C2_ITMI_SIM_2016

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

1/43

ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR

Conf.univ.dr.ing. Liana Balteş Curs 2

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

2/43

Aranjamentul atomic şi imperfecţiuni în aranjamentul atomic

Mult timp s-a considerat că structura cristalelor este perfectă, atomiifiind distribuiţi riguros în nodurile reţelei, care la rândul ei esteconsiderată o reţea ideală.

Proprietăţile mecanice ale metalelor depind de forţele de legătură

dintre atomi. Calculându-se d.p.d.v. teoretic rezistenţa la rupere pe care ar trebui

să o prezinte metalele, rezultatele au fost de ≈ 1...100ori mai mari decât rezistenţele reale ale monocristalelor.

Pe cale experimentală, s-au obţinut rezultate care se aproprie devalorile rezistenţei teoretice numai pe filamente foarte subţiri, demateriale metalice şi nemetalice.

DE CE ?

2,0...008,0 E

R

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

3/43


DEFECTE ÎN CRISTALE

Realitatea a dovedit că structura cristalină nu este ideală,cristalele conţinând numeroase abateri de la distribuţia ordonatăa atomilor.

1. La acelaşi material se obţin valori diferite ale uneia şi aceleiaşi proprietăţi → numărul de defecte din diferite epruvete este diferit.

2. Starea suprafeţei, loc în care se concentrează o serie de imperfecţiuni,are o influenţă foarte mare asupra proprietăţilor.

Aceste abateri se referă la: deplasări de atomi din poziţiile normale; modificări ale distanţelor medii dintre atomi; modificări în distribuţia sarcinilor electrice, etc.

Aceste abateri se numesc imperfecţiuni sau defecte de structură,iar cristalele care le conţin se numesc cristale reale.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

4/43


Defectele sunt la:

- Scara reţelei spaţiale, numite defecte de reţea.

Acestea la rândul lor sunt: - dinamice: provoacă deplasări de atomi variabile în timp.

Un astfel de defect este agitaţia termică a ionilor din corpurilesolide. Atomii unei reţele nu sunt ficşi, ci execută o necontenită

mişcare de vibraţie în jurul nodurilor reţelei cristaline. Aceastămişcare este determinată de temperatură, motiv pentru care senumeşte agitaţie termică. Amplitudinea agitaţiei termice este cu atâtmai mare cu cât temperatura este mai mare. Vibraţiile termice alereţelei se propagă în corpuri sub formă de unde elastice, cufrecvenţă în domeniul acustic, denumite unde termice.Acest tip de defecte nu produc distrugeri în structura cristalelor .

- statice: produc deplasări de atomi care, dacă temperaturanu este prea ridicată ca atomii să difuzeze, se menţin timp

îndelungat.

- Scară subatomică, numite defecte electronice.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

5/43


Defectele statice se împart în: - punctiforme;

- liniare;

- de suprafaţă; - de volum.

1. Defectele punctiforme au dimensiuni de mărime de ordinul

distanţei interatomice. Se împart în:- vacanţe (fig.1.),- atomi interstiţiali (fig.2.),- atomi de substituţie (fig.3.)

- defecte conjugate sau complexe: - Schottky (fig.4)

- Frenkel (fig.5).

În cristale există întotdeauna un număr bine definit de vacanţe şiatomi interstiţiali. Acest număr poate fi mărit prin: încălzire şi

răcire bruscă, deformare plastică, bombardare cu particule demare ener ie ≈1 MeV .

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

6/43


Fig.1. Imperfecţiuni punctiforme- vacanţe

Se produce când un atom lipseşte dinnodul unei reţele.

Este introdusă în cristal în cursulrăcirii de la temperaturi ridicate,

prin deformare plastică la rece sau cao consecinţă a iradierii.

Favorizează difuzia pe distanțe mari(ex. îmbinarea Ni-Cu). Ni

Ni

Cu

Cu

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

7/43


Fig.2. Imperfecţiuni punctiforme- atomi interstiţialisau de pătrundere

Sunt atomi de acelaşi fel cu cei din

nodurile reţelei sau străini, care ocupăpoziţii în rețeaua cristalină. Atomii autointerstițiali apar prin

deplasarea unui atom dintr-o poziţie arețelei într -alta, care nu este în modobişnuit ocupată de atomi.

Reţeaua este deformată şi tensionată.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

8/43


Solidele reale sunt impure.

De cele mai multe ori, impuritățile sunt introduse în materialpentru a-i îmbunătăți proprietățile.

Ex: atomii de C sunt intenţionat adăugaţi în Fe pentru a obţine

oţelurile. Sunt atomi care pot apărea accidental în reţea şi care duc la

înrăutăţirea proprietăţilor .

Ex: H.

Atomii de mărime mică ai solvatului se plasează în spațiileinterstițiale ale rețelei cristaline a solventului.

R solvat

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

9/43

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

10/43

Aranjamentul atomic şi imperfecţiuni în aranjamentul atomic Fig.3. Imperfecţiuni punctiforme- soluţii solide de

substituţie sau înlocuire

Sunt atomi străini care substituie atomii din nodurile rețelei.

Fiind elemente diferite de atomii matricei,

datorită diferenței de rază atomică, rezultăo

distorsiune puternică a rețelei cristaline.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

11/43


Defecte conjugate sau complexe: apar în cristale ionice.

Prezenţa unei perechi de vacanţe, una anionică şi alta cationică formează defectul Schotcky (fig.4).

Trecerea unui atom în poziţie interstiţială şi apariţia uneivacanţe duce la formarea defectului Frenkel (fig.5).

Fig.4. Defect Schotcky Fig.5. Defect Frenkel

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

12/43


2. Defecte liniare: două dintre dimensiuni sunt aproximativ egale cuo distanţă interatomică, a treia dimensiune fiind mult mai mare.

Cele mai importante defecte liniare sunt dislocaţiile, care pot fi:- marginale;

- elicoidale sau în şurub;

- mixte. Dislocaţiile sunt acele defecte ale reţelei prin intermediul cărora se

realizează alunecarea în cristale reale. Dislocaţiile pot fi definite cafiind zone de perturbare ale reţelei care separă regiuni de cristal

în care s-a produs alunecarea, de regiuni în care alunecarea nus-a produs.

Dislocaţiile joacă un rol important în transformările de fază, creştereacristalelor, conductivitatea electrică, deformare și rupere.

Dislocaţiile se formează în procesul de solidificare a cristalelor, iar

densitatea lor poate fi mărită prin procedee mecanice şi termice.

A j l i i i f i i î j l

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

13/43

Aranjamentul atomic şi imperfecţiuni în aranjamentulatomic

Dislocaţia marginală

• Este aceea la care alunecarea este perpendiculară pe liniadislocaţiei.

• O dislocaţie marginală constă dintr -un semiplan atomic

suplimentar OMO’M’, introdus într -un cristal.• Acest semiplan este mărginit spre interiorul cristalului de linia

OO’, perpendiculară pe suprafaţa frontală.

• Linia OO’ reprezintă o dislocaţie marginală.

• Dacă semiplanul atomic suplimentar este plasat în parteasuperioară a cristalului, dislocaţia marginală este consideratăpozitivă, şi este notată cu (fig.6.).

• Dacă semiplanul este situat în partea inferioară a cristalului,

dislocaţia marginală este negativă şi se notează cu ┬ (fig.7.).

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI N ARANJAMENTUL

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

14/43

Fig.6. Dislocaţie marginală pozitivă

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI N ARANJAMENTUL ATOMIC

Fig.7. Dislocaţie marginală negativă

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

15/43


Introducerea semiplanului atomic suplimentar OMM’O’ producedeformarea elastică locală a reţelei cristaline. În partea cristalului în

care se găseşte semiplanul atomic suplimentar, atomii sunt maiînghesuiţi, iar în partea opusă distanţa interatomică este mai mare(fig.8.).

Prin dislocaţie se înţelege întreaga zonă deformată din jurul liniei OO’

(linia dislocaţiei), aceasta reprezentând inima sau miezul dislocaţiei. Se poate considera că dislocaţia marginală se formează printr -o

alunecare incompletă a unei părţi din cristal, în raport cu restulcristalului.

Alunecarea se produce în direcţia vectorului de alunecare,perpendicular pe linia dislocaţiei.

Deci o dislocaţie marginală este linia din planul de alunecare caresepară porţiunea de cristal care a alunecat, de partea care nu a

alunecat.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

16/43


Fig.8. Dislocaţii marginale. Circuitul Burgers.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

17/43


Pentru a defini cantitativ deformarea reţelei cristaline de către odislocaţie se foloseşte vectorul Burgers, care se defineşte cu ajutorulcircuitului Burgers, care este o linie din cristal obţinută în felulurmător: se pleacă dintr-un nod oarecare al reţelei şi se parcurg n

distanţe interatomice în jos,n distanţe la stânga

, apoin distanţe în sus şi în final n distanţe la dreapta.

Într-un cristal perfect, o astfel de linie se închide.

Dacă cristalul conţine o dislocaţie, circuitul Burgers care

înconjoară dislocaţia rămâne deschis. Vectorul necesar închiderii acestui circuit este vectorul Burgers.

Se observa că la dislocaţiile marginale vectorul Burgers esteperpendicular pe linia dislocaţiei.

Î

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

18/43

Dislocaţii elicoidale sau în şurub

•La dislocaţia elicoidală linia dislocaţieieste paralelă cu direcţia de alunecare(fig.9).

•Prin alunecarea în sus a mijlocului

cristalului în raport cu părţile laterale,apar două linii, care despart parteaalunecată de cea nealunecată acristalului.

•Se numesc elicoidale deoarece atomiisunt distribuiţi în jurul liniei dislocaţiei, în spirală. •După orientarea acestei spirale de atomi în

jurul liniei dislocaţiei, dislocaţiile elicoidale pot fi de dreapta sau de stânga.

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI ÎN ARANJAMENTUL ATOMIC

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

19/43


Fig.9.b. Dislocaţii elicoidale sau în şurub

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

20/43


Fig.10. Alunecarea produsă la traversarea cristalului de o dislocaţie

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

21/43

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

22/43


Fig.11. Defecte de suprafaţă.

Sublimite de grăunţi

• Blocurile în mozaic se formează la recoacerea cristalelordeformate plastic la rece, procesul cunoscându-se sub denumirea de

poligonizare.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

23/43


Limitele dintre grăunţi = zonele de trecere dintre 2 grăunţi veciniai unui material policristalin, cu unghiuri pe care le fac între ei

mai mari (în jur de 30o

) şi unghiuri mai mici ( de regulă sub 20o

)

(fig.12.a, b, c.).

Există mai multe teorii: a. Cele două reţele sunt perfecte până la întâlnirea lor ,

b. Zona de la limita grăunţilor este o zonă cu atomii aşezaţi la întâmplare – strat amorf ,

c. Între cei doi grăunţi există o zonă de tranziţie în care atomii de la ambii grăunţivecini îşi schimbă într -o oarecare măsură poziţiile, formând o zonă de tranziţie.

Fig.12. Defecte de suprafaţă. Limite de grăunţi

a. Reţea perfectă până la intersecţie, b. Strat amorf, c. Reţea de tranziţie

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

24/43


• Primele două (a si b) nu explică proprietăţile limitelor de grăunţi, ceade a treia însă, da.• Limitele de grăunţi sunt caracterizate prin energie mai mare decât

interiorul grăunţilor.• La limitele dintre grăunţi se produc în general reacţiile de

precipitare, difuzie şi tot aici se găsesc impurităţile.

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

25/43


Defecte de împachetare

• Sunt abateri de la succesiunea planelor de atomi (fig.13).

• Se produc prin cristalizare şi deformare plastică.• Influenţează proprietăţile mecanice în sensul că metalele care

conţin defecte de împachetare se durifică prin deformare plasticămai rapid decât cele care nu au.

• Dintre aceste defecte fac parte maclele, pereţii dintre domeniilemagnetice, etc.

Fig.13. Defecte de suprafaţă: defecte de împachetare

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

26/43


4. Defecte de volum

Au dimensiuni mari în toate cele trei direcţiile. Pot fi de tipul:

Precipitatelor

Incluziunilor

- precipitatele (fig.14.): care sunt particule mici ale unei fazesecundare a unui aliaj.

Pot fi:

-continue (există o legătură între planele cristalografice întoate direcţiile),

-semicontinue (există o legătură între planele cristalograficedar care nu este perfectă),

-discontinue (nu există nici o legătură între plane)- incluziunile: de tip oxizi, silicaţi, sulfuri, etc.

A j t l t i i i f ţi i î j t l t i

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

27/43


Fig.14. Defecte de volum.Precipitate a. continue (există o legătură între planele cristalografice în

toate direcţiile), b. semicontinue (există o legătură între planelecristalografice dar care nu este perfectă), c. discontinue (nu există

nici o legătură între plane)a. b. c.

Proprietăţi ale materialelor

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

28/43

Proprietăţi ale materialelorPROPRIETĂŢI FIZICE

1. Proprietăţi termice

Conductibilitatea termică: capacitatea unei substanţe de a conducecăldura. Într -un corp încălzit neuniform apare un flux termic îndreptat dela partea caldă a corpului la partea mai rece.

Căldura în solide se propagă prin două mecanisme: - prin vibraţiile elastice ale atomilor şi moleculelor (vibraţiile reţelei)

- cu ajutorul gazului de electroni. În solidele nemetalice transportul de căldură se realizează prin vibraţiile

reţelei, agitaţia produsă fiind transmisă în tot cristalul sub forma unor undeelastice cu frecvenţă în domeniul acustic.

În metale se realizează în principal prin electroni liberi. Se creează astfel un flux termic de la suprafaţa caldă la cea rece. Datorită faptului că deplasarea electronilor de la suprafaţa caldă la cea

rece se face cu o viteză de aproape 100 de ori mai mare decât viteza demişcare a undelor elastice, conductivitatea termică datorată gazuluielectronic este mult mai mare decât conductivitatea termică determinată de

reţeaua cristalină. Astfel se explică diferenţa între conductibilitateatermică a metalelor i nemetalelor.


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

29/43


Dilatarea corpurilor

Dilatarea termică apare la încălzirea unui corp, când dimensiunile salecresc.

Dacă considerăm creşterea unei singure dimensiuni a corpului atuncidilatarea se numeşte liniară şi este caracterizată de coeficientul dedilatare liniară.

Dacă considerăm creşterea tuturor dimensiunilor corpului subacţiunea temperaturii, avem dilatarea volumetrică. Aplicaţiile proprietăţilor termice Proprietăţile termice sunt deosebit de importante la alegerea

materialelor (schimbătoare de căldură, cazane, ţevi ptr. aburi şi apăfiartă, etc.) şi la stabilirea tehnologiilor care implică încălziri şi răciri(forjare, laminare, tratament termic, etc.).


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

30/43


2. Proprietăţi magnetice

Toate corpurile care ne înconjoară sunt magnetic active, adicăinteracţionează cu câmpurile magnetice exterioare fiind atrase sau respinsede acestea.

Asta înseamnă că sub acţiunea unui câmp magnetic exterior orice corp se

magnetizează, căpătând un moment magnetic.

După susceptibilitate magnetică substanţele se împart în:

- diamagnetice χ (negativă) = 10-6 Gs/Oe, (fig.15.)

- paramagnetice χ (pozitivă) = 10-2 ... 10-6 Gs/Oe, (fig.16.)

- feromagnetice χ (pozitivă) = 10 ... 105

Gs/Oe. Se magnetizează puternicchiar în câmpuri foarte mici. (fig.17.)

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

31/43

Proprietăţi ale materialelor şi încercări

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

32/43


Rezistenţa la rupere: este proprietatea unui material de a se opunesolicitărilor exterioare care tind să-l distrugă.

Fig.18. Rupere intercristalină

32


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

33/43


33

Fig.19. Rupere: a.ductilă, b.fragilă

Fig.20. Rupere intracristalină

Diagrame de echilibru binare

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

34/43


Metalele sunt rar folosite în formă pură, ci sub formă de aliaje.

Aliajul este materialul alcătuit din 2 sau mai multe metale sau din

metale şi nemetale, dar în care predomină proprietăţile metalice. Componenţi sunt elementele chimice care participă la formarea

aliajului. După numărul de componenţi pot fi: binare (2 componenţi),ternare (3 componenţi), cuaternare (4 componenţi) sau polinare

(mai mulţi componenţi). Există în general un component de bază (care este baza aliajului

respectiv) şi unul sau mai mulţi componenţi de aliere sau de adaos(care se adaugă în metalul de bază).

Suma elementelor de aliere dintr-un aliaj poartă numele de grad dealiere, şi distingem:

-bogat aliate (Σ elementelor de aliere > 10%);

-mediu aliate (Σ elementelor de aliere 2,5 - 10%);

-slab aliate (Σ elementelor de aliere < 2,5% ).

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

35/43


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

36/43


Monocristalin

monofazic

Policristalin

monofazic

•Echilibru termodinamic al aliajelor metalice este studiat prin intermediuldiagramelor de faze. Studiul diagramelor de echilibru face posibilă

determinarea transformărilor în timpul fazei de încălzire sau de răcirefoarte lentă.

•In funcţie de numărul de faze, acestea se pot clasifica în: monofazice (osingură fază), bifazice (2 faze), trifazice (3 faze), polifazice (mai multefaze).


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

37/43

g e de ec b u b e

Aşa cum am amintit anterior, introducerea de elemente de adaos în metalulde bază determină formarea unor componente noi, care se pot studia cumicroscopul metalografic denumite constituenţi metalografici . Aceştia

sunt: metalul pur, soluţia solidă, compusul chimic, amestecul mecanic. Metalul pur este constituentul metalografic cel mai simplu în care al doilea

metal este în proporţie de 0%.

Are o temperatură de solidificare constantă. La microscop apare sub formă

de grăunţi. Se poate simboliza prin simbolul chimic al elementului (Fe, Ni,Cr, etc.) sau prin litere mari ale alfabetului latin (A, B, C, etc.). Grăunţii potavea limite sinuoase sau limite poligonale.

Metalul pur are plasticitate, conductibilitate termică şi electrică ridicate, darproprietăţile de rezistenţă sunt scăzute (duritatea, rezistenţa la rupere,

limita de curgere).

Grăunţi cu limite sinuoase (a)

şi poligonale (b, c)


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

38/43

g

Soluţia solidă

Este constituentul metalografic care se obţine prin dizolvarea unui metal în altul.Metalul care se dizolvă = dizolvat sau solvat. Metalul care constituie masa debază = solvent. Se notează cu litere ale alfabetului grecesc: α, β, γ, δ, etc.

Soluţiile solide se topesc şi se solidifică într -un interval de temperatură.

La microscop apare sub formă de grăunţi, cu limite sinuoase dacă s-a obţinut printurnare şi cu limite drepte dacă obţinerea a constat din turnare şi recristalizare.

După modul în care are loc integrarea metalului dizolvat în metalul solvent există

mai multe categorii de soluţii solide 1.Soluţia solidă de substituţie (a): atomii metalului dizolvat înlocuiesc în unele

noduri ale reţelei atomii metalului solvent. Soluţia solidă de interstiţie (b): atomiiunui element pătrund în spaţiile libere ale reţelei celuilalt element.

a. Soluţie

solidă desubstituţie

pentru aliajul

Cu-Ni,

reprezentare

în plan şispaţiu

b.Soluţie solidă de interstiţie de

carbon în Feγ, reprezentare în plani s a iu


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

39/43

Soluţia solidă incompletă: prezintă o reţea cristalină din nodurile căreia lipsesc atomiai solventului. Soluţia solidă complexă: este combinaţia între soluţia solidă desubstituţie şi cea de interstiţie.

Compusul chimic

Este constituentul metalografic care are o compoziţie chimică bine determinată şiconstantă dată de formula AmBn. De asemenea reţeaua cristalină este diferită de ceaa componenţilor A şi B. Are o temperatură de topire bine determinată, în general mai

mare decît a elementelor componente. Compusul chimic prezintă oduritate şi o

fragilitate ridicate mărind simţitor rezistenţa aliajelor în detrimentul proprietăţilorde plasticitate.

Există mai multe tipuri. Compuşi electrochimici: se formează între componenţiialiajului respectând legea valenţei. Compuşi chimici interstiţiali: sunt faze de

întrepătrundere ce se formează între metale şi nemetale cu raze atomice mici H, N,C, B.

La microscop compuşii chimici a.

apar sub diferite forme: reţea (a), ace (b),

globule



8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

40/43

g

Amestecul mecanic

Este constituentul metalografic format din două sau mai multe faze

solide care s-au separat din:-soluţie lichidă, caz în care este vorba de amestec mecanic eutectic (a) ;

-soluţie solidă, situaţie în care este denumit amestec mecanic eutectoid(b).

aliaj eutectic Cd-Sn perlită lamelară


8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

41/43

g

În fiecare diagramă de echilibru a aliajelor binare AB avem:

-curba deasupra căreia nu sunt prezente decât lichidele, curbalichidus;

-curba dedesubtul căreia nu sunt prezente decât solidele, curbasolidus.

TB

%B A B

T A

T ( °C)

Lichidus

Solidus

Solid

Lichid

Solid + Lichid

8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

42/43

1. Defectele punctiforme au dimensiuni:

a. Egale cu distanţa interatomică

b. Mai mari decât distanţa interatomică

c. Două dimensiuni egale cu distanţa interatomică şi una mai mare

2. Defectele liniare au dimensiuni.




3. Defectele de suprafaţă au dimensiuni: a. Una egală cu distanţa interatomică şi două mai mari



8/20/2019 C2_ITMI_SIM_2016

43/43

4. Defectele de volum au dimensiuni:




5. Desenaţi defectele punctiforme: vacanţă, atom interstiţial, atom de substituţie

6. Desenaţi şi explicaţi cu ajutorul vectorului Burgers şi a circuitului Burgers defectulde dislocaţie marginală

7. Care este diferenţa între ruperea intercristalină şi cea transcristalină. Desenaţi pe undese produce ruperea în ambele cazuri.

8. Completaţi tabelul de mai jos pentru metalul pur, soluţia solidă, compusul chimic

Temperatură desolidificare

Aspect la

microscop

Duritate,

rezistenţă Plasticitate

Matal pur

Soluţie solidă

C2_ITMI_SIM_2016

Documents

Transcript of C2_ITMI_SIM_2016