Studiul materialelor - PIM Copy

MARIA BACIUIOAN RUSUSTUDIUL MATERIALELOR–note de curs–

Referenţi ştiinţificiProf.dr.ing. ConstantinBaciuProf.dr.ing. Corneliu MunteanuUniversitatea Tehnică „Gheoghe Asachi” IaşiTehnoredactare computerizatăViorel VasiliuOana BălţătescuEDITURĂ ACREDITATĂ CNCSIS BUCUREŞTI66/01.05.2006ISBN 978-973-716-717-0

1CUPRINSArgument………………………………………………………………………………. 51. Materiale…………………………………………………………………………….. 71.1. Consideraţii generale………………………………………………………….. 71.2. Structura stării solide a materialelor…………………………………………... 71.3. Clase de materiale……………………………………………………………... 91.4. Proprietăţile materialelor……………………………………………………… 102. Atomul, legături chimice şi forţe de coeziune………………………………………. 122.1. Atomul. numere cuantice ale electronului…………………………………….. 122.2. Ionizarea, electroafinitatea şi electronegativitatea atomilor…………………... 142.3. Legături chimice interatomice………………………………………………… 152.3.1. Legături interatomice principale………………………………………… 152.3.1.1. Legătura heteropolară sau legătura ionică………………………… 152.3.1.2. Legătura homopolară……………………………………………… 162.3.2. Legături interatomice secundare. Legătura Van der Waals……………... 172.4. Forţe şi energii de coeziune internă…………………………………………… 183. Structura şi organizarea stării solide………………………………………………… 203.1. Structura cristalină a metalelor………………………………………………... 203.1.1. Reţele şi structuri cristaline……………………………………………… 203.1.2. Celule elementare. Celule primitive…………………………………….. 213.1.3. Simetria reţelei cristaline………………………………………………... 233.1.4. Structuri metalice tipice…………………………………………………. 243.2. Alotropia metalelor……………………………………………………………. 243.3. Compactitatea reţelei cristaline………………………………………………... 253.4. Puncte, direcţii şi plane cristalografice………………………………………... 263.5. Anizotropia metalelor…………………………………………………………. 303.6. Structura reală a materialelor………………………………………………….. 303.6.1. Defecte punctiforme…………………………………………………….. 313.6.2. Defecte liniare (dislocaţii)………………………………………………. 333.6.2.1. Proprietăţile dislocaţiilor…………………………………………... 363.6.3. Defecte bidimensionale (de suprafaţă)………………………………….. 393.6.3.1. Limitele de grăunţi………………………………………………… 393.6.3.2. Sublimite de grăunţi……………………………………………….. 403.6.3.3. Defecte de împachetare……………………………………………. 413.6.3.4. Limita de maclă…………………………………………………… 414. Termodinamica sistemelor metalice………………………………………………… 424.1. Metalele şi aliajele metalice ca sisteme termodinamice………………………. 424.2. Natura fazelor din aliaje……………………………………………………….. 434.2.1. Componentul pur………………………………………………………... 434.2.2. Soluţii solide…………………………………………………………….. 43

24.2.3. Compuşi chimici………………………………………………………… 454.3. Constituenţi structurali sau metalografici……………………………………... 474.4. Energia interna a sistemelor metalice…………………………………………. 484.5. Entropia sistemelor metalice…………………………………………………... 494.6. Echilibrul termodinamic în sistemele de aliaje metalice……………………… 495. Echilibrul termodinamic al sistemelor de aliaje…………………………………….. 515.1. Noţiuni de bază privind diagramele de echilibru termodinamic………………. 515.2. Legea fazelor…………………………………………………………………... 545.3. Clasificarea diagramelor de echilibru termodinamic a sistemelor de aliaje…... 545.4.Diagrame de echilibru termodinamic ale sistemelor de aliaje binare………….. 565.4.1. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare cu solubilitatetotală a componentelor în stare lichidă şi solidă (a 1 -b 1 )………………….. 565.4.1.1. Regula pârghiei. aplicată la sistemele cu solubilitate totală înstare lichidă şi solidă………………………………………………... 575.4.1.2. Solidificarea aliajelor cu solubilitate totală în condiţii de echilibru. 585.4.2. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare cu solubilitatetotală a componentelor în stare lichidă şi insolubilitate în stare solidă (a 1 -b 3 )… 595.4.2.1. Solidificarea aliajelor cu formare de eutectic……………………... 605.4.2.2. Regula pârghiei aplicată la sistemele cu formare de eutectic……... 615.4.2.3. Diagrame de faze şi de constituenţi……………………………….. 625.4.3. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare cu solubilitatetotală în stare lichidă şi solubilitate parţială în stare solidă (a 1 -b 2 )……….. 635.4.3.1. Diagrame ale sistemelor de aliaje cu solubilitate parţială în staresolidă, cu transformare eutectică…………………………………… 635.4.3.2. Diagrame ale sistemelor de aliaje cu solubilitate parţială acomponentelor în stare solidă şi transformare peritectică………….. 645.4.4. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare cu solubilitatetotală în stare lichidă şi cu formare de compuşi chimici…………………. 665.4.4.1. Diagrame de echilibru ale sistemelor cu compuşi chimici cu topirecongruentă…………………………………………………………... 665.4.4.2. Diagrame de echilibru ale sistemelor cu compuşi chimici cu topireincongruentă………………………………………………………… 685.4.5. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare cu insolubilitate înstare lichidă şi în stare solidă (a 3 -b 3 )……………………………………… 695.4.6. Diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare cu transformărisecundare (în stare solidă)………………………………………………… 695.4.6.1. Diagrame de echilibru ale sistemelor cu transformări secundaredatorate variaţiei cu temperatura a solubilităţii în stare solidă……… 705.4.6.2. Diagrame de echilibru ale sistemelor cu transformări polimorfe…. 715.5. Dependenţa proprietăţilor fizico-mecanice şi tehnologice de formadiagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje binare (legea lui Kurnakov)… 726. Difuzia în metale şi aliaje…………………………………………………………… 756.1. Mecanismele difuziei şi autodifuziei………………………………………….. 756.2. Legile difuziei (legile lui Fick). coeficientul de difuziune……………………. 776.2.1. Prima lege a lui Fick…………………………………………………….. 776.2.2. A doua lege a lui Fick…………………………………………………… 786.3. Difuzia reciprocă………………………………………………………………. 79

36.4. Difuzia negativă……………………………………………………………….. 816.5. Influenţa diferiţilor factori asupra procesului de difuziune…………………… 817. Sisteme de aliaje fier-carbon………………………………………………………… 837.1. Fierul. stări alotropice. Proprietăţi…………………………………………….. 837.2. Diagrama de echilibru termodinamic…………………………………………. 847.2.1. Influenţa carbonului asupra punctelor critice ale fierului……………….. 867.2.2. Faze şi constituenţi în sistemul metastabil Fe-Fe 3 C…………………….. 867.2.3. Tipuri de transformări în sistemul metastabil Fe-Fe 3 C………………….. 887.2.4. Proporţia fazelor şi constituenţilor în aliajele sistemului Fe 3 C………….. 897.3.Formarea structurilor de echilibru în sistemul metastabil Fe-F 3 C……………... 927.3.l. Formarea structurii de echilibru într-un oţel cu 0,01% C………………... 927.3.2. Formarea structurii de echilibru în oţelul hipoeutectoid cu 0,3% C…….. 937.3.3. Formarea structurii de echilibru în oţelul eutectoid cu 0,77%C………… 947.3.4. Formarea structurii de echilibru în oţelul hipereutectoid cu 1,2%C…….. 957.3.5. Formarea structurii de echilibru în fonta albă hipoeutectică cu 3%C…… 967.3.6. Formarea structurii de echilibru în fonta albă eutectică cu 4,3%C……… 977.3.7. Formarea structurii de echilibru în fonta albă hipereutectică cu 5%C….. 977.4. Oţeluri carbon tehnice…………………………………………………………. 987.4.1. Proprietăţile fizico-mecanice ale oţelurilor carbon……………………… 987.4.2. Clasificarea şi standardizarea oţelurilor carbon…………………………. 1017.5. Fonte cenuşii……………………………………………………………………. 1057.5.1.Diagrama de echilibru a sistemului stabil Fe – C grafit . Faze şi constituenţi… 1057.5.2. Formarea fontelor cenuşii………………………………………………… 1067.5.3. Compoziţia chimică a fontelor cenuşii…………………………………. 1087.5.4. Structura fontelor cenuşii……………………………………………….. 1107.5.5. Fontele cenuşii obişnuite pentru turnătorie……………………………... 1157.5.6. Fontele modificate……………………………………………………… 1158. Sisteme de aliaje fier - carbon complexe. oţeluri şi fonte aliate…………………….. 1218.1.Influenţa elementelor de aliere asupra fierului………………………………… 1218.2. Comportarea elementelor de aliere faţă de carbon……………………………. 1238.3. Influenţa elementelor de aliere asupra poziţiei punctelor critice dindiagrama Fe - Fe 3 C……………………………………………………………... 1248.4. Influenţa elementelor de aliere asupra structurii şi proprietăţilor oţelurilor…... 1258.5. Clasificarea şi simbolizarea oţelurilor aliate…………………………………... 1298.5.1. Oţeluri aliate de construcţii……………………………………………… 1298.5.2. Oţeluri aliate pentru scule……………………………………………….. 1319. Materiale metalice neferoase tehnice………………………………………………... 1339.1. Cuprul şi aliajele de cupru…………………………………………………….. 1339.1.1. Aliaje cupru-zinc (alame)……………………………………………….. 1349.1.2. Aliaje cupru-staniu (bronzuri)…………………………………………... 1379.2. Aluminiul şi aliajele de aluminiu……………………………………………… 1429.2.1. Aliaje de aluminiu deformabile…………………………………………. 1439.2.1.1. Aliaje binare Al-Cu………………………………………………... 1449.2.1.2. Aliaje binare Al-Zn………………………………………………... 1449.2.1.3. Aliaje binare Al-Mg……………………………………………….. 1449.2.1.4. Aliaje de aluminiu complexe durificabile prin tratamente termice.. 1469.2.2. Aliaje de aluminiu pentru turnare……………………………………….. 146

49.3. Magneziul şi aliajele magneziului…………………………………………….. 1489.3.1. Aliaje Mg-Al…………………………………………………………….. 1489.3.2. Aliajele Mg-Zn………………………………………………………….. 1499.4. Aliaje antifricţiune…………………………………………………………….. 1509.5. Nichelul şi aliajele sale………………………………………………………... 1529.5.1. Aliaje Ni-Mn…………………………………………………………….. 1529.5.2. Aliaje Ni-Fe……………………………………………………………... 1539.5.3. Aliaje Ni-Cr……………………………………………………………... 1539.6. Vanadiul şi aliajele de vanadiu………………………………………………... 1549.7. Aliaje dure……………………………………………………………………... 1549.7.1. Aliaje dure turnate………………………………………………………. 1549.7.2. Aliaje dure sinterizate…………………………………………………… 15410. Metode specifice de investigare a stării metalice………………………………….. 15610.1. Analize macrostructurale…………………………………………………….. 15610.2. Analize microstructurale……………………………………………………... 15610.3. Metode de cercetare a microstructurii fără microscop……………………….. 15710.3.1. Cercetarea metalografică cu ajutorul sondei electronice………………. 15710.3.2. Analiza röentgenostructurală…………………………………………... 15710.3.2.1. Legea Wulff–Bragg. Determinarea constantei (parametrului)reţelei cristaline…………………………………………………….. 15710.3.2.2. Metoda Laue……………………………………………………... 15910.3.2.3. Metoda Debye – Scherrer………………………………………... 15911. Comportarea materialelor metalice în serviciu…………………………………….. 16111.1 Ruperea materialelor cristaline………………………………………………... 16111.1.1. Ruperea la solicitări statice……………………………………………… 16111.1.2. Tranziţia ductil-fragil……………………………………………………. 16211.1.3. Ruperea la oboseală……………………………………………………... 16411.2. Uzura mecanică………………………………………………………………. 16511.2.1. Uzarea prin adeziune……………………………………………………. 16611.2.2. Uzarea abrazivă…………………………………………………………. 16711.2.3. Uzarea prin oboseală…………………………………………………….. 16811.2.4. Uzarea prin cavitaţie…………………………………………………….. 16811.3. Coroziunea materialelor metalice……………………………………………. 16911.3.1. Coroziunea prin dizolvare……………………………………………….. 17011.3.2. Coroziunea uscată (oxidarea)……………………………………………. 17011.3.3. Coroziunea electrochimică……………………………………………… 171Bibliografie…………………………………………………………………………….. 177