Transformări de Fază în Sisteme Binare

INTRODUCERE

1.Materiale - noţiuni generale

Progresul omenirii a fost posibil în decursul miilor de ani datorită apariţiei de noi materiale şi a dezvoltării tehnologiilor de obţinere a acestora ţinînd cont de faptul că, toate domeniile activităţii umane sunt indisolubil legate de materiale. Alături de metale şi aliaje, au apărut noi materiale precum polimerii, ceramicele, materialele compozite.

Materialele sunt substantele care influenţează nivelul de dezvoltare al unei societăţi prin diferitele obiecte necesare omului obţinute prin procesarea acestora.

Utilizarea materialelor depinde de o serie de factori cum ar fi - resurse, calitate, dezvoltare tehnologică, cercetare, preţ de cost, prelucrabilitate şi compatibilitatea acestora cu mediul înconjurător. Plecînd de la cunoaşterea empirică a materialelor şi continuînd cu experienţa acumulată de-a lungul miilor de ani concretizată în inventivitate tehnologică şi progrese teoretice continui s-a impus cu necesitate o abordare unificată şi fundamentală a descrierii comportării materialelor în cadrul domeniului ştiinţei şi ingineriei materialelor.

Ştiinţa şi ingineria materialelor are ca obiect studiul proprietăţilor materialelor, prelucrarea şi utilizarea raţională a acestora.

Dezvoltarea cunoştinţelor despre materiale sunt indisolubil legate de progresele din domeniile ştiinţelor fundamentale şi inginereşti precum - chimia, fizica, cristalografia, mecanica, rezistenţa materialelor, electrotehnica, coroziunea,etc.

Proprietăţile fizice şi chimice ale materialelor depind de natura legăturilor chimice dintre particulele constitutive, de geometria aşezării acestora, de natura, proporţia şi distribuţia elementelor de aliere, de cantitatea şi modul de asociere a fazelor, de mărimea, forma şi distributia constituentilor structurali, etc. Se poate aprecia astfel că, pentru alegerea şi utilizarea unui material, se impune cunoaşterea legăturii dintre fenomenele care au loc în material la scara submicroscopică şi microscopică, în corelaţie cu proprietăţile macroscopice specifice.

În funcţie de mijloacele de investigare folosite, se poate evidenţia:

- structura reticulară, care prezintă aranjamentul atomic, observabil prin difracţie cu radiaţii X.

- microstructura, care descrie mărimea, forma şi distribuţia grăunţilor şi particulelor constitutive observabile prin microscopie optică sau electronică;

- macrostructura, care indică alcătuirea materialului, rezultată prin observarea cu ochiul liber sau cu lupe ce măresc pînă la 50x;

1.1. Clase de materiale

Domeniul mare al materialelor se poate clasifica, după compoziţie chimică, structură şi proprietăţi, în patru mari grupe de materiale:

- materiale metalice (metale şi aliaje);

- polimeri organici;

- materiale ceramice şi carbonice ;

- materiale compozite.

Materialele ceramice şi carbonice precum şi 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 proprietăţi apropiate sau foarte diferite de cele ale materialelor metalice. În cazul în care proprietăţile sunt apropiate dar produsele sunt obţinute cu costuri mai reduse, sunt utilizate ca înlocuitoare ale materialelor metalice. Pentru cazurile în care proprietăţile sunt net diferite, materialele nemetalice devin indispensabile şi au domenii de aplicaţie specifice (produse izolatoare termic şi electric, semiconductoare).

Metalele reprezintă majoritatea elementelor chimice cunoscute în natură şi reprezintă materialele formate din aceeaşi specie de atomi ( Fe, Cu, Zn, Au, Pb, etc). Din cele 109 elemente din tabelul periodic al elementelor, peste 80 sunt metale şi dintre acestea, cele cunoscute ca avînd cea mare mare utilizare în practică sunt fierul, aluminiul şi cuprul.

Aliajele metalice conţin două sau mai multe specii de atomi, metale sau nemetale, elementul principal fiind un metal. Astfel oţelurile şi fontele sunt aliaje Fe-C, alamele, aliajele Cu-Zn, bronzurile aliaje Cu-Sn etc.

În stare de agregare solidă metalele şi aliajele sunt materiale policristaline formate dintr-un număr imens de grăunţi cristalini cu legătura de tip metalic între atomi. Acest tip de legătură interatomică le conferă proprietăţi caracteristice:

- conductibilitate electrică şi termică,

- coeficient termic de rezistivitate pozitiv,

- opacitate la lumina vizibilă şi luciu metalic,

- emisie termoelectronică,

- deformabilitate plastică,

- duritate,

- rigiditate.

2. STRUCTURA CRISTALINĂ A METALELOR

2.1. Generalităţi

Metalele sunt substanţe policristaline, în care atomii sunt distribuiţi ordonat şi periodic după legile simetriei, în structuri cristaline specifice. Toate metalele, cu excepţia mercurului la temperatura ambiantă, sunt corpuri solide.

Analizînd superficial o piesă pare netedă şi uniformă dar în spărtura pieselor metalice, se disting la examinarea cu ochiul liber grăunţi cristalini cu dimensiunin de 0,1 mm, iar la microscopul optic se pot observa grăunţi mai fini de 0,1 µm.

Un grăunte cristalin, reprezintă un agregat de atomi, caracterizat printr-o aranjare periodică în spaţiu a particulelor constitutive conform legilor de simetrie, anizotrop din punctul de vedere al proprietăţilor vectoriale discontinue.

Prin reţea cristalină se înţelege un aranjament geometric regulat şi periodic al punctelor echivalente poziţiilor atomice în spaţiu. în fapt reţeaua cristalină este o abstracţiune geometrică care ne permite ca în schiţele noastre să poziţionăm mai uşor şi mai exact particulele materiale.

Structura cristalină spre deosebire de reţeaua cristalină este o realitate fizică şi reprezintă rezultatul asocierii la fiecare punct al reţelei cristaline a unei baze formate din particule materiale (atomi, ioni). Deci este formată din reţeaua tridimensională + baza de particule (fig.2.1)

3. FAZE ŞI CONSTITUENŢI STRUCTURALI

Grupa materialelor metalice însumează totalitatea metalelor şi aliajelor.

Metalul pur este un material monocomponent. Acest caz nu se întîlneşte în practică niciodată căci în realitate metalele de puritate tehnică conţin mici proporţii din alte specii de atomi denumite impurităţi.

Aliajele sunt materiale metalice alcătuite din doi sau mai mulţi componenţi şi la care componentul principal este un metal. Mulţimea tuturor aliajelor alcătuite din aceeaşi componenţi formează un sistem de aliaje. Un sistem de aliaje este de fapt un sistem fizico - chimic ale cărui stări depind de condiţiile interne (compoziţia chimică, imperfecţiuni structurale), precum şi de cele externe (temperatură, concentraţie, cîmpuri electromagnetice)

Un sistem fizico - chimic poate fi omogen, dacă este caracterizat de aceeaşi compoziţie şi aceleaşi caracteristici în toată masa lui, sau eterogen, dacă este constituit din mai multe părţi (faze).

Fazele sunt acele părţi omogene ale unui sistem avînd caracteristici fizico - chimice şi structurale specifice, delimitate de celelalte faze din sistem prin suprafeţe de separare (interfeţe).