Metalurgie fizică

Consideraţii generale privind transformările în stare solidă

Criterii de caracterizare a transformărilor în stare solidă

Transformările în stare solida sunt apreciate dupa termodinimica mecanismul, cinetica si morfologia transformării. Termodinamica transformării oferă indicaţii cu privire la condiţiile de stabilitate ale stărilor ini¬ţiale si finale ale sistemului, forţa motrice a transformării, etc. Mecanismul transformării indică modul în care se produc deplasările de atomi individuali cînd sistemul trece din starea iniţială în starea finală. Cinetica transformării oferă indicaţii despre vitezele de transformare şi despre modul cum aceste viteze depind de temperatură, presiune, timpul scurs de la începerea trans¬formării etc. Morfologia transformării oferă indicaţii asupra structurii, la nivel macroscopic şi microscopic, rezultată din transformare.

Forţa motrice a transformărilor în stare solidă

Din punct de vedere termodinamic, starea unui sistem se carac¬terizează prin energia liberă Gibbs, în cazul sistemelor con¬densate putand fi folosită în acest scop şi energia liberă Helmholtz (F). In general, forţa motrice (respectiv ). Dacă, la transformarea în stare solidă, apariţia fazei noi se face cu modificare de volum, pentru acomodarea acestei faze în matrice se cheltuieşte o energie pentru deformarea elastică a reţelei. Ca urmare, energia liberă a fazei finale conţine, în afara termenului de natura pur chimică şi termenul pozitiv de natură mecanică.

Clasificarea termodinamică a transformărilor în stare solidă

Din punct de vedere termodinamic, transformările se împart în transformări de orodinul 1, 2, 3 ... n, o transformare fiind de ordinul n daca la temperatura de transformare derivatele de ordinul 1, 2 ... n-1 ale energiei libere variază continuu, derivatele de ordinul n, discontinuu, iar cele de ordin superior lui n devin infinite. Practic sînt cunoscute numai transformări de ordinul 1 si 2. Dintre transformările de ordinul 1 se menţionează transformările polimorfe, iar dintre transformările de ordinul doi, transformările magnetice. Sînt şi transformări care în timp ce în unele aliaje decurg ca transformări de ordinul întîi, în alte aliaje decurg ca transformări de ordinul doi. Din această grupa fac parte transformările de ordine-dezordine.

Clasificarea transformărilor în stare solida după fluctuaţiile care le produc

In materialele solide, există în mod curent mici abateri locale de la compoziţia şi energia medie, abateri numite fluctuaţii de compoziţie respectiv de energie (termice). Fluctuaţiile joacă un rol foarte mare în iniţierea şi în modul de desfăşurarea transformărilor în stare solidă. Sunt de 2 feluri a)-mofazice; b)-eterofazice. Fluctuaţiile omoîazice determină aranjari atomice rnai putin importante, care sînt extinse însă pe volume foarte mari. Fluctu¬aţiile eterofazice determină rearanjări drastice de atomi, localizate însă în volume foarte mici.

Transformările în stare solidă, produse de fluctuaţiile omofazice se numesc transformări omogene, iar transformările în stare solidă, produse de fluctuaţii eterofazice, transformări eterogene.

Structura interfeţelor fază iniţială/fază finală

La transformările în stare solidă, interfeţele dintre faza nouă şi cea finală pot fi coerente, semicoerente sau incoerente.

Interfetele sînt coerente dacă trecerea de la faza iniţiala la faza nouă se face prin intermediul unui plan comun ambelor faze. In mod obiş¬nuit, distanţele interatomîce si dintre atomii fazei şi atomii fazei situaţi pe planul comun nu sînt egale, motiv pentru care, la interfeţele coe¬rente, reţelele cristaline ale celor două faze sînt deformate elastic. Diferenţa dintre distanţele interatomice şi este caracterizată prin „diferenţa relativă de parametrii de reţea.

Interfetele semicoerente sînt analoage limitelor la unghiuri mici sau sublimitelor, fiind formate din regiuni de completă coerentă, separate prin dis¬locaţii

Interfeţele incoerente reprezintă zone de trecere de la faza iniţială la faza nouă relativ înguste, în care atomii ocupă poziţii intermediare celor pe care ar trebui să le ocupe dacă ei ar aparţine pe rînd fazei iniţiale şi fazei finale. La o astfel de interfaţă deformarea asociată cu formarea unei particule de fază nouă în reţeaua fazei iniţiale, corespunde unei deformări hidrostatice, produsă prin înlocuirea volumului V din faza iniţială cu volumul (1 + ) V din faza finală, unde este pozitiv sau negativ. In prezenţa dilatatiei sau contracţiei , provocată de transformare, reţeaua cristalină a fazei iniţiale se acomodează cu reţeaua cristalină a fazei finale fie prin curgere plastică, dacă faza iniţială şi cea finală sînt plastice, fie prin deformare elastică, dacă faza iniţi¬ală şi cea finală sunt rigide elastic. In primul caz, energia de deformare este neglijabilă, in cel de al doilea, caz mărimea acestei energii depinde de valoarea modulelor de elasticitate şi de forma particulei.

Energia superficială a interfeţelor coe¬rente este cuprinsă între 25 şi 200 erg/cm2, a interfeţelor semicoerente între 200 şi 500 erg/cm2, iar a interfeţelor incoerente, între 500 şi 1000 erg/cm2.

Transformări omogene

Transformările omogene au loc simultan în întreg volumul corpului, fără procese de gerimnare si de crestere. Dintre transformarile omogene fac parte unele transformări de ordine-dezordine şi transformările spinodale.

Distribuţia ordonata a atomilor.

Ordinea îndepărtată

In multe soluţii solide şi faze intermediare, atomii elementului de aliere nu sînt distribuiţi dezordonat în reţeaua componentului de bază, ci ocupă în reţea poziţii bine definite, formînd soluţii solide ordonate, numite şi „suprastructuri", sau „suprareţele". Denumirea de suprafeţele derivă din faptul că reţeaua cristalină a unei soluţii solide ordonate, formată din atomi A şi B, este alcătuită din două subretele care se întrepătrund; prima, care conţine numai atomi A, se numeşte subreţea alfa ( ) iar a doua, care conţine numai atomi B, se numeşte subreţea beta ( ).

Suprastructurile se obţin la temperaturi relativ joase, la temperaturi înalte fiind stabile soluţiile solide dezordonate. Temperatura care separă dome¬niul de stabilitate al soluţiilor solide ordonate de soluţiile solide dezordonate se numeşte „temperatura Curie-Kurnakov". Structura ordonată se obţine la răcirea aliajelor cu viteză mică, răcirea cu viteză mare ducînd, chiar şi sub tem¬peratura C-K, la obţinerea stării dezordonate. Incălzind o soluţie solidă ordonată la temperaturi mai înalte decît temperatura C-K, ca urmare a agitaţiei termice se distruge ordinea de distribuţie a atomilor, rezultînd soluţii solide dezordonate. Trecerea la încălzire, de la starea ordonată la cea dezordonată sau la răcire, de la starea dezordonată la cea ordonată este cunoscută sub numele de „transformare de ordine-dezordine".

Ordinea în distribuţia atomilor, caracteristică suprareţelelor, se întinde pe distanţe foarte mari, motiv pentru care este numită „ordine îndepărtată". sau „ordine pe lungă distanţă".

Curs din cadrul facultatii Stiinta si Ingineria Materialelor.