Stiinta si Tehnologia Materialelor

Download Stiinta si Tehnologia Materialelor

Post on 22-Oct-2015

35 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Stiinta si Tehnologia Materialelor

TRANSCRIPT

  • TIINA MATERIALELOR Modulul (capitolul) 2

    CUPRINS METALE , ALIAJE SI DIAGRAME DE ECHILIBRU FAZIC ....... 49

    2.1. Introducere ................................................................................ 49 2.2. Fazele solide din structura aliajelor .......................................... 52 2.3. Constituenii structurali (metalografici) ai aliajelor.................. 58 2.4. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare ........... 58 2.5. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare .......... 83 2.6. Tratamentele termice aplicate aliajelor ..................................... 88 Cuvinte cheie.................................................................................... 90 Bibliografie....................................................................................... 90 Teste de autoevaluare....................................................................... 91 Aplicaii ............................................................................................ 93

    OBIECTIVE:

    Insuirea noiunilor privind aliajele, diagramele de echilibru fazic al acestora i principiile generale ale modificrii structurilor prin tratamente termice.

    Se au n vedere urmtoarele aspecte: definirea noiunilor de aliaj, component, faz, constituent structural, tipuri de faze specifice aliajelor (soluii solide, compui definii, metale pure), studiul principalelor tipuri de diagrame de echilibru ale aliajelor binare, noiuni generale despre diagramele de echilibru ale aliajelor ternare i noiuni generale de tratamente termice. Pentru a ajuta la fixarea cunotinelor legate de studiul aliajelor cu ajutorul diagramelor de echilibru se prezint i cteva aplicaii rezolvate .

    Timpul mediu necesar asimilrii modulului: 18 ore

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    49

    METALE , ALIAJE SI DIAGRAME DE

    ECHILIBRU FAZIC

    2.1. Introducere

    Metalele sunt elemente chimice cu caracter electropozitiv (elemente care

    n procesele chimice cedeaz electroni, transformndu-se n ioni pozitivi).

    Metalele se caracterizeaz prin urmtoarele proprieti fizice:

    * au conductibilitatea termic i electric ridicat;

    * au rezistivitatea electric cresctoare odat cu temperatura;

    * sunt opace i prezint un luciu specific (luciu metalic);

    * sunt maleabile i ductile.

    Aceste proprieti au la baz structura atomic a metalelor. n cazul

    metalelor numai electronii apropiai de nucleu aparin unui orbital atomic

    individual (orbitalul fiind, prin definiie, zona din jurul unui nucleu atomic n care

    se nscriu cu cea mai mare probabilitate traiectoriile de micare ale electronilor).

    Orbitalii care conin electronii nvelisului atomic exterior (electronii de valen) se

    contopesc, dnd natere unor orbitali care se extind peste ntregul edificiu de

    atomi al unui metal; se spune c aceti electroni, slab legai de nucleele atomice i

    caracterizai prin niveluri energetice ridicate i o mare mobilitate, aparin

    ansamblului de atomi ai metalului i formeaz un nor (gaz) electronic. Prin

    urmare, orice metal (corp metalic) se poate considera ca fiind alctuit dintr-un

    ansamblu de ioni pozitivi (atomii fr electronii de valen) i norul electronic.

    Interaciunea complex dintre ionii pozitivi i norul electronic determin existena

    la metale a legturii chimice specifice, numit legtur metalic (cu trsturi

    asemntoare legturii covalente, numai c, spre deosebire de legtura covalent,

    la care electronii de valen sunt colectivizai la nivelul unei perechi de atomi, n

  • STIINTA MATERIALELOR

    50

    cazul legturii metalice colectivizarea electronilor se extinde pe ntregul edificiu

    de atomi existent).

    Dei simplificat, descrierea de mai sus a structurii atomice a metalelor

    permite explicarea principalelor proprieti fizice ale acestora; astfel, mobilitatea

    mare a norului electronic determin conductibilitatea ridicat a metalelor,

    capacitatea norului electronic de a absorbi lumina explic opacitatea corpurilor

    metalice, posibilitatea deplasrii i rearanjrii uoare a ionilor pozitivi care

    compun piesele metalice explic maleabilitatea i ductilitatea acestora etc.

    Principalele elemente chimice care aparin clasei metalelor sunt marcate n

    tabelul periodic al elementelor, prezentat n tabelul 1.1, iar caracteristicile fizico-

    chimice ale metalelor cu cele mai mari ponderi de utilizare n tehnic sunt redate

    n tabelul 1.2. Aliajele sunt materiale metalice omogene la scar macroscopic, obinute

    n mod obinuit prin solidificarea unor faze lichide (topituri) care conin speciile

    atomice ale mai multor elemente chimice.

    Elementele chimice coninute n structura unui aliaj sunt denumite

    componentele aliajului. Orice aliaj are n compoziie un component principal

    (numit i component de baz) metalic i unul sau mai multe componente

    secundare (numite i componente de aliere) metalice sau nemetalice.

    Totalitatea aliajelor alctuite din aceleai componente, luate n diferite

    proporii, formeaz un sistem de aliaje.

    n funcie de numrul componentelor, aliajele i sistemele de aliaje pot fi:

    binare (cu dou componente), ternare (cu trei componente), cuaternare (cu patru

    componente) i polinare sau complexe (cu mai multe componente).

    Compoziia aliajelor se definete prin concentraiile masice sau atomice

    ale componentelor acestora (coninuturile procentuale masice sau atomice ale

    componentelor). De exemplu, pentru un aliaj binar, avnd componentele A (cu

    masa atomic maA i valena vA) i B ( cu masa atomic maB i valena vB),

    compoziia se exprim prin:

    * concentraiile masice ale componentelor (%Am; %Bm):

    100M

    M AmA% = ; 100100 M

    M Bmm A%B% == , (2.1)

    MA i MB fiind masele componentelor A i B corespunztoare unei mase M de

    aliaj (evident, M = MA + MB);

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    51

    * concentraiile atomice ale componentelor (%Aat; %Bat):

    100NA

    NAAatA% = ; 100100 NA

    NABatat A%B% == , (2.2)

    NAA i NAB fiind numrul atomilor care alctuiesc masele MA i MB ale

    componentelor, iar NA - numrul total de atomi n aliaj (NA = NAA + NAB); ntre concentraiile atomice i concentraiile masice ale componentelor aliajului binar

    exist relaiile:

    100

    B

    m

    A

    m

    A

    m

    at

    amB%

    amA%

    amA%

    A%+

    = ; 100B

    m

    A

    m

    B

    m

    at

    amB%

    amA%

    amB%

    B%+

    = (2.3)

    Pentru aliajul considerat se poate determina i concentraia electronic,

    definit ca fiind raportul dintre numrul total al electronilor de valen i

    numrul total al atomilor care alctuiesc masa M de aliaj; relaia de calcul a

    concentraiei electronice a aliajului binar este:

    ( )BatAate vBvAC %%1001 += (2.4) Sistemul reprezentat de un aliaj se gsete n stare de echilibru termodinamic

    (energia liber a sistemului este minim), dac componentele sale se distribuie n

    structura aliajului, funcie de natura i intensitatea forelor de legtur interatomic i de

    condiiile de temperatur i presiune n care se afl aliajul, sub form de faze.

    Faza este o parte structural omogen a unui aliaj, delimitat n structura

    aliajului prin suprafee de separaie (interfee) i caracterizat prin proprieti fizico-

    chimice specifice. Compoziiile fazelor din structura aliajelor se definesc i se exprim

    utiliznd aceleai caracteristici ca i n cazul aliajelor: concentraiile masice sau atomice

    ale componentelor i concentraia electronic.

    Natura, numrul i proporia fazelor existente la un moment dat n

    structura unui aliaj definesc constituia aliajului (n condiiile de temperatur i

    presiune n care acesta se afl la momentul respectiv).

    Numrul factorilor de influen externi i interni care se pot modifica fr a se

    schimba numrul fazelor care alctuiesc structura aliajelor unui sistem este denumit

    variana sistemului sau numrul gradelor de libertate ale sistemului.

    ntre variana unui sistem V numrul componentelor acestuia k i numrul

    fazelor f ce coexist n structura sistemului (n condiii date privind temperatura i

  • STIINTA MATERIALELOR

    52

    presiunea) exist o relaie numit legea fazelor (Gibss), avnd urmtoarea formulare

    analitic:

    V = k - f + 2 (2.5) n cazul n care presiunea este constant sau nu afecteaz sistemul (aa cum se

    ntmpl n marea majoritate a cazurilor la elaborarea, prelucrarea sau utilizarea aliajelor),

    ca factor extern de influen acioneaz numai temperatura i expresia analitic a legii

    fazelor este:

    V = k - f + 1 (2.6) Deoarece V 0, rezult condiia f k + 1 (numrul de faze din structura aliajelor unui sistem este mai mic sau cel mult egal cu numrul componentelor

    sistemului plus unu).

    2.2. Fazele solide din structura aliajelor

    Tipul fazelor care alctuiesc structura unui aliaj aflat n stare solid este

    determinat de raportul forelor de atracie dintre atomii diverselor componente ale

    aliajului. Fazele specifice structurii aliajelor solide sunt: soluiile solide, compuii

    chimici (compuii intermetalici) i metalele pure.

    2.2.1. Soluiile solide

    Soluiile solide se formeaz n structura unui aliaj atunci cnd forele de

    atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componente ale aliajului) sunt

    sensibil egale cu forele de atracie dintre atomii identici (aparinnd aceluiai

    component); soluiile solide au structura cristalin corespunztoare unuia din

    componentele metalice ale aliajului i se caracterizeaz printr-o distribuie

    ntmpltoare (statistic) a atomilor componentelor aliajului n aceast structur.

    n orice soluie solid din structura unui aliaj, componentul metalic al

    aliajului (de obicei componentul de baz) care confer soluiei tipul structurii sale

    cristaline i asigur mediul n care se distribuie celelalte componente este numit

    solvent sau dizolvant, n timp ce oricare alt component care particip la formarea

    soluiei solide (cu atomii distribuii aleator n structura cristalin a solventului)

    este numit dizolvat sau solut. Soluiile solide se noteaz cu litere greceti sau prin

    indicarea simbolului chimic al solventului, urmat de simbolurile componentelor

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    53

    solut nscrise ntre paranteze; de exemplu, Fe(C) reprezint o soluie solid la care solventul este fierul alfa , iar componentul solut este carbonul, iar

    Cu(Ni,Zn) - o soluie la care solventul este cuprul, iar componentele dizolvate sunt nichelul i zincul).

    Dac componentele unui sistem de aliaje formeaz soluii solide oricare

    sunt rapoartele dintre coninuturile lor procentuale (rapoartele dintre concentraiile

    lor), se spune c aceste componente prezint solubilitate total n stare solid,

    iar dac componentele unui sistem de aliaje pot forma soluii solide numai cnd

    rapoartele dintre concentraiile lor se afl n anumite intervale de valori, se spune

    c aceste componente au solubilitate parial (limitat) n stare solid.

    n funcie de poziiile n care sunt distribuii atomii componentelor solut

    n structura cristalin a componentului solvent, soluiile solide pot fi: soluii

    solide de substituie (de nlocuire); soluii solide de ptrundere (interstiiale).

    2.2.1.1. Soluiile solide de substituie se caracterizeaz prin faptul c

    atomii componentelor solut sunt distribuii n nodurile structurii cristaline a

    componentului solvent (o parte din nodurile structurii cristaline a solventului sunt

    ocupate de atomii componentelor solut).

    n general, soluiile solide de substituie sunt neordonate, atomii

    componentelor solut fiind neuniform (statistic) distribuii n nodurile structurii

    cristaline a solventului (aa cum sugereaz schema din figura 2.1. a); altfel spus,

    soluiile solide de substituie i asigur, de obicei, stabilitatea termodinamic

    printr-un grad ridicat de neuniformitate a distribuiei atomilor componentelor

    solut, care le confer valori ridicate ale entropiei i niveluri minime ale energiei

    libere. Unele soluii solide de substituie ( neordonate la temperaturi nalte) adopt

    la temperaturi joase (sub o temperatur caracteristic, numit temperatur

    Curie-Kurnakov) o distribuie uniform (ordonat) a atomilor componentelor

    solut n nodurile structurii cristaline a solventului (v. fig. 2.1 b) i sunt denumite

    soluii solide ordonate sau faze Kurnakov. De exemplu, aliajele sistemelor Cu-

    Zn, Fe-Al, Fe-Si etc. prezint n structura la temperaturi nalte soluii solide

    neordonate, care, la temperaturi joase (sub temperatura Curie-Kurnakov), devin

    soluii solide ordonate.

    Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de substituie

    este influenat de mai muli factori: a) tipul structurilor cristaline ale

  • STIINTA MATERIALELOR

    54

    componentelor; b) dimensiunile atomilor componentelor; c) diferena ntre

    electronegativitile componentelor (diferena ntre capacitile de a atrage

    electroni ale componentelor); d) diferena ntre valenele componentelor

    (care, aa cum arat relaia (2.4), determin mrimea concentraiei electronice

    a aliajului). Astfel, pentru ca dou componente s prezinte solubilitate total

    n stare solid, este necesar s fie ndeplinite urmtoarele condiii:

    * componentele trebuie s aib acelai tip de structur cristalin

    (componentele trebuie s fie izomorfe); de exemplu, cuprul i nichelul, avnd acelai

    tip de structur cristalin (CFC), prezint solubilitate total n stare solid i formeaz

    o serie continu de soluii solide Cu(Ni) Ni(Cu), n timp ce cuprul i zincul, avnd structuri cristaline diferite (Cu - CFC, iar Zn - HC), prezint solubilitate

    parial n stare solid i formeaz soluia solid parial Cu(Zn); * componentele trebuie s aib dimensiuni (raze) atomice apropiate; s-a

    constatat c dou componente metalice (avnd razele atomice rA i rB, rA > rB) pot avea solubilitate total n stare solid dac diferena relativ a razelor lor atomice,

    definit cu relaia 100A

    BAr r

    rrd = , este mai mic dect 8 % ; dac diferena dr > 15 %,

    solubilitatea este parial, iar dac 8 % < dr < 15 %, solubilitatea poate fi total sau parial, funcie de gradul de ndeplinire al celorlalte condiii;

    * componentele trebuie s aib electronegativitate similar i o structur

    asemntoare a nveliului atomic de valen; ndeplinirea acestei condiii impune ca

    elementele componente s aparin aceleiai grupe a sistemului (tabelului) periodic al

    elementelor (sau unor grupe adiacente).

    ndeplinirea simultan a tuturor condiiilor anterior formulate este dificil i,

    ca urmare, din cele aproximativ 1400 de sisteme de aliaje binare cu utilizare tehnic i

    industrial, numai 60 de sisteme au componentele cu solubilitate total n stare solid.

    2.2.1.2. Soluiile solide interstiiale se caracterizeaz prin faptul c

    atomii componentelor solut sunt distribuii n interstiiile (locurile libere) din

    structura cristalin a componentului solvent.

    Soluiile solide interstiiale sunt neordonate, atomii componentelor solut

    fiind neuniform (statistic) distribuii n interstiiile structurii cristaline a

    solventului, (aa cum sugereaz schema prezentat n figura 2.1. c).

  • Capitolul 2 Metale, aliaje i diagrame de echilibru fazic

    55

    Fig. 2.1. Structura cristalin a soluiilor solide:

    a - soluii solide de substituie neordonate; b - soluii sol...