Universitatea Ovidius ConstantaFACULTATEA DE INGINERIE MECANICA

Conf. Dr. ing. Anna Nocivin

STUDIUL MATERIALELORNOTE DE CURSPentru studentii specializarii Inginerie Economic n Domeniul Mecanic - IEDM i AUTOMOBILE

Forma de invatamant IFR Constanta - 2002

CUPRINSCAPITOLUL 1 Pregtirea probelor metalografice

CAPITOLUL 2 Analiza metalografic CAPITOLUL 3 Constitueni metalografici CAPITOLUL 4 Structuri de deformare plastic i recristalizare CAPITOLUL 5 Structuri de echilibru ale oelurilor carbon CAPITOLUL 6 Incluziuni nemetalice n oeluri CAPITOLUL 7 Structuri defectuoase n oeluri CAPITOLUL 8 Structura fontelor albe i cenuii CAPITOLUL 9 Structura fontelor cenuii cu grafit modificat CAPITOLUL 10 Structuri de tratamente termice CAPITOLUL 11 Structuri de tratamente termo-chimice CAPITOLUL 12 Structura oelurilor aliate CAPITOLUL 13 Structura aliajelor pe baz de cupru CAPITOLUL 14 Structura aliajelor pe baz de aluminiu CAPITOLUL 15 Structura aliajelor cu proprieti specialeCAPITOLUL 16 Produse ale metalurgiei pulberilor i materiale compozite

CAPITOLUL 1PREGTIREA PROBELOR METALOGRAFICE N VEDEREA EXAMINRII MICROSCOPICEPe lng analiza chimic si metodele de determinare a propriettilor fizicochimice, analiza microscopic reprezint o metod de cercetare de baz a materialelor metalice ce permite punerea n eviden a constituenilor metalografici, modalitatea de asociere a grunilor cristalini, precum i efectele diferitelor metode de prelucrare metalurgic a materialelor (tratament termic, deformare plastic, etc). In funcie de puterea de rezoluie i de mrirea util a unui microscop, se disting dou modaliti de examinare a structurii unui material metalic: Analiza structurii prin Microscopie optic cu mriri cuprinse ntre 50 2000:1; Microscopie electronic cu mriri cuprinse ntre 2000 500.000 : 1, sau chiar mai mari; 1. Analiza cu microscopul optic Deoarece metalele sunt corpuri opace i se opun trecerii luminii, chiar sub form de foi subiri, structura probelor metalice trebuie studiat n lumin reflectat, spre deosebire de preparatele biologice care sunt cercetate prin transparen. Iluminarea probelor se poate face cu lumin perpendicular (iluminare n cmp luminos, Figura 1a), sau cu lumin nclinat (iluminare n cmp ntunecat, Figura 1b).

In Figura 1 se poate urmri influena direciei razelor incidente de lumin asupra aspectului imaginii obinute dup reflexie. Un obiect perfect plan care prezint o adncitur apare n lumina perpendicular (Fig.1a) luminos, iar poriunea adncit, ntunecat; de aceea, sistemul acesta de iluminare poart denumirea de iluminare n cmp luminos. La nclinare puternic (Fig.1b) suprafaa plan apare complet ntunecat, deoarece razele incidente nclinate sunt reflectate n afara tubului microscopului i numai poriunea care prezint denivelare apare luminoas, acest al doilea sistem de iluminare numindu-se n cmp ntunecat. Figura 1. Iluminarea probelor la microscopul metalografic a) n cmp luminos; b) i c) n cmp ntunecat;

Iluminarea n cmp luminos este cea curent ntrebuinat n micrografie, ea furniznd imagini similare cu cele pe care le-ar observa direct cu ochiul dac ar fi nzestrat cu puterea de mrire a microscopului.

Iluminarea n cmp ntunecat ofer o imagine denaturat, poriunile denivelate fiind scoase n eviden; metoda, mult mai rar utilizat, este folositoare pentru punerea n eviden a unor defecte, incluziuni, fisuri, etc. Indiferent de tipul constructiv, microscopul optic este format din: sistemul optic, sistemul de iluminare cu accesoriile de fotografiat i sistemul mecanic de reglare. Modul de formare al imaginilor n microscop este urmtorul: obiectivul formeaz o imagine mrit real i rsturnat Figura 2, aceast imagine este mrit mai departe de ocular i ea poate fi observat fie direct cu ochiul, fie proiectnd-o pe un ecran sau pe o plac fotografic. Sistemul optic se compune din: ocular, obiectiv, prisme i oglinzi. Att obiectivul ct i ocularul sunt formate din lentile, iar n ansamblu se comport ca un sistem pozitiv i convergent. Obiectivul are o lentil plan convex, care determin puterea sa de mrire i o serie de lentile secundare care au ca scop eliminarea defectelor care apar cu ocazia trecerii razelor de lumin prin lentila frontal. Inerent construciei, o lentil prezint o serie de imperfeciuni care provoac aberaia cromatic i aberaia de sfericitate. Aberaia cromatic se datoreaz dispersiei i refraciei neegale a diverselor lungimi de und formate la trecerea razei printr-o lentil pozitiv. Dac lungimea de und a radiaiei este mic, indicele de refracie al sticlei va fi mai mare i se vor forma focare diferite (violet mai apropiat i rou mai ndeprtat (Figura 3a). Eliminarea aberaiei cromatice se poate face prin folosirea luminii monocromatice, sau prin construirea obiectivelor speciale. De obicei se recurge la construirea obiectivelor acromatice sau apocromatice.

Figura 2 Schema de principiu a unui microscop optic metalografic

Obiectivele acromatice sunt construite pentru corectarea prii centrale a spectrului i anume galben-verde (Figura 3b), iar cele apocromatice pentru corectarea ntregului spectru (Figura 3c). Se recomand ca obiectivele acromatice s fie utilizate pentru mriri mici cu filtre galben-verzui i pentru fotografieri cu materiale fotosensibile ortocromatice.

Figura 3 Aberaiile cromatice ale lentilelor a) reprezentarea schematic a aberaiei cromatice; b) corectarea aberaiei cromatice cu lentile acromatice; c) corectarea aberaiei cromatice cu lentile apocromatice;

Obiectivele apocromatice se ntrebuineaz la mriri mari, cu orice filtre i orice material fotografic. Obiectivele apocromatice prezint o important aberaie sferic, de aceea se recomand folosirea lor mpreun cu oculare de compensaie. Aberaia de sfericitate se formeaz din cauza suprafeelor curbe ale lentilelor, razele care trec prin marginea lentilei fiind refractate mai mult dect cele centrale.

Pentru a se micora aberaia sferic se recomand folosirea obiectivelor formate din lentile convexe i concave care prezint aberaii de sfericitate egale, dar de sens opus. Ocularele mresc imaginea primar dat de obiectiv i corecteaz unele erori optice. Ocularele pot fi: obinuite, de compensaie, de proiecie. Ocularele obinuite se folosesc mpreun cu obiectivele acromatice, cele de compensaie, cu obiectivele apocromatice, iar cele de proiecie se utilizeaz la fotografiere. Cele mai importante caracteristici ale microscopului optic sunt: puterea de mrire, apertura, puterea de separare, adncimea de ptrundere i planeitatea imaginii cmpului. Puterea de mrire este o proprietate caracteristic obiectivului. Imaginea dat de obiectiv este apoi mrit de ocular. Puterea de mrire a microscopului este dat de produsul puterilor de mrire ale ocularului i obiectivului: M = 250L/( Fob- Foc) unde: L lungimea optic a tubului microscopului; Fob distana focal a obiectivului; 250 reprezint distana vederii normale; Foc distana focal a ocularului; In cazul fotografierii, cnd imaginea este proiectat pe ecran, mrimea imaginii se calculeaz cu relaia: Mp = D.Moc.Mob / 250 unde: Mp mrimea imaginii proiectate; D distana de proiectare (mm);

Moc,Mob puterea de mrire a ocularului i obiectivului; Puterea de mrire a microscopului poate fi determinat i cu ajutorul unei plcue micrometrice de control, pe care este gradat o rigl de 1 mm mprit n 100 pri: Plcua joac rol de obiectiv, distana ntre dou diviziuni observate la miocroscop fiind de 0,01 mm. Stabilind raportul ntre diametrul cmpului microscopic i numrul de diviziuni de pe plcua corespunztoare acestui diametru se poate determina mrirea de observaie. Apertura sau deschiderea numeric caracterizeaz puterea de strngere a razelor de ctre lentilele folosite. Apertura se calculeaz cu relaia: A = n sin unde: n indicele de refracie al mediului dintre prob i obiectiv (n = 1 pentru aer; n = 1,5 pentru ulei de cedru); - jumtate din unghiul deschiderii conului de lumin. Calitatea obiectivului este mai ridicat dac n i au valori mai mari. Pe montura obiectivului este gravat valoarea aperturii. Puterea de separare d, reprezint fineea redrii detaliilor de ctre microscop, fiind distana minim dintre dou puncte din obiect care apar ca dou puncte distincte din imagine. Puterea de separare se calculeaz cu relaia: d = / 2A = / 2n sin [m] n care este lungimea de und a luminii folosite. Sistemul mecanic de reglare Microscopul optic are un stativ, un tub vizual, msua pentru probe, uruburi micrometrice, toate acestea formnd ansamblul mecanic de reglare. Msua microscopului se poate deplasa pe dou direcii perpendiculare i permite deplasarea probei i studierea ei n diferite zone. Pentru obinerea unei imagini clare, focalizarea se realizeaz deplasnd obiectivul (sau msua) cu ajutorul unui urub micrometric. Suprafaa probei metalice supuse examinrii trebuie pregtit special i anume lustruit fin i apoi atacat cu un reactiv corespunztor, al crui rol este de a

pune n eviden structura materialului metalic. Astfel, pregtirea probelor pentru studiul microscopic comport trei operaii distincte: 1 - prelevarea probelor; 2 - lustruirea; 3 - atacul metalografic; Prelevarea probelor Aceast operaie este deosebit de important deoarece proba trebuie s fie reprezentativ pentru materialul studiat, s fie aleas corect, n concordan cu scopul examinrii. In cazul cercetrilor obinuite, probele trebuie astfel alese nct s cuprind toate variaiile posibile de structur din materialul studiat. In asemenea cazuri, alegerea se face pe baza unor consideraii teoretice, preferabil dup o analiz macroscopic. De exemplu, n cazul unui material n stare turnat, se vor preleva probe att din zonele unde segregaia este maxim ct i din zonele unde segregaia este minim. Pentru benzi, bare, srme se vor preleva probe de la cele dou capete i din centrul barelor, iar cu ocazia pregtirii suprafeei de cercetat se va avea n vedere poziia suprafeei n raport cu direcia de deformare plastic. Pentru piese care au cedat n serviciu, se vor lua probe ct mai apropiate de zona de rupere de preferin vor cuprinde o parte din aceast zon iar pentru comparare se vor lua probe i din poriunile nvecinate sntoase. Prelevarea probelor se face prin tiere cu un fierstru a crui lam este bine s fie stropit cu o soluie apoas de spun. Trebuie evitate aciuni mecanice violente care produc distorsiuni n material, ca i metode ce includ temperaturi nalte, ca de exemplu tierea cu dalta sau cu flacra oxiacetilenic.

Probele dure de exemplu cele dintr-un oel clit sunt tiate cu ajutorul unor discuri abrazive; sunt necesare viteze mici i rcire cu ap abundent, pentru a evita apariia unor nclziri locale. In cazul n care nu intereseaz n mod special structura pna la marginea probei, muchiile adiacente suprafeei care se pregtete vor fi teite uor cu o pil sau un polizor. Atunci cnd este necesar s se examineze structura chiar pna la marginea piesei (tratamente termochimice, decarburri, depozite galvanice, fracturi, etc.) proba se monteaz ntr-o rin sintetic sau ntrun inel sau suport metalic. Probele din tabla subire sau srm se monteaz n suporturi din rina sintetic ca n Figura 4. Figura 4 Modaliti de fixare a unor probe metalografice

Lustruirea mecanic Dup tierea i fixarea probelor, acestea se lefuiesc pe hrtii metalografice de finee cresctoare a particulelor abrazive de carbur de siliciu. lefuirea se

execut pe o suprafa plan, proba fiind deplasat pe hrtia abraziv prin micri de translaie alternativ ntr-o singur direcie. La trecerea pe hrtia urmtoare mai fin, este necesar ca proba s fie rotit cu 90, continundu-se n acest mod pna cnd toate rizurile rezultate la lefuirea anterioar dispar. In timpul lefuirii, proba se menine permanent cu axul perpendicular pe planul hrtiei astfel nct s se obin n final o suprafa perfect plan; de asemenea, se va evita nclzirea probei n timpul lefuirii. Figura 5 Aspectul unei probe metalografice lefuite pe hrtie abraziv cu granulaie M5

Ultima hrtie produce zgrieturi foarte fine, care la o examinare sumar dau probei un aspect neted. Examenul la microscop ns pune n eviden amploarea acestor zgrieturi (Figura 5) care mascheaz totui structura metalului i mpiedic observaia. De aceea, eliminarea lor constituie ultima etap a lustruirii.

Dup lefuirea pe ultima hrtie, proba se spal n jet de ap pentru a ndeprta particulele care au aderat n timpul lefuirii, dup care se usuc pe hrtie de filtru sau n curent de aer cald. Figura 6 Influena incluziunilor asupra unei lustruiri necorespunztoare

Lustruirea se poate face mecanic pe un disc acoperit cu postav, acionat la turaie mare (cu o vitez periferic de 15-20 m/s) umezit continuu cu o suspensie de material abraziv foarte fin (cea mai frecvent utilizat este alumina n ap oxid de aluminiu Al2O3 cu diverse grade de finee; n mod asemntor, pentru materiale foarte dure, se poate ntrebuina oxid de magneziu sau praf de diamant). La lefuire, proba este apsat uor pe discul de postav i n acelai timp este rotit ncet n timpul lustruirii. In acest fel se evit smulgerea incluziunilor i

formarea unor zgrieturi care pornesc de la locul n care s-a aflat incluziunea, dnd aspectul unor umbre ale acestora, ca n Figura 6. Lustruirea se poate face i electrolitic, n care caz dup lefuirea mecanic pe hrtiile metalografice proba este folosit ca anod ntr-o celul de electroliz. Prile n relief sunt dizolvate mai repede dect cele cu relief mai puin pronunat (Figura 7). Figura 7 Schema lustruirii electrolitice

Dizolvarea prefereniala a poriunilor n relief este mai energic cu ct densitatea de curent crete, vscozitatea electrolitului este mai mare i conductibilitatea mai sczut. Pentru lustruirea fiecrei categorii de material trebuie stabilii parametrii procesului: compoziia electrolitului, condiiile de electroliz,

etc. Din aceast cauz, metoda este indicat n special pentru lucrul n serie. Metoda prezint dou avantaje principale: - nlturarea materialului prin dizolvare elimin formarea stratului distorsionat care apare la lustruirea mecanic; - permite efectuarea unui control microscopic nedistructiv atunci cnd se utilizeaz celule speciale de electroliz; Probele dup lustruire sunt examinate la microscop, fr atac, pentru a cerceta incluziunile, porozitile sau unii constitueni care posed coloraii proprii. Atacul metalografic Pentru a pune n eviden structura unui material metalic se utilizeaz diferite metode, cum ar fi: atacul cu reactivi chimici, atacul electrolitic, nclzirea n atmosfer oxidant, atacul n sruri topite, bombardamentul ionic, evaporarea selectiv n vid, schimbrile volumice care nsoesc transformrile secundare, utilizarea unor coloizi magnetici (metalografia magnetic), etc. Metoda de punere n eviden a structurii prin atac cu reactivi chimici este principala metod utilizat n metalografie. Mecanismele prin care are loc punerea n eviden a structurii prin atac chimic sunt: - dizolvarea difereniat a fazelor i graunilor n funcie de natura i orientarea lor; - oxidarea suprafeelor graunilor i fazelor care alctuiesc materialul; - formarea prin reacii de schimb a unor compui colorai care se depun difereniat pe gruni (n funcie de orientarea acestora) i pe faze (n funcie de natura lor); - formarea figurilor de atac; Pentru a putea opri atacul la momentul potrivit, viteza de atac trebuie s fie relativ mic i uniform. In acest scop se utilizeaz, de obicei, alcool etilic ca

solvent pentru diferii reactivi acizi. Durata practicat de atac variaz de la cteva secunde pna la circa dou minute. Metoda cea mai simpl de atac este prin imersie; n alte cazuri se ud uniform suprafaa probei cu o bucat de vat mbibat n reactiv. Gradul optim de atac depinde i de mrirea la care se vor efectua cercetrile. Pentru mriri puternice este recomandabil o durat scurt de atac, n caz contrar rezultnd denivelri mari n suprafa. Proba dup atac se spal n curent puternic de ap. Prile exterioare se terg, iar suprafaa probei se usuc ntr-un curent de aer cald sau se tamponeaz uor pe hrtie de filtru. Pentru examinare la microscop, suprafaa probei trebuie s fie perpendicular pe axul optic al microscopului. In acest scop, proba este fixat pe o plcu prin intermediul plastilinei i, cu ajutorul unei mici prese manuale, faa probei este fcut paralel cu faa plcuei. In Tabelul 1 sunt prezentai civa dintre reactivii cei mai utilizai pentru atacul chimic precum i condiiile de atac i destinaia acestora. Tabelul 1 Reactivi de atac ntrebuinai n analiza microscopic Nr. crt. 1 2 Denumirea i compoziia reactivului Nital Acid azotic conc.1-5cm3 Alcool etilic 100 cm3 Picral Acid picric 4g Alcool etilic100 cm3 Condiii de atac Prin imersie Prin imersie Intrebuinri ale reactivului;Observaii Oeluri i fonte nealiate Oeluri i fonte nealiate

3

Persulfat de amoniu Persulfat de amoniu 10g Ap distilat 100 cm3 Picrat de sodiu A. Hidrat de sodiu 20g Ap distilat 100 cm3 B. Acid picric 4g Ap distilat 100 cm3 Soluie de fericianur Fericianur de potasiu 10g Hidroxid de potasiu 10g Ap distilat 100 cm3

4

5

Prin imersie 5060s Se prepar proaspt Se amestec n pri egale cele dou soluii n momentul ntrebuinrii Atac la fierbere 58 min. Durata de atac 9 min.la 50

Atac grunii pentru oeluri i aliaje cu baz de cupru Coloreaz n brun cementita

6 7

Durata scurt de Soluie de acizi 3 atac Acid clorhidric 25 cm 3 Acid cromic 10% - 5 cm Soluie de acizi Acid azotic conc. 8 cm3 Acid clorhidric 12 cm3 Alcool 1000 cm3

Fosfura de fier se coloreaz, cementita rmne alb. La creterea duratei de atac se coloreaz i cementita. Gruni pentru oeluri nalt aliate cu crom Oeluri austenitice inoxidabile

8

Soluie de acizi Acid azotic conc. 15 cm3 Acid clorhidric 30 cm3 Glicerin 45 cm3

Fiecare acid se dizolv separat n glicerin i apoi se amestec. Se prepar proaspt, se utilizeaz la 40. Atacul ncepe brusc dup un timp

Microstructura oelurilor nalt aliate cu crom, oeluri rapide, etc.

9

Reactiv Vilella Acid clorhidric 5 cm3 Acid picric 1g Alcool etilic 95 cm3 Reactiv cu clorur feric Clorur feric 10g Acid clorhidric 30 cm3 Ap distilat 120 cm3 Reactiv cu clorur cupric amoniacal Clorur cupric amoniacal 10g Ap distilat 120 cm3 Se adaug amoniac pn cnd precipitatul care se formeaz se dizolv

10

Oeluri cu Cr, Cr-Ni, Cr-Ni-Mn. Atacul pentru gruntele martensitei revenit la temperatura joas Atac macro- i micrografic pentru bronzuri i alame La ntrebuinare se poate dilua cu ap Structuri si n alame, alame speciale, bronzuri cu aluminiu

11

12

13

Reactiv Palmerton Acid cromic 20g Sulfat de sodiu 1,5g Ap distilat 100 cm3 Reactiv cu acid clorhidric Acid clorhidric 10 cm3 Ap distilat 100 cm3 Acid fluorhidric Acid fluorhidric 1-19% n ap sau alcool Reactiv Vilella Acid fluorhidric 20 cm3 Acid azotic conc.10 cm3 Glicerin 30 cm3 Persulfat acid tartric Acid tartric 10g Persulfat de amoniu 10g Ap distilat 150 cm3 Preferabil de aplicat prin tergere

Atac micrografic pentru aliaje cu baz de zinc Atac micrografic pentru aliaje de aluminiu, aliaje de nichel i aliaje de plumb Atac micrografic pentru aliaje de aluminiu i de magneziu Atac micrografic pentru aliaje de aluminiu Reactiv pentru aliaje cu baz de staniu i pentru cuzinei

14 15

16

2. Analiza cu microscopul electronic Puterea de rezoluie i mrirea util a unui microscop sunt cu att mai mari cu ct lungimea de und a radiaiei folosite este mai mic. Este posibil obinerea unor puteri de separare foarte mari prin utilizarea microscoapelor electronice n care imaginile sunt formate din fascicule de electroni. Folosirea electronilor n microscopie se bazeaz pe dualismul und-particul caracteristic microparticulelor deci electronilor, lungimea de und asociat unui electron de mas m i vitez fiind: = h /mv Unui fascicul de electroni, emii de un filament nclzit, i accelerai de o tensiune U [kV] pn la viteze v i corespunde o lungime de und = 12400 / U [] Pentru U de 100 kV, este 0,04 , ceea ce permite puteri de mrire utile pn la 500.000 ori i puteri de rezoluie de ordinul a 1,4 (firmele JEOL, Philips). Formarea imaginilor cu ajutorul unor fascicule de electroni se bazeaz pe proprietatea acestora de a fi deviate de lentile electromagnetice sau electrostatice, asemntor devierii luminii de ctre lentilele optice. Exist diferite tipuri de microscoape electronice: a) Microscopul prin reflexie, la care fasciculele de electroni sunt reflectate de suprafaa obiectivului de cercetat; permite examinarea metalelor prin reflexie, dar nu este posibil obinerea de puteri de separare sub 500 ;

b) Microscopul prin transmisie Este cel mai utilizat tip de microscop electronic, caracterizndu-se prin puteri de rezoluie foarte mari, pn la aproximativ 1,5 ; c) Microscopul cu emisie, utilizat mai rar, limita puterii sale de rezoluie fiind de circa 500 ; d) Microscopul cu baleiaj (scanning), n care imaginea este format de ctre electronii secundari, emii n urma impactului dintre fasciculul primar i prob; Cele mai utilizate sunt microscoapele electronice prin transmisie i cele cu baleiaj. In microscopul electronic prin transmisie pot avea loc urmtoarele fenomene: - electronii trec prin proba fr a suferi nici o modificare; - electronii sunt difractai dup direcii prefereniale care depind de structura cristalin a probei; - electronii sufer o mprtiere elastic; - electronii pot fi mprtiati neelastic; - electronii pot fi absorbii de prob; Contrastul n imagine este dat de mprtierea diferit a electronilor n urma ciocnirii cu atomii obiectului, n funcie de densitatea i grosimea diferitelor zone ale obiectului. Absorbia electronilor n prob trebuie s fie mic deoarece altfel proba se va distruge repede. In urma absorbiei de electroni, proba emite electroni secundari, electroni Auger sau radiaii electromagnetice (raze X i catodoluminiscen). Microscopul electronic modern dispune de contoare, care, dup detectare i analiza acestor semnale, ofer informaii cu privire la compoziia chimic, structura i forma obiectului, toate la scar microscopic i chiar submicroscopic. Exist dou metode de studiu a obiectelor la microscopul electronic prin transmisie i anume: metoda direct i metoda indirect. Metoda direct presupune introducerea obiectului direct n microscop. In acest scop probele sunt nglobate n pelicule subiri, sau se obin seciuni

ultrasubiri din obiect prin tiere cu ultramicrotonul, sau prin lefuire electrolitic. Grosimea optim a unei probe trebuie s fie ntre 100-500 . Metoda indirect de studiu se mai numete i metoda replicilor. Replicile pot fi cu o treapt, atunci cnd se studiaz direct replica luat de pe suprafaa obiectului (negativul suprafaei) i cu dou trepte, atunci cnd de pe replica ce reprezint negativul probei se obine o a doua replic (pozitivul), ce reprezint chiar relieful probei. Cele mai utilizate replici sunt cele luate n colodiu, formvar, bioden i carbon. In scopul mririi contrastului, replicile se umbresc cu un material metalic greu (Au, Au-Pd, Pt-Pd, etc.) prin depunerea n vid a unei pelicule metalice sub un anumit unghi fa de suprafaa replicii.

CAPITOLUL 2ANALIZA MACROSCOPIC A MATERIALELOR METALICEAnaliza macroscopic reprezint o metod de cercetare metalografic prin care se evideniaz macrostructura produselor metalice prin simpla examinare cu ochiul liber, cu lupa, sau cu stereomicroscopul, a suprafeelor exterioare, sau a unor seciuni special pregtite, la mriri de ansamblu de maxim 50:1. Analiza macroscopic se concretizeaz la final prin nregistrarea fotografic sau imprimarea macrostructurii sub forma macrografiilor sau a amprentelor. Examinarea de ansamblu a produselor metalice semifabricate sau produse finite permite sesizarea rapid a unor defecte generale sau locale, generate de procese metalurgice specifice, care intervin n timpul realizrii sau prelucrrii lor tehnologice, i anume: defecte de compactitate (retasuri, poroziti, sufluri, fisuri); neomogeniti structurale (gruni cristalini de mrimi, forme sau orientari diferite); neomogeniti chimice (segregaia elementelor de aliere, a impuritilor nocive); neomogeniti mecanice (zone sau straturi din materiale diferite mbinate prin lipire, sudare sau placare, depuse electrolitic); alte defecte de material ( incluziuni nemetalice grosolane, suprapuneri, decarburare), precum i aspecte de degradare n timpul serviciului (rupere, uzur, coroziune, ardere);

Macrostructura influeneaz puternic comportarea produsului metalic n operaiile tehnologice ulterioare, asigurand proprietile fizico-mecanice finale n timpul serviciului i deci fiabilitatea produsului. In cadrul laboratoarelor metalografice uzinale din industria metalurgic, prelucrtoare i de construcii de masini, se practic n mod curent analiza macroscopic ca o metod de control calitativ al produselor metalice. Se obin date asupra condiiilor, caracterului i calitii prelucrrilor anterioare suferite de produsul metalic. Pentru a permite o ncadrare corect, obiectiv i reproductiv a structurilor macroscopice pe grupe de produse i defecte caracteristice, acestea sunt reglementate prin standarde macrostructurale (pentru poroziti, segregaii, defecte de turnare, forjare, sudare, tratament termic). Analiza macroscopic se practic la orice cercetare ca metod preliminar analizei microscopice, de asemenea n cazurile de expertizare a ruperilor premature, accidentele n exploatare a pieselor metalice. Din punct de vedere didactic, analiza macroscopic devine util i n cazul produselor metalurgice primare (calupuri sau lingouri turnate din metale brute sau tehnic pure, plci metalice obinute prin electroliz, sau prin solidificare ntrerupt) pentru a evidenia cristalinitatea metalelor, caracterul dendritic de cretere a cristalelor i defectele conexe solidificrii (retasurile, suflurile i microretasurile). 1 Pregtirea probelor pentru examinarea macroscopic Analiza macroscopic se efectueaz pe trei categorii de suprafee metalice: Suprafee naturale Suprafee de rupere Suprafee special pregtite

Suprafeele naturale sau de formare sunt cele care rezult dupa o serie de procese tehnologice (solidificare, depunere electrolitic, deformare plastic, uzare, degradare prin coroziune, etc.). Uneori, n acest caz, se impune ndeprtarea prealabil a stratului de oxizi prin curire cu nisip, prin decapare chimic superficial, sau prin degresare. Examinarea suprafeei de rupere, denumit si macrofractografie, se face pe suprafee proaspt rupte (neoxidate, nealterate) rezultate la ruperea voit a epruvetelor cu ocazia ncercrilor mecanice (la sarcini maxime), sau a probelor tehnologice. Foarte important este cazul examinrii ruperilor accidentale, n exploatare, care fac de obicei obiectul unor expertize, zona de rupere constituind o prob material elocvent asupra cauzelor i caracterului de propagare a ruperii. Suprafeele special pregtite constituie probe macroscopice prelevate prin secionare (transversal sau longitudinal) din piese sau semifabricate. In funcie de fineea detaliilor i caracterul neomogenitilor care se urmresc a fi puse in evidena, pregtirea metalografic se oprete la o simpl lefuire, sau continu cu o lustruire avansat pe postav. In acest caz, devin vizibile defectele de compactitate (goluri, poroziti, fisuri) sau incluziunile nemetalice de tip exogen. Urmeaz apoi atacul macroscopic, care urmrete evidenierea neomogenitilor din material prin colorare sau dizolvare selectiv. Tabelul 2 - Reactivi de atac macroscopic Nr. crt.1

Denumirea si compoziia reactivuluiAcid clorhidric 50% in ap

Condiii de atac

Intrebuinri ale reactivului; ObservaiiAtac profund pentru oeluri

10 45 min la 70C

2 3 4

Acid sulfuric 20% in ap Persulfat de amoniu 10% in ap Reactiv Adler Ap distilat 25 cm3 Clorur cupric amoniacal 3 g Acid clorhidric conc. 50 cm3 Clorur feric 15 g (Se dizolv in ap in ordinea indicat) Soluie de acizi Acid clorhidric conc. 38 cm3 Acid sulfuric conc. 12 cm3 Ap distilat 50 cm3 Reactivul lui Stead Clorur cupric 2,5 g Clorur de magneziu 10g Acid clorhidric conc. 5 cm3 Alcool pan la 250 cm3

2 ore la 60C Pan la 2-3 min prin imersie Prin imersie. Splare si uscare in curent de aer cald

Atac profund pentru oeluri Pentru grunti de oeluri si aliaje de cupru; suduri Punerea in eviden a sudurilor in oelurile ordinare si slab aliate

5

La fierbere 15-45 min

Pentru oeluri inoxidabile Pune in eviden segregaia fosforoas

6

Srurile se dizolv in acid clorhidric cu adaosul unei cantiti minime de ap clocotit

Reactivii pentru atacul macroscopic trebuie s fie, comparativ cu cei utilizai in microscopie, mult mai agresivi, deci mai concentrai, pentru a coroda i a contura astfel mai contrastant defectele urmrite. Tabelul 2 prezint reactivii de atac cei mai folosii n metalografia fierului i a metalelor neferoase uzuale (Al, Cu, Mg, Ni). Atacul se efectueaz n nie cu aer ventilat i necesit bazine sau creuzete speciale, rezistente la acizi concentrai. Dup atac urmeaz o splare prin periere sub jet de ap pentru ndeprtarea reactivului din poroziti i apoi uscarea n curent de aer cald.

Exemple de macrostructuri 2.1. Suprafee metalice naturale a) Cristalizarea dendritic In cavitatea de retasur a lingourilor mari de oel (spaii de contracie ale lingourilor) se pot surprinde uneori formaiuni spaiale arborescente reprezentand cristale n curs de cretere, avand dezvoltat numai scheletul primar, nc necompactizat. O astfel de dendrit (dendron = copac, in lb.greac) relev modul specific de cretere a cristalelor la solidificare pe care-l adopt metalele, adic o cretere anizotrop preferenial dup direcii care se ntretaie formand unghiuri de 90, conform reprezentrilor schematice din figur. Ramurile se formeaz succesiv, fiind cotate n ordinea dezvoltrii lor ca axe primare (trunchiul dendritei)secundare, teriare. Pe msur ce solidificarea progreseaz, are loc procesul de cretere a dendritelor, formandu-se n final un agregat policristalin alctuit din numeroase cristale alotriomorfe structura caracteristic materialului perfect compactizat Figura 8. In cazul n care se ntrerupe brusc alimentarea cu topitur prin scurgerea acesteia, se poate surprinde pe suprafaa crustei solidificate prezena unor schelete dendritice mici, in relief.

Figura 8 - a) Schema formrii axelor dendritice n timpul creterii libere a cristalelor n topitur; b) Procesul de cretere i de compactizare treptat a cristalelor;

b) Cristalizarea prin electrodepunere din soluii La examinarea macroscopic a unei plci de cupru catodic foarte pur (99,99% Cu) obinut prin rafinarea electrolitic (Figura 9) a unui anod de cupru tehnic (99 99,5%Cu) se constat prezena unor straturi de cristale columnare, dispuse perpendicular pe catodul sau placa de iniiere a depunerii. La extremitile plcii apar concrescene de cristale spaiale voluminoase. Figura 9 - Schema instalaiei de rafinare electrolitic a cuprului.

c) Suprafee metalice degradate prin coroziune Comportarea metalelor n atmosfera ambiant (aer, umezeal) sau n medii chimice active (acizi, baze, sruri) dup expunere ndelungat, se apreciaz macroscopic n raport cu degradrile produse.

2.1.Suprafee metalice de rupere a) Rupere transcristalin si intercristalin

Ruperea la rece a materialelor metalice are loc intracristalin (transcristalin, Figura 10, a) prin planele de clivaj, care n acest fel devin vizibile cu claritate, mai ales la structurile grosolane. Ruperea la cald a unui material metalic nclzit la temperaturi ridicate apropiate de temperatura de topire, se propag prin limitele de grunte intercristalin (Figura 10, b), punandu-se n eviden forma i dimensiunile grunilor. Figura 10 Schema propgarii ruperii: a - transcristalin; b - intercristalin;

b)

Rupere ductil si rupere fragil

Incercarea la traciune a unor epruvete evideniaz comportarea materialului metalic pan la rupere, astfel:

materiale ductile (Al, Cu, Fe, oel recopt, etc.) se deformeaz mult nainte de rupere, epruveta se alungete cu L=10 60% formand o gatuire n zona ruperii; materiale fragile (oel clit, fonte) cu plasticitate redus, care nu se deformeaz vizibil nainte de rupere ( L < 1%), cedand brusc la fora maxim de ncercare. Ca urmare, perechile de epruvete separate prin rupere vor prezenta aspecte macroscopice net difereniate: Suprafeele de rupere ductil tip cup-con vor evidenia un aspect fibros, mat, n timp ce suprafeele de rupere fragil, fr gatuire, vor evidenia un aspect grunos, cristalin strlucitor. c) Ruperea la oboseal

In timpul funcionrii, organele de maini (axe, arbori, biele, etc.) supuse la solicitri variabile ciclice sau alternative, cu valori maxime ale eforturilor mult mai mici decat rezistenele lor la traciune static, pot ceda n mod imprevizibil ca urmare a procesului de rupere la oboseal. Ruperea se amorseaz pornind de la defecte de obicei superficiale care constituie concentratori de tensiuni (incluziuni nemetalice, straturi decarburate, rizuri din prelucrare, filete ascuite, muchiile canalelor de ungere). Microfisura incipient crete i continu s se propage n pies, pan cand seciunea util este aa de mult micorat, ncat piesa cedeaz brusc. O suprafa tipic de rupere la oboseal prezint, de regul, dou zone tipice: - zona neted de rupere lent n timp, brzdat de striuri concentrice de propagare a frontului de rupere, localizate cu aproximaie n jurul amorsei;

- zona fibroas, de rupere brusc final; 2.3. Suprafee metalice special pregtite a) Defecte de compactitate Retasurile sunt defecte inerente solidificrii, datorate contraciei V care intervine ca urmare a micorrii volumului specific metalului solid fa de cel al topiturii (V ~ 3 6%). Retasura principal (I) se localizeaz la partea de sus a lingoului sub forma unei denivelri neuniforme (adancitur cu aspect de palnie figura 11. Retasurile secundare (II) pot fi dispersate i n interiorul lingoului sau piesei. Ele au suprafee rugoase, oxidate i nu sunt admise nici n lingourile destinate deformrilor plastice (nu se sudeaz), nici n piesele turnate, trebuind s fie localizate n afara lor, n maselote special prevzute n acest scop. Microretasurile (III) sunt poroziti fine localizate la rosturile grunilor mari (interdendritic) avand forme ncreite ce corespund zonelor de mbinare a dendritelor Figura 11, b. Sunt vizibile macroscopic numai dup atacuri intense care le corodeaz i n acest fel le accentueaz. Macroscopic se apreciaz pe baza unor scri etalon. Identificarea lor se face mai ales microscopic. Suflurile (IV) sunt goluri rotunjite cu margini netede i lucioase datorate gazelor (H2, N2, CO) care se dizolv masiv n topitur i rman "ocluse" i dup solidificare n stare molecular n metalul solid (Figura 11a). Suflurile nu sunt admise n piesele turnate ci numai n lingourile supuse ulterior deformrilor plastice, cu care ocazie suflurile se sudeaza i materialul redevine compact. Intr-o bar de oel turnat defectuos, dup simpla secionare, fr lefuire, se pot vedea numeroase goluri cu margini ncreite i oxidate (retasuri) i goluri cu margini netede, lucioase (sufluri).

Figura 11 a) Formarea i localizarea n lingou a retasurilor primare (I), secundare (II), a microretasurilor (III) i suflurilor (IV); b) Microretasurile (III) apar ca poroziti plasate la limitele cristalelor interdendritic;

b) Neomogeniti chimice In materialele metalice turnate, impuritile ca i elementele de aliere segreg, adic se distribuie neuniform atat la scar macroscopic (n seciunea aceleiai piese), cat i la scar microscopic (la nivelul grunilor cristalini) unde urmresc modelul creterii dendritice. La atacuri speciale, cu reactivi care corodeaz sau coloreaz selectiv zonele mai bogate fa de cele mai srace ntr-un anumit component, se poate evidenia macroscopic segregaia elementului chimic respectiv, adic zonele n care este localizat preferenial.

Prin deformare plastic neomogenitile chimice se redistribuie, n sensul c se aliniaz n direcia deformrii metalului, segregaia accentuindu-se n produsul deformat i cptand un aspect orientat n fibre. Fibrele reprezint zone de slab rezisten ntrucat n lungul lor se concentreaz atat impuritile solubile (de exemplu fosforul n oeluri) cat i cele insolubile (sulful) care se constituie ca incluziuni nemetalice (sulfuri, oxizi, silicati, etc.) Pentru a asigura piese de bun calitate cu proprieti mecanice ridicate si uniforme, segregaiile trebuie evitate sau atenuate, n primul rand prin reducerea la minim a continutului de impuriti nocive (de exemplu sulful sau fosforul sub 0,04% n oeluri). La deformarea plastic (forjare, matriare, ambutisare) zonele de slab rezisten constituite n fibre, trebuie s fie localizate cat mai mult spre interiorul piesei, dar n mod uniform i dispersate pe suprafee mari, nu concentrat. Interceptarea fibrelor de ctre suprafaa piesei determin practic fisuri deschise din care se amorseaz uor ruperea. De aceea, este obligatorie cercetarea distribuiei impuritilor n seciunea pieselor, pe cale macroscopic. Segregaiile de fosfor sunt duntoare n oeluri ntrucat influeneaz nefavorabil formarea i posibilitatea de corectare a structurii secundare prin tratament termic, faciliteaz formarea structurii n iruri dup deformare, creeaz microzone cu diferene de duritate (mai dure zonele mbogite n fosfor) cu tendin de fisurare din cauza tensiunilor interne, precum i fragilitate la rece (scade considerabil tenacitatea). Segregaia sulfului n oeluri este de asemenea duntoare fiind controlat i nregistrat prin amprenta Baumann, efectuat n mod obligatoriu pentru piese de rspundere (axe, osii, ine de cale ferat, etc.) sulful este total insolubil n fier, formand compui (sulfuri): FeS i MnS, regsii n masa metalic sub form de incluziuni nemetalice.

Sulfura de fier (FeS) se separ intergranular i provoac fenomenul de fragilitate la rou n timpul deformrilor plastice la cald, cand FeS cu temperatura de topire coborat (985C) se topete. In prezena manganului, sulful formeaz incluziuni de MnS (cu punct de topire mult mai ridicat 1610C), dar care la deformarea plastic se aliniaz n iruri favorizand anizotropia (formarea structurii n benzi a fibrelor de sulfuri, a segregaiilor zonale de sulfuri) i apariia microfisurilor. c) Neomogeniti structurale In piesele turnate mari i mai ales n lingouri, n care se solidific cantiti mari de topitur, n condiiile existenei unui gradient de temperatur n seciunea transversal, se constat formarea succesiv a trei zone distincte, diferite prin forma i mrimea cristalelor (Fig. 12). I la margine crusta lingoului cristale echiaxe fine (globulare), solidificate rapid din numeroi germeni de cristalizare formai la rcirea intens a topiturii aflat n contact cu suprafaa lingotierei; II n zona intermediar cristale columnare orientate perpendicular pe pereii lingoului, dezvoltate unidirecional din anumii germeni ai crustei; III n miezul lingoului cristale echiaxe mari cristalizate dintr-odat pe fragmentele de dendrite i incluziuni nemetalice concentrate n restul de topitur nc nesolidificat. In organele de maini care transmit micare prin cuple de frecare metal-metal (roi dinate, axe si buce canelate, axe cu came) este necesar asigurarea n suprafa a unor structuri dure, rezistente la uzura prin frecare, iar n miez a unor structuri relativ moi, cu plasticitate ridicat pentru preluarea ocurilor mecanice n exploatare. Aceast structur dubl se realizeaz fie prin clirea superficial a

produselor din oeluri de imbuntire, fie prin tratamente termochimice (carburare, nitrurare, etc.) care modific concomitent cu structura i compoziia chimic a materialului din stratul superficial. Figura 12 Macrostructura unui lingou n seciune longitudinal; 1-crusta lingoului; 2-cristale columnare; 3-cristale echiaxe mari.

CAPITOLUL 3CONSTITUENI METALOGRAFICI1. Consideraii generale

Constituenii metalografici reprezint aspectele structurale ale materialelor metalice, aspecte care apar in urma examenului de microscopie optica sau electronic. n funcie de compoziia chimic, starea de prelucrare i natura atacului cu reactiv specific, constituenii metalografici se difereniaz dup morfologie, finee, dispersie i culoare. Avnd n vedere c proprietile materialelor metalice sunt dependente direct de structur, rezult c pe baza acestor aspecte structurale constitueni metalografici se pot anticipa calitativ i, uneori, cantitativ principalele proprieti ale materialelor. Caracteristicile constituenilor metalografici care determin principalele proprieti ale materialelor metalice sunt natura, morfologia, gradul de finee i gradul de dispersie al fazelor constitutive, la acestea putndu-se aduga stabilitatea structural la variaii de temperatur, starea de tensiune i mediul de lucru. Natura constituenilor metalografici este determinat de componenii care particip la formarea materialului metalic, respectiv, de tipul diagramei de echilibru corespunztoare sistemului de aliaje n discuie. n general, sistemele de aliaje sunt caracterizate prin urmtorii factori:

Componenii, reprezint elementele constitutive ale aliajelor. De exemplu, oelurile prezint doi componeni principali: Fe i C; alamele binare: Cu i Zn; bronzurile obinuite: Cu i Sn; siluminurile: Al i Si, etc. Faza, reprezint o regiune dintr-un aliaj, delimitat de celelalte pri ale aliajului prin granie sau limite de faz, n dreptul crora se nregistreaz o modificare brusc a proprietilor. De exemplu, ntr-un material metalic n curs de topire sau solidificare, exist dou faze: gruni cristalini (solid) i topitura metalic (lichid); ntr-un metal pur exist o singur faz omogen solid grunii cristalini. Fazele pot fi separate prin mijloace mecanice i difer ntre ele fie prin compoziie, fie prin structura cristalin. n ceea ce privete compoziia chimic, o faz poate fi format din unul sau mai muli componeni, a cror concentraie determin compoziia acesteia. Deoarece fiecare faz dintr-un aliaj este caracterizat printr-o reea cristalin proprie, identificarea reelelor cristaline prin difracie de raze X d posibilitatea stabilirii fazelor prezente n aliaj. Constituenii metalografici, respectiv aspectele microscopice ale materialelor metalice. Rezultatele experimentale efectuate asupra metalelor i sistemelor de aliaje cunoscute pn n prezent arat c, pe baza factorilor de similitudine, constituenii metalografici pot fi clasificai n patru grupe distincte:

1. metal pur; 2. soluie solid; 3. compus definit (compus intermetalic); 4. amestec mecanic (agregat cristalin). ncercrile de clasificare dup alte criterii dect cele prezentate, evideniate n special n ultimii ani, nu sunt n contradicie cu modul de clasificare expus, pn n prezent unanim acceptat. 2. Constitueni metalografici

a) Metal pur. Noiunea de metal pur are n vedere faptul c materialul metalic este alctuit dintr-un singur component de baz, de exemplu: Fe, Cu, Al, Pb, Cd, Bi, Sn, etc. Aceasta nu exclude ns existena n compoziia chimic i a altor tipuri de atomi, n proporii foarte reduse, sub forma de impuritati sau incluziuni, nesemnificative n ceea ce privete influena asupra aspectului metalografic. De altfel, este important de menionat faptul c pn n prezent, nu au putut fi elaborate, prin metode de laborator industriale, metale de puritate absolut (100%). n practica industrial, se utilizeaz notaia p.p.m. (pri per milion, adic numrul de atomi strini la un milion de atomi de baza). Astfel, un metal cu o concentraie de impuriti de 1 p.p.m. conine un atom de impuritate la 10 6 atomi ai substanei de baz. Exprimat n concentraii 1 p.p.m. reprezint 0,0001%. Pe baza celor expuse, rezult c, din punct de vedere metalografic i al proprietilor, metalul pur constituie o singur faz.

Structura de turnare a metalelor pure, arat c acestea sunt alctuite din gruni cristalini cu forme neregulate la care limitele prezint un grad redus de liniaritate (aspect dantelat). Forma oarecum neregulat a structurii de turnare se datoreaz modului n care a decurs procesul de solidificare (dendritic), aspectul limitei de grunte fiind, de fapt, rezultatul ntlnirii dintre grunii nvecinai. Dup deformare plastic la cald i recoacere, structura metalelor pure este mai uniform din punct de vedere a mrimii gruntelui; n ceea ce privete morfologia, grunii cristalini tind spre forma poliedric, n funcie de sistemul de cristalizare fiind nemaclai sau maclai. n lucrarea de laborator nr. 3 din anex (Constitueni metalografici) se prezint micrografiile fierului ARMCO, laminat i recopt, atacat cu nital 2% (Proba 1) i a cuprului de puritate electrolitic, laminat i recopt, atacat cu persulfat de amoniu (Proba 2). b) Soluie solid. Acest constituent metalografic reprezint un amestec la scar atomic a cel puin dou elemente, dintre care cel de baz este n mod obligatoriu un metal. Soluiile solide se noteaz cu literele alfabetului grecesc , , , , si se pot forma numai din elemente metalice: alame monofazice (CuZn), bronzuri monofazice cu aluminiu (Cu-Al), duraluminiuri (Al-CuMg-Mn), sau dintr-un element metalic i unul nemetalic: ferit (Fe C), austenit (Fe -C), etc. Dat fiind faptul c reprezint un amestec la scar atomic, rezult c soluia solid este format dintr-o singur faz, chiar dac, din

punct de vedere metalografic, poate prezenta diferite aspecte, n funcie de modul de prelucrare. Dup poziia n care sunt plasai atomii n cadrul reelei cristaline se deosebesc: - soluii solide de substituie, la care atomii componentului dizolvat nlocuiesc n reeaua cristalin atomii metalului solvent; - soluii solide de interstiie, la care atomii componentului dizolvat se plaseaz n reeaua cristalin n interstiiile dintre atomii metalului solvent. n cazul n care atomii de substituie sau de interstiie ocup poziii bine determinate, dup un motiv care se repet pe distane mari, se obin soluiile solide ordonate, sau cu suprastructur, care stau la baza formrii compuilor definii. Formarea soluiilor solide este condiionat de trei factori: a) Factorul electrochimic, care ia n considerare contribuia energiilor de legtur interatomic la energia intern a aliajelor. Factorul electrochimic se exprim prin diferena de electronegativitate dintre componeni. Electronegativitatea unui element este o msur a tendinei atomilor si de a accepta electroni de valen, iar diferenele de electronegativitate ntre componenii aliajului (apreciat dup poziia reciproc n Tabelul periodic al elementelor) indic n mod calitativ posibilitatea formrii de compui intermetalici i tipul de legtur interatomic a acestora; b) Factorul geometric se exprim prin diferena relativ ntre diametrele atomice ale componenilor aliajului. Factorul geometric contribuie la energia intern a aliajelor prin energia nmagazinat n

distorsiunile elastice ale reelei cristaline, provocate de dimensiunea diferit a atomilor de specii diferite. Pentru formarea soluiilor solide cu solubilitate nelimitat, este necesar s existe o diferen mic ntre razele atomice; de exemplu, n fier se pot dizolva n orice proporie numai elementele care au raze atomice ce nu se deosebesc de raza atomic a fierului cu mai mult de 8%; metalele mai fuzibile, cum ar fi cuprul, formeaz serii continue de soluii solide chiar dac diferena razelor atomice ajunge la 10 11%, iar elementele uor fuzibile ca seleniul i telurul sunt solubile n orice proporii la o diferen a razelor atomice de pn la 17%. c) Factorul concentraie electronic se exprim prin numrul de electroni de valen ai aliajului, raportat la numrul de atomi. La variaia coninutului ntr-un element de aliere de valen diferit, concentraia electronic n zona Brillouin specific reelei cristaline a metalului de baz al aliajului se modific. Energia electronilor de valen cvasi-liberi ai gazului electronic al aliajului, distribuii n zonele de energie permise, reprezint o parte important a energiei interne din aliaje. n condiiile n care factorul electrochimic i factorul geometric sunt favorabili, astfel nct aportul lor la energia intern s nu mascheze efectul factorului concentraie electronic, aliajul va adopta structura cristalin a fazei sau structurile cristaline ale unui amestec de faze care permit acomodarea cu energii minime a electronilor gazului su electronic. n metalele monovalente cu reea cubic cu fee centrate (Cu, Ag, Au), n condiiile n care factorii geometrici i electrochimici sunt favorabili, se pot dizolva elemente cu valen superioar numai pn la 1,36 1,40 electroni pe atom. De exemplu, zincul bivalent se dizolv n cupru pn la 36% atomice, aluminiu i galiul trivalente pn la

18% atomice, siliciul i germaniul tetravalente pn la 12% atomice. Hume-Rothery au artat c la metalele c.f.c. concentraia critic este de 1,36 (1,40), la metalele c.v.c. - 1,48 (1,5), la reelele cubice complexe (aa-numitele faze ) - 21/13, iar la reelele h.c. (fazele ) 7/4. Aspectul metalografic al soluiilor solide corespunde modului de prelucrare: - soluiile solide turnate (solidificate i rcite n condiii industriale) prezint un aspect dendritic neomogen (segregaie dendritic), datorit compoziiei chimice variabile pe seciunea dendritei. Rcirea n condiii n afar de echilibru, face s apar un aspect zonar, stratiform al dendritelor, provocat de blocarea procesului de difuzie a atomilor. n cazul n care solidificarea i rcirea ulterioar decurg foarte lent, prin procese de difuzie normale, este posibil eliminarea segregaiei dendritice. - soluiile solide deformate plastic la cald i recoapte, prezint o structur omogen, alctuit din cristale poliedrice nemaclate (c.v.c.) sau cristale poliedrice maclate i nuanate diferit (c.f.c.). Se remarc, din punct de vedere al aspectului, asemnarea cu structura metalelor pure deformate plastic la cald i recoapte. n lucrarea de laborator nr. 3 din anex Constituenii metalografici se prezint micrografiile i principalele caracteristici ale unui bronz monofazic n stare turnat, atacat cu persulfat de amoniu (Proba 3) i dup deformare plastic la cald i recoacere (Proba 4).

Structura de turnare evideniaz o segregaie dendritic, iar cea de deformare plastic la cald i recoacere prezint gruni poliedrici omogeni, maclai i nuanai diferit. c) Compus definit. n sistemele de aliaje, compusul definit reprezint o faz singular care se exprim printr-o formul chimic de tipul A m B n , n care nu se respect ntotdeauna regula valenei. n cazul n care elementele componente sunt metale, compusul definit este denumit i compus intermetalic; n situaia n care intervine un component nemetalic, faza este denumit compus definit. Ca i compuii chimici, compuii definii se caracterizeaz prin compoziie chimic definit, exprimabil printr-o formul, se topesc la temperaturi bine determinate, posed reele cristaline proprii, diferite de cele ale componenilor, de cele mai multe ori complexe. n funcie de mecanismul de formare, compuii definii se calsific n: - compuii definii primari, ce se formeaz direct din topitur n procesul de solidificare. La observarea microscopic, aceti compui apar, n general, sub forme caracteristice: aciculare, lamelare, cubice (deci cu caracter idiomorf, cu simetrie exterioar), globulare sau n rozete. n lucrarea de laborator nr. 3 din anex n aliajele de cuzinei de tip Babbit (Proba 5) se evideniaz cristale de compus intermetalic SnSb de form cubic i cristale de compus intermetalic Cu 3 Sn cu aspect acicular; n aceeai lucrare n Proba 7 se evideniaz compui definii Cu 2 O cu aspect globular. - compuii definii secundari, se formeaz n urma unei transformri n stare solid. n cadrul acestei categorii, n funcie de mecanismul de formare, se evideniaz dou varieti: compui care se

formeaz la rcire lent din soluie solid, prin scderea solubilitii elementului de adaos n metalul de baz (cazul cementinei secundare separat n reea n oelurile hipereutectoide v. Proba 6 din lucrarea 3 din anex) i compui intermetalici cu aspect globular, separai prin descompunerea la nclzire a soluiilor solide suprasaturate obinute prin clire martensitic (Fe 3 C n oeluri, vezi lucrarea Structuri de tratamente termice) sau a celor obinute prin clirea de punere n soluie (CuAl 2 , ZrAl 3 , n aliajele de aluminiu). - compui definii care apar prin tratamente termochimice n anumite condiii de temperatur i concentraie (stratul alb de compus Fe 2 - 3 N la nitrurare, reeaua de cementit la carburare, vezi Lucrarea Structuri de tratamente termochimice din anex). Compuii definii sunt caracterizai prin duritate i fragilitate ridicate, fiind ns deosebit de rezisteni la atacul cu reactivi metalografici. n situaia n care aparin unor sisteme de cristalizare complexe sunt slabi conductori de cldur i electricitate, aceste proprieti fiind ameliorate n cazul unor sisteme cristaline simple (cubic sau hexagonal). d) Amestec mecanic (agregat cristalin). n structura sistemelor de aliaje de interes practic, adesea intervine un constituent metalografic caracteristic, alctuit din dou sau mai multe faze (metale pure, soluii solide, compui definii sau combinaii ale acestora). La observarea cu ajutorul microscopului optic, amestecurile mecanice pot fi evideniate sub mai multe tipuri de aspecte structurale, cu caracter neomogen i cu morfologii distincte ale amestecului de faze (lamelare, globulare, aciculare, sau alte aspecte particulare ce amintesc deseori idiogramele chinezesti).

Dup mecanismul de formare, amestecul mecanic poate fi: - amestec mecanic eutectic, ce se formeaz la solidificare, n condiii bine determinate de temperatur i compoziie chimic. n lucrarea nr. 3 din anex Constitueni metalografici se prezint un amestec mecanic eutectic alctuit din compui globulari Cu 2 O plasai n masa metalic de Cu (proba 7). Astfel de amestecuri mecanice eutectice se evideniaz i n aliajele Fe C (ledeburita), n aliajele Cd Bi (morfologie punctiform, vezi lucrarea nr. 3 din anex), n aliajele de cuzinei de tip Babbit (Sn Sb - Cu), n aliajele Al Cu, etc. - amestec mecanic eutectoid, ce se formeaz prin descompunerea unei soluii solide n condiii bine determinate de temperatur i compoziie chimic (reacie de transformare n stare solid). n lucrarea nr. 3 din anex Constitueni metalografici se prezint amestecul mecanic eutectoid caracteristic oelurilor perlit alctuit din ferit i cementit cu aspect metalografic lamelar (proba 8). Eutecticul i eutectoidul fiind amestecuri de faze, proprietile lor vor fi, n prim aproximaie, media ponderat a proprietilor fazelor componente. n funcie de aspectul metalografic, de gradul de finee al dispersiei fazelor, proprietile amestecurilor mecanice pot fi ns variabile, nregistrndu-se abateri de la valorile calculate prin media ponderat.

CAPITOLUL 4STRUCTURI DE DEFORMARE PLASTICA SI RECRISTALIZARE1. Consideraii generale

Deformaiile preluate de un material metalic sub aciunea unor solicitri exterioare sunt de dou tipuri, elastice i plastice. Deformaiile elastice sunt deformaiile al cror efect asupra formei, dimensiunilor, structurii i proprietilor materialului metalic nceteaz odat cu nlturarea cauzei solicitrii exterioare. Deformaiile plastice sunt precedate de deformaii elastice, apar sub aciunea unor solicitri exterioare care depesc limitele de elasticitate convenional a materialului metalic (Rp 0 , 0 2 pe diagrama de tensiune deformaia lui Hooke), iar efectele lor se pstreaz i dup nlturarea cauzelor care le-au provocat. Deformarea plastic a materialelor metalice realizat la temperaturi inferioare temperaturii de recristalizare a materialului metalic se numete deformare plastic la rece, iar deformarea plastic realizat la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare se numete deformare plastic la cald. Temperatura de recristalizare, considerat drept o caracteristic de material se determin cu ajutorul relaiei lui Bocivar: T R = K T t op ; [K] Unde: K = 0,2 pentru metale de nalt puritate;

K = 0,3 0,4 pentru metale de puritate tehnic; K = 0,5 0,6 pentru soluii solide; 2. Mecanismele deformrii plastice la rece ale materialelor metalice

Deplasrile ireversibile ale atomilor n materialul metalic deformat plastic se produc mai frecvent prin dou mecanisme: prin alunecare n interiorul grunilor i prin maclare (specific materialelor metalice cu structur hexagonal compact). Alunecarea pachetelor de atomi n interiorul cristalului metalic se realizeaz pe planele de maxim densitate atomic, dup direcii de maxim mpachetare atomic, deci dup sisteme de alunecare bine definite. Numrul sistemelor de alunecare (produsul ntre numrul planelor de alunecare i al direciilor de alunecare corespunztoare unei deplasri prin alunecare) dup care se poate produce deformarea plastic a unui material metalic, depinde de tipul reelei cristaline i este determinant pentru capacitatea de deformare a materialului metalic respectiv. Cel mai uor deformabile sunt metalele cu reea cristalin cub cu fee centrate, urmate de metalele cu reea cristalin cub cu volum centrat, metalele cu reea hexagonal compact fiind cele mai greu deformabile plastic. Pe suprafaa anterior lustruit a unei probe metalografice deformat plastic la rece se observ linii paralele, denivelri numite linii de alunecare. Liniile de alunecare reprezint interseciile planelor de alunecare (de maxim densitate atomic) cu suprafaa probei. n materialele metalice policristaline, liniile de alunecare au direcii

diferite de la un grunte la altul, permind punerea n eviden a structurii microscopice a materialului deformat plastic fr atac cu reactiv chimic. Alunecarea produs ntr-un grunte, pe mai multe plane de alunecare apropiate, determin formarea unei benzi de alunecare. Prin relustruirea suprafeei probelor deformate plastic la rece, liniile de alunecare dispar, ceea ce probeaz faptul c deplasrile ireversibile ale atomilor se fac cu un numr ntreg de distane interatomice, fr a fi afectat integritatea agregatului atomic, limitele grunilor rmnnd n contact permanent. Materialele metalice se pot deforma plastic i prin maclare. Deformarea plastic prin maclare se produce la eforturi foarte mari i n special n materiale metalice cu capacitate de deformare plastic sczut (cu puine sisteme de alunecare, de exemplu metalele cu reea cristalin hexagonal compact). Deformarea plastic prin maclare se poate asocia cu deformarea plastic prin alunecare; maclarea poate precede alunecarea, se poate produce simultan cu alunecarea, sau dup deformarea plastic prin alunecare. Maclarea presupune rearanjarea poziiilor atomilor sub aciunea efortului aplicat, regiunea maclat devenind, din punct de vedere cristalografic, imaginea n oglind a restului cristalului. Determinnd reorientri cristalografice mai favorabile n raport cu direcia efortului, maclarea creaz posibilitatea apariiei de noi sisteme de alunecare, fcnd posibil continuarea deformrii plastice a materialului metalic. Orientarea cristalografic diferit a maclei fa de restul cristalului determin i o comportare diferit a zonei maclate fa de reactivii chimici. Maclele se prezint n materialele metalice deformate plastic la rece (cu grade mici de deformare) sub form de plci subiri delimitate de suprafee plane i paralele.

n materialele metalice deformate plastic la rece cu grade mari de deformare, limitele de macl devin ondulate. Maclele de deformare se pot forma n anumite condiii de deformare (la temperatur sczut i viteze mari de deformare, deformare prin oc mecanic) i n materialele metalice cu reea cubic cu volum centrat (benzile Neumann n fierul ). Deformarea plastic la rece, la eforturi egale cu limita de curgere, poate de asemenea produce n anumite aliaje (oeluri moi cu azot dizolvat interstiial, aliaje de aluminiu cu coninut mai redus de cupru, zinc i cadmiu, impurificate cu azot dizolvat interstiial) benzi de deformare (benzi Luders). Ca i benzile de alunecare i benzile de deformare apar n relief pe suprafeele probelor deformate plastic (anterior lustruite). Spre deosebire de benzile de alunecare, care sunt limitate la un singur grunte, o band de deformare poate traversa mai muli gruni. 3. Efectele deformrii plastice la rece asupra structurii si proprietatilor materialelor m etalice n urma deformrii plastice la rece, n materialele metalice se produc urmtoarele modificri de structur i de proprieti: a) modificarea formei i dimensiunilor grunilor; b) modificarea orientrii grunilor n agregatul policristalin; c) modificarea structurii fine (formarea blocurilor n mozaic sau a subgrunilor i formarea blocurilor de dispersie coerent);

d) creterea proprietilor de rezisten (limita de curgere, rezistena la rupere, duritatea). e) scderea proprietilor de plasticitate (alungire, striciune). n timpul deformrii plastice la rece, n materialele metalice monofazice (metale pure, soluii solide) grunii i modific forma i dimensiunile, alungindu-se dup direcia principal de deformare (vezi microstructurile probelor 2, 3 din referatul lucrrii de laborator nr. 4 din anex). Cu ct gradul de deformare este mai mare, cu att alungirea grunilor este mai pronunat, limitele de grunte devenind n aceeai msur mai puin nete; structura capt un aspect pronunat fibros (vezi microstructura 4 din referatul lucrrii de laborator nr. 4 din anex). Simultan cu alungirea constituenilor structurali plastici, la deformarea plastic la rece se produce sfrmarea i distribuirea n iruri, pe direcia principal de deformare, a constituenilor fragili. Schimbarea formei i dimensiunilor grunilor este nsoit i de rotiri ale planelor de alunecare, astfel nct direciile de alunecare devin paralele cu axele efortului aplicat. Agregatul policristalin capt o orientare cristalografic preferenial, observabil (prin tehnici bazate pe difracia razelor X) pentru materiale metalice cu reele cubice cu fee centrate i cubice cu volum centrat la grade de deformare mai mari de 40%, iar pentru materialele metalice cu reea hexagonal compact la grade de deformare mai mari de 10%. Aceste orientri determin textura de deformare.

Dup deformare plastic la rece cresc caracteristicile mecanice de rezisten i scad cele de plasticitate. n acest fel ntreg materialul metalic se durific sub efort, acest proces fiind cunoscut sub numele de ecruisare. Pentru acelai grad de deformare, materialele policristaline se ecruiseaz mai uor dect monocristalele. Materialele metalice cu granulaie fin, precum i cele cu particule fin disperse se ecruiseaz mai uor dect cele cu granulaie grosolan sau metale pure. Materialele metalice cu reea cub cu fee centrate se ecruiseaz mai uor dect cele cu reele cub cu volum centrat sau hexagonal compact. innd seama de legtura existent ntre mrimea deformaiei i gradul de ecruisare, acesta din urm se poate aprecia cantitativ cu ajutorul gradului de deformare plastic. Gradul de deformare plastic ( %) se definete printr-una din relaiile: = d 0 d . 100 d0 [%] sau = A 0 A : 100 [%] A0

unde d 0 i A 0 reprezint dimensiunea liniar (mm) respectiv aria transversal a probei (mm 2 ) naintea deformrii, iar d i A reprezint aceeai parametri dar dup deformare. 4. Influena temperaturii asupra materialelor metalice ecruisate Peste anumite limite ale ecruisrii materialului metalic, deformarea plastic la rece nu poate continua, ducnd la ruperea

materialului. Posibilitatea continurii deformrii plastice la rece, la grade mari de deformare este oferit de aplicarea unui tratament termic recoacere de recristalizare - prin care se nltur efectele ecruisrii. La nclzirea materialelor metalice ecruisate se produc, datorit difuziei atomilor, modificri de structur i proprieti. Atunci cnd temperatura de nclzire este inferioar unei temperaturi caracteristice temperatura de recristalizare au loc procese de restaurare a unor proprieti electrice, magnetice, dependente de substructur. nclzirea la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare determin recristalizarea structurii, prin apariia unei noi generaii de gruni i creterea n continuare a acestora. Se constat, cu creterea temperaturii, o cretere a caracteristicilor mecanice de plasticitate i o scdere corespunztoare a celor de rezisten. Scderea ulterioar a plasticitii prin nclziri la temperaturi i mai ridicate este determinat de procesele de topire local care se produc la limitele cristalelor, urmate de oxidarea rapid (arderea) acestor zone. Mrimea gruntelui final, obinut prin recristalizare, depinde n principal de temperatura de recoacere i de gradul de reducere (sau gradul de ecruisare) aplicat la deformarea plastic la rece anterioar tratamentului. Modificrile structurale determinate de recoacerea de recristalizare a unei alame monofazice ecruisate, n funcie de temperatura de nclzire, sunt prezentate n referatul lucrrii de laborator nr. 4 din anex (microstructurile probelor 5 7). Deformarea plastic la rece a oelurilor hipereutectoide sau cu coninut sczut de carbon, determin aceleai modificri de structur i de proprieti ca i n cazul aliajelor monofazice. Astfel, deformarea plastic la rece determin alungirea grunilor pe direcia principal de

deformare, mai pronunat a celor de ferit dect a grunilor de perlit. Gradul de alungire a grunilor este dependent de gradul de deformare aplicat. n acelai timpse produce creterea caracteristicilor de rezisten i scderea celor de plasticitate, se produce deci ecruisarea oelului. Recoacerea de recristalizare aplicat unui oel ecruisat, determin modificri ale structurii i proprietilor, n acelai sens ca i n cazul aliajelor monofazice. n referatul lucrrii de laborator nr. 4 din anex se prezint microstructurile unui oel hipoeutectoid slab aliat 16MoCr10 n urmtoarele 3 variante: n stare recoapt n vederea mbuntirii deformabilitii plastice la rece (cristale de ferit plastic i perlit globulizat), n stare deformat plastic la rece (cu cristale de ferit puternic deformate i perlit globular) precum i n stare recoapt n vederea recristalizrii feritei. De menionat c recristalizarea feritei dintr-un oel ecruisat se realizeaz n urma nclzirii oelului la temperaturi imediat superioare temperaturii de recristalizare a oelului (la 700 0 C), pentru recristalizarea structurii ferito-perlitice este ns necesar nclzirea oelului, n domeniul austenitic, peste punctul Ac3. 5. Efectele deformrii plastice la cald asupra structurii i proprietilor materialelor m etalice Deformarea plastic la cald (realizat la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare), determin de asemenea ecruisarea materialului metalic, dar la temperatura procesului creaz condiii

desfurrii simultane i a proceselor de recristalizare, numit n acest caz recristalizare dinamic. Dup deformare plastic la cald (de ex. a unui oel hipoeutectoid) structura primar este modificat producndu-se o aliniere a dendritelor deci i o distribuie orientat impuritilor solubile (dispuse interdendritic) precum i a impuritilor insolubile (incluziuni plastice) de ex. sulfuri. Dup deformarea plastic la cald n cursul creia se produce recristalizarea dinamic, oell are o structur cu gruni echiaxi, precum i un fibraj propriu alctuit din distribuie orientat a impuritilor solubile i insolubile. Prezena fibrajului produs de impuriti va influena transformrile care se produc la rcirea de la deformarea plastic la cald. Incluziunile nemetalice, plastice, distribuite n iruri pe direcia principal de deformare, vor constitui suprafee de germinare pentru ferita proeutectoid, aa nct perlita va germina ulterior ntre irurile de ferit, rezultnd structura n iruri sau structura n benzi. Structura accentuat n benzi constituie o structur defectuoas, determinnd o puternic anizotropie a proprietilor oelului (microstructura probei 6 din referatul lucrrii din anex Structuri defectuoase n oeluri i tratamentul termic de remediere). Prentmpinarea structurii accentuate n benzi se realizeaz prin elaborarea ct mai ngrijit a oelului (cu cantitate ct mai mic de impuriti), precum i prin aplicarea unor viteze de rcire mai mari de la deformarea plastic la cald. Efectele asupra structurii i proprietilor materialelor metalice produse prin ecruisaj i recristalizare sunt ilustrate n figura de mai jos.

CAPITOLUL 5STRUCTURI DE ECHILIBRU ALE OELURILOR CARBON1. Consideraii generale

Oelurile sunt aliaje fier-carbon, plasate n diagrama de echilibru metastabil n domeniul 0,0 ... 2,11% C (fig.12). Fierul se prezint, n funcie de temperatur, sub mai multe modificaii polimorfe, care difer ntre ele prin tipul retelei cristaline, prin magnetism, ct i prin capacitatea de dizolvare a carbonului. n mod corespunztor, si proprietile fizico-chimico-mecanice difera in functie de diversele modificaii polimorfe. Transformarile polimorfe ale fierului sunt urmatoarele:

1394 0 C 912 0 C Fe Fe Fe c.v.c. c.f.c. c.v.c.Temperaturile la care au loc transformrile din diagrama metastabila Fe-C sunt denumite puncte critice, fiind notate dup cum urmeaz: A 1 la 727 0 C, corespunde transformrii eutectoide n oelurile carbon, respectiv linia PSK pe diagrama Fe Fe 3 C;

A 2 la 770 0 C, Fe magnetic trece n Fe nemagnetic (transformarea magentic = punct Curie), linia MO pe diagram; A 3 la 912 0 C, Fe (cubic cu volum centrat) trece n Fe (cubic cu fee centrate), respectiv linia GOS pe diagrama Fe Fe 3 C; A 4 la 1394 0 C, Fe (cubic cu fee centrate) trece n Fe (cubic cu volum centrat) respcetiv linia NJ pe diagrama Fe Fe 3 C. A c e m pe linia SE, corespunde dizolvrii (separrii) cemetitei secundare (Fe 3 C) n (din) austenit. Figura 12 Diagrama metastabil Fe-Fe 3 C

Transformrile au loc cu histerezis termic, adic valoarea temperaturii la care se produce transformarea la nclzire este diferit de valoarea temperaturii la care are loc transformarea la rcire. Din acest motiv, la nclzire notarea punctelor de transformare devine Ac 1 , Ac 3 , Ac 4 , Ac c e m , iar la rcire Ar 1 , Ar 3 , Ar 4 , Ar c e m . 2. Faze i constitueni n sistem ul Fe Fe 3 C Fazele i constituenii de echilibru metastabil ai oelurilor sunt dependente de concentraia n carbon i de temperatur. n diagrama Fe Fe 3 C se evideniaz: - Ferita (Fe - C), notat cu simbolul F sau , reprezenit o soluie solid interstiial de carbon n fier . La temperatura de 727 0 C, ferita dizolv 0,02%C, iar la temperatura ambiant 0,006%C. Metalografic, dup atacul cu nital 2%, ferita apare fie cu aspect de gruni alotrimorfi, n oelurile cu pn la 0,5%C (probele D 1 D 4 ), fie sub form de reea celular n oelurile hipoeutectoide cu mai mult de 0,5%C (proba D 5 ). Ferita cristalizeaz n sistemul cubic cu volum centrat, este magnetic pn la temperatura de 770 0 C, prezint rezistena de rupere la traciune relativ redus (300 N/mm 2 ), duritate mic (HB = 800 N/mm 2 ), este foarte ductil, avand o alungire mare (A 5 = 60%), imprimnd n ansamblu oelurilor o bun plasticitate i rezilien. - Cementita (Fe 3 C) notat cu simbolul Cem sau Fe 3 C este un compus definit care dizolv 6,67%C. n funcie de mecanismul de formare, cementita poate fi: primar (Fe 3 C), eutectic, secundar (Fe 3 C), eutectoid i teriar (Fe 3 C). Din punct de vedere metalografic:

cementita primar se evideniaz numai n fontele albe hipereutectice, sub form acicular (cristale idiomorfe); cementita eutectic se evideniaz n eutecticul fontelor albe, constituind faza continu a acestuia; cementita secundar se separ la rcire din austenit pe linia SE, evideniindu-se n oeluri sub form de reea mai mult sau mai puin continu n jurul cristalelor de perlit; cementita eutectoid se separ la rcire, sub form lamelar, din austenita aflat la temperatura 727 0 C i concentraia de 0,77%C, ntr-un amestec mecanic mpreun cu ferita; cementita teriar se separ la rcire din ferit, pe linia PQ, la limitele grunilor de ferit. n oeluri, separrile de cementit teriar se ataeaz formaiunilor de perlit sau de cementit, n aceste materiale nuidentificandu-se separat cementita teriar. Cementita cristalizeaz n sistemul ortorombic, nu este atacat de nital, este atacat de picratul de sodiu la fierbere, este foarte dur (HB = 8000 N/mm 2 ), prezint o rezisten la traciune foarte redus (40 N/mm 2 ), este foarte fragil; n funcie de proporiile n care se afl n oel i de modul de separare, cemetita imprim acestuia mai mult sau mai puin din caracteristicile pe care le posed. - Perlita, notat cu simbolul P reprezint amestecul mecanic eutectoid al aliajelor Fe Fe 3 C. Rezult prin descompunerea la rcire a austenitei cu 0,77%C, la temperatura de 727 0 C. Metalografic, dup atacul cu nital 2%, la mriri mai puternice, perlita apare sub form de lamele alternante de ferit i cementit cu

aspect de amprent de deget, de culoare brun, cu irizaii albstrii dac atacul este mai intens. Perlita este constituentul caracteristic oelurilor; fiind un amestec mecanic, are proprieti medii corespunztoare proporiilor fazelor constitutive. n funcie de gradul de finee i dispersie, rezistena de rupere la traciune a perlitei este cuprins ntre 700 850 N/mm 2 , duritatea HB = 1800 2250 N/mm 2 , alungirea A 5 = 8 12 %. n funcie de proporia n care se gsete n structur, de gradul de finee i de dispersie, perlita imprim oelurilor proprieti caracteristice de rezisten mecanic i elasticitate. - Austenita (Fe - C) notat cu simbolul A sau , reprezint o soluie solid interstiial de carbon n fier , cristaliznd n sistemul cubic cu fee centrate. n sistemul Fe Fe 3 C, austenita reprezint o faz stabil la temperaturi mai mari de 727 0 C respectiv peste punctele critice superioare A 3 i A c e m (n funcie de concentraia n carbon) si nu n structura de echilibru a oelurilor la temperatura ambiant. Datorita sistemului de cristalizare, austenita prezint caracteristici foarte bune de plasticitate, deformarea fcndu-se pe familia de plane si directii de maxima densitate in atomi {111} i respectiv . De aceea, oelurile sunt supuse deformrii plastice la cald n domeniul austenitic. Rezistena de rupere i duritatea austenitei sunt variabile cu temperatura i coninutul n carbon al oelului. - Ferita (Fe - C) notat cu simbolul , reprezint o soluie solid interstiial de carbon n fier , cristaliznd n sistemul cubic cu volum centrat. n sistemul Fe Fe 3 C, ferita reprezint o faz stabil la temperaturi mai mari de 1394 0 C, n funcie de concentraia de carbon, fapt pentru care nu se evideniaz n structura de echilibru a

oelurilor la temperatura ambiant. Datorita sistemului de cristalizare, ferita prezint caracteristici de plasticitate inferioare austenitei, deformarea fcndu-se pe familia de plane si directii de maxima densitate in atomi {111} i . Rezistena la rupere i duritatea feritei sunt variabile cu temperatura i coninutul n carbon al oelului. 3. Aspectul m icroscopic al oelurilor carbon n stare de echilibru n vederea efecturii studiului metalografic, probele de oel se supun pregtirii prin lefuire i lustruire, dup care sunt atacate cu un reactiv metalografic specific nital 2% (soluie de HNO 3 2% n alcool); durata atacului este 10 - 15s la oelurile moi i semidure, 2 5s la oelurile dure i extradure. n cazul oelurilor hipereutectoide pentru evidenierea cementitei secundare se utilizeaz atacul timp de 5 10 minute n reactiv specific picrat de sodiu la fierbere. n lucrare sunt prezentate microstructurile probelor D 1 D 8 ale principalelor grupe de oeluri n stare de echilibru (stare recoapt). Proba D 1 prezint microstructura unui fier tehnic cu 0,02%C dup laminare la cald i recoacere. Structura este alctuit din gruni poliedrici de ferit (de nuan deschis) la limitele crora se evideniaz separri de nuan argintie de cementit teriar. Proba D 2 prezint structura unui oel carbon de calitate de cementare OLC 15 STAS 880-80 (echivalent OL34 STAS 500-80) dup laminare la cald i recoacere complet. Structura este alctuit din cristale poliedrice de ferit (de nuan deschis) i formaiuni de perlit (de nuan nchis). Proporia de perlit este aproximat la 20%, iar cea de ferit la 80% din totalul suprafeei micrografiei.

Proba D 3 prezint microstructura unui oel carbon de calitate OLC 25, STAS 880-80 (echivalent OL 42, STAS 500-80) dup laminare la cald i recoacere complet. Structura este alctuit din gruni de ferit (de nuan deschis) i formaiuni de perlit (de nuan nchis). Proporia de perlit este de circa 35%, iar cea de ferit de circa 65% din totalul suprafeei micrografiei. Creterea coninutului de carbon n oelurile hipoeutectoide se manifest prin creterea coninutului de perlit i prin trecerea aliajului n grupa oelurilor de mbuntire. Astfel, n proba D 4 se prezint microstructura unui oel carbon de calitate, de mbuntire, OLC 45, STAS 880-80 (echivalent OL 60K, STAS 500-80) dup laminare la cald i recoacere complet. Structura este alctuit din cristale de ferit (de nuan deschis) i formaiuni de perlit (de nuan nchis). Proporia de perlit este de circa 60%, iar cea de ferit de circa 40% din totalul suprafeei micrografiei. Microstructura probei D 5 (oel carbon de calitate, de mbuntire, OLC 60, STAS 880-80 echivalent OL 70K, STAS 50080) dup laminare la cald i recoacere complet. Structura este alctuit din cristale de perlit (de nuan nchis) i ferit (de nuan deschis) aflat sub form de reea celular discontinu, cu limite neregulate. Proporia de ferit este de circa 10%, iar cea de perlit de circa 90% din totalul suprafeei micrografiei. Aliajele cu coninuturi de carbon eutectoide se ncadreaz n categoria oelurilor carbon de scule, avnd dup deformare plastic la cald i recoacere complet structur perlitic. n lucrare, n proba D 6 se prezint microstructura unui oel carbon de scule OSC 8, STAS 1700-80. Se evideniaz o structur alctuit din lamele alternante de cementit i ferit, cu un aspect de amprent de deget (perlit lamelar). Oelurile cu coninuturi de carbon

hipereutectoide prezint structuri alctuite din perlit lamelar i reea fin de cementit secundar. n lucrare, la proba D 7 se prezint micrografia unui oel carbon de scule OSC 12, STAS 1700-80 dup deformare la cald i recoacere complet. Dup atacul cu nital, n structur se evideniaz separrile sub form de reea fin de cementit secundar (de culoare deschis) n masa metalic de baz perlitic (de culoare nchis). Atacul cu reactiv specific cementitei secundare (picrat de sodiu la fierbere) aplicat aceluiai oel, evideniaz n micrografia probei D 8 aspectul cementitei secundare sub form de reea fin de culoare brun nchis, ntr-o mas metalic de baz neatacat. Alturat micrografiilor se prezint principalele caracteristici mecanice i de plasticitate ale oelului respectiv, precum i domeniile lui de utilizare. La temperatura ambiant, principalele caracteristici mecanice i de plasticitate ale oelurilor aflate n stare de echilibru structural sunt dependente de coninutul n carbon. Dup cum rezult, duritatea (HB) crete continuu cu creterea coninutului n carbon, in timp ce alungirea (A), gtuirea (Z) i tenacitatea scad continuu cu creterea coninutului de carbon din oel. O evoluie interesant o prezint rezistena de rupere la traciune (R m ) care nregistreaz creteri pn la coninuturi de circa 0,8% C (concentraia eutectoid) dup care scade energic. Scderea rezistenei de rupere se datoreaz apariiei, n structura de echilibru, a cementitei secundare (dure, fragile i cu rezisten sczut de rupere) sub form de reea fin n jurul grunilor de perlit.

CAPITOLUL 6INCLUZIUNI NEMETALICE IN OTELURI1. Consideraii generale Prezentarea structurilor oelurilor carbon turnate, laminate, forjate sau sudate (piese, scule, semifabricate, elemente de construcie) cu un evident caracter defectuos, n comparaie cu structurile corecte, obinute prin aplicarea recoacerilor de regenerare, permite dobndirea unei experiene utile n recunoaterea i depistarea strilor structurale nefavorabile i a cauzelor care le-au determinat, indicnd i modalitile de remediere. Acest lucru este posibil prin compararea structurilor respective cu etaloane structurale standardizate (incluziuni nemetalice, mrime de grunte, structuri n iruri etc.). 2. Incluziuni nemetalice Incluziunile nemetalice apar in oeluri ca urmare a impurificrii chimice a acestora cu o serie de elemente chimice (impuriti) antrenate din materia prim, din adaosurile tehnologice (dezoxidanti Si, Mn, Al) i gazele din atmosfera cuptoarelor (N 2 , H 2 , O 2 etc). Reacionnd atat ntre ele, cat i cu fierul, aceste impuriti vor constitui n microstructura oelului o serie de compui sub form de cristale de sine stttoare, cu caracter nemetalic, fragile i slab

rezistente, ncorporate n matricea metalic rezistent, denumite incluziuni nemetalice. Gradul de puritate al unui oel, sau puritatea fizic stabilit pe cale microscopic se refer la cantitatea de incluziuni nemetalice existente n acesta. Prezena incluziunilor altereaz sensibil proprietile mecanice ale oelurilor, n special tenacitatea i rezistena la oboseal, ntruct ele ntrerup continuitatea masei metalice i constituie practic goluri sau microfisuri de la care se amorseaz uor ruperea. De aceea, pentru organele de maini greu solicitate (n special la oboseal) trebuie garantat o anumit puritate a oelului, care devine un criteriu de calitate decisiv n recepia materialului n construcia de maini. Determinarea incluziunilor nemetalice din oeluri este reglementat de STAS 5949-60 i se refer la aprecierea i exprimarea cantitativ a incluziunilor nemetalice prin punctaje stabilite comparativ cu etaloane structurale, constituite pe tipuri de incluziuni (sulfuri, silicai, oxizi, nitruri) i notate cu punctaje de la 1 la 5 (n corelaie cu creterea proporiei lor). Oelurile foarte curate cu punctaje admisibile ntre 1 i 1,5 sunt cele destinate confecionrii rulmenilor. Pentru organe de maini greu solicitate se impun oeluri relativ curate, apreciate prin punctaje maxim admisibile de la 3 la 3,5. Oelurile foarte impure, cu punctaje peste 5 nu se utilizeaz n construcia de maini. Punctajele mari reflect un grad mare de impurificare, nu numai cu incluziuni endogene fine (inerente procesului de elaborare), ci i cu incluziuni exogene, grosolane

(antrenate din cptueala refractar, din zgur etc.) care sunt total inadmisibile. Aprecierea i exprimarea cantitii i mrimii incluziunilor nemetalice este posibil n prezent prin aplicarea unor metode automate de determinare, reglementate prin STAS 5949/2-83, prin baleierea mecanic la un analizor automat de faze sau baleierea electronic i analiza automat cu un discriminator, datele fiind prelevate i rezultatele afiate la imprimant (microscop cantitativ de tip Epiquant sau aparat de tip Quantimet). Caracterizarea incluziunilor nemetalice se face n funcie de natura lor (sulfuri, oxizi, silicai, nitruri) i de aspectul caracteristic (globular, punctiform, n iruri, particule alungite), care depinde de modul de formare a structurii (turnare, deformare plastic). Forma incluziunilor n oeluri turnate depinde de natura acestora, respectiv de temperaturile lor de topire. Astfel, sulfurile de mangan (MnS) i silicaii, cu temperaturi de topire mai mari dect ale oelului, preexistente solidificrii, adopt forme de cristale globulare sau coluroase izolate, plasate intragranular, iar cele uor fuzibile (FeS) se solidific ultimele sub form de pelicule intergranulare. Distribuia incluziunilor n produsul metalic i forma lor final depinde de modul de elaborare i de prelucrrile ulterioare prin deformare plastic (laminare, forjare, matriare) prin care se difereniaz trei comportri, respectiv forme caracteristice de incluziuni nemetalice (Fig.13 i 14): plastice (MnS) care se alungesc mult n direcia deformrii, adoptnd forme lenticulare;

fragile (oxizi, silicai) care se sparg i se distribuie ca particule coluroase disperse (MnO) sau se fragmenteaz, aliniindu-se sub form de iruri (Al 2 O 3 i silicai fragili); semiplastice (silicai compleci heterofazici) care n unele zone se alungesc (formeaz cristale cu margini netede), iar n alte zone fiind fragile se sparg (formeaz cristale coluroase). Coloraiile proprii incluziunilor care apar la microscop fr atac metalografic sunt de nuane nchise (brun cenuiu - negru) i permit indirect identificarea lor. n lucrarea de laborator, probele pentru evidenierea incluziunilor nemetalice se studiaz n stare neatacat, fiind astfel selecionate, nct n fiecare s predomine cte un tip de incluziune nemetalic, difereniate ca natur: sulfuri, oxizi, silicai (probele 1, 2, 3). Observarea se face la mriri 100 : 1 pentru a putea fi comparate cu etaloanele standard. Pentru ca incluziunile s poat fi recunoscute uor dup form i culori caracteristice, observarea se poate face i la mriri mai mari (300-500 : 1). Scrile etalon pentru aprecierea punctajului incluziunilor nemetalice sunt reproduse dup STAS 594980 sub forma unui extras.

Figura 13 Aspectul schematic al incluziunilor nemetalice n oelul turnat: a) incluziuni refractare (MnS, silicai); b) incluziuni uor fuzibile (FeS);

Figura 14 Aspectul schematic al incluziunilor nemetalice n oelul deformat plastic: a) forme lenticulare cu margini netede (MnS); b) forme coluroase (oxizi); c) forme parial lenticulare, cu margini netede i parial coluroase (silicai)

CAPITOLUL 7STRUCTURI DEFECTUOASE N OELURI I TRATAMENTUL TERMIC DE REMEDIERE1. Consideraii generale Prezentarea structurilor oelurilor carbon turnate, laminate, forjate sau sudate (piese, scule, semifabricate, elemente de construcie) cu un evident caracter defectuos, n comparaie cu structurile corecte, obinute prin aplicarea recoacerilor de regenerare, permite dobndirea unei experiene utile n recunoaterea i depistarea strilor structurale nefavorabile i a cauzelor care le-au determinat, indicnd i modalitile de remediere. Acest lucru este posibil prin compararea structurilor respective cu etaloane structurale standardizate (incluziuni nemetalice, mrime de grunte, structuri n iruri etc.). 2. Defecte structurale care apar la nclzirea oelurilor n dom eniul austenitic. Structurile ferito-perlitice care rezult n mod arbitrar necontrolat la rcirea produselor din oel carbon turnate, forjate, laminate, sudate, de la temperaturile nalte corespunztoare domeniului austenitic (900 1495 0 C) au de obicei un caracter

defectuos: sunt neomogene din punct de vedere chimic, cu orientri dendritice, au distribuii neuniforme, aciculare ale feritei i cementitei secundare, manifest granulaii grosolane, prezint aspect n iruri sau benzi. Structurile de supranclzire sunt o consecin a faptului c operaiile tehnologice amintite se execut i se termin la temperaturi mult superioare temperaturilor critice Ac 3 , Ac c e m , fiind nsoite de creterea exagerat a granulaiei austenitice. Structurile rezultate prin transformarea austenitei supranclzite depind de viteza de rcire. La rcire lent, procesele de difuzie au timp s conduc la o structur celular cu ferita proeutectoid sau cementita secundar la limita cristalelor mari de austenit (care la traversarea temperaturii Ac 1 se transform n perlit). Structura Widmanstatten este o consecin a supranclzirii i rcirii ulterioare cu vitez mai mare (de exemplu n aer) a semifabricatelor turnate, sudate, deformate plastic la cald, cnd fazele proeutectoide (ferita sau cementita) se separ parial n reea, la limitele cristalelor mari de austenit, i parial sub form de cristale aciculare formnd ntre ele unghiuri caracteristice, care cresc coerent n raport cu planele de clivaj (111) ale austenitei din interiorul cristalului, fragmentndu-l. Cele doua structuri, cea grosolan i cea Widmanstatten, fragilizeaz oelul n mod nepermis, chiar dup aplicarea tratamentului de mbuntire. De aceea, se impune aplicarea unui tratament termic de regenerare a acestor structuri. Prezena unei mari proporii de incluziuni nemetalice aliniate n direcia deformrii, precum i a unor segregaii importante ale fosforului, faciliteaz la rcire separarea preferenial a feritei i

perlitei sub forma unor benzi alternante care constituie structura n iruri. Aceasta imprim materialului un caracter puternic anizotrop, caracteristicile n special cele mecanice fiind foarte sczute n direcia perpendicular pe direcia irurilor. Ca i structurile de supranclzire, structurile n iruri se pot regenera prin recoaceri complete (nclziri peste Ac 3 ) urmate de rciri n aer (normalizare). Decarburarea superficial se previne prin practicarea nclzirii acestor oeluri sensibile la decarburare n atmosfere controlate, sau bi de topituri de sruri neutre. Fisurile sunt defecte iremediabile si pot apare fie la nclzire, n care caz marginea lor apare decarburat, fie la rcire, cu margini nedecarburate, ca urmare a apriiei n produs a unor tensiuni termice ce depesc limita de rupere a materialului la temperatura respectiv. n micrografia probei 7 din lucrarea de laborator este pus n eviden fenomenul de decarburare produs la marginile unor fisuri. n STAS 5500 74 sunt definite majoritatea defectelor structurale din oeluri, iar n STAS 7626 79 sunt date etaloane structurale de incadrare a unora din aceste defecte sub form de punctaje, n funcie de gradul lor de extindere. 3. Tratamente termice de regenerare a structurilor de supranclzire Regenerarea structurilor de supranclzire implic rencalzirea produselor turnate, sudate sau deformate plastic la cald la temperaturi situate cu 20 - 40 0 C peste temperatura Ac 3 sau Ac c e m . n acest mod, se

produce recristalizarea fazic total a structurii defectuoase. Din austenita omogen, cu granulaie fina asfel obinut, iau natere la rcire lent (recoacere) sau la normalizare structuri celulare, normale, fine, ce asigur oelului tenacitate ridicat. Etaloanele structurale (Figura 15) pentru ncadrarea mrimii gruntelui real adic cel existent n material sau produs dup deformare plastic la cald sau dup orice tratament termic sunt reprezentate de 8 punctaje sau indici numerici N= 1...8 (STAS 549060). ntre numrul de gruni n numrai la mrirea 100:1 pe o suprafa de 1 mm 2 a probei metalografice i N exist relaia: n = 8 x 2N

Figura 15 Etaloane structurale pentru determinarea mrimii de grunte (STAS 5490-60); mrirea 100:1

CAPITOLUL 8STRUCTURILE FONTELOR ALBE I CENUII1. Consideraii generale Grupul aliajelor Fe-C cunoscute sub denumirea de fonte, include o mare varietate de aliaje care difer ntre ele prin compoziie chimic i structur. Ele au coninuturi relativ ridicate de carbon (2,11 6,67%), fie dizolvat n ferit i separat sub form de cementit (Fe 3 C), cnd se numesc fonte albe i fac parte din sistemul Fe Fe 3 C, fie dizolvat n ferit i separat sub form de grafit, cnd se numesc fonte cenuii i fac parte din sistemul fier grafit. 2. Fonte albe Fontele albe sunt denumite astfel din cauza aspectului argintiu pe care l prezint n suprafeele de rupere, coninutul de carbon situnduse ntre 2,11 6,67%. Factorii care favorizeaz obinerea fontelor albe sunt viteza