagrama de stare a sistemului de aliaje Cu - Ni.

Dacă doi componenţi (A şi B) au solubilitate nelimitată în stare lichidă şi solidă, la solidificare ei nu vor putea forma cristale proprii, ci cristale de soluţie solidă α. Ca urmare, numărul maxim de faze care se poate forma în aceste aliaje este 2 – lichidul şi soluţia solidă α. În acest caz, conform legii fazelor, cristalizarea aliajului se va desfăşura într-un interval de temperaturi (figura 10.1).

Figura 10.1 – Diagrama de stare, curbele de răcire şi schema structurilor tipice ale aliajelor cu solubilitate nelimitată în stare solidă

Page 93: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

93

Lichidus

Solidus

Regula pârghiei

În diagrama din figura 10.1 se formează trei zone:

- zona situată deasupra liniei Aa’B – zona lichidului;

- zona cuprinsă între liniile Aa’B şi Ab’B – zona de amestec de lichid şi soluţie solidă;

- zona situată sub linia Ab’B – zona soluţiei solide.

Linia Aa’B se numeşte linia lichidus, iar linia Ab’B – linia solidus.

Cristalizarea oricărui aliaj începe cu formarea din lichid a cristalelor de soluţie solidă α (de exemplu, în punctul a’) şi se încheie prin solidificarea integrală a lichidului in soluţie solida (în punctul b’). Deoarece în intervalul de cristalizare (între punctele a’ şi b’) aliajele se află în stare bifazică (L + α), la scăderea temperaturii raportul cantitativ al celor două faze trebuie să varieze şi anume lichidul să scadă, iar soluţia solidă să crească cantitativ. De asemenea, prin scăderea temperaturii, vor varia şi compoziţiile celor două faze.

Pentru determinarea cantităţii şi compoziţiei fazice a unui aliaj dintr-o diagramă de stare oarecare, se aplică “regula pârghiei”. Conform acestei reguli, pentru a stabili concentraţia componenţilor în zona bifazică într-un punct de interes caracterizat de o anumită temperatură şi concentraţie, se trasează o linie orizontală prin acest punct până se intersectează liniile ce delimitează domeniul bifazic. Proiecţiile punctelor de intersecţie pe axa de concentraţii vor indica compoziţia fazei lichide şi respectiv solide.

10.2. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, cu solubilitate parţială în stare solidă a componenţilor

10.2.1. Diagrama cu transformare eutectică

Datele iniţiale: ambii componenţi sunt totali solubili în stare lichidă, parţial solubili în stare solidă şi nu formează compuşi chimici.

Componenţii: elementele chimice A şi B; (K = 2)

Fazele: faza lichidă L, soluţia solidă α (soluţia componentului A în B) şi soluţia solidă β (soluţia de B în A) (Φ = 3).

Acest tip de diagramă este foarte important din punct de vedere practic, deoarece apare des în diagrame mai complexe a aliajelor industriale de largă utilizare, cum ar fi de exemplu aliajele sistemelor Fe-C sau Al-Cu.

Pentru acest tip de diagramă, solubilitatea parţială a componenţilor în stare solidă poate să nu varieze cu temperatura, sau poate să varieze. Ambele cazuri sunt ilustrate în figura 10.3 (corespunzător liniilor EN şi DF). Ca urmare, avem o diagramă de stare cu solubilitate parţială bilaterală a componenţilor în stare solidă.

În această diagramă, linia GCH este linia lichidus, deasupra căreia toate aliajele sunt formate din lichid omogen. Linia GEDH este linia solidus, sub care în aliaje nu mai este prezentă faza lichidă.

Page 94: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

94

Diagrama cu eutectic

În acest sistem, componentele A şi B, la solidificare, nu pot forma cristale individuale deoarece se formează între ele soluţiile solide α şi β în acele domenii ale diagramei care sunt dispuse în stânga verticalei EN şi în dreapta curbei DF. În aceste domenii toate aliajele cristalizează în intervalul cuprins între lichidus şi solidus, în mod similar oricărui proces din diagrama din figura 10.1.

În domeniul din stânga liniei EN, la cristalizarea din lichid încep să apară cristale de soluţie solidă α (de exemplu, pentru aliajul I în punctul 1). În intervalul de cristalizare, aliajele au o structură bifazică L + α. După încheierea cristalizării şi până la răcirea finală, toate aceste aliaje au o structură formată numai din soluţie solidă α. O situaţie similară are loc în cazul tuturor aliajelor dispuse în dreapta punctului F, cu deosebirea că în loc de soluţie solidă α se formează cristale de soluţie solidă β.

În aliajele dispuse în intervalul dintre punctul F şi proiecţia punctului D, cristalizarea primară între lichidus şi solidus decurge similar cu cea descrisă anterior. Astfel, aceste aliaje, după încheierea cristalizării şi până la intersectarea cu linia DF, sunt formate numai din soluţie solidă β (de exemplu, aliajul IV în intervalul dintre punctele 2 şi 3).

Figura 10.3 – Diagrama de stare, curbele de răcire şi schemele de formare a structurilor aliajelor cu solubilitate parţială a componenţilor în stare solidă şi cu transformare eutectică

La răcirea în continuare a acestor aliaje (de exemplu, aliajul IV mai jos de punctul 3), în structura acestora se petrec schimbări legate de precipitarea din soluţia solidă β a fazei secundare αII (de exemplu pentru aliajul IV), a cărei cauză de apariţie constă în scăderea limitei de solubilitate a soluţiei solide β odată cu scăderea temperaturii aliajului. Acest lucru este indicat şi de înclinarea curbei DF.

Page 95: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

95

Cristalizare secundară

Hipoeutectic

Prin scăderea temperaturii, soluţia solidă β devine suprasaturată în component A şi pentru aducerea sistemului în stare de echilibru, din această soluţie solidă suprasaturată precipită surplusul de component solubil A. Dar cum în acest tip de sistem, componenţii puri nu pot exista ca faze de sine stătătoare (trebuind să formeze soluţii solide), atunci, pe baza cristalelor în surplus de component A, se formează soluţia solidă α care precipită din soluţia solidă β şi se dispune sub forma unor precipitate fin disperse în interiorul grăunţilor fazei de bază.

Asemenea cristale în exces, care se formează nu din lichid, ci dintr-o fază solidă, se notează cu αII (cristale secundare de α), iar procesul propriu-zis de precipitare a noii faze din stare solidă se numeşte “cristalizare secundară”.

Punctele E şi N reprezintă solubilitatea maximă a componentului B în componentul A, adică solubilitatea maximă a soluţiei solide α la temperatura eutectică şi respectiv ambiantă. Punctele D şi F reprezintă solubilitatea maximă a componentului A în componentul B, adică solubilitatea maximă a soluţiei solide β la temperatura eutectică şi respectiv ambiantă.

Se observă faptul că solubilitatea maximă a soluţiei solide α nu variază cu scăderea temperaturii (linia EN este verticală), iar solubilitatea maximă a soluţiei solide β scade odată cu scăderea temperaturii (linia DF este înclinată).

Punctele E şi D sunt capetele liniei ED, în limitele căreia decurge transformarea eutectică, iar punctul C reprezintă punctul eutectic. Ca urmare, în toate aliajele dispuse în limita liniei eutectice va avea loc transformarea eutectică, cu formarea de amestec mecanic al soluţiilor solide α şi β. Transformarea eutectică poate fi scrisă după cum urmează:

L → αE + βD

Aliajul având concentraţia componenţilor A şi B corespunzătoare proiecţiei punctului C, adică aliajul de concentraţie C, se numeşte eutectic.

Toate aliajele dispuse între punctele C şi E se numesc hipoeutectice. Cristalizarea acestora începe cu apariţia cristalelor de soluţie solidă α (de exemplu, pentru aliajul II în punctul 1). În intervalul de cristalizare (de exemplu, între punctele 1 şi 2), aceste aliaje vor avea structura formată din L şi α. În dreptul liniei EC (de exemplu, în punctul 2) în aliajele hipoeutectice se va petrece transformarea eutectică pentru acea parte de lichid L care mai există în aliaj în acel moment (cantitatea exactă se poate calcula cu regula pârghiei). De aceea, pentru aliajele hipoeutectice, transformarea eutectică va trebui scrisă în următoarea formă:

α + L → α + E(α + β)

Page 96: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

96

Hipereutectic

Diagrama cu peritectic

Aceste aliaje, după răcirea completă, vor avea structura formată din α + E(α+β)

Toate aliajele dispuse între punctele C şi D se numesc hipereutectice. Cristalizarea acestora începe cu apariţia cristalelor de soluţie solidă β (de exemplu, pentru aliajul III în punctul 1). În intervalul de cristalizare (de exemplu pentru aliajul III între punctele 1 şi 2) aceste aliaje au o structură bifazică L + β. În dreptul liniei CD, aliajele hipereutectice vor suferi o transformare eutectică, similară aliajelor hipoeutectice, adică:

β + L → β + E(α + β)

Prin răcirea ulterioară a aliajelor hipereutectice, în structura acestora vor avea loc o serie de transformări care n-au avut loc în aliajele hipoeutectice. Cauza acestor transformări este înclinarea curbei DF (curba EN nu este înclinată, ci verticală). Conform celor deja precizate mai sus, odată cu scăderea temperaturii solubilitatea maximă a componentului A în B scade. De aceea, din soluţia solidă β va precipita αII. Ca urmare, toate aliajele hipereutectice (de exemplu, pentru aliajul III sub punctul 2) vor avea, la o temperatură inferioară celei eutectice, o structură formată din: β + E(α + β) + αII. Această structură este formată din trei componente structurale (constituenţi) - β, E(α + β) şi αII , deşi are la bază doar două faze: α şi β.

10.2.2. Diagrama cu transformare peritectică

Datele iniţiale: ambii componenţi sunt totali solubili în stare lichidă, parţial solubili în stare solidă şi nu formează compuşi chimici, dar formează amestecuri mecanice ca rezultat al unei transformări peritectice.

Componenţii: elementele chimice A şi B; (K = 2)

Fazele: faza lichidă L, soluţia solidă α (soluţia componentului A în B) şi soluţia solidă β (soluţia de B în A) (Φ = 3).

Un exemplu pentru acest tip de diagramă este diagrama de stare a sistemului de aliaje Ag - Pt.

Transformarea peritectică reprezintă acea transformare prin care o fază lichidă interacţionează, la o temperatură constantă, cu o fază solidă, formată anterior din lichid, rezultând o altă fază solidă.

Diagrama cu transformare peritectică este înfăţişată în figura 10.4. În această diagramă linia ABC reprezintă linia lichidus, linia APDC – linia solidus, linia BD – linia de transformare peritectică, iar punctul P – punctul peritectic.

Page 97: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

97

Transformare peritectică

Toate aliajele în care decurge transformarea peritectică, adică aliajele situate la stânga punctului B şi la dreapta punctului D, cristalizează în intervalul cuprins între lichidus şi solidus, similar procesului din figura 10.1.

Pentru toate aliajele situate între capetele liniei peritectice (punctele B şi D) va avea loc transformarea peritectică:

L + β → α

Cu toate acestea, procesul de cristalizare al aliajelor cuprinse în intervalele B-P şi respectiv P-D va decurge diferit.

Astfel, pentru aliajele cuprinse între punctele P şi D, în intervalul cuprins între lichidus şi solidus (de exemplu, pentru aliajul I între punctele 1 şi 2), din lichid se formează mai întâi cristale de β, structura fiind bifazică L + β. Dar, ţinând seama de faptul că aceste aliaje au un surplus de fază β, în comparaţie cu acea cantitate de lichid necesară pentru desfăşurarea în întregime a reacţiei peritectice (L + β → α), la răcirea acestor aliaje sub linia peritectică (de exemplu aliajul I sub punctul 2) structura lor va cuprinde, pe lângă produşii transformării peritectice (adică cristale de α), şi cristale de β în exces. Astfel, cu cât compoziţia aliajului este mai aproape de punctul P, cu atât mai mică va fi cantitatea de cristale în exces de β după transformarea peritectică. Toate aliajele, dispuse între punctele P şi D, după răcirea finală vor avea o structură bifazică (α+β).

Figura 10.4 – Diagrama de stare şi curbele de răcire ale aliajelor cu transformare peritectică

Aliajul cu compoziţia corespunzătoare punctului P are un asemenea raport al fazei lichide L şi fazei solide β încât, după transformarea peritectică, structura este formată numai din faza α, adică are loc integral transformarea peritectică: L + β → α.

Page 98: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

98

Aliajele cu concentraţia cuprinsă între B şi P încep să cristalizeze de asemenea între lichidus şi solidus cu formarea din lichid a fazei β (de exemplu, pentru aliajul II între punctele 1 şi 2). Dar, aceste aliaje la temperatura peritectică au un surplus de fază lichidă, faţă de cantitatea necesară formării fazei α în punctul P. De aceea, transformarea peritectică se încheie prin consumarea integrală a fazei β, iar lichidul din intervalul cuprins între linia peritectică şi solidus (de exemplu, pentru aliajul II în intervalul dintre punctele 2 şi 3) cristalizează cu formarea soluţiei solide α. Ca urmare, toate aliajele cuprinse între punctele B şi P, vor avea după răcirea finală structura formată numai din faza α.

Test de autoevaluare 10.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce este transformarea eutectica? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 10.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce este transformarea peritectica? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 10.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care este solubilitatea reciproca a elementelor chimice Ag si Pt in stare solida? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 10. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 10 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Page 99: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea I

99

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 10

1. Dati cateva exemple de sisteme de aliaje care prezinta solubilitate totala in stare solida a componentilor.

2. Descrieti modalitatea de solidificare a aliajului III in figura 10.3, pornind din stare lichida pana la temperatura ambianta.

3. Unde se formeaza faza lichida intr-un sistem de aliaje: a) deasupra curbei lichidus; b) sub curba lichidus; c) intre lichidus si solidus; d) sub curba solidus?

4. Scrieti formula de calcul prin care se poate calcula cantitatea de eutectic ce se formeaza in aliajul II, diagrama 10.3, utilizand regula parghiei.

5. Schitati diagrama de echilibru fazic pentru un sistem bicomponent in care componentii sunt total solubili in stare solida, iar temperatura de topire a componentului A este de doua ori mai mare decat cea a componentului B.

Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

10.1. Eutecticul reprezinta un amestec mecanic, format din două (sau mai multe) tipuri de cristale de componenti puri sau solutii solide, ce cristalizează simultan din faza lichidă.

10.2. Transformarea peritectică reprezintă acea transformare prin care o fază lichidă interacţionează, la o temperatură constantă, cu o fază solidă formată anterior din lichid, rezultând o altă fază solidă.

10.3. Argintul si platina sunt partial solubile unul in celalalt in stare solida, formand o diagrama cu transformare peritectica.

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 10

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 4;

Page 100: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

100

Unitatea de învăţare Nr. 11 – UI-11

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 11…………………………………………………… 101

11.1. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care se formează amestecuri mecanice din componenţi puri

101

11.2. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care componenţii formeaza compusi chimici

103

11.3. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care componenţii suferă transformări polimorfe

104

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 11……………………………….. 106

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 106

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 11………………………………………… 106

Page 101: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

101

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 11

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 11 sunt:

• Prezentarea diagramelor de echilibru fazic pentru sisteme de aliaje în care se formează amestecuri mecanice din componenţi puri, sau în care componenţii formeaza compusi chimici, sau suferă transformări polimorfe

CONTINUTUL UI-11:

Componenţi insolubili

11.1. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care se formează amestecuri mecanice din componenţi puri

Datele iniţiale: ambii componenţi sunt totali solubili în stare lichidă, insolubili în stare solidă şi nu formează compuşi chimici.

Componenţii: elementele chimice A şi B; (K = 2)

Fazele: faza lichidă L, cristalele de metal pur A şi B (Φ = 3).

Un exemplu pentru acest tip de diagramă este diagrama de stare a sistemului de aliaje Pb – Sb. Diagrama Pb – Sb se construieşte pe baza utilizării curbelor de răcire, obţinute prin metoda analizei termice (figura 11.1).

Figura 11.1 – Diagrama de stare, curbele de răcire şi schema structurilor aliajelor din sistemul Pb – Sb în cazul răcirii continue până la temperatura camerei

Sistemul de aliaje Pb – Sb include şi compoziţiile cu 100% Pb şi 0% Sb, adică plumb pur şi 100% Sb cu 0%Pb adică stibiu pur. Curbele de răcire ale acestor două metale pure prezintă câte un palier care indică temperatura de cristalizare: pentru plumb 327° C, iar pentru stibiu 631° C. Structura acestor metale pure este formată din grăunţi uniformi.

Page 102: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

102

Eutectic

Hipoeutectic

Hipereutectic

Aliajul ce conţine 13% Sb şi 87% Pb prezintă de asemenea un palier, adică un punct critic (245° C) – temperatura de solidificare a acestui aliaj.

Caracteristic pentru acest aliaj este faptul că solidificarea se petrece din faza lichidă simultan pentru cristalele de Pb şi Sb (în caz general cristale de A şi de B) cu formarea unui amestec mecanic. Un asemenea tip de amestec mecanic, format din două (sau mai multe) tipuri de cristale, ce cristalizează simultan din faza lichidă se numeşte eutectic.

Aliajul cu 13% Sb şi 87% Pb se numeşte eutectic, iar microstructura sa cu morfologie punctiformă pune în evidenţă precipitate de stibiu într-o masă de plumb.

Transformarea eutectică se poate scrie astfel:

L → Pb + Sb sau într-un caz general L → A + B

Cristalizarea oricărui aliaj cu 0% < Sb < 13% începe cu apariţia cristalelor de Pb. Aceste aliaje solidifică într-un interval de temperaturi şi după nişte curbe de răcire care prezintă două puncte critice, corespunzătoare începutului şi sfârşitului de solidificare (de exemplu aliajul cu 5% Sb în figura 11.1). Toate aceste aliaje se numesc hipoeutectice, ele suferind o transformare eutectică la răcire mai jos de temperatura de 245° C şi având o structura finală după răcire formată din Pb + E (Pb + Sb). În această structură sunt prezenţi doi constituenţi structurali: cristale de Pb şi eutectic E (Pb + Sb), ambii formaţi pe baza a două faze – cristale de Pb şi cristale de Sb.

Cristalizarea oricărui aliaj cu 100% > Sb > 13% începe cu precipitarea cristalelor de stibiu. Aceste aliaje se solidifică de asemenea într-un interval de temperaturi – începutul şi sfârşitul solidificării (de exemplu aliajul cu 40% Sb, figura 11.1).

La răcirea mai jos de temperatura de 245 C, în aceste aliaje are loc transformarea eutectică. Aceste aliaje se numesc hipereutectice şi prezintă după răcirea completă o structură formată din Sb + E (Pb + Sb). Structura aliajelor hipereutectice este formată de asemenea din două faze – cristale de Pb şi cristale de Sb – şi doi constituenţi – cristale de Sb şi eutecticul E (Pb + Sb).

În diagrama din figura 11.1 se pot distinge 3 zone caracteristice:

- zona unde există numai faza lichidă limitată de curba lichidus ce trece prin punctele: temperatura 327°C – punctul eutectic 245°C – temperatura 631°C.

- zona unde există numai fază solidă (cristale de Pb şi Sb) mai jos de linia eutectică (linia orizontală la nivelul temperaturii de 245° C a cărei capete intersectează ordonatele cu 100% Pb şi 100% Sb numită şi linia solidus).

- zona unde există simultan fază lichidă şi fază solidă, cuprinsă între liniile ce delimitează stările solide şi lichide ale aliajelor.

Page 103: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

103

Diagrama cu compus chimic

11.2. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care se formează compuşi chimici

Datele iniţiale: ambii componenţi sunt totali solubili în stare lichidă, insolubili în stare solidă şi formează compuşi chimici.

Componenţii: elementele chimice A şi B; (K = 2)

Fazele: faza lichidă L, cristale de component A şi B sau de compus chimic AmBn (Φ = 3).

Compusul chimic, în acest caz, are o topire congruentă, adică este stabil, nedescompunându-se la încălzire. În comparaţie cu acesta, un compus chimic cu topire incongruentă se descompune la încălzire, fiind deci instabil. În situaţia de faţă, diagrama este indicată în figura 11.2.

Un exemplu pentru acest tip de diagramă este diagrama de stare a sistemului de aliaje Mg - Ca.

Compusul chimic AnBm se caracterizează printr-un raport exact al componenţilor (de exemplu, n% de component A şi M% de component B). Pe axa de concentraţii a componenţilor, compusul chimic se reprezintă printr-un punt fix de unde se ridică o verticală, care împarte diagrama în două diagrame mai simple, pentru care compusul chimic are rol de component de sine stătător şi formează eutectice cu componentul A, după reacţia L → A + AnBm (domeniul I) şi cu componentul B, după reacţia L → B + AnBm (domeniul II).

Figura 11.2 – Diagrama de stare pentru un sistem de aliaje binar cu un compus chimic stabil

Cristalizarea aliajelor în domeniile I şi II se produce similar cu diagramele ce formează eutectic din componenţi puri, discutată mai sus. Astfel, după răcirea finală a aliajului eutectic din zona I, acesta va fi format numai din eutectic E (A + AnBm), iar aliajul eutectic din zona II din E (B + AnBm). Aliajele hipoeutectice corespunzătoare zonei I vor fi formate din A + E (A + AnBm), iar cele din zona II din AnBm + E (B + AnBm). Aliajele hipereutectice corespunzătoare zonei I vor fi formate din AnBm + E (A + AnBm), iar cele din zona II din B + E (B + AnBm).

Page 104: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

104

Componenţi cu transformări polimorfe

11.3. Diagrama de stare a unui sistem de aliaje bicomponent, în care componenţii suferă transformări polimorfe

Datele iniţiale: ambii componenţi sunt totali solubili în stare lichidă, în stare solidă pot forma amestecuri mecanice ca urmare a unei transformări eutectice sau peritectice; pot de asemenea forma soluţii solide continue şi iar măcar unul din componenţi suferă transformări polimorfe.

Componenţii: elementele chimice A şi B; (K = 2)

Fazele: faza lichidă L, soluţii solide α, β, γ.

Prin transformările polimorfe, în aliaje are loc recristalizarea fazelor solide existente, transformare care se supune aceloraşi legi ce definesc procesul de cristalizare din stare lichidă.

Dacă în aliaje, unul sau ambii componenţi prezintă polimorfism, atunci şi aliajele acestor componenţi vor suferi transformări polimorfe în stare solidă. În acest caz, diagrama de stare devine “supraetajată”: etajul superior al diagramei caracterizează cristalizarea primară din starea lichidă, iar etajul inferior – recristalizarea, adică apariţia de noi cristale de fază solidă din faza solidă primară, de exemplu, a cristalelor de soluţie solidă α din soluţia solidă β, cu altă reţea cristalină – figura 11.3,a.

Figura 11.3 – Diagrame de stare cu transformări polimorfe

În caz general, tipul diagramei depinde de ce faze se formează în aliaje în procesul transformărilor polimorfe. Variantele posibile pot fi multiple. Noi vom urmări aici două variante, considerate ca fiind cele mai caracteristice – figura 11.3, a, b.

În primul caz (figura 11.3, a), componentul A prezintă modificările alotropice Aα şi Aβ, care formează cu componentul B două soluţii solide α şi β.

Cristalizarea aliajelor în intervalul de cristalizare având o transformare peritectică a fost deja descrisă anterior. Ca urmare, aliajele până la temperatura corespunzătoare punctului C (temperatura de transformare polimorfă), au fie o structură monofazică β, fie o structură bifazică α + β. În aceste aliaje, la răcirea sub temperatura transformării polimorfe, are loc transformarea polimorfă β → α cu schimbarea reţelei cristaline.

Page 105: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

105

În cel de-al doilea caz (figura 11.3, b) ambii componenţi suferă transformări polimorfe, modificările de temperatură joasă (Aα şi Bα) fiind parţial solubile una într-alta, iar cele de temperatură înaltă (Aβ şi Bβ) fiind total solubile.

Această transformare, deşi este similară celei eutectice, are loc în stare solidă, motiv pentru care se numeşte eutectoidă, iar amestecul mecanic obţinut – eutectoid. Aliajul de compoziţie E se numeşte eutectoid. Aliajele situate în stânga punctului E se numesc hipoeutectoide, iar cele situate în dreapta – hipereutectoide.

Test de autoevaluare 11.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Pentru sistemul de aliaje Pb-Sb, care este solubilitatea reciproca a componentilor in stare solida? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 11.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce tipuri de compusi chimici se formeaza in sistemul Pb-Sb? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 11.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Pentru sistemul de aliaje Mg-Ca, care este solubilitatea reciproca a componentilor in stare solida? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 11. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 11 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Page 106: Sim Lectii+Intrebari

Diagrame de echilibru fazic – Partea a II-a

106

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 11

1. Cate eutectice se formeaza in sistemul de aliaje Mg-Ca? 2. Ce reprezinta transformarea eutectoida? 3. Ce tip de aliaj are o cantitate mai mare de eutectoid: aliajul

hipoeutectoid sau cel hipereutectoid? 4. Calculati cantitatea de eutectic care se formeaza in aliajul cu 40%

Pb si 60% Sb la temperatura ambianta. 5. Schitati si explicati curba de racire a aliajului cu 5% Sb in Pb.

Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

11.1. Plumbul si stibiul, in stare solida, nu sunt solubile unul in altul, neputand forma solutie solida.

11.2. In sistemul Pb-Sb nu se formeaza nici un tip de compusi chimici

11.3. Magneziul si calciul, in stare solida, nu sunt solubile unul in altul, dar formeaza un compus chimic MgCa.

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 11

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 4;

Page 107: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

107

Unitatea de învăţare Nr. 12 – UI-12

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 12…………………………………………………… 108

12.1. Fazele aliajelor Fe - C 108

12.2. Diagrama de stare Fe – cementită (starea metastabilă) 110

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 12……………………………….. 114

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 115

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 12………………………………………… 115

Page 108: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

108

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 12

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 12 sunt:

• Prezentarea principalelor faze care se formeaza in sistemul de aliaje Fe-Carbon

• Prezentarea diagramei metastabile Fe-cementita cu parametrii si caracteristicile corespunzatoare

CONTINUTUL UI-12:

Fierul

Caracteristici

În 1868, cercetătorul rus D.K. Cernov indica pentru prima oară existenţa într-un oţel a temperaturilor critice de transformare, punând astfel baza studierii diagramei de stare fier – carbon.

Fierul şi carbonul formează împreună o serie de compuşi chimici: Fe3C, Fe2C ş.a. Diagrama de stare fier – carbon este de regulă reprezentată pentru compusul Fe3C – cementita, ce conţine 6,67 %C. Aliajele cu un conţinut mai mare de carbon decât acesta sunt deosebit de fragile şi nu prezintă importanţă practică. În afară de cementită, în sistemul fier – carbon se poate forma şi grafit.

Fier–cementită reprezintă sistemul metastabil, deoarece cementita din punct de vedere termodinamic este o fază mai puţin stabilă decât grafitul, deşi din punct de vedere cinetic cementita se formeaza mai rapid decat grafitul. Acesta este motivul pentru care diagrama fier – cementită se numeşte diagrama metastabilă, iar diagrama fier – grafit se numeşte diagrama stabilă.

12.1. Fazele aliajelor Fe - C

Fierul este un metal gri–argintiu ce aparţine grupei a VIII-a a sistemului periodic, având masa atomică de 55,85, densitatea de 7,86 g/cm3 şi temperatura de topire de 1536 °C. Fierul pur obţinut în condiţii de laborator conţine mai puţin de 0,0001 % impurităţi, iar fierul de puritate tehnică în jur de 0,1 – 0,15% impurităţi. Rezistenţa mecanică a fierului de puritate tehnică este mică, de 250 MPa, pentru o plasticitate, în schimb, relativ ridicată - δ = 50%, ψ = 80%.

Fierul, în stare solidă, se poate afla în două forme polimorfe:

- CVC (cubic cu volum centrat) şi

- CFC (cubic cu feţe centrat).

Conform schemei de variaţie a energiei libere (figura 12.1) rezultă că în intervalul de temperaturi 910° – 1392°C cea mai mică energie liberă şi cea mai mare stabilitate o are Fe γ cu reţea cristalină CFC. Sub temperatura de 910° C şi deasupra temperaturii de 1392° C este stabil Fe α cu reţea CVC.

Page 109: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

109

Fe α

Fe γ

Fe δ

Carbon

Grafit

Modificarea de temperatură înaltă a fierului α este denumită uneori Fe δ deoarece este paramagnetică şi nu feromagnetică ca Fe α, deşi din punct de vedere cristalografic nu se deosebesc.

Figura 12.1 – Schema variaţiei energiei libere a modificărilor polimorfe ale fierului cu structura CVC şi CFC.

Curba de răcire înregistrează două transformări polimorfe şi una

magnetică (figura 12.2). Transformarea magnetică de la 768° C nu este legată de modificări ale reţelei cristaline sau de recristalizări, ci de modificări ale straturilor electronice interioare şi exterioare ale atomilor care duc la variaţii ale proprietăţilor magnetice.

Figura 12.2 – Curba de răcire şi încălzire a fierului

Carbonul aparţine grupei a IV-a din sistemul periodic al elementelor.

Carbonul se întâlneşte în natură sub două forme: diamant şi grafit. Masa atomică a carbonului este 12, densitatea grafitului de 2,25 g/cm3 şi temperatura de topire de 3500° C.

Grafitul cristalizează în sistem hexagonal, este un material moale şi are o rezistenţă scăzută. Rezistenţa grafitului creşte odată cu creşterea temperaturii: la 20° C rezistenţa Rm = 20 MPa, iar la 2500° C grafitul este mai rezistent decât toate metalele refractare.

Page 110: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

110

Ferita

Austenita

Cementita

Ledeburita

Carbonul formează cu fierul soluţii solide interstiţiale. Solubilitatea carbonului în fier depinde de forma sa cristalografică. Diametrul interstiţiilor reţelei cristaline CVC este mult mai mic decât diametrul interstiţiilor din reţeaua CFC. De aceea Fe α este capabil să dizolve carbon în cantităţi mici, în timp ce solubilitatea carbonului în Fe γ este mult mai mare.

În sistemul Fe – C se pot întâlni următoarele faze: faza lichidă, soluţia solidă pe bază de Fe α (ferită), soluţia solidă pe bază de Fe γ (austenită), compusul chimic Fe3C (cementită) şi grafit.

Ferita (F) este soluţia solidă interstiţială de carbon în Fe α. La 727° C solubilitatea carbonului în Fe α are valoarea maximă, de 0,02 %; la 20° C carbonul este solubil în Fe α în proporţie de 0,006%. Proprietăţile feritei sunt apropiate de cele ale fierului pur.

Austenita (A) este soluţia solidă interstiţială de carbon în Fe γ. La 1147° C austenita poate dizolva 2,11 %C, iar la 727° C – 0,8 %C.

Şi în ferită şi în austenită se pot dizolva multe elemente de aliere ce formează soluţii solide de substituţie şi care modifică puternic proprietăţile. În plus, alierea poate modifica substanţial temperatura limitelor de existenţă a acestor faze.

Cementita (cem) – carbura de fier Fe3C conţine 6,67 %C. Temperatura de topire a cementitei este de 1252° C, iar duritatea acesteia este foarte mare, de 800 HB, putând zgâria cu uşurinţă sticla. Cementita este foarte fragilă, are o plasticitate aproape nulă, o reţea ortorombică cu o împachetare densă a atomilor. La încălzire cementita se dizolvă conform următoarei reacţii:

Fe3C → 3Fe + Cgrafit

12.2. Diagrama de stare Fe – cementită (starea metastabilă)

Diagrama de stare a sistemului Fe – cementită este arătată în figura 12.3.

Linia ABCD este linia lichidus, iar linia AHJECF – linia solidus. Punctul A corespunde temperaturii de topire a fierului (1536° C), punctul D – temperaturii de topire a cementitei (1252° C). Punctele N şi G corespund temperaturilor de transformare polimorfă a fierului.

În sistemul Fe – Fe3C are loc o transformare eutectică şi una eutectoidă. După linia ECF, la 1147° C, are loc transformarea eutectică: LC ↔ AE + cemF. Eutecticul format se numeşte ledeburită.

Ledeburita (Led) – eutecticul sistemului Fe – Fe3C – reprezintă amestecul mecanic dintre austenită şi cementită şi conţine 4,3 %C.

După linia PSK, la 727° C, are loc transformarea eutectoidă: AS ↔ FP + cemK , în urma căreia din austenita cu conţinut de 0,8 %C se formează amestecul mecanic eutectoid de ferită şi cementită.

Page 111: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

111

Perlita

Transformarea eutectoidă este similară cristalizării eutecticului, dar eutectoidul nu se formează din lichid ci dintr-o soluţie solidă. Eutectoidul se numeşte perlită.

Perlita (P) – eutectoidul sistemului Fe – Fe3C – este amestecul mecanic de ferită şi cementită ce conţine 0,8 %C.

Perlita este formată din lamele de cementită într-o masă de ferită şi are o culoare cenuşiu – sidefie în proba atacată, de unde şi denumirea de perlită. Grăuntele de perlită este format din lamele paralele de cementită şi ferită. Cu cât sunt mai mari cristalele de cementită cu atât sunt mai slabe proprietăţile mecanice ale perlitei.

Figura 12.3 – Diagrama de stare Fe – Fe3C

Austenita, ce intră în componenţa ledeburitei, suferă la 727° C o

transformare eutectoidă. De aceea, sub 727° C ledeburita este formată din amestec mecanic de perlită şi cementită.

Page 112: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

112

Microstructuri Oţeluri

Linia PQ corespunde liniei de solubilitate variabilă. Sub această linie aliajul este suprasaturat în carbon, are loc precipitarea carbonului în exces care va forma un compus chimic cu fierul, adică cementită. La răcire, cementita se separă continuu, iar concentraţia de carbon în ferită scade conform liniei PQ, ajungând la temperatura camerei la 0,006 %. Cementita ce se separă din ferită se numeşte cementită terţiară – cem’’’.

Variaţia dimensională şi de distribuţie a formaţiunilor de cementită influenţează puternic proprietăţile aliajelor Fe – C.

La temperaturi ridicate, din lichid se separă cementita primară – cem’, sub formă de cristale aciculare mari. Cementita secundară – cem’’ – se separă din austenită la temperaturi relativ ridicate şi la viteze mari de difuzie. De aceea cementita secundară se formează ca o reţea la limita grăunţilor de austenită.

Cementita terţiară – cem’’’ – se formează din ferită la temperaturi scăzute. Ea se separă de obicei în interiorul grăunţilor de ferită sub forma unor incluziuni disperse, care de altfel şi cresc duritatea feritei.

Aliajele sistemului Fe – Fe3C se împart din punct de vedere structural în: oţeluri carbon şi fonte albe. Oţelurile carbon conţin până la 2,11 %C şi îşi încheie procesul de solidificare prin formarea austenitei. Fontele albe conţin mai mult de 2,11 %C şi îşi încheie solidificarea prin formarea eutecticului – ledeburita.

Figura 12.4 – Microstructura oţelurilor cu diferite conţinuturi de carbon, %: a) 0,1; b) 0,4;

c) 0,8; d) 1,2;

Page 113: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

113

Microstructuri Fonte

Figura 12.5 – Microstructura fontelor albe: a – fontă albă hipereutectică, 5%C; b – fontă albă eutectică, 4,3 %C; c – fontă albă hipoeutectică, 3 %C.

În figurile 12.4 şi 12.5 sunt redate microstructurile câtorva oţeluri şi fonte cu diferite conţinuturi de carbon.

Lipsa ledeburitei din structura oţelurilor face ca plasticitatea acestora să fie mai mare şi deci să poată fi prelucrate prin deformare plastică. Pe de altă parte, prezenţa în structura fontelor a ledeburitei uşor fuzibile, face ca proprietăţile de turnare ale acestora să fie considerabile.

Test de autoevaluare 12.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce este ledeburita? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Page 114: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

114

Test de autoevaluare 12.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce este perlita? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 12.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce continut de carbon pot avea otelurile si ce continut de carbon pot avea fontele albe? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 12. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 12 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 12

1. Care sunt formele de cristalizare ale fierului? 2. Care este limita de solubilitate a carbonului in Feα? 3. Ce este austenita? 4. Descrieti transformarea prin care se formeaza perlita. 5. Care sunt caracteristicile grafitului? 6. Care este temperatura de topire a fierului? 7. Care faza are o stabilitate structurala mai mare: cementita sau

grafitul? 8. Enumerati fazele care se formeaza in sistemul Fe-carbon. 9. Ce faza este mai dura: austenita sau cementita? 10. Care este influenta ledeburitei asupra proprietatilor de turnare a

fontelor? Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 10 1

Page 115: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-cementita)

115

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

12.1. Ledeburita (Led) – eutecticul sistemului Fe – Fe3C – reprezintă amestecul mecanic dintre austenită şi cementită şi conţine 4,3 %C.

12.2. Perlita (P) – eutectoidul sistemului Fe – Fe3C – este amestecul mecanic de ferită şi cementită ce conţine 0,8 %C.

12.3. otelurile intre 0 – 2,11%C; fontele albe intre 2,11 – 6,67%C; Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 12

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 5.1, 5.2;

Page 116: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

116

Unitatea de învăţare Nr. 13 – UI-13

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 13…………………………………………………… 117

13.1. Diagrama de stare Fe – Grafit (starea stabilă) 117

13.2. Clasificarea fontelor 118

13.3. Procesul de grafitizare al fontelor 119

13.4. Microstructura şi proprietăţile fontelor 121

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 13………………………………………….. 125

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 126

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 13…………………………………………………… 126

Page 117: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

117

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 13

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 13 sunt:

• Prezentarea diagramei stabile Fe-grafit si a caracteristicilor sale legate de transformari, parametri, constituenti

• Prezentarea principalelor categorii de fonte, procese de grafitizare, factori de influenta, proprietati

CONTINUTUL UI-13:

Suprapunerea diagramelor

13.1. Diagrama de stare Fe – Grafit (starea stabilă)

Diagrama de stare Fe–Grafit caracterizează starea stabilă a sistemului Fe-C. Formarea grafitului are loc în fontele cu conţinut mare de carbon. Carbonul sub formă de grafit se formează direct din topitură, din austenită, sau prin descompunerea cementitei.

Diagrama Fe–Grafit (figura 13.1) este indicată prin linii punctate trasate suprapus pe diagrama fier – cementită, putându-se astfel compara cele două diagrame.

În afară de liniile comune AC, AE şi GS, celelalte linii pline sau punctate din figură nu coincid. Temperaturile eutectice şi eutectoide corespunzătoare diagramei stabile Fe–C sunt mai ridicate decât temperaturile corespunzătoare din diagrama metastabilă Fe–Fe3C. În sistemul stabil Fe – C, eutecticul (austenită + grafit), ce conţine 4,26 %C, se formează la 1153° C. După linia E’S’, în intervalul de temperaturi 1153° – 738° C, se formează grafitul secundar.

Figura 13.1 – Diagrama de stare Fe – C: liniile pline corespund diagramei metastabile Fe – Fe3C, iar cele punctate – diagramei stabile Fe – Grafit.

Transformarea eutectoidă în sistemul Fe – Grafit are loc la temperatura 738° C. Eutectoidul, format din ferită şi grafit, conţine 0,7 %C.

Page 118: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

118

Proces de grafitizare

Viteze de răcire scăzute

Utilizarea diagramei de stare Fe–grafit nu diferă principial de cea a diagramei fier–cementită. Probabilitatea de formare a cementitei metastabile din faza lichidă este mult mai mare decât a grafitului.

Orice proces este caracterizat de condiţiile termodinamice şi cinetice de desfăşurare. Forţa motrice a procesului de grafitizare este reprezentată de tendinţa sistemului de a-şi micşora conţinutul de energie liberă. În figura 13.2 este arătată schema de variaţie a energiei libere a fazei lichide, a amestecului de austenită şi cementită sau grafit, odată cu creşterea temperaturii. Din figură se poate observa că cementita este o fază mai puţin stabilă din punct de vedere termodinamic decât grafitul. Diferenţa între temperaturile T1 şi T2 nu este mare şi pentru o subrăcire mică va avea loc cristalizarea cementitei şi nu a grafitului.

Figura 13.2 – Schema de variaţie a energiei libere la grafitizarea fontei

Structurile cristaline ale austenitei şi cementitei diferă mult mai puţin

între ele decât structurile cristaline ale austenitei şi grafitului. Ţinând seama de faptul că grafitul este format numai din carbon, iar cementita are doar 6,67 %C, compoziţia fazei lichide şi a austenitei sunt mai apropiate de compoziţia cementitei decât de cea a grafitului. De aceea, formarea cementitei din lichid sau austenită se produce mai uşor din punct de vedere cinetic decât cea a grafitului.

Grafitul se produce doar la viteze scăzute de răcire, într-un interval îngust de temperaturi, când gradul de subrăcire din faza lichidă este mic. La viteze mai mari de răcire şi la subrăcirea fontei lichide sub 1147° C are loc formarea cementitei.

13.2. Clasificarea fontelor

Aliajele Fe – C, ce conţin > 2,14 %C, se numesc fonte. Spre deosebire de oţeluri fontele au un conţinut mult mai mare de carbon, cristalizează prin formarea unui eutectic, au deformabilitate plastică scăzută şi proprietăţi de turnare ridicate. Proprietăţile tehnologice ale fontelor sunt dictate de existenţa eutecticului în structură. Costul fontelor în comparaţie cu cel al oţelurilor este mai mic.

Fontele se elaborează în furnale, cubilouri şi cuptoare electrice. Cele elaborate în furnale sunt împărţite în trei categorii: fonte de afinare, fonte speciale (feroaliaje) şi fonte de turnătorie. Primele două categorii se utilizează pentru elaborarea ulterioară a oţelurilor şi a altor categorii de fonte. Fontele elaborate în cubilouri şi cuptoare electrice sunt fonte de turnătorie.

Page 119: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

119

Fontă albă

Fontă cenuşie

Fontă pestriţă

Grafitizare

Aproximativ 20% din fontele elaborate sunt utilizate pentru turnătorie. Fontele pentru turnătorie nu au de regulă mai mult de 4 %C. În afară de carbon, mai sunt prezente sub formă de impurităţi şi S, P, Mn, Si într-o cantitate mai mare decât în oţelurile carbon.

În funcţie de forma de apariţie a carbonului se disting următoarele tipuri de fonte:

1. Fonta albă, în care tot carbonul se află sub formă de cementită Fe3C. În spărtură această fontă are o culoare alb-argintie şi un luciu caracteristic. 2. Fontă pestriţă, în care cea mai mare cantitate de carbon (mai mult de 0,8 %) se află sub formă de cementită. Fonta are o structură formată din perlită, ledeburită şi grafit lamelar. 3. Fontă cenuşie, în care întreaga cantitate de carbon sau marea sa majoritate se află în stare liberă sub formă de grafit lamelar, restul de carbon în stare legată sub formă de cementită ne-fiind mai mare de 0,8 %. 4. Fontă cu strat superficial „alb”, în care masa principală de aliaj are o structură de fontă cenuşie, iar stratul superficial de fontă albă. Acest strat se obţine în piese masive cu pereţi groşi la turnarea în forme metalice. Pe măsură ce viteza de răcire scade din exterior spre interior, structura fontei albe se transformă treptat într-o fontă cenuşie. Fonta din stratul superficial conţine multă cementită dură şi fragilă, având o rezistenţă la uzură foarte bună. De aceea fontele cu strat alb se folosesc pentru piese cu rezistenţă la uzură ridicată, pentru cilindri de laminor, pentru mori de măcinare, pentru roţi de cale ferată cu strat alb. Stratul alb se poate obţine printr-o răcire locală mai rapidă prin instalarea în forma de turnare a unor adaosuri metalice răcite. 5. Fontă cu înaltă rezistenţă mecanică, în care grafitul are o formă nodulară. 6. Fonte maleabile, care se obţin din fonte albe prin aplicarea unui tratament termic de recoacere, în urma căruia carbonul trece în stare liberă sub formă de grafit „în cuiburi”.

13.3. Procesul de grafitizare al fontelor

Grafitizarea reprezintă procesul de formare a grafitului în timpul cristalizării sau răcirii aliajelor Fe-C. Grafitul se poate forma atât din fază lichidă, la solidificarea fontei, cât şi din fază solidă. Formarea grafitului este ilustrată de diagrama de stare Fe-C. Sub linia C’D’ se formează grafit primar, în dreptul liniei E’C’F’ – grafit eutectic, iar în dreptul liniei P’S’K’ – grafit eutectoid (figura 13.1).

Grafitizarea fontei depinde de următorii factori:

- existenţa în fontă a unor centri de grafitizare - viteza de răcire - compoziţia chimică a fontei

Page 120: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

120

Centri de grafitizare

Elemente grafitizante

Siliciul

Formarea grafitului într-o fontă solidificată este greu realizabilă din punct de vedere energetic, deoarece creşterea energiei libere prin formarea suprafeţei interfazice noi este mult mai mare decât scăderea acesteia prin cristalizare. Lucrul mecanic de formare a germenilor de grafit se micşorează prin existenţa unor centri de grafitizare reprezentaţi de diferite incluziuni sau impurităţi fine existente în faza lichidă sau în austenită. Asemenea particule fin disperse pot fi oxizii de aluminiu Al2O3, SiO2, nitruri de tipul AlN sau particule insolubile de grafit. Parametrii reţelei cristaline ai centrilor de grafitizare trebuie să fie apropiaţi de cei ai reţelei cristaline ai grafitului.

Influenţa vitezei de răcire se manifestă prin faptul că grafitizarea fontei reprezintă un proces difuziv şi decurge lent. Durata lungă a procesului de grafitizare este dictată de necesitatea realizării câtorva stadii: formarea centrilor de grafitizare în fază lichidă sau austenită, difuzia atomilor de carbon spre centrii de grafitizare şi creşterea formaţiunilor de grafit. În cazul procesului de grafitizare a cementitei, apare în plus şi necesitatea dizolvării prealabile a cementitei Fe3C şi solubilizării carbonului în austenită. Cu cât este mai lentă răcirea fontei, cu atât mai multă amploare va avea procesul de grafitizare.

În secţiunea lingoului, o fontă poate avea structură variabilă. În zonele subţiri ale lingoului, unde vitezele de cristalizare şi răcire sunt mai mari, fonta are un grad de grafitizare mult mai mic decât în zonele groase, masive ale lingoului. Răcirea rapidă favorizează obţinerea fontei albe, iar răcirea lentă pe cea a fontei cenuşii.

Din incluziunile care apar în fonte, influenţa pozitivă cea mai puternică asupra grafitizării o are siliciul. Conţinutul de siliciu în fontă variază între 0,5 şi 4-5 %. Prin variaţia conţinutului de siliciu se pot obţine fonte complet diferite din punct de vedere structural şi al proprietăţilor. Din diagrama figurii 13.3 se poate prognoza structura fontei în funcţie de conţinutul de carbon şi siliciu şi în funcţie de grosimea peretelui piesei.

Figura 13.3 – Diagramele structurale ale fontelor: a – influenţa conţinutului de carbon şi siliciu asupra structurii fontei pentru o grosime de perete de turnare de 50 mm; b – influenţa vitezei de răcire (grosimea peretelui) şi a compoziţiei cumulate (C+Si)% asupra structurii fontei: I – fonte albe; II – fonte cenuşii perlitice; III – fonte cenuşii feritice;

Page 121: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

121

Sulf

Fosfor

Structuri

Şi alte elemente care intră în compoziţia fontei, cum ar fi Mn, P, S, pot juca un rol important. Manganul împiedică grafitizarea, crescând tendinţa fontei de a se „albi”. Conţinutul de mangan din fontă nu depăşeşte de regulă 0,5 – 1 %.

Sulful reprezintă o incluziune dăunătoare în fontă. Tendinţa sa anti-grafitizantă este de 5-6 ori mai mare decât a manganului. În plus, sulful scade fluiditatea fontei, favorizează formarea porozităţilor, creşte tendinţa de contracţie şi de apariţie a fisurilor.

Influenţa fosforului în fontă se deosebeşte substanţial de influenţa sa în oţel. Deşi fosforul practic nu influenţează grafitizarea, are totuşi un rol pozitiv ca incluziune, crescând fluiditatea fontei cenuşii pe baza formării eutecticului fosforos uşor fuzibil (950° – 980° C).

Cele mai utilizate compoziţii chimice în cazul fontelor sunt:

• 3 – 3,7 %C; • 1 – 3 %Si; • 0,5 – 1 %Mn; • sub 0,3 %P şi 0,15 %S;

Sunt cazuri când fontele conţin elemente de aliere (Ni, Cr ş.a.) în scopul îmbunătăţirii proprietăţilor.

În concluzie, principalii factori care determină gradul de grafitizare al unei fonte sunt conţinutul de carbon, de siliciu şi viteza de răcire. Prin reglarea compoziţiei chimice şi a vitezei de răcire în funcţie de diagrama din figura 13.3, b, se poate obţine în lingou structura dorită a fontei.

13.4. Microstructura şi proprietăţile fontelor

Microstructura unei fonte este formată din masa metalică de bază şi din incluziunile de grafit. Proprietăţile fontei depind de proprietăţile masei metalice de bază şi de caracterul formaţiunilor de grafit.

Structura masei metalice de bază determină duritatea fontei. Astfel, masa metalică poate fi:

• perlitică, când 0,8 %C se află sub formă de cementită, iar restul sub formă de grafit; • ferito-perlitică, când cantitatea de carbon sub formă de cementită este mai mică de 0,8 %; • feritică

Grafitul din fontă poate fi lamelar (în fontele cenuşii), „în cuiburi” (în fontele maleabile), sau nodular (în fontele nodulare de înaltă rezistenţă mecanică) – figura 13.4.

Grafitul are o rezistenţă mecanică scăzută faţă de masa metalică de bază. De aceea, locurile de apariţie a acestuia pot fi considerate ca o întrerupere de continuitate.

Page 122: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

122

Caracteristici mecanice

Astfel, fonta poate fi considerată ca un oţel cu incluziuni de grafit ce slăbesc masa metalică de bază.

Ca urmare, fonta cenuşie are caracteristici mecanice scăzute (σm, δ, ψ) la testele de tracţiune. Formaţiunile de grafit au rol de concentratori de tensiune. În schimb, duritatea şi rezistenţa la încercări de compresiune sunt destul de ridicate deoarece acestea depind de caracterul masei metalice de bază şi nu de grafit.

Dar fonta cenuşie cu grafit lamelar are şi o serie de avantaje: permite turnarea de piese cu preţ scăzut, deoarece asigură fluiditate mare şi contracţie scăzută; permite o bună prelucrabilitate prin aşchiere; îmbunătăţeşte caracterul de antifricţiune al fontei; are proprietăţi bune de amortizare a vibraţiilor şi a variaţiilor de rezonanţă.

Fontele cenuşii se simbolizează cu Fc şi un grup de cifre care exprimă valoarea minimă a rezistenţei la rupere la tracţiune în N / mm2. Astfel, fontele cenuşii cu grafit lamelar în funcţie de intervalul de rezistenţă la tracţiune se împart în trei grupe:

- fonte cu rezistenţă mecanică mică – Fc 100, Fc 150; - fonte cu rezistenţă mecanică medie – Fc 200, Fc 250; - fonte cu rezistenţă mecanică ridicată – Fc 300, Fc 350, Fc 400;

În tabelul 13.1 sunt indicate câteva caracteristici ale fontelor cenuşii pentru maşini unelte.

Tabelul 13.1 – Proprietăţile mecanice şi compoziţia chimică a fontelor cenuşii

Marca fontei

Rez

iste

nţa

la

trac

ţiune

Rm

, N

/mm

2

Dur

itate

a H

B

după

de

tens

iona

re

Rez

iste

nţa

la

com

pres

iune

R

com

p, N

/mm

2

Rez

iste

nţa

la

înco

voie

re R

mi,

N/m

m2

C (%)

Si (%)

Mn (%)

P max. (%)

S max. (%)

Fc 100 100 100-150

400-500

- 3,0-3,8

2,1-2,7

0,5-0,8

1,2 0,15

Fc 150 150 140-190

550-700

300 3,0-3,6

1,8-2,4

0,5-0,8

1,2 0,15

Fc 200 200 170-210

600-830

360 3,0-3,4

1,6-2,3

0,5-1 0,65 0,14

Fc 250 250 180-240

700-1000

420 3,1-3,3

1,6-2,2

0,6-0,8

0,25 0,12

Fc 300 300 200-260

820-1200

480 3,0-3,2

1,4-1,7

0,7-0,9

0,20 0,12

Fc 350 350 210-280

950-1400

540 2,8-3,0

1,3-1,5

0,8-1 0,12 0,12

Fc 400 400 230-300

1100-1400

600 2,8-3,0

1,2-1,4

0,8-1 0,10 0,12

Prin aliere cu max. 0,75% Ni, 1% Cu sau 0,35% Cr asociate cu (0,5-0,75)% Mo, rezistenţa la rupere la tracţiune a fontelor cenuşii creşte faţă de valoarea iniţială cu 80-110 N/mm2.

Page 123: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

123

Fontă nodulară

Fontă maleabilă

Fontele cenuşii au o comportare bună la uzare prin frecare şi uzare prin abraziune (determinată de prezenţa unor particule dure, străine). Astfel, rezistenţa la uzare a fontelor cenuşii perlitice cu grafit lamelar fin este superioară fontelor maleabile şi oţelurilor, fiind inferioară doar fontelor călite, cu structură martensitică. În general, pentru o rezistenţă la uzare ridicată, fonta cenuşie trebuie să aibă o structură perlitică, grafit lamelar fin şi uniform distribuit, formaţiuni disperse de eutectic fosforos şi o cantitate minimă de ferită sau, în cazul frecării uscate, se pot folosi fonte complet feritice cu grafit interdendritic.

Pe măsura rotunjirii formaţiunilor de grafit, rolul lor negativ de predispunere la fisurare scade, iar proprietăţile mecanice ale fontei cresc. Forma nodulară a grafitului se obţine cu ajutorul modificatorilor precum SiCa, FeSi, Al, Mg.

Prin utilizarea magneziului ca modificator (până în 0,5 %), introdus înainte de turnare, se obţine o fontă nodulară. Acţiunea magneziului se explică prin creşterea tensiunii superficiale a grafitului şi formarea de microporozităţi în care difuzează carbonul. Datorită rezistenţelor mecanice ridicate, fontele nodulare se utilizează pentru obţinerea de piese precum roţi dinţate, arbori cotiţi. În tabelul 13.2 sunt indicate câteva proprietăţi mecanice ale fontelor nodulare.

Tabelul 13.2 – Caracteristicile mecanice pentru câteva fonte cenuşii cu grafit nodular pentru maşini-unelte

Marca fontei

Rez

iste

nţa

la

trac

ţiune

Rm,

N/m

m2

Lim

ita d

e cu

rger

e,

N/m

m2 ,

min

.

Alu

ngir

ea,

(%)

min

.

Dur

itate

a H

B

Rez

iste

nţa

la

com

pres

iune

R

com

p, N

/mm

2

Rez

iste

nţa

la

înco

voie

re

Rm

i, N

/mm

2

Fgn 370-17 370 230 17 140-180 - - Fgn 420-12 420 250 12 150-200 800-1000 800-900 Fgn 450-5 450 320 5 160-220 800-1100 800-950 Fgn 500-7 500 350 7 170-240 900-1100 850-1000 Fgn 600-2 600 400 2 210-280 1000-1200 900-1100 Fgn 700-2 700 450 2 230-300 1100-1300 1000-1200

Fontele maleabile se obţin din fonte albe cărora li se aplică un tratament

termic de recoacere de grafitizare (de maleabilizare) şi nu se supun deformării plastice. Grafitul din fontele maleabile are forma de fulgi aglomeraţi în nişte formaţiuni numite „cuiburi”. Compoziţia chimică a unei asemenea fonte este relativ stabilă:

• 2,2 – 3 %C; • 0,7 – 1,5 %Si; • 0,2 – 0,6 %Mn; • 0,2 %P; • 0,1 %S;

Din cauza conţinutului scăzut de carbon, fontele maleabile nu se obţin de obicei în cubilou, ci în cuptoare electrice. După umplerea formei de turnare, lingourile sunt răcite rapid obţinându-se structura unei fonte albe.

Page 124: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

124

Microstructuri

Caracteristici mecanice

Lingourile apoi sunt supuse unei recoaceri îndelungate (până la 2 zile), fiind ferite de oxidarea prin gazele din atmosfera cuptorului prin acoperire cu nisip. În urma recoacerii structura constă din grăunţi de ferită sau perlită şi cuiburi de grafit.

Figura 13.4 – Diferite forme de grafit în fonte: a) grafit lamelar (fontă cenuşie); b)

grafit „în cuiburi” (fontă maleabilă); c) grafit nodular (fontă nodulară);

Suprafaţa de rupere a unei fonte formată din ferită şi grafit este cenuşiu închisă. O asemenea fontă maleabilă se numeşte „cu inimă neagră”, deoarece conţine relativ mult grafit.

Dacă în zona transformării eutectoide fonta este răcită mult mai rapid, atunci masa metalică de bază va fi formată din perlită. Acest tip de fontă se numeşte fontă maleabilă perlitică, sau fontă cu „inimă albă”. În acest tip de structură apare mai puţin grafit decât în fonta maleabilă feritică. Piesele turnate din fonte maleabile sunt rezistente de regulă la şocuri şi vibraţii (reductoare, flanşe, cuplaje, cartere). În tabelul 13.3 sunt indicate câteva proprietăţi mecanice ale fontelor maleabile.

Tabelul 13.3 – Caracteristicile mecanice pentru câteva fonte maleabile

Marca fontei

Tipul fontei

Rez

iste

nţa

la

trac

ţiune

Rm

, N

/mm

2

Lim

ita d

e cu

rger

e,

N/m

m2 ,

min

.

Alu

ngir

ea,

(%)

min

.

Dur

itate

a H

B

Rez

iste

nţa

la

com

pres

iune

R

com

p, N

/mm

2

Rez

iste

nţa

la

înco

voie

re

Rm

i, N

/mm

2

Fma 350 albă 350 - 4 240 - - Fma 400 400 220 5 220 - - Fmn 300

neagră 300 - 6 160

1000

700 Fmn 320 320 - 8 160 Fmn 350 350 170 10 150 Fmn 370 370 190 14 150 Fmp 450

perlitică

450 260 6 220

1100-1300

900-1300

Fmp 500 500 300 5 240 Fmp 550 550 330 4 260 Fmp 600 600 360 3 270 Fmp 650 650 390 3 270 Fmp 700 700 500 3 280

Page 125: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

125

Tratament termic de

maleabilizare

Figura 13.5 – Schema de recoacere a fontei albe pentru obţinerea de fontă maleabilă

Test de autoevaluare 13.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt formele caracteristice de grafit care se pot forma intr-o fonta cenusie? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 13.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care sunt modificatorii nodulizanti cu ajutorul carora se obtine o forma nodulara a grafitului? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 13.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Care este valoarea minimă a rezistenţei la rupere la tracţiune în N / mm2 pentru o fonta cenusie cu rezistenţă mecanică ridicată? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 13. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 13 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Page 126: Sim Lectii+Intrebari

Diagrama Fe-C (Diagrama Fe-Grafit)

126

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 13

1. In ce conditii termodinamice se formeaza grafitul intr-o fonta cenusie?

2. Care sunt factorii de care depinde grafitizarea fontei? 3. Care sunt structurile posibile ce se pot forma in masa metalica de

baza intr-o fonta cenusie? 4. Ce este fonta pestrita? 5. Prin nodulizarea grafitului ce se intampla cu proprietatile mecanice

de rezistenta ale fontei: cresc sau scad? 6. Descrieti tratamentul de recoacere prin care o fonta alba este

transformata structural intr-o fonta maleabila. 7. Cum este rezistenta la uzura prin frecare si abraziune a fontelor

cenusii? Barem: (1 pct. din oficiu) Nr. intrebarii Punctaj 1 1 2 1 3 2 4 1 5 1 6 2 7 1

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

13.1. lamelar, nodular si “in cuiburi”

13.2. SiCa, FeSi, Al, in special Mg.

13.3. 300-400 N / mm2

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 13

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 5.3, 8;

Page 127: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

127

Unitatea de învăţare Nr. 14 – UI-14

Oţeluri carbon

Cuprins

Pagina

Obiectivele Unităţii de învăţare Nr. 14…………………………………………………… 128

14.1. Caracteristici generale 128

14.2. Influenţa carbonului asupra proprietăţilor oţelurilor 128

14.3. Influenţa incluziunilor asupra proprietăţilor oţelurilor 130

14.4. Clasificarea si simbolizarea otelurilor 131

Lucrare de verificare pentru Unitatea de învăţare Nr. 14……………………………….. 138

Răspunsuri şi comentarii la testele de autoevaluare…………………................................. 138

Bibliografie pentru Unitatea de învăţare Nr. 14………………………………………… 138

Page 128: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

128

OBIECTIVELE Unităţii de învăţare Nr. 14

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare Nr. 14 sunt:

• Principalele caracteristici ale otelurilor carbon, proprietatile acestora, influenta incluziunilor asupra proprietatilor otelurilor, clasificarea si simbolizarea otelurilor

CONTINUTUL UI-14:

Oţel calmat

Oţel necalmat

14.1. Caracteristici generale

Aliajele fierului cu carbonul, ce conţin mai puţin de 2,11 % C (punctul E), cu un conţinut scăzut în alte elemente chimice, se numesc oţeluri carbon. Oţelurile carbon îşi încheie procesul de cristalizare, la răcire, prin formarea austenitei. În structura lor nu apare eutectic (ledeburită), motiv pentru care acestea au o plasticitate ridicată, mai ales la încălzire, şi în plus au o deformabilitate bună.

Oţelurile carbon se obţin în cuptoare electrice, în cuptoare Martin, sau în convertizoare Bessemer. Proprietăţile cele mai bune le au oţelurile obţinute în cuptoare electrice, având un grad de puritate mai mare din punct de vedere al sulfului, fosforului, gazelor şi al incluziunilor nemetalice. Aceste oţeluri se utilizează pentru obţinerea de piese cu destinaţii speciale.

Din punct de vedere al oxidării se disting oţeluri necalmate, semicalmate şi calmate. Pentru un acelaşi conţinut de carbon, toate cele trei categorii de oţeluri prezintă valori apropiate ale proprietăţilor de rezistenţă, dar diferite în ceea ce priveşte plasticitatea. Conţinutul de siliciu într-un oţel calmat este de 0,15 - 0,35, în cel semicalmat este de 0,05 - 0,15, iar în cel necalmat mai mic de 0,05 %.

Pentru dezoxidarea unui oţel necalmat nu se utilizează siliciu sau aluminiu, ci mangan. Oţelul necalmat dispune de o neomogenitate chimică avansată în volumul lingoului. Avantajul acestui tip de oţel este procentul ridicat de fier dezoxidat – peste 95 %. Datorită conţinutului scăzut de siliciu şi carbon, oţelurile necalmate se matriţează uşor la rece. În schimb, datorită conţinutului ridicat de oxigen, fragilitatea la rece este foarte ridicată, de aceea nu se recomandă utilizarea acestora în zonele reci din punct de vedere climateric.

Pentru oţelurile semicalmate cu mangan sau aluminiu, procentul de fier dezoxidat este între 90 – 95 %, iar pentru oţelurile calmate cu siliciu, mangan şi aluminiu, procentul este în jur de 85 %, în schimb sunt oţeluri mult mai dense şi cu o omogenitate chimică mult mai ridicată.

Proprietăţile oţelurilor carbon depind de conţinutul de carbon şi de cel al incluziunilor.

14.2. Influenţa carbonului asupra proprietăţilor oţelurilor

Page 129: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

129

Influenţa carbonului

Proprietăţi mecanice

Sudabilitate

Carbonul reprezintă cel mai important element chimic al oţelurilor, element ce determină structura şi proprietăţile oţelurilor carbon. Chiar şi pentru o variaţie foarte mică a conţinutului de carbon, acesta are o influenţă semnificativă asupra proprietăţilor oţelurilor. Odată cu creşterea conţinutului de carbon creşte conţinutul de cementită. Pentru o concentraţie < 0,8 %C, oţelul este format din ferită şi perlită, iar pentru concentraţii > 0,8 %C, în structura oţelului apare cementita secundară în reţea, cristalizată separat de cea existentă în perlită.

Ferita are o rezistenţă mecanică scăzută, dar în schimb este plastică. Cementita, pe de altă parte, are o duritate mare, dar este fragilă. De aceea, odată cu creşterea conţinutului de carbon, creşte şi duritatea şi rezistenţa mecanică a oţelurilor, iar plasticitatea scade (vezi figura 14.1).

Creşterea rezistenţei mecanice într-un oţel are loc pentru un conţinut de carbon de până la 0,8 – 1,0 %C. Pentru un conţinut de carbon mai mare decât 0,8 % scade nu numai plasticitatea ci şi rezistenţa oţelului. Acest lucru este legat de formarea reţelei de cementită secundară în jurul grăunţilor de perlită, care fragilizează mult structura, făcând posibilă ruperea acesteia cu uşurinţă. Din această cauză, oţelurile hipereutectoide sunt supuse unei recoaceri speciale, în urma căreia se obţine o structură formată din perlită globulară.

Carbonul are, de asemenea, o influenţă puternică asupra proprietăţilor tehnologice ale oţelurilor cum ar fi sudabilitatea, prelucrarea prin deformare sau tăiere. Astfel, cu creşterea conţinutului de carbon sudabilitatea oţelului scade şi de asemenea capacitatea de deformare la cald şi mai ales la rece.

Cel mai bine se prelucrează prin tăiere oţelurile cu conţinut mediu de carbon, cuprins între 0,3 – 0,4 %. Oţelurile cu conţinut scăzut de carbon duc la obţinerea, în urma prelucrării mecanice, a unor suprafeţe total neadecvate, cu aşchii greu de îndepărtat. Oţelurile cu conţinut ridicat de carbon prezintă duritate mare, fapt ce diminuează rezistenţa în timp a instrumentelor.

Figura 14.1 – Variaţia proprietăţilor mecanice ale oţelurilor carbon în funcţie de conţinutul de carbon

Page 130: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

130

Mangan

Siliciu

Sulf

Fosfor

14.3. Influenţa incluziunilor asupra proprietăţilor oţelurilor

Impurităţile inevitabile ale oţelurilor sunt Mn, Si, S, P, şi de asemenea oxigenul, azotul şi hidrogenul.

Dintre acestea, impurităţile benefice sunt manganul şi siliciul. Acestea sunt introduse în oţel în procesul de dezoxidare a oţelului:

FeO + Mn → MnO + Fe

2FeO + Si → SiO2 + 2Fe

Într-un oţel carbon, conţinutul de mangan poate ajunge până la 0,8 %. Manganul, în afară de faptul ca realizează dezoxidarea oţelului, este solubil, la aceste cantităţi, în întregime în ferită, durificând-o. De asemenea, prezenţa sa diminuează influenţa negativă a sulfului, formând cu acesta compuşi conform reacţiei:

FeS + MnS → MnS + Fe

Într-un oţel carbon în întregime dezoxidat, conţinutul de siliciu este de până la 0,4 %. Siliciul reprezintă o impuritate benefică deoarece dezoxidează efectiv oţelul şi, dizolvându-se în întregime în ferită, ajută la durificarea acesteia.

Impurităţile dăunătoare din oţel sunt sulful şi fosforul. Sursa principală de sulf din oţel o reprezintă materia primă utilizată (fonta). Sulful scade plasticitatea şi tenacitatea oţelului şi produce fragilitate la roşu la deformarea sau forjarea oţelului. Sulful nu este solubil în oţel. Acesta formează cu fierul compusul FeS – sulfura de fier. Pentru un conţinut scăzut de mangan, datorită segregaţiei puternice a sulfului, în oţel se poate forma eutecticul uşor fuzibil Fe – FeS (Ttop = 988 °C). Acest eutectic se distribuie la limita de grăunte. La încălzirea semifabricatelor din oţel până la temperatrura de deformare plastică la cald, formaţiunile de eutectic conferă oţelului fragilitate, în anumite condiţii putându-se chiar topi, iar prin deformarea ulterioară a oţelului să ducă la apariţia de fisuri. Manganul înlătură această fragilitatea la roşu, deoarece sulfura de mangan nu se formează la limita de grăunte sub formă de reţea, având în plus o temperatură de topire, de 1620°C, mult mai ridicată decât temperatura de deformare plastică la cald.

De asemenea, sulfura de mangan, ca şi alte incluziuni nemetalice, diminuează tenacitatea şi plasticitatea, scăzând rezistenţa la oboseală a oţelului. De aceea, conţinutul de sulf din oţel trebuie să fie cât mai mic posibil. Un conţinut crescut de sulf, de până la 0,2 %, se aceceptă doar în oţelurile automate, utilizate pentru piese de fixare cu destinaţii fără risc. În acest caz, sulful îmbunătăţeşte prelucrabilitatea oţelului.

Principala sursă de apariţie a fosforului o reprezintă minereul din care se obţine fonta. Fosforul reprezintă o impuritate dăunătoare, solubilă în ferită până la 1,2 %. Dizolvat în ferită, fosforul diminuează plasticitatea acesteia. Fosforul se deosebeşte radical de fier din punct de vedere al reţelei cristalografice şi al dimensiunii atomice.

Page 131: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

131

Simbolizare

De aceea fosforul se distribuie în zona limitei de grăunte fragilizând-o şi ridicând astfel temperatura de tranziţie ductil-fragil.

Impurităţile indirecte, cum sunt oxigenul, azotul şi hidrogenul se găsesc în oţel fie în componenţa soluţiei solide – ferita, fie formează compuşi chimici (nitruri, oxizi), fie se află în stare liberă în porozităţile materialului metalic. Oxigenul şi azotul sunt puţin solubile în ferită. Acestea formează în oţel impurităţi nemetalice care fragilizează oţelul şi care scad tenacitatea şi plasticitatea acestuia. Hidrogenul este solubil în soluţia solidă şi fragilizează puternic oţelul. Un conţinut ridicat de hidrogen, mai ales în oţelurile aliate cu crom sau crom-nichel, provoacă apariţia de fisuri interioare, extrem de dăunătoare.

În consecinţă, chiar şi un conţinut scăzut de gaze prezintă o influenţă negativă asupra proprietăţilor materialului metalic, diminuând caracteristicile de tenacitate şi plasticitate ale materialului. De aceea, elaborarea în vid reprezintă cea mai adecvată metodă de acest gen aplicabilă oţelurilor.

14.4. Clasificarea şi simbolizarea oţelurilor

Pentru eliminarea barierelor administrative care împiedică libera circulaţie a produselor industriale pe piaţa comunităţii europene trebuie ca diferenţele tehnice dintre standardele naţionale să fie eliminate prin convenirea lor la nivel european şi publicarea lor ca standarde europene.

Acesta este motivul pentru care Institutul Român de Standardizare, odată cu reprimirea sa în 1990 ca membru al Organizaţiei Internaţionale de standardizare – ISO şi cu afilierea sa, tot în 1990, la Comitetul European de Standardizare, a început procesul de aliniere a standardelor româneşti la cele europene şi internaţionale.

Rolul noilor standarde româneşti, aliniate la standardele europene este acela de a permite României o integrare tehnologică cât mai rapidă în Europa. Standardele europene pot primi statutul de standard naţional fie prin publicarea textului tradus identic, fie prin ratificare.

În România, standardele pentru oţeluri au diferite sigle în funcţie de perioada în care au fost publicate şi în funcţie de conţinutul lor, după cum urmează:

- standardele cu sigla STAS (standard de stat) au fost publicate înainte de 28 august 1992 şi îşi menţin valabilitatea până la revizuirea şi transformarea lor în standarde româneşti;

- standardele cu sigla SR (standard român) au fost aprobate după 28 august 1992;

- standardele cu sigla SR ISO (sau STAS ISO) sunt standarde identice cu standardele internaţionale respective, reprezentând traducerea lor;

- standardele cu sigla SR EN sunt standarde identice cu standardele europene respective, reprezentând traducerea lor;

Page 132: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

132

Oţeluri nealiate

- standardele cu sigla SR EN ISO sunt standarde identice cu standardele europene elaborate prin adoptarea fără modificări a standardului internaţional respectiv şi reprezintă traducerea lor;

Clasificarea mărcilor de oţel este făcută conform SR EN 10020 „Definirea şi clasificarea mărcilor de oţel” în funcţie de compoziţia chimică pe oţel lichid în:

- OŢELURI NEALIATE - OŢELURI ALIATE

Clasificarea este determinată de valoarea minimă prescrisă în standardul de produs sau în specificaţia tehnică a produsului pentru fiecare element de aliere în parte.

În cazul în care în standardul de produs sau în specificaţia tehnică a produsului se prevăd numai valori maxime pentru elementele chimice de aliere, pentru clasificare se ia în calcul 70% din valoarea maximă prescrisă, excepţie facând manganul la care se aplică valoarea de 1,8 %.

Pentru combinaţiile de câte două, trei sau patru elemente la care se prescriu valori mai mici decât cele prevăzute ca limite de clasificare, valoarea limită care se ia în considerare pentru clasificare este de 70 % din suma valorilor limită individuale a combinaţiilor respective.

Pentru mărcile de oţel la care nu există precizate compoziţiile chimice pe oţel lichid într-un standard sau într-o specificaţie, clasificarea are la bază compoziţia chimică pe oţel lichid comunicată de producător.

OŢELURILE NEALIATE se clasifică în următoarele clase principale de calitate:

- Oţeluri nealiate de uz general - Oţeluri nealiate de calitate - Oţeluri nealiate speciale

Oţeluri nealiate de uz general sunt oţeluri care se produc prin procedee de elaborare obişnuite, nu necesită o tehnologie de fabricaţie specială, nu necesită tratament termic, nu este prescrisă nici o altă condiţie de calitate (de exemplu aptitudine de tragere la rece, trefilare etc), nu sunt impuse condiţii speciale pentru nici un element de aliere (excepţie făcând manganul şi siliciul) şi caracteristicile mecanice sunt date pentru produsele în stare laminată sau normalizată.

Oţeluri nealiate de calitate sunt oţeluri care nu au impuse condiţii pentru o comportare precizată la tratament termic sau pentru puritate în ceea ce priveşte incluziunile nemetalice. Prescripţiile privind calitatea acestora ca de exemplu tenacitatea la rupere, controlul mărimii grăuntelui, aptitudinea de deformare la rece sunt mai severe decât cele ale oţelurilor nealiate de uz general, ceea ce conduce la elaborarea mai atentă a acestor oţeluri.

Page 133: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

133

Oţeluri aliate

Oţeluri nealiate speciale sunt oţeluri cu o puritate superioară oţelurilor nealiate de calitate, în special în privinţa incluziunilor nemetalice, sunt destinate tratamentului termic de călire-revenire sau durificării superficiale iar caracteristicile lor superioare sunt asigurate prin verificarea riguroasă a compoziţiei chimice, o elaborare atentă şi control sever al procesului. Aceste oţeluri trebuie să satisfacă una sau mai multe din următoarele condiţii: energie la rupere în stare călită şi revenită, adâncime de călire sau duritate superficială în stare călită, călită şi revenită sau călită superficial, conţinuturi scăzute de incluziuni nemetalice.

OŢELURILE ALIATE se clasifică în următoarele clase principale de calitate:

- Oţeluri aliate de calitate - Oţeluri aliate speciale

Oţelurile aliate de calitate sunt oţeluri la care pentru realizarea caracteristicilor prescrise sunt necesare adaosuri de elemente de aliere. Tipurile de oţeluri aliate de calitate sunt următoarele:

- oţeluri de constructie cu granulaţie fină sudabile, - oţeluri pentru electrotehnică, - oţeluri aliate pentru şină, palplanşe şi pentru armături de mină - oţeluri aliate pentru produse plate laminate la rece sau la cald pentru utilizări la care intervin deformări la rece severe, care conţin elemente chimice de finisare a granulaţiei, cum sunt Nb, B, Ti, V, Zr; - oţeluri aliate la care singurul element de aliere prescris este cuprul

Oţelurile aliate speciale sunt caracterizate prin verificarea riguroasă a compoziţiei chimice, prin condiţii speciale de fabricaţie şi de inspecţie care să asigure caracteristici superioare în limite înguste de control. Această clasă include următoarele tipuri:

- oţeluri inoxidabile care conţin maxim 1,2% C şi minim 10,5 %Cr şi se împart în 2 subcategorii în funcţie de concentraţia de nichel:

a) Ni < 2,5 % b) Ni ≥ 2,5 % - oţeluri rapide - alte oţeluri aliate

Simbolizarea mărcilor de oţel adoptată în prezent este de două feluri:

- SIMBOLIZARE ALFANUMERICĂ - SIMBOLIZARE NUMERICĂ

14.4.1. SIMBOLIZAREA ALFANUMERICĂ

Pentru simbolizarea alfanumerică se utilizează simboluri ce exprimă anumite caracteristici de bază ale oţelului, cum sunt:

- utilizarea principală şi caracteristici mecanice, - compoziţie chimică

Page 134: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

134

STRUCTURA SIMBOLIZĂRILOR ALFANUMERICE

I. Simbolul iniţial pentru piesele turnate din oţel

În cazul în care un oţel este specificat sub formă de piesă turnată, simbolizarea sa alfanumerică prezintă ca simbol iniţial litera G.

II. Simbolizarea oţelurilor în funcţie de utilizare şi caracteristici mecanice

Simbolizarea cuprinde următoarele simboluri principale:

S P L E B Y R H D T M

Oţeluri de construcţie Oţeluri pentru recipiente sub presiune Oţeluri pentru ţevi de conducte Oţeluri pentru construcţii mecanice Oţeluri pentru beton armat Oţeluri pentru beton precomprimat Oţeluri pentru şină Produse plate laminate la rece din oţeluri pentru ambutisare Produse plate formate la rece Tablă neagră, tablă stanată Oţeluri pentru electrotehnică

a) Simbolurile S, P, L, E, B – sunt urmate de un număr care reprezintă valoarea minimă specifică a limitei de curgere convenţionale Rp în N/mm2 pentru intervalul celor mai mici grosimi.

În cazul oţelurilor nealiate laminate la cald din cadrul oţelurilor de construcţie - S, simbolizarea alfanumerică este completată de următoarele simboluri reprezentând clase de calitate, după cum urmează:

JR

JO

J2

K2

G1

G2

G3 şi G4

N

C

Clasă de calitate pentru produse cu valoare minimă a energiei de rupere la încovoiere prin şoc de 27 J la 20°C Clasă de calitate pentru produse cu valoare minimă a energiei de rupere la încovoiere prin şoc de 27 J la 0°C Clasă de calitate pentru produse cu valoare minimă a energiei de rupere la încovoiere prin şoc de 27 J la -20°C Clasă de calitate pentru produse cu valoare minimă a energiei de rupere la încovoiere prin şoc de 40 J la -20°C Pentru oţeluri necalmate Pentru oţeluri în altă stare decât starea necalmată Pentru alte caracteristici Pentru produsele care nu se livrează în stare normalizată sau în stare de laminare normalizantă Pentru oţelurile cu capacitate de deformare la rece

b) Simbolurile Y, R - sunt urmate de un număr care reprezintă valoarea minimă specifică a limitei de curgere convenţionale Rp în N/mm2 pentru intervalul celor mai mici grosimi

Page 135: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

135

c) Simbolul H - este urmat de un număr care reprezintă valoarea minimă specifică a limitei de curgere convenţionale Rp în N/mm2 sau, atunci când este precizată numai rezistenţa la tracţiune, de litera T urmată de un număr care reprezintă rezistenţa la tracţiune minimă specificată în N/mm2

d) Simbolul D – este urmat de una din următoarele litere – C, pentru produse laminate la rece; D, pentru produse laminate la cald pentru formare la rece; X, pentru produse a căror stare de laminare nu este indicată - şi prin două simboluri care caracterizează oţelul şi sunt atribuite de către organismul responsabil.

e) Simbolul T – este urmat de: 1 – pentru produse simplu laminate: litera H, urmată de un număr care reprezintă valoarea medie specificată a durităţii Rockwell HR 30Tm. 2 – pentru produse dublu laminate: un număr care reprezintă valoarea nominală specificată a limitei de curgere în N/mm2. f) Simbolul M – este urmat de: 1 – un număr care reprezintă de 100 de ori pierderile reale specificate, exprimate în W/kg, corespunzătoare grosimii nominale a produsului, pentru o inducţie magnetică la 50 Hz de: 1,5 Tesla, pentru oţeluri semiprocesate, oţeluri cu grăunţi neorientaţi, oţeluri cu grăunţi orientaţi obişnuite; 1,7 Tesla, pentru oţeluri electrotehnice cu grăunţi orientaţi cu pierderi reduse sau cu permeabilitate ridicată; 2 – un număr care reprezintă de 100 de ori grosimea nominală a produsului în milimetri; 3 – o literă care precizează tipul oţelului electrotehnic: A, pentru table cu grăunţi orientaţi D, pentru table semiprocesate de oţel nealiat (fără recoacere finală) E, pentru table semiprocesate de oţel aliat (fără recoacere finală) N, pentru table cu grăunţi orientaţi S, pentru table cu grăunţi orientaţi cu pierderi reduse P, pentru table cu grăunţi orientaţi cu permeabilitate ridicată

III. Simbolizarea oţelurilor în funcţie de compoziţia chimică

1. Oţeluri nealiate (cu excepţia oţelurilor pentru automate) cu un conţinut mediu de mangan (< 1%)

Simbolizarea cuprinde succesiv următoarele simboluri:

a) litera C – (Tabelul 1 – ANEXA 2)

b) un număr care reprezintă de 100 de ori conţinutul mediu specificat de carbon.

Conform modalităţii vechi de standardizare existentă în România până în anii ’90, mărcile de oţeluri din Anexa 2 corespund cu următoarele oţeluri din vechiul STAS 880-88 după cum urmează: 1 C 22 → OLC 20; 1 C 25 → OLC 25; 1 C 30 → OLC 30; 1 C 35 → OLC 35; 1 C 40 → OLC 40; 1 C 45 → OLC 45; 1 C 50 → OLC 50; 1 C 55 → OLC 55; 1 C 60 → OLC 60;

Page 136: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

136

2. Oţeluri nealiate cu un conţinut mediu de mangan (≥ 1,5%), oţeluri nealiate pentru automate şi oţeluri aliate (cu excepţia oţelurilor rapide) la care conţinutul fiecărui element de aliere este < 5%

Simbolizarea cuprinde succesiv următoarele simboluri:

a) un număr care reprezintă de 100 de ori conţinutul mediu specificat de carbon.

b) simbolurile chimice pentru elementele de aliere care caracterizează oţelul. Succesiunea simbolurilor trebuie să fie în ordine descrescătoare a conţinuturilor de elemente de aliere pe care le reprezintă. Dacă valorile conţinuturilor sunt identice pentru două sau mai multe elemente, simbolurile corespunzătoare se indică în ordine alfabetică.

c) numerele care indică valorile conţinuturilor de elemente de aliere. Fiecare număr reprezintă conţinutul mediu al fiecărui element indicat, exprimat în procente, multiplicat cu factorul corespunzător prezentat în tabelul 2 şi rotunjit la numărul întreg cel mai apropiat. Numerele pentru diferite elemente se separă prin liniuţe de despărţire.

Tabelul 2 – Factori pentru elementele de aliere

Element Factor Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000

3. Oţeluri aliate (cu excepţia oţelurilor rapide) la care conţinutul unui element de aliere este ≥ 5%

Simbolizarea cuprinde succesiv următoarele simboluri:

a) litera X b) un număr care reprezintă de 100 de ori conţinutul mediu specificat de carbon. c) simbolurile chimice pentru elementele de aliere care caracterizează oţelul. Succesiunea simbolurilor trebuie să fie în ordine descrescătoare a conţinuturilor de elemente de aliere pe care le reprezintă. Dacă valorile conţinuturilor sunt identice pentru două sau mai multe elemente, simbolurile corespunzătoare se indică în ordine alfabetică. d) numerele care indică valorile conţinuturilor de elemente de aliere. Fiecare număr reprezintă conţinutul mediu al fiecărui element indicat, exprimat în procente, rotunjit la numărul întreg cel mai apropiat. Numerele pentru diferite elemente se separă prin liniuţe de despărţire.

4. Oţeluri rapide

Simbolizarea cuprinde succesiv următoarele simboluri:

a) literele HS b) numerele care indică valorile conţinuturilor de elemente de aliere, prezentate în ordinea următoare: - wolfram (W) - molibden (Mo)

Page 137: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

137

- vanadiu (V) - cobalt (Co) Fiecare număr trebuie să reprezinte conţinutul mediu al elementului rotunjit la numărul întreg cel mai apropiat. Numerele pentru diferite elemente se separă prin liniuţe de despărţire.

14.4.2. SIMBOLIZAREA NUMERICĂ

Simbolizarea numerică a mărcilor de oţel este complementară simbolizării alfanumerice şi are un număr fix de cifre. Această simbolizare este adaptată mai bine pentru prelucrarea automată a datelor comparativ cu simbolizarea alfanumerică.

Test de autoevaluare 14.1 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce element chimic se utilizeaza la dezoxidarea unui otel necalmat? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 14.2 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Cum variaza proprietatile mecanice ale unui otel in functie de concentratia de carbon din compozitie? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

...

Test de autoevaluare 14.3 – Scrieţi răspunsul în spaţiul liber din chenar. Ce influenta are siliciul (ca impuritate nu ca elemenet de aliere) asupra structurii si proprietatilor otelului? Răspunsul la test se găseşte la pagina .

În loc de rezumat

Am ajuns la sfârşitul Unităţii de învăţare Nr. 14. Vă recomand să faceţi o recapitulare a principalelor subiecte prezentate în această unitate şi să revizuiţi obiectivele precizate la început. Este timpul pentru întocmirea Lucrării de verificare Unitate de învăţare Nr. 14 pe care urmează să o transmiteţi tutorelui.

Page 138: Sim Lectii+Intrebari

Oteluri carbon

138

Lucrare de verificare Unitate de învăţare Nr. 14

1. Ce este un otel calmat? 2. Ce influenta o are sulful asupra structurii si proprietatilor unui otel? 3. Care este sursa de provenienta a fosforului in structura unui otel? 4. Care sunt cele mai frecvente impuritati ce apar intr-un otel? 5. Dati exemple de 3 marci de oteluri nealiate si 3 marci de oteluri aliate. 6. Ce se intampla cu sudabilitatea otelului odata cu cresterea continutului

de carbon? Barem: Nr. intrebarii Punctaj 1 2 2 2 3 2 4 1 5 1 6 2

Răspunsurile şi comentariile la testele de autoevaluare

14.1. Manganul

14.2. Odată cu creşterea conţinutului de carbon, creşte duritatea şi rezistenţa mecanică a oţelurilor, iar plasticitatea scade.

14.3. Siliciul reprezintă o impuritate benefică deoarece dezoxidează efectiv oţelul şi, dizolvându-se în întregime în ferită, ajută la durificarea acesteia.

Bibliografie Unitate de învăţare Nr. 14

1. A. Nocivin, Stiinta Materialelor, Editura Virom, Constanta 2006, cap. 6;

Page 139: Sim Lectii+Intrebari

Bibliografie + Anexe

139

BIBLIOGRAFIE [1] – Bever M.B. (ed.), Encyclopedia of Materials Science and Engineering, vol. 1-8, Oxford, Pergamon Press, 1986 [2] – Janiche W., Dahl W., Klarner H.F., Werkstoffkunde STAHL, Springer Verlag Berlin, 1984 [3] – Guliaev, Materialovedenie, Metalurgia, Moskwa, 1975. [4] – Guntherodt H.J., Beck H., Glassy Metals I, Springer Verlag Berlin Heidelberg, New York 1981 [5] – Petrescu M., Petrescu N., Sticle Metalice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1988 [6] – Stoica L., Constantinescu I., Alexandru R., s.a., Chimie Generala si analize tehnice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1983 [7] – Becker R, Ann. Phys., 32(1938) S. 128/40 [8] – Russell K.C., In: Phase transformations, Publ. by American Society for Metals, Metals Park ohio, London 1970, S. 219/68. [9] – Cahn, J.W.: Trans. metallurg. Soc. AIME 242 (1968) S. 166/80 [10] – Mirold S., u K. Binder: Acta metallurg., New York, 25 (1977) S. 1435/44. [11] – Pearson W.B., 1965 (vol. 2), Handbook of Lattice Spacings and structures of metals and Alloys, Pergamon Press, New York. [12] – Bunea D., Saban R., Vasile T., s.a., Studiul si Ingineria Materialelor, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1995 [13] – Cahn R.W., Haasen P., Physical Metallurgy, vol.1, 2, North Holland Physics Publishing, 1983 [14] – Bernal J.D., 1964, Proc. Roy. Soc., A 284, 299 [15] – Mozberg M.D., Materialovedenie, Metalurgia, Moskwa, 1992 [16] – Lahtin i.M., Metalovedenie I termiceskaia obrabotka metalov, Metalurgia, Moskwa, 1983 [17] – Geru Nicolae, Metalurgie Fizica,UPB, Bucuresti, 1983 [18] – Geru N., Cosmeleata G., Bane M., Marin N., Materiale metalice, Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti, 1985 [19] – Jadan V.T., Poluhin P.I., Nesterov A.F., s.a., Materialovedenie I tehnologia materialov, Metalurgia, Moskwa, 1994 [20] – Gaskell, P.H., 1979a, J. Phys. C., C12, 4337 [21] – Aloman A., Diagrame de echilibru fazic in Stiinta materialelor metalice si semiconductoare, Institutul Politehnic Bucuresti, 1993 [22] – Goodman S.R., S.S. Brenner u J.R. Low jr.: Metallurg. Trans. 4(1973) S. 2371/78 [23] – Boudreaux D.S., and J.M. McGregor, 1977, J. Appl. Phys., 48, 152 and 5057 [24] – Reiss H., M. Shugard: J. Chem. Phys. 65 (1976) S. 5280/93 [25] – Gaskell, P.H., 1979b, J. Non-Cryst. Solids, 32, 207 [26] – Huang S.C., , Glicksman M.E., 1981b, Acta Metall., 29, 701 [27] – Turnbull D., 1981, Metallurg. Trans., 12A, 695 [28] – Delves R.T., 1974, Crystal Growth I, Pergamon Press, Oxford, p. 40 [29] – Langer J.S., 1980, Rev. Mod. Phys., 53, 1 [30] – Sekerka R.F., 1973, Crystal Growth: an introduction, ed. Hartman, North Holland Amsterdam, 403 p. [31] – Solntzev U.P., Priahin E.I., Voitkun F., Materialovedenie, MISIS, Moskwa, 1998 [32] – Parsin A.M., Nekliudov I.M., s.s., Structura I radiationaia povrejdaemosti constr. stalei, M., Metalurgia, 1996, 476 p. [33] – Pikering F.B., Fiziceskoe metalovedenie I razrabotka stalei, Per. s angl., M., Metalurgia, 1982, 184 p. [34] – Fistuli V.I., Noviie Materiali, M., MISIS, 1995, 142 p. [35] – P. Haasen, Physical Metallurgy, 4th edition, Cambridge University Press, New York, 1996. [669.9 1996 PHY] [36] – R.W. Cahn and P. Haasen, Editors, Physical Metallurgy, North-Holland Physics Publisher, 1983. [669.94 1983] [37] – R.A. Smallman, Modern Metallurgy, 4th edition, Butterworths, 1985 [38] - P.G. Shewmon, Diffusion in Solids, 2nd edition, TMS, 1989 [530.415 1989 DIF] [39] - J. Crank, The Mathematics of Diffusion, 2nd edition, Clarendon Press, Oxford, 1980 [40] - D.A. Porter and K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd Edition, Chapman & Hall, London, 1992. [669.94 1992 PHA] [41] - M.C. Flemings, Solidification Processing, McGaw-Hill, 1974

Page 140: Sim Lectii+Intrebari

Bibliografie + Anexe

140

ANEXA 1: SISTEMUL PERIODIC AL LUI MENDELEEV

Nr. perioadei

I A II A I B II B III B IV B V B VI B

1

1 H hidrogen 1s1 1,008; H

Tipuri de retele cristaline: CVC – cubic cu volum centrat CFC – cubic cu fete centrate H – hexagonal T – tetragonal R – romboedrica A – alte tipuri de retele

Metale de tranzitie

2

3 Li litiu 2s1 6,940; CVC

4 Be beriliu 2s2 9,013; H

3

11 Na natriu 3s1 22,997; CVC

12 Mg magneziu 3s2 24,32; H

4

19 K kaliu 4s1 39,096; CVC

20 Ca calciu 4s2 40,08; CFC, CVC, H

21 Sc scandiu 4s23d1 45,10; H

22 Ti titan 4s23d2 47,90; CFC, H

23 V vanadiu 4s23d3 50,95; CVC

24 Cr crom 4s13d5 52,01; CVC

25 Mn mangan 4s23d5 40,08; T, A

26 Fe fier 4s23d6 55,85; CFC, CVC

5

37 Rb rubidiu 5s1 85,48; CVC

38 Sr strontiu 5s2 87,63; CFC, CVC, H

39 Y ytriu 5s24d1 88,92; H

40 Zr zirconiu 5s24d2 91,22; CVC, H

41 Nb niobiu 5s14d4 92,91; CVC

42 Mo molibden 5s14d5 95,95; CVC

43 Tc tecnetiu 5s14d6 99; H

44 Ru ruteniu 5s14d7

101,7; H

6

55 Cs cesiu 6s1 132,91; CVC

56 Ba bariu 6s2 137,36; CVC

57 La*

lantan 6s25d1

138,92;

72 Hf hafniu 6s25d2 178,6; CVC, H

73 Ta tantal 6s25d3 180,88; CVC

74 W wolfram 6s25d4 183,92; CFC, CVC

75 Re reniu 6s25d5 186,31; H

76 Os osmiu 6s25d6 190,2; H

7

87 Fr franciu 7s1 223; CVC

88 Ra radiu 7s2 226,05; CVC

89 Ac**

actiniu 7s26d1

227; CVC

104 Ku kurceatoviu 7s26d2

264; CVC

LANTANIDE (metale rare)

58 Ce ceriu 140,13;

59 Pr prazeodim 140,92;

60 Nd neodim 144,27;

61 Pm prometiu 147;

62 Sm samariu 150,43;

63 Eu europiu 152,0;

64 Gd gadoliniu 156,9;

65 Tb terbiu 159,2;

66 Dy disproziu 162,46

ACTINOIDE

90 Th thoriu 232,12;

91 Pa protactiniu 231;

92 U uraniu 238,07;

93 Np neptuniu 237;

94 Pu plutoniu 242;

95 Am americiu 243;

96 Cm curiu 245;

97 Bk berkeliu 249;

98 Cf californiu 249

Page 141: Sim Lectii+Intrebari

Bibliografie + Anexe

141

VII B VIII B

VIII B VIII B III A IV A V A VI A VII A VIII A

2 He heliu 1s2 4,003;

5 B bor 2s22p1

10,82; H

6 C carbon 2s22p2

12,01; H, A

7 N azot 2s22p3

14,008; CVC

8 O oxigen 2s22p4

16,0; R, CVC

9 F fluor 2s22p5

19,0;

10 Ne neon 2s22p6

20,183; CFC

13 Al aluminiu 3s23p1 26,97; CFC

14 Si siliciu 3s23p2

28,06; A

15 P fosfor 3s23p3

30,98; CVC, R

16 S sulf 3s23p4

32,066; R

17 Cl clor 3s23p5

35,457; T

18 Ar argon 3s23p6

39,994; CFC

27 Co cobalt 4s23d7 58,94; CFC, H

28 Ni nichel 4s23d8 58,69; CFC

29 Cu cupru 4s13d10 63,54; CFC

30 Zn zinc 4s23d10 65,38; CFC

31 Ga galiu 4s24p1 69,72 R, T

32 Ge germaniu 4s24p2 72,60; CVC

33 As arsen 4s24p3 74,91; R

34 Se seleniu 4s24p4 78,96; H

35 Br brom 4s24p5 79,91; R

36 Kr kripton 4s24p6 83,7; CFC

45 Rh rhodiu 5s14d8

102,91; CFC

46 Pd paladiu 5s04d10

106,7; CFC

47 Ag argint 5s14d10

107,8; CFC

48 Cd cadmiu 5s24d10

112,41; H

49 In indiu 5s25p1

114,78; T

50 Sn staniu 5s25p2

118,7; T, A

51 Sb stibiu 5s25p3

121,76 R

52 Te telur 5s25p4

127,61; H

53 I iod 5s25p5

126,92; R

54 Xe xenon 5s25p6

131,3; CFC

77 Ir iridiu 6s25d7 193,23; CFC

78 Pt platina 6s25d8 195,23; CFC

79 Au aur 6s15d10 197,2; CFC

80 Hg mercur 6s25d10 200,61; R

81 Tl taliu 6s26p1 204,39; CFC, H

82 Pb plumb 6s26p2 207,21; CFC

83 Bi bismut 6s26p3 209,0; R

84 Po poloniu 6s26p4 210; A, R

85 At actat 6s26p5 211;

86 Rn radon 6s26p6 222;

67 Ho holmiu 164,94;

68 Er erbiu 167,2;

69 Tm tuliu 169,4;

70 Yb yterbiu 173,04;

71 Lu lutetiu 174,99;

99 Es einsteiniu 253;

100 Fm fermiu 255;

101 Md mendeleeviu 256;

102 No nobeliu 253;

103 Lr lawrenciu 256;

Page 142: Sim Lectii+Intrebari

Bibliografie + Anexe

142

ANEXA 2: Tabelul 1 – Mărci de oţel nealiat pentru călire şi revenire (SR EN 10083-2 / 1995)

Marcă de oţel(*)

Compoziţie chimică (fracţie masică, %) C Si

max. Mn P

max. S

max. Cr

max. Mo

max. Ni

max. Cr+Mo+Ni

max. 1 C 22 0,17-0,24 0,40 0,40-0,70 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 25 0,22-0,29 0,40 0,40-0,70 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 30 0,27-0,34 0,40 0,50-0,80 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 35 0,32-0,39 0,40 0,50-0,80 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 40 0,37-0,44 0,40 0,50-0,80 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 45 0,42-0,50 0,40 0,50-0,80 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 50 0,47-0,55 0,40 0,60-0,90 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 55 0,52-0,60 0,40 0,60-0,90 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63 1 C 60 0,57-0,65 0,40 0,60-0,90 0,045 0,045 0,40 0,10 0,40 0,63

(*) – Pentru aceste mărci de oţeluri, numărul din faţa simbolului C poate fi: 1, dacă Pmax şi Smax sunt 0,045% - SR EN 10083-2, oţelurile fiind nealiate de uz general;

2, dacă Pmax şi Smax sunt 0,035% - SR EN 10083-1, oţeluri nealiate de calitate, cu prescripţii de calitate ca de exemplu tenacitatea la rupere, controlul mărimii grăuntelui, aptitudinea de deformare la rece. 3, dacă Pmax = 0,035% si Smax = 0,020-0,040% - SR EN 10083-1, oţeluri nealiate speciale, pentru care se face un control riguros al incluziunilor nemetalice, caracteristicile lor superioare fiind asigurate prin verificarea riguroasă a compoziţiei chimice, o elaborare atentă şi control sever al procesului.

Page 143: Sim Lectii+Intrebari

Bib

liogr

afie

+ A

nexe

1

43

AN

EX

A 3

:

EL

UR

I U

TIL

IZA

TE

ÎN

CO

NST

RU

IA D

E M

AŞI

NI

M

arca

vec

he

Mar

ca n

ouă

Rez

. la

trac

ţiun

e N

/mm

2 D

enum

irea

oţe

lulu

i U

tiliz

ările

oţe

luri

lor

OL

32;

OL

34

OL

37

OL

42

OL

44

OL

50

OL

52

OL

60

OL

70

ST

AS

500/

2-80

S 18

5 S

235

S 27

5 S

355

E 2

95

E 3

35

E 3

60

SR

EN

10

025:

1990

+A

1:19

93

290-

400

340-

470

400-

540

470-

630

450-

610

550-

710

650-

830

O

ţelu

ri n

ealia

te d

e uz

ge

nera

l

Fabr

icar

ea d

e el

emen

te p

entr

u co

nstr

ucţii

sud

ate,

as

ambl

ate

prin

nitu

ri s

au ş

urub

uri,

expl

oata

te la

te

mpe

ratu

ra a

mbi

antă

OL

C 2

0 X

O

LC

20

XS

OL

C 2

5 X

O

LC

25

XS

OL

C 3

0 X

O

LC

30

XS

OL

C 3

5 X

O

LC

35

XS

OL

C 4

0 X

O

LC

40

XS

OL

C 4

5 X

O

LC

45

XS

OL

C 5

0 X

O

LC

50

XS

OL

C 5

5 X

O

LC

55

XS

OL

C 6

0 X

O

LC

60

XS

ST

AS

880-

88

2 C

22

3 C

22

2 C

25

3 C

25

2 C

30

3 C

30

2 C

35

3 C

35

2 C

40

3 C

40

2 C

45

3 C

45

2 C

50

3 C

50

2 C

55

3 C

55

2 C

60

3 C

60

SR

EN

10

083-

1

410

440

480

520

550

580

610

640

670

O

ţelu

ri n

ealia

te p

entr

u că

lire

şi re

veni

re p

entr

u co

nstr

ucţia

de

maş

ini

O

rgan

e de

maş

ini ş

i pie

se m

ecan

ice

călit

e şi

re

veni

te

A; B

; D; E

A

32; D

32; E

32

A36

; D36

; E36

A

40; D

40; E

40

ST

AS

8324

-86

- -

400-

900

470-

590

490-

620

530-

650

Oţe

luri

nea

liate

cu

M

n >

1,5%

O

ţelu

ri p

entr

u co

nstr

ucţii

nav

ale

şi p

latf

orm

e m

arin

e

Page 144: Sim Lectii+Intrebari

Bib

liogr

afie

+ A

nexe

1

44

Mar

ca v

eche

M

arca

nou

ă R

ez. l

a tr

acţi

une

N/m

m2

Den

umir

ea o

ţelu

lui

Uti

lizăr

ile o

ţelu

rilo

r

40 C

r 10

X

40 C

r 10

XS

ST

AS

791-

88

41 C

r 4

41 C

rS 4

SR E

N

1008

3-1

900-

1100

O

ţelu

ri a

liate

pen

tru

călir

e şi

reve

nire

pen

tru

cons

truc

ţia d

e m

aşin

i

Org

ane

de m

aşin

i şi p

iese

mec

anic

e că

lite

şi

reve

nite

26

MoC

r 11X

26

MoC

r 11X

S 25

CrM

o 4

25 C

rMoS

4

800-

950

34 M

oCr 1

1X

34 M

oCr 1

1XS

34 C

rMo

4 34

CrM

oS 4

90

0-11

00

42 M

oCr 1

1X

42 M

oCr 1

1XS

42 C

rMo

4 42

CrM

oS 4

10

00-1

200

34 M

oCrN

i 16

36 C

rNiM

o 4

1100

-130

0 30

MoC

rNi 2

0 30

CrN

iMo

8 12

50-1

450

51 V

MnC

r11X

51

CrV

4

1000

-120

0 - K

410

K

460

K

510

ST

AS

2888

/3-8

8

P 2

35 G

H

P 2

65 G

H

P 2

95 G

H

P 3

55 G

H

SR

EN

10

028-

2:19

96

360-

480

400-

530

460-

580

490-

630

Oţe

luri

nea

liate

şi a

liate

cu

cara

cter

istic

i spe

cifi

cate

la

tem

pera

turi

ridi

cate

Caz

ane

şi re

cipi

ente

sub

pre

siun

e pe

ntru

te

mpe

ratu

ra a

mbi

antă

şi r

idic

ată

14 M

oCr 1

0 12

MoC

r 22

13 C

rMo

4-5

10 C

rMo

9-10

45

0-60

0 48

0-63

0 9

SiM

n16

16 S

iMn1

0 R

V 5

10

10 N

i 35

10 N

i 35

- -

ST

AS

1150

2-89

11 M

nNi5

-3

13 M

nNi6

-3

15 N

iMn6

12

Ni 1

4 12

Ni 1

9 X

8N

i9

X 7

Ni9

SR

EN

10

028-

4:

1997

420-

530

490-

610

490-

640

490-

640

530-

710

640-

840

680-

820

Oţe

luri

alia

te c

u ni

chel

cu

cara

cter

istic

i spe

cifi

cate

la

tem

pera

tură

scă

zută

Caz

ane

şi re

cipi

ente

sub

pre

siun

e pe

ntru

te

mpe

ratu

ra s

căzu

7 A

lCr 1

30

8 C

r 170

2

TiM

oCr 1

80

ST

AS

3583

-87

X 6

CrA

l 13

X 6

Cr

17

X2C

rMoT

i18-

2

SR

EN

10

088-

1:19

97

450-

600

Oţe

luri

inox

idab

ile fe

ritic

e E

lem

. de

maş

ini ş

i util

aje

din

ind.

chi

mic

ă şi

pe

troc

him

ică;

ind.

alim

enta

ră, a

rtic

ole

de u

z ca

snic

45

VM

oCr 1

45

40 C

r 130

X

50C

rMoV

15

X 3

9 C

r 13

80

0-90

0 80

0-10

00

Oţe

luri

inox

idab

ile

mar

tens

itice

Sc

ule

de tă

iere

şi i

nstr

umen

te c

hiru

rgic

ale

cu tă

5 N

iCr 1

80

10 T

iNiC

r180

X

5 C

rNi1

8-10

X

6CrN

iTi1

8-10

Oţe

luri

inox

idab

ile

aust

eniti

ce

Util

aje

tehn

olog

ice

pt. i

nd. c

him

ică,

pe

troc

him

ică,

met

alur

gică

, car

e lu

crea

ză la

tem

p.

ridi

cate

sau

în m

edii

pute

rnic

agr

esiv

e (a

cizi

ox

idan

ţi)