UNIVERSITATEA TEHNIC DIN CLUJ NAPOCA CURS 4 NOIUNI

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA CURS 4 NOŢIUNI DE TERMODINAMICĂ ŞI DE CRISTALIZARE A METALELOR SI ALIAJELOR FACULTATEA DE INGINERIA MATERIALELOR SI A MEDIULUI BODEA MARIUS CURS DE MATERIALE - I

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Etimologic, cuvântul energie vine de la cuvintele din limba greacă“energeia” fiind vorba despre o operaţie, activitate şi “energos” care înseamnă energic, muncitor. D. p. d. v. fizic, ENERGIA înseamnă capacitatea unui sistem termodinamic de a efectua lucru mecanic în unitatea de timp. Prima lege a termodinamicii declară simplu ca ENERGIA SE CONSERVĂ. Suma totală a energiei într-un sistem izolat rămâne constantă (nu poate fi distrusă sau creată). Suma tuturor formelor microscopice de energie într-un sistem este definită ca ENERGIE INTERNĂ. Energia internă depinde de structura moleculară şi de gradul de activitate molecular. Energia termică este suma energiei interne latente (apare în timpul schimbării fazei unui sistem) şi a energiei interne (energia cinetică a moleculelor cum ar fi translaţia moleculară, rotaţie, vibraţie, translaţia electronilor, spinul şi spinul nuclear).

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Energia internă a unui sistem sau a unui corp este totalul energiei cinetice care este rezultatul mişcărilor de translaţie, rotaţie şi vibraţie a moleculelor şi energia potenţială legată de energia electrică şi vibratorie a atomilor din molecule. • • • Energia interna U: Suma tuturor formelor microscopice de energie dintr-un sistem. Entalpia H: Cantitatea de energie sau lucru mecanic necesar pentru a crea un sistem. Entropia S: O măsură a cantităţii de energie care nu este disponibilă pentru a efectua lucru mecanic (dezordinea dintr-un sistem) Energia liberă Gibbs G este un potenţial termodinamic care măsoară lucrul mecanic „folositor” sau care iniţiază un proces, obţinut dintr-un sistem termodinamic, izoterm, izobar. La solide şi lichide variaţia de volum este foarte mică, prin urmare termenul p V 0. Sistemul termodinamic converge natural catre o stare de echilibru, F=U – TS minim

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Topirea: Trecerea corpurilor de la stare solidă la stare lichidă (de obicei prin încălzire). Se absoarbe căldura latentă de topire Cristalizarea: Formarea structurii cristaline. Solidificarea materialelor cristaline este determinată de sensul scăderii energiei libere in sistem. Variatia energiei libere la solidificare Când ΔF e suficientă – solidificare → solidificarea se produce nu la T 0 ci la o temperatură inferioară (subrăcire).

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Germeni cristalini = particule solide de mici dimensiuni de unde începe procesul de cristalizare Germeni: • omogeni grupuri de atomi de aceeasi natură cu topitura, • eterogeni particule solide de altă natură (în general ceramică) În procesul de cristalizare se creează o interfaţă între mediul lichid-solid. Acestei suprafeţe de separaţie este asociată o energie liberă. Cu cât creşte cantitativ faza solidă, cu atât creşte proporţional energia liberă asociată suprafeţei de separaţie.

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Procesul cristalizarii are loc in 2 etape: I. Germinarea (formarea germenilor cristalini. Germinare omogena/eterogena) II. Cresterea germenilor cristalini. Prin creşterea germenilor viabili se formează agregatul policristalin – microstructura Raza critică r* reprezintă mărimea minimă a cristalului ce se formează prin gruparea unor atomi în faza lichidă, înainte ca particulele solide formate să crească.

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Germeni cristalini particule solide de mici dimensiuni de unde incepe procesul de cristalizare Prin creşterea germenilor viabili se formează agregatul policristalin – microstructura. De obicei creşterea este dendritică Omogeni: grupuri de atomi de aceeaşi natură cu topitura Eterogeni: particule solide de altă natură (in general ceramică) Germinarea eterogenă este mult mai probabilă decât cea omogenă Sectiune in dendrita

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Histerezis termic dintre curba de racire si cea de incalzire a unui metal pur Curba de răcire a unui corp (fară transformări de fază ) - exponenţială Curba de răcire a unui metal pur

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Puncte critice = temperaturi la care au loc transformări în stare solidă (transformari alotropice) Unele elemente metalice dar şi unele nemetalice, prezintă mai multe tipuri de reţele cristaline. Însuşirile unor elemente de a prezenta reţele cristaline diferite, în diferite intervale de temperatură, poartă denumirea de polimorfism, iar stările respective se numesc stări alotropice.

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Distribuţia temperaturilor în vecinătatea lingotierei şi în metalul turnat Solidificare columnar dendritică Solidificare echiaxial non-dendritică

MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Elaborarea aliajelor : obţinerea compoziţiei chimice dorite (de obicei în stare topită) Dupa elaborare, aliajele se toarnă in lingotieră → LINGOU 1 – zona graunţilor marginali: răcire foarte rapidă (exterior) structura fină, echiaxială 2 – zona cristalitelor columnare: gradient de temperatură interior (temperatura mare) → exterior (temperatura mai mică) cristalite grosolane, alungite 3 – zona cristalitelor centrale viteza foarte mică de răcire, temperatura relativ uniformă cristalite echiaxiale, grosolane

MATERIALE I DEFECTELE LINGOULUI RETASURA gol rezultat prin contracţia de solidificare • superioara în maselota (defect de principiu) • centrală (defect accidental) • dispersată (defect accidental) SEGREGAŢIA neomogenitate chimică • macroscopică (la nivelul lingoului) • microscopică (in interiorul grauntilor cristalini) • segregaţia zonară superioară • segregaţia zonară inferioară INCLUZIUNILE NEMETALICE particule ceramice exo / endogene • incluziuni macroscopice • incluziuni microscopice • sufluri = incluziuni de gaze ZONE DE MINIMĂ REZISTENŢĂ zone de intâlnire a cristalitelor columnare de pe laturi adiacente Maselota = retasura (superioară) + segregaţia superioară (20 -25%)

DEFECTELE LINGOULUI

DEFECTELE LINGOULUI Aspectul dirijat de creştere columnară a grăunţilor cristalini, într-un lingou turnat de cupru. Direcţia radială de creştere este orientată după gradientul termic, zona marginală prezintă grăunţi fini (viteză mare de răcire), în interior avem condiţii de răcire mai lentă, grăunţii au timp suficient pentru a creşte în dimensiuni.

METODE DE ÎMBUNĂTĂŢIRE A PERFORMANŢELOR MATERIALELOR METALICE

Oţeluri de granulaţie fină laminate termomecanic Exemplu de procesare controlată a materialelor care conduce la obţinerea unor caracteristici de rezistenţă mecanică şi de procesare avansată a acestora. Proprietăţile de rezistenţă şi de procesare prin diverse tehnologii de fabricaţie depind ESENŢIAL de caracteristicile microstructurale materialelor. Finisarea granulaţiei conduce la proprietăţi superioare.

MATERIALE I PRINCIPIU DE LUCRU A UNEI INSTALAŢII DE TURNARE CONTINUĂ

MATERIALE I

MATERIALE I EXEMPLU DE MATERIALE UTILIZATE ÎN INDUSTRIA AUTOMOTIVĂ

MATERIALE I