Compozitia fizico-chimica si natura fazelor din aliajele metalice

Compozitia fizico-chimica si natura fazelor din aliajele metalice

Aliajele sunt materiale metalice obtinute prin amestecul intim, la scara atomica, a unui metal cu alte metale sau metaloide; aceste amestecuri se realizeaza de cele mai multe ori prin topire si solidificare. Aliajele au proprietati diferite de cele ale elementelor din care sunt constituite. Totalitatea aliajelor alcatuite din aceeasi componenti formeaza un sistem de aliaje ; de exemplu aliajele din sistemul Cu-Ni contin de la 0 % la 100 % cupru si nichel de la 100 % la 0 %.

1 Faze solide in sistemele de aliaje

Materialele metalice se impart in metale si aliaje. In cazul metalelor exista o singura specie de atomi, la solidificare se va forma o singura faza , faza de element pur (metal pur), caracterizata prin faptul ca este alcatuita dintr-un singur tip de atomi.

Intr-un aliaj, constituit de exemplu din doua specii de atomi A si B, exista doua posibilitati in stare topita :

cele doua metale se separa in doua straturi dupa densitatile lor, neavand loc alierea ;

cele doua specii de atomi se dizolva una in alta, formand o topitura metalica omogena numita solutie lichida, caracterizata prin amestecul intim la scara atomica a celor doua metale, in care componenta isi pierde individualitatea, atomii lor distribuindu-se dezordonat in solutia lichida (fig. 2. 29).

La solidificare, in timp ce in primul caz, fiecare strat se solidifica separat, in cel de al doilea caz, cele doua specii de atomi isi ajusteaza pozitiile conform unor aranjamente cristaline comune existand trei situatii :

atomii A si B se resping ceea ce inseamna ca fortele de atractie dintre atomii de acelasi fel sunt mai mari decat cele dintre atomii diferiti;

atomii A si B sunt indiferenti, ceea ce inseamna ca fortele de atractie dintre atomii de acelasi fel, sunt de acelasi ordin de marime cu fortele de atractie dintre atomii diferiti;

atomi A si B se atrag, adica fortele de atractie dintre atomii de acelasi fel sunt mai mici decat cele dintre atomii diferiti.

In primul caz, atomii fiecarei specii se grupeaza rezultand un amestec de faze: faza de element pur A si faza de element pur B (fig. 2.30 a). In cel de-al doilea caz, cele doua tipuri de atomi se impart ca si cum ar fi o singura specie de atomi, deci se vor repartiza la intamplare, formand o faza unica numita solutie solida (fig. 2.30. b). Proprietatile solutiilor solide difera de cele ale elementelor componente; in general solutiile solide sunt mai rezistente (duritate, limita de curgere si rezistenta la rupere), mai putin plastice si au conductibilitatea electrica si termica mai mica decat metalele pure. In cel de-al treilea caz, fiecare atom A se va inconjura de un numar mare de atomi B formand o faza unica numita compus chimic sau intermetalic (fig.2.30.c). Caracteristic pentru un compus chimic este faptul ca poseda o structura cristalina diferita de a elementelor constituente precum si proprietati fizico - chimice diferite.

a) b) c)

Fig. 2.30 Distributia atomilor in fazele solide din aliaje:

a)metal pur; b) solutie solida ; c) compus chimic.

In materialele metalice pot fi deci una sau mai multe faze solide: elemente chimic pure (metale tehnic pure), solutii solide si compusi chimici.

Elemente chimic pure (metale pure)

Faza de metal pur este alcatuita dintr-o singura specie de atomi; ea se concretizeaza printr-o retea cristalina specifica, curbele de racire, prezinta paliere la temperatura de solidificare si la temperaturile poliforme. Metalul pur are conductibilitate electrica si termica ridicata, plasticitate mare si proprietati de rezistenta (duritate, limite de curgere, rezistenta la rupere) relativ scazute.

Solutii solide

Faza solutie solida este formata din mai multe specii de atomi, amestecate intim la scara atomica. Structura cristalina a solutiilor solide este identica cu structura unuia dintre elementele componente, numit component de baza, aceasta structura contine atat atomii componentului de baza (dizolvant) cat si atomii celorlalti componenti (dizolvati). Rezulta deci ca o solutie solida se obtine prin patrunderea in reteaua unui metal pur a unor atomi stranii, patrunderea atomilor stranii se poate realiza fie prin substituire , fie prin patrunderea in interstitii. In primul caz, atomii stranii inlocuiesc atomii componentului de baza; solutiile obtinute in acest caz se numesc solutii solide de substitutie (fig. 2.31).

In cel de-al doilea caz, atomii patrund in reteaua cristalina in interstitiile dintre atomii componentului de baza; solutiile obtinute astfel se numesc interstitiale (fig. 2.32).

Daca metalele care formeaza solutii solide sunt complet solubile in stare solida , toti atomii unui element pot fi inlocuiti cu atomii celui de - al doilea element si se pot forma astfel solutii solide cu solubili-tate nelimitata sau serii continui de solutii solide. Daca componentul de baza nu poate dizolva decat o anumita proportie din elementul de aliere, numai o parte din atomii sai pot fi inlocuiti cu atomii stranii, astfel de solutii se numesc solutii solide cu solubilitate limitata.

Compusi chimici (faze intermetalice)

Daca intr-un sistem binar de aliaje A-B, prin adaugarea componentului B in A intr-o cantitate care depaseste limita sa de solubilitate in A, este posibil sa apara o faza noua cu o compozitie intermediara intre cei doi componenti si cu o structura cristalina diferita de cea a componentilor A si B; acestia sunt numiti compusi chimici sau intermetalici.

Compusii chimici se pot clasifica dupa numeroase criterii ca: modul cum se respecta legile valentei, largirea domeniului de concentratie in care exista ca faza unica, modul de comportare la topire, etc..

Dupa modul cum se respecta legile valentei se deosebesc:

compusi de valenta normala care respecta legile valentei, de exemplu: Mg₂Si, MgS, MgTe, etc.;

compusi care nu respecta legile valentei numiti compusi electronici: CuBe, CuZn, Cu₅Zn₃, etc..

Dupa largimea domeniului de concentratie in care exista ca faza unica, compusi se impart in:

compusi de compozitie constanta carora le corespunde pe axa concentratiei o compozitie unica: Fe₃C, Mg₂Si, Mg₂Ni, etc.;

compusi cu compozitie variabila carora pe axa concentratiei le corespunde un domeniu ca: Cu₂Al, CuZn,.

Dupa comportarea la topire, compusii chimici se impart in:

compusi cu topire congruenta, care se topesc la fel ca un metal pur, compusul fiind stabil pana la temperatura de topire, de ex. compusul NiAl;

compusi cu topire incongruenta, care se descompun in doua faze diferite, de obicei un lichid si un solid, inainte ca topirea sa    aiba loc efectiv, de ex. :Ni₂Al₃, NiAl₃ (fig. 2.33) .

2 Constituenti metalografici

Examinarea microscopica a unui material metalic scoate in evidenta aspecte structurale caracteristice numite constituenti structurali sau metalografici. Un material monofazic este format din una din cele trei faze prezentate: elementul chimic pur, solutie solida sau compusul chimic. Acesti constituenti se prezinta in sistemul monofazic sub forma de cristale poliedrice omogene aproape echiaxe (fig. 2. 34.).

Intr-un material bifazic, pe langa unul dintre cei trei constituienti structurali ai materialului monofazic apare al patrulea, format dintr-un amestec intim din cel putin doua faze. Acest constituent metalografic se numeste amestec mecanic sau agregat cristalin; fazele care formeaza un amestec mecanic, daca se separa din solutia lichida se numeste eutectic, iar daca se separa din solutia solida se numeste eutectoid. In majoritatea cazurilor, aspectul microscopic al amestecului mecanic este punctiform sau lamelar (fig.2.35).

a) b)

a) aliaj format din cristale de metal pur, solutie solida si o mica cantitate de amestec mecanic lamelar; b) aliaj format dintr-o retea de metal pur sau solutie solida si amestec mecanic punctiform

In concluzie rezulta ca structura metalica a aliajelor este formata din 4 constituenti metalografici: metal pur, solutie solida, compus intermetalic si amestec mecanic. Aliajele binare bifazice vor fi formate dintr-una din fazele specifice aliajului monofazic (metalul pur, solutie solida sau compus intermetalic) si un amestec mecanic.