Proprietati termice ale metalelor si aliajelor

Proprietati termice ale metalelor si aliajelor

1 Transformari fazice in metale si aliaje

In metale si aliaje pot avea loc o serie de transformari specifice acestora atat in stare lichida cat si in stare solida.

Transformarile in stare lichida au loc la limita sau deasupra punctului curbei de solidificare si cuprind procesele de topire, evaporare si condensare.

Topirea este procesul fizic de trecere a materialului metalic solid in stare lichida. Pentru metale in stare pura (nealiate) sunt caracteristice temperaturi fixe de topire (respectiv solidificare); in timp ce pentru aliaje avem intervale de topire respectiv solidificare (cuprinse intre curbele solidus-lichidus), cu exceptia aliajelor de tip eutectic sau compus intermetalic, care solidifica direct din topitura. Din punct de vedere energetic, topirea se caracterizeaza prin caldura latenta de topire (solidificare) care reprezinta energia termica necesara pentru a topi unitatea de material metalic solid. Rezulta deci ca procesul de topire se caracterizeaza prin doi parametri fizici:

punctul (sau intervalul) de topire in grade Celsius;

caldura latenta de topire in KJ/Kg.

Evaporarea este procesul fizic de trecere a metalului sau a aliajului lichid in stare de vapori, proces caracterizat de asemenea prin doi parametri fizici de baza:

temperatura ( sau intervalul ) de evaporare, in grade Celsius;

caldura latenta de evaporare , in KJ/Kg.

Condensarea este procesul invers topirii, adica trecerea vaporilor metalici in stare lichida.

Parametrii fizici de topire si evaporare sunt caracteristici specifice pentru fiecare metal in parte, valoarea lor depinde de forta de coeziune dintre atomii metalului sau aliajului respectiv; pentru metalele mai uzuale acesti parametri sunt prezentati in tabelul 4.4.

Tabelul 4.4 Valoarea temperaturilor de topire si evaporare pentru unele metale uzuale

Transformarile in stare solida care au loc in metale si aliaje, sub influenta temperaturii, se refera la transformarea polimorfa si transformarile structurale la solidificarea aliajelor si la tratamentele termice.

Transformarea polimorfa reprezinta proprietatea unor metale sau aliaje de a cristaliza in doua sau mai multe forme cristaline cu retele diferite, stabile in anumite domenii de temperatura bine determinate.

Transformarea polimorfa consta in schimbarea structurii cristaline a metalului la o temperatura constanta, la care se gasesc in echilibru cele doua stari structurale. Forta motrice a transformari polimorfe este egala cu diferenta dintre energiile libere ale celor doua modificatii polimorfice. Transformarile polimorfe sunt transformari heterogene determinate de fluctuatiile heterofazice care se desfasoara prin germinare si crestere a noii faze. In functie de temperatura la care are loc transformarea polimorfa poate fi: cu difuzie, la grade reduse de subracire, intermediara sau fara difuzie, la subraciri mari.

Transformarea polimorfa cu difuzie se intalneste in cazul racirii metalelor sau aliajelor cu viteza redusa, cand transformarea unei faze in alta are timpul necesar sa se desfasoare in stare de echilibru.

Transformarea polimorfa fara difuzie se produce de regula in cazul efectuarii tratamentelor termice cu viteze mari de racire, situatie in care procesul de difuzie este suprimat. Este cazul des intalnit in practica tratamentelor de calire. Transformarile structurale la solidificare au la baza formarea diverselor faze si constituenti structurali in aliajele metalice, pe baza diagramelor de echilibru termic ale sistemelor de aliaje metalice. Aceste transformari au fost prezentate in capitolul III referitor la termodinamica sistemelor de aliaje.

Tratamentele termice constituie de asemenea transformari in stare solida sub influenta temperaturii, care au o importanta deosebita in obtinerea unor proprietati de exploatare ridicate in metale si aliajele lor, aspecte ce au fost prezentate in capitolul 3.8. referitor la tratamente termice.

2 Caldura specifica

Caldura specifica este o marime fizica ce exprima cantitatea de caldura necesara unitatii de substanta pentru a-i ridica temperatura cu un grad. Ea se exprima in diverse sisteme de masura prin Kcal/atom.g. grad, Kcal/Kg^.grad. S-a stabilit pe cale experimentala ca metalele in stare solida au caldura atomica egala cu 25,12 J/grad K.atom gram. Caldura specifica a compusilor reali, deci si pentru aliaje, se exprima prin relatia empirica:

c = q₁ c₁ +q₂ c₂ in J/gram·grad sau cal/gram·grad

unde:

q₁, q₂ sunt concentratiile in procente de greutate a componentilor aliajelor;

c₁,c₂ reprezinta caldurile specifice ale componentilor.

Caldura specifica depinde de temperatura la care se afla metalul sau aliajul respectiv, conform unei relatii de forma :

unde:

T - temperatura absoluta, K;

θ_D - temperatura caracteristica Debye, specifica compusilor metalici.

Relatia de mai sus este in conformitate cu experienta practica, indicand o variatie a caldurii specifice cu puterea a treia a temperaturii.

Caldura specifica a metalelor si aliajelor depinde de natura acestora, de compozitia chimica si de temperatura. Un element are o caldura specifica cu atat mai mare cu cat greutatea lui atomica este mai mica. Caldura specifica la temperatura camerei pentru cateva elemente in functie de densitate si greutatea atomica, se prezinta in tabelul 4.5.

Tabelul 4.5 Caldura specifica a unor elemente la temperatura camerei

Caldura specifica reala a metalelor c_p variaza cu temperatura dupa o relatie de forma:

, in kcal/kg˚C

unde:

t - temperatura in grade Celsius;

a, b, c, d - constante care depind de natura metalului.

Relatia de mai sus este valabila si pentru determinarea caldurii specifice medii c_pm intr-un anumit domeniu de temperatura, caz in care constantele a, b, c, d au alte valori (tabelul 4.6).

Tabelul 4.6 Valorile constantelor a, b, c, d pentru determinarea variatiei cu temperatura a caldurii specifice pentru unele metale

Importanta practica a calculului si cunoasterii caldurii specifice a metalelor si aliajelor se manifesta in cazul determinarii cantitatii de caldura necesare pentru realizarea operatiilor metalurgice ca: topirea si incalzirea pentru tratamente termice, deformare plastica la cald etc.

Cantitatea de caldura necesara incalzirii unui metal sau aliaj de la temperatura ambianta t₁ la temperatura procesului se determina cu relatia de forma:

, in kcal/kg

unde:

Q - caldura totala necesara incalzirii unitatii de metal (aliaj) de la temperatura ambianta la temperatura finala t_4, in kcal/kg;

t₁- temperatura ambianta (20⁰ C);

t₂- temperatura de transformare in stare solida (transformare alotropica, transformare magnetica);    

t₃- temperatura de lucru necesara pentru deformarea plastica; t₄- temperatura de topire, atunci cand se topeste metalul;

c_p1, c_p2, c_p3- caldurile specifice medii ale metalului sau aliajului in intervalele de temperatura date.

In cele mai multe cazuri practice, valorile caldurii specifice pentru metale la diferite temperaturi, sunt indicate in lucrari de specialitate, sub forma de tabele si in consecinta nu se mai calculeaza.

4. 2.3 Conductibilitatea termica

Materialele metalice au proprietatea de a transporta energia termica. Intr-un corp incalzit neuniform apare un flux termic indreptat de la partea calda catre partea mai rece. Conform legii lui Fourier, cantitatea de energie calorica Q care trece in unitatea de timp, prin unitatea de suprafata, perpendiculara pe directia fluxului, este proportionala cu gradientul de temperatura si se va exprima prin relatia:

unde:

t - temperatura intr-un punct x al metalului;

λ - coeficientul de conductibilitate termica, marime care caracterizeaza capacitatea metalului (aliaj) de a transporta caldura.

Intr-un timp d, prin suprafata dS trece fluxul termic dQ dat de relatia:

sau

Dimensiunile conductivitatii termice λ sunt in S. I. J/m. grad.sec ; dar J/sec =1watt si deci avem pentru λ: watt/m grad sau watt/cm grad. Se mai utilizeaza in practica si unitatile: cal/cm·grad·sec si kcal/m·h·grad.

Conductibilitatea termica este un fenomen de transport fiind descris de ecuatia conductibilitatii termice numita ecuatia lui Fourier, care pentru cazul monodimensional are forma:

unde:

a - coeficient de difuzivitate termica;

λ - coeficient de conductivitate termica;

c - caldura specifica;

- greutatea specifica.

Transportul de energie termica in metal se realizeaza prin doua mecanisme:

prin vibratiile termice ale atomilor si moleculelor;

prin gazul de electroni liberi, cu rol principal.

Caracteristic pentru metale este valoarea mare a coeficientului de conductibilitate termica λ, de ordinul 0,3 . 1 cal/cm grad sec, in timp ce la nemetale acest coeficient are valori foarte mici (0,025cal/cm grad sec.), la sticla 0,001cal/cm grad sec.

Transportul de energie termica in reteaua cristalina metalica se produce prin vibratiile ansamblului de ioni care alcatuiesc reteaua. Cand suprafata unui corp se incalzeste, creste amplitudinea de vibratie a atomilor de la suprafata, care se transmite in tot corpul prin undele termice.

Conductibilitatea termica a metalelor si aliajelor este influentata de temperatura, compozitie si structura. In fig. 4.18. se indica variatia conductibilitatii termice cu temperatura pentru metale conform relatiei exponentiale de forma: λ = 1/T² In cazul otelurilor inoxidabile austenitice conductibilitatea termica se poate calcula cu relatia de forma:

Un rol important asupra conductibilitatii termice il are structura metalica. Cea mai mare conductibilitate o au metalele pure. Solutiile solide, datorita prezentei atomilor straini, au conductibilitate termica mai mica decat metalele pure.

4 Dilatarea termica

Dimensiunile corpurilor solide sunt determinate de distantele dintre atomii lor, dilatarea termica este determinata de cresterea acestor distante la incalzire. Considerand relatia de definire a coeficientului de dilatare termica liniara a de forma:

iar deformatia corpului la incalzire de la 0˚K la T˚K va fi cuprinsa intre lungimile l₀ si respectiv l_T obtinem:

Din relatiile de mai sus se obtine:

de unde rezulta variatia cu temperatura a coeficientului de dilatare liniara a

Relatia care leaga dilatarea termica de modulul de elasticitate E al materialului metalic este de forma:

unde:

R - constanta generala a gazelor;

V - volumul atomic ;

E - modulul de elasticitate.

In relatia de mai sus, daca se substituie valorile curente pentru R,V,E, se obtine valoarea lui a = 10^-5/grade C, valoare de acelasi ordin de marime cu cea determinata experimental.

In tabelul 4.7. se indica pentru cateva metale valoarea coeficientului de dilatare termica la temperatura camerei. Cuprul este unul din metalele alese drept etalon de dilatare termica de catre National Bureau of Standard - SUA.4.7.

Tabelul 4.7 Coeficientul de dilatare termica a pentru unele metale

In cazul biomaterialelor metalice este foarte important sa se cunoasca valoarea coeficientului de dilatare termica a din urmatoarele considerente practice:

- valoarea coeficientului a sa fie redusa pentru a se mentine constante tolerantele implantului;

- valoarea coeficientului a a implantului metalic sa fie corelata cu ale materialelor biologice cu care vine in contact (os, tesut, etc);

- coeficientul a sa fie apropiat in cadrul diferitelor subansamble ce compun o proteza complexa(suruburi, placi, tije).

In tabelul de mai jos sunt indicate cateva proprietati termice ale unor biomateriale metalice.

Tabelul 4.8. Valorile unor parametri termici pentru unele metale