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.