Upload
alexandrustoica
View
234
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
1/33
/
t
ACADEMIA TEHNICA. MILITARA
NESECRET
FACULTATEA: SISTEME INTEGRATE DE ARMA.tv illNT
Grupa: M-JJJ
Exemplar unic
5TRUCTUR\A MET/ALELOR 51 AUAJELOR
lNDRUMATOR STIINTIFIC
Prof. univ. doctor inginer Horia Vertan
AUTOR:
Student Cotet Grigorut George
BUCURESTI - 2006
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
2/33
1. Structura atomica a metalelor
1.1. Generalitati
1.2. Structura atomilor si legaturile dintre atomi
1.2.1. Legaturi ionice
1.2.2. Legaturi covalente
1.2.3. Legaturi polare
1.2.4. Legaturi metalice
1.2.5. Legaturi de hidrogen
1.3. Proprietatile fizice ale metalelor, consecinte ale structurii atomice
2. Structura cristalina a metalelor
3. Imperfectiuni structurale la metale
4. Structura reala a corpurilor metalice.Izotropie si amizotropie
5. Procesul cristalizarii ( solidificarii ) metalelor
6. Starile alotropice. Polimorfism
7. Structura aliajelor metalice
7.1. Legea fazelor ( legea lui Gibbs)
7.2. Structura aliajelor. Constituenti structurali
8. Diagramele de echilibru tennic
8.1. Diagrama de echilibru a aliajelor ce fonneaza solutii solide
8.2. Diagrama de echilibru a aliajelor ce formeaza amestecuri mecanice
8.3. Diagrame de echilibru a aliajelor cu solubilitate partiala
2
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
3/33
CAPITOLUL 1
STRUCTURA METALELOR SI ALIAJELOR METALICE
1. Structura atomica a metalelor
Generalitati
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 conventional, deoarece proprietatile metalice scad treptat, forma ndu-se asa numitele serii
de tranzitie.
In comparatie cu celelalte elemente, metalele poseda serie de proprietati fizice, mecanice si
chimice caracteristice, cum ar fi conductibilitatea electrica, conductibilitatea termica, afinitatea pentru
oxigen, valenta variabila, tendinta spre polimorfism, pramagnetismul, fenomagnetismul. De asemenea,
metalele sunt rezistente plastice si tenace , iar din punct de vedere chimic sunt definite ca elemente care
reactioneaza cu bazele pentru a forma oxizi si cu acizii pentru a forma saruri.
Metalele sunt sisteme atomice si nu moleculare, ceea ce explica ata t proprietatile lor caracteristice
ca t si posibilitatea elaborarii unor aliaje. Acestea de pe urma se obtin prin amestecul fizic al atomilor fie
prin interstitie, fie prin substitutie, adica se pot dizolva reciproc, mentina ndu-se structura metalica de
baza. Aliajele metalice nu sunt combinatii chimice.
Proprietatile caracteristice ale metalelor se explica prin configuratia electronica a atomilor
respectivi. Particularitatea caracteristica a structurii atomilor metalelor consta in existenta unui numar mic
de electroni pe stratul superior si a unei legaturi slabe intre acestia si nucleu. Deci, pentru studiul teoretic a
caracteristicilor metalelor si aliajelor vor trebui cunoscute structura atomica, forte le interatomice si
aranjamentul atomilor in agregat.
1.2 STRUCTURA ATOMILOR SI LEGATURILE DINTRE ATOMI
Atomul este compus dintr-un nucleu pozitiv din punct de vedere electric, care la randul lui este
alcatuit din protoni (particule grele pozitive) si neutroni (particule care dau masa). In jurul nucleonului se
3
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
4/33
misca electronii, particulele negative de sarcina: e = 1.6. 10,,19coulombi. Numarullor total este egal cu
numarul de ordine al elementului din sistemul periodic allui Mendeelev. In ansamblu, atomul este neutru,
sarcina pozitiva a nucleului fiind compensata de cea negativa a electronilor. Daca atomul pierde sau
capteaza electroni, atunci el devine pozitiv sau negativ. Aproape intreaga masa a atomului este concentrata
in nucleu.
Electronii se rotesc pe orbite. Orbita exterioara da diametrul atomului, egal cu 1...4:L (IL=10-
8cm), deci spatiul atomului este ocupat numai in infima parte cu particule materiale. Orbitele eliptice se
deosebesc ca dimensiuni, excentricitate si orientare. Electronii de pe orbitele mai apropiate de nucleu au
cantitati de energie mai mici si, existand tendinta de a se trece la stari de energie minima, straturile de
langa nucleu vor fi si mai compacte. Electronii periferici au energie mai mare si sunt legati de nucleu.
Orbitele sunt lucrate in straturi electron ice, formand zone de diferite niveluri de energie. In primul
strat se gasesc doi electroni, apoi 8, 18, 32, etc. In straturi sunt substraturi compuse din 2, 6, 10, 14
electroni. Orbitele electronilor care alcatuiesc un substrat au aceeasi forma (dimensiune si excentricitate),
deosebindu-se numai prin orientare. Numarul stratului se noteaza cu
cifra n = 1,2,3,4,5,6, 7 sau cu
litere K, L M, N, P, Q, in strat fiind 2 n2electroni.
Substratul se noteaza cu litera: s = 2 electroni, p = 6 electroni, d = 10 electroni, f= 14 electroni.
Electronii din substratul s au energie mai mica decat cei din substratul p . Fiecare strat este format din
n substraturi. Astfel, in primul strat exista numai electroni s , in al doilea 2 electroni s si 6 electroni p
si asa mai departe. De exemplu, se noteaza:
_aluminiu(13): Is2 2S2p
6
3s2p1
2 2 6 2 6
-argon (18): Is 2s p 3s p
Numarul de electroni din stratul exterior da valenta. Astfel, argonul, avand 8 electroni este inert,
iar aluminiul, lipsindu-i 5 electroni este activ chimic. Repartitia electronilor in atomii primelor 10
elemente din tabloul periodic este prezentata in figura 1.1.
4
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
5/33
~
C:J IWIW
\ S 2 J
)Ill)
#&fR) l.1(0)
l & r/. )
~b)
b~2~F
S ~ e s : I ~
k~~r~p+
I.t
2~p5
ISe242fJ'
@
®®®
@
C { l
11(7 )
0 (8 )
1 1 9 }
1 k(1 ( ) )
Rtf&r il/ f lded1J/1li:Jrin ~OlfUipn~/()r I()tk~ (j'{1)
• fr,6 k iu / pn~ h
Fig. 11
s
~ I s
K 1 A I
i 1
N
Eu, , , ; ,
t1' L:in) 'ihrJ
'n sIr oh r,
fI'
~v6dmlul1
Aplicarea mecanicii ondulatorii la structura atomului a avut drept consecinta inlocuirea orbitelor
electron ice distincte prin nori electronici difuzi, densitatea norului in fiecare punct corespunza nd
probabilitatii de a gasi un electron in acel punct. Cercetarile efectuate de Bohr, Broglie, Schrodinger si
altii au dus la crearea mecanicii ondulatorii, dupa care particulele aflate in miscare se comporta, in
anumite conditii, ca niste unde, adica au un caracter dublu unda - particula. In locul orbitelor de electroni
vor exista unde stationare, iar in locul electronului un nor de sarcini.
In stare gazoasa, atomii (moleculele) sunt separati unii de ceilalti, fiind lasati sa se miste in spatiul
inconjurator, la distante mari in comparatie cu dimensiunile proprii, inainte de a se inta lni cu un alt atom.
In solide si lichide, atomii sunt in contact, impiedicati in miscare de prezenta atomilor vecini. Asa se
explica rezistenta mecanica, coeziunea materialelor. Factorii care determina starea de agregare sunt
natura si intensitatea fortelor interatomice, temperatura si presiunea. In corpurile solide exista deci legaturi
intre atomii care le fac compacte, mono lite.
Legaturile intre atomi pot fi:
- ionice (heteropolare);
- covalente (homopolare);
- polare (Van der Waals);
- metalice;
- de hidrogen.
1.2.1. LEGATURA IONICA
5
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
6/33
Legatura ionica (heteropolara): apare ca urmare a schimbului electronilor de valenta, intre cei doi
ioni formati crea ndu-se forta electrostatica de atractie. De exemplu, intre sodiu si elor se va completa
aranjamentul atomic al ultimului, forma ndu-se compusul elorura de sodiu NaCI (fig. 1.2).
Fig.l.2
1.2.2. LEGATURA COYALENTA
Legatura covalenta (homopolara): se formeaza atunci ca nd atomii nu cedeaza sau nu primesc
electroni de valenta, iar completarea pana la 8 electroni se face prin punere in comun. De exemplu,
formarea moleculei de elor Cb (fig. 1.3).
6
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
7/33
Fig.I.3
1.2.3. LEGATURA POLARA
Legatura polara (Van der Waals): apare la elemente stabile din grupa 0, la care se manifesta numai
fortele de legatura polare foarte slabe, pe baza legilor atractiei maselor (fig.1.4). Acesta explica, de
exemplu, lichefierea la aproape - 270°C a heliului.
iie iO J . k I r > l
~~ 7
k;O~'
;O /Qlll
Fig.1.4
7
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
8/33
1.2.4. LEGATURA lVIETALICA
Legatura metalica: este specifica metalelor, care au electronii din stratul exterior al atomilor la
distante egale de mai multe nuclee si slabi legati de acestea. Acesti electroni se pot deplasa liberi in masa
metalului, nefiind sub atractia unui nucleu bine determinat. Ei formeaza asa numitul gaz electronic.
Deoarece metalele sunt corpuri cristaline, atomii sunt asezati in forme geometrice regulate numite retele
cristaline. Atomii pierd electroni din orbitele exterioare, deci se poate spune ca metalele sunt formate din
ioni pozitivi (asezati in nodurile retelei) si gaz electronic. Legatura mecanica este data de carcasa de ioni
pozitivi intre care se gasesc electronii liberi (fig. I. 5).
Fig.l.5
1.2.5. LEGATURA DE HIDROGEN
Legatura de hidrogen: atomul de hidrogen, ava nd un singur electron ar trebui in mod normal sa se
uneasca cu un singur aIt atom printr-o legatura covalenta. In multe cazuri insa, acest atom se uneste insa
cu aIti atomi forma nd 0 legatura hidrogenoida sau legatura de hidrogen, cum i se mai spune obisnuit.
Acest tip de legatura se realizeaza intre protonul atomului de hidrogen care a pierdut electronul si
ceilalti doi atomi. Prin caracterul ei, legatura de hidrogen ar fi mai mult de natura ionica. Proprietatile
fizice caracteristice ale apei si ghetii se datoreaza legaturii de hidrogen. Prin actiunea legaturii de hidrogen
se poate explica in mod satisfacator aranjamentul moleculelor in proteine, polimerizarea unor substante,
structura moleculei de AND si proprietatile unor cristale feroelectrice.
8
~
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
9/33
1.3 PROPRIETATILE FIZICE ALE METALELOR, CONSECINTE ALE
STRUCTURII ATOMICE
Proprietatile fizice ale metalelor, cum ar fi proprietatile electrice, termice si magnetice, depind
nemijlocit de structura atomica.
a) Conduetibilitatea eleetri.ea:materialele izolante au electronii mai putin legati si au tendinta de a
fixa electronii suplimentari. Sarcina negativa este imobilizata. Daca izolantul a pierdut electroni,
excedentul de sarcina pozitiva va fi localizat. Metalele, in schimb, contina nd electroni liberi care
transporta sarcini negative, daca cedeaza electroni, atunci excesul de sarcina pozitiva se imprastie fiindca
sosesc alti electroni din regiunile vecine, care au tendinta de a uniformiza repartitia. Curentul electric este
astfel un transport de particule materiale purtatoare de sarcini.
b)
Variatia rezistentei eleetriee eu temperatura:
daca se aplica un ca mp electric electronilor din
norul electronic, acestia vor fi accelerati in directia ca mpului. Cresterea rezistentei electrice cu
temperatura apare datorita agitatiei term ice a atomilor, duca nd la neregularitate in retea. La temperaturi
scazute, reteaua cristalina este foarte regulata, se produce putina difuzie (deplasarea atomilor), rezistentele
opuse deplasarii atomilor (si deci rezistenta electrica) sunt scazute. Ca nd temperatura creste dezordinea se
mareste, odata cu difuzia si rezistenta. De asemenea, rezistenta electrica se mareste, in general, ca nd are
loc topirea, ceea ce este datorat mai marii iregularitati a dispozitiilor atomilor in stare lichida si daca
metalul contine impuritati, imperfectiuni, crapaturi sau este deformat la rece.
La unele metale rezistenta electrica scade brusc pa na la zero atunci ca nd temperatura ajunge in
jurullui zero absolut. Acest fenomen de supraconductibilitate se observa la taliu, plumb si unele aliaje.
Disparitia rezistentei electrice insearnna disparitia frecarilor interne care se opun miscarii electronilor.
c)Proprietatile magnetiee:
magnetizarea este conditionata de circulatia sarcinilor electrice la scara
atomica sau electronica. Daca un corp este asezat intr-un ca mp magnetic atunci el se magnetizeaza. Din
punct de vedere al comportarii magnetice, corpurile sunt:
- diamagnetice - adica slab influentate de ca mpul magnetic. Orbitele electronilor sunt dispuse natural,
astfel ca momentul magnetic este nul. Ca mpul magnetic amplificat nu poate sa modifice orientarea
atomului in spatiu, dar poate sa modifice orientarile orbitelor, sa Ie deformeze. Astfel, atomul primeste un
moment magnetic temporar, care dispare odata cu ca mpul care i-a dat nastere. Exemple de metale
diamagnetice sunt: cuprul, argintul, aurul;
- paramagnetice - momentul magnetic rezultant al atomului nu mai este nul. Atomul este un dipol
permanent si ca mpul aplicat il orienteaza dupa liniile de forta. Exemple pentru aceasta grupa sunt
metalele alcaline, alcalino-pama ntoasa, metalele de tranzitie;
9
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
10/33
- feromagnetice - momentele dipolare magnetice provin nu numai din miscarea electronilor pe
orbita, ci si din rotatia lor in jurul axei proprii (miscarea de spin), deoarece si aceasta miscare constituie un
transport de electricitate. Feromagnetice sunt fierul, nichelul, cobaltul, aliajele lor.
2) STRUCTURA CRISTALINA A METALELOR
Metalele si aliajele lor (excepts nd mercurul) sunt corpuri in stare solida, deci sunt corpuri
cristaline cu atomii asezati ordonat in spatiu, forma nd retele tridimensionale numite retele cristalografice.
Atomii de acelasi fel sunt plasati in spatiu la anumite distante si formeaza un sir reticular caracterizat
printr-un parametru a carui valoare este egala cu distanta dintre centrele a doi atomi invecinati. Daca
aceste siruri se aseaza paralel si perpendicular intre ele, atunci se formeaza un plan reticular sau
0
retea
plana (fig.l.6a), a carei forma geometrica difera in functie de tipul figurii geometrice de baza: patrat,
dreptunghi, hexagon etc. Aseza nd planele reticulare paralel si perpendicular intre ele se formeaza retea
spatiala cu forme geometric variate: cubica, prismatica, hexagonal a (fig. 1.6b).
l
Fig.I.6 Retele cristalografice
Atomii nu sunt imobili, ei se misca, vibreaza (oscileaza) injurul acestei pozitii fixe cu diferite
frecvente si amplitudini. La punetul zero absolut (-273°C) atomii rama n nemiscati la locurile lor din retea
(sunt inghetati). Sub actiunea ealdurii din exterior ei ineep sa oscileze injurul pozitiilor medii de echilibru.
Cu ca t aportul de caldura este mai mare, eu am t amplitudinea vibratiilor este mai mare. Energia interna a
10
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
11/33
sistemului creste. La un anumit continut de energie intema metalul se afla intr-o anumita stare de
agregare: solida, lichida sau gazoasa.
Elementele geometrice constitutive ale unei retele cristaline sunt: celula elementara, constanta sau
parametrul retelei cristaline, axele si planele cristalografice.
Celula elementara este eel mai mic complex de asezare spatiala a atomilor, cu forma geometrica
bine determinata, care prin translatie de-a lungul celor trei directii independente produce reteaua cristalina
(fig.I.7).
J
{lemenfek
gec~fr ce
u k - · ~/tJ/t/
d,rH~.III(7~
Fig.I7
Constanta sau parametrul retelei reprezinta unitatea de translatie sau lungimea muchiei celulei
elementare de-a lungul unei axe. Este marime caracteristica fiecarui metal si este data de distanta reala
intre doi atomi invecinati. Nu coincide cu distanta interatomica. La metale, acest parametru variaza intre
2...5 (1 = 1 O 7mm). Marimea parametrului nu este marime constanta ci variaza cu temperatura.
Odata cu cresterea temperaturii se mareste si distanta interatomica, ceea ce se manifesta prin dilatare
termica. Pentru a se determina complet tipul retelei cristaline este necesar sa se defineasca si unghiurile
spatiale a, b, g dintre muchii.
Numarul de atomi care se gasesc la distanta egala si cea mai apropiata de un anumit atom se
numeste
numar
sau
cifra de coordinatie
si constituie
0
caracteristica portanta a retelei spatiale. Aceasta
cifra care depinde de tipul celulei elementare, exprima gradul de compactitate al retelei cristaline,
densitatea ei. Axele cristalografice de referinta reprezinta directiile determinate de muchiile celulei
elementare. Astfel, in sistemul cubic, drept axe de coordonate, se alege un triedru rectangular format de
muchiile cubului. Prin atomii care alcatuiesc reteaua pot trece diferite plane si directii cristaline. Un plan
cristalografic este definit prin cel putin trei noduri.
11
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
12/33
Un rol important in explicarea sensului fizic al deformatiilor plastice la metale in au planele cu
densitate atomica maxima (fig.1.8), denumite plane de alunecare. Acestea sunt plane le dupa care au loc
alunecarile portiunilor de cristale sub actiunea solicitarilor exterioare.
l
det &-Il(f~
qiOmlc(J
Fig. 1.8
In reteaua cub cu fete centrate, diagonala fetei cubului este cea mai incarcata cu atomi. Planulla
45° care sectioneaza aceasta retea, este un plan de alunecare. Exista 8 plane de alunecare cu trei directii
posibile de alunecare, deci
24
sisteme de alunecare posibile. Rezulta ca metalele care cristalizeaza in
sistemul cub cu fete centrate au cea mai mare capacitate de deformare plastica.
Din aceasta categorie fac parte fierul g, aluminiul, aurul, argintul. Cele mai frecvente structuri
cristaline ale metalelor sunt: structura cubica cu fete centrate (C.F.C), structura cubica cu volum centrat
(C.v.C) si structura hexagonala compacta (HC) (fig.1.9). Multe metale sunt polimorfe, adica prezinta
proprietatea de a cristaliza in doua sau mai multe tipuri de structuri cristaline in functie de conditiile
exterioare de temperatura si presiune.
B
[
a
a l /2
a l
b l
)T f itr
i l lW J A
~
c)
a) Structura C.F.C b) Strucrura C.VC c) Structura H.C
F ig . 1 .9 Structuri cristaline
Existenta transformarilor polimorfe este datorata modificarii energiei libere ca rezultat al variatiei
unor parametri ca: volumul, presiunea, temperatura.
12
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
13/33
3. IMPERFECTIUNI STRUCTURALE LA MET ALE
In cristalele reale din natura exista imperfectiuni in retea, adica devieri de la periodicitatea perfecta
a structurii. Ca exemple, in metale apar ca imperfectiuni structurale defectele punctiforme liniare si de
suprafata.
Defectele puncti[orme
din reteaua metalica sunt de forma vacantelor, impuritatilor (atomilor
straini) si atomilor interstitiali. Vacantele sunt noduri atomice din retea neocupate de atomi (fig. I. lOa).
Impuritatile sunt formate din atomi straini care pot ocupa fie pozitii de interstitie, fie de substitutie
(fig. I. IOb), in timp ce atomii interstitiali sunt atomi de aceeasi natura cu cei din care este formata reteaua,
dar care ocupa pozitii interstitiale in structura de baza (fig. 1.1Oc).Formarea defectelor punctiforme
0
0 0 0
0
0
0
0 0
0
0
0
0
C
0
0 0
0
e
a
0
0
0
o·
0
a
0
0
o
6
c
nper f e e iiun/
j)oncfi(o;m .
, l;I
este insotita de cresterea energiei interne a corpului si de deformarea retelei cristaline
Fig.1.10
Dislocatiile reprezinta abateri de la forma geometrica ideala a retelei metalice. Ele pot fi de doua
tipuri: dislocatii marginale sau liniare (fig.I . II b) si dislocatii elicoidale sau in surub (fig.1.II c). Acestea
se obtin prin deplasarea unei parti a cristalului in raport cu cealalta parte.
13
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
14/33
1
.i
I
I
4
.
. .- - ,
H
.
.• 0--<
7
I
· w . . - . . y - l
I
Cristal cu dislocatie elicoida
Fig. 1.11
In mod obisnuit, dislocatiile din cristale nu se gasesc intr-un singur plan de alunecare iar ca
urmare, ele nu sunt numai marginale sau numai elicoidale, ci mixte. De aceea, ele determina
stare de
tensiuni interne care influenteaza coeziunea, rigiditatea edificiului cristalin, proprietatile sale reale de
rezistenta. In afara de aceasta proprietate, dislocatiile se pot deplasa cu usurinta prin cristale, produca nd
deformarea plastica a acestora. Miscarea lor poate fi prin alunecare si difuziune sau prin catarare (in acest
ultim caz este dependenta de temperatura si joaca un mare rol in deformarea metalelor la fluaj).
Dislocatiile dintr-un cristal interactioneaza cu defectele punctiforme si dau nastere la anumite efecte, cum
ar fi durificarea solutiilor solide, imbatra nirea mecanica, fenomenul punctului de curgere. Rolul principal
il detine interactiunea dislocatii-impuritate, interactiune care poate fi de natura elastica, chimica,
geometrica si electrica.
Imper[ectiunile de supratata
apar la limitele de separare dintre grauntii cristalului, dintre faze,
dintre mac1e, adica pe suprafetele din interiorul corpului care separa portiuni ce se deosebesc intre ele
dupa structura cristalina, dupa orientarea cristalografica. 0 importanta deosebita pentru determinarea
proprietatilor mecanice 0 prezinta limitele dintre grauntii cristalini. Acestea sunt regiunile de trecere de la
un graunte cu anumita orientare cristalina la alti graunti, cu orientari diferite. Pentru aceste limite se pot
imagina trei tipuri de structuri (fig.I.12). In cazul a cristalele sunt perfecte pa na la suprafata de contact,
in structura b atomul ocupa 0pozitie intermediara intre pozitiile pe care le-ar avea daca ar apartine
fiecarui cristal. In varianta c atomii sunt distribuiti haotic, fara nici ordine, forma nd un fel de ciment
amorf. Cu mijloacele de care dispune astazi stiinta, nu se poate cunoaste inca distributia exacta a atomilor
la limita grauntilor.
14
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
15/33
Fig.1.l2
15
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
16/33
4 STRUCTURA REALA A CORPURILOR METALICE. IZOTROPIE SI
ANIZOTROPIE
Corpurile rnetalice sunt agregate policristaline formate dintr-un nurnar foarte mare de cristale, de
dirnensiuni diferite, cu un contur poligonal neregulat si orientate diferit (fig.l.13).
Jch8mclSf,rr,Jdlln i
t
ole I
Q
mefa/e
Fig. 1.13
Practica tehnologica a elaborarii si prelucrarii metalelor prin diferite procedee rnecanice si termice
are un singur deziderat, acela de a obtine piese rnetalice cu structura di t rnai fina, rnai uniforrna, cu un
inalt grad de dispersie al constituentilor structurali cu irnpuritati ca t rnai reduse. Cu ca t structura este rnai
fina si irnpuritatile intercristaline rnai reduse, cu am t proprietatile rnecanice de rezistenta sunt rnai ridicate.
Notiunile de
izotropie
si
anizotropie
se refera la corelatia dintre structura intema a corpurilor
solide si proprietati, in sensu 1variatiei rnarirnii acestora in functie de directia solicitata. Schirnbarea
proprietatilor dupa directia orientarii, datorita lipsei de ornogenitate, se nurneste anizotropie si este
proprietate caracteristica starii cristaline. Anizotropia rnetalelor devine evidenta la deformarea rnetalelor
prin larninare sau tragere la rece, in care caz aceasta reprezinta anurnita directie. Daca se realizeaza
orientare preferentiala a grauntilor, ca urmare a gradului lor de deformare plastica, atunci se accentueaza
proprietatile de anizotropie. Corpurile arnorfe, desi sunt in stare solida, sunt un caz particular al starii
lichide, deoarece atornii sau rnoleculele de constitutie nu ocupa anurnita ordine in spatiu, ci sunt in
rniscare haotica, sunt in dezordine. Sticla, srnoala, cauciucul sunt ca teva exernple de rnateriale arnorfe.
Din cauza acestui aranjarnent neuniform, neregulat al atornilor, ele sunt izotrope, adica au aceleiasi
proprietati fizice, chirnice, rnecanice in toate directiile.
16
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
17/33
5 PROCESUL CRISTALIZARll SOLIDIFICARII METALELOR
Trecerea de la stare de agregare fizica la aha inseamna trecerea de la stare de echilibru intern la
alta. Starea de agregare este conditionata de forta de coeziune interatomica si aceasta, la ra ndul ei, de
variatia de temperatura si agitatia termica a atomilor.
Atomii ocupa in nodurile retelei cristaline pozitie medie injurul careia oscileaza continuu.
Intensitatea acestei miscari vibratorii variaza cu temperatura, mai exact se dubleaza la fiecare crestere a
temperaturii cu 15°C. alimentarea cu energie a acestor vibratii explica consumul necesar maririi
temperaturii, fenomen cunoscut sub denumirea de caldura specifica.
Caldura acumulata in metal, marind amplitudinea vibratiilor, micsoreaza, in acelasi timp,
coeziunea dintre atomi. La un moment dat, atomii devin liberi, circula dezordonat, reteaua cristalina se
topeste, iar topitura ocupa forma vasului in care a fost incalzit. Temperatura la care are loc acest fenomen
se numeste temperatura de topire. Cantitatea de caldura necesara invingerii coeziunii interatomice a
metalului si aducerii lui in stare de top ire se numeste
caldura latenta de topire.
Procesul cristalizarii (solidificarii) inseamna trecerea de la starea lichida la cea solida, prin variatia
energiei interne a sistemului. Sub influenta variatiei de temperatura are loc asezarea ordonata a atomilor in
retea.
Teoriile modeme afirma ca cinetica procesului fizic de cristalizare este conditionata de doi factori
cu actiune aproape simultana si anume de viteza de formare a germenilor (Vf) de cristalizare si de viteza
de crestere a cristalului (V,,).Viteza de formare a germenilor de cristalizare sau capacitatea de cristalizare
este data de numarul acestor germeni unitatea de volum si de timp.
Ea depinde de natura metalului, de temperatura si de prezenta inc1uziunilor nemetalice in topitura.
Cealalta viteza, de crestere a cristalului, care reprezinta cresterea liniara a retelei cristaline
tridimensionale, in mm/min., depinde practic numai de gradul de subracire, deci de temperatura.
Solidificarea incepe in masa metalica din mai multe centre sau nuc1ee de cristalizare, la 0 temperatura sub
valoarea celei critice si la un anumit grad de subracire. Numarul de graunti cristalini intr-un volum dat se
calculeaza faca nd raportul: n =VfN
Daca in prima faza se formeaza un numar mare de centre de cristalizare (Vfmare), dupa terminarea
solidificarii metalului, va avea structura fina. Aceasta reprezinta problema cea mai importanta in
practica metalurgica.
Cristalizarea unei topituri nu are loc simultan in intreaga masa a piesei turnate, ea se propaga de la
exterior la interior, in functie de propagarea pierderilor de caldura prin racire. Directiile preferate de
cresterea cristalului sunt axele cristalografice ale retelei.
17
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
18/33
Astfel, in cazul unei retele cubice, cristalizarea se dezvolta mai rapid dupa axele de octaedru,
forma nd la inceput un octaedru cu va rfuri ascutite si alungite in spatiu, dupa trei directii perpendiculare
una pe alta (fig.l.14a).
In fazele urmatoare aceste axe incep sa se ramifice si cresc dupa directii perpendiculare, prin
depuneri succesive de material, pa na la terminarea solidificarii intregii topituri (fig.1.14b). Pe masura ce
cristalizarea avanseaza, se obtin cristale de dimensiuni diferite, cu contur neregulat si cu aspect
caracteristic arborescent, forma nd structura dendritica (fig.l.14c).
~}N.t~ CrI:rIolv,{l/
o'~' oY..~k
r I f ~d'1l
CT) - (f~~Cltt'(1
cd . e~men~.fC
r/vl'(/ a:x.~k ~
(xj{urll1l
J .
c~~no je t 'meM/l j /o
u /,m .. ftn
c) - ,*.I:ld'i~' (cri.rf~/ (}r60ltJu,,~)
Fig. 1.14
In concluzie, procesul real al cristalizarii metalelor este destul de complex datorita actiunii
diferitilor factori interni si externi: temperatura de turnare (de supraincalzire), gradul de subracire (viteza
de racire), impuritatile nemetalice din topitura, viteza si directia de propagare a pierderilor de caldura. In
timpul solidificarii unui metal sau aliaj are loc un proces chimic de separare a elementelor componente si a
impuritatilor, in functie de modul de desfasurare a procesului de cristalizare, fenomen cunoscut sub
numele de segregatie.
Cauzele principale care produc segregatiile sunt date de diferenta de temperaturile de turnare ale
elementelor componente ale aliajului si ale impuritatilor si de diferenta de greutate specifica intre topitura
si cristale.
Dupa dimensiunile lor se deosebesc segregatii microscopice sau intercristaline (cand
neomogenitatea chimica se creeaza chiar in interiorul cristalelor) si segregatii macroscopice sau zonale
(care apar la dimensiuni mai mari si sunt concentrate in anumite zone ale lingoului). Studiul acestui
18
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
19/33
fenomen prezinta importanta deosebita in cunoasterea si aprecierea calitativa a conditiilor de elaborare
ale materialelor metalice folosite ca materii prime in industria constructoare de masini.
19
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
20/33
6) STARILE ALOTROPICE. POLIMORFISM
Proprietatea unor elemente de a prezenta doua sau mai multe tipuri de retele cristaline in functie de
temperatura se numeste polimorfism. Formele sub care se poate prezenta elementul respectiv sunt
denumite stari alotropice. Desi au aceeasi compozitie chimica, aceste stari difera intre ele prin structura lor
reticulara (reteaua cristalina) si ca urmare difera si proprietatile fizice si mecanice ale materialului.
Fiecare stare alotropica este stabila intr-un anumit interval de temperatura, de aceea starea
alotropica se mai numeste si faza. Pentru metalele pure transformarea alotropica are loc la
0
temperatura
definita, ce constituie un punct critic de transformare.
Deoarece este insotita de absortie sau degajare de caldura, punctul critic este marcat pe curba de
racire a metalului printr-un palier. In aceste conditii, transformarea alotropica nu este deca tun proces de
cristalizare secundara, spre deosebire de cristalizarea primara ce are loc la transformarea din stare lichida a
topiturii in stare solida.
Cantitatea de caldura absorbita sau degajata se numeste caldura latenta de transformare, sensibil
mai mica deca t cea de topire. Dintre metalele care reprezinta acest fenomen de polimorfism amintim
fierul, cromul, staniul, manganul, cobaltul etc.
Fierul este metalul care reprezinta cele mai importante transformari alotropice si, din acest punct
de vedere, prezinta importanta deosebita in practica tehnologica a prelucrarilor mecanice si mai ales a
tratamentelor termice ale aliajelor sale.
In figura 1.15 se constata mai multe paliere ce corespund transformarilor alotropice caracteristice
acestui, metal. La temperatura mediului ambiant fierul cristalizeaza in reteaua cubica cu volum centrat,
stare denumita Fea. Prin incalzire apar alte doua stari si anume la 910°C Fea se transforma in Feg
(cristalizeaza in retea cubica cu fete centrate), iar la 1400
°c.
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
21/33
- - - - - - { dd~r~Wf~)
- -M-t~~~e fh s 1 u / e tr;/lth
Fig.1.15
Feg se transforma in Fed ( cristalizeaza in reteaua cubica cu volum centrat). Aceste trei stari a.g.d
se deosebesc prin structura lor reticulara si prin proprietatile fizice si mecanice.
Pe curba de racire mai apare reprezentata stare si anume starea Feb, care apare la temperatura
768
D C
si care marcheaza punctul critic de transformare magnetica, denumit punctul Curie. Este
temperatura la care Fea isi pierde proprietatile de magnetism, fara asi modifica tipul celulei elementare,
deci se poate afirma ca Feb = Fea magnetic. Pierderea magnetismului nu este
0
transformare de faza, fapt
dovedit cu ajutorul razelor X.
Fierul a dizolva extrem de putin carbon (practic nu dizolva) si formeaza 0 solutie numita ferita. Le
temperatura de 727 D C fierul dizolva cantitatea maxima de carbon, de 0,02%. Fierul g dizolva carbonul
maximum 2,11 % la temperatura de 1148 D C si formeaza solutia solida numita austenita. Fierul d, care
difera de eel a doar prin marimea parametrului retelei (prin dilatare termica), dizolva maximum 0,1 %
carbon, la temperatura de 1495 D C
Celelalte metale prezinta mai putin interes din punct de vedere al starilor alotropice deoarece ele
nu sunt folosite direct sub forma de aliaje ci mai mult sub forma de elemente de adaos sau de aliere, care
se introduc in cantitati reduse in compozitia aliajelor.
21
~II
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
22/33
7) STRUCTURA ALIAJELOR METAL ICE
7.1 Legea fazelor Iegea lui Gibbs
Un
alia} metalic
este un amestec fizic sau mecanic de doua sau mai multe elemente din care eel
putin unul este metal. Elaborarea unui aliaj este un proces fizic ce se bazeaza pe difuziunea atomilor
elementelor componente in stare lichida (topita) sau solida. Dintre metodele de elaborare a aliajelor
amintim: topirea si solidificarea impreuna a componentilor, coprecipitarea din solutii sau topituri,
depunerea electrolitica, condensarea coneomitenta din faza gazoasa, difuziunea in stare solida, presarea si
sinterizarea (metalurgia pulberilor).
Din punct de vedere al constitutiei fizico - chimice, un aliaj este un sistem metalic format din mai
multe feluri de atomi. Acest sistem poate fi omogen (daca are aceleasi caracteristiei fizico - mecanice in
toate elementele sale structurale componente si daca acestea pot fi separate pe cale fizica) sau eterogen
(daca este format din mai multe parti distinete eu proprietati diferite, ce pot fi separate pe cale mecanica).
Numim faza 0parte omogena a uni sistem ce se caracterizeaza printr-o anumita stare fizica si eompozitie
chimica, despartite de alte faze printr-o suprafata de separatie.
De exemplu, un aliaj in stare top ita este alcatuit dintr-o singura faza omogena, deci este un sistem
monofazic. Toate elementele componente sunt amestecate din punct de vedere fizic forma nd singura
topitura. Dar topitura metalica poate fi formata si din doua elemente eu greutate specifica diferita, cum ar
fi aluminiul si plumbul, care, desi sunt in stare topita, nu se amesteca. Apare
0
suprafata de separatie neta,
ambele faze fiind diferite prin compozitie, deci sistemul va fi bifazie.
Din punct de vedere al energiei interne, fiecare faza se earacterizeaza printr-un potential
termodinamic. Treeerea de la faza la alta este insotita de variatia eompozitiei, structurii si proprietatilor.
Topirea, cristalizarea, transformarile alotropice, transformarile magnetice, procesele de ordonare -
dezordonare sunt considerate transformari de faza. Spre deosebire de metalele pure, aliajele pot fi formate,
dupa solidificare, din una sau mai multe faze, dupa cum sistemul metalic ce rezulta este omogen sau
eterogen.
Procesul de cristalizare la aliaje difera de eel al metalelor pure si depinde de numarul si natura
fazelor ce se separa din topitura ca urmare a modului cum reactioneaza intre ei atomii elementelor
componente. Fiind un amestec de atomi diferiti, aliajele se solidifica intr-un interval de temperatura. Este
posibil ca dintr-o topitura omogena sa se formeze, prin solidificare, un sistem omogen sau un sistem
eterogen, daca se separa mai multe parti distincte din punct de vedere structural, deci mai multe faze.
In studiul aliajelor metaliee se foloseste legea lui Gibbs sau legea fazelor. Aceasta stabileste
conditiile de echilibru ale unui sistem in functie de actiunea anumitor factori extemi. Astfel un sistem este
22
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
23/33
in echilibru ca nd au incetat in interiorul sau orice transforma, daca bineinteles conditiile fizice exteme
rama n neschimbate. In cazul sistemelor metalice, expresia matematica a legii fazelor devine:
v = n 1-
f
in care - V- este variatia sistemului;
- n - este numarul elementelor componente;
f - este numarul fazelor.
Daca variatia sistemului este negativa, V < 0, nu este posibil nici un echilibru la nici temperatura
si la nici concentratie; daca variatia este nula, V=O,echilibru se mentine la temperatura constanta si la
o concentratie bine definita, sistemul fiind invariant; daca V
=
1 poate varia temperatura sau concentratia,
sistemul fiind univariant, iar daca V = 2 echilibrul depinde am t de temperatura ca t si de concentratie,
sistemul fiind, in acest caz, bivariant.
De exemplu, pentru un metal pur, cu un singur element component si 0 singura faza, se calculeaza
variatia sistemului si se obtine: V
=
1 1- 1 = 1.Deci sistemul este univariant. Pentru un sistem omogen,
compus din doua elemente, de exemplu plumb si staniu si singura faza, variatia sistemului devine:
V = 2 1- 1=2, deci sistemul este bivariant, adica variaza cu temperatura si concentratia.
Daca sistemul este eterogen, alcatuit din cristale de plumb si topitura de plumb si staniu, atunci
sistemul este univariant: V = 2 1- 2 = 1, dar temperatura si concentratia pot varia numai in intervalul in
care cele doua faze coexista. La un sistem eterogen alcatuit din doi componenti si trei faze (cristale de
plumb, cristale de staniu si topitura de plumb si staniu) variatia sistemului este nula: V
=
2
1- 3
=
0. In
acest caz nu este posibil nici un echilibru la nici
temperatura si la nici
concentratie.
7.2
STRUCTURA ALIAJELOR. CONSTITUENTI STRUCTURALI
Formarea unui aliaj este un proces fizic si chimic, analog procesului de dizolvare si depinde de
capacitatea de difuziune in stare solida a atomilor elementelor componente. Elementul de baza A, in
procent mai ridicat si in care se introduce elementul de adaos B, se comporta ca un solvent. In stare topita
atomii elementelor componente se amesteca am t de intim inca t formeaza
solutie omogena si rezulta un
sistem monofazic.
Dar este posibil ca si aceasta dizolvare sa nu aiba loc si atunci se obtine un sistem eterogen,
alcatuit din faze diferite.
In tehnica metalurgica se prezinta importanta structura unui aliaj. Aceasta poate fi sub forma de
amestecuri mecanice, solutii solide, compusi chimici definiti sau faze intermediar
a
Amestecuri mecanice
23
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
24/33
Se considera un aliaj binar: A+B®A+B. Atomii elementelor A si B nu se dizolva reciproc in stare
lichida, iar in stare solida, dupa terminarea procesului de solidificare, aliajul va fi alcatuit dintr-un amestec
mecanic eterogen al cristalelor elementelor componente. Structura va fi compusa din doua categorii de
cristale bine conturate, cu aspect lamelar, poliedric, acicular sau globular.
Cele doua faze distincte pot fi metale pure (plumb - staniu), de solutii solide (cupru - zinc), de
metal pur si compus definit (fier - grafit) sau solutie solida si compus definit (perlita). In anumite conditii
ale variatiei energiei interne a sistemului are loc separarea prin solidificare a fazelor solide la temperatura
constanta.
Se obtine astfel un agregat cristalin cu structura eterogena si cu granulatie mai fina numit
eutectic. Acesta se defineste ca fiind un amestec mecanic de doua sau mai multe faze distincte care se
separa concomitent din aceeasi topitura. Daca
asemenea transformare are loc in stare solida, pe baza
procesului de difuziune, transformarea se numeste eutectoida, iar constituentul rezultat eutectoid
(exemplu: perlita).
b
Solutii solide
In cazul sistemului binar A+B considerat, daca orice aliaj adus in stare de topire isi mentine si
dupa solidificare structura de solutie omogena atunci se obtine 0 solutie solida. Aceasta este un amestec
fizic de doi sau mai multi componenti care prezinta in stare solida singura faza.
Atomii elementelor componente se dizolva reciproc si total, ata t in stare topita
di
t si in stare
solida si formeaza faza omogena, cu proprietati diferite de cele ale celor doi componenti. Analiza
chimica confirma existenta a doi componenti, dar la cercetarea microscopica apare
0
singura faza, un
singur tip de cristale, singura retea cristalina.
Se poate afirma ca solutia solida este cea mai omogena structura din punct de vedere fizic ce se
poate obtine in cadrul unui sistem de aliaje si se caracterizeaza prin formarea unei faze omogene, prin
acelasi tip de retea cristalina (se mentine celula elementara a metalului de baza), prin stabilitate intr-un
domeniu larg de concentratie si prin distribuirea inta mplatoare a atomilor elementelor componente in
celulele elementare (tendinta de segregatie).
In ceea ce priveste modul de aranjare spatiala a atomilor elementelor componente, s-a stabilit ca
solutiile solide pot avea structuri de solutii solide de substitutie, de interstitie sau lacunare. Cele prin
substitutie se caracterizeaza prin inlocuirea atomilor elementului de baza A de catre atomii elementului de
adaos B (fig.l.16a), intr-o proportie care variaza statistic inta mplator.
Majoritatea solutiilor solide din cadrul diferitelor sisteme de aliaje sunt solutii solide prin
substitutie. Razele atomice nu sunt identice, are loc tensionarea retelei cristaline si, ca urmare, marirea
duritatii si a rezistentei la deformare deci imbunatatirea proprietatilor mecanice.
24
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
25/33
Daca atomii elementului de adaos B patrund in interiorul celulelor elementare ale retelei cristaline
de baza A, in spatiile libere interatomice (fig.l.16b), atunci se formeaza solutii solide de interstitie. Cea
de-a treia categorie, solutiile lacunare , se formeaza numai pe baza compusilor chimici.
Atomii unui component ocupa pozitiile normale in reteaua cristalina, in timp ce unele pozitii ale
celui de-al doilea component rama n vacante (exemplu: semiconductorii oxidici sau sulfidici).
La microscop, solutia solida poate sa apara sub doua aspecte deosebite in functie de capacitatea de
difuzie a atomilor si anume: un aspect dendritic (la racirea rapida a aliajului) sau un aspect poliedric (la
racirea lenta a aliajului).
~
A
A
I
}.
/
/
Fig. 1.16 Solutii solide
c)
Compusi
chimici
definiti intermetalici
In unele aliaje apar structuri ordonate in sensul ca atomii elementelor componente ocupa numai
anumite pozitii si intr-un raport bine determinat. Proportia dintre componenti fiind bine definita, permite
ca fiecare compus definit sa poata fi exprimat printr-o formula de forma:
mA+nB=AmBn
Reteaua cristalina a compusilor definiti este in general foarte complexa si difera de cea a
elementelor componente. Dupa modul de distribuire a acestora in retea, compusii definiti pot prezenta
doua tipuri de retele cristaline: atomice si moleculare.
Retelele cristaline atomice se inta lnesc atunci ca nd in nodurile retelei se gasesc atomi dintr-un
component sau altul al compusului definit. Retele cristaline moleculare se inta lnesc atunci ca nd in
nodurile retelei se plaseaza molecule intregi ale compusului definit.
In general compusii definiti cu aceasta proprietate sunt duri si fragili. De exemplu, structura
cementitei este foarte complexa, ceea ce explica si duritatea ei foarte ridicata (HB=600 ...700). Cristalul
este format dintr-o serie de octaedrii ale caror axe formeaza anumite unghiuri intre ele. In interiorul
fiecarui octaedru se afla un atom de carbon. Formula acestui compus chimic satisface raportul:
Fe/C=3Fe
3
C.
25
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
26/33
Caracterullegaturii intre atomii de fier este pur metalic, insa intre atomii de fier si cei de carbon nu
este precis stabilit. Este yorba de legatura speciala care trasaturi de legatura metalica si legatura ionica.
d
Faze intermediare
Fazele intermediare sunt solutii solide ordonate, ava nd un caracter de nestabilitate, intre compusii
chimici si solutiile normale (neordonate). Desi seamana cu compusii chimici definiti prin faptul ca
asezarea atomilor in retea este ordonata, totusi, aceste faze sunt considerate solutii solide deoarece
pastreaza reteaua metalului de baza. Putem vorbi de
0
tendinta de ordonare a atomilor elementelor
componente deca t de 0ordonare stabila. Astfel de faze apar in sisteme cupru - staniu, cupru - zinc, cupru
- aluminiu, cupru - aur etc. Procesul de ordonare este insotit de modificarea proprietatilor fizico -mecanice
ale materialului.
26
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
27/33
8) DIAGRAMELE DE ECIllLIBRU TERMIC
A cunoaste structura unui aliaj insearnna a preciza toate transforrnari de stare fizica ale acelui aliaj,
in functie de variatia de temperatura. Procesul de topire - solidificare se studiaza cu ajutorul metodei de
cercetare prin analiza terrnica. Pentru aceasta, se considera un aliaj binar, format din cristal de metal A si
topitura de A B (a). Aplica nd legea fazelor pentru doi componenti si doua faze rezulta ca sistemul este
univariant, deci topirea sau solidificarea au loc intr-un interval de temperatura t1...tz (fig.I.I7).
Fig 1.17
Este posibil ca dintr-o topitura sa se separe doua faze solide A si B, cum este cazul amestecurilor
mecanice. De aceasta data, aplica nd legea fazelor pentru doi componenti si trei faze, rezulta ca sistemul
este invariant. In aceste conditii procesul de top ire - solidificare are loc la temperatura constanta, similar
cu cazul unui metal pur (fig.I.I8).
I~~rv/)I
O t
. { ' I ) / tdij /Cf// f
:Ij•••••••
Fig.l.I8
Curba de racire va avea aspect grafic caracteristic, si anume
ti
marcheaza inceputul solidificarii, iar tz
reprezinta un palier orizontal corespunzator
S Ia
rsitului solidificarii (care are loc la temperatura contanta si
27
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
28/33
separa concomitent cele doua faze solide A si B). Deci la anumita concentratie (eutectica) a aliajului
topit, se separa concomitent ambele faze solide (A+B).
Deci la 0anumita concentratie (eutectica) a aliajului topit, se separa concomitent ambele faze
solide A si B, iar procesul de solidificare continua la temperatura constanta. Prin scaderea temperaturii
de la ti la t2 se separa cristalele de metal pur A, iar la temperatura t2 se formeaza un agregat ce cuprinde
am t cristalele de metal A ca t si eel de metal B.
In structura unui aliaj, dupa terminarea solidificarii pot aparea si transformari de faza in stare
solida, care depind de capacitatea de difuziune a atomilor in anumite conditii ale variatiei de temperatura.
Principalele transformari in stare solida ce pot avea loc in aliajele metalice, sunt cele alotropice si cele prin
saturatie reciproca.
Diagrama de echilibru este reprezentarea grafica a tuturor transformarilor de stare fizica ale unui
sistem de aliaje in functie de variatia de temperatura si concentratie (fig.l.19).
Din punct de vedere al solubilitatii diagramele se clasifica:
- diagramele aliajelor care formeaza solutii solide;
- diagramele amestecurilor mecanice;
- diagramele aliajelor cu solubilitate partiala;
- diagramele cu puncte de tranzitie;
- diagramele cu compusi chimici definiti.
I
LiCilil
..
'-
,,-=-.~
. . , -
t - I o . . .
·-t~>,A
~
,
QglII
.f.
•
coroe/o» liC l)llY vt ~ J -/itlv.J
v
Fig. 1.19
Cunosca nd diagrama de echilibru putem deduce prin simpla determinare a acestor elemente
fizice care este structura aliajului la diferite temperaturi. Se poate prevedea astfel, in mod stiintific, fara
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
29/33
tatonari preliminare, ce structura va avea aliajul respectiv supus la un anumit regim termic cunoasterea si
interpretarea corecta a diagramelor cu echilibru termic prezinta importanta deosebita in practica
tehnologica, deoarece toate procesele de prelucrare mecanica la rece sau la cald si, mai ales, tratamentele
termice aplicate acelorasi materiale, urmaresc in final a obtine 0anumita structura care sa confere
materialului proprietati fizico - chimice corespunzatoare conditiilor corespunzatoare in exploatare.
8.1 DIAGRAMA DE EClllLffiRU A ALIAJELOR CE FORMEAZA
SOLUTll SOLIDE
Diagrama de echilibru este formata din cele doua curbe caracteristice: curba lichidus, de inceput de
solidificare si curba solidus, de
S Ia
rsit de solidificare. Intre cele doua curbe se afla un spatiu care
formeaza intervalul de solidificare (topire), in care se afla in echilibru cele doua faze, lichida si solida.
Urmarind pe diagrama vertical a de compozitie a aliajului dat putem sa stabilim, cu ajutorul punctelor
caracteristice, transformarile structurale ale acestui aliaj de stare topita pa na la temperatura mediului
ambiant (fig.l.20).
La temperatura t1verticala de compozitie inta lneste curba lichidus, deci incepe procesul de
solidificare. Din topitura se separa primul cristal de solutie solida a, a carui compozitie este data de
verticala care trece prin punctul
1,
ava nd un continut mai ridicat A.
FigJ.20
In intervalul de solidificare se afla in echilibru cristalele de solutie solida a separate pa na acum si
lichidul nesolidificat cu compozitia data e verticala ce trece prin punctul2. In intervalul t1 ...t3 se afla in
echilibru doua faze, lichid si solid a. Sistemul este invariant (din aplicarea legilor fazelor V=1), adica
29
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
30/33
sistemul este in echilibru numai in intervalul tl ...t3 sau, cu latre cuvinte solidificarea are loc in acel iterval
de temperatura.
La temperatura t3solidificarea se termina. Solidul format este alcatuit numai din cristale de solutie
solida a (A+B) a caror compozitie medie corespunde verticalei
:MM'.
Reduca nd in continuare
temperatura, la valoarea t4solidul isi mentine structura din cristale a, iar la temperatura mediului ambiant
t5structura aliajului este alcatuita dintr-un singur fel de cristale de solutie solida a, structura omogena
monofazica.
In concluzie, se poate afirma ca toate aliajele sistemului se solidifica (se topesc) intr-un interval de
temperatura, toate aliajele sistemului au latemperatura mediului ambiant structura formata din cristale
de solutie solida a, cu un aspect dendritic sau poliedric.
8.2 DIAGRAMA DE EClllLmRU A ALIAJELOR CE FORMEAZA
AMESTECURI MECANIC
Diagrama reprezinta grafic starile fizice ale sistemului de aliaje binare, in care componentele A si
B sunt complet nemiscibile in stare solida. Se cunosc trei tipuri de diagrame binare si anume: sisteme cu
eutectic simplu, sisteme cu punct peritectic, sisteme cu compusi definiti.
Cazul general eel mai frecvent inta lnit in practica il reprezinta diagrama sistemelor de aliaje ce
formeaza amestecuri mecanice cu eutectic simplu. Consideram sistemul binar in care elementele
componente A si B sunt complet nemiscbile in stare solida si nu reactioneaza chimic intre ele.
Aplica nd legea fazelor rezulta ca sistemul este invariant, adica echilibru se mentine la temperatura
constanta si la concentratie bine definita.
In
ca mpul acestei diagrame (fig.1.21) apare un punct
caracteristic notat cu E (eutectic) la intersectia liniilor lichidus cu solidus, ce are caracterul unei
izoterme.
{A
(YI'C)
7f~-~~----- T f
fieNd
a
I~.
() iO } lVmo c A >
uhliorv
IY tI/l{/t i;P~11l
t7G (JA~'e o:
fi/ m~Cr(t(J (7mN~Cf// /'
meconiu
co ellfa::lic
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
31/33
Spre deosebire de toate celelalte aliaje ale sistemului considerat, acest aliaj, cu 0compozitie bine
determinata (EE'), se comporta ca si cum ar fi un metal pur, adica se solidifica (topeste) la temperatura
constanta (cea mai cobora ta temperatura de solidificare a aliajelor sistemului). illpunctul Ese solidifica
simultan am t metalul A ca t si metalul B din lichidul ramas inca nesolidificat.
Eutecticul
(cuva ntul vine din limba greaca si inseamna
bine determinat)
este un agregat cristalin
format din cele doua faze solide ale sistemului binar care cristalizeaza la temperatura constanta si
corespunde la
0
proportie bine determinata a celor doua elemente componente.
Datorita conditiilor de formare, prin cristalizarea simultana a fazelor solide, eutecticul apare la
microscop ca
formatiune structurala distincta si cu aspect caracteristic lamelar, acicular sau punctiform.
illconcluzie, se poate afirma ca toate aliajele sistemului se solidifica intr-un interval de
temperatura, cu exceptia aliajului eutectic. Acesta din urma corespunde la
0
compozitie bine determinata
si caracteristica sistemului considerat. Din punct de vedere structural toate aliajele sistemului au
0
structura eterogena de amestec mecanic.
illtoate diagramele de echilibru in care apare un eutectic sau un eutectoid s-a stabilit in mod
conventional ca aliajele a caror compozitie se afla sub cea a eutecticului sa se numeasca aliaje
hipoeutectice si cele a caror compozitie se afla peste cea a eutecticului sa se numeasca hipeeutectice.
Tipurile de structuri posibile de obtinut 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;
Olpl7J/f}{f
t
ecAif6/T J
f/ eur6~~of 1tJ C//f
c r 1
()i~/( dJ/
o e
l 'ofmed~ ( f
am( I.J~CCl/ / l I'}eC(//Jlce
cu
er.; fe clt c
- aliaje eutectice: cristale de A + cristale de B, cu aspect lamelar dispuse alternativ - fig.
1.21-III.
31
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
32/33
8.3 DIAGRAME DE ECHILIBRU A ALIAJELOR CU SOLUBILITATEA
PARTIALA
Aceasta diagrama poate fi considerata ca
combinatie a celor doua tipuri studiate anterior. Curbele
lichidus si solidus (fig. 1.23) au partial aspectul diagramei de solutii solide, a caror limitare in punctele C si
D corespunde saturatiei maxime a solutiei solide respective cu elementul de adaos corespunzator: a=A+B,
b=A+B. caracteristic acestei diagrame este aspectul grafic in domeniul fazelor solide, marcat prin curbele
CC' si DD' dupa care are loc saturatia fazelor a si b in functie de variatia de temperatura si compozitie.
Curbele se numesc curbe de saturatie si ele reprezinta transformare in stare solida si apare in aliajele cu
o anumita concentratie.
Aliajele acestui sistem prezinta din punct de vedere structural diversitate de variante, in functie
de proportia de amestec a elementelor componente si variatia de temperatura.
Deosebim solutii solide stabile a si b, solutii solide saturate a+b si b+a , amestecuri mecanice a+E+b
si b+E+a .
In concluzie, se poate afirma ca toate aliajele sistemului se solidifica (se topesc) intr-un interval de
temperatura cu exceptia aliajului eutectic.
gJryruma
c. I'(}I(l6 :t-h;~
Fig 1.23
Acesta din urma este un agregat cristalin foarte omogen, format din amestecul cristalelor celor
doua solutii solide a si b. In anumite conditii de compozitie si variatie de temperatura se obtine separarea
unor anumite faze secundare a si b .
32
8/18/2019 aliaje si structura lor.pdf
33/33
BIBLIOGARFIE
ht t p: / / v V w \ y.m et al e.rQ
http.z/www .sciam com/
http://www cs cmu edu