sim-curs-6

TIINA I INGINERIA MATERIALELORMATERIALELOR

conf.dr.ing. Liana [email protected]

curs 6

Prin solidificarea metalelor lichide se poate obine:SOLIDIFICAREA METALELOR

- un solid cristalin;- un solid amorf.

Dac rcirea lichidului are loc lent solidificarea se numete Dac rcirea lichidului are loc lent, solidificarea se numete cristalizare, rezultatul fiind formarea unei structuri cristaline.

Dac rcirea are loc rapid (>106 C/s) se obine o structur amorf. O di t di t f t i t t i Ordinea pe scurt distan confer acestei structuri o aparen sticloas.

Comparaie ntre acelai metal cuacelai metal cu structur cristalin i

famorf

2

Cristalizarea cuprinde dou etape importante:CRISTALIZAREA METALELOR

- formarea germenilor de cristalizare (germinarea)- creterea germenilor de cristalizare.

Germinarea are loc cnd o cantitate mic de solid se formeaz din Germinarea are loc cnd o cantitate mic de solid se formeaz din lichid.

Creterea solidului are loc pe msur ce atomii din lichid se ataeaz l i l l d lid f t i i d ila microvolumul de solid format prin germinare, pn cnd nu mai ramne lichid.

Cristalizarea poate s fie: primar, secundar.

C i t li i C i t li i lidifi t f di t Cristalizarea primarCristalizarea primar sau solidificarea este formarea din stare lichid prin germinare a unei structuri noi, solide.

Cristalizarea secundarCristalizarea secundar sau recristalizarea se formeaz n stare solid, dintr-un material deja solidificat, printr-o transformare n stare solid, ca de exemplu n timpul nclzirii unui material ecruisat sau a deformrilor plastice la cald.

CRISTALIZAREA METALELOR

Bazele termodinamice ale procesului de solidificare Energia liber este cea care ne arat de ce n anumite intervale de

temperatur este stabil starea lichid, iar n altele este stabil starea solidsolid.

Energia liber (F) este energia disponibil pentru efectuarea unui lucru mecanic exterior.

F = E F = E TS TS + + PVPVunde: E = energia intern a fazei,

T = temperatura (Kelvin),S = entropia (gradul de dezordine din faza respectiv),P iP = presiunea,V = volumul.

Entalpia unei faze H = E + PV F = H - TSEntalpia unei faze H E + PV F H TS


Variaia energiei libere cu temperatura pentru starea lichid i cea solid

Deoarece la temperatura teoretic de solidificare care este temperatura de echilibru TT avem: F = F


de echilibru TTEE avem: FL = FSdorim s aflm cnd este stabil faza lichid i cnd este stabil faza solid.C f i i i l i di i ii i di ii bil Conform principiului termodinamicii, n anumite condiii, este stabil starea cu energie liber minim.

Conform figurii la la temperaturi sub temperaturi sub TTEE este stabil faza solid care are este stabil faza solid care are energie liber mai mic dect cea lichid energie liber mai mic dect cea lichid ((FS < FL).).

La temperaturi mai mari dect La temperaturi mai mari dect TTEE, este stabil faza lichid care de , este stabil faza lichid care de data aceasta are energie liber mai micdata aceasta are energie liber mai mic ((FFLL < < FFSS).).gg (( LL SS))

Suntem tentai s spunem c solidificarea se produce la temperatura TE. n realitate ns, la aceast temperatur sistemul este n echilibru. Procesul de solidificare ncepe la o temperatur mai sczut i Procesul de solidificare ncepe la o temperatur mai sczut i p p p p anume la anume la TS, care este temperatura real de , care este temperatura real de solidificare sau cristalizare, la care energia liber a sistemului este mai mic (FS < FL).

Diferena ntre temperatura teoretic de solidificare i cea real de Diferena ntre temperatura teoretic de solidificare i cea real de solidificare se numete grad de subrciregrad de subrcire i s-a notat cu T:

T = TE TS

Variaia energiei libere crete cu creterea subrcirii, n consecin, cu ct T este mai mic cu att este mai favorizat solidificarea


ct TS este mai mic, cu att este mai favorizat solidificarea. Germinarea omogen sau spontan presupune existena unui lichid pur

i omogen, adic n interiorul lui nu se afl particule strine, n stare solid care s joace rol de postamente pentru formarea germenilor desolid, care s joace rol de postamente pentru formarea germenilor de cristalizare.

Cu scderea temperaturii, n anumite puncte din lichid au loc fluctuaii d l l di i i ld ii i t i i f d tf lde la valoarea medie a energiei, cldurii i concentraiei, fcnd astfel posibile condiii pentru apariia n aceste puncte a ordinii apropiate, deci a unor grupri de atomi aezai ordonat. Putem spune c apar fragmente de reea cristalin Aceste grupri se numesc germeni de cristalizarede reea cristalin. Aceste grupri se numesc germeni de cristalizare.

Apariia i stabilitatea acestor germeni depinde de dimensiunile lor. Dac depesc o anumit mrime, ei vor rmne, n caz contrar vor disprea i lt l D i i l d l iti i vor aprea n alt loc. Dac nici acolo nu depesc valoarea critic, vor

disprea din nou. Aa cum am vzut anterior, procesul de cristalizare ncepe numai la un

anumit grad de subrcire, cnd ntre energia liber a fazei lichide i a celei solide exist o anumit diferen.


Variaia energiei libere a sistemuluin funcie de raza particulei

F1 = variaia energiei libere datorat volumului germenului;germenului;

F2 = variaia energiei libere datorat suprafeei

igermenului. Ca procesul s fie viabil trebuie

ca energia liber total F aca energia liber total F a sistemului s scad.


G l lid t t d li hid i tGermenele solid este separat de lichid printr-o interfa.

Se presupune c germenele solid format este sferic, de raz r. Variaia energiei libere datorat volumului germenului:

4

F este variaia energiei libere pe unitatea de volum la solidificare

VFrF = 31 34

FV este variaia energiei libere pe unitatea de volum la solidificare, ntre faza lichid i faza solid:

Dac este energia superficial a interfeei, prezena germenului sporete energia liber a sistemului cu valoarea:

22 4 rF =

Variaia total de energie la formarea unui nucleu de cristalizare este suma dintre micorarea energiei libere a ol m l i i creterea energiei libere


dintre micorarea energiei libere a volumului i creterea energiei libere a suprafeei.

FV = variaia (negativ) energiei libere pe unitatea de volum la solidificare4

Derivm n funcie de r i egalm cu 0 ecuaia: 23 4

34 rFrF V +=

F 2084 2dac: r r > rrkkkk variaia energiei liber va energiei liber va scscdeadea..

Din punct de vedere termodinamic se dezvolt fenomenele care duc la scderea variaiei energiei libere, deci se vor forma doar acele particule care au raza mai mare dect raza critic.

G i t f tG i t f t i


Germinarea neomogen, eterogen sau foratGerminarea neomogen, eterogen sau forat presupune existena n interiorul lichidului ce urmeaz a se cristaliza, a unor particule solide, cu rol de postament pentru formarea germenilor.

n practic ne ntlnim de cele mai multe ori cu un lichid care nu este un lichid care nu este pur i conine particule n masa lui, ce vor constitui pur i conine particule n masa lui, ce vor constitui postamentepostamente pentru pentru formarea pe ele a germenilor cristaliniformarea pe ele a germenilor cristaliniformarea pe ele a germenilor cristalini.formarea pe ele a germenilor cristalini.

Modificarea sau inocularea nseamn introducerea n mod intenionat n topitur a unor germeni artificial.

Substanele care se introduc n topitur se numesc modificatori. Astfel se sporete numrul centrelor de de cristalizare i se poate

bi t t lt i fi obine o structur mult mai fin.


Seciune prin lingou turnat gdin aluminiu: a) fr modificatori b) cu modificatori pentrub) cu modificatori pentru rafinarea structurii

z Chiar dac se introduce o cantitate foarte mic decantitate foarte mic de modificatori (0,02...0,05 %) se observ o diferen

ifi ti i

z I l i t d difi t i ( ) i d

semnificativ n mrimea i uniformitatea grunilor.

z In cazul n care nu se introduc modificatori (a), germinarea decurge eterogen, ncepnd de la pereii formei.

z n cazul (b), solidificarea a avut loc n aceleai condiii, doar c n lichid au fost introduse particule fine de TiB2, care au acionat ca i impuriti pentru germinarea eterogen a fazei solide n interiorul topiturii.

Creterea germenilor de cristalizareCreterea germenilor de cristalizareP f l i t idi i l f t li hid d i


Pe suprafaa germenelui tridimensional format n lichid se vor depune noi atomi, provenii tot din lichid.

Depunerea unui singur atom pe germenele tridimensional determin Depunerea unui singur atom pe germenele tridimensional determin i f i d i i lib i l ii f i d i i lib i l imrirea suprafeei, dar se mrete i energia liber a sistemului.mrirea suprafeei, dar se mrete i energia liber a sistemului.

Aceasta nseamn c acest atom nu va rmne pe suprafaa germenelui, ci se va dizolva din nou n lichid.

Se vor putea depune n consecin numai grupri de atomi de Se vor putea depune n consecin numai grupri de atomi de anumite dimensiuni critice, care prin depunere vor duce la scderea anumite dimensiuni critice, care prin depunere vor duce la scderea energiei libere a sistemului.energiei libere a sistemului.gg

Astfel procesul de cretere se produce n salturi, se formeaz germeni bidimensionali, care apoi se depun pe germenii tridimensionali.

Teoria cristalizrii topiturilor metalice propus de Tammann consider Teoria cristalizrii topiturilor metalice, propus de Tammann, considerc cinetica fenomenului de solidificare poate fi caracterizat cantitativprin doi parametri:

viteza de formare a germenilor V viteza de formare a germenilor Vf , viteza de cretere a acestora Vcr .


Curbele variaiei vitezei de formare i vitezei de cretere funcie de gradul de subrcire.z Viteza de formare cretez Viteza de formare crete

mai intens ca cea de cretere, astfel ca pe msura creterii gradului de subrcire, germenii vor fi din ce n ce mai muli, dar de ,dimensiuni mai mici, deci va rezulta o structur fin.

Numrul de gruni cristalini este funcie de viteza de formare i de viteza de cretere:

fVNunde: c = coeficientul de proporionalitate cr

fg V

cN =

Forma cristalelor


n cazul metalelor care cristalizeaz n sistemul cubic, creterea decurge mai intens n direcia axelor de octaedru.A tf l t di ii f i l i it d Astfel, n aceste direcii se formeaz ramuri lungi, numite axe de gradul I, perpendicular pe ele se formeaz axele de gradul II apoi IIIi aa mai departe pn la solidificarea complet.

Se obine n acest fel o structur arborescent, denumit structur dendritic.

Pe ms ra a ansrii solidificrii spaiile dintre ram ri se mpl c a e Pe msura avansrii solidificrii spaiile dintre ramuri se umplu cu axe de grade mai mari i n final structura dendritic se pierde.

Acest lucru este determinat i de faptul c cristalele pe msura creterii se stnjenesc ntre ele.

Se obine astfel un grunte cristalin, care nu mai este un cristal perfect i care se numete cristalit.p

Dac temperatura lichidului este deasupra temperaturii de solidificare


Dac temperatura lichidului este deasupra temperaturii de solidificare, apare o protuberan n interfaa solid-lichid. Cldura latent de solidificare este extras din protuberan la interfaa cu solidul.

Formarea dendritelor: dac lichidul este subrcit, protuberana crete id f d d d it ( ) i i l i i


rapid, formnd o dendrit (a), microscopie electronic a unei dendrite n oel (b)


Reprezentarea schematic a unei dendrite, n spaiu (a) n plan (b)

Creterea simultan a cristalelor

dendritice vecine

CRISTALIZAREA METALELOR.Dendrite de Cu i Ni

Cristalizarea lingoului de oel calmat La turnarea lingoului de oel calmat se vor forma mai multe zone cu


La turnarea lingoului de oel calmat se vor forma mai multe zone cu cristale, care depind de gradul de subrcire.

Astfel, dup primul moment de turnare n lingotier metalul lichid avnd o temperatur ridicat i venind n contact cu pereii reci ai lingotiere, gradul de subrcire va fi mare.

La un grad mare de subrcire viteza de formare este mare.g Deci structura care se va forma va fi dintr-un numr mare de gruni, deci

o structur fin. S i i t l l d i i l Se va numi zona cristalelor de rcire sau zona marginal. Pe msur ce frontul de solidificare nainteaz, gradul de subrcire scade,

iar cristalele care se vor forma vor fi de dimensiuni mai mari. Deoarece este important modul cum se transmite cldura i creterea cristalelor va fi n consecin.

Astfel, al doilea strat este format din cristale alungite, de dimensiuni mari, , g , ,orientate ctre centrul lingotierei (direcie opus fluxului de cldur), care se vor numi zona cristalelor columnare sau zona de transcristalizare.

Zonele de cristalizare n lingoul de oel calmat


g

Zone de cristalizare n lingou


g

Lingou de Cu pur zona cristalelor columnarecristalelor columnare.

Dup finalizarea creterii cristalelor columnare, gradul de subrcire este mic i creterea germenilor nceat.


i creterea germenilor nceat. n aceast ultim zon grunii cresc n toate direciile pn ce n creterea

lor se ntlnesc cu alii.R lt tf l i t i t l d f l b l di i il Rezult astfel nite cristale de form aproape globular, care au dimensiunile aproximativ egale n toate direciile i care se numesc cristale echiaxiale.

n funcie de rcire i de transmiterea cldurii, putem dirija formarea celor trei zone.

Zona cristalelor columnare este nedorit, datorit rezistenei reduse a materialului n punctele de contact, de exemplu la laminare se poate despica lingoul n acele locuri.

Cristalizarea lingoului de oel necalmat n cazul oelului necalmat este continuat dezoxidarea metalului pn la

lidifi l t d l isolidificarea complet, avnd loc reacia: FeO + C = Fe + CO

Oelul va fierbe cu degajarea CO i H. n aceast situaie lingoul va prezenta o retasur dispers sau pori de retasurretasur dispers sau pori de retasur.

Oelul calmat este dezoxidat cu Mn, Si i Al, fa de cel necalmat care este dezoxidat cu Mn.

DEFECTER t i f t i i fl


Retasura i factori care o influeneaz Avnd n vedere c n starea solid reeaua este mai compact dect n

stare lichid, aceast trecere are loc cu scdere de volum (excepie face ( pbismutul la care retasura este de + 3%).

Aceast contracie a materialului duce la apariia unui gol, numit retasurretasur.

Dup turnare, rcirea topiturii ncepe de la suprafeele de contact cu lingotiera i respectiv mediul exterior. Astfel are loc solidificarea primului strat de topitur care vine n contact cu pereii lingotierei, volumul scznd n partea superioar a lingotierei datorit fenomenului de contracie.

Al doilea strat care se va solidifica prin depunere pe pereii lingotierei va avea o nlime mai mic, datorat aceluiai fenomen de contracie.P l l lidifi l t li l i Procesul avanseaz pn la solidificarea complet a lingoului.

Rmne astfel, n partea central superioar a lingoului o cavitate de o configuraie specific, care se numete retasur.

Volumul acesteia este dat de diferena dintre volumul metalului


lichid i volumul metalului solid. Forma retasurii depinde de poziia pe care a avut-o n interiorul

lingoului ultima poriune de metal lichid care s a solidificatlingoului ultima poriune de metal lichid care s-a solidificat. Pereii cavitii de retasur sunt poriunea cea mai impur a lingoului,

unde sunt concentrate impuritile i incluziunile nemetalice prezente n metalul lichid.

Din cauza faptului c interiorul retasurii nu are f l t l d f l ti l ldsuprafeele curate, la deformarea plastic la cald

ulterioar materialul nu se sudeaz n aceste zone, ceea ce duce la scderea proprietilor mecaniceceea ce duce la scderea proprietilor mecanice.

Se poate ataa n partea superioar a lingotierei o supranlare denumit maselot. Astfel ultima poriune de metal lichid se va solidifica n maselot, care ulterior se taie i se nltur.


Seciune longitudinal ntr-un lingou de oel necalmat i calmat:

) lingou de oel necalmata) lingou de oel necalmat,b) lingou de oel calmat.

1-retasur dispersat, 2-cap de lingou, 3-punte, 4-retasur concentrat, 5 fl i5-sufluri, 6-pori, 7-picior lingou7-picior lingou

SegregaiileSegregaiile Materialul care se obine n urma cristalizrii nu este perfect omogen


p gd.p.d.v. chimic, neomogenitate care se numete segregaie sau licuaie.

Segragaiile pot fi:Segragaiile pot fi: minore: la scara cristalelor. n funcie de localizare pot fi:

- intracristaline (pe seciune cristalelor),- intercristaline (la limita dintre cristale).

majore: la scara lingoului.PorozitiPorozitiPot fi datorate:

- contraciei de solidificare care se manifest sub forma unor microretasuri i care sunt spaii interdendritice rmase necompletate cu materialcu material ,

- gazelor coninute n lichid numindu-se sufluri.

Structura pieselor turnate depinde de procesul de solidificare i i fl i til lt i


influeneaz proprietile ulterioare. Defectele care apar n procesul de solidificare se pot mpri astfel:

- admisibile fr remaniere;admisibile fr remaniere;- admisibile cu remaniere;- inadmisibile.

Noiunea de defect este convenional, deoarece n funcie de standardul sau documentaia luate n considerare pentru stabilirea calitii, aceeai abatere poate constitui dup caz, unul dintre defectele menionate mai sus.

Ex: n fabricaia tablelor silicioase pentru transformator cu pierderi magnetice mici, se urmrete obinerea unei microstructuri cu grunimagnetice mici, se urmrete obinerea unei microstructuri cu gruni mari, n timp ce n producia tablelor decapate pentru ambutisare, o astfel de granulaie este privit defect.

Defectele admisibile fr remaniereDefectele admisibile fr remaniere sunt acelea care nu influeneaz


Defectele admisibile fr remaniereDefectele admisibile fr remaniere sunt acelea care nu influeneaz n nici un fel calitatea i funcionalitatea semifabricatului sau produsului. Pentru mbuntirea aspectului comercial al acestei grupe de defectePentru mbuntirea aspectului comercial al acestei grupe de defecte, ele se nltur aparent prin acoperirea cu chituri i vopsele.

Defectele admisibile cu remaniereDefectele admisibile cu remaniere influeneaz defavorabil Defectele admisibile cu remaniereDefectele admisibile cu remaniere influeneaz defavorabil funcionalitatea semifabricatului sau produsului. Ele pot fi nlturate prin procedee de remaniere mecanice, metalurgice, chimice sau speciale n aa fel nct n final s corespund integralchimice sau speciale, n aa fel nct n final s corespund integral condiiilor tehnice prevzute n standarde, documentaii tehnice, norme interne, sau caiete de sarcini.

Defectele inadmisibileDefectele inadmisibile duc fr excepie la rebuturi.

Cauze de formare a defectelor sunt:CRISTALIZAREA METALELOR

- lipsa de puritate a materiilor prime;- imperfeciunea utilajelor, procedeelor i condiiilor de lucru; ;- factorul uman, etc.

Defectele pot s apar n toate etapele procesului de fabricaie: turnareprocesului de fabricaie: turnare, deformare plastic, sudare, prelucrri mecanice, tratamente termice, asamblare.

Avnd n vedere c solidificarea reprezint trecerea din stare lichid n stare solid, este important noiunea de fluiditate.

Creterea temperaturii unui metal duce la mrirea fluiditiila mrirea fluiditii.

Fluiditatea depinde de asemenea i de natura metalului sau aliajului. 31

SUBIECTE Bazele termodinamice ale procesului de solidificare Bazele termodinamice ale procesului de solidificare. Cristalizarea lingoului de oel calmat. Zone de cristalizare n lingou. Defecte ce pot aprea la cristalizare.p p

sim-curs-6

Documents