UNIVERSITATEA TEHNICÄ‚ DIN CLUJ NAPOCA

1. UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA FACULTATEA DE INGINERIA MATERIALELOR SI A MEDIULUI BODEA MARIUS CURS DE MATERIALE - I CURS 4 CRISTALIZAREA METALELOR Diagrame de echilibru

2. MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Topirea:Trecerea corpurilor de la stare solidă la stare lichidă (de obicei prin încălzire). Se absoarbecăldura latentă de topire Cristalizarea: Formarea structurii cristaline. Solidificarea materialelor cristaline. Determinată de sensul scăderii energiei libere in sistem. Variatia energiei libere la solidificare Când ΔF e suficientă – solidificare → solidificarease produce nu la T0 ci la T1

3. MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Prin creşterea germenilor viabili se formează agregatul policristalin – microstructura. De obicei creşterea este dendritică Germeni cristalini particule solide de mici dimensiuni de unde incepe procesul de cristalizare 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

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

5. MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Puncte critice = temperaturi la care au loc transformări în stare solidă (transformari alotropice)

6. MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Construcţia diagramelor binare de echilibru Reprezentări grafice în coordonate temperatură - concentraţie (0 – 100%) pentru sistemele de aliaje. Furnizează informatii despre: domeniile de existenţă a fazelor; temperaturile la care se produc transformări; structura aliajelor la diferite temperaturi.

7. MATERIALE I CRISTALIZAREA METALELOR Compozitia aliajului Fractia fazei lichide

8. 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

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

10. MATERIALE I CRISTALIZAREA LINGOULUI - SIMULARE • A simulated solidification sequence and macrosegregation formation (Fe-0.34 wt.% C) • Volume fraction of columnar dendrite trunks fc scaled from 0 (red) to 1 (blue), and the liquid velocity μm, • mix concentration cmix scaled from 0.28 wt.% (blue) to 0.4 wt.% (red) • liquid concentration cl scaled from 0.34 wt.% (blue) to 4.3 wt.% (red) • solid concentration cs scaled from 0.0984 wt.% (blue) to 0.38 wt.% (red)

11. MATERIALE I DEFECTELE LINGOULUI • RETASURA • gol rezultat prin contracţia de solidificare • superioara în maselota (defect de principiu) • centrală(defect accidental) • dispersată(defect accidental) Maselota = retasura (superioară) + segregaţia superioară (20-25%) • 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

12. MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR METAL ALIAJELE METAL = + sau METALOID Amestecuri prin difuzie Elementele care formează aliajul se numesc componenţi Constituienţii în aliaje omogeni eterogeni Amestecuri mecanice de faze Metale pure Soluţii solide Compuşi chimici

13. MATERIALE I TEORIA ALIAJELOR Component Soluţii solide de substituţie Soluţii solide de pătrundere A B Fe dizolva 0,0218 %C Carbonul se plasează la limitele grăunţilor şi în zona defectelor reticulare

14. MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC Diagrama cu insolubilitate totala in stare solida si formare de eutectic EUTECTICUL constituient structural eterogen (amestec mecanic de 2 sau mai multe faze) rezultat din descompunerea unei soluţii lichide la temperatură constantă 100 % Aliber AE 0

15. MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC LEDEBURITA = la temperatura ambiantă este formată din perlită şi cementită (cementita liberă este cca. 60%). Perlita apare sub formă de insule de culoare închisă pe fond de cementită (culoare deschisă).

16. MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC Insolubilitate în stare solidă Solubilitate limitată în stare solidă A LICHID LICHID A A şi B formează soluţii solide (a şi b) pe un interval limitat de concentraţii A şi B nu formează soluţii solide B B Temperatura Temperatura L+A L+B L+a L+b E E A+E B+E a a+E b+E b 0 100% B 0 100% B 100 % 100 % Aliber a b aliber AE aE E = A + B E = a + b 0 0

17. A MATERIALE I B LICHID Temperatura L+a L+b E C D a b a+ b’’+E b+a’’+E a+ b’’ b+a’’ g 0 f b’’ a’’ 100 % a b a E 0 DIAGRAME CU EUTECTIC Solubilitate limitată şi variabilă • solubilitatea componenţilor variază cu temperatura • la răcire solubilitatea scade având loc cristalizări secundare • intersecţiile izotermelor cu liniile Cf şi Dg indică pentru fiecare temperatură compoziţia fazelor a şi b • La formare eutecticul este compus din E = aC + bD • Datorită variaţiei solubilităţii în stare solidă au loc transformări – se produce o separare de b” din a, respectiv de a” din b.

18. MATERIALE I DIAGRAME CU EUTECTIC solubilitate limitată şi variabilă

19. MATERIALE I DIAGRAME CU PERITECTIC formarea unei solutii solide beta (P) aD+Lc—>bP Prin reacţie peritectică între o soluţie solidă saturată aD şi o soluţie lichidă Lc se formează o altă soluţie solidă saturată bP.

20. MATERIALE I DIAGRAME CU PERITECTIC formarea unui compus chimic AmBn • compusul chimic nu se topeşte la temperatura constantă ci se descompune într-o fază lichidă şi una solidă • la temperatură constantă are loc reacţia peritectică Lc+BAmBn • obţinându-se o fază nouă intermediară ca şi compoziţie (AmBn) Peritecticul este o fază care rezultă din reacţia dintre o fază lichidă şi o fază solidă la temperatura constantă.

21. MATERIALE I DIAGRAME CU FORMARE DE COMPUSI CHIMICI Topire congruenta (la temperatura constanta) Diagrame cu solubilitate limitată cu formare de soluţii solide pe bază de compuşi chimici Diagrame cu insolubilitate totală cu formare de compuşi chimici intermetalici

22. MATERIALE I DIAGRAME CU FORMARE DE EUTECTOID DIAGRAME CU FORMARE DE PERITECTOID Eutectoidul este un amestec mecanic de 2 faze obţinut prin descompunerea unei soluţii solide la temperatură constantă Peritectoidul este o reacţie de compunere între 2 faze solide, rezultând o fază nouă de compoziţie intermediară

23. MATERIALE I DIAGRAMĂ CUMULATIVĂ A TIPURILOR DE TRANSFORMĂRI

24. MATERIALE I DIAGRAME TERNARE