Metale

1 Caracteristici structurale ale metalelor

1.1 Structura metalelor

Metalele sunt solide policristaline cu microstructură grăunţoasă; microcristalele sunt formate din reţele spaţiale de ioni pozitivi şi un nor de electroni, care oscilează printre planurile reticulare.

Majoritatea metalelor principale au reţele spaţiale cubice şi hexagonale.

Din 16 metale folosite în construcţii 12 cristalizează în sistem cubic şi 4 în cel hexagonal.

În sistem cubic metalele pot avea:

- structură de cub centrat sau cu volum centrat;

- structură de cub cu feţe centrate.

În sistem hexagonal, structura cea mai compactă este dată de prisma dreaptă cu baza hexagon, în fiecare colţ al prismei în centrul bazelor găsindu-se câte un ion.

Trecerea unui metal din stare topită în stare solidă se face prin cristalizare. Formarea reţelei cristaline începe să se producă la o temperatură proprie fiecărui metal; în mod practic, pentru producerea cristalizării este necesară o subrăcire.

1.2. Formele alotropice ale fierului

Transformările alotropice au loc la temperaturile de 1390°C, când din o structură cristalină cubic centrat se ajunge la o structură în reţele cubice cu feţe centrate şi apoi din nou sub 906°C, în sistemul cubic centrat.

La temperatura de 760°C fierul mai suferă o transformare însă nu de natură cristalină, ci magnetică.

La temperatură normală fierul α are proprietăţi magnetice care dispar la temperatura de 768°C (temperatura de transformare magnetică).

Fierul γ este important pentru faptul că are capacitate mare de a se alia cu alte elemente.

2.Aliaje

Aliajele metalice rezultă din topirea împreună a mai multor elemente sau prin introducerea în topitura unui metal a unor elemente de aliere, la solidificarea acestor topituri obţinându-se aliajele.

Aliajele soluţie solidă sunt formate dintr-un singur fel de microcristale, omogenitatea sistemului păstrându-se şi în stare solidă.

Soluţiile solide se formează în două feluri:

- soluţia solidă de substituţie, caracterizată prin în locuirea ionilor din reţeaua cristalină a componentului de bază cu ioni ai altor elemente;

- soluţia solidă de pătrundere (de interstiţie), caracterizată prin faptul că ionii străini ai elementelor care se dizolvă pătrund în golurile reţelei cristaline ale elementului de bază.

Aliajele de amestec sunt formate din cel puţin două feluri de cristale reprezentând sisteme neomogene.

2.1 Aliajele fier-carbon

Fierul dă cu carbonul o combinaţie chimică, o soluţie solidă şi aliaje de amestec.

Diagrama de echilibru a sistemului fier-carbon, răcirea făcându-se repede

Compusul chimic dat de fier şi carbon este Fe3C numit carbură de fier sau cementită cu un conţinut de 6.67% C se formează numai prin încălzire la temperaturi mai mari de 1145°C, iar prin răcire bruscă rămâne stabilă şi la temperatura normală; cementita este foarte dură, rezistentă la uzură, dar fragilă şi cu densitate mai mică decât ferita.

Soluţia solidă de carbon în γ ferită se numeşte austenită şi conţine maxim 1.7% carbon. Este stabilă numai la temperaturi mai mari de 723°C care este temperatura formării eutectoidului. La răcire austenita se descompune în α ferită şi cementită sau în amestecul eutectoid al acestor două substanţe. Poate fi stabilă şi la temperatură normală, dar numai prin aliere cu mangan sau nichel.

Eutecticul sistemului ferită-cementită se numeşte ledeburită. (Eutectic = punctul la care ambele metale cristalizează împreună la o temperatură anume şi cu o compoziţie constantă la fel ca substanţa pură). Are structură lamelară cu lamele alternative din austerită şi cementită.

Eutectoidul sistemului ferită-cementită se numeşte perlită. (Eutectoid = punctul în care cele două metale, care formau soluţia solidă, cristalizează împreună ca o substanţă pură). Are structură lamelară αFe şi cementită, dar mult mai fină. Poate însă avea şi o structură globulară.

Eutectoidul se deosebeşte de eutectic prin faptul că se formează din soluţia solidă şi are o structură mult mai fină.

Aspectul aliajelor ferită-cementită