MICROSCOPUL METALOGRAFIC - CONSTITUENTII METALOGRAFICI

MICROSCOPUL METALOGRAFIC

Introducere

Materialele sunt substantele care influenteaza nivelul de dezvoltare al unei societati prin diferitele obiecte necesare omului obtinute prin procesarea acestora.

Proprietatile fizice si chimice ale materialelor depind de natura legaturilor chimice dintre particulele constitutive, de geometria asezarii acestora, de natura, proportia si distributia elementelor de aliere, de cantitatea si modul de asociere a fazelor, de marimea, forma si distributia constituentilor structurali, etc. Se poate aprecia astfel ca, pentru alegerea si utilizarea unui material, se impune cunoasterea legaturii dintre fenomenele care au loc in material la scara submicroscopica si microscopica, in corelatie cu proprietatile macroscopice specifice.

In functie de mijloacele de investigare folosite, se poate evidentia:

      structura reticulara, care prezinta aranjamentul atomic, observabil prin difractie cu radiatii X.

      microstructura, care descrie marimea, forma si distributia grauntilor si particulelor constitutive observabile prin microscopie optica sau electronica;

      macrostructura, care indica alcatuirea materialului, rezultata prin observarea cu ochiul liber sau cu lupe ce maresc pana la 50x;

Prin analiza microstructurala se evidentiaza spre exemplu pentru un anumit material metalic marimea, forma si distributia grauntilor cristalini (a gruparilor de atomi) care il alcatuiesc, fiind cunoscuti drept constituenti structurali. Notiunea de constituenti structurali se refera la acele parti ale materialelor cu aspect specific la microscopul optic si care sunt caracterizate de o anume compozitie chimica, cantitate relativa, aranjament atomic, morfologie, marime si mod de distributie. Plecand de la toate aceste considerente se poate aprecia ca, prin modificarea controlata a microstructurii apare posibilitatea obtinerii unei game largi de proprietati pentru acelasi material.

Metalele sunt opace, spre deosebire de preparatele biologice care sunt transparente, de aceea microscopul metalografic difera de microscopul biologic prin sistemul de iluminare. Iluminarea prin reflexie a probelor metalografice implica o constructie deosebita a microscopului metalografic comparativ cu cel biologic, unde iluminarea este prin transparenta.

2. Principiul de functionare

In principal, microscopul metalografic este format din sistemul de iluminare, sistemul optic si sistemul mecanic de reglare. Principiul de functionare a microscopului metalografic este indicat in figura 1.

Lumina reflectata de proba metalografica (obiect - o) trece prin obiectiv (Ob), care formeaza o imagine reala marita a obiectului (I_i), numita imagine intermediara. Aceasta imagine intermediara este situata la o distanta L, in functie de planul focal al obiectivului (P).

Distanta L reprezinta lungimea tubului optic. Raportul intre dimensiunile liniare ale imaginii intermediare si obiectului indica scara de marire a obiectivului.

Figura 1 Schema optica a microscopului metalografic

Imaginea intermediara (I_i) este marita din nou de ocular si observata cu ochiul (I_v) sau este prinsa pe film sau placa fotografica (I_r).

2.1. Sistemul optic al microscopului

Sistemul optic este format din obiectivele si ocularele microscopului.

Obiectivul microscopului reprezinta un sistem pozitiv si convergent format dintr-o lentila frontala plan-convexa care da imaginea marita a obiectului si o serie de alte lentile care inlatura defectele unei lentile.

La trecerea luminii prin lentila frontala apar o serie de aberatii printre care cele mai importante sunt: aberatia cromatica si aberatia de sfericitate. Aberatia cromatica apare la trecerea unei raze de lumina alba prin lentila pozitiva datorita fenomenelor de dispersie si refractie egala a razelor cu diverse lungimi de unda formate. Eliminarea aberatiei cromatice se poate face prin folosirea luminii monocromatice, iar micsorarea acestei aberatii prin utilizarea obiectelor acromatice, care sunt corectate pentru partea centrala a spectrului (galben-verde) sau a obiectivelor apocromatice care sunt corectate pentru tot spectrul. Aberatia de sfericitate este determinata de suprapunerea lentilelor care sunt curbe.

La microscoapele metalografice se folosesc trei tipuri de ocupare: oculare tip Huygens (obisnuite); oculare de compensatie; oculare de proiectie.

Ocularele Huygens se folosesc impreuna cu obiectivele acromatice. Sunt compuse din lentila ocular si o serie de lentile de camp separate printr-o diafragma. Imaginea data de aceste oculare este distorsionata, nefiind corectate.

Ocularele de compensatie se folosesc impreuna cu obiectivele apocromatice. Acestea sunt corectate si imaginea data este clara si plana.

Ocularele de proiectie sunt utilizate in fotomicrografie. Lentila lentila oculara, in acest caz, participa la formarea imaginii intermediare, imagine ce este proiectata pe ecran. Aceste oculare sunt corectate dand o imagine clara si plana.

2.2. Puterea de marire, deschiderea numerica (apertura),

puterea de rezolutie (de separare) si adancimea campului

Puterea de marire a sistemului optic este capacitatea de mari de un anumit numar de ori obiectul real luat in studiu. Marirea obiectivului se calculeaza cu relatia:

unde:      L - lungimea optica a tubului microscopului,

F_ob - distanta focala a obiectivului.

Aceasta prima imagine data de obiectiv (imagine intermediara) este din nou marita de ocular. Marirea ocularului se calculeaza cu relatia:

unde:

250 - distanta vederii normale (prin conventie un obiect este observat la marimea 1, cand el este

plasat la 250 mm de ochi),

F_oc - distanta focala a ocularului.

Puterea de marire totala (marirea microscopului se calculeaza cu formula:

Deschiderea numerica (apertura) a obiectivului este capacitatea acestuia de a strange razele de lumina. Cu cat apertura este mai mare, adica cantitatea de lumina care intra in obiectiv este mai mare, cu atat creste mai mult capacitatea obiectivului de a evidentia detaliile.

Puterea de rezolutie d (puterea separatoare), reprezinta distanta minima dintre doua puncte pentru care sistemul optic da imagini distincte. Cu cat d este mai mic (l sa fie minima, A maxima) cu atat sistemul optic are o capacitate mai mare de a reda detaliile obiectului in studiu.

Adancimea campului sau puterea de rezolutie verticala, reprezinta distanta minima dintre doua plane (care delimiteaza un strat minim pe verticala) intre care toate punctele pot fi observate distinct. Adancimea campului este invers proportionala cu apertura si cu puterea de marire. Pentru aceeasi proba, adancimea campului depinde de atacul efectuat.

La un atac puternic sau in cazul constituientilor cu relief puternic, adancimea campului este deci mai mare la marimi mici si mica la marimi mari. Aceasta este cauza pentru care in vederea studierii la marimi mari proba trebuie atacata mai slab ca sa avem imagini clare. Datorita valorilor mici ale adancimii campului este necesara lustruirea probelor la suprafete plane si fara relief. Pentru a mari adancimea campului se poate limita marirea si se poate reduce apertura obiectivului prin folosirea diafragmelor intermediare, dar apertura, cum a rezultat anterior, trebuie sa fie mare pentru a avea putere de rezolutie buna.

2.3. Sisteme de iluminare

Iluminarea obiectului (probei metalografice) poate fi perpendiculara sau oblica.

Iluminarea perpendiculara se realizeaza cu ajutorul unei lentile plane cu fete paralele, montata intre obiect si obiectiv cu o inclinatie de 45. O suprafata plana apare prin iluminare perpendiculara luminoasa, iar o adancitura apare intunecata. De aceea acest sistem de iluminare poarta si numele de iluminare in camp luminos - figura 2a.

Iluminarea oblica - razele de lumina orizontale, reflectate de o oglinda oblica, cad inclinat pe proba. In acest caz suprafata plana (campul) apare intunecat, in timp ce o parte din adancitura apare luminoasa - figura 2b.

Cand inclinarea razelor reflectate de oglinda este puternica astfel incat razele incidente oblice sunt reflectate de proba in afara tubului microscopului, suprafata plana este intunecata, iar adancitura este luminoasa - figura 2c. Acest sistem de iluminare poarta numele de iluminare in camp intunecat. Proba metalografica poate fi asezata, la unele microscoape, pe obiectiv. In acest caz ea trebuie presata in plastelina pentru a avea doua suprafete plane. Sunt microscoape la care proba se aseaza cu suprafata lustruita in jos (proba fiind deci deasupra obiectivului - principiul lui Le Chatelier - microscoape rasturnate). In acest caz este necesara numai o suprafata perfect plana a probei.

Figura 2 Imaginea probei pentru:

a - sistem de iluminare perpendicular;

b - sistem de iluminare oblica;

c - sistem de iluminare in camp intunecat.

3. Metode optice speciale

3.1. Studiul microscopic in camp intunecat

Metoda metalografica in camp intunecat este utilizata pentru evidentierea unor defecte, fisuri in probele metalografice, pentru recunoasterea unor incluziuni nemetalice.

3.2. Studiul microscopic in lumina polarizata

Lumina polarizata este utilizata pentru studiul metalelor ce cristalizeaza in sistemul hexagonal sau pentru studiul fazelor si incluziunilor nemetalice cu caracter puternic anizotrop.

Polarizatorul este asezat langa sursa de lumina deasupra diafragmei de apertura, iar analizorul la ocular sau sub obiectiv.

3.3. Studiul microscopic in contrast de faza

Metoda microscopiei in contrast de faza permite studierea probelor cu contrast slab, respectiv observarea detaliilor corespunzatoare unor mici depresiuni (maxim 500 ). Principiul metodei consta in faptul ca se realizeaza o intarziere de faza corespunzatoare unei fractiuni de lungime de unda a luminii incidente.

3.4. Studiul microscopic in contrast interferential

In acest caz se foloseste o suprafata optic plana drept etalon si fata de aceasta suprafata se masoara relieful probei, prin masurarea fazelor de interferenta realizate prin reflexii multiple intre cele doua suprafete. Se obtine astfel o interferograma a reliefului probei sau constituientului.

MICROSCOPUL METALOGRAFIC MC 2

Microscopul metalografic MC 2 permite studiul in camp luminos, in camp intunecat si in lumina polarizata a probelor metalografice. Este dotat cu masuta inferioara, astfel incat inaltimea slifurilor este limitata; probele trebuie sa prezinta doua fete plane si paralele, in caz contrar se utilizeaza presa de mana prinzandu-se sliful in plastelina pe o placuta metalica. Microscopul permite fotografierea microstructurilor analizate pe film. Marimea maxima a microscopului este de 1000:1.

Schema optica a microscopului MC2 este redata in figura 3.

Figura 3 Schema optica a microscopului metalografic MC 2

Sursa de lumina este un bec incandescent de 300 W si 6V. Filamentul becului (1) se proiecteaza pe o placa mata (2), lentilele condensatoare (3) si oglinzile reflectoare (4) si (5). Oglinda (5) intoarce razele luminoase la 90 in planul diafragmei de apertura (6). In calea razelor sunt plasate: lentila (7), filtrul de culori (8), polarizorul (9) si diafragma de camp intunecat (10) si diafragma de camp (11).

Prin intermediul placii de reflexie (15) razele vor fi indreptate prin obiectivul (14) spre proba metalografica (13). Razele reflectate de suprafata probei trec prin obiectivul (14), placa de reflexie (15), prisma (17) care le deviaza spre ocularul (18).

Figura 4 Aspectul microscopului MC2

Microscopul este dotat cu 5 obiective si 3 oculare tip Huygens pentru studiul in camp vizual.

Pentru studiul in camp intunecat se rabate placa diafragmei de camp intunecat si se deschide diafragma de apertura.

Pentru studiul in lumina polarizata se plaseaza polarizorul pe suportul de la diafragma de apertura, iar analizorul este montat la partea inferioara a ocularului.

Planul de polarizare se modifica prin rotirea polarizorului.

CONSTITUENTII METALOGRAFICI

Constituentii metalografici sunt acele parti constitutive ale materialelor metalice (graunti cristalini) care la analiza microstructurala prezinta aspecte metalografice caracteristice.

Cele trei tipuri de faze prezentate mai sus (metalul pur, solutia solida, compusul intermetalic) pot aparea la microscopul optic sub aspecte diverse, grupate in patru tipuri principale de constituienti structurali, si anume:

metale pure,

solutii solide,

compusi intermetalici,

amestecuri mecanice

Dupa numarul de faze, constituentii structurali ai sistemelor de aliaje binare pot fi:

monofazici: metalul pur, solutia solida, compusul intermetalic;

bifazici: amestecul mecanic.

Constituentii structurali apar la microscop bine diferentiati, iar natura, cantitatea, marimea, forma si modul lor de distributie in structura determina proprietatile aliajului. Constituentii structurali specifici starilor de echilibru ale aliajelor se determina din diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje iar cei specifici starilor in afara de echilibru sunt redati de diagramele TTT izotermice sau la racire continua.

Metalul pur

Metalul pur este un constituent metalografic omogen sub aspect chimic si microscopic cu proprietati specifice:

starea de agregare la temperatura ambianta este cea solida cu structura cristalina, cu exceptia mercurului care este lichid si a galiului care se topeste la 30 C ;

proprietatile fizice: luciu metalic, opacitate, dilatatie termica, magnetism, conductibilitate termica si electrica, temperatura de solidificare, coeficient termic de rezistivitate pozitiv;

proprietatile mecanice: rezistenta la rupere, elesticitate, plasticitate, tenacitate, rezistenta la oboseala, fluaj, duritate si rezistenta la rupere prin soc (rezilienta);

proprietati tehnologice: maleabilitate, ductibilitate, capacitate de turnare, forjabilitate, prelucrabilitate.

Majoritatea metalelor (Fe, Cu, Al, Ni, Pb, Mo, W etc.) cristalizeaza in sistemul cubic, caracterizat printr-un numar mare de plane de mare densitate de atomi si multe sisteme de alunecare si de aceea prezinta plasticitate ridicata dar rezistenta la rupere si duritatea scazute. Aceste proprietati sunt influentate de numerosi factori: continut de impuritati, marime de graunte, grad de deformare, temperatura, etc.

La microscop, metalul pur se prezinta sub forma de graunti alotriomorfi (fara simetrie exterioara) dar la atac metalografic slab sunt puse in evidenta limitele de graunte iar la un atac mai intens, grauntii apar diferit colorati, ca urmare a cantitatii diferite de raze reflectate datorita orientarii lor intamplatoare.

Fierul pur, laminat si recopt, dupa lustruire si atac chimic cu reactivul nital (2-5% acid azotic in alcool etilic), prezinta graunti poligonali in care se pot observa sublimitele (fig. 2.7).

Metalele cu retea cubica cu fete centrate, deformate plastic la rece si recoapte, prezinta in structura graunti cu macle de recoacere. Maclele apar sub forma de benzi cu laturile paralele in grauntele cistalin. La un atac metalografic mai usor se evidentiaza numai limita de macla iar in cazul unui atac mai intens, maclele apar colorate diferit de restul grauntelui. In figura 2.7 se prezinta structura cuprului pur, laminat si recopt, dupa lustruire si atac chimic cu clorura ferica, cu graunti poligonali maclati.

Solutia solida

Solutia solida este un amestec intim la scara atomica a unor componenti solubili in stare solida. Este un constituent structural monofazic, avand reteaua cristalina a metalului solvent.

Solutiile solide dupa mecanismul de formare pot fi:

de substitutie, care se formeaza prin inlocuirea unor atomi din reteaua cristalina a metalului solvent cu atomi ai componentului dizolvat;

interstitiale sau de patrundere, care se formeaza prin patrunderea atomilor dizolvati in interstitiile retelei cristaline a solventului. Solutia solida sub aspectul compozitiei chimice prezinta urmatoarele structuri tipice (fig. 2.8.).

Sub aspectul compozitiei chimice, solutiile solide se clasifica in:

solutie solida neomogena obtinuta dupa turnare (structura bruta), cand grauntii prezinta neomogenitate chimica in volumul lor; segregatia dendritica se formeaza deoarece viteza de racire la turnare este indepartata de echilibru ceea ce franeaza procesele de difuzie necesare pentru omogenizarea chimica;

solutie solida omogena, formata dupa recoacere, ca urmare a omogenizarii chimice, din graunti alotriomorfi,

In cazul in care un material a suferit o prelucrare prin deformare plastica la rece urmata de o prelucrare termica pentru recristalizare se obtine o solutie solida cu macle.

In fig. 2.9 se prezinta aspectul microstructural al otelului inoxidabil 10TiNiCr180, dupa lustruire si atac chimic cu apa regala, evidentiind graunti maclati de austenita (solutie solida interstitiala de carbon si elemente de aliere dizolvate in Fe_g). Solutia solida de austenita are plasticitatea, conductibilitate termica si electrica, mai reduse decat cele ale componentului principal (metalul solvent), dar duritatea si rezistenta mai mari.

Compusul intermetalic

Compusul intermetalic este un constituent structural monofazic, care se formeaza la un raport determinat intre componenti. In general, nu respecta legile valentei chimice. Are retea cristalina proprie, diferita de a componentilor si de cele mai multe ori complexa. Cristalizeaza la temperatura constanta ca si metalul pur.

Compusul intermetalic apare la microscop sub forma de cristale poliedrice idiomorfe (forme regulate), aciculare, globulare sau in retea. Este un constituent dur si rezistent la atacul metalografic cu reactivi obisnuiti si de aceea grauntii cristalini raman necolorati, albi stralucitori, in relief.

Microstructura unui aliaj pentru cuzineti, dupa atac metalografic cu reactivul metalografic nital, evidentiaza in matricea formata din solutia solida prezenta compusilor SnSb sub forma de cristale cu aspecte geometrice si Cu₃Sn cu cristale aciculare (fig. 2.10)

La aliajele Fe-C, cementita primara are aspect acicular (fig. 2.11a), cementita secundara se separa sub forma de retea (fig. 2.11b), iar cementita tertiara are forma globulara, mici insule sau aspect lamelar (fig. 2.11c).

Deoarece compusii intermetalici se caracterizeaza prin duritate si fragilitate pentru a imprima aliajelor in structura carora se gasesc duritate si rezistenta la uzura, fara a-i reduce tenacitatea, acestia trebuie sa fie in cantitate redusa si fin dispersati.

Amestecul mecanic

Amestecul mecanic este un constituent structural, alcatuit din amestecul dispers a doua sau mai multe faze, care pot fi: metale pure, solutii solide, compusi intermetalici.

Amestecul metalic poate fi de natura eutectica cand provine din topitura sau eutectoida cand rezulta dintr-o faza solida. La aliajele Fe-C eutectoidul este perlita (amestec mecanic de ferita si cementita).

Aspectul microstructural al perlitei (fig. 2.12) este lamelar (lamele alternante de ferita si cementita) sau globular (globule de cementita pe fond feritic). Eutecticul fontelor albe se numeste ledeburita si este amestec mecanic de perlita si cementita, cu aspect globular sau dendritic (fig. 2.13).

Proprietatile amestecului mecanic depind de natura, cantitatea si gradul de dispersie al fazelor componente.

Cresterea gradului de dispersie duce la marirea rezistentei, duritatii si scaderea plasticitatii.

Amestecul mecanic eutectic este mai dur si mai fragil decat cel eutectoid. Amestecul mecanic globular este mai plastic si mai putin rezistent decat cel lamelar.

Comparativ cu metalul pur si solutia solida (pe baza de metal pur), amestecul mecanic este mai dur, mai rezistent si mai putin plastic.

ANALIZA MACROSTRUCTURALA

STRUCTURA PIESELOR TURNATE SI A LINGOURILOR

In piesele turnate, in forme de nisip, care in mod obisnuit sunt de dimensiuni mici sau medii intervin cantitati reduse de topitura care se racesc relativ uniform, si trecerea topiturii in stare cristalina se sproduce aproape instantaneu in toata masa piesei, aproximativ la acelasi grad de subracire. Ca urmare, se obtine o structura cu graunti poliedrici echiacsi, neorientati, cu dimensiuni dependente de raportul n_g/v_c, si respectiv de gradul de subracire sau de conditiile de germinare fortata.

In forme din amestec de formare, granulatia pieselor va fi mai mare decat in cazul utilizarii cochilelor metalice; de asemenea in zonele masive - cu pereti grosi, granulatia va fi comparativ mai mare fata de cea din zonele cu pereti subtiri unde schimbul de caldura cu exteriorul este accelerat.

Dar in toate cazurile de piese turnate, in general, cristalizarea este relativ nedirijata si deci proprietatile sunt aproximativ izotrope, fapt important pentru piesele complex solicitate.

La racirea unor mase mari de topitura, cum este cazul lingourilor sau pieselor foarte mari, in conditiile existentei unui gradient de temperatura, structura sa va fi orientata, cristalele avand o morfologie diferita chiar in sectiunea aceleasi piese, corespunzator conditiilor de subracire realizate in diferite zone.

Astfel, structura lingourilor este anizotropa (fig.3.15) fiind caracterizata prin prezenta a trei zone distincte care se formeaza succesiv, si anume :

La contactul topiturii cu peretii reci ai lingotierei, in conditiile unei subraciri mari ( T₁) in momentul t₁ se formeaza un strat de cristale echiaxe fine, prin germinare eterogena. Acest prim strat solidificat constituie zona de crusta sau coaja lingoului, fiind alcatuit din cristale echiaxe fine.

In continuare, in momentul t₂, evacuarea caldurii spre exterior fiind atenuata prin peretii crustei izolatoare, stratul urmator de cristale solidificate se va forma in conditiile unei subraciri mai reduse ( T₂) si a existentei unui important gradient de temperatura intre topitura din miezul lingotierei si crusta exterioara solidificata. Ca urmare, se dezvolta o serie de cristale lungi, orientate aproximativ perpendicular pe peretele lingotierei, constituind asa - numita zona de transcristalizare - de cristale bazaltice sau columnare. Aceasta zona poate ajunge pana in axa lingoului in situatiile speciale de cristalizare cum ar fi cazul unui material foarte pur sau cazul unui lingou subtire (fig. 3.16).

Zona centrala a lingoului se va solidifica ultima cu formarea unor cristale echiaxe mari neorientate, prin germinare eterogena pe impuritatile concentrate in topitura ramasa, usor subracita la T₃, in lipsa unui gradient de temperatura. A 3-a zona apare numai in lingourile cu sectiune mare sau la solidificarea topiturilor tehnice. Aceasta structura primara, anizotropa a lingoului, se distruge la forjare sau laminare, prin 'recristalizare' obtinandu-se piese izotrope cu granulatii fine. Uneori, chiar laminarea realizeaza o anizotropie noua in directia deformarii.

Suprafata de intersectie a doua zone bazaltice (fig. 3.15 a) constituie zone de slaba rezistenta care la deformarea plastica ulterioara determina aparitia fisurilor. Acest defect se poate corecta prin realizarea unor muchii racordate (fig. 3.15 b).

Structura lingoului este determinatǎ de compozitia chimica a topiturii, prezenta impuritatilor, conditiile de turnare si racire (starea suprafetei, forma si marimea lingotierei, temperatura de turnare, agitarea topiturii, etc.).

Dirijarea formei si dimensiunilor cristalelor la solidificare permite dirijarea proprietatilor tehnologice si de exploatare ale produselor turnate. Astfel, se considera defectuoase :

structurile cu granulatii grosolane obtinute mai ales in piesele turnate in forme de nisip, pentru care caracteristicile mecanice dc rezistenta si tenacitate (R_m, KCU) devin mult mai reduse decat in cazul acelorasi materiale sub forma de piese forjate;

structurile cu abateri de la echilibru, insa cu granulatii fine - turnate in cochile - care conduc la aparitia neomogenitatilor chimice sau a constituentilor duri;

zonele de transcristalizare profunde cu cristale bazaltice pronuntate care nu sunt de dorit nici in piesele turnate nici in lingouri deoarece:

         in zonele de intersectie (diagonale la 45) se concentreaza cea mai mare parte de impuritati si sufluri, intrerupand coeziunea dintre cristale;

         in centrul lingoului se concentreaza impuritatile determinand un defect axial concentrat.

La deformarea plastica aceste defecte cedeaza, ducand la aparitia de fisuri intergranulare.

Pentru obtinerea granulatiilor fine si a limitarii zonei de transcristalizare, in vederea unei distributii uniforme a impuritatilor, se poate actiona asupra anumitor factori de turnare - cristalizare - racire precum:

cresterea gradului de subracire

germinare fortata prin introducere de material in stare bifazica - lichid si germeni proprii,

stimularea dinamica a germinarii prin crearea unei instabilitati la suprafata de contact, peretii formei- topitura (agitare mecanica, aplicare de campuri electrice si magnetice, vibratii sonice si ultrasonice),

introducerea unor elemente active de suprafata (tensoactive), care, "absorbindu - se " pe fetele cristalelor in crestere, creeaza "bariere" intre cristal si lichid franand cresterea.

Caracterizarea structurii primare

La solidificarea topiturilor metalice turnate in forme, in urma procesului de cristalizare rezulta structura primara sau structura bruta, de turnare a pieselor sau a lingourilor. Proprietatile de exploatare ale pieselor turnate, respectiv proprietatile tehnologice ale lingourilor - la operatiile de deformare plastica, tratamente termice, aschiere etc., - sunt influentate atat de natura materialelor metalice, cat si de structura primara macro si microscopica obtinuta la solidificare, precum si de defectele conexe solidificarii (porozitati, retasuri, sufluri, etc.), astfel se poate afirma ca, proprietatile produselor finite depind in exploatare de calitatea produselor turnate care au un rol 'ereditar'.

In cele ce urmeaza se vor examina aspectele legate de formarea structurii primare a pieselor si lingourilor turnate din metale, precum si mijloacele practice de influentare ale acesteia in vederea asigurarii proprietatilor prescrise.

Grauntii cristalini care rezulta la solidificare sub forma unor conglomerate cristaline sunt caracterizati de o anumita forma, marime si orientare.

Forma cristalelor obtinute la solidificare.

Grauntii cristalini formati in urma solidificarii prin mecanismele de germinare si crestere in functie de modul de crestere si de forma finala pot fi clasificati fie ca fiind idiomorfi fie alotriomorfi.

Cristalele idiomorfe au forma exterioara in concordanta cu simetria sistemului si se obtin rar in cazul solidificarii metalelor doar a celor foarte pure si in conditii de subracire redusa, deoarece cresterea fetelor de mare densitate atomica este uniforma. Deasemeni se pot forma cristale idiomorfe la cristalizarea primara a unor compusi intermediari. In cazul materialelor policristaline, grauntii individuali au forme neregulate, in functie de conditiile de contact dintre grauntii in crestere. Grauntii cristalini fara simetrie exterioara sunt numiti alotriomorfi.

In mod obisnuit, asa cum s-a precizat, in metalele impure si puternic subracite, cresterea este anizotropa si este influentata atat de :

      viteza de indepartare a caldurii latente de solidificare dinspre cristalele in crestere spre topitura cat si de

      prezenta impuritatilor adsorbite pe suprafetele in crestere,. care franeaza diferentiat dezvoltarea lor.

La solidificarea metalelor in conditii reale de racire, nedirijata si mult indepartata de echilibru, sunt abateri fata de cresterea uniforma, si se dezvolta cu precadere neuniform si nesimultan anumite microvolume denivelate (varfuri, proeminente) ale interfetei lichid/solid, care sunt mai intens racite de curentii de convexie din topitura si care astfel le asigura o viteza mai mare de crestere. Aceste directii de crestere preferentiala corespund din punct de vedere cristalografic directiilor perpendiculare pe un plan de energie minima deci de maxima stabilitate, si vor reprezenta pentru fiecare sistem de cristalizare directii bine determinate. De exemplu, directia <100>, pentru meta-lele care cristalizeaza in sistemul hexagonal. In structura cubica cu fete centrate directiile de crestere preferentiala < 100 > reprezinta axele piramidei formate de planele octaedrice si in figura 4.6 se prezinta modul de crestere pentru un germene de cristal de aluminiu cu fete octaedrice (a) in cazul cresterii uniforme (b) si al cresterii preferentiale in prelungirea colturilor (c si d). In fig.4.7 este reprezentat pentru un germene G, delimitat de opt fete de energie minima (plane de densitate atomica maxima) procesul de crestere pentru un cristal neregulat sub forma ramificata. Directiile de crestere preferentiale, perpendiculare pe aceste plane, corespund axelor xx', yy'si zz', si vor forma axele primare de tip A; acestea prin aport de atomi dinspre topitura vor creste liber inspre lichid pana la apropierea lor de alte cristale vecine, cand, in zona interfetei se acumuleaza o mare cantitate de caldura si ca urmare cresterea lor se opreste. Rezulta in acest fel axele lungi, principale care corespund cu marimea viitorului graunte.

In continuare, pe masura ce procesul de crestere progreseaza, la interfata axa principala/lichid se elibereaza caldura latenta de solidificare ceea ce face sa apara un gradient termic pe directia perpendiculara si denivelarile de pe aceasta interfata vor creste foarte usor formand axele secundare de tip B si, asa mai departe, se vor forma noi axe de ordin superior de tip C, D, E,. pana la umplerea completa a scheletului arborescent. In concluzie la cresterea dendritica se formeaza ramuri primare, secundare, tertiare, etc. (fig.4.7), pana la consumarea intregii cantitati de lichid si inchiderea interstitiilor dintre ramuri.

Cresterea dendritica este intermitenta. Ramurile sunt oprite din crestere de acumularea de caldura latenta de solidificare proprie sau de la cristalele vecine. Dupa evacuarea caldurii, apar din nou conditii favorabile pentru continuarea cristalizarii si cresterea ramurilor se reia. In final, grauntele rezultat poarta denumirea de dendrita de la cuvintul grecesc 'dendron' (arbore).

La intilnirile ramurilor dendritice apartinand fiecarui graunte se formeaza limitele cu caracter neregulat, dantelat, fapt pentru care grauntii sunt denumiti 'alotriomorfi'.

Formarea agregatului de atomi la solidificarea dendritica implica urmatoarele stadii ilustrate de figura 4.8, a, b, c, d

   germinarea (a) ;

   cresterea dendritica (b)

  intersectia ramurilor si autofranarea procesu-lui de crestere (c)

   formarea grauntilor alotriomorfi (d).

Un graunte dendritic are urma-toarele caracteristici (fig. 4.7.):

      axele sunt perpendiculare

      aranjamentul atomic este perfect ordonat corespunzator siste-mului de cristalizare (forma neregulata a limitei de graunte cu aspect dantelat nu contravine caracterului sau cristalin);

compactitate interioara ca urmare a umplerii complete a spatiilor prin ramificatiile de ordin superior, astfel incat la sfirsitul solidificarii din fiecare dendrita se formeaza cristale compacte. Uneori, in spatiul interdendritic / la intersectia a trei dendrite este posibila prezenta unor porozitati formate ca urmare a izolarii acestui microvolum de topitura metalica si necompensarii contractiei la solidificare a acestuia (fig. 4.9) in spatiile interdendritice este posibila aparitia segregatiei impuritati-lor, deci inrautatirea proprieta-tilor mecanice care se accentu-eaza pe masura cresterii dimensiunilor dendritei.

Marimea cristalelor

Marimea cristalelor rezultate la solidificare depinde de conditiile in care se desfasoara procesul de cristalizare.

Parametrii de cristalizare definiti de Tammann sunt:

      n_g - viteza de germinare sau numarul de germeni care apar in topitura in unitatea de timp si de volum[cm^-3min^-1];

      v_c - viteza de crestere liniara - viteza de deplasare a interfetelor cristalelor intr-o anumita directie in unitatea de timp [mmmin^-l].

FENOMENE CONEXE SOLIDIFICARII

Retasura si porii de contractie

Retasura apare ca urmare a contractiei la solidificare datorata diferentei intre volumul specific V_L al topiturii metalice si V_S cel al metalului solidificat (V = V_L - V_S), lingourile si piesele turnate prezinta in mod inerent anumite cavitati, denumite retasuri, plasate in profunzime sau spre suprafata lor. Astfel, contractia la solidificare pentru metale simple variaza de la 2-6,5%, pentru oteluri 2%, iar pentru fontele cenusii 1%). Fac exceptie unele semimetale ca Si, Ge, Sb, Bi, Ga, care la solidificare se dilata.

In functie de marimea si localizarea lor in piesa si in structura se disting:

retasuri majore (macroretasuri);

retasuri minore (microretasuri interdendritice sau intergranulare).

Macroretasurile

Au forme dependente de forma, marimea piesei, conditiile de evacuare a caldurii spre exterior si de alte conditii de turnare.

In lingouri retasurile se pot localiza ca in exemplele ilustrate in figura 3.17, in functie de distributia si succesiunea fronturilor de cristalizare, la exteriorul sau spre interiorul lingoului, putand fi :

deschise,

inchise,

continue sau discontinue,

concentrate sau dispersate.

Au margini dantelate fiind acoperite de dendrite, oxizi si alte impuritati, motiv pentru care nu se sudeaza prin laminare.

Retasura reprezinta un defect iremediabil care trebuie prevenit in practica prin aplicarea unor raciri dirijate, mai intense la baza lingoului decat la suprafata, topitura trebuie mentinuta calda si chiar reincalzita prin utilizarea de amestecuri exoterme sau prin folosirea maselotelor (rezervoare de metal topit in care sa fie dirijata formarea retasurii).

La piesele turnate (fig.3.18), avind in vedere varietatea de forme si dimensiuni posibile, evitarea formarii retasurilor in piesa mai ales in nodurile termice devine o problema a proiectarii tehnologiei formarii si turnarii ce trebuie sa tina cont de :

alegerea sectiunilor piesei,

plasarea alimentatoarelor, maselotelor si racitorilor interiori sau exteriori,

utilizarea materialelor exoterme,

adoptarea temperaturii corecte de turnare etc.

Maselotele mentin metalul lichid un timp prelungit, acoperind necesarul de topitura pentru unele parti ale piesei susceptibile la formare de retasuri, iar racitorii evacueaza surplusul de caldura din partile masive stabilind un oarecare echilibru termic.

Daca viteza de alimentare sau de turnare ar fi egala cu cea de solidificare nu s-ar forma retasuri, dar o astfel de reglare este dificila industrial fiind rezolvata de la caz la caz prin diferite mijloace (turnare linistita, turnare continua etc.).

In figura 3.18 sunt reprezentate schematic aspectele defectelor de tip retasura (deschise si inchise) caracteristice pieselor turnate.

Microretasurile

Dupa cum s-a aratat la cristalizarea dendritica, intre ramurile intrepatrunse ale dendritelor pot aparea microretasuri prin faptul ca lichidul care ramane izolat in aceste cavitati este insuficient sau se contracta mult la solidificare. Aparitia microretasurilor depinde de susceptibilitatca la contractie a metalului, respectiv de desfasurarea in timp a procesului de solidificare si de forma cristalelor care rezulta, si microretasurile sunt localizate in ultimele regiuni solidificate si se pun in evidenta macro si microscopic in suprafetele de rupere.

Microretasurile au un efect negativ asupra caracteristicilor mecanice, de aceea trebuie evitate sau limitate pe cat posibil. Turnarea centrifugala sau sub presiune reduce simtitor aceste porozitati.

Suflurile

Suflurile sunt cavitatile in care raman blocate gazele antrenate sau degajate sub forma moleculara in timpul turnarii sau solidificarii metalelor (CO, H₂, N₂, O₂). Formarea suflurilor depinde de interactiunea dintre metalul lichid si mediul in care se face elaborarea-turnarea-solidificarea Dupa provenienta se clasifica in sufluri exogene sau endogene.

Sufluri exogene sunt gazele antrenate si retinute mecanic in topitura in timpul turnarii, fie din mediul inconjurator (aer), fie din formele de turnare (gaze rezultate din substantele din amestecul de formare - ingredienti, lianti, vopsele etc.). Au aspectul unor cavitati neregulate cu peretii oxidati plasate spre exteriorul piesei. Nu se vor admite nici in piesele turnate si nici in lingouri, fiind nesudabile la laminare (fig. 3.19);

Suflurile endogene reprezinta gazele care se pot dizolva in stare atomica in metalul lichid in cantitati mari, iar la racire si solidificare, prin descresterea brusca a solubilitatii (fig. 3.20), excesul se degajeaza in stare moleculara sub forma de bule de gaze, care tind sa iasa la suprafata, dar pot fi surprinse de frontul de solidificare si raman in materialul solidificat. Deasemeni gaze pot rezulta in urma unor reactii chimice in topitura metalica, fiind denumite gaze de reactie, care, ca si in cazul amintit mai sus, se degaja din topitura si constituie la solidificare suflurile endogene. Acestea au aspectul de cavitati netede regulate, sferice sau eliptice, cu peretii luciosi, intrucat gazele solubile sunt de cele mai multe ori reducatoare sau inerte. Suflurile endogene sunt admise numai in lingourile care se supun unor deformari plastice, cu reduceri mari si ca urmare se sudeaza perfect. Suflurile superficiale deschise se mai numesc pori. Au suprafata oxidata si nu se sudeaza la laminare. La laminarea ulterioara a lingoului, determina suprapuneri de material, care pot constitui amorse de fisura si de aceea in vederea laminarii, suprafata lingourilor trebuie curatata de pori prin polizare.

Segregatiile

Segregatiile sunt neomogenitati chimice, datorate racirii in conditii indepartate de echilibru cand procesele de difuzie sunt franate.

Dupa gradul de expansiune, sunt macrosegregatii (segregatii majore) si microsegregatii (segregatii minore).

Macrosegregatiile se extind la nivelul volumului lingoului. Macrosegregatiile se considera ca fiind pozitive, cand continutul unui element depaseste valoarea medie din masa lingoului sau negative, atunci cand continutul elementului este sub valoarea medie pe lingou. Macrosegregatiile pozitive se localizeaza in general la capul lingoului, cele negative la piciorul acestuia. Dupa localizare, macrosegregatiile pot fi: directe (normale), inverse si gravitationale.

Macrosegregatiile directe sunt pozitionate in ultima zona de solidificare, la axa lingoului. Impuritatile precum Mn, Ni, Cr, S, P in oteluri segrega pozitiv.

Macrosegregatiile inverse concentreaza impuritatile la suprafata lingoului. Se datoreaza deplasarii prin presiune sau capilaritate a lichidului central impurificat, printre grauntii columnari, spre suprafata lingoului. Apar in aliajele de aluminiu si magneziu, care au o contractie mare la solidificare.

Macrosegregatiile gravitationale sunt o forma de segregatie pe verticala si consta in concentrarea dupa densitate a unor componenti la capul sau piciorul lingoului. Pot apare fie datorita diferentei de densitate intre cristalele formate si lichid fie din cauza diferentei de densitate a lichidului, care provoaca convectia lichidului pe verticala. In figura 3.21 se prezinta macrosegregratiile posibile la un lingou din otel masiv

Microsegregatiile se extind la nivelul grauntilor cristalini, pe distante de ordinul a 15-150mm. Pot fi intercristaline, daca neomogenitatile chimice apar intre graunti vecini sau intracristaline, daca apar in interiorul aceluiasi graunte cristalin

Exemplul tipic de segregatie intracristalina il constitue segregatia dendritica (figura3.22), specifica aliajelor cu interval de solidificare mare, cum sunt bronzurile cu staniu. Elementul mai greu fuzibil se va gasi in cantitate mai mare decat concentratia medie a aliajului in axele centrale ale dendritei in timp ce zonele dinspre limita dendritei sunt mai bogate in elementul mai usor fuzibil. Astfel, analiza chimica pe microvolume la microsonda electronica arata ca in cazul bronzurilor cu staniu, Sn este minim la axa dendritei si maxim la suprafata acesteia.

Segregatiile provoaca neomogenitati structurale si de proprietati. Macrosegregatiile odata aparute nu pot fi remediate. De aceea, se evita aparitia lor prin raciri rapide. Microsegregatiile se accentueaza la racire rapida, dar pot fi ulterior diminuate prin tratamentul termic de recoacere de omogenizare.

Suprafetele de rupere

Ruperea se poate produce la socuri sau sarcini progresive.

Dupa modul cum se propaga, ruperea poate fi:

transcristalina (intracristalina) - cand are loc in interiorul cristalului. Suprafata de rupere are aspect cu fatete plane, sau - la materialele rezistente - un aspect grauntos, fibros. Se produce atunci cand T < T_recrist (T_recrist = (0,350,55).T_top).

intercristalina, cand are loc printre cristale, la limitele lor. Ruptura (casura) arata parti concave si convexe, corespunzatoare suprafetelor grauntilor (microvolume concoidale).

Ruperea poate fi ductila (T > T_recrist - fluaj) sau fragila (T < T_recrist).

Ruperea ductila este insotita de deformatie plastica prealabila si are aspect mat fibros (cupa - con) - figura 5a.

Ruperea fragila nu este insotita de deformare plastica si are aspect cristalin stralucitor, grosier figura 5b.

Ruperea la oboseala (figura 5c) are loc atunci cand materialul a suferit eforturi repetate sau alternante, relativ mici dar numeroase. Ruperea la oboseala nu este precedata de deformari plastice vizibile, se produc insa fisuri care amorseaza ruperea. Fisurile apar in locurile cu neomogenitati, segregatii, sufluri, crestaturi. Fisura progreseaza, sectiunea ramane insuficienta pentru a rezista efortului si se va produce astfel ruperea.

Sectiunea de rupere prezinta 3 zone:

a)      amorsa de fisura;

b)      zona de rupere in exploatare (dune de asteptare);

c)      zona de rupere brusca (seamana cu ruperea fragila).