UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA

1. UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA CURS 2 MATERIALELE PTR. APLICAŢII INGINEREŞTI Proprietăţile materialelor Structura atomică Legături interatomice FACULTATEA DE INGINERIA MATERIALELOR SI A MEDIULUI BODEA MARIUS CURS DE MATERIALE - I

2. PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR Microstructura – Procesarea – Compoziţia sunt interconectate şi afectează raportul Performanţă/Cost. Alegerea optimă a materialului, a metodei de procesare va determina în final performanţele cât şi costul produsului. Rezultă necesitatea şi importanţa cunoaşterii atât a proprietăţilor materialelor cât şi a metodelor de procesare a acestora.

3. PROPRIETĂŢILE INTRINSECI ALE MATERIALELOR În funcţie de tipul aplicaţiei, respectiv de tipul solicitărilor la care este supus materialul se disting următoarele clase de proprietăţi (care acoperă majoritatea aplicaţiilor inginereşti) : Rezistenţa la tracţiune, compresiune, încovoiere, forfecare, torsiune Rezistenţa la oboseală, Limita de curgere, Rezilienţa, Duritatea Modulul de elasticitate (longitudinal, transversal), Rezistenţa la uzură, Fluajul MECANICE FIZICE CHIMICE ELECTRICE OPTICE TERMICE MAGNETICE NUCLEARE Structura cristalină, Densitatea, Punctul de topire, Vâscozitatea, Presiunea de vapori, Porozitatea Electronegativitatea, Coroziunea, Oxidarea, Greutatea Moleculară, Hidratarea Conductivitatea electrică, Constanta dielectrică, Mobilitatea sarcinilor, Densitatea de sarcină Transparenţa, Reflectivitatea, Indicele de refracţie, Emisia şi Absorţia Conductivitatea termică, Căldura specifică, Coeficientul de dilatare, Emisivitatea termică, Coeficientul de Difuzie Permeabilitatea magnetică, Susceptibilitatea magnetică, Curba de histerezis Timpul de înjumătăţire, Radioactivitatea, Secţiunea eficace de interacţiune, Energia de legătură a nucleului

4. PROPRIETĂŢILE TEHNOLOGICE ALE MATERIALELOR Deformabilitatea Aşchiabilitatea Sudabilitatea Turnabilitatea Călibilitatea Ductibilitatea Forjabilitatea, Maleabilitatea etc. Proprietăţile tehnologice caracterizează capacitatea de prelucrare şi modul de comportare a materialelor metalice la diferite procese tehnologice de prelucrare la cald sau la rece. Cele mai importante proprietăţi tehnologice sunt: turnabilitatea, deformabilitatea plastică, sudabilitatea, aşchiabilitatea, călibilitatea, susceptibilitatea la supraîncălzire, susceptibilitatea la deformare şi fisurare.

5. STRUCTURA ATOMICĂ A MATERIALELOR Energie Forţă

6. STRUCTURA ATOMICĂ A MATERIALELOR Forţe de respingere Forţe de atracţie LEGATURA IONICA TARI COVALENTA NEPOLARA LEGATURA METALICA LEGATURI INTERATOMICE COVALENTA POLARA SLABE LEGATURA DE HIDROGEN LEG. VAN DER WAALS

7. ISTORIA MODELULUI ATOMIC String Theory Ştiinţa nu este altceva decât un lung şir de greşeli corectate în timp.

8. ISTORIA MODELULUI ATOMIC înapoi Modelul atomului s-a schimbat în timp începând cu cel descris de filozoful grec Democrit acum mai bine de 2400 de ani .... când atomul era perceput ca şi o “bilă de biliard” – cea mai mică parte indivizibilă a materiei. Democrit 400 B.C. Aristotel şi Platon au descris materia ca fiind compusă din patru elemente fundamentale: pământ, foc, aer şi apă.

9. ISTORIA MODELULUI ATOMIC înapoi • Prin experimentale sale la inceputul anilor 1800, Dalton a dedus: • toate elementele chimice sunt compuse din atomi • atomii sunt indivizibili şi particule indestructibile • atomii aceluiaşi element chimic sunt identici • atomii unor elemente chimice sunt diferiţi între ei • compuşii chimici sunt formaţi prin gruparea atomilor a două sau mai multe elemente chimice Dalton 1803 Această teorie stă la baza chimiei moderne!

10. ISTORIA MODELULUI ATOMIC înapoi În 1897 omul de ştiinţă englez J.J. Thomson a promovat idea că atomul este compus din sub-particule elementare. El a propus un model denumit uneori modelul “budinca cu prune”. Atomul este constituit dintr-un corp încărcat pozitiv în care sunt dispersate particule încărcate negativ - denumiţi corpuscului, ca şi “stafidele într-o budincă”. Thomson 1897 Thomson a studiat trecerea curentului prin gaze şi a remarcat prezenţa unor raze încărcate cu sarcină electrică negativă. El a conchis că sarcinile negative provin din atomii de gaz care iniţial trecerii curentului electric prin gaz nu au fost încărcaţi electric. Deoarece gazul era neutru d.p.d.v. electric atunci Thomson a concluzionat deasemenea că trebuie să existe sarcini pozitive în atom care să compenseze sarcinile negative. A căutat “corpusculii negativi” dar nu i-a “găsit” niciodată... Budinca din imagine este cu titlu informativ... Dispozitivul experimental al lui Thomson

11. ISTORIA MODELULUI ATOMIC înapoi Rutherford 1908 Rutherford a conceput un experiment prin care bombarda o foiţă subţire de aur (cca. 2000 diam. atomice) cu sarcini pozitive. Majoritatea din aceste “proiectile” (sarcini încărcate pozitiv) treceau prin foiţa de aur fără ca să-şi schimbe traiectoria, ceea ce însemna că foiţa este mai mult “spaţiu gol ”... Totuşi unele sarcini pozitive erau deviate ca şi cum ar fi lovit “ceva solid ”. El ştia că sarcinile pozitive resping sarcini pozitive şi a concluzionat că atomul are un centru mic, dens şi încărcat cu sarcină pozitivă pe care l-a denumit nucleu.

12. ISTORIA MODELULUI ATOMIC înapoi În 1913 danezul N.Bohr a adus unele îmbunătăţiri modelului Rutherford. Bohr a plasat electronii pe niveluri energetice specifice. Deasemenea a considerat că electronii se deplasează pe orbitebine definite în jurul nucleului asemenea planetelor în jurul soarelui. Orbitele sau nivelurile energetice sunt localizate la anumite distanţe faţă de nucleu. Bohr 1922

13. înapoi ISTORIA MODELULUI ATOMIC Potrivit mecanicii cuantice, electronii nu se deplasează într-un atom pe orbite definite ca şi planetele în jurul soarelui. De fapt este imposibil de a determina locaţia exactă a unui electron. Locaţia probabilă a electronului depinde de ce cantitate de energie dispune electronul respectiv... Astfel atomul este considerat ca având un nucleu încărcat pozitiv înconjurat de o regiune mare (orbitali) în care sunt suficienţi electroni ptr. ca atomul să fie neutru. În funcţie de energia de care dispun electronii se găsesc într-o regiune specifică în norul electronic. Electronii cu energii joase se regăsesc pe nivele apropiate de nucleu, iar cei cu energii ridicate sunt plasaţi pe nivele energetice mai îndepărtate de nucleu.

14. ELECTRONEGATIVITATEA Legaturi „perfecte” – numai la extreme. Majoritatea legaturilor interatomice – hibride (predomina un tip de legatura) Metale: χ = 0.7 (Cs, Fr) – 2.4 (Au) Nemetale: χ = 4 (F) Electronegativitatea = măsura aptitudinii de reţinere a electronilor proprii şi de a capta electroni străini. Determină tipul legăturii intre două specii de atomi.Se exprimă prin: electronegativitatea relativăχ/χLi Atomii cu stratul de valenta complet ocupat cu electroni sunt cei mai stabili. Pentru a completa stratul de valenţă: METALELE – cedează electroni (slab electronegative) NEMETALELE – acceptă electroni (puternic electronegative)

15. The most commonly used method of calculation is that originally proposed by Linus Pauling. This gives a dimensionless quantity, commonly referred to as the Pauling scale, on a relative scale running from around 0.7 to 3.98 (hydrogen = 2.20). When other methods of calculation are used, it is conventional (although not obligatory) to quote the results on a scale that covers the same range of numerical values: this is known as an electronegativity in Pauling units. Electronegativity, as it is usually calculated, is not strictly a property of an atom, but rather a property of an atom in a molecule. Properties of a free atom include ionization energy and electron affinity. It is to be expected that the electronegativity of an element will vary with its chemical environment, but it is usually considered to be a transferable property, that is to say that similar values will be valid in a variety of situations.

16. LEGATURA IONICA TARI COVALENTA NEPOLARA LEGATURA METALICA LEGATURI INTERATOMICE COVALENTA POLARA SLABE LEGATURA DE HIDROGEN LEG. VAN DER WAALS

17. LEGĂTURILE INTERATOMICE LEGATURA IONICA • Se stabileste la diferente mari de electronegativitate • (Δχ dintre atomi este > 1.7); are loc prin schimb de electroni. METALELE cedează electronii de valenţă NEMETALELOR, ambele tipuri de atomi primesc configuraţii stabile, dar devin ioni – forţele de legătură sunt electrostatice. • caracter ionic • grad minim de mobilitate a electronilor • legături puternice (punct de topire ridicat) • dure şi fragile • buni izolatori (termici şi electrici) • transparenţi

18. LEGĂTURILE INTERATOMICE LEGATURA COVALENTA NEPOLARA Apare la atomii din aceeaşi specie sau la atomii din specii diferite care au electronegativităţi foarte apropiate (C şi H2 - esential la polimeri -C-C-). Fiecare dintre cei doi atomi pune în comun câte un electron şi fiecare atrage la fel de mult perechea astfel formată. Legătura covalentă nepolară este o stare de echilibru dintre forţele de atracţie şi repulsie dintre atomi care ajung „la inţelegere” prin partajarea electronilor de valenţă. Legătura se realizează când electronegativitatea dintre atomi este (Δχ < 1.7)

19. LEGĂTURILE INTERATOMICE LEGATURA METALICA Între atomi ai metalelor (diferenţă mică de electronegativitate); Tot prin partajarea electronilor de valenţă – între toţi atomii (niveluri energetice suprapuse) → ioni pozitivi care formează reţea cristalina în care se găseşte uniform distribuit „norul” de electroni sau „gazul” de electroni de conducţie. Mobilitate mare a electronilor. • luciu metalic • conductivitate electrică / termică • creşterea rezistivităţii cu temperatura • emisie termoelectronică Coeziunea mare a metalelor este explicata de catre L.Pauling prin existenta valentei metalice care este cuprinsa intre 1 si 6. Valenta metalica este reprezentat de numarul electronilor care participa la formarea legaturii metalice. Prin urmare, numarul maxim de legaturi metalice este format de metalele tranzitionale cu coeziune maxima din grupele VI b, VII b si VIII b. Metalele al caror numar de legaturi metalice este mare, au raze atomice mici, densitati si duritati mari, temperaturi de topire si de firbere ridicate, precum si o rezistenta remarcabila la solicitarile mecanice exterioare. Spre deosebire de legaturile covalente, legaturile metalice sunt nesaturate, nelocalizate si nedirijate in spatiu, ceea ce ar explica plasticitatea metalelor.

20. LEGĂTURILE INTERATOMICE LEGATURA COVALENTA POLARA Intre un atom cu electronegativitate relativa mare si un atom cu χ mai mica Exemplu: la polimeri C – O – C; χC = 2.5; χO = 3.5 Se realizează doar între atomi ai nemetalelor din specii diferite. Fiecare dintre cei doi atomi pune în comun câte un electron, dar atomul care are electronegativitatea mai mare atrage mai puternic perechea formată. Partajare “inegala” a electronilor de valenta.

21. LEGĂTURILE INTERATOMICE LEGATURA DE HIDROGEN Între atomi puternic electronegativi (O, N, F) dintr-o moleculă şi un atom de hidrogen legat covalent de atomi puternic electronegativi în altă moleculă. Importanta la polimeri – legare transversală. Acid carboxilic - dimeri

22. LEGĂTURILE INTERATOMICE LEGATURA VAN DER WAALS Acid carboxilic - dimeri

23. Aplicaţii: Explicarea coeficientului de dilatare liniară este funcţie de temperatură