TIINA I INGINERIA MATERIALELORCURS AN I IA

CAP. 1 INTRODUCERE N STUDIUL MATERIALELORMateria formeaz lumea nconjurtoare ea fiind o realitate obiectiv care exist n afara contiinei oamenilor i independent de ea, fiind o proprietate comun tuturor obiectivelor i fenomenelor din natur.Materia acioneaz asupra simurilor noastre producnd senzaie , fiind ntr-o continu micare, transformare i dezvoltare, inepuizabil i infinit.Forma calitativ a materiei se numete substan.Substanele (fierul, apa, lemnul, crbunele etc.) nu au un anumit volum sau form determinat. Spre deosebire de substane, corpurile sunt pri de materie cu volum i form determinat.Omul percepe materia ca fiind sub form de materiale ce reprezint substanele din care se produc diferite obiecte utile i necesare omului.Transformrile pe care le sufer materialele se produc dup anumite legi cunoscute din fizic i chimie.Materialele se clasific n metalice (metale i aliaje), semimetalice (semiconductoare) i nemetalice (anorganice i organice)

1.1 CIRCUITUL MATERIALELORMaterialele se clasific lund drept criterii att aspectul structurii, proprietile i compoziia chimic, ct i domeniile de interes. Extinderea domeniilor de utilizare ca i dezvoltarea tehnologic sunt doua modaliti prin care materialele n concurena pentru ponderea lor n tehnic, i modific locul n ierarhie. Evoluia materialelor i a proprietilor lor este determinat de progresele tehnologiei i inovaiile din acest domeniu. La rndul lor tehnologiile noi, apar ca rspuns al exigenelor din ce n ce mai severe privind confortul i sigurana omului, a necesitaii ocrotirii mediului nconjurtor, etc. De exemplu, dezvoltarea industriei electronice (adic a circuitelor integrate gravate pe siliciu, pe care se bazeaz funcionarea tuturor calculatoarelor) a adus iniial in prim plan aluminiul i aliajele sale care chiar cu rezistivitate mic, nedifuznd n stratul de siliciu s-a dovedit performant; pe msur ce grosimea conexiunilor gravate pe siliciu a trebuit s fie micorat aa nct s se asigure o majorare a circuitelor desenate (la rndul lor presupunnd folosirea de noi tehnologii ce au pornit de la gravarea cu acid, pana la placarea electronic) au atras atenia materialele pe baza de cupru ce asigur obinerea de structuri tip sandvi mai performante. Sectorul tehnologic de vrf al secolului 21, microelectronica a creat la rndul ei etape superioare tehnologice, nanotehnologia, fotonica, biotehnologia, materialele semiconductoare reprezentnd adevrate vitamine pentru acestea.

Drept criterii de clasificare, pot fi luate n considerare urmtoarele:a) Criterii de natur chimic:- anorganice (clasificate dup formula chimic, compoziie, etc.)- organice.b) Criterii de stare fizic:- elemente chimice;- aliaje monofazice;- compui chimici;- aliaje heterofazice.c) Criterii de utilizare:- materiale metalice (metale i aliaje metalice);- materiale naturale (piatra, piei, cauciuc, lemn, etc.)- ceramice (uzuale i tehnice ) ,- polimeri sintetici (cauciucuri, mase plastice),- materiale inginereti (semiconductoare, compozite, sticle metalice, etc.)CLASIFICAREA MATERIALELOR

CLASIFICAREA MATERIALELOR

1.2 GRUPE DE MATERIALEPrincipalele grupe de materiale cu pondere n industrie sunt: metalele, semiconductoarele, materialele anorganice-nemetalice, materialele organice, materialele naturale i materialele compozite.1. MetaleleAu ionii meninui mpreun de ctre gazul electronic;Electronii de valen liberi ai gazului electronic constituie cauza conductibilitii electrice i termice mari , precum i luciul metalic;Metalele formeaz grupa cea mai important a materialelor pentru construcii i structuri sudate datorit proprietilor lor mecanice .2. SemiconductoareleOcup o poziie de tranziie ntre metale i substane organice nemetalice;Reprezentani principali: Si i Ge au legtur covalent i structur de diamant precum i compui din grupa III i IV structurai asemntor: arseniura de galiu (GaAs) i stibiura de indiu (InSb).3. Materiale anorganice nemetaliceLa aceste materiale, atomii sunt meninui mpreun prin legturi covalente i ionice;Sunt slabe conductoare de electricitate i cldur datorit lipsei electronilor de valen;Energiile de legtur dintre atomi sunt mai mari dect cele corespunztoare legturii metalice ceea ce face ca materialele anorganice nemetalice (ceramice)s aib densiti mari i temperaturi de topire ridicate.

4. Materiale organiceSunt materiale macromoleculare polimerizate care constau din molecule nlnuite care conin carbon legat covalent cu sine i cu unele elemente cu numr de ordine mic;Moleculele nlnuite sunt legate unele de altele prin legturile intramoleculare slabe, determinnd temperaturi de topire sczute.5. Materiale naturaleSunt utilizate ca materie prim tehnic i sunt difereniate n : materiale minerale naturale (marmura, granit, mic, gresie, rubin, safir, diamant, grafit) i organice (lemn, cauciuc, fibre naturale);Au legturi de valen tari i structuri stabile de reea cristalin ceea ce dau o densitate mare i rezisten chimic bun;Prezint structuri complexe cu anizotropie a proprietilor.6. Materiale compozitesunt materiale compuse dintr-o matrice de baz n care au fost nglobate dispersii , pulberi sau materiale de ranforsare;Aceste materiale au fost concepute cu scopul de a obine materiale structurale sau funcionale cu proprieti deosebite, ca i combinaii de mai multe faze sau componente materiale, de form determinat, delimitat geometric sub form de dispersii, materiale compozite fibroase sau acoperiri de suprafee. GRUPE DE MATERIALE

1.3 STRUCTURA MATERIALELORDup distribuia mutuala (vecina) a particulelor (atomi, molecule, ioni) se deosebesc trei stri structurale: starea amorfa, starea cristalina si cea mezomorfa.

Starea amorfa a materialelor corespunde distribuiei dezordonate a particulelor in spaiu. ntruct nu se pstreaz o ordine specifica in aranjamentul spaial al particulelor, se constata existenta acelorai proprieti in orice direcie ar fi acestea msurate, adic este prezenta izotropia. Nepstrndu-se o ordine specifica in aranjamentul spaial al atomilor, ele sunt denumite materiale cu ordine la scurta distanta. Obinerea materialelor amorfe este uoara, chiar naturala in cazul materialelor anorganice silicat (ceramice uzuale), constituite din ioni compleci cu mobilitate foarte mica. Este dificila in cazul unor materiale metalice, la care mobilitatea ionilor obliga la rciri ale topiturilor cu viteze mai mari de 106 K/s; se produce o transformare de faza de tip tranziie vitroasa. Ea este specifica sticlelor metalice ce sunt materiale metastabile ntruct se produc transformri in stare solida de tip relaxare structurala, devitrifiere etc. Ca modele structurale se poate considera ca solidul amorf este o asamblare de mici cristale ( monocristale ) aterial denumit cu ordine de scurta distanta, dar exista voci care, presupun inexistenta oricrei ordini cristaline la scara orict de mica.

Starea cristalin corespunde distribuiei ordonate i repetabile in spaiu a unor particule (ioni, atomi sau molecule ). Un solid cristalin este caracterizat de ordine pe domenii ntinse (ordine ndeprtat) sau o configuraie care se repeta in aranjarea atomilor; aceasta configuraie se numete structur de reea, sau daca se atribuie acestei reele i baza material, structura cristalina. Particulele ce formeaz o reea cristalin sunt mpachetate compact, dar pentru simplificare, in reprezentarea structurilor cristaline se exagereaz distantele dintre particule nvecinate ca n figura 1.1.

Fig.1.1 Reprezentarea simbolica a unui cristalSTRUCTURA MATERIALELOR

Caracteristica esenial a unui cristal o constituie faptul ca particulele din care este format (ioni, atomi, molecule) sunt distribuite ordonat intr-un ansamblu periodic, specific unei reele geometrice. Un astfel de aranjament care se refera la intervale regulate in trei dimensiuni, formeaz cristalul. Consecina acestei repetri ordonate este simetria, ce poate fi exterioara strilor cristalografice reprezentnd repetarea regulata a elementelor identice (fee, unghiuri), dar i interioara. Daca cristalul crete liber el va fi mrginit de fee paralele care formeaz ntre ele unghiuri de mrime bine determinat. Cristalele pot fi ionice, covalente sau metalice, dup tipul de legtur chimica dezvoltat ntre particule. Dup modul de aranjare i dispunere a atomilor intr-un material distingem :a) Starea monocristalin caracterizat prin aceea ca toate particulele au aceeai ordonare pe cele trei direcii spaiale putnd exista nativ sau creata artificial;b) Starea policristalina caracterizata prin aceea ca este formata dintr-un numr mare de monocristale de forma, dimensiuni si orientri diferite, dar cu fee lipite. In acest caz aranjarea ordonata si regulata a atomilor se face pe distante mici de ordinul sutelor sau miilor de angstromi, aranjarea suferind o oarecare perturbare descrisa de alte caracteristici geometrice. Starea cristalina, specifica majoritii materialelor metalice, se obine n urma solidificrii nedirijate. Sub aciunea solicitrilor mecanice cristalele se sparg dup suprafee plane (clivaj) acolo unde forele de legtur sunt mai slabe; la amorfe sprtura este neregulata. Monocristalele sunt medii anizotrope, proprietile variind neuniform cu direcia (vectorial), la nivelul policristalelor reale prin compensare, mediile pot fi cvasiizotrope.STRUCTURA MATERIALELOR

Starea mezomorf este o stare de tranziie intre cele doua precedente si este specifica topiturilor. Atomii nu sunt fici in poziiile de echilibru datorita agitaiei termice foarte avansate ce permite salturi in poziii noi. In stare topita se ajunge temporar la formarea unei anumite stri ordonate a particulelor, dar care nu sunt stabile din cauza micrii termice perturbatoare. Ordinea este de tip local, proprietile fiind determinate de imperfeciunile structurale existente in topituri si mai puin de forele de legtur dintre atomi.Existenta corpurilor solide (cristaline sau amorfe) ridic problema apariiei unui tip nou de legtur denumit legtur cristalin ce este determinat de principiul interaciunii electrostatice, putnd fi evaluat cu ajutorul mecanicii cuantice.STRUCTURA MATERIALELOR

1.4 METODE DE PUNERE N EVIDEN A STRUCTURII MATERIALELORStructura unui material metalic depinde de compoziia chimica, dar si de prelucrarea mecanica si tratamentul termic aplicat acestuia. Acelai material prezint structuri diferite dup starea in care se afla. Evidenierea structurii se face prin metode de analiza fizice, rapide si economice. Pot fi utilizate metode directe, indirecte si chiar auxiliare.Analiza macroscopic se efectueaz prin examinarea cu ochiul liber sau cu microscopul stereo a unor suprafee de formare a materialelor metalice (solidificare, condensare, depunere electrolitica etc.) si a unor suprafee special pregtite. Proba de analizat trebuie sa fie cat mai reprezentativa, motiv pentru care este sau nu supusa atacului cu reactivi chimici. Analiza permite punerea in evidenta a unor neomogeniti de compoziie, da informaii asupra particularitilor, condiiilor, caracterului si calitii prelucrrilor anterioare (elaborare, turnare, deformare, sudare) existenta unor defecte.

METODE DE PUNERE N EVIDEN A STRUCTURII MATERIALELORAnaliza microscopic efectuat pe probe special pregtite, poate fi fcuta cu ajutorul microscopului metalografic, optic sau electronic. Microscopul metalografic este un aparat optico-mecanic pentru observarea in lumina reflectata permind observarea in cmp luminos, ntunecat, lumina polarizat i fotografierea preparatului/proba. Metoda iluminrii prin reflexie este impusa de structura si proprietile materialelor opace, astfel ca lumina vine deviata de la un sistem de iluminare, prin obiectiv, spre obiect; razele reflectate de prob se ntorc prin obiectiv spre ocular. Ca mijloc reflectant se folosete o placa plan semitransparent (ce folosete toat apertura obiectului) sau o prism ce folosete toat apertura (deschiderea) mrind contrastul.Analiza permite aprecieri calitative, dar si cantitative, primindu-se informaii cu privire la compoziie, caracteristici fizico-mecanice, modificrile de structura generate de influenta mediului etc.

METODE DE PUNERE N EVIDEN A STRUCTURII MATERIALELORRazele produse de sursa de iluminare 1 cad pe oglinda 2, care le reflect pe suprafaa lustruiti atacat a probei 3. De aici, imaginea format prin obiectivul 4 este transmis prin prisma 5 la ocularul 6 i apoi la ochiul observatorului.