TIINA I INGINERIA MATERIALELORCURS 4 AN I IA

CAP. 4 SOLIDIFICAREA METALELOR I ALIAJELOR METALICESolidificarea (cristalizarea primar ) este fenomenul de trecere a unui metal (material metalic) din stare topit (lichid) n stare solid.Deoarece majoritatea materialelor metalice se elaboreaz (din diverse materii prime i cu tehnologii adecvate) n stare lichid, cristalizarea primar este procesul de baz prin care se creaz n piesele i semifabricatele metalice structura cristalin.Solidificarea const n creterea cristalelor n jurul unor germeni de cristalizare, prin ataarea permanent de atomi n lichid. Transferul de atomi n lichid este nsoit de degajarea de cldur-cldura latent de solidificare- motiv pentru care la metalele pure solidificarea decurge la temperatura constant.Topirea metalelor i aliajelor corespunde trecerii de la o stare ordonat a materiei la o stare dezordonat (cel puin la distane mari) i este nsoit de o modificare brusc a proprietilor fizice, chimice i mecanice.

4.1 STRUCTURA METALELOR LICHIDEStarea lichida proprie metalelor este o stare condensat n care atomii prezint o distribuie ordonat pe distane mici denumit ordine la distan mic sau ordonare apropiat.Considernd lichidul (topitura) ca fiind totalitatea atomilor i moleculelor ce oscileaz cu energie medie 3/2KT i frecven medie n trecerea din stare lichid n stare solid se va face cu apariia cldurii de cristalizare (L) i micorarea energiei libere a sistemului F. La temperaturi mai mici dect o temperatura critic se micoreaz energia libera i se formeaz grupri stabile de atomi cu orientare identic cu a solidului topit.

4.2 MECANISMUL SOLIDIFICRIIDin punct de vedere cinetic probabilitatea ca un numr imens de ioni ai topiturii sa i reorganizeze simultan poziiile pentru a trece la starea de cristal este foarte redusa, dar datorita fluctuaiilor termice in microvolume este posibila apariia unor grupri de atomi cu o simetrie intermediara ce se constituie in nuclee de cristalizare. Se poate vorbi de parcurgerea a doua etape in procesul de cristalizare: nucleerea (sau germinarea) si creterea germenilor.Variatia vitezei efective de solidificare cu gradul de subracire T.

CURBELE DE VARIAIEAnaliznd figura 4.2, n care sunt trasate curbele de variaie (monoton descresctoare) cu temperatura ale energiilor libere corespunztoare strilor lichid (L) i solid (S) ale unui metal, rezult:- pentru orice metal exist o temperatur Ts, denumit temperatur de solidificare sau temperatur de cristalizare primar, pentru care strile solid i lichid au acelai nivel al energiei libere (FS = FL); deoarece la temperaturi mai mari dect Ts metalul lichid are energia liber mai mic dect cea corespunztoare strii solide (FS > FL) i, ca urmare, starea termodinamic stabil este starea lichid, n timp ce la temperaturi mai mici dect Ts metalul solidificat are energia liber inferioar celei corespunztoare strii lichide (FS < FL) i, deci, starea solid este termodinamic stabil, rezult c atunci cnd metalul lichid traverseaz temperatura Ts exist tendina solidificrii acestuia (trecerii n starea cu energia liber mai mic);- deoarece la Ts strile solid i lichid au aceeai energie liber (FS = FL), procesul de transformare L S nu este stabil; cristalizarea primar va fi un proces termodinamic stabil dac temperatura metalului va fi cobort la un nivel Tr < Ts, la care FS < FL (diferena T = Ts - Tr se numete subrcire pentru solidificare).Fig. 4.2

LEGEA FAZELORLegea fazelor (legea lui Gibbs), stabilete condiiile de echilibru ale sistemelor de aliaje eterogene. Cu ajutorul acestei legi se poate preciza numrul gradelor de libertate ale sistemului.Legea fazelor se exprim astfel:v=n-p-fv varianta sistemului;n numrul componenilor (elementele chimice care formeaz sistemul de aliaje);p numrul parametrilor externi;f numrul fazelor (pri din sistem) stabile ntr-un domeniu dat.Transformrile de faz au loc la presiune constant v=n+1-fDac: v

4.3 CURBE DE RCIRE Curbele de solidificare sunt reprezentri grafice ale funciei:T=f (t )n care: T este temperatura absolut ( 0K) sau ( 0C); t - timpul.Ele se obin prin msurarea continu a temperaturii aliajelor pe parcursul rcirii (analiza termic simpl). Pentru determinarea valorilor temperaturii transformrilor de faz se utilizeaz i alte metode termice (analiza termic diferenial, dilatometric etc.), precum i metode de alt natur, ca de exemplu analiza microscopic optic i electronic, analiza difractometric cu raze X.

0C metal lichid (soluie lichid) metal lichid + metal solid (soluie lichid + compus definit) t t metal solid (compus definit)

min. Fig. 4.3Curba de solidificare tipic pentru metale pure sau compui definii cu topire congruent :t - punct de nceput de solidificare; t- punct de sfrit de solidificare

CURBA DE SOLIDIFICARE TIPIC PENTRU UN ALIAJ CARE SUFER O TRANSFORMARE EUTECTICFig. 4.4

Fig. 4.4Curba de solidificare tipic pentru un aliaj care sufer o transformare eutectic: t -punct de nceput de solidificare; t- punct de nceput de transformare eutectic; t-punct de sfrit de transformare eutectic i de sfrit de solidificare.Palierul tt reprezint trecerea izoterm din starea lichid n starea solid a fazelor menionate anterior. soluie lichidsoluie lichid +soluie solid soluie lichid E soluie solid E ++ soluie solid Esoluie solid + soluie solid

CURBA DE SOLIDIFICARE TIPIC PENTRU UN ALIAJ CARE CONINE NUMAI SOLUIE SOLID I CARE NU SUFER TRANSFORMRI TRIFAZICE SAU DIVERSE TRANSFORMRI N STARE SOLIDFig. 4.5Curba de solidificare tipic pentru un aliaj care conine numai soluie solid primar i care nu sufer transformri eutectice:t - punct de nceput de solidificare; t- punct de sfrit de solidificare.

4.5 STRUCTURA LINGOULUIIn funcie de natura materialului de baza si a elementelor de aliere, de geometria si mrimea formei de turnare, de temperatura si tehnica de turnare, se pot obine in mod curent macrostucturi alctuite din trei zone cristaline ca in figura 4.6 a cror apariie se explica astfel: cnd topitura este turnata in lingotiere, deoarece pereii lingotierei sunt reci, stratul de lichid care vine in contact cu pereii se rcete rapid, temperatura topiturii scznd repede pe o distanta nu prea mare de le pereii lingotierei, sub temperatura de solidificare de echilibru Ts.In acest fel in imediata apropiere a pereilor lingotierei, rezulta o subrcire T foarte mare ceea ce determina o viteza de germinare vn mare, deci cristale multe orientate la ntmplare si echiaxe. In zona cristalelor columnare, temperatura topiturii a crescut apropiindu-se de temperatura Ts. Ca urmare, viteza de germinare vn scade puin, astfel nct rolul vitezei de cretere vc devine preponderent. Datorita degajrii cldurii latente de solidificare, in fata frontului de cristalizare apare un gradient de temperatura negativ, ceea ce determina creterea sa se produc cu viteze mari in direcii perpendiculare pe pereii lingotierei.

STRUCTURA LINGOULUI

LEGEA PRGHIILOR- este masa de lichid- este masa de cristale

4.6 TRANSFORMRI ALOTROPICE LA METALEUn numr de 19 metale prezint proprietatea de a se prezenta in stare solida in mai multe tipuri de reele. Acest fenomen se numete alotropie, in general pentru substane numindu-se polimorfism. Trecerea dintr-o reea in alta (de exemplu Sn trece la 18 oC din reea cub diamant in reea tetragonala) are la baz diferena de energie libera F (energie Helmholtz). Fierul, cel mai utilizat metal in tehnica prezint trei forme alotropice stabile dup cum urmeaz:Fe (cvc) Fe (cfc) Fe (cvc) Fe (lich)

DIAGRAME DE ECHILIBRUAliajele au o tendin de a forma structuri dendritice neomogene numite segregaii dendriticeFe-Cr; Fe-V; Cu-Au etc.

DIAGRAME DE ECHILIBRU