Știința și Ingineria Materialelor I - Introducere PDF

Summary

Acest document prezintă o introducere în conceptele cheie ale "Știința și Ingineria Materialelor I". Se concentrează pe definiții, clasificare și interacțiuni în solide, oferind o prezentare generală a subiectului.

Full Transcript

**Introducere** Acest document de briefing sintetizează principalele concepte și informații prezentate în materialul didactic \"Știința și Ingineria Materialelor I\", acoperind o gamă largă de subiecte, de la definițiile de bază și clasificarea materialelor, la structura cristalină, defectele de re...

**Introducere** Acest document de briefing sintetizează principalele concepte și informații prezentate în materialul didactic \"Știința și Ingineria Materialelor I\", acoperind o gamă largă de subiecte, de la definițiile de bază și clasificarea materialelor, la structura cristalină, defectele de rețea și structurile specifice ale unor materiale ionice și oxidice. **1. Generalități și Noțiuni Fundamentale** - **Definiția Materialelor:** Materialele sunt definite ca sisteme solide, compuse din agregate de atomi, molecule sau ioni, în care forțele de interacțiune sunt predominante în comparație cu agitația termică. \"Materialele sunt sisteme solide, care se definesc prin agregate de atomi (molecule sau ioni) în care forţele de interacţiune sunt mai importante decât agitaţia termică.\" - **Interacțiuni:** Interacțiunile dintre particule sunt esențiale, modificările straturilor de electroni ducând la formarea legăturilor chimice. - **Clasificarea Materialelor:** Materialele sunt clasificate în funcție de origine (naturale, transformate chimic, sintetice), compoziție (metalice, minerale, organice, compozite) și proprietăți (mecanice, termice, chimice, fizice, optice). - Materiale naturale: roci, lemn, minerale. - Materiale transformate chimic: fibre celulozice, cauciuc natural. - Materiale sintetice: metale, ceramici, sticle, materiale plastice. - **Știința și Ingineria Materialelor:** Această disciplină studiază relația dintre structură, proprietăți, sinteză și performanța materialelor. Aceasta presupune înțelegerea aranjamentului elementelor constitutive la nivel subatomic, atomic, microscopic și macroscopic. - **Proprietățile Materialelor:** Compoziția chimică este un criteriu important pentru previzionarea proprietăților. Impuritățile pot influența semnificativ proprietățile, atât pozitiv cât și negativ. \"Rolul impurităţilor nu trebuie neglijat, modificări nesemnificative de compoziţie putând să: amelioreze sensibil anumite proprietăţi; conducă la comportamente speciale, care nu sunt benefice.\" **2. Interacțiuni în Solide și Electronegativitatea** - **Interacțiuni:** Forțele de atracție și respingere dintre atomi, ioni sau molecule sunt în echilibru la o anumită distanță (r0), unde potențialul de interacțiune este minim. \"Diagrama pune în evidenţă existenţa unei distanţe ro între spaţiile dintre atomi, ioni sau molecule, pentru care valoarea potenţialului de interacţie este minimă şi forţele de respingere şi de atracţie sunt în echilibru.\" - **Energia de Legătură:** Energia de legătură este diferența dintre energia speciilor libere și energia acestora în faza condensată. Aceasta este o proprietate crucială pentru stabilitatea materialului. \"Diferenţa dintre energia sistemului de specii libere şi energia lor în fază condensată se numeşte energie de legătură.\" - **Electronegativitatea:** Reprezintă afinitatea unui element pentru electroni, variind între 0.7 (cesiu) și 4.0 (fluor), conform scării Pauling. \"Afinitatea pentru electroni a elementelor chimice este definită prin electronegativitatea acestora.\" **3. Legături Chimice** - **Tipuri de Legături:Ionice:** Transfer de electroni. - **Covalente:** Punere în comun de electroni. - **Metalice:** Punere în comun de electroni între toți atomii. - **Secundare:** Forțe Van der Waals și punți de hidrogen. - **Rezonanța Legăturilor:** Interacțiunile în solide sunt de multe ori legături de rezonanță între două sau mai multe legături chimice fundamentale. De exemplu, oxizii prezintă interacțiuni ionocovalente, iar carburi au interacțiuni între legături covalente și metalice. \"Interacţiunile între speciile care formează un corp solid sunt legături de rezonanţă între două sau mai multe legături chimice fundamentale.\" - **Influența Legăturilor:** Tipul legăturilor chimice determină diversitatea cristalină și proprietățile materialelor. \"Diferitele tipuri de legături care pot să se stabilească între speciile de atomi, molecule sau ioni care formează un corp solid sunt unul din factorii care determină diversitatea cristalină şi de proprietăţi a materialelor.\" **4. Structura Materialelor** - **Solide Cristaline:** Atomi/ioni/molecule aranjați periodic, cu ordine la mare distanță. \"În solidele cristaline, în vecinătatea imediată a unui atom, a unei molecule sau a unui ion se găsesc întotdeauna entităţi de acelaşi fel.\" - **Solide Amorfe:** Dezordine la mare distanță, dar cu ordine la mică distanță. - **Solide Vitroase:** Obținute prin răcire rapidă, prezintă ordine la mică distanță și dezordine la mare distanță. \"Solidul vitros se obţine prin răcirea rapidă a unei topituri cu o anumită compoziţie.\" - **Diagrama Weyl:** Reprezentarea grafică a aranjamentului particulelor în solide. **5. Cristalografie** - **Cristal:** Un poliedru convex delimitat de suprafețe plane. - **Rețea de Translație:** Aranjament regulat al atomilor/ionilor/moleculelor, caracterizat de vectori de translație. - **Monocristal:** Orientare unică a rețelei în tot cristalul. - **Policristal:** Ansamblu de microcristale orientate aleatoriu. - **Nodurile Rețelei:** Puncte în rețea definite de vectorii de translație. - **Celula Elementară:** Volum minim care, prin repetare, reproduce întregul cristal. - **Indicii Miller:** Grupul de trei cifre care descriu orientarea planelor reticulare. \"Pentru fixarea poziţiei unui plan reticular în raport cu axele cristalografice se folosesc indicii Miller: un grup de trei cifre, invers proporţionale cu distanţele intersectate de plan pe axele de referinţă.\" - **Sisteme Cristaline:** 7 sisteme cristaline de bază. - **Rețele Bravais:** 14 tipuri de rețele cristaline tridimensionale, inclusiv cele 7 sisteme cristaline primitive, dar și centrate. \"În anul 1848 Auguste Bravais a demonstrat că într-un sistem tridimensional există 14 tipuri de reţele, acestea incluzând reţelele primitive prezentate anterior.\" - **Numărul de Coordonare:** Numărul de vecini apropiați ai unui atom. **6. Cristalizarea, Sinterizarea, Vitrificarea** - **Cristalizarea:** Procesul de formare a structurilor cristaline. - **Sinterizarea:** Proces de aglutinare și densificare a unui solid polidispers prin încălzire. \"Sinterizarea -- proces prin care un solid polidispers aglutinează, se consolidează şi se densifică sub influenţa temperaturii, cu sau fără apariţia contracţiei.\" - **Vitrificarea:** Sinterizare în prezența fazei lichide, cu contracție. **7. Textura** - **Definiție:** Modalitatea de dispunere a fazelor în corpul solid, influențată de procesare. - **Evaluarea Texturii:** Se face prin natura fazelor, forma cristalelor, mărimea cristalelor, porozitate și densitatea relativă. \"Textura definitivă poate fi evaluată, apreciată cantitativ, prin: Natura fazelor alcătuitoare, Forma cristalelor, Mărimea cristalelor, Porozitatea\" - **Porozitatea:** Reprezintă o discontinuitate în material, cu rezistență mecanică zero, și poate fi deschisă, închisă sau \"înfundață\", și intergranulară sau intragranulară. - **Densitatea Relativă:** Raportul dintre densitatea aparentă și cea teoretică a materialului, indicând gradul de densificare. \"Densitatea relativă, definită ca raportul dintre densitatea aparentă a corpului solid şi cea teoretică a fazelor din care este acesta alcătuit, exprimă gradul de densificare.\" **8. Defecte în Cristale** - **Definiție:** Abateri de la aranjamentul perfect al particulelor în rețea. \"Defecte = abateri de la un aranjament perfect al particulelor în nodurile reţelei.\" - **Tipuri de Defecte:Punctuale:** Vacanțe, autointerstițiale, atomi străini (în interstiții sau substituție), defecte Frenkel și Schottky. - **Liniare:** Dislocații marginale și elicoidale. - **De Suprafață:** Suprafețe libere și limite între grăunți cristalini. - **De Structură:** Defecte de împachetare și de orientare. - **Impactul Defectelor:** Defectele influențează proprietățile materialelor (ex. defecte punctuale în semiconductori, ductilitatea datorată dislocațiilor). - **Centru F și V**: Defecte punctuale în cristale ionice rezultate din reținerea electronilor sau vacanțelor. - **Maclă:** Regiune dintr-un cristal cu orientare specifică față de restul structurii. **9. Structuri de Referință ale Solidelor Cristaline** - **Cristale Ionice:** Edificii de specii ionice cu sarcini opuse, cu aranjare compactă și neutralitate a sarcinilor. - **Silicați:**Structuri insulare/izolate (tetraedre \[SiO4\]). - Structuri tip lanț (tetraedre unite prin vârfuri). - Structuri tip bandă (lanțuri multiple). - Structuri stratificate (asocieri de benzi). - Structuri spațiale (asocieri nelimitate de straturi). - Exemple: olivine, clinoenstatit, tremolit, mica, caolin, cuarț, feldspat - **Structuri Oxidice:**Tip corindon (M2O3). - Tip perovskit (MeIIMeIVO3 și MeIMeIIX3). - Tip spinel (MgAl2O4). - Tip rutil (TiO2). - Exemple: Corindon (Al2O3), Perovskit (CaTiO3), Spinel (MgAl2O4), Rutil (TiO2) - **Structuri Neoxidice:** Nitrura de siliciu (Si3N4) și Carbura de siliciu (SiC) cu structuri specifice. **Concluzii** Acest curs acoperă aspectele fundamentale ale științei și ingineriei materialelor, oferind o bază solidă pentru înțelegerea și aplicarea acestor principii în diverse domenii tehnice. Importanța înțelegerii structurii, proprietăților, sintezei și performanței materialelor este esențială pentru inginerie și dezvoltarea de noi tehnologii. Cunoașterea structurilor cristaline, tipurilor de legături, defectelor de rețea, a texturilor și a sistemelor de clasificare sunt cruciale pentru inginerii care lucrează cu diverse materiale. Acest document de briefing oferă o sinteză comprehensivă, dar este recomandat studiul aprofundat al materialului original pentru o înțelegere completă.

Use Quizgecko on...
Browser
Browser