96686209 stiinta si ingineria materialelor

Prof.univ.dr.ing. Ioan-Lucian BOLUNDU

TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Moto: Nu destinui prietenului tu toate secretele vieii tale; se poate prea bine ca ntr-o zi s-i devin duman. Nu f dumanului tu tot rul pe care i-l poi face; se poate prea bine ca ntr-o zi s-i devin prieten.

Saad (c.1215 1292) poet persan

EDITURA TEHNICA INFO CHIINU, 2010

620.22(075.8) B 66

Refereni tiinifici:

Prof.univ.dr.ing. Sorin DIMITRIU Universitatea Politehnica din Bucureti

Prof.univ.dr.ing. Drago PARASCHIV Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai

Prof.univ.dr.ing. Alexandru MARIN Universitatea Tehnic a Moldovei din Chiinu

Descrierea CIP a Camerei Naionale a Crii

tiina i Ingineria Materialelor: / Ioan-Lucian Bolundu [ et al.];

- Ch.: Tehnica Info SRL, 2010 300 p.

ISBN: 978-9975-63-313-0

CZU 620.22(075.8)

B 66

250 ex.

Redactor: Sociolog Camelia Lctuu Tehnoredactare computerizat: Conf.univ.dr.ing. Iosif Dumitrescu Sociolog Camelia Lctuu Coperta: ing. Cornel Chiril

THE SCIENCE AND ENGINEERING OF MATERIALS

Solid materials have been conveniently grouped into three basic categories: metals, ceramics and plastics. This scheme is based primarily on chemical make up and atomic structure and most materials fall into one distinct group or another, although there are some intermediates. In addition, there are the composites, combinations of two or more of the above three basic material classes. Metallic materials have the general characteristics of good electrical and thermal conductivity, relatively high strength, high stiffness, ductility or forma-bility and shock resistance. Although pure metals are occasionally used, com-binations of metals called alloys are normally designed to provide improvement in a particular desirable property or permit better combinations of properties. Plastics are produced by creating large molecular structures from organic molecules, obtained from petroleum or natural gas and have low electrical and thermal conductivity, low strenghts and are not suitable for use at high temperatures. Plastics are lightweight and frequently have resistance to corrosion. Ceramics have poor electrical and thermal conductivity. Although ceramics may have good strenght and hardness, their ductility, formability and shock resistance are poor. Consequently, ceramics are less often used for structural or load-bearing applications than metals. Many ceramics have excellent resistance to high temperatures and certain corrosive media and have a number of unusual and desirable optical, electrical and thermal properties. Composite materials are formed from two or more materials, producing properties that cannot be obtained by any single material. With composites we can produce lightweight, strong, ductile, high temperature-resistant materials that are otherwise unobtainable, or produce hard yet shock-resistant cutting tools that would otherwise shatter.

CONTENTS

I. Metallic Materials.. 9 1. Properties of Metallic Materials. 9 2. Crystalline Structure of Metals... 21 3. Ferrous Alloys.. . 39 4. Nonferrous Metals and Alloys 109 5. Heat Treatments. 175 II. Plastic Materials.. 203 6. Properties of Plastics.. 203 7. Types of Plastics 210 III. Ceramic Materials. 233 8. Structure and Properties of Ceramics 233 9. Types of Ceramics. 238 IV. Composite Materials.. 259

PREFA

tiina i ingineria materialelor trateaz probleme interdisciplinare, implicnd proprietile materiei i aplicaiile ei n diverse domenii ale tiinei i ingineriei i folosind cunotine de fizic aplicat, chimie, inginerie mecanic i electric. Dup apariia, n ultimii ani, a nanotiinelor i nanotehnologiilor, tiina materialelor a fost propulsat n avangarda multor universiti de prestigiu din lume. Cunotinele oamenilor despre materiale ncep odat cu olritul, dezvoltndu-se din epoca pietrei n cea a bronzului i apoi a oelului. tiina materialelor moderne s-a dezvoltat din metalurgie, iar metalurgia din minerit. Dac la nceputul secolului XX ea se ocupa doar de metale, pe la jumtatea acestui secol ea a inclus i materialele plastice i ceramice, iar mai recent i pe cele compozite. Principalele materiale utilizate n industrie sunt cele metalice. Dintre acestea, aliajele feroase (fontele i oelurile) reprezint circa 90%, restul de 10% fiind metale i aliaje neferoase. Fonta se elaboreaz n furnal i din cauza coninutului mare de carbon este dur i fragil i nu se poate utiliza n aceast stare. Proprietile sale mecanice se pot mbunti prin adugarea unor elemente care transform grafitul lamelar n grafit nodular (Mg, Si, Ca, Ba), precum i prin aplicarea unor recoaceri de maleabilizare sau prin aliere cu diverse elemente (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Al, Cu). Oelul conine mai puin carbon i are proprieti mecanice bune. Creterea coninutului de carbon conduce la creterea duritii i a rezistenei la rupere, dar i la scderea ductilitii i a tenacitii. Prin aliere cu peste 10% crom, nichel i molibden, devine inoxidabil. Metalele i aliajele neferoase sunt mai scumpe i mai rare i se utilizeaz n domenii care reclam proprieti fizico-mecanice sau chimice speciale. Unele dintre ele sunt foarte vechi i au avut o importan mare n dezvoltarea societii umane. Astfel, bronzul a fost descoperit n jurul anului 3500 .Hr. n Mesopotamia i Sumer i a avut o asemenea importan nct mileniul al doilea .Hr. se mai numete n istorie i epoca bronzului. Mai aproape de vremurile noastre s-au descoperit aliajele aluminiului, titanului i magneziului, apreciate pentru greutatea redus i rezistena ridicat i folosite pe scar larg n construciile aerospaiale i n industria automobilelor. Materialele plastice au fost descoperite n secolul trecut i astzi au ajuns s le depeasc, n greutate, pe cele metalice datorit unor proprieti favorabile: sunt ieftine i uoare, rezistente la oxidare i coroziune i permit modificarea proprietilor prin folosirea unor aditivi. Unele se pot recicla prin solubilizare sau topire, iar aplicaiile lor acoper aproape toate domeniile activitii umane, de la banalele pungi pentru cumprturi i jucrii, pn la conductele subterane de ap i gaze care le nlocuiesc treptat pe cele metalice. Reciclarea materialelor plastice este foarte important, avnd n vedere faptul c peste 90% din acestea provin din petrol i gaze naturale materii prime valoroase i din ce n ce mai deficitare. Ca urmare, prin reciclare nu se urmrete doar prelucrarea deeurilor, ci i utilizarea unor tehnologii avansate, bazate pe folosirea microundelor de diferite frecvene, care

Prefa 5

sparg lanurile de hidrocarburi ce alctuiesc materialele plastice i cauciucul sintetic, obinndu-se iei brut i gaz metan. Principalele materiale plastice sunt polietilena, polipropilena, policlorura de vinil, polistirenul, poliamida, poliesterul, poliuretanul i policarbonatul. Ele se prelucreaz prin diverse procedee tehnologice (presare, injecie, extrudare, expandare, calandrare, sudare, lipire, tanare, achiere), dar nu se pot utiliza la temperaturi mai mari de circa 200 oC. A treia categorie de materiale utilizate n tehnic o constituie grupa materialelor ceramice. Ceramica utilitar a aprut odat cu omenirea, vasele i crmizile fiind primele produse obinute de om, prin arderea argilei. Din aceasta s-a dezvoltat apoi ceramica de art care s-a ndeprtat de funcia utilitar i s-a centrat pe valoarea decorativ i estetic. Pe la mijlocul secolului trecut a aprut ceramica industrial, ca urmare a dezvoltrii industriilor de vrf care utilizeaz materiale pe baz de oxizi, carburi, nitruri, boruri i diverse forme de carbon. Materialele ceramice sunt dure i rezistente la uzur i la temperaturi ridicate, iar sursele de materii prime din care provin sunt practic nelimitate. Folosirea lor este limitat de fragilitate i de rezistena sczut la traciune. Ele se utilizeaz la fabricarea unor materiale de construcii (crmid, igl, teracot, faian, gresie) sau de art (porelan, mozaic), precum i n domeniul industrial (scule achietoare, electrotehnic i electronic, izolaii termice, aplicaii tribologice i medicale). Prin dozarea corespunztoare a constituenilor, ndeosebi a pmnturilor rare, ceramicele pot fi izolatoare electrice, semiconductoare, conductoare sau chiar supraconductoare. De altfel, pentru cercetri n domeniul supraconductibilitii materialelor ceramice s-au acordat cteva Premii Nobel. Printre aplicaiile de vrf ale ceramicii industriale se menioneaz rulmenii ceramici care funcioneaz fr ungere i implanturile ceramice care nlocuiesc oase ale scheletului uman. Materialele compozite sunt alctuite dintr-o osatur ncorporat n masa unei matrice. Primul compozit utilizat a fost lemnul, un compozit natural, iar mai trziu, betonul i betonul armat. Carcasele de televizor i telefoane mobile sunt i ele confecionate din materiale compozite, avnd o matrice termoplastic armat cu particule de cret i talc i cu fibre tocate de sticl sau de carbon. Materialele de ranforsare pot fi sub form de particule, fibre sau plci, iar matricele sunt de natur plastic, metalic sau ceramic. Procedeele de prelucrare sunt foarte variate (formare manual, turnare, laminare, presare, nfurare), innd cont de natura materialului matricei i de configuraia armturii. tiina i ingineria materialelor este deci o disciplin complex care studiaz proprietile, structura i domeniile de aplicare ale celor patru mari categorii de materiale. Din aceast disciplin s-au desprins recent alte ramuri tiinifice: nanotehnologia, microtehnica, biomaterialele, tribologia i ceramografia. Cartea se adreseaz studenilor profilurilor tehnice care au n programa de nvmnt tiina i ingineria materialelor, dar este util i inginerilor, tehnicienilor, proiectanilor i cercettorilor din metalurgie i construcii de maini.

Petroani, iulie 2010 AUTORUL

CUPRINS

PREFA 4 CUPRINS. 6

PARTEA NTI MATERIALE METALICE.. 9

1. PROPRIETILE MATERIALELOR METALICE. 9 1.1. Generaliti.. 9 1.2. Proprieti fizice... 9 1.3. Proprieti chimice.. 11 1.4. Proprieti mecanice 12 1.5. Proprieti tehnologice 18 1.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.. 19

2. STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR 21 2.1. Noiuni de cristalografie. 21 2.2. Imperfeciuni ale reelelor cristaline... 24 2.3. Curbe de rcire 27 2.4. Teoria aliajelor 29

2.4.1. Generaliti 29 2.4.2. Diagrame de echilibru........... 31

2.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.. 38 3. ALIAJE FIER-CARBON. 39

3.1. Generaliti. 39 3.2. Diagrama fier-carbon.. 40 3.3. Fonte... 44

3.3.1. Generaliti 44 3.3.2. Fonte brute (primare) 45 3.3.3. Fonte de turntorie (secundare) 47

3.4. Oeluri 55 3.4.1. Generaliti 55 3.4.2. Oeluri de uz general. 58 3.4.3. Oeluri cu destinaie precizat... 79 3.4.4. Oeluri de scule..... 100

3.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 107 4. METALE I ALIAJE NEFEROASE. 109

4.1. Generaliti.... 109 4.2. Cuprul i aliajele cuprului. 109

4.2.1. Cuprul... 109 4.2.2. Aliaje de cupru......... 113

4.3. Aluminiul i aliajele aluminiului... 131 4.3.1. Aluminiul......... 131 4.3.2. Aliaje de aluminiu 135

4.4. Plumbul i aliajele plumbului 152 4.4.1. Plumbul 152

Cuprins 7

4.4.2. Aliaje de plumb 153 4.5. Zincul i aliajele zincului... 159

4.5.1. Zincul... 159 4.5.2. Aliajele zincului... 160

4.6. Staniul i aliajele staniului. 164 4.6.1. Staniul.. 164 4.6.2. Aliajele staniului.. 165

4.7. Magneziul i aliajele magneziului. 167 4.7.1 Magneziul.. 167 4.7.2. Aliajele magneziului 170

4.8. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 174 5. TRATAMENTE TERMICE 175

5.1. Generaliti 175 5.2. Recoacerea. 176 5.3. Clirea 181

5.3.1. Generaliti... 181 5.3.2. Metode de clire... 183

5.4. Revenirea... 188 5.5. Tratamente termochimice.. 189

5.5.1. Generaliti... 189 5.5.2. Tipuri de tratamente termochimice.. 190

5.6. Tratamente termomecanice 195 5.7. Utilaje pentru tratamente termice.. 196

5.7.1. Utilaje pentru nclzire. 196 5.7.2. Utilaje pentru rcire. 199 5.7.3. Agregate pentru tratamente termice. 200

5.8. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 201

PARTEA A DOUA MATERIALE PLASTICE.. 203

6. PROPRIETILE MATERIALELOR PLASTICE 203 6.1. Generaliti 203 6.2.Proprieti fizice. 203 6.3. Proprieti chimice 205 6.4. Proprieti mecanice.. 205 6.5. Proprieti tehnologice... 209 6.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 209

7. TIPURI DE MATERIALE PLASTICE.. 210 7.1. Istoricul apariiei materialelor plastice... 210 7.2. Structura i constituenii materialelor plastice... 213 7.3. Clasificarea materialelor plastice 214 7.4. Prelucrarea materialelor plastice... 221

7.4.1. Presarea.... 221 7.4.2. Turnarea sub presiune (prin injecie)... 224 7.4.3. Extrudarea 225

tiina i ingineria materialelor .

8

7.4.4. Calandrarea.. 226 7.4.5. Filarea... 227 7.4.6. Expandarea... 227 7.4.7. Sudarea.... 228 7.4.8. Lipirea.. 229 7.4.9. Prelucrri mecanice.. 230

7.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 231

PARTEA A TREIA MATERIALE CERAMICE... 233

8. STRUCTURA I PROPRIETILE MATERIALELOR CERAMICE 233 8.1. Generaliti 233 8.2. Structura materialelor ceramice. 233 8.3. Proprietile materialelor ceramice 235

9. TIPURI DE MATERIALE CERAMICE... 238 9.1. Clasificarea materialelor ceramice 238 9.2. Ceramica utilitar.. 239 9.3. Ceramica de art 240 9.4. Ceramica industrial.. 241

9.4.1. Generaliti... 241 9.4.2. Ceramice pentru sculele achietoare 244 9.4.3. Ceramice pentru electrotehnic i electronic. 246 9.4.4. Ceramic refractar i pentru izolaii termice.. 251 9.4.5. Ceramic tribologic.... 253 9.4.6. Bioceramica. 253

9.5. Prelucrarea materialelor ceramice. 254 9.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.... 258

PARTEA A PATRA MATERIALE COMPOZITE.. 259

10. MATERIALE COMPOZITE 259 10.1. Generaliti.. 259 10.2. Tipuri de materiale compozite. 260

10.2.1. Materiale compozite armate cu particule... 261 10.2.2. Materiale compozite armate cu fibre.. 262 10.2.3. Materiale compozite structurale. 269 10.2.4. Alte tipuri de materiale compozite. 272

10.3. Prelucrarea materialelor compozite. 276 10.3.1. Formarea manual...... 276 10.3.2. Turnarea..... 278 10.3.3. Laminarea... 281 10.3.4. Presarea.. 285 10.3.5. nfurarea.. 286

10.4. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie... 287 BIBLIOGRAFIE... 289

PARTEA NTI

MATERIALE METALICE

1

PROPRIETILE MATERIALELOR METALICE

1.1. Generaliti

n tehnica actual, pentru executarea pieselor i a diverselor produse, se utilizeaz n mare msur materiale metalice, adic metale i aliaje. Metalele sunt elemente chimice cu luciu caracteristic, bune conductoare de cldur i electricitate, maleabile i ductile, dar se folosesc mai rar din cauza proprietilor defavorabile i a preului ridicat. Aliajele sunt materiale metalice obinute prin topirea mpreun a dou sau mai multor metale sau a unor metale i metaloizi, avnd proprieti i nsuiri adecvate domeniilor de utilizare dorite i pre mai redus.

Dup natura lor, materialele metalice se mpart n dou categorii: - materiale feroase (fier, fonte i oeluri) care reprezint circa 90% din

consumul mondial de materiale metalice; - materiale neferoase (cupru, aluminiu, magneziu, zinc, plumb, staniu,

nichel, wolfram etc. i aliajele lor), acestea reprezentnd restul de 10% din consumul mondial.

Utilizarea materialelor metalice n tehnic este bine precizat i este conform cu prescripii standardizate care in seam de proprietile fizice, chimice, mecanice i tehnologice ale acestora.

1.2. Proprieti fizice

Proprietile fizice caracterizeaz natura materialelor metalice i se clasific dup schema prezentat n fig. 1.1.

a) Masa volumic sau densitatea () este raportul dintre masa unui corp i volumul su:

Vm

= [kg/m3] (1.1)

Dintre metale, masa volumic minim o are litiul ( =0,53 103 kg/m3), iar cea mai mare, osmiul ( =22,48103 kg/m3).

10 tiina i ingineria materialelor

b) Temperatura de topire (t) este temperatura la care, sub aciunea cldurii i la presiunea normal, un metal pur trece din stare solid n stare lichid. n cazul aliajelor, exist un interval de topire.

Dintre metalele cunoscute, cel mai greu se topete wolframul (t=3410 C), iar cel mai uor, staniul (t = 232 C).

c) Capacitatea termic masic sau cldura specific (cp) reprezint cantitatea de cldur necesar ridicrii temperaturii cu un grad a unui kilogram dintr-un material i se exprim n J/kgK. La temperatura mediului ambiant, aceasta variaz de la 138,2 J/kgK (mercur), la 1 826 J/kgK (beriliu).

Ea este necesar pentru calculul cuptoarelor de nclzire sau topire a metalelor.

d) Conductibilitatea termic () este proprietatea unui corp de a transmite un flux de temperatur sub aciunea unei diferene de temperatur, msurndu-se n J/msK. Cel mai bun conductor de cldur este argintul ( = 453 J/msK), iar cel mai slab, mercurul ( = 7,91 J/msK), valorile fiind date pentru temperatura mediului ambiant.

e) Coeficientul de dilatare liniar () reprezint creterea unitii de lungime a unui corp datorit creterii temperaturii cu un grad, determinndu-se cu relaia:

tll

=

0 (1.2)

unde: l0 lungimea iniial; l creterea lungimii la o cretere a temperaturii cu t. Cel mai mic coeficient de dilatare liniar l are invarul (oel aliat cu 36%

nichel i folosit la fabricarea instrumentelor i a aparatelor de precizie) i anume = 0,1510-5 K-1 , iar cel mai mare, cadmiul ( = 3,0810-5 K-1).

f) Conductibilitatea electric () este proprietatea materialelor metalice de a conduce curentul electric i se exprim n S/m (siemens pe metru). Inversul

Proprieti fizice

Mas volumic (densitate)

Temperatur de topire

Capacitate termic masic (cldur specific)

Conductibilitate termic

Coeficient de dilatare liniar

Conductibilitate electric

Proprieti magnetice

Fig. 1.1. Clasificarea proprietilor fizice ale materialelor metalice.

Proprietile materialelor metalice 11

conductibilitii electrice se numete rezistivitate electric () i se exprim n m (ohmmetru).

Conductibilitatea electric scade cu creterea temperaturii, a coninutului de impuriti i a gradului de deformare, iar rezistivitatea crete. La temperaturi foarte sczute, aproape de 0 K, rezistivitatea este nul, aprnd fenomenul de supraconductibilitate, la care materialele metalice devin conductoare electrice perfecte.

n condiii normale, conductibilitatea electric maxim o are argintul ( = 62,5106 S/m), iar cea mai mic, manganul ( = 0,388 106 S/m). Ca urmare, argintul se utilizeaz la fabricarea contactelor electrice, iar manganul, la obinerea manganinului (aliaj de cupru, mangan i nichel folosit la fabricarea rezistenelor electrice).

g) Proprietile magnetice se datoreaz micrii orbitale a electronilor n jurul nucleului, acetia formnd de fapt circuite electrice care creeaz cmpuri magnetice. n materialele metalice cu proprieti magnetice bune, aceste circuite electrice sunt orientate paralel, formnd astfel un magnet elementar. Prin aplicarea unui cmp magnetic exterior, toi magneii elementari primesc aceeai orientare, ajungndu-se la magnetizarea de saturaie, care are intensitatea de magnetizare maxim.

Dintre proprietile magnetice ale materialelor metalice se menioneaz: inducia magnetic, permeabilitatea magnetic, susceptibilitatea magnetic, magnetostriciunea i temperatura Curie.

Din punct de vedere al susceptibilitii magnetice (proprietatea unui material metalic de a se supune aciunii magnetismului i de a se magnetiza), materialele metalice pot fi:

- diamagnetice care au o magnetizare de sens contrar cmpului magnetic exterior i care dispare cnd aciunea exterioar nceteaz (Cu, Cd, Sb, Pb, Zn, Au, Ag), susceptibilitatea lor magnetic fiind negativ;

- paramagnetice care se magnetizeaz slab i temporar prin introducerea lor ntr-un cmp magnetic (Sn, Al, Mg, Na, K, Ca, Mo, Ti, Cr, V, Mn), avnd susceptibilitatea magnetic uor pozitiv.

- feromagnetice care sunt atrase puternic de cmpul magnetic exterior i capt o magnetizare permanent, intens i de acelai sens cu cmpul magnetic (Fe, Co, Ni) i cu susceptibilitate magnetic pozitiv.

1.3. Proprieti chimice

Proprietile chimice ale materialelor metalice exprim capacitatea acestora de a rezista la aciunea mediilor corosive, a agenilor atmosferici i a apei de mare, precum i la temperaturi nalte. Cele mai importante sunt rezistena la coroziune i refractaritatea.

a) Rezistena la coroziune este proprietatea materialelor metalice de a se opune aciunii corosive a agenilor chimici externi.

Distrugerea prin coroziune se poate produce pe cale chimic, atunci cnd


ntre metal i agentul corosiv nu apare un transport de sarcini electrice sau pe cale electrochimic, atunci cnd apare un astfel de transport. Coroziunea este deosebit de nociv, conducnd la pierderi semnificative de materiale metalice, ndeosebi feroase.

Distrugerile prin coroziune pot fi substanial reduse prin metode preventive (evitarea punerii n contact a unui metal cu un alt metal mai electronegativ, cum ar fi aluminiu-cupru, aluminiu-oel aliat sau bronz-oel), prin utilizarea metalelor i aliajelor rezistente la coroziune, precum i prin metode de protecie anticorosiv: galvanizare, acoperiri metalice prin pulverizare sau placare, tratamente termochimice sau vopsire cu lacuri i emailuri.

Unele metale neferoase (Cu, Zn, Pb, Al, Ti, Ni, Cr), la contactul cu aerul atmosferic, formeaz la suprafa un strat de oxid protector (pasivizare), dar cea mai frecvent metod de cretere a rezistenei la coroziune a metalelor este alierea (oeluri aliate cu peste 12% Cr i cu 5...25% Ni, aliaje ale cuprului cu aluminiul i zincul etc.).

b) Refractaritatea este proprietatea materialelor metalice de a-i pstra caracteristicile mecanice la temperaturi ridicate i de a nu forma la suprafa un strat oxidat care s se exfolieze.

Din aceast categorie fac parte metalele i aliajele refractare. Astfel, oelurile refractare sunt aliate cu crom, aluminiu, siliciu i nichel i dac se adaug i molibden, crete rezistena la fluaj, pstrndu-i caracteristicile mecanice timp ndelungat. Ele se utilizeaz, cu bune rezultate, n condiii de lucru la temperaturi de 600...800 C i chiar pn la 1000 C.

1.4. Proprieti mecanice

Proprietile mecanice arat modul de comportare a materialelor metalice la solicitrile exterioare la care sunt supuse att n procesele de prelucrare, ct mai ales n exploatare. n fig. 1.2. se prezint o clasificare a acestor proprieti.

a) Rezistena la rupere este proprietatea unui material metalic de a se opune forelor exterioare care tind s-l distrug. Dup modul de acionare, aceste solicitri pot fi de traciune (ntindere), compresiune, ncovoiere, rsucire (torsiune), forfecare, flambaj etc. i pentru fiecare din aceste solicitri se definete o rezisten specific de rupere.

Sub aciunea forelor exterioare, materialele metalice se deformeaz, ceea ce conduce la modificarea distanei dintre atomii din reeaua lor cristalin. Dac distana se mrete, apar fore de atracie, iar dac se micoreaz, fore de respingere. Rezultanta tuturor forelor interioare, raportat la unitatea de suprafa, se numete efort unitar () i se calculeaz cu relaia:

AF

= [daN/mm2] (1.3)

unde: F fora exterioar, daN; A aria seciunii transversale a corpului solicitat, mm2.


Proprietim ecanice

Rezisten la rupere

Elasticitate

Rigiditate

Plasticitate

Tenacitate

Fragilitate

FluajDuritate

Rezisten la uzur

Rezisten la oboseal

Fig. 1.2. Clasificarea proprietilor mecanice ale materialelor metalice.

Dintre rezistenele specifice de rupere, cea mai important este rezistena de rupere la traciune (Rm) care este raportul dintre sarcina maxim Fmax pe care o poate suporta un material supus la traciune i aria iniial a seciunii sale transversale A0 :

0AF

R maxm = [daN/mm2] (1.4) Determinarea experimental a a-cestei rezistene se face prin ncercarea la ntindere a unei epruvete prelevate din materialul de ncercat, maina de ncercat trasnd automat curba efort-deformaie, = f(), numit i curba lui Hooke1 care, pentru un oel moale, are forma prezentat n fig. 1.3. Pe curb exist mai multe puncte caracteristice care determin urmtoarele limite i rezistene admisibile: - limita de proporionalitate (p) este efortul limit pn la care eforturile sunt proporionale cu deformaiile, aplicndu-se legea lui

[daN/mm2]

r

PEC

R

Z

[%]

cep

z

0

Fig. 1.3. Curba caracteristic la traciune a unui oel moale.


Hooke: = E (1.5)

unde E este modulul de elasticitate longitudinal, daN/mm2; - limita de elasticitate (e) este efortul limit pn la care materialul se comport elastic, adic deformaiile dispar prin nlturarea forelor care le-au cauzat i materialul revine la forma iniial;

- limita de curgere (c) este efortul limit ncepnd de la care pentru creteri mici ale forei ce produce deformaia, vom avea creteri mari ale deformaiei, adic materialul ncepe ,,s curg. Convenional, limita de curgere a unui material reprezint valoarea efortului unitar de la care deformaiile specifice permanente sunt mai mari de 0,2% i se mai noteaz cu Rp0,2; - rezistena la rupere (r ,Rm) este efortul unitar maxim nregistrat pe diagram i constituie cea mai important proprietate mecanic a materialelor; - rezistena efectiv la rupere (z) este efortul unitar la care se produce ruperea efectiv a epruvetei, n zona de gtuire. Dup ruperea epruvetei, se constat, prin msurare, c lungimea iniial de referin L0 a crescut la valoarea Lu. Cu aceste date se pot defini: - alungirea relativ la rupere (

,,A) este raportul dintre lungimea epruvetei dup rupere i lungimea iniial:

1000

0

=

LLLu [%] (1.6)

- gtuirea relativ la rupere (Z) este raportul dintre micorarea seciunii transversale a epruvetei n locul ruperii Au i seciunea transversal iniial A0:

1000

0

=

AAA

Z u [%] (1.7)

b) - Elasticitatea este proprietatea unui material metalic de a reveni la forma i dimensiunile iniiale dup ncetarea aciunii forelor exterioare.

Majoritatea materialelor metalice sunt elastice, fr a depi ns limita de elasticitate e (fig.1.3). Practic ns nu exist metale perfect elastice, acestea prezentnd chiar nainte de limita de elasticitate deformaii plastice foarte mici, pn la 0,01% (pentru oeluri) i pn la 0,03% (pentru neferoase).

c) - Rigiditatea este proprietatea unui material metalic de a se deforma ct mai puin sub aciunea forelor exterioare, fiind deci contrar elasticitii.

1 Robert HOOKE (1635 - 1703) este autorul legii care i poart numele (1678) i care

stabilete proporionalitatea ntre eforturi i deformaii. De asemenea, a avut contribuii n domeniul astronomiei, descoperind rotaia planetei Jupiter i n biologie, stabilind structura celular a esuturilor i introducnd noiunea de celul. A inventat i perfecionat mai multe instrumente de observare i msurare (telescoape, termometre, microscoape).


Mrimea care reflect gradul de rigiditate al materialelor metalice este modulul de elasticitate E sau modulul lui Young2 care este raportul dintre efortul unitar i deformaia specific (vezi relaia 1.5).

d) - Plasticitatea este proprietatea materialelor metalice de a pstra parial sau total deformaiile i dup nlturarea aciunilor care le-au produs. Urmrind curba lui Hooke (fig. 1.3) se constant c, solicitnd materialul cu tensiuni mai mari dect limita de elasticitate, la un moment dat materialul ncepe s curg, iar deformaiile specifice permanente sunt mai mari de 0,2%, adic ne aflm n zona de plasticitate.

Majoritatea materialelor metalice se pot prelucra uor prin deformare plastic (laminare, extrudare, tragere, forjare liber, matriare etc.), dar exist i metale i aliaje fragile care nu suport deformrile plastice, fiind casante (fonta, unele bronzuri, beriliul, zincul etc.).

e) - Tenacitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma mult nainte de rupere, avnd proprieti plastice pronunate i n acelai timp proprieti ridicate de rezisten la rupere.

Tenacitatea se poate determina prin ncercarea de rezilien care este o metod dinamic i const n ruperea, dintr-o singur lovitur, cu un ciocan-pendul, a unei epruvete aezate pe dou reazeme i crestate la mijloc. Reziliena este raportul dintre lucrul mecanic necesar ruperii prin ncovoiere W i seciunea iniial a epruvetei rupte A0 :

0AWKCU = [daJ/cm2] (1.8)

Aparatul cu care se face ncercarea de rezilien a fost conceput i construit n 1901 de chimistul i metalurgul francez A. Charpy3.

Metalele i aliajele cu rezilien mare sunt considerate tenace (oelurile moi i cele destinate confecionrii arcurilor, aluminiul, cuprul, alama), iar cele cu rezilien mic, fragile (fonta, beriliul, zincul).

f) - Fragilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se rupe sau distruge sub aciunea unor fore, fr ca n prealabil s se deformeze, fiind proprietatea opus plasticitii. n cazul materialelor fragile, rezistena la rupere este practic egal cu limita de curgere.

2Thomas YOUNG (1773 - 1829), savant englez care a introdus noiunea de modul de elasticitate. A elaborat studii de fizic, fiziologie, medicin, botanic, geofizic, tehnic, filologie etc. A contribuit la fundamentarea teoriei ondulatorii a luminii introducnd noiunea de coeren i explicnd fenomenul de interferen i fiind primul savant care a folosit termenul de energie. n domeniul fiziologiei a explicat acomodarea ochiului prin deformarea cristalinului, a descris defectul de vedere numit astigmatism i a studiat circulaia sngelui. De asemenea, a contribuit la descifrarea vechilor papirusuri egiptene.

3Augustin Georges - Albert CHARPY (1865 - 1945) studiaz benzile de alunecare i introduce ncercarea de rezilien (1897). Absolvent al colii Politehnice din Paris, s-a distins prin lucrri de chimie industrial care au contribuit hotrtor la dezvoltarea metalurgiei franceze, iar n 1918 a fost ales membru al Academiei de tiine a Franei.


Fragilitatea depinde de prezena concentratoarelor de eforturi (lipsa razelor de racordare, crestturi etc.), precum i de temperatur. Astfel, la temperatura obinuit, wolframul este un metal fragil, cu alungire i striciune practic nule, dar devine plastic i ductil la temperaturi nalte (A=60% la 900 C). g) - Fluajul este proprietatea metalelor i aliajelor de a se deforma lent i continuu n timp, sub aciunea unei sarcini constante de lung durat, chiar dac solicitarea materialului se afl sub limita de elasticitate. Aceast proprietate numit i curgere lent variaz cu temperatura, manifestndu-se sensibil la temperaturi mai ridicate. Ca urmare, este necesar s se in seam de ruperea prin fluaj la proiectarea i exploatarea mainilor i instalaiilor care lucreaz la temperaturi nalte (cazane, turbine cu gaze, motoare de rachete).

n acest sens, au fost create aliaje refractare care se comport bine i la temperaturi ridicate, de 550...1000C, timp ndelungat (oeluri austenitice, aliaje pe baz de nichel sau cobalt, aliaje superrefractare complexe), toate acestea avnd n

componen molibden care este de-osebit de eficace pentru mrirea re-zistenei la fluaj. n fig.1.4 este re-prezentat forma teoretic a unei curbe de fluaj, ntr-un sistem de co-ordonate alungire-timp. Dup o a-lungire iniial rapid a epruvetei 0 vom avea un fluaj primar nesta-bilizat 1, un fluaj secundar stabili-zat 2 i un fluaj teriar accelerat 3, pn cnd apare ruperea. ncerca-rea de rupere prin fluaj se realizea-z cu echipament specializat de la-borator, durnd cteva luni de zile.

h) - Duritatea este proprietatea unui material metalic de a se opune ptrunderii n stratul su superficial a unui obiect dintr-un material mai dur i nedeformabil. Cunoaterea duritii este un mijloc foarte important pentru verificarea calitii pieselor dup aplicarea unor tratamente termice sau termochimice. Metodele folosite n mod curent pentru msurarea duritii metalelor sunt practic nedistructive, putndu-se realiza prin zgriere, prin ptrundere i prin metode dinamice. Determinarea duritii prin zgriere se aplic mai rar metalelor, prezentnd un interes deosebit pentru mineralogi. Conform acestei metode, materialele se clasific n funcie de posibilitatea pe care o au de a zgria un alt material, duritatea msurndu-se dup scara Mohs4. Metalele dure au pe scara Mohs duriti cuprinse ntre 4 i 8.

4Friederich MOHS (1773 - 1839) este inventatorul scrii de duritate mineralogice (1820) constituite din 10 trepte (talc, gips, calcit, fluorin, apatit, ortoz, cuar, topaz, corindon, diamant).

[%]

0

R

t [h]

1 2 3

Fig. 1.4. Curba teoretic de fluaj a unui metal.


n cazul msurrii duritii prin metode dinamice, penetratorul este lsat de obicei s cad pe suprafaa metalului, duritatea fiind exprimat n funcie de energia de impact. Scleroscopul Shore, care constituie cel mai cunoscut exemplu de aparat pentru ncercarea dinamic a duritii, msoar duritatea n funcie de nlimea de recul a unui ciocnel cu vrf de oel dur, lsat s cad, printr-un ghidaj vertical, pe materialul de ncercat.

Din punct de vedere tehnic, cea mai rspndit metod pentru determinarea duritii metalelor este cea prin ptrundere, realizndu-se prin apsarea asupra materialului de ncercat a unei bile din oel clit i lustruit (metoda Brinell5 - HB), a unei piramide din diamant cu unghiul de 136 ntre feele opuse (metoda Vickers - HV) sau a unui con de diamant cu unghiul la vrf de 120 (metoda Rockwell - HRC).

i) - Rezistena la uzur este proprietatea materialelor metalice de a se uza greu prin frecare. Uzura unui material se msoar prin pierderea de mas a unei epruvete n unitatea de timp, raportat la unitatea de suprafa aflat n frecare. Rezistena la uzur crete aproape liniar cu duritatea i se poate mbunti prin aliere (ndeosebi cu mangan), prin tratamente termice, termochimice i termomecanice sau prin acoperiri de protecie. De asemenea, pentru o aderen minim, metalele trebuie s fie insolubile reciproc, pentru a nu forma aliaje, compui intermetalici sau soluii solide. Au o uzur de aderen minim Fe/Pb, Fe/Sn, Al/Sn, Cu/Pb, Cr/Cu, Cr/Sn, oel/Cu i o uzur de aderen maxim Fe/Cu, Fe/Cr, Cu/Al, oel/Al, oel/oel. j) - Rezistena la oboseal este valoarea maxim la care se rupe un material, dup un numr prescris de solicitri periodice alternante la acea sarcin. n principiu, ea reprezint asimptota la curba efort unitar - numr de cicluri N, numit curba lui Whler6 (fig. 1.5). Metoda obinuit pentru determinarea curbei

const n a ncerca prima epru-vet la un efort unitar 1 su-ficient de ridicat pentru ca rupe-rea s apar dup un numr re-dus de cicluri N1. Efortul unitar de solicitare periodic alternant (ntindere-compresiune, ncovo-iere alternant etc.) se mico-reaz pn cnd ultima epruvet nu se mai rupe, aceasta fiind de fapt rezistena la oboseal

-1.

Numrul de cicluri care se ia ca baz este de 106 ... 107, pentru aliaje feroase i 107 ... 108, pen-tru metale i aliaje neferoase.

[daN/mm2]

1

N1 N [cicluri]N2 N1N3 106 107

23

-1

Fig. 1.5. Determinarea experimental a rezistenei la oboseal.


1.5. Proprieti tehnologice

Proprietile tehnologice ale materialelor metalice indic modul de comportare a acestora la diferite procedee de prelucrare la cald sau la rece i se cla-sific dup schema prezentat n fig. 1.6. a) - Turnabilitatea este proprietatea materialelor metalice topite de a umple cavitatea unei forme la turnare i de a reproduce configuraia cavitii dup solidificare. Turnabilitatea unui material metalic depinde de caracteristicile de turnare ale acestuia: - fluiditatea este proprietatea unui metal topit de a curge cu uurin i a umple cavitatea formei n care este turnat, acest lucru fiind foarte important la piese cu perei subiri i cu contur complicat;

- segregarea este feno-menul nedorit care deter-min separarea elementelor chimice ale unui aliaj cu temperaturi de topire diferite n timpul cristalizrii, ceea ce conduce la o neomo-genitate chimic a piesei turnate; - absorbia de gaze este tot o proprietate nedorit a metalelor, de a dizolva gaze, crescnd odat cu tempe-

ratura de turnare i conducnd la apariia suflurilor n piesele turnate. Dintre materialele metalice, cea mai bun turnabilitate o au fonta (fluiditate bun, contracie redus i tendin mic de segregare) i bronzul (fluiditate bun i contracie mic), n timp ce oelul are o fluiditate mai mic, o contracie i o ten-din de segregare mai mari. b) - Deformabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma i a lua o form nou, sub aciunea unor fore exterioare, fr a se rupe. Ea poate fi caracterizat n practic prin: - maleabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se prelucra uor n table i foi subiri (aur, cupru, aluminiu, alam, oeluri moi); - ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase n fire subiri sau trefilate (cupru, aluminiu, alam, oeluri moi);

5Johan August BRINELL (1849 - 1925) - metalurg suedez care a prezentat aparatul pentru ncercri de duritate ce-i poart numele, la Expoziia Mondial de la Paris din 1900.

6Friedrich WHLER (1800 - 1882) - chimist german care a descoperit aluminiul i a obinut beriliu i ytriu. De asemenea, a realizat prima sintez organic, obinnd uree i a descoperit fenomenul izomeriei compuilor organici. n 1863 a introdus un procedeu de ncercare a materialelor, trasnd curba care i poart numele.

Proprietitehnologice

Turnabilitate

DeformabilitateSudabilitate

Clibilitate

Achiabilitate

Fig. 1.6. Clasificarea proprietilor tehnologice ale materialelor metalice.


- forjabilitatea este proprietatea metalelor de a se deforma plastic la cald sau la rece, sub aciunea unor fore de lovire sau presare.

c) - Sudabilitatea este o proprietate complex a materialelor metalice care determin aptitudinea lor tehnic pentru realizarea unor mbinri sudate. Sudarea se poate realiza prin topire sau prin presiune, cu sau fr adaos de material, iar sudabilitatea are dou caracteristici: - comportarea la sudare este o caracteristic ce depinde de proprietile metalurgice ale metalelor de baz i de adaos; - sigurana la sudare este capacitatea materialelor metalice de a-i pstra plasticitatea i dup sudare i de a nu cpta tendin spre rupere fragil. Cea mai bun sudabilitate o au oelurile calmate i cele cu coninut sczut de carbon (sub 0,2%) i nealiate. Fontele, metalele i aliajele neferoase au sudabiliti sczute. d) - Clibilitatea este proprietatea unor materiale metalice de a se durifica n urma rcirii brute de la o anumit temperatur. Din categoria materialelor clibile fac parte fontele i oelurile, bronzul i unele aliaje ale aluminului i nichelului. Clibilitatea depinde de condiiile de nclzire i rcire, de compoziia chimic i, n cazul oelului, n special de cinetica transformrii austenitei. Cu ct stabilitatea austenitei este mai mare la temperatura de transformare perlitic i bainitic, cu att clibilitatea este mai bun. e) - Achiabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a putea fi prelucrate prin achiere n condiii tehnice rentabile. Prelucrarea prin achiere se realizeaz cu scule achietoare, pe diverse maini-unelte, obinndu-se de obicei piese finite. Achiabilitatea este cu att mai bun cu ct durabilitatea sculelor achietoare este mai mare, iar forele de achiere, mai mici. Majoritatea materialelor metalice au o achiabilitate bun, exceptnd fontele albe, oelurile clite i aliajele foarte dure.

1.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie

metal metal mtal (m) aliaj alloy alliage (m) mas volumic density masse (f) volumique; poids (densitate) (m) spcifique temperatur de topire smelting point point (m) de fusion cldur specific specific heat chaleur (f) spcifique conductibilitate termic thermal conductibility conductibilit (f) thermique coeficient de dilatare coeficient of linear coefficient (m) de dilatation liniar expansion thermique conductibilitate electric electrical conductibility conductibilit (f) lectrique rezisten la coroziune corrosion resistance rsistance (f) la corrosion refractaritate refractoriness rfractarit (f) rezisten la rupere ultimate strength rsistance (f) de rupture rezistena de rupere la breaking strenght rsistance (f) de rupture la traciune traction


alungirea relativ la percentage elongation allongement (m) pour cent rupere aprs rupture gtuire relativ la reduction of area striction (f) de rupture rupere elasticitate elasticity lasticit (f) rigiditate rigidity; stiffness rigidit (f) modul de elasticitate elastic modulus module (m) dlasticit plasticitate plasticity plasticit (f) tenacitate tenacity; toughness tnacit (f) rezilien resiliency rsilience (f) fragilitate brittleness; fragility fragilit (f) fluaj creep fluage (m) duritate hardness duret (f) rezisten la uzur resistance to wear rsistance (f) lusure rezisten la oboseal fatique strength rsistance (f) la fatigue fluiditate castability coulabilit (f) contracie shrinkage; contraction contraction (f); retrait (m) segregare segregation sgrgation (f) absorbie de gaze gas absorption absorption (f) de gaz maleabilitate malleability mallabilit (f) ductilitate ductility ductilit (f) forjabilitate forgeability forgeabilit (f) sudabilitate weldability soudabilit (f) clibilitate hardenability trempabilit (f)

z

x

y

b

c

a

2

STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR

2.1. Noiuni de cristalografie

Toate corpurile materiale sunt alctuite din atomi. Dintre cele trei stri de existen a materiei solid, lichid i gazoas starea solid se caracterizeaz printr-o nghesuire mare a atomilor ntre ei. Din aceast cauz, una i aceeai sub-stan are o mas volumic mai mare, cnd este n stare solid, fa de starea lichid care se obine prin topire. De la aceast regul fac excepie apa i dou metale: stibiul i bismutul.

n lichide, ca de altfel i n gaze, atomii nu sunt distribuii n spaiu dup o anumit regul, ei schimbndu-i necontenit poziiile. Ca urmare, lichidele curg i iau forma vaselor n care sunt turnate, iar gazele se deplaseaz n toate direciile. Cu ct temperatura unui fluid este mai mare, cu att crete i gradul de mobilitate a atomilor. Spre deosebire de lichide i gaze, atomii corpurilor solide nu se mic deloc sau se mic foarte greu. n funcie de poziia n spaiu a atomilor, corpurile

solide pot fi: - cristaline caracterizate printr-o dispoziie ordonat a atomilor care formeaz reele cris-

taline; - amorfe caracterizate printr-o dispoziie n-

tmpltoare a atomilor n spaiu (materialele plastice, sticla, grafitul, smoala). Corpurile a- morfe sunt izotrope, adic proprietile lor sunt aceleai n toate direciile. Metalele i aliajele aflate n stare solid au Fig.2.1. Celul cristalin elementar. o structur cristalin. Regularitatea distribuiei atomilor n spaiu formeaz o reea, iar cea mai mic poriune dintr-un asemenea sistem care pstreaz simetria ntregii reele este celula cristalin elementar (fig.2.1.). Aceasta este definit prin parametrii reelei (a, b, c, , , ) care reprezint distanele i unghiurile dintre planurile paralele ce formeaz celula elementar, precum i de natura, numrul i modul de dispunere a particulelor elementare n reea. Dimensiunile unui cristal elementar sunt extrem de mici, parametrii a, b, c avnd valori de 2,3...6,5 (1 = 1 ngstrm1 = 10-8 cm).

Aranjamentul atomilor ntr-un cristal elementar este prezentat cu ajutorul unei reele de puncte tridimensionale, numit reea spaial.

Punctele reelei spaiale se numesc noduri i toate nodurile sunt identice.

1 Anders-Jens NGSTRM (1814-1874) fizician i astronom suedez n cinstea cruia s-a dat

aceast unitate de msur folosit n fizica atomic i nuclear. A avut contribuii n domeniul analizei spectrale, fiind primul care a folosit-o n studiul stelelor i a determinat limitele spectrului vizibil.


Ele sunt ocupate, de obicei, de cte un singur atom, iar vecinii unui nod oarecare al reelei sunt identici cu vecinii oricrui alt nod al reelei. Pornind de la aceste considerente, fizicianul francez Bravais2 a demonstrat c sunt posibile 14 tipuri de reele spaiale care aparin unui numr de 7 sisteme cristaline prezentate n tabelul 2.1 i fig. 2.2.

Tabelul 2.1. Sisteme cristaline

Parametrii caracteristici Schema

Sistemul cristalin Constante reticulare Unghiuri Tipuri

a Cubic a = b = c = = = 90 Cubic simplu Cubic cu fee centrate Cubic cu volum centrat

b Tetragonal a = b c = = = 90 Tetragonal simplu Tetragonal centrat

c Rombic a b c = = = 90 Rombic simplu Rombic cu baze centrate Rombic cu fee centrate Rombic cu volum centrat

d Hexagonal a = b c = = 90 = 120

Hexagonal

e Romboedric a = b = c = = 90 Romboedric f Monoclinic a b c = = 90

90 Monoclinic simplu Monoclinic cu baze centrate

g Triclinic a b c 90 Triclinic

Examinnd sistemul periodic al elementelor, se constat c majoritatea metalelor cristalizeaz ntr-un numr limitat de reele, i anume: reeaua cubic cu volum centrat (CVC), reeaua cubic cu fee centrate (CFC) i reeaua hexagonal compact (HC). Reeaua CVC (fig. 2.3.a) are celula format din 9 atomi, din care 8 sunt situai n colurile celulei elementare, iar unul n centrul volumului. Reeaua cuprinde 15 metale (Li, Na, K, V, Cr, Fe, Rb, Nb, Mo, Cs, Ba, Ta, W, Fr, Eu), majoritatea avnd rezisten mecanic ridicat i plasticitate moderat.

Reeaua CFC (fig. 2.3.b) are celula format din 14 atomi, din care 8 n colurile celulei elementare, i 6 n centrele feelor cubului. Ea cuprinde tot 15 metale (Al, Ca, Ni, Cu, Sr, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Pb, Ce, Yt, Th), toate fiind maleabile i ductile.

Reeaua HC (fig. 2.3.c) nu figureaz printre tipurile Bravais (tabelul 2.1). Ea are 17 atomi, din care 14 n colurile i centrele bazelor prismei hexagonale i 3 n centrele a trei prisme triunghiulare obinute prin mprirea prismei hexagonale n ase pri. Reeaua hexagonal compact cuprinde 25 de metale, multe dintre ele aparinnd grupului lantanidelor (Be, Mg, Sc, Ti, Co, Zn, Y, Zr, Ru, Cd, La, Hf, Re, Os, Tl, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu).

2Auguste BRAVAIS (1811-1963), fizician francez. A formulat ipoteza structurii reticulare a cristalelor, verificat ulterior cu ajutorul razelor X.

Structura cristalin a metalelor 23

a

c

y

x

z

b b

z

x

y

c

a

b

z

x

y

c

a

a

c

y

x

z

b

a

b

c

a

c

y

x

z

b

b

z

x

y

c

a

a b c

d e f

Fig.2.2. Sisteme cristaline.

g

Alte cteva metale, pot cristaliza n alte tipuri de reele, astfel: - reeaua cubic simpl (Mn); - reeaua romboedric (Sb, Hg, Bi, Sm); - reeaua rombic (Ga); - reeaua monoclinic (Po); - reeaua triclinic (In, Sn).


a b

Dintre tipurile preponderente de reele cristaline ale metalelor, reeaua hexagonal compact i cea cubic cu fee centrate au cea mai mare densitate de atomi (75 %), iar reeaua cubic

c cu volum centrat are o densitate de 68 %.

Fig. 2.3. Reelele cristaline ale metalelor. Sunt cazuri cnd unele metale cristalizeaz n sisteme diferite n funcie de temperatur. Aceast proprietate se numete polimorfism sau alotropie, iar trecerea de la un sistem cristalin la altul se numete modificare alotropic. Acest lucru se datoreaz schimbrii orbitelor electronilor periferici sub aciunea cldurii.

n acelai timp se modific i proprietile fizico-mecanice i chimice ale metalului i, uneori, i valena acestuia. Formele alotropice se noteaz cu literele greceti , , i , atribuite n ordinea creterii temperaturii i sunt reversibile.

Din totalul metalelor, incluznd i pmnturile rare, 19 prezint forme alotropice (Ca, Ce, La, Th, Ti, Mn, Co, Sn, Po, Sr, Pr, Nd, U, Zr, Fe, Sm, Yb, Pu, Hf), n tabelul 2.2 prezentndu-se cteva exemple.

2.2. Imperfeciuni ale reelelor cristaline

Din cele prezentate pn aici rezult c structura cristalelor ar fi perfect. n realitate, cristalele au numeroase abateri de la distribuia ordonat a atomilor numi-te imperfeciuni sau defecte de structur. Acestea influeneaz semnificativ proprietile fizico-mecanice i chimice ale materialelor metalice i stau la baza formrii aliajelor, tratamentelor termochimice i a obinerii materialelor semiconductoare.

Defectele de reea pot fi dinamice i statice. Defectele dinamice provoac deplasri de atomi variabile n timp, datorit nclzirii materialului (agitaie termic) i dispar odat cu scderea temperaturii. Defectele statice se menin timp ndelungat i pot fi punctiforme, liniare i de suprafa.


Defectele punctiforme (fig.2.4) sunt defecte atomice cauzate de nclziri sau rciri brute, deformri plastice sau bombardamente cu particule de mare energie, prezentndu-se sub mai multe forme.

Tabelul 2.2. Formele alotropice ale principalelor metale

Metalul Forma alotropic Intervalul de temperatur [C] Reeaua cristalin

Fe

20-912 912-1394

1394-1538

Cubic cu volum centrat Cubic cu fee centrate Cubic cu volum centrat

Mn

20-727 727-1095

1095-1133 1133-1243

Cubic complex Cubic complex Tetragonal cu fee centrate Cubic cu volum centrat

Co

20-400 400-1495

Hexagonal compact Cubic cu fee centrate

Ti

20-882 882-1668

Hexagonal compact Cubic cu volum centrat

Zr

20-865 865-1852

Hexagonal compact Cubic cu volum centrat

Sn


foarte mare, de ordinul zecilor de mii de diametre atomice. Dislocaia se poate realiza fie dintr-o dat, pe ntreg planul de alunecare, fie treptat, cuprinznd mai nti o mic poriune a planului, dup care se propag din aproape n aproape pe ntreg planul. Astfel, pentru un cristal perfect (fig.2.5.a), n primul caz avem o dislocaie sincron (fig.2.5.b), iar n al doilea caz, o dislocaie asincron (fig.2.5.c). Este prezentat de asemenea distribuia atomilor n cristal nainte i dup alunecarea sincron i asincron.

a b c

Fig.2.5. Defecte liniare.

n cazul dislocaiei asimetrice se observ formarea planului MNOP (fig.2.5.c). Latura MN a acestui plan separ partea cristalului care a alunecat de cea care nu a alunecat i se numete dislocaie marginal. Se poate deci spune c dislocaia este o linie care separ, pe planul de alunecare, regiunea alunecat de cea care nu a alunecat. Mai exist i dislocaii elicoidale care au forma unui urub i se obin prin forfecarea a dou poriuni ale unui cristal, una n raport cu cealalt. Denumirea de dislocaie elicoidal vine de la faptul c atomii din vecintatea ei pot forma o spiral, pe stnga sau pe dreapta.

n practic, dislocaiile marginale coexist cu cele elicoidale sub form de dislocaii mixte. Ele nu se termin niciodat n interiorul cristalului, atingnd ntotdeauna suprafaa acestuia.

Defectele de suprafa sunt determinate de zonele de trecere dintre dou cristale vecine. Atomii din aceste zone aparin unuia sau altuia dintre cristale (mai rar), formeaz o structur de tranziie sau sunt dispui dezordonat. Tot defecte de suprafa sunt i sublimitele care apar atunci cnd n interiorul unui cristal reeaua se abate de la forma ei ideal, formnd mici domenii

sau blocuri care formeaz ntre ele unghiuri mici. Fig. 2.6. Defect de suprafa.


T [C]

t [s]

1

1

0

2

3

2SL

0

LST T

3

t

s

3

0

2' 1's'T

a b c

Ca urmare, reeaua unui cristal seamn cu un mozaic (fig.2.6.), iar blocurile n mozaic sunt separate unul de altul prin limite la unghiuri mici numite sublimite. Ele se formeaz n mod curent la recoacerea de recristalizare a stratelor ecruisate.

2.3. Curbe de rcire

Materialele metalice solide se obin prin solidificarea unei topituri. Pentru c n acest proces se formeaz gruni cristalini, fenomenul se numete cristalizare primar. Fac excepie magneziul i zincul care se pot obine direct din stare de vapori, i wolframul care se obine prin reducere direct. Exist i noiunea de cristalizare secundar care se refer la transformrile n stare solid ale metalelor sau modificri alotropice (tabelul 2.2). Cristalizarea primar a metalelor se studiaz cu ajutorul curbelor de rcire care se traseaz cu ajutorul unei instalaii de analiz termic. Pentru o mai bun nelegere a fenomenului vom prezenta grafic att curba de nclzire a unui metal pur, ct i curba de rcire (fig.2.7). Astfel, la nclzirea metalului (curba a), se constat c la temperatura de topire a acestuia Tt avem un palier 1-2 paralel cu abscisa, cnd metalul absoarbe o cantitate suplimentar de cldur, fr ca temperatura s creasc, numit cldur latent de topire. Dup ce cantitatea de metal s-a topit, temperatura va crete dup curba 2-3. Fenomenul invers, de rcire, este reprezentat de curba b care prezint palierul 2-1 la temperatura Ts, inferioar temperaturii Tt. n punctul 2 apar primele cristale, iar n punctul 1 se termin cristalizarea, temperatura rmnnd constant pentru c pe palierul 2-1 se cedeaz cldura latent de topire. Deci, la topire, pentru distrugerea cristalelor se consum energie, iar la solidificare aceast cldur este degajat. Diferena dintre temperaturile Tt i Ts se numete supranclzire, la topire i suprarcire, la solidificare, iar fenomenul de ntrziere a transformrii, histerezis termic.

Recalescena

Fig. 2.7. Curbe de nclzire i rcire.


Nici aceast situaie nu este cu totul real. Cazul cel mai apropiat de realitate este reprezentat de curba c. Se constat c gradul de suprarcire coboar sub temperatura de solidificare, datorit germinrii slabe. Dup amorsarea germinrii apare creterea dendritic, iar cldura latent este absorbit de lichidul suprarcit, crescndu-i puin temperatura. Acest fenomen se numete recalescen i se manifest att prin creterea temperaturii, ct i printr-o licrire a metalului.

Cele prezentate mai sus sunt valabile numai pentru metalele pure care au puncte de topire precise. n cazul aliajelor, forma curbelor de rcire este mai complicat. n general, aliajele nu se solidific la temperatur constant, ci ntr-un interval de temperaturi. n acest interval, curba de rcire poate prezenta att paliere, ct i simple devieri, dup cum se va vedea la studiul diagramelor de echilibru.

Procesul de cristalizare a materialelor metalice apare deci la trecerea acestora din stare lichid n stare solid. Cnd metalul lichid atinge temperatura de solidificare, n masa acestuia apar primele cristale elementare care au forma corespunztoare sistemului cristalografic al metalului. n continuare, ali atomi se ordoneaz n jurul celulelor cristaline elementare, formnd reele cristaline spaiale, cu orientri diferite i cu mrimi diferite.

Centrele de cristalizare iau natere n ntreaga mas a metalului lichid. La nceput, cristalele cresc pe direcia axelor principale 1 (fig.2.8.a), apoi, pe aceste axe, n anumite puncte, apar ramificaii care cresc i se ngroa dup axele 2 i 3. Cristalele care se formeaz au form arborescent i se numesc dendrite (de la cuvntul grecesc dendron = arbore). n spaiile libere dintre axele primare, se-cundare i teriare ale dendritelor cristalizeaz i restul metalului lichid, formndu-se gruni cristalini. Dar pentru c braele dendritelor vecine vin n contact, ele se contopesc i dau natere unor cristale dup diferite direcii (fig.2.8.b).

Fig. 2.8. Schema formrii dendritelor.


2.4. Teoria aliajelor

2.4.1. Generaliti

Aliajul este un material omogen sau eterogen cu proprieti metalice, obinut prin difuziunea a dou sau mai multor elemente chimice, dintre care componentul principal este un metal. De cele mai multe ori, difuziunea componenilor se produce n stare lichid; se pot obine ns aliaje i prin difuziune n stare solid, prin condensare din stare gazoas sau prin precipitare i prin electroliz din soluii apoase. De obicei, aliajele au proprieti diferite de cele ale componenilor, cea mai important fiind temperatura de topire care este mai joas dect cele ale componenilor, dar se pot modifica i conductibilitatea electric, duritatea, densitatea etc.

Clasificarea aliajelor se face dup criteriile prezentate n fig.2.9.

Fig.2.9. Clasificarea aliajelor.

Aliajele binare au doi componeni (Fe-C, Cu-Sn, Cu-Zn, Pb-Sn), cele ternare, trei componeni (Fe-C-Mn, Fe-C-Cr, Al-Cu-Mg), iar cele polinare, mai muli componeni (oelurile-carbon i aliate sau diversele aliaje neferoase).


Aliajele omogene au aceeai compoziie i aceleai caracteristici fizico-chimice n toat masa lor i se numesc faze, iar aliajele eterogene cuprind pri omogene diferite, delimitate prin suprafee de separare, fiind formate deci din mai multe faze. Constituenii omogeni sau fazele sunt de trei feluri: metale pure, soluii solide i compui intermetalici.

a) - Metalul pur este alctuit dintr-un singur fel de atomi, avnd o temperatur de topire bine stabilit, conductibiliti termic i electric ridicate, plasticitate mare i rezisten la rupere sczut. n realitate, un metal mai conine, n proporii reduse, i atomi ai altor elemente, gradul mediu de puritate ajungnd la 99,99 % sau chiar la 99,9999 % (Al, Zn). Dup turnare i recoacere, metalul pur apare la microscop sub forma unor gruni poligonali care se pot evidenia prin atac cu reactivi metalografici, iar dup deformare plastic i recoacere, n structur apar cristale maclate. Aceste macle se vd la microscop sub forma unor benzi colorate.

b) - Soluia solid este un amestec la scar atomic a cel puin dou metale sau al unui metal i al unui metaloid care formeaz la solidificare o singur faz. Dup modul de alctuire a reelei cristaline soluiile solide pot fi:

- soluie solid de substituie (fig.2.10.a) la care atomi ai componentului dizolvat nlocuiesc n reeaua cristalin atomi ai metalului solvent. De obicei, atomii componentului de aliere sunt distribuii n reeaua cristalin n mod aleator (soluie solid dezordonat), dar n anumite condiii de temperatur i concentraie, ei pot fi distribuii n mod ordonat (soluie solid ordonat). Ordonarea este nsoit de creterea duritii, rezistenei la rupere i conductibilitii electrice.

- soluie solid de interstiie (fig.2.10.b) la care atomii componentului di-zolvat, fiind mai mici, ptrund ntre atomii metalului solvent, cu sau fr deranjarea reelei acestuia. i n acest caz soluia solid este preponderent de-zordonat i, mai rar, ordona-t. Cele mai cunoscute soluii de interstiie se ntlnesc la ali-ajele fier-carbon i sunt ferita i austenita.

c) - Compusul intermetalic este o asociaie de atomi similar cu a compuilor chimici, cu formula AmBn i care respect legea valenei (Mg2Si, Mg2Sb2, Mg2Pb, MgTe) sau nu o respect (CuBe, CuZn, Cu5Sn, Cu3Sn8, Ni3Al, NiAl, Ni2Al3). Compusul intermetalic are o reea cristalin proprie care difer de cele ale componenilor i o temperatur de topire proprie i constant care este mai mare dect temperaturile de topire ale metalelor A i B. De asemenea este dur i fragil i slab conductor de cldur i electricitate.

Compuii intermetalici se mpart n trei clase principale: - compui electrochimici care au valen normal i prezint legturi ionice

i covalente (NaCl, CaFe2, ZnS, FeS); - compui de tip geometric la care criteriul predominant de formare este

raportul dintre dimensiunile atomilor componeni (MgCu2, MgZn2, MgNi2);

a) b)

Fig. 2.10. Soluii solide.


0 t [s]

C]

0 25 50 75 100

1 1' 2

2'3

3'

4

4'5 5'

1'1 2

2'

3

3'4

4' 5'5

I II IVIII VVIII IVIII

A B

0 t [s]

C]

0 25 50 75 100

1 1' 2

2'3

3'

4

4'5 5'

1'1 2

2'

3

3'4

4' 5'5

I II IVIII VVIII IVIII

A B

- compui electronici al cror criteriu de formare l reprezint concentraia electronilor (CuZn, AgCd, NiAl).

2.4.2. Diagrame de echilibru

2.4.2.1. Generaliti. Diagrama de echilibru este o reprezentare grafic din care rezult relaia dintre temperatura, concentraia i starea fizic a unui sistem, n condiii de echilibru. Presiunea se consider constant, ntruct majoritatea proceselor metalurgice au loc la presiunea atmosferic, turnarea sub presiune sau n vid fiind cazuri particulare.

Alctuirea unei diagrame de echilibru pornete de la trasarea curbelor de rcire pentru sistemul de aliaje considerat, lundu-se un numr de aliaje de referin, inclusiv componenii puri. n cele ce urmeaz, se vor studia numai sistemele de aliaje binare. Pentru un aliaj binar, format din metalele A i B, se traseaz urmtoarele curbe de rcire (fig. 2.11): I, pentru 100 % A; II 75 % A i 25 %B; III 50 %A i 50 % B; IV 25 % A i 75 % B; V 100 % B. Dup cum s-a mai menionat, curbele de rcire ale metalelor pure prezint paliere, iar cele ale aliajelor, intervale de temperaturi. Punctele critice de pe curbele de rcire se translateaz ntr-un sistem de coordonate temperatur-concentraie i unind punctele cu aceeai semnificaie se obin curbele lichidus (1-2-3-4-5) i solidus (1'-2'-3'-4'-5'). Deasupra liniei lichidus sistemul de aliaje se prezint n stare lichid,

Fig. 2.11.Trasarea unei digrame de echilibru.

sub linia solidus, n stare solid, iar ntre cele dou curbe, att n stare lichid, ct i n stare solid (soluie lichid i cristale solide).

Diagramele de echilibru ale aliajelor binare se pot clasifica dup solubilitatea componenilor n stare lichid i solid, conform schemei prezentate n fig.2.12.

Studiul diagramelor de echilibru este important pentru c pe baza lui se pot trage concluzii privind proprietile fizico-chimice, mecanice i tehnologice (ndeosebi turnarea i tratamentele termice) ale aliajelor la care se refer diagrama.

T[


2.4.2.2. Diagrama de echilibru de clasa A. Componenii A i B prezint solubilitate total n stare lichid, insolubilitate n stare solid i nu formeaz compui intermetalici (fig. 2.13). Deasupra liniei lichidus ADB (fig. 2.13.a), aliajele sunt n stare lichid, ntre liniile lichidus i solidus sunt parial solidificate, iar sub linia solidus CDF toate aliajele sunt solidificate. Componentul pur A se solidific (sau se topete) n punctul A , iar componentul pur B, n punctul B.

Aspectul diagramei arat c cele dou ramuri ale curbei lichidus, AD i DB, se ntlnesc pe linia solidus CDF, n punctul D care reprezint punctul cu cea mai sczut temperatur de topire, numit eutectic. Aliajele din stnga punctului eutectic se numesc hipoeutectice, cele din dreapta, hipereutectice, iar cel corespunztor punctului eutectic, aliaj eutectic.

Pentru studiul diagramei din fig. 2.13 se iau n calcul trei aliaje, I, II i III. Cristalizarea aliajului I ncepe atunci cnd lichidul ajunge la temperatura punctului 1. Din acest moment, pn la temperatura eutectic 2, din lichid se separ prin

Fig. 2.12. Clasificarea diagramelor de echilibru.

cristalizare componentul A (fig.2.13.b). ntre 2 i 2' lichidul rmas L2 va cristaliza simultan, la temperatur constant, n componenii A+B, dispui n cadrul aceluiai grunte, sub form lamelar, globular etc. La temperatura obinuit, aliajul I va fi format din doi constitueni structurali: din componentul A, separat primar i


A B

T[C]

t[s]

I II III

B

FL+B

B+(A+B)A+(A+B)

22' 2'

22'2

L+A

D

L11

A

C

%B

%B

100%

A+BB

BA0%

A

T[C] IIIIII

1 1

2 2'2 2' 2'2

A+BL A+(A+B) A+B B+(A+B)2

1L A

L 1BL1

2L A+B A+BL 2

L= 1L + 2L

A+BA LA L A A+B

1 - 2 2 - 2' 2'

agregatul cristalin A+B, separat eutectic (fig.2.13.d). Cristalizarea aliajului II ncepe, de asemenea, n momentul n care

temperatura acestuia atinge temperatura curbei lichidus. Deoarece acest punct al curbei lichidus (D) se afl la aceeai temperatur cu a curbei solidus, rezult c la aceast concentraie aliajul se solidific precum un metal pur, cu separarea unui amestec mecanic de A+B. Acest aliaj se numete aliaj eutectic i se caracterizeaz prin faptul c are cel mai jos punct de solidificare (topire) fa de toate celelalte aliaje ale sistemului, precum i fa de metalele pure A i B.

Cristalizarea aliajului III este asemntoare cu a aliajului I. n acest caz ns ntre punctele 1 i 2 se separ componentul B, aflat n exces. ntre 2 i 2' lichidul rmas L2 va cristaliza simultan, la temperatur constant, n componenii A+B. La temperatura obinuit, aliajul III va fi format din componentul B i agregatul cristalin A+B. n fig.2.13.c este reprezentat diagrama repartiiei constituenilor sau diagrama Tammann3 care, printr-o construcie grafic simpl, permite s se calculeze n procente proporiile celor doi constitueni pentru orice concentraie, precum i proporia de eutectic.

a b

c d

Fig. 2.13 Diagrama de echilibru de clasa A.

Ca exemplu de diagram practic de echilibru de clasa A, n fig.2.14 este prezentat diagrama de echilibru Cd-Bi. Tot din aceast clas mai fac parte aliajele Pb-Ag, Pb-Sb, Mg-Si etc.

3 Gustav TAMMANN (1861-1938) chimist rus care, dup Revoluia bolevic, a emigrat n

Germania. A studiat structura intern i proprietile fizice i mecanice ale metalelor i aliajelor, avnd i contribuii nsemnate n chimia fizic. n 1903 a trasat diagramele repartiiei constituenilor pentru diverse aliaje.


L12

1

IT[C]

%B

A1 L

B2

I

0 t[s]

T[C]

A

3B

1L +

3

L

1 - 2 L

2 - 3

Fig. 2.14. Diagrama de echilibru Cd Bi.

2.4.2.3. Diagrama de echilibru de clasa B. n acest caz, ambii componeni sunt solubili n orice proporie att n stare lichid, ct i n stare solid (fig.2.15).

a) b) c)

Fig 2.15. Diagrama de echilibru de clasa B.

Curbele lichidus (A1B) i solidus (A2B) au aspect lenticular i, ca urmare, nu vor exista transformri la temperatur constant. Aliajul I ncepe s se solidifice n punctul 1, solidificarea terminndu-se n punctul 2.

n poriunea 1 - 2, aliajul conine lichid i cristale de soluie solid (fig.2.15.c). La atingerea temperaturii solidus, cristalizarea se termin. Sub aceast temperatur, totul este format din soluie solid , n care atomii componenilor A i B sunt amestecai prin difuziune, formnd cristale mixte. Aceasta se ntmpl la rcirea lent a aliajului. La o rcire mai brusc, difuziunea de produce numai parial, cristalele fiind mai bogate n componentul A la interior, i mai bogate n componentul B la exterior.


L +

BiSb

T[C]

B

LA

Bi%

271

630

6030

Fig..2.16. Diagrama de echilibru Sb-Bi.

Se obine astfel o soluie solid neomogen, iar fenomenul se numete segre-gare intercristalin care se poate nltura printr-o recoacere de omogenizare. Ase-menea diagrame se ntlnesc n practic la un numr mare de sisteme binare, cum sunt: Cu-Ni, Sb-Bi, Co-Ni, Cu-Pt, Fe-Co, Fe-Ni etc. n fig. 2.16 este prezentat diagrama de echilibru Sb-Bi.

2.4.2.4. Diagrama de echilibru de clasa C (cu eutectic). n acest caz, ambii componeni sunt solubili n orice proporie n stare lichid i parial solubili n stare solid. Diagramele aliajelor de acest tip (fig. 2.17) cuprind urmtoarele domenii: lichid L, soluie solid de component B n A (soluie solid ), soluie solid de component A n B (soluie solid ), L+, L+, precum i +(+) i +(+). Linia lichidus este ACB, iar solidus ADEB. Punctul D reprezint saturaia n B a soluiei , iar punctul E, saturaia n A a soluiei . Solubilitatea componentului B n A este determinat de curba DF, iar solubilitatea componentului A n B, de curba EG. Aliajele cuprinse ntre aceste limite sunt compuse din eutectic + i cristale de sau .

Considernd solidificarea aliajului I, se vede c deasupra punctului 1 alia-jul este lichid; n punctul 1 ncepe solidificarea, cu separarea cristalelor de soluie solid , iar n punctul 2 se termin cristalizarea, cristalele solide avnd con-centraia solidului iniial (fig. 2.17.d). Pn n punctul 3, cristalele nu se modific. Sub punctul 3, din soluia solid ncep s se separe cristale de soluie solid , numite cristale secundare i notate cu II.

Aliajul II cristalizeaz n dou etape distincte. n prima faz, n intervalul de temperatur 1-2, se formeaz soluia solid , iar la temperatura eutectic restul de lichid va da natere ambelor faze i , sub form lamelar sau globular, n cadrul aceluiai grunte. Structura acestui aliaj, imediat sub 2', va fi format din cristale de soluie solid i cristale de eutectic +. Aliajul solidificat va conine deci soluie primar , eutectic + i gruni mruni de cristale II (fig. 2.17.d).


L 2+L1L=

2L1L

L1

2 2'2

2'2

1

1

I II IIIT[C]

%B

A

11 L

C

L+

2 2'2

2'2'2

+(+)+ +(+)

L+E

B

IIIIII

t[s]

T[C]

BA

IV

II II II +

D

2

F G

3

4 3 3 3

II +

1

II

2 2'

L

II +

3

+ L 2+(+)+ II

+

L +

1L

4 3 3 3

+

+(+)+ II

L L L

3 - 42 - 31 - 2L

AA B

100%

GF C

+

II II

D E

1 - 2 2 - 2' 2' - 3

II

Aliajul I

Aliajul II

L

+

L

II

+

Sn[%]

481

AL

CL+

L+

B

T[C]

SnPb

232

+II

+ C

+ C +

II

D

327

30 50 61,9 70 90 GF

E

a b

c d

Fig. 2.17. Diagrama de echilibru de clasa C.

Aliajul III care are compoziia eutectic va cristaliza la temperatura constan-t 2-2', iar structura acestuia va fi format dintr-un singur constituent structural, i anume agregatul cristalin +.

Aliajul IV cristalizeaz asemntor cu aliajul II, cu deosebirea c separaia primar este soluie solid , iar n intervalul 2-2', restul de lichid se transform n fazele i . Aliajul solidificat conine soluie primar , eutectic + i gruni mruni de cristale II.

n fig.2.17.c este prezentat diagrama repartiiei constituenilor, iar n fig.2.18, diagrama de echilibru Pb-Sn, ca exemplu de diagram practic de clasa C. Tot din aceast clas face parte i aliajul Cu-Ag.

Fig.2.18. Diagrama de echilibru Pb-Sn.


L

L+2'2 2'2

1

1

I IIT[C]

%B

A

1

1D

L

22'

E2'2

B

III

t[s]

T[C]

BA

32 - 2'1 - 2

LL

0%A B

100%

%B

3

F3

L+

L+

+ II

( ) +

+II

G

+

+ ) ( +II

L

3 L+ L+L+

L

L

1 - 2 2 - 2'

II

L

L

3

II

2' -

Aliajul I

Aliajul II

2.4.2.5. Diagrama de echilibru de clasa D (cu peritectic). Transformarea peritectic este o reacie ntre o soluie solid i lichidul din care ea s-a separat, cu formarea unei alte soluii solide. i aceast diagram prezint caracterele unei solubiliti totale n stare lichid i limitate n stare solid.

Cristalizarea aliajului I (fig.2.19) ncepe n punctul 1, cu separarea din lichid a soluiei solide . Pe msur ce cristalizarea continu, concentraia lichidului se modific dup linia lichidus, pn n punctul C, iar soluia solid ce se formeaz n continuare prezint o compoziie chimic variabil dup curba BE.

Cnd aliajul ajunge la temperatura orizontalei peritectice, lichidul are compoziia chimic a punctului C, iar solidul a punctului E. La temperatura constant 2-2', lichidul va reaciona cu solidul format anterior, iar solidul se transform din n (reacie peritectic). Dup ncheierea reaciei peritectice, ntre 2' i 3, lichidul rmas va cristaliza n (fig.2.19.d).

Aliajul II ncepe s cristalizeze n punctul 1, formnd soluia solid . La orizontala peritectic, lichidul, avnd un exces de A, va reaciona parial cu solidul separat primar, pn cnd ajunge la compoziia chimic a punctului D. n aceste condiii, lichidul se va transforma ntr-un aliaj format din ambele soluii solide (+). n intervalul de temperatur 2'-3, excesul de atomi de A, din soluia solid , va forma separaia secundar II, dup curba EG. Diagrama repartiiei constitu-enilor (diagrama Tammann) este prezentat n fig.2.19.c. Ca exemple de diagrame cu peritectic se menioneaz sistemele Pt-Ag, Cu-Zn, Cu-Sn, Co-Os, In-Ti etc.

a b

c

d

Fig. 2.19. Diagrama de echilibru de clasa D.


2.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie

cristalografie crystallography cristallographie (f) alotropie allotropy allotropie (f) reea cristalin crystal lattice rseau(m) cristallin curb de nclzire heating curve courbe (f) de chauffage curb de rcire cooling curve courbe (f) de refroidissement dendrit dendrite dendrite (f) soluie solid solid solution solution (f) solide compus intermetalic intermetallic compound compos (m)intermtallique diagram de echilibru equilibrium diagram diagramme (m)dquilibre aliaj eutectic eutectic alloy alliage (m) eutectique aliaj hipoeutectic hypoeutectic alloy alliage (m) hypoeutectique aliaj hipereutectic hypereutectic alloy alliage (m) hypereutectique transformare peritectic peritectic transformation transformation (f) pritectique

3

ALIAJE FIER-CARBON

3.1. Generaliti

Aliajele fier-carbon numite fonte i oeluri sunt cele mai cunoscute materiale metalice utilizate n tehnic datorit rspndirii largi n scoara pmntului a materiilor prime din care provin, metalurgiei relativ simple, proprietilor fizico-mecanice bune i care pot fi modificate n limite largi prin aliere i tratamente termice, preului de cost relativ sczut, posibilitilor de prelucrare prin toate procedeele tehnologice existente i reciclrii prin retopire. Fierul este un metal de culoare cenuie-albstruie, cu proprietile fizico-mecanice prezentate n tabelul 3.1.

Tabelul 3.1. Proprietile fizico-mecanice ale fierului

Proprieti fizice Proprieti mecanice

[k

g/m

3 ]

t [C

]

c p [J/

kgK

]

[W

/mK

]

[K

-1 ]

(la 10

0C)

[

m

]

[M

S/m

]

Rm

[M

Pa]

Rp0

,2

[MPa

]

A [%

]

Z [%

]

KCU

[kJ/m

2 ]

HB

[MPa

]

E [G

Pa]

7,87

10

3

1538

454

74

11,9

0,00

37

270,

2

289,

5

174,

3

47

90

2350

750

1150

210

23

5

Fierul se prelucreaz bine prin deformare plastic la cald i la rece, se sudeaz, se lipete i are o achiabilitate bun. Elementul principal de aliere a fierului este carbonul care, chiar n cantiti mici, i schimb proprietile, coninutul de carbon constituind de fapt criteriul principal de clasificare a fontelor i oelurilor. Aliajele fier-carbon mai conin mangan, siliciu, fosfor, sulf etc. Manganul se introduce voit n aliaj, mrindu-i duritatea i rezistena la uzur, siliciul provine din sterilul minereurilor, mrindu-i elasticitatea i rezistena la oboseal, iar fosforul i sulful sunt elemente duntoare care nu se pot nltura complet i provin din cocs, iar n cocs, din crbuni. Fosforul produce fragilitate la rece, iar sulful, fragilitate la cald. Desigur, fierul se poate alia cu orice cantitate de carbon, dar din punct de vedere tehnic intereseaz doar aliajele fier-carbon care conin 0,0066,67 % C. Practic, se utilizeaz oeluri cu pn la 1,5 % C i fonte cu pn la 4,5 % C.


Fe

T[C]

600

700

900

800

1200

1300

1100

1000

1500

1400

1600

0,5 1,0 2,01,5 3,5 4,03,02,5 5,0 5,5 6,676,04,5L

Lichid +Fe 3C F'

Lichid

Austenita + Lichid

E'2,8%E '2,11%

11541147

C'4,26%

C '4,30% F

KK'

723738

Austenita

Lichid + grafit

Austenita +Fe 3CAustenita + grafit

Ferita + grafitFerita +Fe 3C

1227

D '

S '2,11%S'2,8%

1538

G912

+

769M O

Q

N1394

J1495B0,53 %

L0,17 %

A

+L0,09 %

+

D

%C

3.2. Diagrama fier-carbon

Cel mai important element chimic de aliere a fierului este carbonul, mpreun cu care realizeaz o diagram cu solubilitate total n stare lichid i parial solubil n stare solid. Carbonul poate s apar n diagrama fier-carbon sub dou aspecte: n stare pur , sub form de grafit, sau sub forma compusului chimic Fe3C numit cementit. Ca urmare, pe diagrama fier-carbon apar dou grupuri de curbe de transformare, unele indicnd separarea cementitei, iar altele separarea grafitului. Deoarece cementita se descompune la temperaturi nalte, aliajele cu grafit sunt n echilibru stabil, iar sistemul cu cementit este considerat metastabil (care aparent este stabil, dar care la cea mai uoar perturbaie exterioar se distruge). Ele difer de altfel n foarte mic msur. Liniile diagramei cu cementit, trasate cu linii pline, sunt deplasate la dreapta i n jos fa de cele ale diagramei stabile fier-grafit, trasate cu linii ntrerupte (fig. 3.1).

Fig.3.1. Diagrama fier-carbon.

Apariia a dou feluri de linii n diagrama fier-carbon se datoreaz deci fie unei rciri lente a aliajelor (diagrama fier-grafit, trasat cu linii ntrerupte), fie unei rciri mai rapide (diagrama fier-cementit, trasat cu linii continue). Diagrama fier-

Aliaje fier- carbon 41

A

0

D1227C

Ledeburita

Austenita + Fe3C II

Lichid + grafit

723C K

FC

Austenita + Lichid (solutie )

Lichid

Lichid +Fe3CI

L4,3 6,672,190,80,03

T[C]

E 1147C b6Le

debu

rita

Fe3CI + Ledeburita

Fe3CI + Ledeburita

Perlita + Fe 3CII + Ledeburita

Austenita + (solutie )

Fe3C II +

(sol. )

(sol. )

2 1 3 5 4 6

BN

H

Ferita +

(sol. )Ferita

GO

SP

M

a1a3

a5

b5

a6

b1

b3

c3

c2

I

II

T[C]2

T[C]

A1539C

N

H B

a2

b2

+lichid

+ lichid

C [%]

C [%]

+

912C G

O759C

PS 723C

Ferit

a

M

0,80,030,

006

I

II

Austenita + Fe 3CII

Austenita + Ferita +

Ferita +Perlita

Perlita + Fe3C II

Fe3C I

Fe3CIII

Fe3C II

Perlita

C[%]

J

grafit nu prezint importan practic, ea fiind utilizat numai pentru nelegerea grafitizrii fontelor de turntorie. Diagrama fier-cementit are o mare importan practic i va fi studiat n cele ce urmeaz.

Diagrama repartiiei constituenilor

Fig.3.2. Diagrama fier-cementit.

Aspectul diagramei fier-cementit este prezentat n fig.3.2, notarea punctelor caracteristice fcndu-se prin anumite litere care sunt acceptate unanim n toate rile lumii. Diagrama se traseaz experimental prin ridicarea curbelor de rcire ale unui numr ct mai mare de aliaje fier-carbon (1...6). Ea conine urmtorii constitueni metalografici:

- ferita este o soluie solid de carbon n Fe, cu un coninut foarte redus de carbon (0,03 % la 723C i 0,006 % la temperatura obinuit). Este moale, malea-bil i feromagnetic pn la 769C (punctul Curie1 al fierului), devenind paramag-netic peste aceast temperatur (feromagnetismul este proprietatea unor metale de a fi atrase puternic de cmpul magnetic i de a cpta astfel o magnetizare perma-nent, intens i de acelai sens cu cmpul magnetic, iar paramagnetismul este pro-

1 Pierre CURIE (1859-1906) fizician i chimist francez care, n 1895, a descoperit dispariia

feromagnetismului la 769C (temperatura sau punctul Curie), peste care corpurile feromagnetice devin paramagnetice. A mai descoperit piezoelectricitatea (1880) i a avut contribuii n domeniile magnetismului i radioactivitii. mpreun cu soia sa Maria Skodovska-Curie a descoperit i izolat elementele radiu i poloniu (1898). A enunat principiul simetriei cristalelor (1894) i a fost distins cu Premiul Nobel pentru fizic (1903), mpreun cu soia sa i cu Henry Becquerel.


prietatea unor corpuri de a se magnetiza slab i temporar prin introducerea lor ntr-un cmp magnetic);

- cementita (Fe3C) este un compus chimic cu 6,67 % C, foarte dur i casant (HB=700-800 daN/mm2), rezistent la aciunea reactivilor metalografici. Prin men-inerea ndelungat la temperaturi superioare punctului de 723 C cementita devine instabil, descompunndu-se ireversibil n ferit i grafit. Dup aspectul micros-copic poate fi lamelar, globular, n reea sau acicular, iar dup momentul de a-pariie, cementit primar (Fe3CI) care apare direct din faza lichid, cementit secundar (Fe3CI

96686209 stiinta si ingineria materialelor

Documents