CAPITOLUL 1

STRUCTURA METALELOR ŞI ALIAJELOR METALICE

1.1 . Structura atomică a metalelor

1.1.1. Generalităţi

Din cele 109 elemente descoperite, aproximativ 71 sunt considerate

metale, 4 sunt semimetale (germaniu, staniu, stibiu, bismut), iar restul sunt

nemetale sau metaloizi. Limita dintre metaloizi si semimetale este

convenţional, deoarece proprietăţile metalice scad treptat, formându-se aşa

numitele serii de tranziţie.

În comparaţie cu celelalte elemente, metalele posedă o serie de

proprietăţi fizice, mecanice si chimice caracteristice, cum ar fi

conductibilitatea electrică, conductibilitatea termică, afinitatea pentru

oxigen, valenţa variabilă, tendinţa spre polimorfism, paramagnetismul,

feromagnetismul. De asemenea, metalele sunt rezistente plastice şi tenace,

iar din punct de vedere chimic sunt definite ca elemente care reacţionează cu

bazele pentru a forma oxizi şi cu acizii pentru a forma săruri.

Metalele sunt sisteme atomice şi nu moleculare, ceea ce explică atât

proprietăţile lor caracteristice cât şi posibilitatea elaborării unor aliaje.

Acestea de pe urmă se obţin prin amestecul fizic al atomilor fie prin

interstiţie, fie prin substituţie, adică se pot dizolva reciproc, menţinându-se

structura metalică de bază. Aliajele metalice nu sunt combinaţii chimice.

Proprietăţile caracteristice ale metalelor se explică prin configuraţia

electronică a atomilor respectivi. Particularitatea caracteristică a structurii

atomilor metalelor constă în existenţa unui număr mic de electroni pe stratul

superior şi a unei legături slabe între aceştia şi nucleu. Deci, pentru studiul

teoretic a caracteristicilor metalelor şi aliajelor vor trebui cunoscute structura

atomică, forţele interatomice şi aranjamentul atomilor în agregat.

1.1.2. Structura atomilor şi legăturile dintre atomi

Atomul este compus dintr-un nucleu pozitiv din punct de vedere

electric, care la rândul lui este alcătuit din protoni (particule grele pozitive)

şi neutroni (particule care dau masă). În jurul nucleului se mişcă electronii,

particulele negative de sarcină: 19106,1e −⋅= coulombi. Numărul lor total

este egal cu numărul de ordine al elementului din sistemul periodic al lui

Mendeleev. În ansamblu, atomul este neutru, sarcina pozitivă a nucleului

fiind compensată de cea negativă a electronilor. Dacă atomul pierde sau

captează electroni, atunci el devine pozitiv sau negativ. Aproape întreaga

masă a atomului este concentrată în nucleu.

Electronii se rotesc pe orbite. Orbita exterioară dă diametrul atomului,

egal cu 1...4 Å (1Å = 10- 8cm), deci spaţiul atomului este ocupat numai în

infimă parte cu particule materiale. Orbitele eliptice se deosebesc ca

dimensiuni, excentricitate şi orientare. Electronii de pe orbitele mai

apropiate de nucleu au cantităţi de energie mai mici şi, existând tendinţa de a

se trece la stări de energie minimă, straturile de lângă nucleu vor fi şi mai

compacte. Electronii periferici au energie mai mare şi sunt legaţi de nucleu.

Orbitele sunt lucrate în straturi electronice, formând zone de diferite

niveluri de energie. În primul strat se găsesc doi electroni, apoi 8, 18, 32, etc.

În straturi sunt substraturi compuse din 2, 6, 10, 14 electroni. Orbitele

electronilor care alcătuiesc un substrat au aceeaşi formă (dimensiune şi

excentricitate), deosebindu-se numai prin orientare. Numărul stratului se

notează cu o cifră n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, sau cu litere K, L, M, N, P, Q, în

strat fiind 2 n2 electroni.

Substratul se notează cu o literă: s = 2 electroni, p = 6 electroni, d =

10 electroni, f = 14 electroni. Electronii din substratul s au energie mai mică

decât cei din substratul p. Fiecare strat este format din n substraturi. Astfel,

în primul strat există numai electroni s, în al doilea 2 electroni s şi 6

electroni p şi aşa mai departe. De exemplu, se notează:

- aluminiu (13): 1s2 2s2p6 3s2p1

- argon (18): 1s2 2s2p6 3s2p6

Numărul de electroni din stratul exterior dă valenţa. Astfel, argonul,

având 8 electroni este inert, iar aluminiul, lipsindu-i 5 electroni este activ

chimic. Repartiţia electronilor în atomii primelor 10 elemente din tabloul

periodic este prezentată în figura 1.1.a., iar energia electronilor în straturi şi

substraturi în figura 1.1.b.

a. b. Fig. 1.1. a) Repartiţia electronilor în atomii primelor 10 elemente din

tabelul periodic; b) Energia electronilor în straturi şi substraturi

Aplicarea mecanicii ondulatorii la structura atomului a avut drept

consecinţă înlocuirea orbitelor electronice distincte prin nori electronici

difuzi, densitatea norului în fiecare punct corespunzând probabilităţii de a

găsi un electron în acel punct. Cercetările efectuate de Bohr, Broglie,

Schrödinger şi alţii au dus la crearea mecanicii ondulatorii, după care

particulele aflate în mişcare se comportă, în anumite condiţii, ca nişte unde,

adică au un caracter dublu undă - particulă. În locul orbitelor de electroni vor

exista unde staţionare, iar în locul electronului un nor de sarcini.

În stare gazoasă, atomii (moleculele) sunt separaţi unii de ceilalţi,

fiind lăsaţi să se mişte în spaţiul înconjurător, la distanţe mari în comparaţie

cu dimensiunile proprii, înainte de a se întâlni cu un alt atom. În solide şi

lichide, atomii sunt în contact, împiedicaţi în mişcare de prezenţa atomilor

vecini. Aşa se explică rezistenţa mecanică, coeziunea materialelor. Factorii

care determină starea de agregare sunt: natura şi intensitatea forţelor

interatomice, temperatura şi presiunea. În corpurile solide există deci

legături între atomii care le fac compacte, monolite.

Legăturile între atomi pot fi:

- ionice (heteropolare);

- covalente (homopolare);

- polare (Van der Waals);

- metalice;

- de hidrogen.

Legătura ionică (heteropolară): apare ca urmare a schimbului

electronilor de valenţă, între cei doi ioni formaţi creându-se o forţă

electrostatică de atracţie. De exemplu, între sodiu şi clor se va completa

aranjamentul atomic al ultimului, formându-se compusul clorură de sodiu

NaCl (fig. 1.2.).

Fig. 1.2. Legătura ionică (formarea compusului NaCl)

Legătura covalentă (homopolară): se formează atunci când atomii

nu cedează sau nu primesc electroni de valenţă, iar completarea până la 8

electroni se face prin punere în comun. De exemplu, formarea moleculei de

clor Cl2 (fig. 1.3.).

Fig. 1.3 Legătura covalentă (Cl2)

Legătura polară (Van der Waals): apare la elemente stabile din

grupa O, la care se manifestă numai forţele de legătură polare foarte slabe,

pe baza legilor atracţiei maselor (fig. 1.4.). Acesta explică, de exemplu,

lichefierea la aproape -2700C a heliului.

Fig. 1.4 Legătura polară

Legătura metalică: este specifică metalelor, care au electronii din

stratul exterior al atomilor la distanţe egale de mai multe nuclee şi slabi

legaţi de acestea. Aceşti electroni se pot deplasa liberi în masa metalului,

nefiind sub atracţia unui nucleu bine determinat. Ei formează aşa numitul

gaz electronic. Deoarece metalele sunt corpuri cristaline, atomii sunt aşezaţi

în forme geometrice regulate numite reţele cristaline. Atomii pierd electroni

din orbitele exterioare, deci se poate spune că metalele sunt formate din ioni

pozitivi (aşezaţi în nodurile reţelei) şi gaz electronic. Legătura metalică este

dată de carcasa de ioni pozitivi între care se găsesc electronii liberi (fig.

1.5.).

Fig. 1.5. Legătura metalică

Legătura de hidrogen: atomul de hidrogen, având un singur electron

ar trebui în mod normal să se unească cu un singur atom printr-o legătură

covalentă. În multe cazuri însă, acest atom se uneşte însă cu alţi atomi

formând o legătură hidrogenoidă sau legătură de hidrogen, cum i se mai

spune obişnuit. Acest tip de legătură se realizează între protonul atomului de

hidrogen care a pierdut electronul şi ceilalţi doi atomi. Prin caracterul ei,

legătura de hidrogen ar fi mai mult de natură ionică. Proprietăţile fizice

caracteristice ale apei şi gheţii se datorează legăturii de hidrogen. Prin

acţiunea legăturii de hidrogen se poate explica în mod satisfăcător

aranjamentul moleculelor în proteine, polimerizarea unor substanţe, structura

moleculei de AND şi proprietăţile unor cristale feroelectrice.

1.1.3. Proprietăţile fizice ale metalelor, consecinţe ale

structurii atomice

Proprietăţile fizice ale metalelor, cum ar fi proprietăţile electrice,

termice şi magnetice, depind nemijlocit de structura atomică. Principalele

proprietăţi fizice ale metalelor sunt:

a) Conductibilitatea electrică: materialele izolante au electronii mai

puţin legaţi şi au tendinţa de a fixa electronii suplimentari. Sarcina negativă

este imobilizată. Dacă izolantul a pierdut electroni, excedentul de sarcină

pozitivă va fi localizat. Metalele, în schimb, conţinând electroni liberi care

transportă sarcini negative, dacă cedează electroni, atunci excesul de sarcină

pozitivă se împrăştie fiindcă sosesc alţi electroni din regiunile vecine, care

au tendinţa de a uniformiza repartiţia. Curentul electric este astfel un

transport de particule materiale purtătoare de sarcini;

b) Variaţia rezistenţei electrice cu temperatura: dacă se aplică un

câmp electric electronilor din norul electronic, aceştia vor fi acceleraţi în

direcţia câmpului. Creşterea rezistenţei electrice cu temperatura apare

datorită agitaţiei termice a atomilor, ducând la o neregularitate în reţea. La

temperaturi scăzute, reţeaua cristalină este foarte regulată, se produce puţină

difuzie (deplasarea atomilor), rezistenţele opuse deplasării atomilor (şi deci

rezistenţa electrică) sunt scăzute. Când temperatura creşte dezordinea se

măreşte, odată cu difuzia şi rezistenţa. De asemenea, rezistenţa electrică se

măreşte, în general, când are loc topirea, ceea ce este datorat mai marii

neregularităţi a dispoziţiilor atomilor în stare lichidă şi dacă metalul conţine

impurităţi, imperfecţiuni, crăpături sau este deformat la rece.

La unele metale rezistenţa electrică scade brusc până la zero atunci

când temperatura ajunge în jurul lui zero absolut. Acest fenomen de

supraconductibilitate se observă la taliu, plumb şi unele aliaje. Dispariţia

rezistenţei electrice înseamnă dispariţia frecărilor interne care se opun

mişcării electronilor;

c) Proprietăţile magnetice: magnetizarea este condiţionată de

circulaţia sarcinilor electrice la scară atomică sau electronică. Dacă un corp

este aşezat într-un câmp magnetic atunci el se magnetizează. Din punct de

vedere al comportării magnetice, corpurile sunt:

- diamagnetice - adică slab influenţate de câmpul magnetic. Orbitele

electronilor sunt dispuse natural, astfel că momentul magnetic este nul.

Câmpul magnetic amplificat nu poate să modifice orientarea atomului în

spaţiu, dar poate să modifice orientările orbitelor, să le deformeze. Astfel,

atomul primeşte un moment magnetic temporar, care dispare odată cu

câmpul care i-a dat naştere. Exemple de metale diamagnetice sunt: cuprul,

argintul, aurul;

- paramagnetice - momentul magnetic rezultant al atomului nu mai

este nul. Atomul este un dipol permanent şi câmpul aplicat îl orientează după

liniile de forţă. Exemple pentru această grupă sunt metalele alcaline,

alcalino-pământoasă, metalele de tranziţie;

- feromagnetice - momentele dipolare magnetice provin nu numai din

mişcarea electronilor pe orbită, ci şi din rotaţia lor în jurul axei proprii

(mişcarea de spin), deoarece şi această mişcare constituie un transport de

electricitate. Feromagnetice sunt fierul, nichelul, cobaltul, aliajele lor.

1.2 . Structura cristalină a metalelor

Metalele şi aliajele lor (exceptând mercurul) sunt corpuri în stare

solidă, deci sunt corpuri cristaline cu atomii aşezaţi ordonat în spaţiu,

formând reţele tridimensionale numite reţele cristalografice.

Atomii de acelaşi fel sunt plasaţi în spaţiu la anumite distanţe şi

formează un şir reticular caracterizat printr-un parametru a cărui valoare este

egală cu distanţa dintre centrele a doi atomi învecinaţi. Dacă aceste şiruri se

aşează paralel şi perpendicular între ele, atunci se formează un plan reticular

sau o reţea plană (fig. 1.6.a.), a cărei formă geometrică diferă în funcţie de

tipul figurii geometrice de bază: pătrat, dreptunghi, hexagon etc. Aşezând

planele reticulare paralel şi perpendicular între ele se formează

corespunzător o serie de reţele spaţială cu forme geometrice foarte variate:

reţea cubică, reţea prismatică, reţea reţea hexagonală (fig. 1.6.b.).

Atomii nu sunt imobili, ei se mişcă, vibrează (oscilează) în jurul

acestei poziţii fixe cu diferite frecvenţe şi amplitudini. La punctul zero

absolut (-2730C) atomii rămân nemişcaţi la locurile lor din reţea (sunt

îngheţaţi). Sub acţiunea căldurii din exterior ei încep să oscileze în jurul

poziţiilor medii de echilibru. Cu cât aportul de căldură este mai mare, cu atât

amplitudinea vibraţiilor este mai mare.

a. b. Fig. 1.6 Reţele cristalografice:

a) reţea plană (plan reticular); b) reţea spaţială (reţea cristalină)

Energia internă a sistemului creşte şi la o anume valoare a energiei

interne metalul se va afla în una dintre stările de agregare: solidă, lichidă sau

gazoasă.

Elementele geometrice constitutive ale unei reţele cristaline sunt:

celula elementară, constanta sau parametrul reţelei cristaline, axele şi planele

cristalografice.

Celula elementară este cel mai mic complex de aşezare spaţială a

atomilor, cu o formă geometrică bine determinată, care prin translaţie de-a

lungul celor trei direcţii independente produce reţeaua cristalină (fig. 1.7.).

Fig. 1.7 Elementele geometrice ale celulei elementare

Constanta sau parametrul reţelei reprezintă unitatea de translaţie sau

lungimea muchiei celulei elementare de-a lungul unei axe. Este o mărime

caracteristică fiecărui metal şi este dată de distantă reală între doi atomi

învecinaţi. Nu coincide cu distanţa interatomică. La metale, acest parametru

variază între 2...5 Å (1 Å = 10-7 mm). Mărimea parametrului nu este

constantă, ci variază cu temperatura. Odată cu creşterea temperaturii se

măreşte şi distanţa interatomică, ceea ce se manifestă prin dilatare termică.

Pentru a se determina complet tipul reţelei cristaline este necesar să se

definească şi unghiurile spaţiale α, β, γ dintre muchii. Numărul de atomi

care se găsesc la distanţă egală şi cea mai apropiată de un anumit atom se

numeşte număr sau cifră de coordinaţie şi constituie o caracteristică

importantă a reţelei spaţiale. Această cifră care depinde de tipul celulei

elementare, exprimă gradul de compactitate al reţelei cristaline, adică

densitatea ei. Axele cristalografice de referinţă reprezintă direcţiile

determinate de muchiile celulei elementare. Astfel, în sistemul cubic, drept

axe de coordonate se alege un triedru rectangular format de muchiile

cubului. Prin atomii care alcătuiesc reţeaua pot trece diferite plane şi direcţii

cristaline. Un plan cristalografic este definit prin cel puţin trei noduri. Un rol

important în explicarea sensului fizic al deformaţiilor plastice la metale îl au

planele cu densitate atomică maximă (fig. 1.8.), denumite plane de

alunecare. Acestea sunt planele după care au loc alunecările porţiunilor de

cristale sub acţiunea solicitărilor exterioare.

Fig. 1.8. Plane cu densitate atomică maximă

În reţeaua cub cu feţe centrate, diagonala feţei cubului este cea mai

încărcată cu atomi. Planul la 450 care secţionează această reţea, este un plan

de alunecare. Există 8 plane de alunecare cu trei direcţii posibile de

alunecare, deci 24 sisteme de alunecare posibile. Rezultă că metalele care

cristalizează în sistemul cub cu feţe centrate au cea mai mare capacitate de

deformare plastică. Din aceasta categorie fac parte fierul γ, aluminiul, aurul,

argintul.

Cele mai frecvente structuri cristaline ale metalelor sunt: structura

cubică cu feţe centrate (C.F.C), structura cubică cu volum centrat (C.V.C) şi

structura hexagonală compactă (H.C) (fig. 1.9.). Multe metale sunt

polimorfe, adică prezintă proprietatea de a cristaliza în două sau mai multe

tipuri de structuri cristaline în funcţie de condiţiile exterioare de temperatură

şi presiune.

Fig. 1.9. Structuri cristaline:

a) structura C.F.C; b) structura C.V.C; c) structura H.C.

Există definite 14 tipuri de reţele cristaline dintre care 7 sisteme sunt primitive. Reţelele tridimensionale se pot obţine una din alta prin deformare pe diferite direcţii, celulele purtând numele de celule Bravis.

Transformările polimorfe este datorată modificării energiei libere ca

rezultat al variaţiei unor parametri ca: volumul, presiunea, temperatura.

1.3 . Imperfecţiuni structurale la metale

În cristalele reale din natură există imperfecţiuni în reţea, adică devieri

de la periodicitatea perfectă a structurii. La metale apar ca imperfecţiuni

structurale: defectele punctiforme, liniare (dislocaţii) şi de suprafaţă.

A. Defectele punctiforme din reţeaua metalică sunt de forma

vacanţelor, impurităţilor (atomilor străini) şi atomilor interstiţiali. Vacanţele

sunt noduri atomice din reţea neocupate de atomi (fig. 1.10.a.). Impurităţile

sunt formate din atomi străini care pot ocupa fie poziţii de interstiţie, fie de

substituţie (fig. 1.10.b.), în timp ce atomii interstiţiali sunt atomi de

aceeaşi natură cu cei din care este formată reţeaua, dar care ocupă poziţii

interstiţiale în structura de bază (fig. 1.10.c.). Formarea defectelor

punctiforme este însoţită de creşterea energiei interne a corpului şi de

deformarea reţelei cristaline.

a. b. c.

Fig. 1.10. Imperfecţiuni punctiforme

B. Dislocaţiile reprezintă abateri de la forma geometrică ideală a

reţelei metalice (fig. 1.11.a.). Ele pot fi de două tipuri: dislocaţii marginale

sau dislocaţii liniare (fig. 1.11.b.) şi dislocaţii elicoidale sau dislocaţii în

şurub (fig. 1.11.c.). Acestea se obţin prin deplasarea unei părţi a cristalului

în raport cu cealaltă parte sub acţiunea vectorului de alunecare Burgers

(paralel cu linia de dislocaţie la dislocaţiile marginale şi perpendicular pe

linia de dislocaţie la dislocaţiile elicoidale ).

c. Fig. 1.11. Dislocaţii Cristal cu dislocaţie elicoidală în cristale

În mod obişnuit, dislocaţiile din cristale nu se găsesc într-un singur

plan de alunecare iar ca urmare, ele nu sunt numai marginale sau numai

elicoidale, ci sunt dislocaţii mixte. De aceea, ele determină o stare de

tensiuni interne care influenţează coeziunea, rigiditatea edificiului cristalin,

proprietăţile sale reale de rezistenţă. În afară de această proprietate,

dislocaţiile se pot deplasa cu uşurinţă prin cristale, producând deformarea

plastică a acestora. Mişcarea lor poate fi prin alunecare şi difuziune sau prin

căţărare (în acest ultim caz este dependentă de temperatură şi joacă un mare

rol în deformarea metalelor la fluaj). Dislocaţiile dintr-un cristal

interacţionează cu defectele punctiforme şi dau naştere la anumite efecte,

cum ar fi: durificarea soluţiilor solide, îmbătrânirea mecanică, fenomenul

punctului de curgere. Rolul principal îl deţine interacţiunea dislocaţii-

impuritate, interacţiune care poate fi de natură elastică, chimică, geometrică

şi electrică.

C. Imperfecţiunile de suprafaţă apar la limitele de separare dintre

grăunţii cristalului, dintre faze, dintre macle, adică pe suprafeţele din

interiorul corpului care separă porţiuni ce se deosebesc între ele după

structura cristalină, sau după orientarea cristalografică. O importanţă

deosebită pentru determinarea proprietăţilor mecanice o prezintă limitele

dintre grăunţii cristalini. Acestea sunt regiunile de trecere de la un grăunte cu

o anumită orientare cristalină la alţi grăunţi, cu orientări diferite. Pentru

aceste limite se pot imagina trei tipuri de structuri (fig. 1.12.). În cazul din

(fig. 1.12.a.) cristalele sunt perfecte până la suprafaţa de contact, în structura

din (fig. 1.12.b.) atomul ocupă o poziţie intermediară între poziţiile pe care

le-ar avea dacă ar aparţine fiecărui cristal. În varianta din (fig. 1.12.c.) atomii

sunt distribuiţi haotic, fără nici o ordine, formând un fel de ciment amorf. Cu

mijloacele de care dispune astăzi ştiinţa, nu se poate cunoaşte încă distribuţia

exactă a atomilor la limita grăunţilor.

Fig. 1.12. Tipuri posibile de structuri pentru zona de trecere dintre două cristale

1.4 . Structura reală a corpurilor metalice. Izotropie şi anizotropie

Corpurile metalice sunt agregate policristaline formate dintr-un număr

foarte mare de cristale, de dimensiuni diferite, cu un contur poligonal

neregulat şi orientate diferit (fig. 1.13.).

Fig. 1.13. Schema structurii reale la metale

Practica tehnologică a elaborării şi prelucrării metalelor prin diferite

procedee mecanice şi termice are un singur deziderat, acela de a obţine piese

metalice cu o structură cât mai fină, cât mai uniformă, cu un înalt grad de

dispersie al constituenţilor structurali, cu impurităţi cât mai reduse. Cu cât

structura este mai fină şi impurităţile intercristaline mai reduse, cu atât

proprietăţile mecanice de rezistenţă sunt mai ridicate.

Noţiunile de izotropie şi anizotropie se referă la corelaţia dintre

structura internă a corpurilor solide şi proprietăţi, în sensul variaţiei mărimii

acestora în funcţie de direcţia solicitată. Schimbarea proprietăţilor după

direcţia orientării, datorită lipsei de omogenitate, se numeşte anizotropie şi

este o proprietate caracteristică stării cristaline. Anizotropia metalelor devine

evidentă la deformarea metalelor prin laminare sau tragere la rece, în care

caz aceasta reprezintă o anumită direcţie. Dacă se realizează o orientare

preferenţială a grăunţilor, ca urmare a gradului lor de deformare plastică,

atunci se accentuează proprietăţile de anizotropie. Corpurile amorfe, deşi

sunt în stare solidă, sunt un caz particular al stării lichide, deoarece atomii

sau moleculele de constituţie nu ocupă o anumită ordine în spaţiu, ci sunt în

mişcare haotică, sunt în dezordine.

Sticla, smoala, cauciucul sunt câteva exemple de materiale amorfe.

Din cauza acestui aranjament neuniform, neregulat al atomilor, ele sunt

izotrope, adică au aceleiaşi proprietăţi fizice, chimice, mecanice în toate

direcţiile.

1.5 . Procesul cristalizării (solidificării) metalelor

Trecerea de la o stare de agregare fizică la alta înseamnă trecerea de la

o stare de echilibru intern la alta. Starea de agregare este condiţionată de

forţa de coeziune interatomică şi aceasta, la rândul ei, de variaţia de

temperatură şi agitaţia termică a atomilor. Atomii ocupă în nodurile reţelei

cristaline o poziţie medie în jurul căreia oscilează continuu. Intensitatea

acestei mişcări vibratorii variază cu temperatura, mai exact se dublează la

fiecare creştere a temperaturii cu 150C. Alimentarea cu energie a acestor

vibraţii explică consumul necesar măririi temperaturii, fenomen cunoscut

sub denumirea de căldură specifică. Căldura acumulată în metal, mărind

amplitudinea vibraţiilor, micşorează, în acelaşi timp, coeziunea dintre atomi.

La un moment dat, atomii devin liberi, circulă dezordonat, reţeaua cristalină

se topeşte, iar topitura ocupă forma vasului în care a fost încălzit.

Temperatura la care are loc acest fenomen se numeşte temperatură de

topire. Cantitatea de căldură necesară învingerii coeziunii interatomice a

metalului şi aducerii lui în stare de topire se numeşte căldură latentă de

topire.

Procesul cristalizării (solidificării) înseamnă trecerea de la starea

lichidă la cea solidă, prin variaţia energiei interne a sistemului. Sub influenţa

variaţiei de temperatură are loc aşezarea ordonată a atomilor în reţea.

Teoriile moderne afirmă că cinetica procesului fizic de cristalizare este

condiţionată de doi factori cu acţiune aproape simultană şi anume de viteza

de formare a germenilor (vf) de cristalizare şi de viteza de creştere a

cristalului (vc). Viteza de formare a germenilor de cristalizare, sau

capacitatea de cristalizare, este dată de numărul acestor germeni în unitatea

de volum şi de timp. Ea depinde de natura metalului, de temperatură şi de

prezenţa incluziunilor nemetalice în topitură. Cealaltă viteză, de creştere a

cristalului, care reprezintă creşterea liniară a reţelei cristaline

tridimensionale, în mm/min., depinde practic numai de gradul de subrăcire,

deci de temperatură. Solidificarea începe în masa metalică din mai multe

centre sau nuclee de cristalizare, la o temperatură sub valoarea celei critice şi

la un anumit grad de subrăcire. Numărul de grăunţi cristalini într-un volum

dat se calculează făcând raportul: n = vf / vc

În prima fază se formează un număr mare de centre de cristalizare (vf

mare), iar după terminarea solidificării metalului, acesta va avea o structură

fină. Aceasta reprezintă problema cea mai importantă în practica

metalurgică. Cristalizarea unei topituri nu are loc simultan în întreaga masă a

piesei turnate, ea se propagă de la exterior la interior, în funcţie de

propagarea pierderilor de căldură prin răcire. Direcţiile preferate de creşterea

cristalului sunt axele cristalografice ale reţelei. Astfel, în cazul unei reţele

cubice, cristalizarea se dezvoltă mai rapid după axele de octaedru, formând

la început un octaedru cu vârfuri ascuţite şi alungite în spaţiu, după trei

direcţii perpendiculare una pe alta (fig. 1.14.a.). În fazele următoare aceste

axe încep să se ramifice şi cresc după direcţii perpendiculare, prin depuneri

succesive de material, până la terminarea solidificării întregii topituri (fig.

1.14.b.). Pe măsură ce cristalizarea avansează, se obţin cristale de

dimensiuni diferite, cu contur neregulat şi cu aspect caracteristic arborescent,

formând structura dendritică (fig. 1.14.c.).

a. b. c. Fig. 1.14. Creşterea cristalului după axele de octaedru; a) aşezarea celulei lementare după axele de octaedru;

b) creşterea germenului cristalin; c) dendrită (cristal arborescent).

Procesul real al cristalizării metalelor este destul de complex datorită

acţiunii diferiţilor factori interni şi externi cum ar fi: temperatura de turnare

(de supraîncălzire), gradul de subrăcire (viteza de răcire), impurităţile

nemetalice din topitură, viteza şi direcţia de propagare a pierderilor de

căldură. În timpul solidificării unui metal sau aliaj are loc un proces chimic

de separare a elementelor componente şi a impurităţilor, în funcţie de modul

de desfăşurare a procesului de cristalizare, fenomen cunoscut sub numele de

segregaţie. Cauzele principale care produc segregaţiile sunt date de diferenţa

de temperaturile de turnare ale elementelor componente ale aliajului şi ale

impurităţilor şi de diferenţa de greutate specifică între topitură şi cristale.

După dimensiunile lor se deosebesc segregaţii microscopice sau

intercristaline (când neomogenitatea chimică se creează chiar în interiorul

cristalelor) şi segregaţii macroscopice sau zonale (care apar la dimensiuni

mai mari şi sunt concentrate în anumite zone ale lingoului). Studiul acestui

fenomen prezintă o importanţă deosebită în cunoaşterea şi aprecierea

calitativă a condiţiilor de elaborare ale materialelor metalice folosite ca

materii prime în industria constructoare de maşini.

1.6 . Stările alotropice. Polimorfism

Proprietatea unor elemente de a prezenta două sau mai multe tipuri de

reţele cristaline în funcţie de temperatură se numeşte polimorfism. Formele

sub care se poate prezenta elementul respectiv sunt denumite stări

alotropice. Deşi au aceeaşi compoziţie chimică, aceste stări diferă între ele

prin structura lor reticulară (reţeaua cristalină) şi ca urmare diferă şi

proprietăţile fizice şi mecanice ale materialului. Fiecare stare alotropică este

stabilă într-un anumit interval de temperatură, de aceea starea alotropică se

mai numeşte şi fază. Pentru metalele pure transformarea alotropică are

loc la o temperatură definită, şi constituie un punct critic de transformare.

Deoarece este însoţită de absorbţie sau degajare de căldură, punctul critic

este marcat pe curba de răcire a metalului printr-un palier. În aceste condiţii,

transformarea alotropică nu este decât un proces de cristalizare secundară,

spre deosebire de cristalizarea primară ce are loc la transformarea din stare

lichidă a topiturii în stare solidă. Cantitatea de căldură absorbită sau degajată

se numeşte căldură latentă de transformare, sensibil mai mică decât cea de

topire. Dintre metalele care reprezintă acest fenomen de polimorfism

amintim: fierul, cromul, staniul, manganul, cobaltul etc.

Fierul este metalul care reprezintă cele mai importante transformări

alotropice şi, din acest punct de vedere, prezintă o importanţă deosebită în

practica tehnologică a prelucrărilor mecanice şi mai ales a tratamentelor

termice ale aliajelor sale. În figura 1.15. se constată mai multe paliere ce

corespund transformărilor alotropice caracteristice acestui, metal. La

temperatura mediului ambiant fierul cristalizează în reţeaua cubică cu

volum centrat, stare denumită Feα. Prin încălzire apar alte două stări şi

anume la 9120C Feα se transformă în Feγ (cristalizează în reţea cubică cu

feţe centrate), iar la 13940C Feγ se transformă în Feδ ( cristalizează în

reţeaua cubică cu volum centrat). Aceste trei stări α, γ, δ se deosebesc prin

structura lor reticulară şi prin proprietăţile fizice şi mecanice.

Fig. 1.15. Transformările alotropice (α, γ, δ ) ale fierului pur (electrolitic) Pe curba de răcire mai apare reprezentată o stare şi anume starea Feβ,

care apare la temperatura 7700C şi care marchează punctul critic de

transformare magnetică, denumit punctul Curie. Este temperatura la care

Feα îşi pierde proprietăţile de magnetism, fără aşi modifica tipul celulei

elementare, deci se poate afirma că Feβ ≡ Feα magnetic. Pierderea

magnetismului nu este o transformare de fază, fapt dovedit cu ajutorul

razelor X.

Fierul α dizolvă extrem de puţin carbon (practic nu dizolvă) şi

formează o soluţie numită ferită. Le temperatura de 7270C fierul dizolvă

cantitatea maximă de carbon, de 0,02%. Fierul γ dizolvă carbonul maximum

2,11% la temperatura de 11480C şi formează soluţia solidă numită austenită.

Fierul δ, care diferă de fierul α doar prin mărimea parametrului reţelei (prin

dilatare termică), dizolvă maximum 0,1% carbon, la temperatura de 14950C.

Celelalte metale prezintă mai puţin interes din punct de vedere al

stărilor alotropice deoarece ele nu sunt folosite direct sub formă de aliaje ci

mai mult sub formă de elemente de adaos sau de aliere, care se introduc în

cantităţi reduse în compoziţia aliajelor.

1.7 . Structura aliajelor metalice

1.7.1. Legea fazelor (legea lui Gibbs)

Un aliaj metalic este un amestec fizic sau mecanic de două sau mai

multe elemente din care cel puţin unul este metal. Elaborarea unui aliaj este

un proces fizic ce se bazează pe difuziunea atomilor elementelor

componente în stare lichidă (topită) sau solidă. Dintre metodele de elaborare

a aliajelor amintim: topirea şi solidificarea împreună a componenţilor,

coprecipitarea din soluţii sau topituri, depunerea electrolitică, condensarea

concomitentă din faza gazoasă, difuziunea în stare solidă, presarea şi

sinterizarea (metalurgia pulberilor). Din punct de vedere al constituţiei

fizico-chimice, un aliaj este un sistem metalic format din mai multe feluri de

atomi. Acest sistem poate fi omogen (dacă are aceleaşi caracteristici fizico-

mecanice în toate elementele sale structurale componente şi dacă acestea pot

fi separate pe cale fizică), sau eterogen (dacă este format din mai multe părţi

distincte cu proprietăţi diferite, ce pot fi separate pe cale mecanică). Numim

fază o parte omogenă a unui sistem ce se caracterizează printr-o anumită

stare fizică şi compoziţie chimică, despărţite de alte faze printr-o suprafaţă

de separaţie. De exemplu, un aliaj în stare topită este alcătuit dintr-o singură

fază omogenă, deci este un sistem monofazic. Toate elementele componente

sunt amestecate din punct de vedere fizic formând o singură topitură.

Topitura metalică poate fi formată şi din două elemente cu greutate specifică

diferită, cum ar fi aluminiul şi plumbul, care, deşi sunt în stare topită, nu se

amestecă. Apare o suprafaţă de separaţie netă, ambele faze fiind diferite prin

compoziţie, deci sistemul va fi un sistem bifazic. Din punct de vedere al

energiei interne, fiecare fază se caracterizează printr-un potenţial

termodinamic. Trecerea de la o fază la alta este însoţită de variaţia

compoziţiei, structurii şi proprietăţilor. Topirea, cristalizarea, transformările

alotropice, transformările magnetice, procesele de ordonare - dezordonare

sunt considerate transformări de fază.

Spre deosebire de metalele pure, aliajele pot fi formate, după

solidificare, din una sau mai multe faze, după cum sistemul metalic ce

rezultă este omogen sau eterogen. Procesul de cristalizare la aliaje diferă de

cel al metalelor pure şi depinde de numărul şi natura fazelor ce se separă din

topitură ca urmare a modului cum reacţionează între ei atomii elementelor

componente. Fiind un amestec de atomi diferiţi, aliajele se solidifică într-un

interval de temperatură. Este posibil ca dintr-o topitură omogenă să se

formeze, prin solidificare, un sistem omogen sau un sistem eterogen, dacă se

separă mai multe părţi distincte din punct de vedere structural, deci mai

multe faze.

În studiul aliajelor metalice se foloseşte legea lui Gibbs sau legea

fazelor, care stabileşte condiţiile de echilibru ale unui sistem în funcţie de

acţiunea anumitor factori externi. Astfel, un sistem este în echilibru când au

încetat în interiorul său orice transformări (condiţiile fizice externe rămânâ

neschimbate).

În cazul sistemelor metalice, expresia matematică a legii fazelor este:

V = n + 1- f

(1.1)

în care: V- este varianţa sistemului;

n - este numărul elementelor componente;

f - este numărul fazelor.

Dacă varianţa sistemului este negativă, V < 0, nu este posibil nici un

echilibru la nici o temperatură şi la nici o concentraţie. Dacă varianţa este

nulă, V = 0, echilibru se menţine la o temperatură constantă şi la o

concentraţie bine definită, sistemul fiind invariant. Dacă V = 1 poate varia

temperatura sau concentraţia, sistemul fiind univariant, iar dacă V = 2

echilibrul depinde atât de temperatură cât şi de concentraţie, sistemul fiind,

în acest caz, bivariant. De exemplu, pentru un metal pur, cu un singur

element component şi o singură fază, se calculează varianţa sistemului şi se

obţine: V = 1+ 1- 1 = 1. Deci sistemul este univariant. Pentru un sistem

omogen, compus din două elemente, de exemplu plumb şi staniu şi o singură

fază, varianţa sistemului devine: V = 2 + 1 - 1= 2, deci sistemul este

bivariant, adică variază cu temperatura şi concentraţia. Dacă sistemul este

eterogen, alcătuit din cristale de plumb şi topitură de plumb şi staniu, atunci

sistemul este univariant: V = 2 + 1- 2 = 1, dar temperatura şi concentraţia

pot varia numai în intervalul în care cele două faze coexistă. La un sistem

eterogen alcătuit din doi componenţi şi trei faze (cristale de plumb, cristale

de staniu şi topitură de plumb şi staniu) varianţa sistemului este nulă: V =

2 + 1- 3 = 0. În acest caz nu este posibil nici un echilibru la nici o

temperatură şi la nici o concentraţie.

1.7.2. Structura aliajelor. Constituenţi structurali

Formarea unui aliaj este un proces fizic şi chimic, analog procesului

de dizolvare şi depinde de capacitatea de difuziune în stare solidă a atomilor

elementelor componente. Elementul de bază A, în procent mai ridicat şi în

care se introduce elementul de adaos B, se comportă ca un solvent. În stare

topită atomii elementelor componente se amestecă atât de intim încât

formează o soluţie omogenă şi rezultă un sistem monofazic. Dar, este posibil

ca şi această dizolvare să nu aibă loc şi atunci se obţine un sistem eterogen,

alcătuit din faze diferite.

În tehnica metalurgică prezintă importanţă structura unui aliaj.

Aceasta poate fi sub formă de amestecuri mecanice, soluţii solide, compuşi

chimici definiţi şi faze intermediare.

A. Amestecuri mecanice

Se consideră un aliaj binar: A+B→A+B. Atomii elementelor A şi B

nu se dizolvă reciproc în stare lichidă, iar în stare solidă, după terminarea

procesului de solidificare, aliajul va fi alcătuit dintr-un amestec mecanic

eterogen al cristalelor elementelor componente. Structura va fi compusă din

două categorii de cristale bine conturate, cu aspect lamelar, poliedric,

acicular sau globular. Cele două faze distincte pot fi metale pure (plumb -

staniu), de soluţii solide (cupru - zinc), de metal pur şi compus definit (fier -

grafit), sau soluţie solidă şi compus definit (perlită). În anumite condiţii ale

variaţiei energiei interne a sistemului are loc separarea prin solidificare a

fazelor solide la temperatură constantă. Se obţine astfel un agregat cristalin

cu o structură eterogenă şi cu o granulaţie mai fină numit eutectic. Acesta se

defineşte ca fiind un amestec mecanic de două sau mai multe faze distincte

care se separă concomitent din aceeaşi topitură. Dacă o asemenea

transformare are loc în stare solidă, pe baza procesului de difuziune,

transformarea se numeşte transformare eutectoidă, iar constituentul rezultat

se numeşte eutectoid (ex: perlita).

B. Soluţii solide

În cazul sistemului binar A+B considerat, dacă orice aliaj adus în stare

de topire îşi menţine şi după solidificare structura de soluţie omogenă atunci

se obţine o soluţie solidă. Aceasta este un amestec fizic de doi sau mai mulţi

componenţi care prezintă în stare solidă o singură fază. Atomii elementelor

componente se dizolvă reciproc şi total, atât în stare topită cât şi în stare

solidă şi formează o fază omogenă, cu proprietăţi diferite de cele ale celor

doi componenţi. Analiza chimică confirmă existenţa a doi componenţi, dar

la cercetarea microscopică apare o singură fază, un singur tip de cristale, o

singură reţea cristalină.

Se poate afirma că soluţia solidă este cea mai omogenă structură din

punct de vedere fizic ce se poate obţine în cadrul unui sistem de aliaje şi se

caracterizează prin: formarea unei faze omogene, prin acelaşi tip de reţea

cristalină (se menţine celula elementară a metalului de bază), prin stabilitate

într-un domeniu larg de concentraţie şi prin distribuirea întâmplătoare a

atomilor elementelor componente în celulele elementare (tendinţa de

segregaţie).

În ceea ce priveşte modul de aranjare spaţială a atomilor elementelor

componente, s-a stabilit că soluţiile solide pot avea structuri de soluţii solide

de substituţie, de interstiţie sau lacunare. Soluţiile solide de substituţie se

caracterizează prin înlocuirea atomilor elementului de bază A de către atomii

elementului de adaos B (fig. 1.16.a.), într-o proporţie care variază statistic

întâmplător. Majoritatea soluţiilor solide din cadrul diferitelor sisteme de

aliaje sunt soluţii solide prin substituţie. Razele atomice ale lor nu sunt

identice, având loc tensionarea reţelei cristaline şi, ca urmare, mărirea

durităţii şi a rezistenţei la deformare, deci îmbunătăţirea proprietăţilor

mecanice. Dacă atomii elementului de adaos B pătrund în interiorul celulelor

elementare ale reţelei cristaline de bază A, în spaţiile libere interatomice (fig.

1.16.b.), atunci se formează adecvast soluţii solide de interstiţie. Cea de-a

treia categorie, soluţiile lacunare, se formează numai pe baza compuşilor

chimici corespunzători. Atomii unui component ocupă poziţiile normale în

reţeaua cristalină, în timp ce unele poziţii ale celui de-al doilea component

rămân vacante (exemplu: semiconductorii oxidici sau sulfidici).

La microscop, soluţia solidă poate să apară sub două aspecte deosebite

în funcţie de capacitatea de difuzie a atomilor şi anume: un aspect dendritic

(la răcirea foarte rapidă a aliajului), sau un aspect poliedric (la răcirea lentă a

aliajului).

a. b. Fig. 1.16. Soluţii solide:

a) Soluţie solidă prin substituţie (o celulă elementară); b) Soluţie solidă de interstiţie (o celulă elementară).

C. Compuşi chimici definiţi (intermetalici)

În unele aliaje apar structuri ordonate în sensul că atomii elementelor

componente ocupă numai anumite poziţii şi într-un raport bine determinat.

Proporţia dintre componenţi fiind bine definită, permite ca fiecare

compus definit să poată fi exprimat printr-o formulă de forma:

mA + nB = Am Bn

(1.2)

Reţeaua cristalină a compuşilor definiţi este în general foarte

complexă şi diferă de cea a elementelor componente. După modul de

distribuire a acestora în reţea, compuşii definiţi pot prezenta două tipuri de

reţele cristaline: atomice şi moleculare. Reţelele cristaline atomice se

întâlnesc atunci când în nodurile reţelei se găsesc atomi dintr-un component

sau altul al compusului definit. Reţele cristaline moleculare se întâlnesc

atunci când în nodurile reţelei se plasează molecule întregi ale compusului

definit. În general compuşii definiţi cu această proprietate sunt duri şi fragili.

De exemplu, structura cementitei este foarte complexă, ceea ce explică şi

duritatea ei foarte ridicată (HB=600...700). Cristalul este format dintr-o serie

de octaedrii ale căror axe formează anumite unghiuri între ele. În interiorul

fiecărui octaedru se află un atom de carbon. Formula acestui compus chimic

satisface raportul: Fe / C = 3Fe3C.

Caracterul legăturii între atomii de fier este pur metalic, însă între

atomii de fier şi cei de carbon nu este precis stabilit. Este vorba de o legătură

specială care are trăsături de legătură metalică şi de legătură ionică.

D. Faze intermediare

Fazele intermediare sunt soluţii solide ordonate, având un caracter de

nestabilitate, între compuşii chimici şi soluţiile normale (neordonate). Deşi

seamănă cu compuşii chimici definiţi prin faptul că aşezarea atomilor în

reţea este ordonată, totuşi, aceste faze sunt considerate soluţii solide

deoarece păstrează reţeaua metalului de bază. Putem vorbi de o tendinţă de

ordonare a atomilor elementelor componente decât de o ordonare stabilă.

Astfel de faze apar în sistemele cupru - staniu, cupru - zinc, cupru -

aluminiu, cupru - aur etc. Procesul de ordonare este însoţit de modificarea

proprietăţilor fizico - mecanice ale materialului.

1.8. Diagramele de echilibru termic

A cunoaşte structura unui aliaj înseamnă a preciza toate transformările

de stare fizică ale acelui aliaj, în funcţie de variaţia de temperatură. Procesul

de topire - solidificare se studiază cu ajutorul metodei de cercetare prin

analiză termică. Pentru aceasta, se consideră un aliaj binar, format din cristal

de metal A şi topitură de A + B (α). Aplicând legea fazelor pentru doi

componenţi şi două faze rezultă că sistemul este univariant, deci topirea sau

solidificarea au loc într-un interval de temperatură t1...t2 (fig. 1.17).

Fig. 1.17. Diagrama de solidificare (topire) a unui aliaj binar

Este posibil ca dintr-o topitură să se separe două faze solide A şi B,

cum este cazul amestecurilor mecanice. De această dată, aplicând legea

fazelor pentru doi componenţi şi trei faze, rezultă că sistemul este invariant.

În aceste condiţii procesul de topire - solidificare are loc la temperatură

constantă, similar cu cazul unui metal pur (fig. 1.18.).

Fig. 1.18 Diagrama de solidificare (topire) la temperatură constantă

Curba de răcire va avea aspect grafic caracteristic, şi anume t1

marchează începutul solidificării, iar t2 reprezintă un palier orizontal

corespunzător sfârşitului solidificării (care are loc la temperatură constantă şi

separă concomitent cele două faze solide A şi B). Deci la o anumită

concentraţie (eutectică) a aliajului topit, se separă concomitent ambele faze

solide A şi B, iar procesul de solidificare continuă la o temperatură

constantă. Prin scăderea temperaturii de la t1 la t2 se separă cristalele de

metal pur A, iar la temperatura t2 se formează un agregat ce cuprinde atât

cristale de metal A cât şi de metal B.

În structura unui aliaj, după terminarea solidificării pot apărea şi

transformări de fază în stare solidă, care depind de capacitatea de difuziune a

atomilor în anumite condiţii ale variaţiei de temperatură. Principalele

transformări în stare solidă ce pot avea loc în aliajele metalice, sunt cele

alotropice şi cele prin saturaţie reciprocă.

Diagrama de echilibru este reprezentarea grafică a tuturor

transformărilor de stare fizică ale unui sistem de aliaje în funcţie de variaţia

de temperatură şi concentraţie (fig. 1.19.).

Din punct de vedere al solubilităţii diagramele se clasifică:

- diagramele aliajelor care formează soluţii solide;

- diagramele amestecurilor mecanice;

- diagramele aliajelor cu solubilitate parţială;

- diagramele cu puncte de tranziţie;

- diagramele cu compuşi chimici definiţi.

Fig. 1.19. Diagrama de echilibru

Cunoscând o diagramă de echilibru putem deduce prin simpla

determinare a acestor elemente fizice care este structura aliajului la diferite

temperaturi. Se poate prevedea astfel, în mod ştiinţific, fără tatonări

preliminare, ce structură va avea aliajul respectiv supus la un anumit regim

termic.

Cunoaşterea şi interpretarea corectă a diagramelor cu echilibru termic

prezintă o importanţă deosebită în practica tehnologică, deoarece toate

procesele de prelucrare mecanică la rece sau la cald şi tratamentele termice

aplicate aceloraşi materiale, urmăresc în final obţinerea unei structuri care să

confere materialului proprietăţi fizico - chimice corespunzătoare condiţiilor

de exploatare.

1.8.1. Diagrama de echilibru a aliajelor ce formează soluţii solide

Diagrama de echilibru este formată din cele două curbe caracteristice:

curba lichidus, de început de solidificare şi curba solidus, de sfârşit de

solidificare. Între cele două curbe se află un spaţiu care formează intervalul

de solidificare (topire), în care se află în echilibru cele două faze, lichidă şi

solidă. Urmărind pe diagramă verticala de compoziţie a aliajului dat putem

să stabilim, cu ajutorul punctelor caracteristice, transformările structurale

ale acestui aliaj în stare topită până la temperatura mediului ambiant (fig.

1.20.).

La temperatura t1 verticala de compoziţie întâlneşte curba lichidus,

deci începe procesul de solidificare. Din topitură se separă primul cristal de

soluţie solidă α, a cărui compoziţie este dată de verticala care trece prin

punctul 1, având un conţinut mai ridicat de A.

a. b.

Fig. 1.20. Transformările structurale ale unui aliaj: a) structura aliajului MM’; b) curba de răcire a aliajului MM’.

În intervalul de solidificare se află în echilibru cristalele de soluţie

solidă α separate până acum şi lichidul nesolidificat cu compoziţia dată de

verticala ce trece prin punctul 2. În intervalul t1...t3 se află în echilibru două

faze, lichid şi solid α. Sistemul este invariant (din aplicarea legilor fazelor

V=1), adică sistemul este în echilibru numai în intervalul t1...t3 sau, cu alte

cuvinte, solidificarea are loc în acest interval de temperatură.

La temperatura t3 solidificarea se termină. Solidul format este alcătuit

numai din cristale de soluţie solidă α(A+B) a căror compoziţie medie

corespunde verticalei MM’. Reducând în continuare temperatura, la valoarea

t4 solidul îşi menţine structura din cristale α, iar la temperatura mediului

ambiant t5 structura aliajului este alcătuită dintr-un singur fel de cristale de

soluţie solidă α, o structură omogenă monofazică.

În concluzie, se poate afirma că toate aliajele sistemului se solidifică

(se topesc) într-un interval de temperatură, toate aliajele sistemului au la

temperatura mediului ambiant o structură formată din cristale de soluţie

solidă α, cu un aspect dendritic sau poliedric.

1.8.2. Diagrama de echilibru a aliajelor ce formează amestecuri mecanice

Diagrama reprezintă grafic stările fizice ale sistemului de aliaje binare,

în care componentele A şi B sunt complet nemiscibile în stare solidă. Se

cunosc trei tipuri de diagrame binare şi anume: sisteme cu eutectic simplu,

sisteme cu punct peritectic, sisteme cu compuşi definiţi.

Cazul general cel mai frecvent întâlnit în practică îl reprezintă

diagrama sistemelor de aliaje ce formează amestecuri mecanice cu eutectic

simplu. Considerăm sistemul binar în care elementele componente A şi B

sunt complet nemiscbile în stare solidă şi nu reacţionează chimic între ele.

Aplicând legea fazelor rezultă că sistemul este invariant, adică echilibrul se

menţine la temperatură constantă şi la o concentraţie bine definită.

În câmpul acestei diagrame (fig. 1.21.) apare un punct caracteristic

notat cu E (eutectic) la intersecţia liniilor lichidus cu solidus, ce are

caracterul unei izoterme.

Fig. 1.21. Diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje ce formează amestecuri mecanice cu eutectic simplu

Spre deosebire de toate celelalte aliaje ale sistemului considerat, acest

aliaj, cu o compoziţie bine determinată (EE’), se comportă ca şi cum ar fi un

metal pur, adică se solidifică (topeşte) la temperatura constantă (cea mai

coborâtă temperatură de solidificare a aliajelor sistemului). În punctul E se

solidifică simultan atât metalul A cât şi metalul B din lichidul rămas încă

nesolidificat.

Eutecticul (cuvântul vine din limba greacă şi înseamnă bine

determinat) este un agregat cristalin format din cele două faze solide ale

sistemului binar care cristalizează la temperatură constantă şi corespunde la

o proporţie bine determinată a celor două elemente componente. Datorită

condiţiilor de formare, prin cristalizarea simultană a fazelor solide, eutecticul

apare la microscop ca o formaţiune structurală distinctă şi cu aspect

caracteristic lamelar, acicular sau punctiform.

În concluzie, se poate afirma că toate aliajele sistemului se solidifică într-

un interval de temperatură, cu excepţia aliajului eutectic. Acesta din urmă

corespunde la o compoziţie bine determinată şi caracteristică sistemului

considerat.

Din punct de vedere structural toate aliajele sistemului au o structură

eterogenă de amestec mecanic.

În toate diagramele de echilibru utiliyate în care apare un eutectic sau

un eutectoid s-a stabilit în mod convenţional ca aliajele a căror compoziţie se

află sub cea a eutecticului să se numească aliaje hipoeutectice iar cele a

căror compoziţie se află peste cea a eutecticului să se numească

corespunzător aliaje hipereutectice.

Tipurile de structuri posibil de obţinut sunt:

- aliaje hipoeutectice: metal pur A + eutectic E (A+B) - fig. 1.22. - I;

- aliaje hipereutectice: metal pur B +eutectic E (B+A) - fig. 1.22. - II;

- aliaje eutectice: cristale de A + cristale de B, cu aspect lamelar

dispuse alternativ - fig. 1.21. - III.

Fig. 1.22. Diagrama de echilibru şi curbele de răcire ale aliajelor ce formează amestecuri mecanice cu eutectic

1.8.3. Diagrame de echilibru a aliajelor cu solubilitatea parţială

Această diagramă poate fi considerată ca o combinaţie a celor două tipuri

studiate anterior. Curbele lichidus şi solidus (fig. 1.23.) au parţial aspectul

diagramei de soluţii solide, a căror limitare în punctele C şi D corespunde

saturaţiei maxime a soluţiei solide respective cu elementul de adaos

corespunzător: α = A + B, β = A + B. caracteristic acestei diagrame este

aspectul grafic în domeniul fazelor solide, marcat prin curbele CC’ şi DD’

după care are loc saturaţia fazelor α şi β în funcţie de variaţia de temperatură

şi compoziţie.

Curbele se numesc curbe de saturaţie şi reprezintă o transformare în

stare solidă care apare în aliajele cu o anumită concentraţie. Aliajele acestui

sistem prezintă din punct de vedere structural o diversitate de variante, în

funcţie de proporţia de amestec a elementelor componente şi variaţia

corespunzătoare de temperatură.

Deosebim soluţii solide stabile α şi β, soluţii solide saturate α+β’’ şi

β+α’’, amestecuri mecanice α+E+β’’ şi β+E+α’’.

În concluzie, se poate afirma că toate aliajele sistemului se solidifică

(se topesc) într-un interval de temperatură cu excepţia aliajului eutectic.

Fig. 1.23 Diagrama de echilibru a aliajelor cu solubilitate parţială în stare solidă

Acesta din urmă este un agregat cristalin foarte omogen, format din

amestecul cristalelor celor două soluţii solide α şi β. În anumite condiţii de

compoziţie şi variaţie de temperatură se obţine separarea unor anumite faze

secundare α’’ şi β’’.

TESTE ŞI ÎNTREBĂRI PENTRU VERIFICAREA

CUNOŞTIINŢELOR

Capitolul 1 – Structura metalelor şi aliajelor metalice

1) Enumeraţi şi definiţi principalele tipuri de legături dintre atomi existente în corpurile solide.

2) Enumeraţi şi definiţi principalele proprietăţi fizice ale metalelor. 3) Detaliaţi aspectele referitoare la structura cristalină a metalelor

(structurile: c.v.c., c.f.c. şi h.c.) 4) Considerând atomii metalici ca nişte sfere tangente între ele, raza atomică

depinde de: a) presiune; b) temperatură; c) număr de atoni adiacenţi.

5) Dislocaţia elicoidală se caracterizează printr-un vector Burgers:

a) paralel cu linia de dislocaţie; b) perpendicular pe linia de dislocaţie; c) în prelungirea liniei de dislocaţie.

6) Existenţa şi deplasarea dislocaţiilor în cristale determină deformarea sau/şi ruperea acestora din urmă la eforturi:

a) mai mari; b) mai mici; c) egale,

comaprativ cu situaţia în care dislocaţiile ar lipsi, sau deplasarea lor ar fi blocată.

7) Cele mai frecvente structuri cristaline ale metalelor sunt: a) imperfecţiunile structurale; b) defectele punctiform; c) structura hexagonal compactă; d) structura cubică cu volum centrat; e) structurile de suprafaţă; f) structura cubică cu feţe centrate.

8) Transformările poliforme sunt provocate de: a) imperfecţiunile structurale; b) volumul, presiunea şi temperatura; c) structurile cristaline.

9) Imperfecţiunile structurale cuprind:

a) vacanţele, impurităţile şi atomii interstiţiali; b) dislocaţiile marginale şi elicoidale; c) limitele dintre grăunţii cristalini; d) izotropia şi anizotropia; e) stările alotropice.

10) Cinetica procesului fizic de cristalizare este condiţionată de:

a) căldura latentă de topire; b) viteza de formare a germenilor de cristalizare; c) căldura specifică; d) viteza de creştere a cristalului; e) capacitatea de cristalizare.

11) Viteza de formare a germenilor de cristalizare în cadrul procesului de

cristalizare, depinde de: a) numărul germenilor de cristalizare în unitatea de volum şi de timp; b) natura metalului, temperatura şi prezenţa incluziunilor nemetalice

în topitură; c) gradul de încălzire; d) centrele sau nucleele de cristalizare; e) temperatura critică de solidificare; f) numărul de grăunţi cristalini.

12) Viteza de creştere a cristalului în cadrul procesului de cristalizare,

depinde de: a) numărul germenilor de cristalizare în unitatea de volum şi de timp; b) natura metalului, temperatură, prezenţa incluziunilor nemetalice în

topitură; c) gradul de subrăcire; d) centrele sau nucleele de cristalizare; e) temperatura critică de solidificare; f) numărul de grăunţi cristalini.

13) Procesul real al cristalizării metalelor depinde de:

a) temperatura de turnare; b) căldura latentă de topire; c) viteza şi direcţia de propagare a pierderilor de căldură; d) impurităţile nemetalice din topitură; e) căldura specifică; f) gradul de subrăcire.

14) Fierul pur prezintă următoarele forme alotropice:

a) Feα ; b) austenita; c) ferita; d) Feγ ; e) Feδ .

15) Dintre cele două forme alotropice ale Fe menţionate mai jos, cele mai

mari spaţii interstiţiale le prezintă: a) Feα ; b) Feδ .

16) Precizaţi care dintre procesele de mai jos sunt considerate

transformări de fază: a) polimorfismul; b) transformările alotropice şi magnetice; c) izotropia şi anizotropia;

d) topirea şi cristalizarea; e) procesele de ordonare-dezordonare a reţelelor cristaline.

17) La presiune constantă, expresia matematică a legii fazelor este:

a) V = N + f – 1; b) V = N – f + 1; c) V = N + f + 1.

18) Partea constitutivă a unui sistem structural, caracterizată prin

omogenitate, din punct de vedere al aspectului şi compoziţiei chimice se numeşte:

a) fază; b) constituent structural.

19) Dacă într-un aliaj binar atomii de acelaşi fel se atrag mai puternic

decât atomii de tip diferit, se obţine: a) o soluţie solidă ordonată; b) un amestec mecanic; c) un constituent monofazic.

20) Într-un aliaj binar amestecul mecanic este un constituent:

a) monofazic; b) bifazic; c) defazat.

21) Structura care rezultă prin solidificarea unui aliaj mecanic se numeşte: a) primară; b) secundară; c) monocristalină.

22) Structura unui aliaj se poate prezenta sub formă de: a) elemente de adaos; b) faze intermediare şi compuşi chimici definiţi; c) soluţii solide şi amestecuri mecanice; d) celule elementare.

23) Din punct de vedere al solubilităţii diagramele de echilibru termic se clasifică în:

a) diagrame cu puncte de tranziţie sau cu compuşi chimici definiţi; b) diagrame secundare; c) diagrame cu curbe de saturaţie; d) diagrame ale aliajelor care formează soluţii solide sau amestecuri

mecanice; e) diagrame ale aliajelor cu solubilitate parţială.