aliaje,notiuni generale

  • View
    574

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of aliaje,notiuni generale

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

Capitolul 2NOIUNI GENERALE DESPRE ALIAJE

2.1. IntroducereAliajele sunt materiale metalice omogene la scar macroscopic, obinute n mod obinuit prin solidificarea unor faze lichide (topituri) care conin speciile atomice ale mai multor elemente chimice. Elementele chimice coninute n structura unui aliaj sunt denumite componentele aliajului. Orice aliaj are n compoziie un component principal (numit i component de baz) metalic i unul sau mai multe componente secundare (numite i componente de aliere) metalice sau nemetalice. Totalitatea aliajelor alctuite din aceleai componente, luate n diferite proporii, formeaz un sistem de aliaje. n funcie de numrul componentelor, aliajele i sistemele de aliaje pot fi: binare (cu dou componente), ternare (cu trei componente), cuaternare (cu patru componente) i polinare sau complexe (cu mai multe componente). Compoziia aliajelor se definete prin concentraiile masice sau atomice ale componentelor acestora (coninuturile procentuale masice sau atomice ale componentelor). De exemplu, pentru un aliaj binar, avnd componentele A (cu masa atomic maA i valena vA) i B ( cu masa atomic maB i valena vB), compoziia se exprim prin: * concentraiile masice ale componentelor (%Am; %Bm): % Am =MA 100 ; M

% Bm = 100 % Am =

MB M

100 ,

(2.1)

MA i MB fiind masele componentelor A i B corespunztoare unei mase M de aliaj (evident, M = MA + MB); * concentraiile atomice ale componentelor (%Aat; %Bat): % Aat =NA A 100 ; NA

% Bat = 100 % Aat =

NAB NA

100 ,

(2.2)

NAA i NAB fiind numrul atomilor care alctuiesc masele MA i MB ale47

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

componentelor, iar NA - numrul total de atomi n aliaj (NA = NAA + NAB); ntre concentraiile atomice i concentraiile masice ale componentelor aliajului binar exist relaiile: % Aat =% Am m aA % Am % B m + m aA m aB

100 ; % Bat =

% Bm m aB % Am % Bm + m aA m aB

100

(2.3)

Pentru aliajul considerat se poate determina i concentraia electronic, definit ca fiind raportul dintre numrul total al electronilor de valen i numrul total al atomilor care alctuiesc masa M de aliaj; relaia de calcul a concentraiei electronice a aliajului binar este: Ce =1 (% Aat v A 100

+ % Bat v B )

(2.4)

Sistemul reprezentat de un aliaj se gsete n stare de echilibru termodinamic (energia liber a sistemului este minim), dac componentele sale se distribuie n structura aliajului, funcie de natura i intensitatea forelor de legtur interatomic i de condiiile de temperatur i presiune n care se afl aliajul, sub form de faze. Faza este o parte structural omogen a unui aliaj, delimitat n structura aliajului prin suprafee de separaie (interfee) i caracterizat prin proprieti fizico-chimice specifice. Compoziiile fazelor din structura aliajelor se definesc i se exprim utiliznd aceleai caracteristici ca i n cazul aliajelor: concentraiile masice sau atomice ale componentelor i concentraia electronic. Natura, numrul i proporia fazelor existente la un moment dat n structura unui aliaj definesc constituia aliajului (n condiiile de temperatur i presiune n care acesta se afl la momentul respectiv).

2.2. Fazele solide din structura aliajelorTipul fazelor care alctuiesc structura unui aliaj aflat n stare solid este determinat de raportul forelor de atracie dintre atomii diverselor componente ale aliajului. Fazele specifice structurii aliajelor solide sunt: soluiile solide, compuii chimici (compuii intermetalici) i metalele pure.

2.2.1. Soluiile solideSoluiile solide se formeaz n structura unui aliaj atunci cnd forele de atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componente ale aliajului) sunt sensibil egale cu forele de atracie dintre atomii identici (aparinnd aceluiai48

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

component); soluiile solide au structura cristalin corespunztoare unuia din componentele metalice ale aliajului i se caracterizeaz printr-o distribuie ntmpltoare (statistic) a atomilor componentelor aliajului n aceast structur. n orice soluie solid din structura unui aliaj, componentul metalic al aliajului (de obicei componentul de baz) care confer soluiei tipul structurii sale cristaline i asigur mediul n care se distribuie celelalte componente este numit solvent sau dizolvant, n timp ce oricare alt component care particip la formarea soluiei solide (cu atomii distribuii aleator n structura cristalin a solventului) este numit dizolvat sau solut. Soluiile solide se noteaz cu litere greceti sau prin indicarea simbolului chimic al solventului, urmat de simbolurile componentelor solut nscrise ntre paranteze; de exemplu, Fe(C) reprezint o soluie solid la care solventul este fierul alfa , iar componentul solut este carbonul, iar Cu(Ni,Zn) - o soluie la care solventul este cuprul, iar componentele dizolvate sunt nichelul i zincul). Dac componentele unui sistem de aliaje formeaz soluii solide oricare sunt rapoartele dintre coninuturile lor procentuale (rapoartele dintre concentraiile lor), se spune c aceste componente prezint solubilitate total n stare solid, iar dac componentele unui sistem de aliaje pot forma soluii solide numai cnd rapoartele dintre concentraiile lor se afl n anumite intervale de valori, se spune c aceste componente au solubilitate parial (limitat) n stare solid. n funcie de poziiile n care sunt distribuii atomii componentelor solut n structura cristalin a componentului solvent, soluiile solide pot fi: soluii solide de substituie (de nlocuire); soluii solide de ptrundere (interstiiale). 2.2.1.1. Soluiile solide de substituie se caracterizeaz prin faptul c atomii componentelor solut sunt distribuii n nodurile structurii cristaline a componentului solvent (o parte din nodurile structurii cristaline a solventului sunt ocupate de atomii componentelor solut). n general, soluiile solide de substituie sunt neordonate, atomii componentelor solut fiind neuniform (statistic) distribuii n nodurile structurii cristaline a solventului (aa cum sugereaz schema din figura 2.1. a); altfel spus, soluiile solide de substituie i asigur, de obicei, stabilitatea termodinamic printr-un grad ridicat de neuniformitate a distribuiei atomilor componentelor solut, care le confer valori ridicate ale entropiei i niveluri minime ale energiei libere. Unele soluii solide de substituie ( neordonate la temperaturi nalte) adopt la temperaturi joase (sub o temperatur caracteristic, numit temperatur Curie-Kurnakov) o distribuie uniform (ordonat) a atomilor componentelor solut n nodurile structurii cristaline a solventului (v. figura 2.1 b) i sunt denumite soluii solide ordonate sau faze Kurnakov. De exemplu, aliajele sistemelor Cu-Zn, Fe-Al, Fe-Si etc. prezint n structura la temperaturi nalte (cnd predomin rolul entropiei n determinarea strii cu energie liber minim)49

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

soluii solide neordonate, care, la temperaturi joase (sub temperatura CurieKurnakov), devin soluii solide ordonate (structura atinge starea de echilibru, cu energia liber minim, adoptnd configuraii caracterizate prin valori sczute att pentru entropie, ct i pentru energia intern). Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de substituie este influenat de mai muli factori: a) tipul structurilor cristaline ale componentelor; b) dimensiunile atomilor componentelor; c) diferena ntre electronegativitile componentelor (diferena ntre capacitile de a atrage electroni ale componentelor); d) diferena ntre valenele componentelor (care, aa cum arat relaia (2.4), determin mrimea concentraiei electronice a aliajului). Astfel, pentru ca dou componente s prezinte solubilitate total n stare solid (s formeze soluii solide de substituie la orice raport al concentraiilor lor), este necesar s fie ndeplinite urmtoarele condiii: * componentele trebuie s aib acelai tip de structur cristalin (componentele trebuie s fie izomorfe); de exemplu, cuprul i nichelul, avnd acelai tip de structur cristalin (CFC), prezint solubilitate total n stare solid i formeaz o serie continu de soluii solide Cu(Ni) Ni(Cu), n timp ce cuprul i zincul, avnd structuri cristaline diferite (Cu - CFC, iar Zn - HC), prezint solubilitate parial n stare solid i formeaz soluia solid parial Cu(Zn); * componentele trebuie s aib dimensiuni (raze) atomice apropiate; s-a constatat c dou componente metalice (avnd razele atomice rA i rB, rA > rB) pot avea solubilitate total n stare solid dac diferena relativ a razelor lor atomice, definit cu relaia d r =r A rB rA

100 , este mai mic dect 8 % ; dac diferena dr > 15 %,

solubilitatea este parial, iar dac 8 % < dr < 15 %, solubilitatea poate fi total sau parial, funcie de gradul de ndeplinire al celorlalte condiii; * componentele trebuie s aib electronegativitate similar i o structur asemntoare a nveliului atomic de valen; ndeplinirea acestei condiii impune ca elementele componente s aparin aceleiai grupe a sistemului (tabelului) periodic al elementelor (sau unor grupe adiacente). ndeplinirea simultan a tuturor condiiilor anterior formulate este dificil i, ca urmare, din cele aproximativ 1400 de sisteme de aliaje binare cu utilizare tehnic i industrial, numai 60 de sisteme au componentele cu solubilitate total n stare solid. 2.2.1.2. Soluiile solide interstiiale se caracterizeaz prin faptul c atomii componentelor solut sunt distribuii n interstiiile (locurile libere) din structura cristalin a componentului solvent. Soluiile solide interstiiale sunt neordonate, atomii componentelor solut fiind neuniform (statistic) distribuii n interstiiile structurii cristaline a solventului, (aa cum sugereaz schema prezentat n figura 2.1. c).50

Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

Fig. 2.1. Structura cristalin a soluiilor solide: a - soluii solide de substituie neordonate; b - soluii solide de substi