ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

CURS – AN I IA

CAP. 1 INTRODUCERE ÎN STUDIUL MATERIALELOR

Materia formează lumea înconjurătoare ea fiind o realitate obiectivă care există în afara conștiinței oamenilor și independentă de ea, fiind o proprietate comună tuturor obiectivelor și fenomenelor din natură.Materia acționează asupra simțurilor noastre producând senzație , fiind într-o continuă mișcare, transformare și dezvoltare, inepuizabilă și infinită.Forma calitativă a materiei se numește substanță.Substanțele (fierul, apa, lemnul, cărbunele etc.) nu au un anumit volum sau formă determinată. Spre deosebire de substanțe, corpurile sunt părți de materie cu volum și formă determinată.Omul percepe materia ca fiind sub formă de materiale ce reprezintă substanțele din care se produc diferite obiecte utile și necesare omului.Transformările pe care le suferă materialele se produc după anumite legi cunoscute din fizică și chimie.Materialele se clasifică în metalice (metale și aliaje), semimetalice (semiconductoare) și nemetalice (anorganice și organice)

1.1 CIRCUITUL MATERIALELORMaterialele se clasifică luând drept criterii atât aspectul structurii, proprietățile și compoziția chimică, cât și domeniile de interes. Extinderea domeniilor de utilizare ca și dezvoltarea tehnologică sunt doua modalități prin care materialele în concurența pentru ponderea lor în tehnică, își modifică locul în ierarhie. Evoluția materialelor și a proprietăților lor este determinată de progresele tehnologiei și inovațiile din acest domeniu. La rândul lor tehnologiile noi, apar ca răspuns al exigențelor din ce în ce mai severe privind confortul și siguranța omului, a necesitații ocrotirii mediului înconjurător, etc. De exemplu, dezvoltarea industriei electronice (adică a circuitelor integrate gravate pe siliciu, pe care se bazează funcționarea tuturor calculatoarelor) a adus inițial in prim plan aluminiul și aliajele sale care chiar cu rezistivitate mică, nedifuzând în stratul de siliciu s-a dovedit performant; pe măsură ce grosimea conexiunilor gravate pe siliciu a trebuit să fie micșorată așa încât să se asigure o majorare a circuitelor desenate (la rândul lor presupunând folosirea de noi tehnologii ce au pornit de la gravarea cu acid, pana la placarea electronică) au atras atenția materialele pe baza de cupru ce asigură obținerea de structuri tip sandviș mai performante. Sectorul tehnologic de vârf al secolului 21, microelectronica a creat la rândul ei etape superioare tehnologice, nanotehnologia, fotonica, biotehnologia, materialele semiconductoare reprezentând adevărate vitamine pentru acestea.

Drept criterii de clasificare, pot fi luate în considerare următoarele:a) Criterii de natură chimică:- anorganice (clasificate după formula chimică, compoziție, etc.)- organice.b) Criterii de stare fizică:- elemente chimice;- aliaje monofazice;- compuși chimici;- aliaje heterofazice.c) Criterii de utilizare:- materiale metalice (metale și aliaje metalice);- materiale naturale (piatra, piei, cauciuc, lemn, etc.)- ceramice (uzuale și tehnice ) ,- polimeri sintetici (cauciucuri, mase plastice),- materiale inginerești (semiconductoare, compozite, sticle metalice, etc.)

CLASIFICAREA MATERIALELOR

CLASIFICAREA MATERIALELOR

1.2 GRUPE DE MATERIALEPrincipalele grupe de materiale cu pondere în industrie sunt: metalele, semiconductoarele, materialele anorganice-nemetalice, materialele organice, materialele naturale și materialele compozite.

1. Metalele- Au ionii menținuți împreună de către gazul electronic;- Electronii de valență liberi ai gazului electronic constituie cauza conductibilității electrice și

termice mari , precum și luciul metalic;- Metalele formează grupa cea mai importantă a materialelor pentru construcții și structuri

sudate datorită proprietăților lor mecanice .2. Semiconductoarele- Ocupă o poziție de tranziție între metale și substanțe organice nemetalice;- Reprezentanți principali: Si și Ge – au legătură covalentă și structură de diamant precum și

compuși din grupa III și IV structurați asemănător: arseniura de galiu (GaAs) și stibiura de indiu (InSb).

3. Materiale anorganice nemetalice- La aceste materiale, atomii sunt menținuți împreună prin legături covalente și ionice;- Sunt slabe conductoare de electricitate și căldură datorită lipsei electronilor de valență;- Energiile de legătură dintre atomi sunt mai mari decât cele corespunzătoare legăturii

metalice ceea ce face ca materialele anorganice nemetalice (ceramice)să aibă densități mari și temperaturi de topire ridicate.

4. Materiale organice- Sunt materiale macromoleculare polimerizate care constau din molecule înlănțuite care conțin

carbon legat covalent cu sine și cu unele elemente cu număr de ordine mic;- Moleculele înlănțuite sunt legate unele de altele prin legăturile intramoleculare slabe,

determinând temperaturi de topire scăzute.5. Materiale naturale- Sunt utilizate ca materie primă tehnică și sunt diferențiate în : materiale minerale naturale

(marmura, granit, mică, gresie, rubin, safir, diamant, grafit) și organice (lemn, cauciuc, fibre naturale);

- Au legături de valență tari și structuri stabile de rețea cristalină ceea ce dau o densitate mare și rezistență chimică bună;

- Prezintă structuri complexe cu anizotropie a proprietăților.6. Materiale compozite- sunt materiale compuse dintr-o matrice de bază în care au fost înglobate dispersii , pulberi sau

materiale de ranforsare;- Aceste materiale au fost concepute cu scopul de a obține materiale structurale sau funcționale

cu proprietăți deosebite, ca și combinații de mai multe faze sau componente materiale, de formă determinată, delimitată geometric sub formă de dispersii, materiale compozite fibroase sau acoperiri de suprafețe.

GRUPE DE MATERIALE

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

Starea amorfa a materialelor corespunde distribuției dezordonate a particulelor in spațiu. Întrucât nu se păstrează o ordine specifica in aranjamentul spațial al particulelor, se constata existenta acelorași proprietăți in orice direcție ar fi acestea măsurate, adică este prezenta izotropia. Nepăstrându-se o ordine specifica in aranjamentul spațial al atomilor, ele sunt denumite materiale cu ordine la scurta distanta. Obținerea materialelor amorfe este ușoara, chiar naturala in cazul materialelor anorganice silicat (ceramice uzuale), constituite din ioni complecși cu mobilitate foarte mica. Este dificila in cazul unor materiale metalice, la care mobilitatea ionilor obliga la răciri ale topiturilor cu viteze mai mari de 106 K/s; se produce o transformare de faza de tip tranziție vitroasa. Ea este specifica sticlelor metalice ce sunt materiale ”metastabile” întrucât se produc transformări 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 oricărei ordini cristaline la scara oricât de mica.

Starea cristalină corespunde distribuției ordonate și repetabile in spațiu a unor particule (ioni, atomi sau molecule ). Un solid cristalin este caracterizat de ordine pe domenii întinse (ordine îndepărtată) sau o configurație care se repeta in aranjarea atomilor; aceasta configurație se numește structură de rețea, sau daca se atribuie acestei rețele și baza materială, structura cristalina. Particulele ce formează o rețea cristalină sunt împachetate compact, dar pentru simplificare, in reprezentarea structurilor cristaline se exagerează distantele dintre particule învecinate ca în figura 1.1.

Fig.1.1 Reprezentarea simbolica a unui cristal

STRUCTURA MATERIALELOR

Caracteristica esențială a unui cristal o constituie faptul ca particulele din care este format (ioni, atomi, molecule) sunt distribuite ordonat intr-un ansamblu periodic, specific unei rețele geometrice. Un astfel de aranjament care se refera la intervale regulate in trei dimensiuni, formează cristalul. Consecința acestei repetări ordonate este simetria, ce poate fi exterioara stărilor cristalografice reprezentând repetarea regulata a elementelor identice (fețe, unghiuri), dar și interioara. Daca cristalul crește liber el va fi mărginit de fețe paralele care formează între ele unghiuri de mărime bine determinată. Cristalele pot fi ionice, covalente sau metalice, după tipul de legătură chimica dezvoltată între particule. După modul de aranjare și dispunere a atomilor intr-un material distingem :a) Starea monocristalină caracterizată prin aceea ca toate particulele au aceeași ordonare pe cele trei direcții spațiale putând exista nativ sau creata artificial;b) Starea policristalina caracterizata prin aceea ca este formata dintr-un număr mare de monocristale de forma, dimensiuni si orientări diferite, dar cu fețe 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 majorității materialelor metalice, se obține în urma solidificării nedirijate. Sub acțiunea solicitărilor mecanice cristalele se sparg după suprafețe plane (clivaj) acolo unde forțele de legătură sunt mai slabe; la amorfe spărtura este neregulata. Monocristalele sunt medii anizotrope, proprietățile variind neuniform cu direcția (vectorial), la nivelul policristalelor reale prin compensare, mediile pot fi cvasiizotrope.

STRUCTURA MATERIALELOR

Starea mezomorfă este o stare de tranziție intre cele doua precedente si este specifica topiturilor. Atomii nu sunt ficși in pozițiile de echilibru datorita agitației termice foarte avansate ce permite salturi in poziții noi. In stare topita se ajunge temporar la formarea unei anumite stări ordonate a particulelor, dar care nu sunt stabile din cauza mișcării termice perturbatoare. Ordinea este de tip local, proprietățile fiind determinate de imperfecțiunile structurale existente in topituri si mai puțin de forțele de legătură dintre atomi.Existenta corpurilor solide (cristaline sau amorfe) ridică problema apariției unui tip nou de legătură denumit legătură cristalină ce este determinată de principiul interacțiunii electrostatice, putând fi evaluată cu ajutorul mecanicii cuantice.

STRUCTURA MATERIALELOR

1.4 METODE DE PUNERE ÎN EVIDENȚĂ A STRUCTURII MATERIALELOR

Structura unui material metalic depinde de compoziția chimica, dar si de prelucrarea mecanica si tratamentul termic aplicat acestuia. Același material prezintă structuri diferite după starea in care se afla. Evidențierea structurii se face prin metode de analiza fizice, rapide si economice. Pot fi utilizate metode directe, indirecte si chiar auxiliare.

Analiza macroscopică se efectuează prin examinarea cu ochiul liber sau cu microscopul stereo a unor suprafețe de formare a materialelor metalice (solidificare, condensare, depunere electrolitica etc.) si a unor suprafețe special pregătite. 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 neomogenități de compoziție, da informații asupra particularităților, condițiilor, caracterului si calității prelucrărilor anterioare (elaborare, turnare, deformare, sudare) existenta unor defecte.

METODE DE PUNERE ÎN EVIDENȚĂ A STRUCTURII MATERIALELOR

Analiza microscopică efectuată pe probe special pregătite, poate fi făcuta cu ajutorul microscopului metalografic, optic sau electronic. Microscopul metalografic este un aparat optico-mecanic pentru observarea in lumina reflectata permițând observarea in câmp luminos, întunecat, lumina polarizată și fotografierea preparatului/proba. Metoda iluminării prin reflexie este impusa de structura si proprietățile materialelor opace, astfel ca lumina vine deviata de la un sistem de iluminare, prin obiectiv, spre obiect; razele reflectate de probă se întorc prin obiectiv spre ocular. Ca mijloc reflectant se folosește o placa plană semitransparentă (ce folosește toată apertura obiectului) sau o prismă ce folosește toată apertura (deschiderea) mărind contrastul.Analiza permite aprecieri calitative, dar si cantitative, primindu-se informații cu privire la compoziție, caracteristici fizico-mecanice, modificările de structura generate de influenta mediului etc.

METODE DE PUNERE ÎN EVIDENȚĂ A STRUCTURII MATERIALELOR

Razele produse de sursa de iluminare 1 cad pe oglinda 2, care le reflectă pe suprafața lustruităși atacată a probei 3. De aici, imaginea formată prin obiectivul 4 este transmisă prin prisma 5 la ocularul 6 și apoi la ochiul observatorului.