STRUCTURA SI PROPRIETATILE METALELOR

STRUCTURA SI PROPRIETATILE METALELOR

1.1. DEFINITIA SI CLASIFICAREA METALELOR

Metalele sunt acele elemente chimice, care poseda un coeficient pozitiv de variatie a rezistivitatii

electrice in functie de temperatura, respectiv rezistivitatea lor electrica creste odata cu cresterea

temperaturii.

1.2 RETELE

1.2 RETELE CRISTALINE ALE METALELOR

Metalele si aliajele sunt corpuri solide cristaline. Ele difera de solidele amorfe in care atomii sunt

dispusi dezordonat, prin faptul ca distributia atomilor este ordonata, prezentand o periodicitate in cele trei

directii spatiale.

Cristalele metalice cuprind un numar imens de ioni pozitivi plasati dupa un aranjament regulat. Acest

aranjament regulat poate fi divizat in paralelipipede elementare, egale intre ele si aflate in contact.

Laturile paralelipipedelor formeaza un sistem de drepte paralele orientate in cele trei directii. Aceste

directii putand fi ortogonale sau nu. Aceste paralelipipede sunt numite si celule elementare, iar ansamblul

lor formeaza o retea cristalina (fig.1.1).

Daca in desen se prezinta si atomii plasati in nodurile retelei, va rezulta structura cristalina a

metalului (fig. 1.2).

Un sistem cristalin este definit prin parametrii

celulei elementare (fig.1.3) adica prin laturile si

unghiurile paralelipipedului elementar. In functie de

valoarea unghiurilor a, b, g si in functie de relatiile intre

parametrii retelei a, b, c retelele se impart in 7 sisteme

cristaline, prezentand 14 tipuri de retele cristaline si

acestea cuprinzand 32 clase de simetrie, in care se pot

forma 230 de retele posibile.

Tipurile de retele posibile sunt prezentate in fig. 1.4

Metalele prezinta o retea cubica cu fete centrate CFC retea cubica cu volum centrat CVC sau o

retea hexagonal compacta HC

Modul de amplasare al ionilor in cadrul retelei influenteaza in mare masura proprietatile

metalelor. Metale care cristalizeaza in sistemul CVC sunt caracterizate printr-o rezistenta mecanica

ridicata si o plasticitate moderata (V, Cr, Fea, Nb, Mo, Ta, W). Toate metalele care cristalizeaza in

sistemul CFC se caracterizeaza printr-o ductilitate si maleabilitate ridicata (Al, Cu, Ni, Ag, Ir, Pt, Au, Pb,

Feg). Metalele care cristalizeaza in sistemul HC au o plasticitate scazuta (Be, Mg, Zn, Cd, Ti, Zr).

1.2.1. Compactitatea retelei cristaline

In cadrul retelelor cristaline atomii pot fi reprezentati prin sferele lor de influenta, sfere ce se ating

intre ele Se observa ca aceste sfere nu reusesc sa umple intreg volumul retelei cristaline. Raman spatii

libere intre sferele aflate in contact, aceste spatii reprezentand interstitiile retelei cristaline.

Compactitatea unei retele cristaline poate fi caracterizata princoeficientul de compactitate. Conform

modelului sferelor rigide, coeficientul de compactitate (k) este definit ca fiind raportul dintre volumul

sferelor si volumul total al retelei. Astfel coeficientul de compactitate prezinta intotdeauna valori

subunitare, compactitatea fiind cu atat mai ridicata cu cat valoarea lui k se apropie de unitate.

Compactitatea retelei cristaline poate fi caracterizata si prin numarul de coordinatie. Numarul de

coordinatie (c) reprezinta numarul atomilor vecini cu un atom din reteaua cristalina

1.2.2. Alotropia metalelor

Unele elemente metalice dar si unele nemetalice, prezinta mai multe tipuri de retele cristaline.

Însusirile unor elemente de a prezenta retele cristaline diferite, in diferite intervale de temperatura, poarta

denumirea de polimorfism, iar starile respective se numesc stari alotropice.

Prezinta transformari alotropice cateva metale din grupele principale ale sistemului periodic (Ca, Sr,

Ga, In, Sn) dar majoritatea metalelor care prezinta transformari alotropice apartin grupelor secundare ale

sistemului periodic respectiv metale de tranzitie, lantanide si actinide (Mn, Fe, Co, Ti, Ce, s.a.)

Starile alotropice se noteaza cu litere grecesti : α, β, γ etc., aceste litere scriindu-se alaturi de simbolul

metalului care sufera transformari alotropice (Fe , Fe , Sn , Sn etc.).

Transformarile alotropice ale metalelor prezinta o importanta tehnica deosebita, deoarece aliajele

acestor metale sunt susceptibile la tratamente termice mai variate. Prin racirea rapida pana la temperatura

ambianta este posibila pastrarea starii alotropice stabile la temperaturi ridicate sau pastrarea distributiei

elementelor de aliere in metalul de baza, distributie existenta la temperaturi ridicate. Intr-o astfel de stare,

aliajul se afla in neechilibru si poate prezenta unele proprietati fizico-mecanice deosebite.

1.2.3. Influenta tipului retelei cristaline asupra plasticitatii metalelor

În practica, se constata ca diferitele metale au o plasticitate diferita, aceasta fiind determinata in

primul rand de tipul retelei cristaline. Pentru explicarea comportarii diferite la deformare a diferitelor

metale, a fost introdusa notiunea de sistem de alunecare. Produsul dintre numarul planelor de alunecare si

numarul directiilor de alunecare poarta denumirea de sistem de alunecare si acesta caracterizeaza

capacitatea de deformare plastica a metalelor. Planele de alunecare sunt acele plane din cadrul celulei

elementare, care contin un numar maxim de atomi.

Directiile de alunecare sunt segmentele drepte din cadrul planelor de alunecare, pe care se afla un

numar maxim de atomi.

1.2.4. Plane cristalografice. Indicii Miller

In studiul unor probleme legate de structura cristalina a metalelor, precum si pentru explicarea unor

procese ce au loc in timpul deformarii plastice sau in timpul unor tratamente termice sau termochimice,

este necesara notarea unor plane atomice din cadrul retelei cristaline. Notarea acestor plane se face cu

ajutorul indicilor Miller.

1.2.5. Determinarea parametrilor retelei cu ajutorul razelor X

Cu ajutorul radiatiilor X poate fi efectuata analiza structurala a cristalelor, determinandu-se modul de

repartizare al atomilor in cadrul retelei, precum si distantele dintre atomi. Astfel poate fi determinat tipul

retelei si parametrii acesteia.

1.2.6. Clasificarea imperfectiunilor (defectelor) reticulare

1.2.7. Defecte punctiforme

Aceste defecte apar frecvent in cristale si au dimensiuni extrem de mici, afectand reteaua cristalina in

microvolume cu un diametru de cativa parametrii atomici. În figura 1.5 sunt prezentate schematic aceste

defecte punctiforme.

Vacantele, respectiv nodurile neocupate ale retelei reprezinta o caracteristica normala a cristalelor

reale. Datorita oscilatiilor atomilor in nodurile retelei, este posibil ca unii atomi sa iasa din pozitia ocupata

in cadrul retelei. Atomul care a parasit pozitia sa, a lasat in urma o vacanta si migreaza (difuzeaza)

ocupand intr-un alt loc o alta pozitie de echilibru, corespunzatoare unei energii libere mai scazute.

Daca temperatura este suficient de inalta este posibil ca un atom sa-si paraseasca pozitia de

echilibru ocupand o pozitie interstitiala (defect Frenkel). Acest lucru este prezentat in figura 1.5 d.

In figura 1.5 b si c sunt prezentate defecte provocate de atomi straini care pot ocupa pozitii interstitiale

sau in nodurile retelei. Acest gen de defecte se intalneste in mod obisnuit la metalele impure sau la aliaje.

Toate defectele punctiforme determina deformarea retelei cristaline, influentand astfel proprietatile

mecanice ale materialelor metalice.

Defecte liniare (dislocatii)

Aceste defecte pot fi puse in evidenta si studiate numai cu ajutorul microscoapelor electronice de

mare putere. Dislocatiile pot fi considerate ca linii de demarcatie intre o portiune din cristal, care s-a

deplasat pe un plan cristalografic in raport cu celalalt. Dislocatiile au o intindere mare intr-o anumita

directie de ordinul sutelor de mii de parametri ai retelei si provoaca deformatii relativ mici (de ordinul

catorva parametri ai retelei) pe o directie perpendiculara.

Pentru caracterizarea dislocatiilor se folosesc vectorii Burgers (B). Acesti vectori ne indica sensul si

marimea dislocatiei. Zona cristalului, mai puternic afectata se numeste axa dislocatiei. In functie de

pozitia vectorului Burgers fata de axa dislocatiei se vor putea deosebi dislocatii marginale si dislocatii

elicoidale. La dislocatiile marginale vectorul Burgers este perpendicular pe axa dislocatiei, iar la

dislocatiile elicoidale vectorul Burgers este paralel cu axa dislocatiei.

În figura 1.5.a este prezentat modul in care se determina vectorul Burgers care caracterizeaza o

dislocatie.

Pornind din punctul A se parcurg in sus sase distante interatomice (parametri ai retelei), iar apoi alte sase

distante inspre stanga, ajungandu-se in punctul C al retelei. Similar se coboara, iar apoi se parcurg alte

sase distante pana in punctul E. Se observa ca poligonul nu se inchide, acest lucru datorandu-se faptului

ca el include o dislocatie. Segmentul AE reprezinta vectorul Burgers al dislocatiei. În cazul din figura

1.18.a dislocatia are marimea de un parametru al retelei. Dislocatia apare in zona Q si intr-adevar planul

cristalin MN contine un numar mai mic de atomi decat planul imediat superior. Aceasta dislocatie este o

dislocatie marginala deoarece vectorul Burgers este perpendicular pe axa dislocatiei. O dislocatie

marginala este prezentata si in figura 1.5.b.

Dislocatia marginala poate fi considerata drept limita a unui semiplan atomic suplimentar existent in

portiunea superioara a cristalului. In figura 1.5.b axa dislocatiei MN si semiplanul PQMN apar in spatiu,

reprezentarea fiind facuta in perspectiva. Abaterea de la perfectiune a retelei, nu se limiteaza doar la

prezenta unui sir atomic MN cu un numar incoerent de vecini, ci ea se extinde intr-o regiune cilindrica cu

axa DD' si raza de 3-4 diametre atomice (regiunea incercuita).

Zona dislocatiei este o regiune de dezordine atomica unde in partea superioara a planului xy apar

tensiuni de compresiune, iar in partea inferioara tensiuni de intindere.

1.3. STRUCTURA AGREGATULUI POLICRISTALIN

In tehnica sunt utilizate extrem de rar monocristale metalice. Acestea nu pot fi obtinute decat in

conditii de laborator, fapt care scumpeste mult pretul acestora. In mod obisnuit piesele metalice contin un

numar imens de graunti cristalini, ansamblul lor fiind numit agregat policristalin. O sectiune printr-un

agregat policristalin este prezentata in fig.1.6.

Orientarea cristalografica difera de la un graunte la altul, pe ansamblu orientarea tuturor grauntilor

agregatului policristalin putand avea o distributie intamplatoare (fig.1.6.a), sau dimpotriva, grauntii tind

intr-o masura mai mare sau mai mica sa adopte o orientare cristalografica comuna (fig.1.6.b).

În cazul prezentat in fig.1.6.b agregatul policristalin prezinta o textura sau o orientare preferata,

aparuta ca efect al unor anumite procedee de prelucrare (laminare, trefilare, extrudare etc.).

Fiecare graunte cristalin, luat in parte, este anizotrop, adica proprietatile sale (fizice, mecanice, rezistenta

la atac chimic), sunt diferite in diferite directii.

1.4. SOLIDIFICAREA MATERIALELOR METALICE

1.4.1. STRUCTURA MATERIALELOR METALICE LICHIDE

Spre deosebire de corpurile cristaline solide, in

care atomii sunt distribuiti ordonat si formeaza o retea

cristalina, in lichide aceasta ordine este distrusa, iar

atomii sunt legati intre ei de forte de legatura mult mai

slabe, avand deci posibilitatea de a se deplasa mult mai

usor in spatiu. În stare lichida, agitatia termica a

atomilor conduce la o distrugere partiala a ordinii din

cristale, fara a se ajunge la dezordinea totala

caracteristica gazelor.

Efectuandu-se cercetari asupra difractiei razelor X

de catre metalele topite aflate Ia temperaturi putin

superioare temperaturii de topire, a rezultat ca in

metalele topite atomii sunt distribuiti ordonat, aceasta

ordine pastrandu-se insa numai pe distante relativ mici.

Avand in vedere acest fapt, lichidele sunt caracterizate

prin asa-numita "ordine apropriata", iar corpurile

cristaline solide sunt caracterizate printr-o "ordine

indepartata" (figura 1.7).

1.4.2. TERMODINAMICA PROCESULUI DE SOLIDIFICARETransformarile de stare ale unui metal pot fi

reprezentate grafic in functie de temperatura si

presiune. În figura 1.8. sunt prezentate domeniile

starilor solide, lichide si gazoase, in functie de aceste

marimi. Din analiza figurii rezulta ca atat

temperatura de topire Tt, cat si temperatura de

vaporizare Tv, sunt cu atat mai scazute cu cat

presiunile sunt mai scazute.

Starea unui sistem condensat format dintr-un numar mare de atomi sau molecule este caracterizata cu

ajutorul energiei libere F. Aceasta energie libera este o parte din energia interioara a unui sistem fizicochimic,

care la o temperatura constanta se poate transforma in lucru mecanic.

Din punct de vedere termodinamic starea cea

mai stabila este aceea care poseda o energie libera

mai scazuta. În figura 1.9. este prezentata variatia

energiilor libere a starilor solide si lichide in functie

de temperatura, considerand presiunea constanta.

Curba FS marcheaza variatia energiei libere a fazei

solide, iar curba Fl - variatia energiei libere a fazei

lichide. Valoarea energiei libere este egala pentru

cele doua faze, la temperatura de echilibru Te. La

temperaturi inferioare punctului Te, energia libera a

fazei solide va fi mai mica decat energia libera a

fazei lichide, si astfel intr-o topitura se creeaza

conditii pentru dezvoltarea procesului de solidificare.

Pentru ca un metal topit sa se solidifice, este deci

necesar sa fie subracit, aplicandu-i gradul de

subracire ΔT. La temperatura de solidificare TS intre

energiile libere ale fazelor lichide si solide exista o

diferenta ΔFV = FL - FS , datorita careia procesul de cristalizare se va putea desfasura. Temperatura de

solidificare TS , poate fi determinata experimental prin metoda cunoscuta sub denumirea de analiza

termica. Esenta acestei metode consta in inregistrarea variatiei temperaturii metalului in timpul racirii,

construindu-se asa numitele curbe de racire, in coordonate temperatura-timp.

1.4.3. MECANISMUL SOLIDIFICARII

Formarea grauntilor cristalini in timpul procesului de solidificare este rezultatul a doua procese

elementare:

- formarea in topitura a unor germeni de solidificare;

- dezvoltarea (cresterea) germenilor formati.

Germenii de cristalizare sunt fie mici grupari de atomi cu o simetrie intermediara intre o ordonare

apropiata ce caracterizeaza topitura si ordonarea indepartata ce caracterizeaza corpul cristalin solid, fie

diverse particule straine. Prima categorie de germeni se numesc germeni proprii sau omogeni, iar cea de-a

doua categorie, germeni straini sau eterogeni.

Desfasurarea procesului de solidificare este determinata pe de o parte de viteza de formare a

germenilor de cristalizare, iar pe de alta parte de viteza de crestere a acestor germeni. Viteza de formare a

germenilor de cristalizare Vf numita si viteza de germinare, reprezinta numarul de germeni ce apar pe

secunda in unitatea de volum [1/mm3s]. Viteza de crestere a germenilor de cristalizare Vc reprezinta

variatia dimensiunilor liniare ale unui germen in unitatea de timp [mm/s].

1.4.3.1. Germinarea omogena

Aparitia germenilor de cristalizare omogeni presupune existenta unui lichid metalic lipsit de

impuritati si omogen, caruia i se aplica un anumit grad de subracire. La scaderea temperaturii sub

temperatura de echilibru Te , in mai multe zone din topitura metalica se produc abateri de la valoarea

medie a energiei, temperaturii si concentratiei. Aceste fluctuatii ale temperaturii si concentratiei (la aliaje)

creeaza conditii de formare a unor germeni de cristalizare, capabili sa se dezvolte si sa instaureze ordinea

indepartata. Particulele solide ce apar in topitura metalica, nu sunt insa stabile, nu toate pot deveni

germeni de cristalizare. Vor putea deveni germeni de cristalizare doar acele particule solide care depasesc

o anumita dimensiune critica, celelalte pierzandu-se in topitura metalica. Stabilitatea unui germene este

determinata de doi factori si anume:

- diferenta dintre energiile libere ale fazei lichide si solide;

- aparitia unei tensiuni superficiale la limita germen-topitura.

Variatia energiei libere, Ia aparitia germenilor de cristalizare este redata de functia:

unde: ΔF este variatia energiei libere a sistemului lichid-solid; V - volumul germenilor de cristalizare; S -

suprafata de contact germeni-topitura; σ - tensiunea superficiala la limita germeni-topitura; FL - energia

libera a fazei lichide; FS - energia libera a fazei solide.

Notand: ΔFV = FL - FS , r - raza germenilor de cristalizare; n - numarul germenilor de cristalizare si

presupunand ca germenii au forma sferica, rezulta:

Raza critica rk a germenilor de cristalizare poate fi determinata egaland cu zero prima derivata in

raport cu "r" a ecuatiei de mai sus

de unde rezulta:

1.4.3.2. Germinare neomogena (eterogena)

În figura 1.10 este prezentat procesul formarii pe un suport plan a unui germene eterogen,

marginit Ia contactul cu topitura de o suprafata sferica, iar la contactul cu suportul de o suprafata plana. Sa

notat cu σSL tensiunea superficiala a interfetei suport-lichid, cu σGS tensiunea superficiala a interfetei

germen-suport, cu σLG tensiunea superficiala a interfetei lichid-germen si cu θ unghiul de contact lichidgermen

1.4.3.3. Procesul de crestere al germenilor de cristalizare

Un germen de cristalizare, fie el omogen sau eterogen, odata format intr-o topitura subracita, se

va dezvolta dand nastere unui graunte cristalin. Procesul de dezvoltare al germenilor de cristalizare este

foarte asemanator cu cel de formare al germenilor. Cresterea germenilor se desfasoara prin atasarea

atomilor din topitura pe suprafata cristalului in devenire. Pe suprafata germenului nu se poate atasa un

singur atom izolat, deoarece acest lucru conduce la cresterea energiei libere.

Procesul nu se va putea desfasura, iar atomul izolat va fi absorbit in masa lichida (figura 1.11).

Procesul de crestere al germenilor de

cristalizare trebuie sa conduca la scaderea

valorii ΔF, deci depunerea atomilor pe suprafata

germenului trebuie sa se realizeze astfel incat

volumul germenului sa creasca mai rapid decat

suprafata sa. Acest lucru este posibil doar prin

depunerea pe suprafata germenului a unor

straturi monoatomare (germeni bidimensionali),

acest lucru fiind prezentat schematic in figura

1.11. Cresterea grauntilor in topiturile metalice

se desfasoara in salturi.

1.4.4. DIMENSIUNILE GRAUNTILOR CRISTALINI REZULTATI

ÎN URMA PROCESULUI DE SOLIDIFICARE

Teoria cristalizarii topiturilor metalice, propusa

de Tammann si confirmata experimental de numeroase

experiente, considera ca cinetica fenomenului de

solidificare poate fi caracterizata cantitativ prin doi

parametri care raman aproximativ constanti in timpul

desfasurarii procesului de cristalizare. Acesti parametrii

sunt viteza de formare a germenilor Vf si viteza de

crestere a acestora Vcr . Valoarea celor doi parametrii

este influentata in primul rand de gradul de subracire

aplicat topiturilor metalice.

În figura 1.12 este prezentata influenta gradului de subracire

asupra vitezelor de formare si crestere a germenilor

de cristalizare.

Dupa cum se vede in figura 1.12 curbele care indica variatia vitezelor de formare si de crestere a

germenilor au aceiasi alura. Singura deosebire consta in faptul ca maximul curbei vitezei de crestere a

germenilor este deplasat spre un grad de subracire mai mic decat gradul de subracire limita.

Dimensiunile grauntilor cristalini rezultati in urma cristalizarii vor fi determinate atat de viteza de

formare cat si de viteza de crestere a germenilor de cristalizare, deci in ultima instanta de gradul de

subracire aplicat topiturii. Corelatia ce exista intre dimensiunile grauntilor si vitezele de formare si

crestere a germenilor, poate fi exprimata prin relatia:

unde: Ng este numarul de graunti pe unitate de volum: c - coeficient de proportionalitate; Vf - viteza de

formare a germenilor; Vcr - viteza de crestere a germenilor.

1.4.5. FORMA GRAUNTILOR CRISTALINI REZULTATI

ÎN URMA PROCESULUI DE SOLIDIFICARE

În cazul metalelor ce cristalizeaza in sistem cubic, dezvoltarea germenilor se desfasoara cu o viteza

mai mare pe directia axelor de octaedru. Astfel pe aceste directii se formeaza ramuri lungi, numite axe de

gradul intai, perpendicular pe acestea se formeaza alte ramuri mai mici, axe de gradul doi, pe acestea axe

de gradul trei, s.a.m.d. Se obtine astfel un schelet de forma arborescenta, numit dendrita care este

reprezentat schematic in figura 1.13.

În procesul de crestere a dendritei, spatiile dintre ramuri se vor umple cu axe de grad superior, iar in

final forma dendritica dispare.

In procesul de crestere a dendritei, spatiile dintre ramuri se vor umple cu

axe de grad superior, iar in final forma dendritica dispare.

Deoarece in topitura apar simultan numerosi germeni de cristalizare, ei se

vor dezvolta in acelasi timp dand nastere la numeroase dendrite, acestea

ajungand la un moment dat, sa se stanjeneasca reciproc in procesul de crestere.

Rezulta astfel in final, graunti cristalini cu forme si orientari ale retelei, diferite

de la graunte la graunte. Acest lucru este prezentat schematic in figura 1.14.

Structura rezultata in urma cristalizarii topiturilor metalice poate fi studiata

fie printr-o cercetare macroscopica, fie printr-o cercetare microscopica. Prin

cercetarea macroscopica pot fi studiati grauntii cristalini, daca acestia au

dimensiuni relativ mari, precum si o serie de defecte de volum (macrodefecte)

cum ar fi porozitatile, impuritatile metalice sau nemetalice, segregatiile, fisurile

s.a. În cazul in care dupa solidificare rezulta structuri cu granulatie fina, forma,

distributia si dimensiunile grauntilor, pot fi studiate numai prin cercetare

microscopica. Cu aceasta ocazie, pot fi puse in evidenta si microdefectele de

volum, respectiv microporozitatile, microretasurile, microincluziunile si microfisurile.

1.5. DEFORMAREA PLASTICA A MATERIALELOR METALICE

Sub actiunea unor forte exterioare aplicate corpurilor metalice, acestea se vor deforma. Daca dupa

incetarea actiunii fortelor, corpul isi revine la forma initiala, deformatia pe care el a suferit-o a fost o

deformatie elastica. Daca insa corpul nu isi reia forma initiala, el a suferit o deformatie plastica.

Deformatia plastica a corpurilor metalice este insotita intotdeauna de o deformatie elastica, deformarea

plastica incepand numai dupa depasirea unei limite a valorii deformarii elastice. Acest fenomen reiese

clar din diagrama lui Hooke, prezentata in figura 1.15

Relatia

unde t este deformatia totala, p este deformatia plastica

(remanenta) si e este deformatia elastica

În domeniul deformatiilor elastice este valabila legea lui

Hooke:

unde cu E s-a notat modulul de elasticitate longitudinal.

1.5.1. Deformarea plastica a monocristalelor

Deformarea plastica a monocristalelor se poate produce fie prin translatie (alunecare) fie prin

maclare.

a) Deformatia plastica prin translatie se realizeaza prin deplasarea unor fragmente (pachete) din

blocurile cristaline pe anumite plane cristaline. Planele cristaline pe care se produce alunecarea se numesc

plane de alunecare, iar directiile de-a lungul carora aluneca pachetele de material, directii de alunecare.

Cu cat numarul planelor de alunecare si cel al directiilor de alunecare este mai mare, cu atat deformarea

plastica se desfasoara mai usor, deci materialul este mai plastic.

Etapele procesului de deformare plastica prin translatie a

unui monocristal sunt prezentate schematic in figura 1.16.

Sub actiunea unei forte exterioare F , in interiorul

monocristalului iau nastere tensiuni care vor determina deformarea

retelei cristaline, ruperea legaturilor interatomice in anumite plane si

alunecarea materialului in aceste plane pe distante mici, de ordinul a

catorva zeci de parametrii ai retelei. Monocristalul a suferit o

deformare plastica, dar la scara macroscopica deformatia suferita

este neglijabila..

Pe suprafata monocristalului apar vizibile asa-numitele linii de alunecare. Acestea sunt orientate

la 45° fata de directia de actiune a fortei.

b) Deformatia plastica prin maclare. Deformarea plastica a metalelor se poate realiza si prin

maclare, mecanism care consta in deplasari a unor grupari de atomi (pachete), in asa fel incat in cristal sa

se formeze doua sau mai multe zone care au retele simetrice una in raport cu alta. În figura 1.17 se arata

schematic cum se produce deformarea plastica a unui cristal prin procesul maclarii.

Maclarea se poate produce atat in

timpul deformarilor plastice la rece,

dar si in timpul solidificarii aliajelor

sau in timpul unor tratamente termice

1.5.2.. Deformarea plastica a agregatelor policristaline

Deformarea plastica a agregatului policristalin va fi rezultatul deformarilor plastice pe care le

sufera fiecare graunte in parte. Deoarece orientarea grauntilor agregatului este diferita, nu toti grauntii se

vor deforma la fel. Sub actiunea unor forte exterioare aplicate agregatului policristalin, vor incepe sa se

deformeze intai grauntii care au planele de alunecare orientate cel mai favorabil deformarii, prin

translatie, respectiv Ia 45° fata de directia de actiune a fortei. Sub actiunea fortei, in acesti graunti se vor

produce alunecari, si ei se vor alungi, orientandu-se pe directia fortei. În procesul de deformare, acesti

graunti vor antrena si grauntii din jurul lor, rotindu-i astfel incat planele lor de alunecare sa ajunga sub

unghiul de 45° fata de directia fortei. Acum si acesti graunti orientati favorabil, se vor deforma prin

alunecare, antrenand si alti graunti, s.a.m.d.

Spre deosebire de cazul monocristalului singular, in care alunecarile nu erau stanjenite decat de

deformatiile retelei, in agregatul policristalin, deformarea prin translatie a grauntilor va fi stanjenita sau

chiar blocata si de catre limitele dintre graunti. Rezulta deci ca materialele ce prezinta o structura fina se

vor deforma plastic mai greu, respectiv vor fi necesare forte de deformare mai mari.

În figura 1.18 se prezinta schematic modul de deformare al agregatului policristalin, prin deformarea prin

translatie a fiecarui graunte in parte. Daca inaintea deformarii plastice, grauntii erau orientati diferit, dupa

deformarea plastica ei sunt orientati pe directia pe care a actionat forta deformatoare.

Aceasta orientare influenteaza proprietatile

materialului, agregatul policristalin deformat plastic

este anizotrop, prezentand proprietati diferite pe

diferite directii. De regula rezistenta la rupere pe

directia pe care sunt orientati grauntii este maxima,

iar pe o directie perpendiculara, este minima.

Structura agregatelor policristaline deformate plastic,

care reprezinta graunti orientati, poarta denumirea de

textura.

Figura 1.18. Deformarea plastica a agregatului policristalin:

a)      inainte de deformare; b) dupa deformare

b)    1.6. INFLUENTA DEFORMARII PLASTICE LA RECE ASUPRA PROPRIETATILOR

c)     METALELOR

d)     În timpul deformarii plastice, reteaua cristalina a fiecarui graunte sufera deformari puternice si

e)     din aceasta cauza tensiunile interne cresc deosebit de mult si astfel se inregistreaza o crestere a rezistentei

f)      Ia rupere si a duritatii, precum si o scadere a alungirii la rupere. Acest proces de modificare a

g)     proprietatilor in timpul deformarii plastice poarta denumirea de ecruisare. Deformatia pe care o sufera

h)     materialul in timpul actiunii fortelor exterioare este caracterizata prin gradul de deformare (grad de

i)      ecruisare) E%:

j)      unde cu A s-a notat aria sectiunii initiale si cu A - aria sectiunii finale a probei deformate.

k)     Capacitatea materialelor metalice de a se ecruisa, prezinta o importanta practica deosebita. Pe aceasta

l)      proprietate se bazeaza o serie intreaga de operatii tehnologice prin care se pot realiza mariri ale rezistentei

m)   la rupere, ale duritatii si ale rezistentei la uzare, la materiale care nu pot fi durificate prin tratamente

n)     termice.

1.7. INFLUENTA ÎNCALZIRII ASUPRA STRUCTURII SI PROPRIETATILOR

MATERIALELOR METALICE DEFORMATE PLASTIC LA RECE

Starea obtinuta prin deformare plastica, fiind o stare in afara echilibrului, materialul metalic

ecruisat tinde sa treaca spontan intr-o stare de energie mai mica, mai apropiata de starea de echilibru.

Deoarece procesele prin care un material ecruisat trece in stari cu energie mai mica se realizeaza prin

difuzie, temperatura exercita o influenta foarte mare asupra structurii si proprietatilor metalelor ecruisate.

La majoritatea materialelor metalice, mobilitatea atomilor la temperatura ambianta este foarte mica, astfel

incat structura obtinuta prin deformare plastica este stabila. Pentru ca materialul ecruisat sa-si reduca

starea de neechilibru, este necesara incalzirea lui Ia o temperatura ridicata. Acest tratament termic este

cunoscut sub numele de recoacere de recristalizare.

În figura 1.19 este

prezentata influenta temperaturii de

incalzire asupra principalelor

proprietati mecanice ale materialelor

metalice ecruisate. Aceasta prima

etapa a modificarii proprietatilor

materialului ecruisat, etapa in care

se reface reteaua cristalina, grauntii

ramanand inca alungiti, poarta

denumirea de restaurare. În timpul

restaurarii rezistenta la rupere si

duritatea scad putin, iar alungirea la

rupere creste putin.

Figura 1.19. Modificarea proprietatilor si a structurii

in timpul incalzirii materialelor metalice ecruisate.

La ridicarea in continuare a temperaturii, la limitele grauntilor alungiti si uneori chiar in interiorul

lor apar germenii unor noi graunti. Acesti germeni se vor dezvolta si vor da nastere unor graunti noi, de

forma poligonala. Acest proces poarta denumirea de recristalizare, iar structura rezultata, structura de

recristalizare.

În urma recristalizarii, starea de neechilibru dispare si astfel duritatea si rezistentele la rupere si

curgere scad, iar alungirea ia rupere creste, cu alte cuvinte materialul metalic redevine moale si plastic.

Temperatura la care incepe procesul de recristalizare, respectiv cea la care apar germenii de recristalizare

se numeste temperatura de recristalizare si este diferita de la metal la metal. Academicianul A.A. Bocivar

a stabilit o relatie cu ajutorul careia poate fi stabilita temperatura de recristalizare a metalului, in functie

de temperatura de topire:

1.8. DEFORMAREA PLASTICA LA TEMPERATURI RIDICATE (LA CALD)

Deformarea plastica a materialelor metalice se poate efectua la diferite temperaturi. În cazul in

care deformarea plastica se efectueaza la temperaturi mai mici decat temperatura de recristalizare, se

considera ca ea se face la rece. Daca insa temperatura Ia care se efectueaza deformarea este superioara

temperaturii de recristalizare, se considera ca deformarea plastica se face la cald.

În figura 1.20sunt prezentate procesele de transformare ale structurii unui material metalic, in timpul

laminarii la cald.

Figura

Figura 1.20. Schema transformarilor structurale in timpul laminarii la cald.

1.9. MARIMEA GRAUNTILOR OBTINUTI ÎN URMA DEFORMARII PLASTICE LA RECE SI

A RECRISTALIZARII

Marimea grauntilor materialului metalic recristalizat este influentata de patru factori si anume de:

- gradul de deformare;

- temperatura de incalzire pentru recristalizare;

- timpul de mentinere la temperatura de incalzire;

- puritatea materialului.

În figura 1.21 este prezentata influenta gradului de deformare

aplicat fierului in timpul deformarii plastice la rece, asupra

marimii grauntilor rezultati in urma recristalizarii la temperatura

de 700 °C.

Figura 1.21. Influenta gradului de deformare asupra marimii

grauntilor de fier, dupa recristalizarea la 700 °C.

Al doilea factor care influenteaza marimea grauntilor rezultati in urma recristalizarii este

temperatura de incalzire. Cu cat temperatura de incalzire va fi mai ridicata, cu atat si diametrul mediu al

grauntilor de recristalizare va fi mai mare. Influenta simultana a gradului de deformare si a temperaturii

de incalzire asupra marimii grauntilor de recristalizare este prezentata in asa-numitele diagrame de

recristalizare (figura. 1.22).

Figura

Figura 1.22. Diagrama de recristalizare a cuprului.

Au fost construite diagrame de recristalizare pentru mai multe metale si aliaje mai frecvent

utilizate in constructia de masini. Aceste diagrame sunt deosebit de utile pentru proiectarea tehnologiilor

de deformare plastica si tratament termic, in vederea stabilirii gradelor de deformare si a temperaturilor de

incalzire optime.

Un alt factor care influenteaza marimea grauntilor la recristalizare este timpul de mentinere la

temperatura de incalzire. Prelungirea timpului de mentinere la temperatura de incalzire conduce Ia

cresterea granulatiei prin coalescenta grauntilor de dimensiuni mici.

Prezenta impuritatilor limiteaza cresterea grauntilor obtinuti Ia recristalizare, asigurand o

granulatie fina a materialului dupa aplicarea recoacerii de recristalizare. Franarea tendintei de crestere a

grauntilor de recristalizare este realizata atat de impuritatile solubile, cat mai ales de cele insolubile.