structurile matrialelor metalice

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Facultatea Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

Specializarea INGINERIE MEDICALĂ

Introducere în domeniul biomaterialelor

Titular curs: Ş.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian Vasile

CURS 3

Noțiuni introductive privind

structura materialelor

în funcție de compoziția chimică de bază

Materialele organice ( au ca elemente de baza:

carbonul, hidrogenul, oxigenul si azotul)

Materiale anorganice

(sunt substante simple sau compuse de tipul oxizilor, sarurilor, halogenurilor)

In functie de parametrii de stare exteriori (temperatura, presiune) si interiori (natura si concentratia elementelor chimice componente), materialele pot exista in natura in toate cele patru stari de agregare:

Consideraţii generale

Materialele sunt constituite la rândul lor din părţi şi mai mici, numite elemente chimice. Un element chimic se defineşte ca cea mai mică parte de substanţă care poate fi decelată prin metode fizice şi chimice obişnuite. Mai multe elemente chimice (de acelaşi fel sau diferite) se pot combina pentru a forma ansambluri de elemente între care se stabilesc legături chimice. Atunci când un ansamblu de elemente nu poate fi decelat prin metode fizice obişnuite, el este o moleculă chimică (compus chimic).


Materia este constituita din atomii cuprinsi in sistemul periodic al elementelor. Solidele se deosebesc de celelalte stări ale materiei (lichida si gazoasa) prin faptul ca atomii constituenţi se afla sub influenta unor forte interatomice puternice. Structurile electronice si atomice, si aproape toate proprietatiile fizice, depind de natura si rezistenta legăturilor interatomice. Sunt cunoscute mai multe tipuri de legături interatomice.

a) Legatura ionica - In legătura ionica, atomi donori de electroni (metalici) transfera unul sau mai mulţi electroni către un atom acceptor de electroni (nemetalic). Cei doi atomi devin astfel cation (metalul) si anion (nemetalul) care sunt puternic atraşi prin efectul electrostatic. Aceasta atracţie a cationilor si anionilor constituie legătura ionica.

b) Legatura covalenta - Elementele care se afla la limita dintre metale si nemetale, cum ar fi carbonul si siliciul, poseda atomi cu patru electroni de valenţa si tendinţe egale de a dona si accepta electroni. Din acest motiv, ele nu formează legături ionice puternice dar vor forma structuri electronice stabile prin punerea in comun a electronilor de valenţa. Aceasta pereche de electroni pusa in comun constituie legătura covalenta.

c) Legatura metalica - Modelul care explica aceasta legătura infatiseaza atomii aranjaţi intr-un model tridimensional ordonat care se repeta, având electronii de valenţa in migrare, sub forma unui gaz, intre toţi atomi. Cristalul metalic este format din miezuri ionice pozitive, atomi fara electroni de valenţa, in jurul cărora circula electronii negativi. Aceasta legătura conduce la o structura cristalina ordonata, aranjata la nivel atomic si la o configuraţie electronica unica.

d) Legatura Van-der-Waals se realizeaza prin polarizarea interna a sarcinilor (formarea dipolilor) atomilor sau moleculelor vecine, fiind o legatura de absorbtie slaba, electrostatica, de dipol.


Structura reprezinta modul de organizare interna, de alcătuire din

parti componente a unui material sau sistem material.

Tipurile principale de structuri

• (natura si numarul particulelor nucleare)

1. Structura nucleara, 10-13 cm

• (numarul, numerele cuantice, distributia electronilor in straturi, substraturi si orbitali)

2. Structura electronica (a atomilor), 10-8 cm

• (tipul legaturii chimice realizate prin interactiunea electronilor de valenta din atomii componenti)

3.Desmostructura (structura atomico-moleculara), 10-8 cm

• (tipul celulei elementare cristaline )

4. Structura cristalina, 10-8 -10-5 cm

• (tipul si proportia constiuentilor microstructurali, observate cu ajutorul unui microscop)

5. Microstructura, 10-8 -10-1 cm

• (structura observata cu ochiul liber sau cu o lupa)

6. Macrostructura > 10-2 cm

Materiale metalice

Materiale polimerice organice

Materiale ceramice

Compozite

Compozite cu matrice

polimerica si

umplutura metalica

Compozite cu matrice

polimerica si

umplutura ceramica

Compozite cu

matrice metalica si

umplutura ceramica


Schema logică (corelația structură-proprietăți-utilizare)

Structurile cristaline ale carbonului:

(A) Diamant (sistemul cubic)

(B) Grafit (sistemul hexagonal)

Proprietate Diamant Grafit

Duritate Cea mai ridicată Foarte scăzută

Culoare Lipsit de culoare Negru

Conductivitate electrică Scăzută Ridicată

Densitate (g/cm3) 3,51 2,25

Căldura specifică

(cal/gmatm/0C)

1,44 1,98

Exemplu (corelația structură-proprietăți-utilizare)

Carbonul (C)

Structura cristalină a materialelor

Structura cristalină şi legătura metalică reprezintă cea o caracteristică importantă a materialelor

metalice. Cea mai mică porţiune dintr-o reţea spaţială care păstrează simetria întregii reţele este celula

elementară definită prin parametrii ei, care sunt vectorii a, b şi c (muchiile celulei elementare) şi unghiurile α (între b şi c), β (între (a şi c) şi γ (între (a şi b). Repetarea periodică tridimensională a celulei elementare conduce la obţinerea reţelei spaţiale respective, pe a cărei regularitate şi simetrie se bazează aproape toate proprietăţile metalelor.

Reprezentarea schematică a: -reţelei spaţiale (a) - celulei elementare cu parametrii caracteristici (b)

Aranjamentul ordonat al atomilor într-un cristal real constituie structura cristalină a acestuia; simetria structurii cristaline corespunde structurii reţelei spaţiale, dar trebuie să se ţină seama că atomii nu ocupă poziţiile respective în completă imobilitate, ci ei vibrează (oscilează) în jurul acestor poziţii, ceea ce determină ca în cristalele reale să existe totdeauna numeroase imperfecţiuni.

Elementele principale care caracterizează reţeaua cristalină sunt:


1. Sistemul triclinic se construieşte pornind de la reţeaua oblică, aşezând

planele astfel încât nodurile din planele succesive să nu se afle pe aceeaşi

verticală. În acest fel putem construi o singură reţea, numită triclinică simplă

(a). Celula elementară este un paralelipiped oblic cu baza un paralelogram.


Sisteme de cristalizare

2. Sistemul monoclinic conţine două tipuri de reţele Bravais: reţeaua monoclinică simplă

(a) şi reţeaua monoclinică cu volum centrat (b), ambelele construite pe baza reţelei plane

oblice. La prima, nodurile din planele succesive se află pe aceeaşi verticală, în timp ce la

cea de-a doua, nodurile din planul următor se află deasupra centrelor paralelogramelor

din planul precendent. Celula elementară a reţelei monoclinice este un paralelipiped drept

cu baza paralelogram. Reţeaua monoclinică cu volum centrat apare ca o reţea complexă

conţinând două noduri în celula elementară (de notat că nodurile din colţuri contribuie cu

1/8 din celula respectivă, acestea aparţinând la opt celule vecine).



3. Sistemul ortorombic (ortogonal sau rombic) având ca celulă un paralelipiped drept cu baza

dreptunghiulară conţine patru tipuri de reţele Bravias: ortorombică simplă (a), care se construieşte pornind de la

reţeua plană dreptunghiulară, aşezând nodurile pe aceeaşi verticală; ortorombică cu volum centrat (b) se

construieşte din reţeaua plană dreptunghiulară, nodurile din planele succesive aşezându-se deasupra centrelor

dreptunghiurilor din planul precendent; ortorombică cu baze centrate (c) se construieşte pornind de la reţeua

plan rombică, astfel ca nodurile din planele succesive să fie unele deasupra altora; această reţea apare ca reţea

complexă cu două noduri pe celula elementară (nodurile de pe feţe contribuie la celulă cu 1/2), dar se poate

construi şi o celulă primitivă; ortorombică cu feţe centrate (d) se construieşte pornind de la reţeaua rombică,

plasând nodurile în plane succesive; această reţea apare de asemenea, complexă, cu patru noduri pe celula

elementară, celula primitivă romboedrică putând fi aleasă în mai multe feluri.



4. Sistemul hexagonal se construieşte pornind de la reţeua plană

hexagonală prin aşezarea nodurilor din planele succesive unele deasupra

altora. Sistemul conţine o singură reţea Bravais (hexagonală simplă)

caracterizată prin parametrii de reţea prezentaţi în figura 4.



(a=b)

5. Sistemul romboedric sau trigonal se construieşte pornind tot de la

reţeaua plană rombică, plasând nodurile din planele succesive deasupra

romburilor din planele precedente, astfel ca relaţiile dintre parametrii

sistemului să fie cele din figura 5. Sistemul conţine o singură reţea Bravais,

trigonală simplă; generarea acestui sistem poate fi imaginată prin

deformarea unui cub după diagonala principală.



6. Sistemul tetragonal sau pătratic, având ca celulă o prismă dreaptă cu baza

pătrat se generează pornind de la reţeaua plană pătratică în două variante: tetragonală

simplă (a) în care nodurile din planele succesive se aşează unele deasupra altora;

tetragonală cu volum centrat (b) în care nodurile din planele succesive se aşează

deasupra centrelor pătratelor din planele precendente. Această reţea apare drept

complexă, cu două noduri pe celula elementară, însă o celulă primitivă se poate alege

sub forma unui romboedru.



7. Sistemul cubic se generează pornind de la reţeaua plană pătrătică.

Conţine trei tipuri de reţele Bravais: cubică simplă (a), cubică cu volum

centrat (b), cubică cu feţe centrate (c). Ultimele două reţele se construiesc la

fel ca în cazul sistemului ortorombic. Acestea apar drept complexe, cu 2 şi

respectiv 4 noduri pe celula elementară, iar celulele primitive sunt

romboedre.



Aceste 14 reţele sunt singurele reţele Bravais tridimensionale. Modificarea

uneia din ele, prin adăugarea de noduri pe feţe, pe muchii sau în centrul

celulei, conduce la o altă reţea Bravais din cele 14 descrise.



Celule elementare frecvente la metale

hexagonal compact

cub cu volum centrat

cub cu feţe centrate


Imperfectiuni chimice și de cristalinitate

in materialele metalice reale

Modurile in care se obtin metalele din minereurile in

care sunt continute, prin procedee piro-, hidro- sau electrometalurgice, fac ca metalele reale sa contina proportii variabile de alte elemente insotitoare, provenite din minereuri sau din alte materiale utilizate la elaborare.

IMPURITATI

Unele dintre impuritati sunt solubile in metale solide, astfel

ca prezenta atomilor lor, de dimensiuni si cu proprietati diferite de ale atomilor metalici de baza, tulbura asezarea ordonata a cationilor si modifica campurile de forte energetice din reteaua cristalina, efectele fiind mai mari atunci cand atomii de impuritati solubile se distribuie neomogen, in

concentratii neuniforme, in cristal.

SEGREGATIE

Imperfectiuni de cristalinitate in metalele reale

Din punctul de vedere al modului de localizare in cristal,

imperfectiunile de cristalinitate se clasifica in:

1

• zero dimensionale sau punctuale

(localizate in nodurile retelei cristaline);

2

• monodimensionale sau liniare (limitate la

siruri sau linii de ioni);

3

• bidimensionale sau plane (formand

suprafete sau plane atomice);

4

• tridimensionale sau volumice

(concentrate in mici elemente de volum).


1. Defecte punctuale de reţea

Alături de componenţi de reţea substituiţi cu atomi străini se mai deosebesc formele de bază,

vacante şi atomi interstiţiali. Orice cristal conţine în reţea un număr de goluri - vacanţe - care

creşte cu creşterea temperaturii reţelei. Fracţiunea de vacanţe raportata la un cristal fara

defecte, la temperatura camerei este de cca 10-12. Energia de formare a vacanţelor în metale

este proporţională întrucâtva cu entalpia de vaporizare. Prin existenţa unui defect punctual în

cristalele cu legătura ionică ia naştere o polarizare pozitivă sau negativă locală în reţea. În multe

reţele cristaline între nodurile reţelei se depozitează în special atomi străini mici, ca de exemplu

H, C, N, numiţi atomi interstiţiali. Ansamblul vacanţa-atom interstiţial corespunzător se

numeşte pereche Frenkel.

2. Defectele monodimensionale de reţea

Imperfectiunile monodimensionale (liniare ) reprezinta siruri (linii) de atomi, drepte sau curbe,

de lungime limitata, care sunt “dislocate” din pozitia specifica cristalului ideal, fapt pentru

care se numesc pe scurt – dislocatii. Pentru explicarea formarii si amplasarii dislocatiilor in

cristalele reale recurgem la un model mecanic, bazat pe posibilitatea pe care o au planele

cristalografice de a aluneca unul peste altul de-a lungul unui plan de alunecare imaginar,

paralel cu planele centrelor cationilor din doua plane cristalografice vecine (planul tangent

comun celor doua plane atomice.)


3. Imperfectiunile plane

3.a. Sublimite si

limite intrafazice

3.b. Defecte de

impachetare.

Macle si limite de

macle

3.c. Defecte plane

(limite) interfazice


Modurile in care se elaboreaza si se prelucreaza materialele metalice face ca gradul de perfectiune al retelei cristaline sa cuprinda microvolume relativ mici, care se asociaza in agregate poli-microvolumice, constituind cristale submicroscopice (subgraunti) sau microscopice (graunti sau microcristale).

Modurile in care se pot produce dezorientarea blocurilor

cristaline ideale si formarea defectului de sublimita. a)

sublimita de inclinare; b) sublimita de rotire

Sublimitele, limitele de graunte si limitele de macle prezentate anterior sunt

defecte plane intrafazice, in sensul ca delimiteaza si separa intre ele

microvolume ale aceluiasi metal real solid, cu acelasi tip de retea cristalina

de o parte si de alta a defectului plan.

3.a. Sublimite si limite intrafazice


3.b. Defecte de impachetare. Macle si limite de macle

Abaterile de la succesiunile normale ale straturilor constituie un tip de imperfectiuni

plane, denumite defecte de impachetare.


3.c. Defecte plane (limite) interfazice

Legatura interfazica coerenta (a) si semi-

coerenta (b) intre doua faze (portiuni de cristal

cu retele cristaline diferite)

Trecerea de la reteaua cristalina a metalului (fazei) de baza la cea a celei de a doua

faze se face printr-o limita interfazica.

Dupa modul in care se trece de

la o faza la alta, limitele

interfazice se clasifica in

coerente, semicoerente si

necoerente, reprezentand tot

atatea tipuri de legaturi

interfazice.

In cazul limitelor (legaturilor)

coerente, retelele cristaline ale

celor doua faze au anumite plane

cristalografice cu aranjament

atomic similar, dar cu distante

internodale diferite (a1a2).


4. Imperfectiuni tridimensionale (volumice, spatiale)

In metalele reale apar si imperfectiuni care se extind in volume mai mici

sau mai mari.

Unele dintre acestea reprezinta discontinuitati sub forma de goluri:

- acumulari submicroscopice de vacante (vacante condensate),

- sufluri,

- porozitati,

- goluri de contractie la trecerea de la starea lichida la cea solida (micro

sau macroretasuri),

- fisuri,

- crapaturi;

- altele reprezinta particule de faze straine : incluziuni metalice,

nemetalice (oxizi, sulfuri, silicati, aluminati), alte combinatii (carburi,

nitruri, carbonitruri).


La dimensiuni şi mai mari, între 10-3-102 µm (detectabile prin microscopie optică

şi electronică), există un alt tip important de organizare stucturală. Cand atomii

unei probe topite sunt încorporaţi în cristale în timpul solidificării, multe cristale

mici se formează iniţial şi apoi cresc pana când se ating unul pe altul şi tot

lichidul este consumat, moment în care proba este complet solida. Astfel,

majoritatea corpurilor solide cristaline (materialele metalice şi ceramice) sunt

compuse din multe cristale mici sau cristalite, numiţi grăunţi, care sunt strâns

împachetaţi şi legaţi puternic între ei. Aceasta este microstructura materialului

care poate fi observată la măriri la care rezoluţia este între 1 şi 100 µm. În

materialele elementare pure, toate cristalele au aceeaşi structură şi diferă unul

de altul doar prin orientare. În general, aceste cristalite sau grăunţi sunt prea

mici să fie văzuţi liber, observându-se doar cu microscopul optic.

Majoritatea corpurilor solide sunt opace, deci nu se pot vizualiza folosind un

microscop optic cu lumină transmisă (biologic), ci un microscop metalografic cu

lumină reflectată la care lumina incidentă este reflectată de suprafaţa lustruită a

suprafeţei metalice sau ceramice. Structura de graunţi se evidenţiază prin atacul

suprafeței cu un mediu uşor coroziv care atacă preferenţial limitele de graunte şi

atunci când această suprafaţă este privită prin microscop, se pot observa

dimensiunea şi mărimea grăunţilor, adică microstructura.


Mărimea de grăunte este una dintre cele mai importante caracteristici care

poate fi evaluată prin această tehnică deoarece probele cu graunţi fini sunt

în general mai puternic conturate decat probele cu graunţi mai grosolani

din acelaşi material.

O altă caracteristică importantă care poate fi identificată este coexistenţa a

doua sau mai multe faze în unele materiale solide. Grăunţii unei faze date

vor avea aceeaşi compoziţie chimică şi structură cristalină, dar graunţii

celei de a doua faze, vor diferi din aceste două puncte de vedere. Acest lucru

nu se întâmplă niciodată în probele de elemente pure, dar apare în

amestecurile de diverse elemente sau compuşi în care atomii sau moleculele

pot fi dizolvate unele în altele în stare solidă, la fel ca şi în soluţie lichidă

sau gazoasă. De exemplu, unii atomi de crom pot substitui atomii de fier în

reţeaua cristalină cu feţe centrate a fierului, dând naştere oţelurilor

inoxidabile, ce reprezintă o soluţie solidă-aliaj.

Ca şi soluţiile lichide, soluţiile solide prezintă limite de solubilitate; când

aceasta limită este depăşită, cea de a doua fază precipită. De exemplu, dacă

sunt introduşi într-un oţel inoxidabil mai mulţi atomi de crom decât poate

să primească reţeua de fier cu feţe centrate, atunci va precipita cea de a

doua fază bogată în crom.


Difuzie= modificarea pozitiilor atomilor (ionilor) din corpurile gazoase,solide sau lichide.

Asadar… difuzia poate fi definita prin mobilitatea atomilor in cadrul unui material, iar deplasarea acestora se face pe distante foarte mari in raport cu distantele interatomice

DIFUZIA

! In materialele pure, atomii se deplaseaza la

intamplare chiar si cand nu se aplica forte externe.

Difuzia în materiale

• -apare in procesele de autodifuzie atomica si consta in trecerea unui atom intr-un loc vacant vecin. In nodul din care a plecat atomul se formeaza o noua vacanta care poate fi ocupata de atomul vecin,etc. Astfel se realizeaza o deplasare continua a vacantelor

1.Difuzia vacantelor

• Cand un atom interstitial cu dimensiuni reduse fata de atomii retelei de baza este prezent in reteaua cristalina, se poate deplasa prin salturi atomice in interstitiile retelei. Nu sunt necesare spatii libere ca acest mecanism sa functioneze.

2.Difuzia

interstitiala

Mecanismele difuziei

Vacante

Interstitial


• Uneori un atom din reteaua cristalina paraseste nodul retelei si ocupa un spatiu interstitial. Aceasta difuzie prin internoduri este ingreunata din cauza spatiului interstitial mic.

• Atomii se mai pot misca si prin schimb de locuri intre atomii vecini si printr-un mecanism inelar de schimb de locuri.

3.Alte mecanisme de difuzie

Internoduri

Schimb

Inelara


Mecanismele difuziei

Aliajele metalice sunt substante complexe obtinute prin amestecarea la scara atomica a unui metal – numit

component de baza si aflat in proportia cea mai mare in aliaj – cu unul sau mai multe metale sau nemetale, numite componente de adaos sau de aliere.

Component de baza

Componente de adaos

ALIAJE METALICE

Topire, solidificare

Exista 2 tipuri de aliaje:

Aliaje cu faze multiple

Aliaje cu o singura faza

Teoria aliajelor metalice

Totalitatea aliajelor alcatuite din aceiasi componenti formeaza un sistem de aliaje. Omogene

• daca au aceleasi caracteristici fizico-chimice in toata masa lor.

Eterogene

• daca sunt formate din mai multe parti omogene fizic si chimic.

Sisteme de aliaje

! O parte a unui sistem eterogen din punct de vedere fizico-chimic se numeste faza.

CA

RA

CTE

RIS

TIC

I Teoria aliajelor metalice

Fazele si constituentii structurali ai aliajelor metalice

In aliajele solide pot sa apara 3 tipuri de faze

distincte:

Metal pur

Solutie solida

Compus definit

• se caracterizeaza prin conductibilitate electrica si termica mare, plasticitate mare si proprietati de rezistenta( duritate, limita de curgere, rezistenta la rupere) scazute.

-este o faza alcatuita dintr-o singura specie de atomi, caracterizata printr-o retea cristalina specifica .

1. Metalul pur

Din punct de vedere al distributiei atomilor, solutiile solide pot fi:

-solutii solide

de interstitie

-solutii solide

de substitutie

In solutiile solide interstitiale, atomii componentului de adaos patrund printre atomii metalului de baza, in golurile de dimensiuni mai mari din reteaua cristalina.

• Solutiile solide se noteaza cu literele alfabetului grec: α, β, γ, etc.

• Solutiile solide sunt fazele cele mai frecvente in aliajele industriale si aceasta datorita faptului ca in solutiile solide predomina legatura metalica, fiind posibila atat variatia proportiei atomilor cat si distributia lor intamplatoare

=reprezinta o faza care exista pe un interval de concentratii si in care atomii sunt dispusi intr-o retea unica si au o distributie static uniforma.

2. Solutia solida

Fazele si constituentii structurali ai aliajelor metalice

• Din acest motiv li se mai atribuie denumirea de compusi definiti. Compusii intermetalici cristalizeaza in retele cristaline diferite de cele ale componentilor si adeseori foarte complexe. Compusii intermetalici reprezinta

o categorie de faze din aliaje care se formeaza la compozitii determinate, corespunzatoare unor anumite rapoarte intre elementele chimice componente, exprimabile printr-o formula de tipul AmBn, AmBnCp .

3. Compusi definiti

In functie de conditiile in care apar si de tipul

legaturilor interatomice, compusii

definiti se impart in:

a) compusi electrochimici

b)compusi electronici

c)compusi geometrici

Constituentii metalografici

Examinarea la microscop a fazelor dintr-un material prezinta aspecte structurale specifice numite constituenti structurali sau metalografici.

Aspectul schematic al structurii microscopice a materialelor minofazice:

b) Solutie solida neomogena.

Aspectul schematic al structurii microscopice a unui aliaj format

din cristale de metal pur sau compus chimic separate direct din

lichid si amestec mecanic.

a)metal pur, solutie solida omogena, compus chimic ;

Un material monofazic este format din una dintre cele trei faze:

Legea fazelor

Sistemele de aliaje se pot gasi fie in stare de echilibru, fie intr-o stare in afara echilibrului. Conditiile de echilibru ale unui sistem pot fi date de legea fazelor care arata dependenta gradelor de libertate, adica a factorilor externi sau interni (temperatura, presiune, concentratie) de numarul componentilor si de numarul fazelor.

Exemplu: -pentru un sistem

format dintr-un singur component (N=1), gradul de libertate minim (V=0) poate fi obtinut pentru P=2. Deci pot exista simultan cel mult doua faze si aceasta numai la o anumita temperatura.

Legea fazelor arata deci ca un aliaj poate contine un numar de faze cel mult egal cu numarul componentilor, afara de cazul unor conditii de temperatura

constanta si compozitie ale fazelor fixe.

Legea fazelor:

V=N+2-P

V =varianta sistemului;

N =numarul componentilor;

P =numarul fazelor.

Vă mulţumesc pentru atenţie !

Va urma:

CURSUL 4

structurile matrialelor metalice

Documents