Transformări structurale a materialelor

NOȚIUNI INTRODUCTIVE IN DOMENIUL

MATERIALELOR

Progresul omenirii a fost posibil în decursul miilor de ani datorită

apariției de noi materiale și a dezvoltării tehnologiilor de obținere a

acestora ținând cont de faptul că, toate domeniile activității umane sunt

indisolubil legate de materiale. Alături de metale și aliaje, au apărut noi

materiale precum polimerii, ceramicele, materialele compozite.

Materialele sunt substanțele care influențează nivelul de

dezvoltare al unei societăți prin diferitele obiecte necesare omului

obținute prin procesarea acestora.

Utilizarea materialelor depinde de o serie de factori cum ar fi -

resurse, calitate, dezvoltare tehnologică, cercetare, preț de cost,

prelucrabilitate și compatibilitatea acestora cu mediul înconjurător.

Plecând de la cunoașterea empirică a materialelor și continuând cu

experiența acumulată de-a lungul miilor de ani concretizată în

inventivitate tehnologică și progrese teoretice continui s-a impus cu

necesitate o abordare unificată și fundamentală a descrierii comportării

materialelor în cadrul domeniului științei și ingineriei materialelor.

Știința și ingineria materialelor are ca obiect studiul

proprietăților materialelor, prelucrarea și utilizarea rațională a

acestora.

Dezvoltarea cunoștințelor despre materiale sunt indisolubil legate

de progresele din domeniile științelor fundamentale și inginerești precum

- chimia, fizica, cristalografia, mecanica, rezistența materialelor,

electrotehnica, coroziunea,etc.

Proprietățile fizice și chimice ale materialelor depind de natura

legăturilor chimice dintre particulele constitutive, de geometria așezării

acestora, de natura, proporția și distribuția elementelor de aliere, de

cantitatea și modul de asociere a fazelor, de mărimea, forma și distributia

constituentilor structurali, etc. Se poate aprecia astfel că, pentru alegerea

și utilizarea unui material, se impune cunoașterea legăturii dintre

fenomenele care au loc în material la scara submicroscopică și

microscopică, în corelație cu proprietățile macroscopice specifice.

În funcție de mijloacele de investigare folosite, se poate evidenția:

structura reticulară, care prezintă aranjamentul atomic,

observabil prin difracție cu radiații X.

microstructura, care descrie mărimea, forma și distribuția

grăunților și particulelor constitutive observabile prin

microscopie optică sau electronică;

macrostructura, care indică alcătuirea materialului, rezultată

prin observarea cu ochiul liber sau cu lupe ce măresc până la

50x;

Prin analiză microstructurală se evidențiază spre exemplu pentru

un anumit material metalic mărimea, forma și distribuția grăunților

cristalini (a grupărilor de atomi) care îl alcătuiesc, fiind cunoscuți drept

constituenți structurali. Noțiunea de constituenți structurali se referă la

acele părți ale materialelor cu aspect specific la microscopul optic și care

sunt caracterizate de o anume compoziție chimică, cantitate relativă,

aranjament atomic, morfologie, mărime și mod de distribuție. Plecand de

la toate aceste considerente se poate aprecia că, prin modificarea

controlată a microstructurii apare posibilitatea obținerii unei game largi de

proprietăți pentru același material.

Pentru a sugera aceaste multiple posibilități de modificare a

proprietăților, se exemplifică cazul rezistenței de rupere la tracțiune a

fierului și a unor aliaje (oțeluri ) pe bază de fier:

monocristal de fier - material obținut în condiții speciale

numai în laborator, alcătuit dintr-un singur grăunte cristalin de

fier pur (whisckers) aproape fără defecte structurale -

13000N/mm2;

fier tehnic pur - material policristalin, format dintr-un număr

mare de grăunți cristalini cu orientări întâmplătoare, despărțiti

prin limite de grăunte - 300 N/mm2;

oțelul eutectoid recopt - aliaj Fe- C cu 0,77%C prelucrat termic

încât să adopte o stare apropiată de echilibru - 800 N/mm2;

oțelul eutectoid călit - aliaj Fe- C cu 0,77%C prelucrat termic

la o stare în afară de echilibru - 2600 N/mm2;

oțelul eutectoid deformat plastic la rece - aliaj Fe- C cu

0,77%C prelucrat mecanic până la o stare îndepărtată de

echilibru, așa numită stare de ecruisare - 4000 N/mm2.

Ca urmare putem aprecia că știința și ingineria materialelor

stabilește corelația dintre compoziția chimică, aranjarea particulelor

constitutive (atomi, ioni sau molecule), microstructură și proprietățile

macroscopice ale materialelor, precum și a mecanismelor de

modificare a acestor proprietăți pe cale termică, chimică, mecanică,

electromagnetică și radioactivă.

1.1. Clase de materiale

Domeniul mare al materialelor se poate clasifica, după compoziție

chimică, structură și proprietăți, în patru mari grupe de materiale:

materiale metalice (metale și aliaje);

polimeri organici;

materiale ceramice și carbonice ;

materiale compozite.

Materialele ceramice și carbonice precum și materialele polimerice

organice sunt incluse în categoria materialelor nemetalice, la care

formarea structurii nu este bazată pe legătura metalică, ci pe celelalte

tipuri de legături interatomice (covalentă, ionică, de hidrogen, Van der

Waals), ceea ce le conferă proprietăți apropiate sau foarte diferite de cele

ale materialelor metalice. În cazul în care proprietățile sunt apropiate dar

produsele sunt obținute cu costuri mai reduse, sunt utilizate ca

înlocuitoare ale materialelor metalice. Pentru cazurile în care proprietățile

sunt net diferite, materialele nemetalice devin indispensabile și au

domenii de aplicație specifice (produse izolatoare termic și electric,

semiconductoare).

Metalele reprezintă majoritatea elementelor chimice cunoscute în

natură și reprezintă materialele formate din aceeași specie de atomi ( Fe,

Cu, Zn, Au, Pb, etc). Din cele 109 elemente din tabelul periodic al

elementelor, peste 80 sunt metale și dintre acestea, cele cunoscute ca

având cea mare mare utilizare în practică sunt fierul, aluminiul și cuprul.

Aliajele metalice conțin două sau mai multe specii de atomi,

metale sau nemetale, elementul principal fiind un metal. Astfel oțelurile și

fontele sunt aliaje Fe-C, alamele, aliajele Cu-Zn, bronzurile aliaje Cu-Sn

etc.