TIINA I INGINERIA MATERIALELORCURS 3 AN I IA

CAP. 3 STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR I ALIAJELORStudiul structurii materialelor metalice este impus de faptul c aceasta determin n mod hotrtor proprietile i modul de comportare a materialelor n exploatare, respectiv domeniile de utilizare ale acestora. Metalele sunt sisteme atomice i nu moleculare, ceea ce explic att proprietile lor caracteristice ct i posibilitatea elaborrii unor aliaje. Acestea de pe urm se obin prin amestecul fizic al atomilor fie prin interstiie, fie prin substituie, adic se pot dizolva reciproc, meninndu-se structura metalic de baz. Aliajele metalice nu sunt combinaii chimice. Proprietile caracteristice ale metalelor se explic prin configuraia electronic a atomilor respectivi. Particularitatea caracteristic a structuriiatomilor metalelor const n existena unui numr mic de electroni pe stratul superior i a unei legturi slabe ntre acetia i nucleu. Deci, pentru studiul teoretic a caracteristicilor metalelor i aliajelor vor trebui cunoscute structura atomic, forele interatomice i aranjamentul atomilor n agregat.

3.1 STRUCTURA ATOMIC A METALELOROrice corp este alctuit din substan, aceasta la rndul ei fiind alctuit din particule. Un complex de particule formeaz un atom, ce se poate considera ca fiind un sistem constituit dintr-un nucleu (alctuit din unul sau mai muli protoni cu sarcina electric pozitiva Z i unul sau mai muli neutroni, particule elementare fr sarcin electric, neutre) de masa M, n jurul cruia graviteaz, pe una sau mai multe orbite circulare sau eliptice, n electroni cu sarcin electric negativ (e = 1,61019 coulombi [C]) i cu masa m mult mai mic dect a nucleului. Atomul este deci alctuit din n+1 particule.Electronii se rotesc pe orbite. Orbita exterioar este cea care determin diametrul atomului, egal cu 1...4 (1 = 10-8 cm), deci spaiul atomului este ocupat numai n infim parte cu particule materiale. Orbitele eliptice se deosebesc ca dimensiuni, excentricitate i orientare. Electronii de pe orbitele mai apropiate de nucleu au cantiti de energie mai mici. Electronii periferici au energie mai mare i sunt legai de nucleu.Orice atom conine un numr de electroni egal cu numrul de protoni, pentru asigurareaechilibrului energetic.

Dimensiunile electronilor, protonilor i neutronilorElementDiametrulMasaElectron10-12 mm9,106 . 10-28 gProton10-13 mm1,6734 . 10-24 gNeutron10-13 mm1,6749 . 10-24 g

ATOMULUnitatea de msur pentru masa atomic este considerat masa atomului de hidrogen, cel mai simplu element chimic , al crui atom conine un singur proton i un singur electron. Atomii al cror nucleu conin i neutroni au o mas atomic proporional mai mare.Diametrele atomilor sunt de cteva milioane de ori mai mari dect ale protonilor. n tabelul 2 sunt prezentate cteva exemple mai reprezentative.Fora centrifug care acioneaz asupra fiecrui electron n micare este echilibrat de fora de atracie a nucleului. Pentru hidrogen fora centrifug a unicului su electron de mas m0 i sarcin electric e, care se rotete pe orbita de raz r n jurul nucleului, este echilibrat de fora de atracie a nucleului e2/r2.

ElementDiametrul atomului [mm]Diametrul atomului []Carbon [C]1.52 . 10-71.52Fier [Fe]2.52 . 10-72.52Cupru [Cu]2.55 . 10-72.55

Orbitele sunt lucrate n straturi electronice, formnd zone de diferite niveluri de energie. n primul strat se gsesc doi electroni, apoi 8, 18, 32, etc.n straturi sunt substraturi compuse din 2, 6, 10, 14 electroni. Orbitele electronilor care alctuiesc un substrat au aceeai form (dimensiune i excentricitate), deosebindu-se numai prin orientare. Numrul stratului se noteaz cu o cifr n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, sau cu litere K, L, M, N, P, Q, n strat fiind 2 n2 electroni.Substratul se noteaz cu o liter: s = 2 electroni, p = 6 electroni, d =10 electroni, f = 14 electroni. Electronii din substratul s au energie mai mic dect cei din substratul p. Fiecare strat este format din n substraturi. Astfel, n primul strat exist numai electroni s, n al doilea 2 electroni s i 6 electroni p i aa mai departe. De exemplu, se noteaz:

- aluminiu (13): 1s2 2s2p6 3s2p1argon (18): 1s2 2s2p6 3s2p6

(Regula lui Klecikovski)FORMAREA ORBITELOR ELECTRONILOR

Repartiia electronilor n atomii primelor 10 elemente din tabloul periodic este prezentat n figura 3.1.a., iar energia electronilor n straturi i substraturi n figura 3.1.b.Fig. 3.1. a) Repartiia electronilor n atomii primelor 10 elemente dintabelul periodic; b) Energia electronilor n straturi i substraturiREPARTIIA ELECTRONILOR

NUMARUL MAXIM DE ELECTRONI DIN STRATURI SI SUBSTRATURI

3.2 STRUCTURA CRISTALIN RETICULARCristalul nu este un ansamblu infinit si regulat, el avnd dimensiuni finite.Existenta unor fee (plane) cristaline intereseaz un strat limita de cteva sute de elemente, fiind neglijabil in raport cu numrul mare de elemente ce alctuiesc cristalul. Pentru uurin convenim c un complex de atomi distribuii periodic sau neperiodic ntr-un spaiu tridimensional reprezint o reea cristalina, care se transforma prin asocierea unui atom fiecrui punct al reelei, intr-o structura cristalina.Punctele unei reele identice avnd acelai numr de vecini se numesc noduri; teoretic ele ar corespunde cu centrii atomilor sugerndu-se posibilitatea unei simetrii de translaie. Exista ns si cvasicristale fr simetrie de translaie care au o structur aperiodic.Convenim c reeaua este definit de o celul elementar,reprezentnd cel mai mic grup de elemente ordonate ce sepot reproduce n spaiu, i definit prin ase mrimi geometrice ca n figura 3.2, reprezentnd:a, b, c - parametrii celulei (distana dintre noduri), , - unghiurile dintre fee.

SISTEME CRISTALINEn spaiu tridimensional exist 14 reele grupate n 7 sisteme corespunztor celor 7 tipuri de celule elementare convenionale ca n tabelul 3.

TIPURI REELE CRISTALINE a. b. c.reea cubic cu volum centrat (C.V.C) Fe, Cr, Mo, V, Nb; reea mai puin compact i deformabil; metalele sunt mai dure, mai puin plastice, cu puine plane de alunecare.reea cubic cu fee centrate (C.FC) Fe, Ni, Co, Cu, Au, Ag, Pt; reea compact i mai uor deformabil; metalele sunt relativ moi, ductile i bune conductoare de cldur i electricitate.reea hexagonal compact (H.C.) Mg, Zn, Cd, Ti etc.; metalele sunt mai puin plastice, ductilitatea este redus datorit numrului redus al planelor de alunecare.

TIPURI REELE CRISTALINE C.F.C. C.V.C. H.C.

LEGTURILE NTRE ATOMILegtura ionic (heteropolar)Legtura covalent (homopolar)Legtura polar (Van der Waals)Legtura metalic

IMPERFECIUNI STRUCTURALE LA METALEDislocaiile reprezint abateri de la forma geometric ideal a reelei metalice (figura a). Ele pot fi de dou tipuri: dislocaii marginale sau dislocaii liniare (figura b) i dislocaii elicoidale sau dislocaii n urub (figura c).Defectele punctiforme sunt de forma vacanelor (a), atomilor interstiiali (b) i impuritilor (atomilor strini) (c).