tema nr 1 - notiuni generale despre metale

8/18/2019 Tema Nr 1 - Notiuni Generale Despre Metale

http://slidepdf.com/reader/full/tema-nr-1-notiuni-generale-despre-metale 1/27

Tema nr. 1

Noţiuni generale despre metale

Această temă prezintă principalele noţiuni referitoare la:

• Metal; legătură metalică

• Structura cristalină a metalelor

• Alotropia metalelor

• Energia liberă a fazelor si echilibrul termodinamic

• Cristalizarea primară a metalelor; structura policristalină

• Imperfecţiuni în reţelele cristaline ale metalelor

impul de studiu necesar asimilării acestei teme este de ! ore"

1.1 Metal; legătură metalică

Metalele sunt elemente chimice electropozitive, caracterizate printr-un

ansamblu de proprietăţi fizice şi chimice bine definite. Aceste proprietăţi îşi au

originea în structura electronică şi în specificul legăturii interatomice de tip metalic

(matrice de ioni pozitivi în interacţiune cu gazul electronic format din electronii de

valenţă.

!onsider"nd atomii individuali, metalele sunt elementele chimice care

formează cationii, în general o#izi puternic bazici şi care se combină cu acizii

form"nd săruri.!a agregate de atomi starea metalică (caracteristică metalelor şi alia$elor se

caracterizează prin%

a# luciu metalic (datorită proprietăţii de a reflecta lumina şi culoare (de la

alb la cenuşiu - ma$oritatea sau galben - roşiatic - !u, Au, !s& sunt opace şi în foi

foarte subţiri (radiaţia luminoasă este amortizată la impactul cu gazul electronic

mobil&

'



b# conductibilitate termică $i electrică ridicată, e#plicate pe baza teoriei

zonelor de energie (iniţiată în ')* de +loch dar şi pe baza modelului simplificat al

legăturii metalice.

c# %ariaţia rezistenţei electrice cu temperatura (creşte - cu creşterea

temperaturii, datorită creşterii mobilităţii atomilor ce determină mărirea numărul de

ciocniri ale acestora cu electronii. a temperaturi scăzute atomii au poziţii regulate

astfel înc"t , la unele metale, în apropiere de zero absolut , rezistenţa electrică scade

brusc p"nă la zero , fenomen denumit supraconductibilitate.

d# propietăţi magnetice. in punct de vedere al comportării magnetice ,

corpurile sunt %

- diamagnetice (susceptibilitatea magnetică < / si permeabilitate magnetică

µ < ' , fiind realizate din metale slab influenţate de c"mpul magnetic (!u, Ag, Au,

+i etc.

- paramagnetice ( >/, µ >1 .in această categorie, o importanţă deosebită o

au materialele feromagnetice ( si µ mari . Momentele dipolare magnetice mari

provin nu numai din mişcarea electronilor pe orbite, ci şi din rotaţia lor în $urul a#ei

proprii (mişcare de spin . 0eromagnetice sunt fierul, nichelul, cobaltul, si alia$e

Mn- +i , Mn - Al- !u, la care componenţii luaţi separat nu sunt feromagnetici.

!orpurile feromagnetice au zone de magnetizare care constituie magneţi

elementari permanenţi. Acestă stare stabilă este valabilă la temperaturi scăzute si

corespunde la toţi spinii paraleli. 1rin încălzire, agitaţia atomilor face să nu se mai

păstreze orientarea spinilor, metalul demagnetiz"ndu-se treptat . Magnetizarea de

saturaţie scade brusc, metalul devenind paramagnetic, la depăşirea unei temperaturicritice denumită punct Curie şi care are valoarea de% 22/ /! pentru fier, ''3/ /!

pentru cobalt si 45/ /! pentru nichel.

e# proprietăţi de plasticitate. 1lasticitatea este o proprietate mecanică care

este luată în consideraţie în definirea generală a metalelor prin maleabilitate

(proprietatea metalelor de a putea fi prelucrate sub formă de foi subţiri si ductilitate

(proprietatea metalelor de a putea fi prelucrate sub formă de fire. 6rdinea

(descrescătoare a ductilităţii metalelor este%

)



'.Aur& ). 1latină& 4. Argint& 7. 0ier & 3. !upru& 5. Aluminiu& 2. 8ichel& *. 9inc& .

:taniu& '/. 1lumb.

1.2 Structura cristalină a metalelor

Metalele (şi alia$ele sunt corpuri solide cristaline. ;le diferă de solidele

amorfe în care atomii sunt dispuşi dezordonat, prin faptul că distribuţia atomilor

(ionilor este ordonată, prezentînd periodicitate în cele trei direcţii spaţiale.

Aran$amentul atomic într-un cristal este descris cu a$utorul unei reţele

tridimensionale de puncte (noduri numită reţea spaţială"

in condiţia ca nodurile să fie identice si oricare dintre ele să aibă acelaşinumăr de vecini distribuiţi în acelaşi mod, +ravais a arătat că sunt posibile numai '7

astfel de aran$amente numite reţele &ra%ais sau grupuri de translaţie"

<eţeaua spaţială (v.fig.'.'a poate fi divizată în paralelipipede elementare în

contact si egale între ele, numite celule elementare .

Celula elementară este deci cea mai mică parte a unei reţele spaţiale care

prin translaţie succesivă după trei direcţii necoplanare, poate reproduce reţeauaspaţială.

0uncţie de valorile mărimilor a,b, c, α, β, γ (v. fig. '.'b denumite parametrii

reţelei se definesc 2 sisteme cristaline (v. tabelul '.' corespunzătoare celor '7

reţele +ravais (v. fig. '.).

<eţeaua spaţială reprezintă schema de repetiţie ce caracterizează un cristal si

nu aran$amentul real al atomilor. Acesta se obţine prin ataşarea la fiecare nod al

reţelei spaţiale sau în corelaţie fi#ă cu acesta, a unei baze de atomi, rezult"nd

structura 'reţeaua# cristalină. <ezultă deci că în timp ce numărul reţelelor spaţiale

este limitat, numărul structurilor cristaline este nelimitat.

1entru simplificarea e#punerii, în continuare se consideră ataşat fiecărui nod

al reţelei spaţiale un atom sub forma unei sfere rigide (v. fig '.4. =n acest fel se

formează structuri cristaline simple si ma$oritatea metalelor aparţin acestei categorii.

Mai mult chiar, metalele cristalizează într-un număr limitat de reţele cristaline si

4



anume% reţea cubică cu volum centrat - !>! (v. fig. '.4a& reţea cubică cu feţe

centrate - !0! (v. fig. '.4b si reţea he#agonal compactă - ?! (v. fig.'.4c.

a. b.0igura '

a. <eţeaua spaţială& b. 1arametrii celului elementare

0igura '.)<eţelele +ravais

7



@abelul '.7

:istemele cristaline corespunzătoare celor '7 reţele +ravais

:istem <elaţii între parametrii reţelei <eţea +ravais!ubic a = b = c& α = β = γ = / 6 :implă

!u volum centrat

!u feţe centrate@etragonal a = b ≠ c& α = β = γ = / 6 :implă

!u volum centrat6rtorombic a ≠ b ≠ c& α = β = γ = / 6 :implă

!u volum centrat!u bază centrată!u feţe centrate

<omboedric (@rigonal a = b = c& α = β = γ ≠ / 6 :implă?e#agonal a = b ≠ c& α = β = / 6& γ = ')/ 6 :implăMonoclinic a ≠ b ≠ c& α = γ = / 6≠ β :implă

!u bază centrată@riclinic a ≠ b ≠ c& α ≠ β ≠ γ ≠ / 6 :implă

a. b. c.0igura '.4

a. <eţeaua cristalină cubică cu volum centrat& b. <eţeaua cristalină cubică cu feţe centrate&c. <eţeaua cristalină he#agonal compactă

a# (etea cubică cu %olum centrată ) C*C

(a = b = c& α = β = γ = 90°)&

=n acest sistem cristalizează '3 metale (0e, >, 8b, @a, !r, Mo, etc metale

cu rezistenţă mecanică ridicată si plasticitate moderată.

!onsider"nd celula elementară si notaţile din figura '.7 a. se fac următoarele

convenţii %

a' coordonatele nodurilor reţelei se e#primă sub formă de fracţii de unităţi

a#iale (consider"nd ca unitate de măsură parametrul dimensional al reţelei. e

e#emplu, punctul 6 are coordonatele (/,/,/, punctul A (',/,/, punctul B

('C),'C),'C) etc.

3



a) poziţiile dreptelor în raport cu reţeaua spaţială se e#primă prin trei indicii

[u,v,D] numiţi indicii Miller care se determină astfel %

- se duce prin origine o dreaptă paralelă cu dreapta ai cărei indicii se

determină &

- se consideră coordonatele unui punct pe această dreaptă &

- se aduc coordonatele punctului considerat la acelaşi numitor &

- numărătorii reprezintă indicii Miller.

e e#emplu , dreapta 6+E, are indicii Miller [',1,'] , +E ∈ 6+E , +E(',','

sau B ∈ 6+E, B('C),'C),'C) sau dreapta AE! are indicii [1, 1,1] (se duce 6AF

AE!, AF(',-','.

6bservaţii%

- dreptele care au aceeaşi indici Miller sunt ,evident , paralele&

-dreptele legate între ele prin relaţii de simetrie ( cum sunt ,de e#emplu,

diagonalele cubului formează o familie de direcţii, notată < u,v,D>, indicii

Miller ai dreptelor familiei obţin"ndu-se prin permutări circulare, inclusiv

consider"ndu-i negativi. e e#emplu familia <',','>, diagonalele cubului, are patru

direcţii % 6+E - [',','] , A!E - [ 1 ,','], AE! - [', 1 ,'] si 6E+ - [',', '] .

a4 poziţia planelor în raport cu reţeaua spaţială se e#primă prin trei indici

(h,,l, denumiţi indici Miller, care se determină astfel%

- se stabileşte măsura segmentelor, în unităţi a#iale, determinate de intersecţia

planului considerat cu cele trei a#e de coordonate&

- fracţiile care reprezintă măsura acestor segmente, se inversează si se aduc la

acelaşi numitor&

- numărătorii reprezintă indicii Miller.

e e#emplu indicii Miller ai planului AEA!!E sunt (',',/& ai planului 6EA!

sunt (',',' etc.

6bservaţii%

- o dreaptă care are aceeaşi indici Miller cu un plan este perpendiculară pe

acel plan&

5



- planele legate între ele prin relaţii de simetrie formează o familie de plane

notată h,,l. e e#emplu familia ',/,/ conţine trei plane (planele cubului,

familia ',',/ conţine 5 plane (planele dodecaedrului romboidal iar familia

',',' conţine patru plane (planele octaedrului.1entru reţeaua cristalină !>!, îm planul AEA!!E ∈ ',',/ sferele rigide

(atomii sunt tangente (v. fig. '.7.b. :e poate uşor scrie relaţia < a = a √4C7 cu care

se determină raza atomică < a, funcţie de parametrul reţelei cristaline, a, parametru al

reţelei cristaline care se poate determina e#perimental, de e#emplu prin difracţia

razelor G.

a. b.

c.

0igura '.7a. !elula elementară !>!& b. 1oziţia atomilor în planul (',',/& c. 1oziţia atomilor în planul (',/,/

<eţelele cristaline se caracterizează prin următoarele mărimi %

- numărul de atomi pe celula elementară+ dat, pentru reţelele cubice de

relaţia %

8 = 8cC* + 8f C) + 8i

2



în care% 8c este numărul de atomi din v"rfurile celulei elementare&

8f - numărul de atomi de pe feţele celulei elementare&

8i - numărul de atomi din interiorul celulei elementare.

;vident, pentru reţeaua !>!, 8 = ) atomi pe celula elementară.

-cifra de coordinaţie+ C+ reprezintă numărul de atomi din reţeaua cristalină

aflaţi la o distanţă minimă de un atom dat.

Av"nd în vedere faptul că în cazul reţelei spaţiale !>! fiecare nod este

identic, atunci oricare ar fi nodul considerat el se găseşte la aceeaşi distanţă a √4C)

de alte * noduri. eci, pentru reţeaua !>!, ! = *.

- coeficientul de compactitate 'împachetare#+η reprezintă raportul dintrevolumul atomilor care aparţin unei celule elementare si volumul total al celulei.

!unosc"nd valorile razei atomice, < a si a numărului de atomi pe celula

elementară, 8, se deduce că , pentru cazul reţelei !>!, η = /.5*. <estul volumului

(volumul liber al cristalului în proporţie de 4) H se găseşte fragmentat în goluri sau

interstiţii cu anumite dimensiuni si amplasamente. !aracrteristicile acestor interstiţii

prezintă importanţă la alierea metalelor c"nd atomii unor elemente (de aliere le pot

ocupa. !onsider"nd planul AE+EA+ se constată că interstiţiile sunt de două tipuri (v.

fig. '.7 c. %

-interstiţii octaedrice, în care pot intra , fără a distorsiona reţeaua cristalină,

atomi străini cu raza atomică ma#imă r a,oct = /./52 a. Aceste interstiţii se găsesc în

centrele muchiilor si ale feţelor, numărul lor , calculat similar lui 8, este de 5 pe o

celulă elementară.

-interstiţii tetraedrice, în care pot intra, fără a distorsiona reţeaua cristalină,

atomi străini cu raza atomică ma#imă, r a,tetr = /.')5 a, numărul lor fiind de ') pe o

celulă elementară.

1ropiretăţile unui cristal sunt dependente de modul de distribuţie al atomilor

si deci de distanţele dintre ei. ecurge în mod firesc, av"nd în vedere faptul că , de

e#emplu, pentru reţeaua !>! direcţiile, respectiv planele cu densitate ma#imă de

atomi aparţin familiei <',','> respectiv ',',', că toate cristalele sunt anizotrope,

adică proprietăţile depind de direcţia după care sunt măsurate.

*



b# (eţeaua cristalină cubică cu feţe centrate ) C,C (a = b = c& α = β = γ =

90°)&

=n acest sistem cristalizează '3 metale (!u, Ag, Au, Al, 1b, 8i, 0e etc. cu

plasticitate ridicată.

a. b.

0igura '.3a. !elula elementară !0!& b. 1oziţia atomilor în planul (',',/&

!onsider"nd celula elementară si notaţiile din figura '.3 a si b rezultă

următoarele caracteristici ale acestui tip de reţea cristalină %- raza atomică, < a = a √)C7&

- numărul de atomi pe celula elementară, 8 = 7&

- cifra de coordinaţie, ! = ')&

- coeficientul de compactitate (împachetare, η = /.27&

- interstiţiile octaedrice sunt cele mai mari. ;le pot reţine, fără a distorsiona

reţeaua cristalină, atomi străini cu dimensiunea ma#imă r a,oct. = /.'75 a si se găsesc

în centrul cubului si în centrele muchiilor, numărul lor fiind de 7 pe celula

elementară.

- interstiţiile tetraedrice se găsesc în centrele celor opt cuburi mici,egale, în

care se poate împărţii celula elementară, deci în număr de * pe o celulă elementară,

fiind capabile să reţină atomi străini cu raza ma#imă de /./* a&

- direcţiile, respectiv planele cu densitate ma#imă de atomi aparţin familiei

<',',/> , respectiv ',','.



c# reţeaua he-agonal compactă ) .C

=n acest sistem cristalizează )3 de metale (+e, Mg, 9n, !d, @i, 9r etc. cu

plasticitate scăzută.

in punct de vedere cristalografic reţeaua ?! nu figurează printre reţelele

+ravais. Aran$amentul atomic se realizează pe baza unei reţele he#agonale simple

(v. fig.'.), reprezentarea uzuală a reţelei obţin"ndu-se prin $u#tapunerea a trei astfel

de celule elementare simple (v. fig.'.5. 1oziţia planelor în raport cu cu reţeaua

spaţială astfel obţinută, este e#primată prin patru indici Miller (h,,i,l

corespunzători sistemului de a#e 6#, 6I, 6IE, 6z si care se obţin pe baza aceloraşi

reguli. <eţeaua he#agonal compactă se obţine consider"nd în planul (/,/,/,)

nodurile 1, J, < .

0igura '.5!elula elementară a reţelei ?!

=n acest mod se obţine unul din cele două moduri în care se pot împacheta

sfere rigide, cu densitate ma#imă posibilă, în spaţiu, păstr"ndu-se un aran$ament

periodic. !elălalt mod de ma#imă împachetareîl reprezintă reţeaua !0!. iferenţa

dintre cele două tipuri de reţele constă în secvenţa de aşezare în spaţiu a straturilor

atomice compacte. Aceste straturi atomice de ma#imă compactitate apar în planul

bazal la reţeaua ?! (v. fig '.2 a. respectiv în planul diagonal la reţeaua !0! (v. fig

'.2 b., distribuţia atomilor în strat fiind identică în ambele reţele.

'/



a. b.0igura '.2

a. =mpachetarea planelor cu densitate ma#imă de atomi în cazul reţelei ?!& b. Bdem - în cazulreţelei !0!&

1rin calcule geomertice se determină următoarele carcateristici ale reţelei ?!%

- raportul dintre înălţimea prismei he#agonale si latura he#agonului de bază,

cCa = √*C4&

- raza atomică %< a = aC)&

- numărul de atomi pe celula elementară, 8 = 5&

- cifra de coordinaţie, ! = ')&

- coeficientul de compactitate (împachetare % η = /.27, identic cu cel al

reţelei !0!, deoarece cele două tipuri de reţele cristaline au aceeaşi cifră de

coordinaţie.eşi au aceeaşi compactitate, între metalele cristalizate în reţeaua !0!,

respectiv ?!, e#istă o diferenţă mare de comportare din punct de vedre al

plasticităţii. Astfel, în timp ce la reţeaua cristalină !0! e#istă patru serii de straturi

atomice cu împachetare compactă, în reţeaua ?! nu e#istă dec"t una. Aceste plane

cu densitate ma#imă de atomi au un rol principal în e#plicarea, pe baza teoriei

dislocaţiilor, a plasticităţii.

1.3 Alotropia metalelor

1roprietatea generală a unor corpuri ca, prin variaţia temperaturii sau a

presiunii, să cristalizeze în sisteme diferite, poartă numele de polimorfism. =n cazul

metalelor, proprietatea se numeşte alotropie + iar trecerea de la un sistem la altul de

cristalizare ) modificare alotropică" @ransformările sunt cauzate de schimbareaorbitelor electronilor periferici sub acţiunea căldurii. a temperaturi bine

''



determinate, numite puncte critice, va avea loc trecerea de la o formă alotropică la

alta. ;#istă mai multe metale care prezintă transformări alotropice % @i, 9r, , Mn,

!o, 8i etc. !el mai important e#emplu practic este, însă cel al fierului, pentru care

în figura '.* a. se prezintă curba de răcire ( t = f(τ din stare lichidă p"nă la

temperatura ambiantă, pe care, pe l"ngă palierul corespunzător cristalizării primare

apar si paliere corespunzătoare celor două transformări alotropice. <ezultă, deci că

punctele critice ale fierului sunt %

- A4 = ') 6!, temperatura p"nă la care este stabilă forma alotropică 0eα cu

reţea cristalină !>!&

- A7 = '47 6! % între punctele critice A4 si A7 este stabilă forma alotropică 0eγ

cu reţea cristalină !0!.

=ntre temperatura A7 si temperatura de topire solidificare (tt-s = '34* 6! este

stabilă din nou, forma alotropică 0eα denumită si 0eδ.

6bservaţii %

- punctul critic A) = 22/ 6! este punctul critic !urie&

- punctul critic A' = 2)2

6

! este temperatura transformării eutectoide însistemul 0e - 0e4!&

- A/ = )'/ 6! este punctul critic !urie pentru compusul definit 0e4!, denumit

cementită.

>ariaţia cu temperatura a valorilor parametrului reţelei cristaline ale formelor

alotropice ale fierului sunt prezentate în figura '.* b. :e constată creşterea liniară a

parametrului reţelei, cu creşterea temperaturii si faptul că e#istă, numai două forme

alotropice. ;ste, de asemenea evident, conform figurii '.* a. că , transformările

alotropice vor fi insoţite de modificări de volum. e e#emplu, în cazul :n

modificarea alotropică care are loc, în cazul răcirii la temperatura de '4 6! ( :nβ -

alb cu reţea tetragonală trece în :nα - cenuşiu cu reţea cubică se face cu o creştere

specifică de volum de )5 H, tensiunile induse provoc"nd făr"miţarea staniului

cenuşiu caracterizat prin friabilitate. (0riabilitatea este calitatea unui material de a

putea fi uşor adus în formă de pulbere& făr"micios.

')



=ntre formele alotropice ale aceluişi metal e#istă diferenţe de dimensiuni ale

interstiţiilor reţelei cristaline, ceea ce are drept consecinţă o capacitate diferită a

celor două forme alotropice de a dizolva, interstiţial, atomi străini. Acest lucru se

poate e#emplifica pe cazul fierului astfel %

- reţeaua cristalină a 0eγ - !0!, deşi are o compactitate mare si un volum

liber mic, totuşi, modul de fragmentare al acestuia în interstiţii, permite, de e#emplu

ca la temperatura de ') 6! să dizolve în interstiţiile octaedrice atomi cu r a, oct =

/.'75 a!0! = /.34' K, valoare care creşte cu creşterea temperaturii&

- reţeaua cristalină a 0eα - !>!, la aceaşi temperatură poate dizolva în

interstiţiile octaedrice atomi cu r a,oct = /.')5 a!>! = /.453 K, valoare care scade cuscăderea temperaturii.

6bservaţii%

- transfromările alotropice corelate cu capacitatea diferită a formelor

alotropice de a dizolva interstiţial atomi străini, au importanţă deosebită în cazul

tratamentelor termice&

a. b.0igura '.*

a. !urba de răcire a fierului& b. >ariaţia cu temperatura a parametrului reţelei cristaline a 0e

'4



- razele ionilor în cristalele metalice se numesc raze metalice spre deosebire

de raza ionică a metalelor din cristalele sărurilor pe care le formează. <aza

metalică este superioară rezei ionice a aceluiaşi metal dintr-o sare a sa ca urmare a

influienţei forţelor de legătură interatomică care sunt diferite în cele două tipuri de

cristale. e e#emplu razele atomice ale fierului sunt % 0eα la )/ 6!, r a='.)7/3 K&

0eγ la 3/ 6!, r a='.)5)3 K& 0eγ la '7)3 6!, r a='.))3 K& 0e+4 (cation, r = /.57K.

- datele prezentate în literatura de specialitate, privind structura cristalină a

elementelor îndică faptul că nici un element nu are raza atomică mai mică dec"t, de

e#emplu, cea calculată pentru interstiţiile octaedrice în cazul fierului. e e#emplu,

carbonul în forma alotropică grafit α, he#agonal are raza atomică de /.2' K.

<ezultă deci, că prin dizolvarea interstiţială a unor atomi străini se afectează

echilibrul reţelei cristaline a metalului.

1.4 Energia lieră a !a"elor #i ec$ilirul termodinamic

:tarea unui sistem condensat (cazul metalelor solide si lichide la presiunea

atmosferică format dintr-un număr mare de atomi (sau molecule este caracterizat

cu a$utorul energiei libere 0, definită prin relaţia 0 = L -@⋅: unde L este energia

internă a sistemului, @ - temperatura absolută, : - entropia (mărime proporţională cu

probabilitatea de e#istenţă a unei stări.

in punct de vedere termodinamic starea de echilibru a unui sistem

corespunde energiei libere minime. in acest punct de vedere stările de echilibru

pot fi %

- echilibru stabil, acea stare pentru care fluctuaţiile înt"mplătoare ale

parametrilor de stare conduc la creşteri ale energiei libere (v. fig. '. a.&

'7



a. b.0igura '.

a. :tarea de echilibru stabil& b. :tarea de echilibru metastabil

- echilibru metastabil, acea stare din care se poate trece în stare ade echilibru

stabil , numai printr-o stare intermediară cu energia liberă ridicată (v. fig. '. b..

;nergia ;a , ce trebuie furnizată sistemului pentru a trece dintr-o stare de echilibru

metastabil într-o stare de echilibru stabil se numeşte energie de activare.

!onsider"nd variaţiile cu temperatura ale energiilor libere ale fazei lichide si a

celor două forme alotropice ale fierului (v. fig.'.'/ se pot e#plica transformările

evidenţiate pe curba de răcire (v. fig. '.* a.. :e observă deasemenea , că la

temperaturile corespunzăroare punctelor critice fazele au aceeaşi energie liberă.1entru ca transformarea să se producă într-un anumit sens este necesară

îndepărtarea sistemului din această poziţie , cu o valoare ∆t, pentru ca între energiile

libere ale celor două stări să e#iste o diferenţă ∆0, care va constituii forţa motrice a

transformării.

!"nd transformările au loc la răcire ∆t poartă numele de subrăcire, iar c"nd

transformările au loc la încălzire - supraîncălzire. <ezultă deci, că si valorile punctelor critice vor fi diferite faţă de poziţiile de echilibru cu energiile libere egale,

cu valorile subrăcirii, respectiv ale supra"ncălzirii. punctele critice se notează cu

indice r pentru răcire (Ar',,Ar),Ar4, Ar7 respectiv cu indice c pentru încălzire (Ac',

Ac), Ac4, Ac7.

=n mod obişnuit, transformările au loc la răcire, respectiv la încălzire

continuă. >ariaţia temperaturii în timp este dată de curba de răcire, respectivîncălzire. 1anta acestei curbe va reprezenta viteza de răcire, respectiv încălzire.

>aloarea subrăcirii, respectiv a supraîncălzirii este direct proporţională cu

viteza de răcire, respectiv de încălzire.

'3



0igura '.'/>ariaţia cu temperatura a energiei libere a formelor alotropice ale 0e

1.% &ristali"area primară a metalelor; structura policristalină

Metalele solide se obţin, în mod obişnuit, din topitură, prin solidificare,

proces denumit cristalizare primară. @rasformările alotropice decurg după

mecanisme similare, dar desfăşurate în stare solidă motiv pentru care se numesc

cristalizări secundare.

1entru ca un metal topit să solidifice este necesară (v. fig.'.'/ subrăcirea lui

astfel înc"t 0s<0l. !hiar si în aceste condiţii solidificarea nu începe de la sine, ci ea

trebuie amorsată (activată, motiv pentru care procesul nu se declaşează (în general

spontan în toată masa lichidului.

!ristalizarea primară are la bază două procese%

a germinarea - formarea în masa de metal lichid a unor mici formaţiuni

solide numite centrii de cristalizare sau germeni cristalini si care poate fi %

- germinare omogenă c"nd germenii de cristalizare apar în anumite zone cu

nivele energetice maimari dec"t nivelul mediu (pentru a asigura energia de

activare , zone cu aran$ament atomic apropiat de cel al stării solide &

- germinare eterogenă+ caracterizată prin solidificarea metalului lichid în $urul

unor particule solide străine aflate înt"mplător în topitură sau introduse intenţionat.

Aceste particule solide trebuie să aibă o bună coerenţă cu metalul lichid şi reţea

cristalină de acelaşi tip. b cre$terea germenilor si formarea cistalelor se caracterizează printr-o

cinetică evidenţiată în figura '.'' din care se observă că viteza macroscopică de

solidificare este ma#imă în cazul în care 3/H din volum este solidificat.

0orma e#terioară a cristalelor nu sugerează, dec"t în cazul cristalelor

idiomorfe, aran$amentul intern, propriu,al reţelei cristaline. (cristalele idiomorfe au

aspect geometric regulat, care reproduce simetria reţelei cristaline şi apar ocazional

pe suprafaţa liberă de solidificare, de depunere din vapori sau de electrodepunere.

'5



=n structura alia$elor, singurele cristale cu caracter idiomorf sunt constituite din

compuşi definiţi, ele form"ndu-se prin cristalizare liberă din lichid . =n condiţii

obişnuite cristalele au o formă dendritică (arborescentă, consecinţă a caracterului

nedirecţionat al legăturii interatomice de tip metalic (fig. '.'). !ristalele cresc sub

forma unor ramuri ortogonale primare, secundare şi terţiare (fig. '.')a p"nă ce tot

spaţiul se umple cu metal solid (o secţiune plană obţinută la analiză microscopică

indică aspectul asemănător unor frunze de ferigă -fig. '.')b.

1rocesul de solidificare începe de la mai mulţi centri de cristalizare, fiecare

centru d"nd naştere unei dentrite. !reşterea ei are loc p"nă la înt"lnirea cu

dentritele vecine& în acest moment creşterea a#elor primare se opreşte şi

solidificarea continuă prin formarea a#elor de ordin superior.

a. b.0igura '.')

endrite % a - vedere tridimernsională& b - secţiune plană

(Mai poate interveni şi următorul proces% în timpul creşterii lor puternice pe

direcţiile principale,braţele dendritelor răm"n nestabile si, ating"ndu-se se

zdrobesc. !a urmare, aspectul dendritic dispare si întreaga masă solidificată este

transformată dintr-un conglomerat de grăunţi (v. fig. '.'4 aspectul dendritic

apăr"nd numai după o pregătire specială a probei.

'2

Figura 1.11Curbele cineticii

cristalizăriiprimare: variaţia

volumului de

fază solidă întimp (V=f(τ))

si al vitezei decretere (dV!dτ)



0igura '.'4!ristalizarea primară& structura policristalină a metalelor

<ezultă deci, că metalele au o structură policristalină si, deşi fiecare cristal

luat separat este anizotrop, datorită orientărilor diferite ale reţelelor cristaline ale

fiecărui cristal, la scară macroscopică materialul metaluic este cvasiizotrop.

0actorii care influienţează cristalizarea sunt e#trem de numeroşi % temperatura

de supra"ncălzire a metalului topit peste temperatura de topire-solidificare, t t-s,

impurităţile din metal care sunt rămase , eventual, cristalizate în topitură, viteza de

răcire, caracteristicile formei în care se toarnă etc.

. @ammann (''/ a redus multitudunea acestor factori la două mărimi de

calcul %

- viteza de cristalizare, >cr , care este viteza de creştere liniară a cristalelor,

pornind din centrul de cristalizare după o anumită direcţie.

- capacitatea de cristalizare, Jcr , care este e#primată de numărul centrilor de

cristalizare 8c ce se formează în unitatea de timp si unitatea de volum ea

reprezent"nd de fapt viteza de formare a acestora .

Aceste două mărimi sunt dependente de subrăcire, (care la r"ndul ei este

direct proporţională cu viteza de răcire vr = dtCdτ conform figurii '.'7. Ambele

mărimi cresc cu creşterea subrăcirii, ating un ma#im si apoi scad apropiindu-se de

zero. <ezultă deci că pe măsură ce viteza de răcire creşte apar mulţi centrii de

cristalizare care vor creşte mai rapid. a subrăciri foarte mari >cr si Jcr pot scade,tinz"nd către zero, adică materialul să nu cristalizeze. Acest lucru se poate înt"mpla

'*



la materialele amorfe. Metalele, care cristalizează în general uşor, nu prezintă

partea descendentă a curbelor (punctată.

Analiz"nd cele trei cazuri prezentate în figura '.'7, rezultă că la cristalizare,

grăunţii variază ca formă, mărime si orientare%

!azul ' (v. fig.'.'7 - la o subrăcire foarte mică, adică la viteze de răcire

mici, capacitatea de cristalizare este e#trem de mică, mult mai mică dec"t viteza de

creştere. :e va obţine o structură grosolană (dimensiuni mari ale unor cristale

echia#iale.

!azul ) (v. fig. '.'7 - corespunde, de obicei si cu e#istenţa unei direcţii

preferenţiale de creştere a grăunţilor, rezult"nd o structură cu grănţi grosolani

dezvoltaţi cu precădere după direcţia cedării căldurii (zona columnară sau detranscristalizare.

!azul 4 (v.fig. '.'7 - la subrăciri mari creşterea capacităţii de cristalizare va

conduce la obţinerea unei structuri fine (dimensiuni ale unor cristale echia#iale.

0igura '.'7ependenţa de viteza de răcire a vitezei de germinare, J cr si a vitezei de creştere a grănţilor, >cr & variaţia formei,

mărimii si orientării grăunţilor funcţie de subrăcire (viteza de răcire.

'



@oate aceste aspecte sunt confirmate în practică, conferind pieselor turnate si

lingourilor o structură specifică (v. lucrarea practică NAnaliza macroscopică a

materialelor metaliceF

1.' (mper!ecţiuni )n reţelele cristaline reale ale metalelor

=n descrierile anterioare s-a considerat că structura cristalelor este perfectă,

atomii (ionii fiind distribuiţi riguros în nodurile reţelei cristaline (cristale ideale.

Metalele au o structură policristalină formată din cristale reale ce prezintă

anumite imperfecţiuni sau defecte de reţea, care pot fi %

) dinamice % provoacă depalsări de atomi variabile în timp si sunt datorateagitaţiei termice (atomii e#ecută o mişcare de vibraţie în $urul nodurilor reţelei a

cărei amplitudine creşte cu temperatura. e e#emplu starea topită a metalelor se

caracterizează printr-un număr de apro#imativ ' H locuri vacante în reţeaua

cristalină. !orelat cu creşterea distanţelor între atomi (volumul metalelor creştere la

topire în medie cu 4 H ceea ce corespunde unei creşteri de ' H a distanţelor dintre

atomi rezultă că la un anumit moment dat stabilitatea reţelei cristaline dispare. )statice % produc deplasări de atomi care se menţin timp indelungat. 1rezenţa

defectelor în reţeaua cristalină provoacă perturbări în aran$amentul atomic din

vecinătatea lor cu modificări ale distanţelor interatomice, a cifrei de coordinaţie etc.

efectele statice de structură sunt de trei tipuri %

a punctiforme&

b liniare&

c de suprafaţă.

a /efecte punctiforme sunt (v. fig. '.'3 %

- vacanţe % locuri libere, neocupate de atomi, în reţeaua cristalină&

- atomi interstiţiali % atomi suplimentari în poziţie interstiţială&

- defect comple# % atom deplasat în poziţie interstiţială si vacanţa asociată pe

care o crează.

)/



!oncentraţia de echilibru a vacanţelor, e#primată ca raport dintre numărul n

de vacanţe si numărul 8 de puncte din reţea, creşte e#poneţial cu temperatura @,

fiind dată de relaţia %

n

8 e

L

<@=

−

unde%

L este energia de activare (pentru crearea unui atom gram de vacanţe av"nd ordinul

de mărime de zeci de ilocalorii per atom gram.

!oncentraţia este ma#imă în apropierea temperaturii de topire si este de

ordinul '/-7.

atorită agitaţiei termice, vacanţele sunt în continuă mişcare si acest proces

stă la baza unor fenomene ca autodifuzia în metalele pure sau difuzia în soluţiisolide de substituţie si în compuşi intermetalici.

acă temperatura este suficient de ridicată este posibil ca un atom să-şi

părăsească poziţia de echilibru din reţea, trec"nd în poziţie interstiţială, lăs"nd în

urma sa o vacanţă. eoarece dimensiunile interstiţiilor sunt mult inferioare

dimensiunilor atomilor, probabilitatea fenomenului este mică. Această probabilitate

creşte în cazul deformării plastice la rece sau în cazul bombardamentului cu neutroni

rapizi (cazul materialelor metalice structurale din construcţia reactoarelor nucleare.

!reşterea concentraţiei defectelor punctiforme afectează caracteristicile fizice si

mecanice ale metalului (rezistivitatea electrică creşte, tenacitatea scade.

0igura '.'3

efectele punctiforme în cristalele reale

b /efectele liniare poartă numele de dislocaţii si ele pot fi %

)'



- liniare (marginale, pană&

- elicoidale (şurub&

- mi#te.

islocaţia liniară este linia de atomi care delimitează spre interiorul

cristalului, un plan incomplet de atomi, numit e#traplan. upă poziţia e#traplanului,

dislocaţiile se clasifică, în mod convenţional, în %

- dilocaţii liniare pozitive, notate cu simbolul ⊥, la care e#traplanul se află în

partea Nde susF a cristalului&

- dislocaţii liniare negative, notate cu simbolul @, la care e#traplanul se află în

partea Nde $osF a cristalului.

istribuţia atomilor în $urul unei dislocaţii liniare (v. fig. '.'5, în care M81J

este e#traplanul, iar dislocaţia - linia de atomi M8 arată că în $urul dislocaţiei

reţeaua este puternic deformată. !a urmare o dislocaţie nu se reduce numai la linia

linia M8, ci cuprinde întreaga reţea dintr-o regiune cilindrică, cu a#a linia E si de

rază (4 ... 7Oa. 1entru a e#plica formarea si e#istenţa dilocaţiei liniare (pană se

poate admite că porţiune A din Ndreapta - susF a cristalului (v. fig. '.'5 a alunecat

pe planul de alunecare #I ca urmare a constr"ngerilor e#ercitate asupra cristaluluiîn timpul solidificării, constr"ngeri datorate inegalităţilor de temperatură si

concentraţie. Alunecarea s-a transmis doar p"nă la linia E care reprezintă

NmiezulF dislocaţiei.

0igura '.'5<eprezentarea unui cristal cu reţea cubică simplă care conţine o dislocaţie pană (M8

))



islocaţia elicoidală (v. fig. '.'2 rezultă

printr-o forfecare a cristalului în plan vertical,

linia de dislocaţie AAE delimit"nd zona planului

de forfecare în care s-a produs de$a alunecarea ,faţă de zona în care nu s-a produs. 1lanele

cristaline au forma unor suprafeţe elicoidale

care se înfăşoară în $urul liniei de dislocaţie AAE.

=n ma$oritatea cazurilor dislocaţiile sunt mi#te, fiecare segment al dislocaţiei

av"nd o componentă de tip pană si o componentă de tip elicoidal.

0ormarea unei dislocaţii introduce un surplus de energie internă în cristal,

înmagazinată în deformarea elastică locală a reţelei în zona dislocaţiei. islocaţiile

sunt mobile si se pot deplasa prin cristale prin două mecanisme % alunecare si

căţărare.

eplasarea prin alunecare este produsă de eforturi tangenţiale. 6 dislocaţie

pană se poate deplasa numai în planul care conţine linia de dislocaţie (v.fig. '.'*.

Acest mecanism de deplasare al dislocaţiilor e#plică plasticitatea ridicată a

materialelor metalice.

=n cursul deplasării dislocaţiile reacţionează

între ele produc"nd alte alte defecte sau

conduc"nd la creşterea numărului lor.

ensitatea de dsilocaţii, e#primată ca lungimea

totală a liniilor de dislocaţie din unitatea de

volum a materialului variază între '/3

... '/5

cm -) în metalele recoapte si creşte p"nă la '/ ')

cm -) în metalele deformate plastic la rece cu

grade mari de deformare.

islocaţia elicoidală se deplasează prin alunecare răm"n"d paralelă cu ea

însăşi.

=n cazul dislocaţiei liniare este posibilă deplasarea prin căţărare (urcare sau

difuzie care are ca efect trecerea liniei de dislocaţie într-un plan cristalin superior si

)4

Figura 1.1"#ilocaţie elicoidală ($$%)

Figura 1.1&#eplasarea dislocaţiilor prin

alunecare



are loc prin difuzia vacanţelor spre linia de dsilocaţie (v. fig. '.'. Acest mecanism

de deplasare bazat pe difuzia atomilor si a vacanţelor, se produce mai ales la

temperatură ridicată, spre e#emplu în cazul flua$ului.

6 linie de dislocaţie se poate opri la intersecţia cu suprafaţa limitei de

grăunte, cu suprafaţa liberă a cristalului, la intersecţia cu o altă dislocaţie sau cu un

atom străin - bariere care se opun deplasării dislocaţiilor.

a. b. c.0igura '.'

eplasarea prin urcare a dislocaţiei pană

c /efectele de suprafaţă (bidimensionale sunt%

- limitele de grăunte&

- limite de subgrăunte&

- structura în blocuri mozaic&

- defecte de împachetare&

- limită de maclă.

=n materialele metalice policristaline regularitatea aran$amentului atomilor în

reţea este puternic perturbată la limita de separare între grăunţi. iferenţele înorientarea cristalină a reţelei în grăunţii vecini sunt considerabile, unghiurile de

)7

Figura 1.'tructura limitei de grăunte

Figura 1.'1tructura limitei de subgrăunte



dezorientare av"nd valori de ordinul zecilor de grade. @ranziţia de la un grăunte la

altul se face printr-o zonă cu grosime de c"teva diametre atomice, numită limită de

grăunte. =n această zonă aran$amentul atomilor nu corespunde nici unuia dintre

cristalele vecine, ci este un aran$ament de tranziţie (v. fig. '.)/ cu un pronunţat

caracter de dezordine în care e prezentă o reţea comple#ă de dislocaţii si vacanţe.

=n metalele de puritate tehnică lăţimea limitei de grăunte este mărită de prezenţa

impurităţilor care se concentrează în general în această zonă.

0imitele de grăunte au o reactivitate chimică sporită, aceasta st"nd la baza

punerii în evidenţă a microstructurii prin atac chimic sau electrochimic. Aceste zone

sunt, deasemenea într-un echilibru termodinamic metastabil si ca urmare vor

constituii sediul de iniţiere al trasformărilor în stare solidă (creşterea grăunţilor,transformări cu schimbare de fază.

0imitele de subgrăunte sunt limite între grăunţi a căror diferenţă de orientare

este foarte mică, de ordinul c"torva grade. =n consecinţă, dezordinea reţelei

cristaline la limita de subgrăunte este mult mai mică dec"t la limita de grăunte si

constă dintr-un Nperete de dsilocaţiiF (v. fig. '.)'.

:ubgrăunţii apar de obicei în cursul creşterii cristalelor. 1oligonalizareaobservată la recoacerea metalelor deformate plastic, constă în redistribuirea

dislocaţiilor si gruparea lor în pereţi de tip limită de subgrăunte.

<egularitatea reţelei cristaline nu se menţine în tot volumul unui grăunte

cristalin, chiar în absenţa divizării acestuia în subgrăunţi. răuntele se compune din

$u#tapunerea unei multitudini de mici blocuri cu structură cristalină perfectă si

dimensiuni de circa '/// ori mai mari dec"t celula elementară, blocuri mozaic, între

care dezorientarea este e#trem de mică (de ordinul fracţiunilor de grad.

/efectele de împachetare marchează planul de separare între două porţiuni

cristaline identice între care s-a produs o alterare a suscesiunii normale a straturilor

atomice compacte. Aceste defecte apar în cristalele cu reţea de ma#imă

compactitate (?!,!0!.

0imita de maclă reprezintă limita de separare între cristal si maclă - porţiune

dintr-un cristal cu altă orientare cristalografică, si constă într-un strat de monoatomicce aparţine planului de maclare care în numeroase cazuri este si plan de refle#ie .

)3



Această denumire sugerează faptul că orientarea cristalină în maclă derivă din

orientarea restului cristalului printr-o operaţie de simetrizare faţă de planul de

maclare.

1orţiunea maclată a cristalului apare la analiza microscopică cu altă nuanţă

dec"t restul cristalului, pentru că av"nd altă orientare cristalină se comportă diferit la

atacul cu reactivi chimici.

Addenda

1rincipalele cuvinte şi noţiuni noi sunt cele de mai $os. 1entru consolidarea

cunoştinţelor definirea lor este lăsată ca temă.

♦ temperatură critică (punct !urie&

♦ reţea spaţială&

♦ celulă elementară&

♦ structură (reţea cristalină&

♦ polimorfism (alotropie&♦ subrăcire&

♦ supraîncălzire&

♦ cristalizare primară&

♦ germinare (omogenă, eterogenă&

♦ cristale idiomorfe&

♦ dendrite&

♦ defecte punctiforme (vacanţe, atom interstiţial, defect comple#&

♦ dislocaţie&

♦ limită de grăunte&

♦ maclă.

)5



Teme de casă

'. efiniţi şi e#plicaţi termenii şi noţiunile din Addenda.

). 1rin difracţia razelor G s-a determinat parametrul reţelei cristaline al 0e la

temperatura ambiantă a = ),*554 K.

a :ă se indice dreptele din familiile <' ' '> şi <' ' /> pentru reţeaua cristalină a

0e la t/ = )/ /! şi la t' = ')///!.

b :ă se indice planele din familiile {' ' /} şi {' ' '} ale reţelei cristaline a 0e la t/

şi t'. !onsider"nd atomii ca sfere rigide să se reprezinte aran$amentul atomilor în

aceste plane.c :ă se determine 8, !, η, r a şi a ale 0e la t/ şi t'. :e cunoaşte coeficientul de

dilatare liniară al fierului α = '',2 '/-5 (/!-'.

d !are din atomii următoarelor nemetale% hidrogen (r a =/,75/ K, azot (r a =/,2'/

K, carbon (r a =/,22/ K, pot pătrunde interstiţial în reţeua fierului la t / şi la t' fără

să o deformeze.

e !are sunt planele din reţeua cristalină a 9n (?! care au acelaşi aran$ament

atomic cu planele {' ' '} ale fierului la temperatura t'.

f !unosc"nd că deformarea plastică are loc, prin aluncări (deplasarea dislocaţiilor

în planele cu densitate ma#imă de atomi e#plicaţi ordinea următoare% 0e la t ', 0e la

t/, 9n (?! de scădere a proprietăţilor de plasticitate.

tema nr 1 - notiuni generale despre metale

Documents