Cristalografie

Enumerate tipurile de retele cristaline Bravais,

precizand si parametrii celulei elementare

In cadrul cristalografiei sunt stabilite 14 tipuri de celule elementare, care poarta denumirea de retele spatiale Bravais.

Drept caracteristici ale celulei elementare se indica sase marimi: trei laturi ale celulei a, b, c si cele trei unghiuri delimitate de acestea α, β, γ . Aceste marimi se numesc parametrii celulei elementare.

Toate cele 14 retele Bravais sunt distribuite dupa 7 sisteme cristaline, corespunzator orientarii si marimilor relative ale parametrilor fiecarei retele, conform figurii 9. Fiecare sistem cristalin include unul sau mai multe tipuri de retele cristaline spatiale. Pozitia oricarui nod din reteaua cristalina se stabileste in functie de pozitia originii celulei elementare prin coordonatele x, y, z.

Descrieti reteaua cristalina CVC( sau CFC, CS), precizand parametrii retelei cristaline, schita celulei elementare, numarul de noduri pe celula-N

Structura cubica cu volum centrat - A2, CVC are mai putini atomi decat structura cubica cu fete centrate. Atomii in reteaua CVC sunt dispusi in varfurile si in centrul celulei elementare, conform figurii 14, a.    Fiecare atom din aceasta retea are opt vecini, dispusi la distante egale cu a 3 / 2 (= 0,866 a), unde a este lungimea laturii cubului celulei elementare. Deci numarul de coordinatie al acestei retele este 8. Cea de a doua sfera de coordinatie (vecinii de ordinul doi) contine sase atomi, dispusi la distanta a.

Figura 14 - Reteaua cubica cu volum centrat: a - celula elementara; b - planele de maxima densitate in atomi ; c - interstitii octaedrice; d - interstitii tetraedrice

In structura cubic cu volum centrat exista de asemenea doua tipuri de interstitii. Cele mai mari, de tip octaedric, sunt dispuse pe fetele celulei elementare (figura 14, d) si sunt inconjurate de 4 atomi ai retelei CVC dispusi in varfurile unui tetraedru regulat. Interstitiile mai mici - de tip tetraedric - sunt inconjurate de 6 atomi ce ocupa varfurile unui octaedru neregulat (figura 14, c).

Daca structura CVC este formata din sfere dure compacte, atunci in golurile tetraedrice se vor putea introduce sfere de raza 0,291 r, iar in golurile octaedrice sfere cu raza - 0,154 r, raze, ce sunt mai mici decat cele corespunzatoare retelei CFC.

In reteaua cubica cu volum centrat nu exista plane de maxima densitate in atomi similare cu cele din reteaua cubica cu fete centrate. In cazul acesta sunt 12 plane (figura 14, b) cu maxima densitate in atomi. In aceste plane sunt doua directii de maxima densitate in atomi, de-a lungul carora atomii sunt tangentiali.

Gradul de compactitate al retelei cubic cu volum centrat are valoarea de 68%, deci mai mica decat cea a retelei cubic cu fete centrate (74 %).

Defecte punctiforme de retea cristalina

Defectele din cristale se clasifica, dupa cum urmeaza, in:

defecte punctiforme (zerodimensionale);

defecte liniare (unidimensionale);

defecte de suprafata (bidimensionale);

defecte de volum (tridimensionale);

Defectele punctiforme sunt acele neregularitati ale retelei cristaline comparabile dimensional cu

marimea unui atom. In cadrul defectelor punctiforme intalnim urmatoarele tipuri (figura 17):

vacantele (noduri ale retelei cristaline fara nici un atom)

atomi interstitiali (atomii ce se afla interpusi intre nodurile retelei cristaline)

atomi de impuritate de substitutie (atom de impuritate, ce substituie un atom al metalului de baza)

atomi de impuritate interstitial (atom de impuritate dispus in interstitiile retelei cristaline)

Figura 17 - Schema defectelor punctiforme intr-un cristal: 1 - vacanta; 2 - atom interstitial;

3 - atom de impuritate de substitutie; 4 - atom de impuritate interstitial;

La trecerea unui atom din starea de echilibru (din nod) in pozitie interstitiala, i-a nastere o pereche "vacanta - atom interstitial", care se numeste 'defect Frankel'. Daca atomul dintr-un nod iese la suprafata cristalului, atunci se formeaza un 'defect Schottky'.

Defectele punctiforme reprezinta centri locali de distorsionare a retelei cristaline, cu dimensiuni de ordinul a cateva diametre atomice. Desi necesita o anumita cantitate de energie pentru formarea lor, aceste defecte se afla in echilibru din punct de vedere termodinamic, cu alte cuvinte ele exista intotdeauna intr-un cristal. Aceasta se explica prin faptul ca defectele punctiforme cresc entropia sistemului.

Energia de formare a unei vacante este de ordinul a 1 eV, iar energia de formare a unui atom interstitial este de ordinul a ~ 3 eV, fapt explicabil prin aceea ca un atom interstitial duce la o distorsionare mai accentuata a retelei decat o vacanta.

Concentratia de defecte punctiforme poate fi marita prin: iradiere cu particule elementare de energie inalta, prin deformare plastica, sau prin calire de la temperaturi inalte (racire ultrarapida), ce 'ingheata' concentratia de vacante de la temperaturi ridicate.

Vacantele pot interactiona intre ele formand perechi - bivacante - sau chiar aglomerari de vacante.

Miscarea vacantelor in cristal joaca un rol important intr-o serie de procese precum difuzia in aliaje, alunecarea .

Ce este o dislocatie intr-o retea cristalina?

Defectele liniare dintr-un cristal se caracterizeaza prin aceea ca dimensiunea lor transversala nu depaseste cateva distante interatomice, pe cand lungimea lor poate atinge dimensiunea intregului cristal.

Aceste defecte liniare se numesc dislocatii care pot fi marginale sau elicoidale (vezi figura 18).

Dislocatia marginala reprezinta limita unui plan atomic incomplet (extraplan).

Dislocatia elicoidala rezulta prin alunecarea unei regiuni dintr-un cristal fata de alta regiune. Daca intr-o retea ideala se traseaza un contur (conturul Bürgers) in jurul unui punct arbitrar ales, cu stabilirea unui anumit numar de parametri de retea in jurul acestui punct, atunci conturul Bürgers se va inchide. Intr-o retea reala, conform figurii 19, care contine o dislocatie, conturul Bürgers nu se inchide, diferenta reprezentand-o vectorul Bürgers Pentru dislocatia marginala, vectorul Bürgers este perpendicular pe linia de dislocatie, iar pentru dislocatia elicoidala vectorul este paralel cu linia de dislocatie.

Figura 18 - Schema unei dislocatii marginale (a) si elicoidale (b) dintr-o retea cristalina

In cristalele reale se pot, de asemenea, intalni si asa numitele dislocatii mixte, care au unghiul intre

vectorii b si l arbitar (deci diferit de 0 sau de 90

Sub actiunea fortelor exteriore, dislocatiile se deplaseaza (aluneca), realizandu-se deformarea plastica a materialului. Deplasarea dislocatiilor in planul de alunecare duce la ruperea si la formarea, ulterior, a unor noi legaturi interatomice pe linia de dislocatie. Drept urmare, deformarea plastica se poate realiza la tensiuni exterioare mici, mult mai scazute decat cele necesare pentru deformarea plastica a unui cristal ideal, care nu are dislocatii si in cadrul caruia este necesara ruperea legaturilor interatomice pe intregul plan de alunecare.

Deoarece deformarea plastica in corpurile cristaline se realizeaza prin miscarea dislocatiilor, un

metal se poate durifica prin blocarea alunecarii acestor dislocatii.

Dislocatiile au o influenta semnificativa nu numai asupra proprietatilor de rezistenta si plasticitate

a metalelor, ci si asupra proprietatilor fizice ale acestora, crescand rezistenta electrica, viteza de difuzie .

Ce sunt blocurile in mozaic?

Defectele de suprafata dintr-o retea cristalina prezinta dimensiuni mult mai mari pe doua axe de

coordonate, fata de dimensiunea de cateva distante interatomice corespunzatoare celei de a treia axe de

coordonate. Dintre aceste defecte fac parte:

defectele de impachetare

maclele

limitele de graunte

suprafetele exterioare ale cristalului.

Grauntii dintr-un policristal nu sunt monolitici, monocristale perfecte, ci sunt compusi din subgraunti (blocuri in mozaic - figura 21), cu un unghi de dezorientare intre ei foarte mic, de ordinul minutelor. Limitele de subgraunte (sublimitele) si limitele de graunte din metale se impart in limite la unghiuri mici (cand unghiul de dezorientare < 5 ) si limite la unghiuri mari (> 5

Limitele la unghiuri mici se intalnesc, de regula, intre subgraunti si sunt formate fie din dislocatii marginale paralele, fie din dislocatii elicoidale - limita rasucita. Structura limitelor la unghiuri mari este mult mai complicata. Figura 21 - Blocuri in mosaic

Limita dintre graunti reprezinta o zona de trecere foarte ingusta, cu grosimea de aproximativ 5-10

distante interatomice. Dispunerea dezordonata a atomilor din aceasta zona se accentueazaprin acumularea de dislocatii si de incluziuni.

Tensiunile datorate acumularii de dislocatii la limita de graunte se transmit in grauntii invecinati, fapt care duce la activarea in acestia a surselor de formare de noi dislocatii.

Ca urmare a faptului ca limita de graunte impiedica alunecarea dislocatiilor, reprezentand zone de acumulari mari de incluziuni, acestea au o influenta semnificativa asupra proprietatilor mecanice ale materialului metalic.

Procesul de alunecare plastica si, ca urmare, limita de curgere depinde de spatiul de alunecare al

dislocatiei pana la bariera, adica pana la limita de graunte. Limita de curgere depinde de dimensiunea de graunte

Cu cat este mai fina granulatia, cu atat este mai mare limita de curgere si rezistenta materialului. De

asemenea, plasticitatea si tenacitatea materialului vor fi mai mari, cea de-a doua fiind deosebit de importanta pentru materialele care lucreaza la temperaturi scazute. Valorile ridicate ale acestor doua caracteristici sunt asigurate de o compozitie uniforma, de o granulatie fina uniforma, de lipsa defectelor structurale care pot provoca fisuri.

6. Ce influenta au defectele de retea cristalina asupra

proprietatilor unui material metalic?

a.) Defectele punctiforme cresc entropia sistemului. Concentratia de defecte punctiforme poate fi marita prin iradiere cu particule elementare de energie inalta, prin deformare plastica, sau prin calire de la temperaturi inalte (racire ultrarapida), ce 'ingheata' concentratia de vacante de la temperaturi ridicate.

Vacantele pot interactiona intre ele formand perechi - bivacante - sau chiar aglomerari de vacante.

Miscarea vacantelor in cristal joaca un rol important intr-o serie de procese precum difuzia in aliaje, alunecarea

b.) Existenta dislocatiilor intr-un cristal creaza in jurul acestora campuri de tensiuni sub actiunea carora dislocatiile pot interactiona intre ele. Sub actiunea fortelor exteriore, dislocatiile se deplaseaza (aluneca), realizandu-se deformarea plastica a materialului. Deplasarea dislocatiilor in planul de alunecare duce la ruperea si la formarea, ulterior, a unor noi legaturi interatomice pe linia de dislocatie. Drept urmare, deformarea plastica se poate realiza la tensiuni exterioare mici, mult mai scazute decat cele necesare pentru deformarea plastica a unui cristal ideal, care nu are dislocatii si in cadrul caruia este necesara ruperea legaturilor interatomice pe intregul plan de alunecare. Deoarece deformarea plastica in corpurile cristaline se realizeaza prin miscarea dislocatiilor, un metal se poate durifica prin blocarea alunecarii acestor dislocatii.

Dislocatiile au o influenta semnificativa nu numai asupra proprietatilor de rezistenta si plasticitate

a metalelor, ci si asupra proprietatilor fizice ale acestora, crescand rezistenta electrica, viteza de difuzie .

c.) Defecte de suprafata: -maclele se formeaza printr-o reorientare simetrica a unor regiuni din reteaua cristalina. Maclarea presupune rearanjarea pozitiilor atomilor sub actiunea efectului aplicat, determinand reorientari cristalografice mai favorabile deformarii plastice in continuare a materialului metalic

- limita de graunte impiedica alunecarea dislocatiilor, reprezentand zone de acumulari mari de incluziuni, acestea au o influenta semnificativa asupra proprietatilor mecanice ale materialului metalic. Tensiunile datorate acumularii de dislocatii la limita de graunte se transmit in grauntii invecinati, fapt care duce la activarea in acestia a surselor de formare de noi dislocatii.

Procesul de alunecare plastica si, ca urmare, limita de curgere depinde de spatiul de alunecare al

dislocatiei pana la bariera, adica pana la limita de graunte. Limita de curgere depinde de dimensiunea de graunte

Cu cat este mai fina granulatia, cu atat este mai mare limita de curgere si rezistenta materialului. De

asemenea, plasticitatea si tenacitatea materialului vor fi mai mari, cea de-a doua fiind deosebit de importanta pentru materialele care lucreaza la temperaturi scazute. Valorile ridicate ale acestor doua caracteristici sunt asigurate de o compozitie uniforma, de o granulatie fina uniforma, de lipsa defectelor structurale care pot provoca fisuri.

d.) Defectele de volum (tridimensionale) sunt reprezentate de fisuri macroscopice, pori, sufluri, formate in diferitele etape ale procesului tehnologic de elaborare prin turnare sau de prelucrare a semifabricatelor. Este evident, in acest caz, rolul negativ al acestor defecte.

Tipuri de faze in sistemele de aliaje

Metalele pure au multe utilizari in practica insa, cel mai adesea, in special cand sunt necesare proprietati mecanice imbunatatite, sunt folosite aliaje sau amestecurile de metale.

Aliajul este un material metalic obtinut prin amestecul unui metal cu alte metale sau metaloide. Aceste

amestecuri se realizeaza de cele mai multe ori prin topire si solidificare. Totalitatea aliajelor alcatuite din

aceiasi componenti, insa in proportii diferite, formeaza un sistem de aliaje. Exista doua tipuri de aliaje: aliaje

cu o singura faza - monofazice si aliaje cu faze multiple - plurifazice.

In materialele metalice pot apare urmatoarele tipuri de faze solide:

I - metal pur

II - solutie solida

III - compus chimic

7. Faza de metal pur

Faza metal pur este alcatuita dintr-o singura specie de atomi, caracterizandu-se printr-o retea cristalina

specifica. Curbele de racire ale metalului pur prezinta palier la temperatura de solidificare si la temperaturile

transformarilor polimorfe. Metalul pur se caracterizeaza prin conductibilitate electrica si termica ridicata,

plasticitate mare si proprietati de rezistenta scazute (duritate, limita de curgere, rezistenta la rupere).

8. Faza de solutie solida

In stare lichida, majoritatea aliajelor metalice utilizate in tehnica formeaza topituri omogene, adica solutii lichide. La trecerea in stare solida, in multe astfel de aliaje se pastreaza omogenitatea, deci solubilitatea. Faza solida ce se formeaza ca rezultat al cristalizarii unui asemenea aliaj se numeste "solutie solida". Este plastica si putin dura.

Faza solutie solida este formata dintr-un singur tip de cristale, toate avand acelasi tip de retea cristalina. In plus, solutia solida poate exista intr-un interval de concentratie a componentilor. Structura solutiilor solide se formeaza ca urmare a penetrarii in reteaua metalului de baza a aliajului (solventul) atomilor solubili. Din punct de vedere al acestui fenomen, se disting doua cazuri diferite:

a) Solutii solide de substitutie

Solutiile solide de substitutie pot avea solubilitatea limitata sau nelimitata. In cazul solubilitatii nelimitate, reteaua cristalina a componentului de baza, pe masura ce creste concentratia componentului solubil, se transforma treptat in reteaua cristalina a componentului solubil.

In solutiile solide cu solubilitate limitata, concentratia elementului solubil este posibila doar pana la o

anumita limita. Prin cresterea ulterioara a acestei concentratii, solutia solida se descompune, formand amestecuri bifazice. Variatia cu temperatura a solubilitatii componentilor din solutia solida se poate explica pe baza legilor termodinamicii. Curba de racire cu paliere in dreptul temperaturii de solidificare in care atomii soloubili substituie atomii de solvent din reteaua acestuia( daca distantele atomice sunt aproximativ egale). Exemplu: solutia solida de substitutie C_u-N_i.

b) Solutii solide interstitiale

Solutiile solide interstitiale se formeaza prin patrunderea atomilor componentului solubil in interstitiile retelei cristaline a componentului de baza (solventul). Acest lucru este posibil daca atomii solubili sunt dimensional mult mai mici decat atomii solventului, ca de exemplu atomii de H, C, N, B, cu diferente mari

de diametre atomice, de aproximativ 45 - 59%. Reteaua cristalina a unei solutii solide interstitiale este aceea corespunzatoare solventului, care este evident totdeauna elementul cu diametrul mai mare. Prezenta atomilor dizolvati vor determina o distorsionare a retelei cristaline si o usoara crestere a parametrului retelei.

Exemplu: solutia solida interstitiala F_eα- C.

Hume -Rofhery: " trebuiesc indeplinite 4 conditii pentru a exista solubilitate nelimitata intre 2 sau mai multe elemente chimice:

- izomorfism( ambele elemente sa cristalizeze in acelasi tip de retea cristalina; C_u-N_i  )

- diferente minime de dimensiuni atomice

- caracterul electrochimic sa fie aproximativ egal

- concentratia electronic sa aiba valori clar definite.

9. Faza de compus chimic

Compusii chimici ce se pot forma in aliajele metalice sunt foarte variati si prezinta urmatoarele

caracteristici:- reteaua cristalina a compusilor chimici este diferita de reteaua componentilor ce formeaza compusii;

compusul chimic se caracterizeaza intotdeauna printr-un raport exact al componentilor,

permitand exprimarea compozitiei printr-o formula simpla de tip AnBm, AmBnCp, etc (compus binar, ternar, etc). Din acest motiv, li se mai atribuie denumirea de compusi definiti.

proprietatile compusului chimic se deosebesc radical de proprietatile fiecarui component in parte.

temperatura de topire a compusului chimic este constanta.

formarea compusului chimic este insotita de un efect termic considerabil.

Regula de formare a compusilor definiti este cea a valentei imparte compusii chimici in:

- compusi cu valenta normala.  Ex : elemetele chimice din grupele principale F_e3C

- compusi cu valenta variabila. Ex : elemetele chimice din grupele tranzitionale C_u5Z_n8, C_uZ_n

De regula, compusul chimic este dur si fragil.

10. Care sunt caracteristicile structurale ale compusilor de tip geometric

Compusii de tip geometric se formeaza pe baza factorului geometric (diferenta dintre razele atomice

ale componentilor). Din aceasta grupa fac parte fazele Laves, fazele Sigma si fazele Hägg (sau compusi

interstitiali). Daca diferenta atomica este mare, se formeaza compusii interstitiali. Daca dimensiunile atomice

sunt relativ apropiate, se formeaza fazele Laves si fazele Sigma.

a.)   Compusi de tip substitutional. Au diametrele atomice aproximativ egale.

Compusi tip Zintl. Raportul diametrelor celor 2 compusi este aproximativ egal cu 1. Cristalizeaza frecvent in CVC. Au valentele 1-1.  Ex : C_uZ_i , L_iC_d

Compusi de tip Sigma se formeaza intre metalele de tranzitie din grupele V si VI cu metalele de tranzitie din grupele VII si VIII, daca diferentele intre diametrele atomice nu sunt mai mari de 10 - 12%. Fazele Sigma sunt dure si fragile si au conductibilitate electrica mare.

Dintre fazele Sigma se mentioneaza FeCr, FeV, CoCr, CoMo, MnCr, Mn2V.

Compusi de tip Laves - are formula AB2 si se formeaza intre componenti de tip A si B intre care sunt diferente atomice de pana la 20%. Atomii sunt cel mai compact distribuiti. Fazele Laves au o retea cristalina de tip hexagonal compacta (MgZn2 si MgNi2) sau de tip CFC (MgCu2).

Din familia de faze Laves fac parte AgBe2, CaAl2, TiBe2, TiCr2 .

b.)   Compusi de tip interstitial. Faza Hägg reprezinta compusii formati intre metalele de tranzitie - M, cu raze atomice mari (Fe, Mn, Cr, Mo, etc.), si nemetale - X cu raze atomice mici (H, B, C, N).

Diferentele dimensionale intre atomii constituent sunt foarte mari. Au formule chimice diferite.

11. Principalul mecanism structural de deformare plastica la rece

Pentru metale rezistenta la intindere sau comprimare este mai mare decat cea de forfecare. De

aceea, procesul de deformare plastica reprezinta de obicei un proces de alunecare a unei zone de cristal

fata de alta, pe o suprafata cristalografica sau un plan atomic de alunecare cu maxima densitate de atomi,

unde rezistenta la forfecare este minima. Alunecarea se realizeaza ca urmare a miscarii dislocatiilor in

cristal, proces care nu afecteaza arhitectura cristalografica.

Capacitatea de deformare plastica a unui material metalic creste odata cu cresterea numarului de planuri atomice cu densitate atomica mare. Sistemul de cristalizare CFC este cel mai usor deformabil plastic.

Prin alunecare nu se modifica integritatea materialului( adica tipul de retea cristalina). Atomii se deplaseaza cu un numar intreg de distante interatomice.

12.Efectele deformarii plastice la rece asupra structurii

si proprietatilor unui material metalic

La baza deformarii plastice sta deplasarea ireversibila a unor zone din cristal fata de alte zone.

Se schimba forma si dimensiunile grauntilor( cristalelor) prin alpatizarea si lungirea lor pe direcita de deformare plastic. Stuctura devine texturata si neuniforma.

Se scimba orientarea spatial a grauntilor. Ei se rostesc si tind sa se aseze pe directii favorabile alunecarii.

Se schimba structura fina( cea de la nivelul retelei cristaline). Are loc fragmentarea grauntilor in blocuri in mozaic. Are loc in plus si o crestere a numarului de defecte cristaline, dislocatii in special, care duc la cresterea tensiunilor interne din cristal si in final la crestera valorilor de rezistenta mecanica, duritate si scaderea plasticitatii.

Datorita plasticitatii se poate efectua prelucrarea metalelor prin deformare. Plasticitatea permite redistribuirea uniforma a tensiunilor locale in intreg volumul de material, fapt ce micsoreaza pericolul ruperii.

Alunecarea se realizeaza ca urmare a miscarii dislocatiilor in cristal, proces care nu afecteaza arhitectura cristalografica.

Ca si alunecarea, maclarea se realizeaza printr-o deplasare atomica, dar de data aceasta deplasarea zonei de cristal are loc intr-o pozitie corespunzatoare imaginii in oglinda a zonei nedeplasate.

Cu cresterea gradului de deformare, proprietatile mecanice ce caracterizeaza rezistenta la deformare

cresc, are loc o durificare prin deformare, iar capacitatea de deformare plastica scade. Limita de curgere creste mult mai pronuntat decat rezistanta la rupere, insa, pe masura cresterii gradului de deformare plastica, valorile celor doua caracteristici se apropie. Ca urmare a ecruisarii, proprietatile mecanice se modifica substantial: rezistenta la rupere creste, iar alungirea relativa scade.

Durificarea prin ecruisare se explica prin cresterea substantiala a densitatii de dislocatii ca urmare a

procesului de deformare plastica. Densitatea de dislocatii dupa deformarea la rece creste cu cateva ordine

de marime fata de densitatea de dislocatii a unui material recopt.

In acelasi timp, in procesul de deformare plastica, are loc cresterea defectelor punctiforme - vacante si atomi interstitiali. Odata cu cresterea densitatii de dislocatii si in general a defectelor retelei cristaline, se

ingreuneaza libera circulatie a dislocatiilor. Se formeaza bariere suplimentare ca urmare a deformarii grauntilor si a fragmentarii blocurilor in mozaic. Toti acesti factori produc durificarea materialului prin ecruisare.

In acelasi timp, ca urmare a deformarii plastice, se modifica si proprietatile fizico-mecanice ale

materialului metalic. Materialul ecruisat are o densitate mai mica, are o rezistenta electrica mai mare, are

o conductibilitate termica mai scazuta, rezistenta la coroziune este mai scazuta. Materialele metalice cu

retea CFC se durifica, in urma ecruisarii, intr-un grad mult mai mare decat metalele cu retea CVC.

13.Ce reprezinta ecruisarea unui material metalic?

Ecruisarea. Dupa inlaturarea sarcinii ce depaseste limita de curgere, proba ramane deformata. Prin

repetarea incarcarii probei creste limita de curgere a metalului si scade capacitatea sa de deformare

plastica, adica are loc durificarea materialului. Durificarea materialului sub actiunea deformarii plastice se

numeste ecruisare.

Prin deformare, grauntii isi schimba forma si orientarea, formand o structura texturata cu o orientare

preferentiala a cristalelor. Grauntii cu orientari diferite se rotesc si se dispun cu axele de maxima densitate

in atomi de-a lungul directiei de deformare. Astfel, grauntii se deformeaza si se aplatiseaza alungindu-se

pe directia de actiune a fortelor P, si formand o structura texturata .

Orientarea cristalografica preferentiala a grauntilor de-a lungul directiei de deformare se numeste textura

materialului. Cu cat este mai mare gradul de deformare, cu atat un numar mai mare de graunti vor obtine

o orientare preferentiala. Formarea texturii faciliteaza aparitia anizotropiei proprietatilor pe directia

longitudinala si transversala a orientarii fibroase.

Cu cresterea gradului de deformare, proprietatile mecanice ce caracterizeaza rezistenta la deformare

cresc, are loc o durificare prin deformare, iar capacitatea de deformare plastica scade . Limita de curgere creste mult mai pronuntat decat rezistanta la rupere, insa, pe masura cresterii gradului de deformare plastica, valorile celor doua caracteristici se apropie.

Durificarea prin ecruisare se explica prin cresterea substantiala a densitatii de dislocatii ca urmare a

procesului de deformare plastica. Densitatea de dislocatii dupa deformarea la rece creste cu cateva ordine

de marime fata de densitatea de dislocatii a unui material recopt.

In acelasi timp, in procesul de deformare plastica, are loc cresterea defectelor punctiforme - vacante si atomi interstitiali. Odata cu cresterea densitatii de dislocatii si in general a defectelor retelei cristaline, se

ingreuneaza libera circulatie a dislocatiilor. Se formeaza bariere suplimentare ca urmare a deformarii

grauntilor si a fragmentarii blocurilor in mozaic. Toti acesti factori produc durificarea materialului prin

ecruisare.

Ca urmare a deformarii plastice, se modifica si proprietatile fizico-mecanice ale materialului metalic. Materialul ecruisat are o densitate mai mica, are o rezistenta electrica mai mare, are o conductibilitate termica mai scazuta, rezistenta la coroziune este mai scazuta. Materialele metalice cu retea CFC se durifica, in urma ecruisarii, intr-un grad mult mai mare decat metalele cu retea CVC.

14. Ce este recristalizarea primara? In ce coditii se desfasoara?

De ce este necesara ca tratament termic?

Procesul de recristalizare decurge in doua stadii. Primul stadiu il reprezinta cel al "recristalizarii

primare", cel de-al doilea se numeste "recristalizare cumulativa".

"Recristalizarea primara" reprezinta procesul de formare de noi graunti echiaxiali. Noii graunti se

formeaza la limita blocurilor in mozaic sau a vechilor graunti, adica acolo unde reteaua este cel mai puternic deformata prin ecruisare. Din punct de vedere termodinamic, procesul de recristalizare primara este eficient deoarece la trecerea metalului deformat intr-o stare mult mai stabila are loc scaderea energiei libere. Ca urmare, in urma recristalizarii primare ecruisarea metalului dispare, iar proprietatile se apropie de cele corespunzatoare starii initiale. Densitatea de dislocatii revine, de asemenea, la valoarea initiala.

Temperatura de inceput de recristalizare se numeste "pragul de temperatura al recristalizarii", sau

mai scurt "temperatura de recristalizare". Aceasta depinde de temperatura de topire, conform legii enuntata de A.A. Bocivar, astfel: Trecristalizare = a Ttopire, unde a - este un coeficient ce depinde de compozitia si structura materialului metalic. Cauza unei asemenea dependente este conditionata de faptul ca ambele procese (topirea si recristalizarea) sunt legate de schimbarea dispunerii reciproce a atomilor si pentru derularea acestora este nevoie de o anumita mobilitate difuziva a atomilor.

Raportul valorilor mobilitatii difuzive a celor doua procese este aproximativ constant si ca urmare si

raportul temperaturilor corespunzatoare celor doua procese este constant. In aliaje, impuritatile interactioneaza cu dislocatiile limitand mobilitatea acestora, fapt ce ingreuneaza formarea germenilor noilor graunti franand astfel recristalizarea. De aceea, temperatura de recristalizare a aliajelor este mai mare decat in cazul metalelor pure.

Cresterea ulterioara a temperaturii duce la al 2-lea stadiu al procesului - "recristalizarea

cumulativa", ce consta in cresterea noilor graunti formati.

Dimensiunea grauntilor formati in timpul procesului de recristalizare are o influenta foarte mare

asupra proprietatilor materialului metalic. Formarea grauntilor mari scad proprietatile mecanice.

Daca se impune inlaturarea totala a ecruisarii, recoacerea metalului se realizeaza la temperaturi

mult mai mari decat temperatura de recristalizare, pentru ca viteza de recoacere sa decurga cu o viteza

eficienta.

Deformarea plastica se poate realiza "la rece" sau "la cald". "Deformarea plastica la rece" se

realizeaza la temperaturi mai scazute decat temperatura de recristalizare si duce la ecruisarea metalului.

15. Cum definiti ruperea ductila a unui material metalic?

Ruperea ductila are loc prin alunecare, sub actiunea tensiunilor tangentiale. Suprafata de alunecare

este dispusa sub un unghi de 45 fata de directia principalelor tensiuni normale.

Ruperea ductila pura, prin alunecare are loc pentru materiale amorfe precum argila. Dar, majoritatea materialelor prezinta o rupere atat fragila, cat si ductila, distinctia pe cele doua tipuri facandu-se in functie de preponderenta unuia sau altuia.

Caracteristica principala a unei ruperi ductile sau fragile este capacitatea energetica a materialului, adica valoarea lucrului mecanic de rupere, tipul fisurii si al suprafetei de rupere, viteza de propagare a fisurii.

In cazul ruperii ductile se consuma un lucru mecanic mult mai mare. Pentru propagarea ruperii ductile este necesar un aport exterior continuu de energie, consumata cu deformarea plastica a metalului in zona din fata fisurii ce se propaga. Astfel, lucrul mecanic consumat cu deformarea plastica este considerabil mai mare decat cel de rupere propriu-zisa.

In cazul ruperii ductile fisura are un unghi mare de deschidere (fisura tesita), suprafata de rupere fiind caracterizata de o puternica deformare plastica.

In cazul ruperii ductile, suprafata de rupere are un aspect mat si valurit, fara luciu metalic.

Viteza de propagare a unei fisuri ductile este mult mai mica si se stabileste in functie de viteza de crestere a tensiunilor interne.

In cazul ruperii ductile este necesara cresterea rezistentei materialului pentru luarea masurilor de prevenire ale ruperii.

16. Cum definiti ruperea fragila a unui material metalic?

Ruperea fragila pura are loc pentru materiale elastice ideale, cum este de exemplu diamantul.

Ruperea fragila are loc prin rupere prin forfecare, cand suprafata de rupere este perpendiculara la componenta normala a tensiunii. Pentru ruperea fragila, unghiul de deschidere al fisurii este ascutit (fisura ascutita), iar deformarea plastica in jurul suprafetei de rupere lipseste aproape integral. Microfisura are un aspect neted si stralucitor, dat de suprafetele rupte ale grauntilor cristalini.

Pentru a preveni ruperea fragila trebuie crescuta plasticitatea materialului, la nevoie chiar scazand rezistenta acestuia. Cea mai periculoasa ramane totusi ruperea fragila.

Sub actiunea tensiunilor normale are loc deformarea elastica a retelei cristaline, iar dupa atingerea

valorilor maxime are loc ruperea legaturilor interatomice cu desprinderea unei suprafete atomice de alta, adica ruperea metalului.

Pentru ruperea fragila, viteza de propagare a fisurii este foarte mare, de ordinul a 0,4 din viteza de

propagare a sunetului in metal. De aici rezulta ca viteza de propagare a unei fisuri fragile in cazul unui

otel trebuie sa fie ~ 2 x 103 m/s.

Prin ruperea fragila se consuma o valoare mult mai mica a lucrului mecanic pentru procesul propriu-zis de rupere decat in cazul ruperii ductile. Ruperea fragila, odata initiata, devine un proces ce se dezvolta de la sine, pe baza eliberarii energiei elastice acumulate in sistem, motiv pentru care pentru propagarea fisurii nu este necesar un aport suplimentar de energie. Astfel, pentru ruperea fragila, consumul de energie pentru formarea unor noi suprafete ca rezultat al deschiderii fisurii, este mult mai mic decat eliberarea de energie elastica acumulata anterior.

17. Fazele care se formeaza in sistemul Fe-cem

Diagrama de stare Fe - cementita (starea metastabila)

Diagrama de stare a sistemului fier - cementita este aratata in figura 92.

Linia ABCD este linia lichidus, iar linia AHJECF - linia solidus. Punctul A corespunde

temperaturii de topire a fierului (1536 C), punctul D - temperaturii de topire a cementitei (1252 C).

Punctele N si G corespund temperaturilor de transformare polimorfa a fierului.

In sistemul Fe - Fe ₃C are loc o transformare eutectica si una eutectoida. Dupa linia ECF, la 1147 C, are loc transformarea eutectica: LC AE cemF. Eutecticul format se numeste ledeburita.

Ledeburita (Led) - eutecticul sistemului Fe - Fe3C - reprezinta amestecul mecanic dintre austenita si cementita si contine 4,3 %C.

Dupa linia PSK, la 727 C, are loc transformarea eutectoida: AS F_p cem_K , in urma careia din austenita cu continut de 0,8 %C se formeaza amestecul mecanic eutectoid de ferita si cementita.

Transformarea eutectoida este similara cristalizarii eutecticului, dar eutectoidul nu se formeaza din lichid, ci dintr-o solutie solida. Eutectoidul se numeste perlita. Perlita (P) - eutectoidul sistemului Fe - Fe₃ C

este amestecul mecanic de ferita si cementita ce contine 0,8 %C.

Perlita este formata din lamele de cementita intr-o masa de ferita si are o culoare cenusiu - sidefie in proba atacata, de unde si denumirea de perlita. Grauntele de perlita este format din lamele paralele de cementita si ferita. Cu cat sunt mai mari cristalele de cementita cu atat sunt mai slabe proprietatile mecanice ale perlitei.

Austenita, ce intra in componenta ledeburitei, sufera la 727 C o transformare eutectoida. De aceea, sub 727 C ledeburita este formata din amestec mecanic de perlita si cementita.

Linia PQ corespunde liniei de solubilitate variabila. Sub aceasta linie aliajul este suprasaturat in carbon, are loc precipitarea carbonului in exces care va forma un compus chimic cu fierul, adica cementita. La racire, cementita se separa continuu, iar concentratia de carbon in ferita scade conform liniei PQ, ajungand la temperatura camerei la 0,006 %. Cementita ce se separa din ferita se numeste cementita tertiara - cem'''.

Variatia dimensionala si de distributie a formatiunilor de cementita influenteaza puternic proprietatile aliajelor Fe - C.

La temperaturi ridicate, din lichid se separa cementita primara - cem', sub forma de cristale aciculare mari. Cementita secundara - cem'' - se separa din austenita la temperaturi relativ ridicate si la viteze mari de difuzie. De aceea cementita secundara se formeaza ca o retea la limita grauntilor de austenita.

Cementita tertiara - cem''' - se formeaza din ferita la temperaturi scazute. Ea se separa de obicei in interiorul grauntilor de ferita sub forma unor incluziuni disperse, care de altfel si cresc duritatea feritei.

Aliajele sistemului Fe - Fe3C se impart din punct de vedere structural in: oteluri carbon si fonte

albe. Otelurile carbon contin pana la 2,11 %C si isi incheie procesul de solidificare prin formarea austenitei. Fontele albe contin mai mult de 2,11 %C si isi incheie solidificarea prin formarea eutecticului- ledeburita.

Lipsa ledeburitei din structura otelurilor face ca plasticitatea acestora sa fie mai mare si deci sa poata fi prelucrate prin deformare plastica. Pe de alta parte, prezenta in structura fontelor a ledeburitei usor fuzibile, face ca proprietatile de turnare ale acestora sa fie considerabile.

18. Cum variaza solubilitatea carbonului in fier odata cu cresterea temperaturii?

Fierul este un metal gri - argintiu, ce apartine grupei a VIII-a a sistemului periodic, avand masa

atomica de 55,85, densitatea de 7,86 g/cm3 si temperatura de topire de 1536 ⁰C. Fierul pur obtinut in conditii de laborator contine mai putin de 0,0001 % impuritati, iar fierul de puritate tehnica in jur de 0,1 -0,15% impuritati.

Fierul, in stare solida, se poate afla in doua forme polimorfe: CVC (cubic cu volum centrat) si CFC

(cubic cu fete centrat). Conform schemei de variatie a energiei libere (figura 90) rezulta ca in intervalul de

temperaturi 910 C cea mai mica energie libera si cea mai mare stabilitate o are Fe γ cu retea cristalina CFC.

Figura 90 - Schema variatiei energiei libere a modificarilor polimorfe ale fierului cu structura CVC si CFC.

Sub temperatura de 910 C si deasupra temperaturii de 1392 C este stabil Fe cu retea CVC.

Modificarea de temperatura inalta a fierului este denumita uneori Fe δ deoarece este paramagnetica si

nu feromagnetica ca Fe , desi din punct de vedere cristalografic nu se deosebesc.

Curba de racire inregistreaza doua transformari polimorfe si una magnetica (figura 91).

Transformarea magnetica de la 768 C nu este legata de modificari ale retelei cristaline sau de

recristalizari, ci de modificari ale straturilor electronice interioare si exterioare ale atomilor care duc la

variatii ale proprietatilor magnetice.

Figura 91 - Curba de racire si incalzire a fierului

Carbonul apartine grupei a IV-a din sistemul periodic al elementelor. Carbonul se intalneste in natura sub doua forme: diamant si grafit. Masa atomica a carbonului este 12, densitatea grafitului de 2,25g/cm3 si temperatura de topire de 3500 C. Grafitul cristalizeaza in sistem hexagonal, este un material moale si are o rezistenta scazuta. Rezistenta grafitului creste odata cu cresterea temperaturii: la 20 C rezistenta Rm = 20 MPa, iar la 2500 C grafitul este mai rezistent decat toate metalele refractare.

Carbonul formeaza cu fierul solutii solide interstitiale. Solubilitatea carbonului in fier depinde de forma sa cristalografica. Diametrul interstitiilor retelei cristaline CVC este mult mai mic decat diametrul interstitiilor din reteaua CFC. De aceea Fe este capabil sa dizolve carbon in cantitati mici, in timp ce solubilitatea carbonului in Fe este mult mai mare.

In sistemul Fe - C se pot intalni urmatoarele faze: faza lichida, solutia solida pe baza de Fe (ferita), solutia solida pe baza de Fe (austenita), compusul chimic Fe3C (cementita) si grafit.

Ferita (F) este solutia solida interstitiala de carbon in Fe . La 727 C solubilitatea carbonului in Fe

are valoarea maxima, de 0,02 %; la 20 C carbonul este solubil in Fe in proportie de 0,006%. Proprietatile feritei sunt apropiate de cele ale fierului pur.

Austenita (A) este solutia solida interstitiala de carbon in Fe . La 1147 C austenita poate dizolva

2,11 %C, iar la 727 C - 0,8 %C.

Si in ferita si in austenita se pot dizolva multe elemente de aliere ce formeaza solutii solide de substitutie si care modifica puternic proprietatile. In plus, alierea poate modifica substantial temperature limitelor de existenta a acestor faze.

Cementita (cem) - carbura de fier Fe3C contine 6,67 %C. Temperatura de topire a cementitei este de 1252 C, iar duritatea acesteia este foarte mare, de 800 HB, putand zgaria cu usurinta sticla. Cementita este foarte fragila, are o plasticitate aproape nula, o retea ortorombica cu o impachetare densa a atomilor.

La incalzire cementita se dizolva conform urmatoarei reactii: Fe3C 3Fe Cgrafit

19. Ce este perlita in oteluri

Criteriile de clasificare ale otelurilor aliate sunt: dupa structura in stare de echilibru, dupa structura

obtinuta dupa racirea in aer, dupa cantitatea de element de aliere si dupa destinatie.

Dupa structura obtinuta dupa racirea in aer

1. oteluri perlitice, cu un continut scazut de elemente de aliere si stabilitate scazuta a austenitei subracite,

2. oteluri martensitice, cu un continut mediu de elemente de aliere si stabilitate ridicata a austenitei,

3. oteluri austenitice, cu un continut ridicat de elemente de aliere si structura austenitica la temperatura camerei.

Perlita este formata din lamele de cementita intr-o masa de ferita si are o culoare cenusiu - sidefie in proba atacata, de unde si denumirea de perlita. Grauntele de perlita este format din lamele paralele de

cementita si ferita. Cu cat sunt mai mari cristalele de cementita cu atat sunt mai slabe proprietatile

mecanice ale perlitei.

20. Ce este ledeburita?

Ledeburita (led) este amestecul mecanic dintre austenite si cementita. Contine 4,3%C.

Dupa structura in stare de echilibru

1. hipoeutectoide, cu ferita simpla in structura;

2. eutectoide, cu structura perlitica,

3. hipereutectoide, cu carburi in exces,

4. oteluri ledeburitice, in structura carora apar carburi primare, care au precipitat din otelul lichid.

Acest fenomen se explica prin faptul ca elementele de aliere deplaseaza la stanga punctele S, E din

diagrama fier-carbon. De aceea, limita dintre otelurile enumerate apare la concentratii mai mici de carbon

fasa de valorile din diagrama Fe-Fe3C.

Daca se pune in discutie si faptul ca elementele de aliere micsoreaza sau maresc domeniul , in

afara de grupele enumerate mai sus se mai considera si urmatoarele doua:

5. oteluri austenitice

6. oteluri feritice

Otelurile carbon simple pot fi numai din primele trei clase, iar cele aliate din toate cele sase clase.

Ledeburita (Led) - eutecticul sistemului Fe - Fe3C - reprezinta amestecul mecanic dintre

austenita si cementita si contine 4,3 %C.

Dupa linia PSK, la 727 C, are loc transformarea eutectoida: AS F_p cem_K , in urma careia din

austenita cu continut de 0,8 %C se formeaza amestecul mecanic eutectoid de ferita si cementita.

Transformarea eutectoida este similara cristalizarii eutecticului, dar eutectoidul nu se formeaza din lichid, ci dintr-o solutie solida. Eutectoidul se numeste perlita. Perlita (P) - eutectoidul sistemului Fe - Fe ₃C -

este amestecul mecanic de ferita si cementita ce contine 0,8 %C.

Lipsa ledeburitei din structura otelurilor face ca plasticitatea acestora sa fie mai mare si deci sa

poata fi prelucrate prin deformare plastica. Pe de alta parte, prezenta in structura fontelor a ledeburitei

usor fuzibile, face ca proprietatile de turnare ale acestora sa fie considerabile.