aliaje si structura lor.pdf

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


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


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


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


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


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


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


8/33

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

~


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


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


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


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


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


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


15/33

Fig.1.l2

15


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

Documents

aliaje si structura lor.pdf