48892276 Studiul Materialelor Vol 2

Download 48892276 Studiul Materialelor Vol 2

Post on 03-Jul-2015

17.764 views

Category:

Documents

6 download

TRANSCRIPT

UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIESTI Prof.dr.ing. Gh. Zecheru Conf. dr.ing. Gh. Drghici

ELEMENTE DE STIINTA SI INGINERIA MATERIALELOR Volumul 2

Editura ILEX i Editura Universitii din Ploiesti 2002

CUVNT NAINTEDESPRE GRANTUL C.N.F.I.S. 39691 MODEL DE SOFTWARE INTEGRAT DE TIP MULTIMEDIA PENTRU NVARE INTERACTIV GENERAT LA UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIESTIObiectivul fundamental al grantului (C.N.F.I.S 39691) este crearea unui instrument software de tip multimedia care s ofere fiecrui cadru didactic un model de construire i prezentare a cursurilor , seminariilor i laboratoarelor ntr-o manier modern, utiliznd facilitile puse la dispoziie de tehnica avansat. Grantul se adreseaz n egal msur i studenilor care vor putea s audieze cursurile / seminariile / laboratoarele n condiii comparabile cu cele din rile dezvoltate. Grantul C.N.F.I.S 39691 este structurat pe trei componente: CURS, LABORATOR, EVALUARE (vezi figura 1 *). Componenta CURS ofer utilizatorilor de tip CADRU DIDACTIC posibilitatea de a realiza coninutul cursului ntr-o manier flexibil, putnd folosi informaii de tip text, imagine, animaie, prezentare video, slide show. Utilizatorul de tip STUDENT va avea acces la toate aceste tipuri de prezentare. n urma activrii acestei componente, se poate obine cursul pe suport de hrtie, pe suport magnetic sau se poate realiza introducerea n pagina de WEB a coninutului acestuia. Componenta LABORATOR acoper activitatea de seminar / laborator. Ea ofer posibilitatea cursantului (utilizatorul de tip STUDENT) de a avea acces la textul de prezentare a temei propuse, la instrumente de tip instructor (tutorial), n toate cele cinci tipuri de prezentare de la curs, precum i la modele ale fenomenelor / conceptelor prezentate. De asemenea, se pot realiza conexiuni cu anumite cursuri sau seminarii / laboratoare. Utilizatorul de tip CADRU DIDACTIC va avea posibilitatea s-i descrie tema propus folosind faciliti de tip text, imagine, animaie, prezentare video, slide show i aplicaii software specializate. El poate uza de ele pentru a realiza instrumente de tip instructor, precum i modele ale fenomenului / conceptului prezentat sau conexiuni cu noiuni nrudite. Ca urmare a activrii acestei componente, se pot obine comparaii ntre obiectivele propuse i rezultatele obinute, exemple de rezolvare a problemelor propuse, date necesare efecturii lucrrii, precum i chestionare de tip ablon.* Documentaie Grant C.N.F.I.S. 39691 (1999,2000,2001), Runda a II-a, Director Grant Liviu Dumitracu i

Figura 1. Structura general a Grantului C.N.F.I.S 39691

Componenta EVALUARE i propune s ofere posibilitatea evalurilor efectuate de ctre utilizatorii de tip CADRU DIDACTIC asupra utilizatorilor de tip STUDENT, precum i autoevalurilor realizate de utilizatorul de tip student, la cerere. Evaluarea se poate realiza fie pe baza unor formulare de tip bilet de examen, fie de tip chestionar (generat de un software specializat). In cazul autoevalurii, utilizatorul STUDENT poate beneficia de acces direct laii

cursul aferent sau la un ciclu de tip ntrebare rspuns, posibilitate implementat cu ajutorul serviciului de pot electronic. Serviciul de pot electronic va fi susinut de un server de WEB propriu programului.REMARCI:

Grantul MODEL DE SOFTWARE INTEGRAT DE TIP MULTIMEDIA PENTRU NVARE INTERACTIV GENERAT LA UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIESTI se realizeaz n trei etape: ETAPA I (proiectul de iniiere program) Realizare prototip SAL DE CURS (anul 1999); ETAPA a II-a Imbuntirea prototipului SAL DE CURS, realizare prototipuri SAL DE LABORATOR, SAL DE EVALUARE (anul 2000); ETAPA a III-a Realizarea integral a modelului de nvare interactiv (anul 2001). Domeniul de interes al acestui program se nscrie n aria preocuprilor specialitilor din nvmnt i din domenii conexe acestuia, din EUROPA i din AMERICA. Rezultatele obinute n urma aplicrii unui software integrat de tip multimedia pentru nvare interactiv pentru disciplinele predate n cadrul unei universiti (precum i pentru planurile de nvmnt) pot fi folosite ca punct de plecare n vederea constituirii unui server de WEB, baz pentru nvmntul la distan, pentru cursuri intensive de scurt durat, alternativ dinamic pentru studiul individual la bibliotec. Implementarea unui astfel de mecanism creeaz premise pentru posibilitatea evalurii interactive a studenilor, precum i pentru realizarea unui ciclu de tip ntrebare-rspuns (cu ajutorul serviciului de pot electronic). Un ctig important const n posibilitatea de a face cunoscut UNIVERSITATEA, att n ar ct i n lume, nu numai la nivelul unor informaii generale, ct mai ales la nivelul a ceea ce constituie una din componentele sale esenia : cea de NVMNT. La baza generrii cursurilor interactive de nvare / instruire realizate integral / parial n cadrul grantului a stat Metodologia de proiectare a cursurilor multimedia i hipermedia ce cuprinde urmtoarele etape: Analiza cerinelor de instruire, Proiectarea preliminar a aplicaiei (cursului), Dezvoltarea aplicaiei (cursului), Implementarea aplicaiei (cursului), Evaluarea i ntreinerea aplicaiei (cursului). Pentru prezentarea tuturor cursurilor realizate n cadrul grantului a fost generat seria Cursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S 39691 n care apare lucrarea Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura ILEX i Editura Universitii PETROL GAZE din Ploiesti.iii

REMARCI: Toate lucrrile din seria Cursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S 39691 se afl pe site-ul Universitii PETROL GAZE din Ploiesti i sunt disponibile pe CD-ROM. Autorii lucrrilor sunt cadre didactice ale Universitii, de la catedrele: Informatic, Tehnologia Construciei de Utilaj Petrolier, Forajul Sondelor, Chimie, Filologie. mi exprim convingerea c prin realizarea acestui proiect se va reui o concordan a procesului de nvmnt din Universitatea PETROL GAZE din Ploiesti cu tendinele internaionale. DESPRE CARTE Lucrarea Elemente de ingineria i tiina materialelor cuprinde informaiile eseniale privind structura i proprietile principalelor categorii de materiale folosite n tehnic i poate constitui un ghid valoros pentru alegerea raional a materialelor necesare diferitelor aplicaii industriale. Lucrarea este structurat n dou volume. Primul volum conine noiunile fundamentale privind structura si proprietile mecanice ale metalelor i aliajelor i informaiile principale privind structura, proprietile i tratamentele termice ale materialelor metalice cu cea mai mare pondere de utilizare industrial: fontele i oelurile. Cel de-al doilea volum al lucrrii cuprinde informaiile principale privind structura, proprietile i domeniile de utilizare ale altor categorii de materiale: metalele i aliajele neferoase, sticlele i materialele ceramice, plastomerii i elastomerii, materialele compozite i materialele sinterizate. Fiecare capitol al lucrrii este prevzut cu teste de autoevaluare i aplicaii, care permit utilizatorilor s-i autoaprecieze nivelul de pregtire i nivelul de competen n folosirea independent i corect a cunotinelor dobndite la soluionarea unor probleme concrete.

Prof.dr.ing. Liviu Dumitracu Prorector Director Grant C.N.F.I.S. 39691 Coordonatorul seriei Cursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S 39691

iv

CUVNTUL AUTORILORLucrarea Elemente de stiina i ingineria materialelor a fost conceput astfel nct s constituie un instrument util i eficient pentru pregtirea individual la disciplina Studiul materialelor, prevzut n planul de nvmnt al studenilor anului I, specializrile Utilaj Tehnologic Petrolier i Utilaj Tehnologic pentru Transportul i Depozitarea Hidrocarburilor, de la Facultatea de Inginerie Mecanic si Electric din cadrul Universitii Petrol Gaze din Ploiesti. Ea poate fi utilizat cu bune rezultate i de studenii care se pregtesc n alte specializri inginereti, precum i de tehnicienii i inginerii care doresc s-i aprofundeze sau s-i reactualizeze cunotinele n domeniul materialelor. Lucrarea are ca obiect prezentarea structurii si proprietilor materialelor folosite n tehnic, precizarea legturilor (corelaiilor) dintre compoziia chimic, structura si proprietile acestor materiale i evidenierea modificrilor de structur i proprieti care se produc ca urmare a prelucrrii materialelor prin diverse procedee tehnologice, scopul principal urmrit fiind nsuirea principiilor, legitilor i mecanismelor care stau la baza obinerii materialelor cu structura corespunztoare asigurrii proprietilor impuse de utilizarea lor n diverse aplicaii tehnice. Deoarece principalele aplicaii tehnice avute n vedere sunt cele din domeniul mainilor, utilajelor i echipamentelor petroliere, materialele care au n prezent i n viitorul apropiat cea mai mare pondere de utilizare sunt materialele metalice (metalele i aliajele) i ca urmare partea din lucrare destinat studierii acestor materiale este cea mai consistent. Sunt studiate ns n lucrare i celelate categorii de materiale folosite n tehnic: sticlele i materialele ceramice, materialele pe baz de substane macromoleculare (plastomerii i elastomerii), materialele obinute prin agregare de pulberi i materiale compozite durificate cu fibre. Volumul de fa, cel de-al doilea al lucrrii, conine capitolele: Oelurile i fontele aliate; Oelurile i fontele comerciale; Structurile i proprietile aliajelor neferoase; Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor; Structurile i proprietile polimerilor; Structurile i proprietile materialelor compozite; Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi; Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice. Adresm cele mai calde mulumiri celui care a fcut posibil publicarea acestei lucrri (prof. dr. ing. Liviu Dumitracu ) i colegilor care au realizat recenzia stiinific a lucrrii (prof.dr.ing. Vlad Ulmanu i prof. dr. ing. Ioan Tudor). Urm utilizatorilor succes n nsuirea cunotinelor privind structurile i proprietile materialelor i ateptm cu deosebit interes sugestiile lor pentru mbuntirea ediiei viitoare a lucrrii.

Autorii Ploieti 30 iulie 2002v

SeriaCursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S. 39691Liviu Dumitracu i colectiv

(Borland) PASCAL n 13 conversaiiStelian Guu

Tehnologiile informaiei i comunicaiiilor. Mijloace multimediaGheorghe Zecheru i Gheorghe Drghici

Elemente de tiina i ingineria materialelor. Volumul 1Ana Maria Burlan i Andreea Negulescu

Compendiu de gramatic francez cu exerciiiMihai Hotinceanu

Probleme i lucrri de laborator de electromagnetismGabriel Marcu

Clase Java pentru metode numericeVlad Ulmanu

Tehnologia fabricrii i reparrii utilajului petrolierMihai Pascu Coloja

Cercetarea sondelor n pompaj cu ajutorul metodelor acusticeMihail Minesccu i Ion Nae

Tehnologii i utilaje n construcia de mainiAlexandra chiopescu, Maria Moraru, Anca Sterry, Ana Dinc, Ileana Cameni

Chimie general. Aplicaii numericeOctav Pntea, Stelian Neagoe, Dorina Matei, Eva Trmbiau, Daniela Popovici

Bazele chimiei analitice calitative i cantitative. Probleme i ntrebrierban Vasilescu, Virgiliu Talle, Dorin Bdoiu

Rezistena materialelor. Tehnici de calcul i proiectareConstantin Ionescu , Liviu Bloiu i colectiv

Introducere n problematica mediului nconjurtorvi

CUPRINSVolumul 11. NOTIUNI GENERALE DESPRE METALE 2. NOIUNI GENERALE DESPRE ALIAJE 3. PROPRIETILE MECANICE ALE MATERIALELOR METALICE 4. STUDIUL ALIAJELOR DIN SISTEMUL FIER-CARBON 5. TRANSFORMRILE STRUCTURALE N STARE SOLID LA OELURI I FONTE 6. TRATAMENTELE TERMICE LA OELURI I FONTE

Volumul 2Cuvnt nainte . i Cuvntul autorilor ... v 7. OELURILE I FONTELE ALIATE .... 5 7.1. Introducere ... 5 7.2. Interaciunea elementelor de aliere cu fierul ... 7 7.3. Interaciunea elementelor de aliere cu carbonul .. 14 7.4. Influenele elementelor de aliere asupra trnsformrilor structurale n stare solid ale oelurilor i fontelor.... 16 7.5. Clasele structurale de oeluri i fonte aliate .... 23 Cuvinte cheie .. 34 Bibliografie . 35 Teste de autoevaluare . 35 Aplicaii .............. 38 8. OELURILE I FONTELE COMERCIALE ... 53 8.1. Introducere ....... 53 8.2. Clasificarea i simbolizarea oelurilor comerciale ...... 55 8.2.1. Clasificarea oelurilor comerciale 55 8.2.2. Simbolizarea oelurilor comerciale .. 59 8.3. Oelurile carbon cu destinaie general ... 64 8.3.1. Oelurile carbon de uz general . 64 8.3.2. Oelurile carbon de calitate ... 65 8.4. Oelurile aliate pentru construcia de maini ... 66 8.5. Oelurile pentru construcii sudate ...... 69 8.5.1. Particularitile realizrii construciilor sudate ..... 69 8.5.2. Formarea CUS la sudarea prin topire a oelurilor .... 711

8.5.3. Transformrile structurale n ZIT la sudarea prin topire a oelurilor .... 73 8.5.4. Oelurile nealiate pentru construcii sudate ...... 75 8.5.5. Oelurile cu granulaie fin pentru construcii sudate ...... 76 8.5.6. Oelurile pentru aparate i recipiente sub presiune ...... 77 8.5.7. Oelurile slab aliate cu rezisten mecanic ridicat .... 80 8.6. Oelurile rezistente la coroziune ...... 86 8.6.1. Oelurile inoxidabile i refractare ..... 86 8.6.2. Oelurile patinabile ... 98 8.7. Oelurile pentru scule ...... 99 8.7.1. Oelurile carbon pentru scule ....... 100 8.7.2. Oelurile aliate pentru scule ..... 102 8.8. Alte oeluri cu destinaii sau caracteristici speciale .... 105 8.8.1. Oelurile pentru piese turnate ....... 105 8.8.2. Oelurile pentru arcuri ...... 107 8.8.3. Oelurile pentru rulmeni ...... 108 8.8.4. Oelurile rezistente la uzare i tenace ... 109 8.8.5. Oelurile cu rezisten mecanic foarte ridicat ... 110 8.8.6. Oelurile cu coeficient de dilatare termic controlat .... 112 8.9. Fontele comerciale ..... 113 8.9.1. Simbolizarea fontelor comerciale ..... 113 8.9.2. Fontele cu destinaie general ...... 114 8.9.3. Fontele cu destinaie precizat ..... 118 Cuvinte cheie .. 120 Bibliografie 121 Teste de autoevaluare . 122 Aplicaii .. 125 9. STRUCTURILE I PROPRIETILE METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE ..................... 131 9.1. Introducere ... 131 9.2. Modificarea aliajelor neferoase ... 136 9.3. Tratamentele termice la aliajele neferoase .... 137 9.4. Simbolizarea metalelor i aliajelor neferoase comerciale ... 142 9.5. Cuprul i aliajele pe baz de cupru .. 147 9.5.1. Alamele .... 148 9.5.2. Aliajele Cu Ni ... 152 9.5.3. Bronzurile ..... 154 9.6. Aluminiul i aliajele pe baz de aluminiu ...... 162 9.6.1. Aliajele Al Cu ... 163 9.6.2. Aliajele Al Mg ...... 168 9.6.3. Aliajele Al Zn ....... 170 9.6.4. Aliajele Al Si ..... 1702

9.7. Titanul i aliajele pe baz de titan ... 172 9.8. Alte metale i aliaje neferoase ..... 177 9.8.1. Aliajele antifriciune ..... 177 9.8.2. Aliajele pentru lipire ..... 180 9.8.3. Aliajele superplastice ... 182 9.8.4. Aliajele cu memoria formei .. 184 Cuvinte cheie .. 186 Bibliografie . 187 Teste de autoevaluare . 187 Aplicaii ...... 192 10. STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR CERAMICE I STICLELOR ............................ 197 10.1. Introducere . 197 10.2. Structura ceramicelor i sticlelor ... 198 10.3. Principalele proprieti ale ceramicelor i sticlelor ...... 202 10.4. Materialele ceramice ..... 207 10.4.1. Materialele ceramice silicatice ...... 207 10.4.2. Materialele ceramice oxidice .... 210 10.4.3. Materialele refractare .... 211 10.4.4. Materialele ceramice neoxidice 214 10.5. Sticlele ... 215 10.6. Materialele vitroceramice ...... 219 10.7. Cimentul 219 Cuvinte cheie .. 220 Bibliografie 221 Teste de autoevaluare . 222 Aplicaii .. 225 11. STRUCTURILE I PROPRIETILE POLIMERILOR .... 229 11.1. Introducere 229 11.2. Reaciile de sintez a polimerilor ...... 231 11.3. Structura polimerilor . 233 11.4. Proprietile polimerilor 236 11.4.1. Caracterizarea general a polimerilor .... 236 11.4.2. Proprietile mecanice ale polimerilor ...... 238 11.5. Principalele tipuri de materiale polimerice ...... 250 11.5.1. Aditivii materialelor polimerice .... 250 11.5.2. Materialele termoplaste ..... 251 11.5.3. Materialele termorigide ..... 254 11.5.4. Materialele elastomerice (cauciucurile) .... 255 Cuvinte cheie ...... 2573

Bibliografie . 258 Teste de autoevaluare . 259 Aplicaii .. 263 12. STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR COMPOZITE ......................................... 267 12.1. Introducere 267 12.2. Estimarea caracteristicilor fizico-mecanice ale materialelor compozite ...... 268 12.3. Lemnul material compozit natural ..... 274 12.4. Materiale compozite durificate cu fibre 284 Cuvinte cheie .. 291 Bibliografie . 292 Teste de autoevaluare . 292 Aplicaii .. 295 13. STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR REALIZATE PRIN AGREGARE DE PULBERI .......... 301 13.1. Introducere .... 301 13.2. Obinerea i caracterizarea pulberilor ... 302 13.3. Transformrile structurale la presarea i sinterizarea pulberilor ... 307 13.4. Structurile i proprietile produselor sinterizate ...... 312 Cuvinte cheie .. 314 Bibliografie . 315 Teste de autoevaluare . 315 Aplicaii .. 317 14. ALEGEREA MATERIALELOR PENTRU APLICAIILE TEHNICE .... 14.1. Introducere .... 14.2. Criteriile i metodele de selecie a materialelor ... 14.3. Un studiu de caz privind alegerea materialelor ..... Cuvinte cheie ...... Bibliografie .... Teste de autoevaluare ..... Aplicaii ...... 321 321 322 334 341 341 342 343

Grila de verificare a testelor de autoevaluare ...... 352 Index ... 353 Elements of materials science and engineering (Abstract) .... 357

4

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Capitolul 7

OELURILE I FONTELE ALIATE

7.1. IntroducereOelurile aliate sunt acele oeluri care conin, pe lng componentele specifice (fierul componentul de baz i carbonul componentul de aliere principal), elementele nsoitoare (manganul, siliciul etc.) i impuritile tipice (sulful, fosforul etc.) oelurilor carbon, i alte componente (denumite generic elemente de aliere EA), introduse n mod intenionat i n cantitate suficient la elaborare, cu scopul de a conferi acestor aliaje anumite structuri i proprieti. n contextul acestei definiii, un component al unui oel este considerat element de aliere, dac concentraia n care a fost introdus la elaborarea oelului depete concentraia pn la care acest component se ncadreaz n categoria elementelor nsoitoare sau concentraia maxim admis cnd componentul are efectele unei impuriti a oelului. Astfel, avnd n vedere datele prezentate n scap. 4.3, oelurile se consider aliate cu mangan, dac %Mnm > 0,8 %, cu siliciu, dac %Sim > 0,5 %, cu fosfor, dac %Pm > 0,06 % etc., n timp ce alte componente, cum ar fi cromul, nichelul, molibdenul, vanadiul, titanul, niobiul, wolframul, borul etc., care nu sunt specifice compoziiei oelurilor carbon industriale, capt statutul de elemente de aliere oricare ar fi concentraia n care au fost introduse (intenionat) la elaborarea oelurilor. n practic, pentru a exprima gradul de aliere al unui oel se utilizeaz ca indicator suma concentraiilor masice ale elementelor de aliere (exceptnd carbonul) coninute de acesta Sa ( S a = % EAmj , EAj, j = 1 n, fiind elementelej =1 n

de aliere introduse la elaborarea oelului, iar %EAmj - concentraiile masice ale acestor elemente), iar oelurile aliate se clasific n: oeluri slab aliate, avnd Sa< 5 %, oeluri mediu aliate, avnd 5 % Sa < 10 % i oeluri nalt (bogat) aliate, avnd Sa 10 %.5

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

n mod similar, fontele aliate (denumite i fonte speciale) sunt acele fonte care conin, pe lng componentele specifice, elementele nsoitoare i impuritile tipice fontelor albe (fr grafit n structur), cenuii sau modificate (cu grafit n structur), i alte componente (numite generic elemente de aliere), introduse n mod intenionat i n cantitate suficient la elaborare, cu scopul de a conferi acestor aliaje anumite structuri i proprieti. n contextul acestei definiii, printr-un raionament similar celui utilizat n cazul oelurilor, sulful, n concentraii %Sm < 0,15 % i fosforul, n concentraii %Pm < 0,6 %, considerate impuriti, manganul, n concentraii %Mnm < 1,5 %, siliciul, n concentraii %Sim < 0,51,0 % la fontele albe sau %Sim < 3,54,5 % la fontele cenuii sau modificate i componentele introduse (n concentraii mici) n cursul operaiilor de modificare i postmodificare (magneziu, ceriu, calciu, bariu, titan, zirconiu, aluminiu), considerate elemente nsoitoare, nu reprezint elemente de aliere ale fontelor; aceste componente, introduse la elaborarea fontelor n concentraii mai mari dect cele pn la care se consider impuriti sau elemente nsoitoare, constituie elemente de aliere ale fontelor, iar componentele care nu sunt specifice compoziiei fontelor albe, cenuii sau modificate industriale, cum ar fi cromul, nichelul, molibdenul, vanadiul etc., au statutul de elemente de aliere oricare ar fi concentraia n care au fost introduse (intenionat) la elaborarea fontelor. Pentru a exprima gradul de aliere al unei fonte se poate utiliza, ca i la oeluri, indicatorul Sa, iar fontele aliate se clasific n: fonte slab aliate, avnd Sa< 5 %, fonte mediu aliate, avnd 5 % Sa < 10 % i fonte nalt (bogat) aliate, avnd Sa 10 %. Elementele de aliere se pot gsi n structurile oelurilor i fontelor, n funcie de caracteristicile lor fizico chimice (raza atomic, valena, electronegativitatea, tipul structurii cristaline, afinitatea chimic fa de fier, carbon, elemente nsoitoare i impuriti) i de concentraiile n care sunt introduse la elaborarea acestor aliaje, n urmtoarele forme: a) dizolvate (prin substituie sau interstiial) n soluiile solide specifice structurii aliajelor fier carbon, soluii denumite n acest caz ferit aliat i austenit aliat; b) dizolvate n structura cristalin a cementitei, denumit n acest caz cementit aliat; c) legate sub form de carburi proprii; d) combinate chimic cu fierul sub form de compui intermetalici; e) legate sub form de incluziuni nemetalice (oxizi, sulfuri, silicai) sau libere sub form de cristale de metal pur. Primele trei forme de existen a elementelor de aliere sunt cele care corespund frecvent structurii oelurilor i fontelor aliate. Formele de existen d) i e) sunt rar ntlnite, deoarece: * fierul formeaz compui intermetalici cu unele elemente de aliere numai dac concentraiile acestora sunt ridicate (de exemplu, fierul cu cromul formeaz compusul, de tip faz sigma, FeCr, caracterizat printr-o valoare de baz a concentraiei cromului %Crm 45 %, cu vanadiul compusul, de tip faz sigma,6

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

FeV, avnd %Vm 48 %, cu molibdenul - compuii Fe3Mo2, avnd %Mom 53 % i FeMo, avnd %Mom 66 %, cu wolframul compusul, de tip faz Laves, Fe2W, avnd %Wm 63 % i compusul Fe3W2, avnd %Wm 68 %, cu titanul compusul FeTi, avnd %Tim 52 %, iar cu niobiul compusul, de tip faz Laves, Fe2Nb, avnd %Nbm 52 %); ca urmare, existena unor astfel de compui este caracteristic exclusiv oelurilor i fontelor nalt aliate cu astfel de elemente; * incluziunile nemetalice sunt (n mod obinuit, datorit efectelor negative pe care le are prezena acestora - v. scap. 4.3.2 i 4.3.3) faze nedorite ale structurii oelurilor i fontelor i, ca urmare, legarea elementelor de aliere sub form de incluziuni se realizeaz numai accidental, de obicei cnd nu se alege corect momentul introducerii acestor elemente n procesul tehnologic de elaborare; de exemplu, titanul, care are afinitatea chimic fa de oxigen (puterea de dezoxidare) mai mare dect a siliciului i aluminiului, introdus ntr-un oel lichid nainte de finalizarea proceselor de dezoxidare (v. scap. 4.3.2) particip intens la realizarea acestor procese i se va gsi n structura oelului legat sub form de incluziuni oxidice, diminundu-i astfel activitatea ca element de aliere.

7.2. Interaciunea elementelor de aliere cu fierulMajoritatea elementelor de aliere sunt solubile n fier, formnd cu acesta soluii solide (n care, evident, fierul este solventul, iar elementele de aliere sunt componentele solut). Prezena elementelor de aliere dizolvate (mpreun cu carbonul) n structura cristalin a fierului determin modificarea valorilor punctelor critice de transformare n stare solid a acestuia. Unele elemente de aliere, cum ar fi cromul, siliciul, molibdenul, woframul, vanadiul, niobiul, avnd structura cristalin de tip CVC, sunt izomorfe cu Fe (i Fe), au o bun solubilitate n aceast modificaie a fierului i determin extinderea domeniilor de stabilitate a feritei (i feritei delta) i restrngerea domeniilor de stabilitate a austenitei, mrind temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc1 A3) i micornd temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc2 A4). Elementele avnd influenele menionate anterior sunt denumite elemente de aliere alfagene sau elemente de aliere feritizante (notate generic EA). Aa cum se observ n figura 7.1 a, care prezint configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelor binare Fe EA, prezena elementelor de aliere alfagene determin domenii de existen a fazei Fe(EA) foarte nguste i domenii foarte extinse de stabilitate a fazei Fe(EA); la aliajele unui astfel de sistem, caracterizate7

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

prin %EA a%, structura la orice temperatur corespunztoare strii solide este alctuit numai din cristalele fazei Fe(EA), fiind suprimat posibilitatea realizrii transformrilor alotropice de tipul Fe Fe i eliminat astfel posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (de tipul ).

Fig. 7.1. Configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelor binare de tipul: a Fe EA; b Fe EA

Efectele anterior menionate ale elementelor de aliere alfagene se menin i n cazul aliajelor ternare Fe C EA (oeluri i fonte aliate cu elemente alfagene), n structura crora faza Fe(C, EA) este ferita aliat, iar faza Fe(C, EA) este austenita aliat; aa cum se observ n figura 7.2, care prezint diagramele pseudobinare corespunztoare la trei concentraii masice (constante) de Si EA; n aliajele ternare Fe C Si EA , creterea concentraiei Si EA determin ngustarea progresiv a domeniilor cu austenit aliat, lrgirea substanial a domeniilor cu ferit aliat i, ca o consecin, ridicarea substanial a punctului critic A1 (creterea temperaturii la care se poate realiza, n condiii de echilibru, transformarea eutectoid + Fe3C). Evident, cnd concentraia de elemente de aliere alfagene %EA a%, la orice temperatur corespunztoare strii solide, oelurile aliate au o structur monofazic feritic (sau o structur alctuit din ferit i mici coninuturi de carburi), iar fontele aliate au o structur alctuit din ferit i carburi primare sau grafit, fiind suprimat posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (care presupun existena posibilitii de realizare a transformrilor8

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

alotropice de tipul Fe Fe); oelurile sau fontele aliate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oeluri aliate feritice sau fonte aliate feritice.

Fig.7.2. Diagramele de echilibru pseudobinare ale aliajelor sistemului ternar Fe C Si EA cu %Sim = 2,5 %; %Sim = 5,0 % i %Sim = 7,5 %

Unele elemente de aliere, cum ar fi nichelul i manganul, avnd structura cristalin de tip CFC, sunt izomorfe cu Fe , au o bun solubilitate n aceast modificaie a fierului i determin extinderea domeniilor de stabilitate a austenitei i restrngerea domeniilor de stabilitate a feritei (i feritei delta), micornd temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc1 A3) i ridicnd temperatura punctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critic tc2 A4).9

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Elementele avnd influenele menionate anterior sunt denumite elemente de aliere gamagene sau elemente de aliere austenitizante (notate generic EA). Aa cum se observ n figura 7.1 b, care prezint configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelor binare Fe EA, prezena elementelor de aliere gamagene determin domenii de existen a fazei Fe(EA) foarte nguste i domenii foarte extinse de stabilitate a fazei Fe(EA); la aliajele unui astfel de sistem, caracterizate prin %EA b%, structura la orice temperatur corespunztoare strii solide este alctuit numai din cristalele fazei Fe(EA), fiind suprimat posibilitatea realizrii transformrilor alotropice de tipul Fe Fe i eliminat astfel posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (de tipul ). Efectele anterior menionate ale elementelor de aliere alfagene se menin i n cazul aliajelor ternare Fe C EA (oeluri i fonte aliate cu elemente gamagene), n structura crora faza Fe(C, EA ) este ferita aliat, iar faza Fe(C, EA) este austenita aliat; aa cum se observ n figura 7.3, care prezint diagramele pseudobinare corespunztoare la trei concentraii masice (constante) de Mn EA; n aliajele ternare Fe C Mn EA , creterea concentraiei Mn EA determin ngustarea progresiv a domeniilor cu ferit aliat, lrgirea substanial a domeniilor cu austenit aliat i, ca o consecin, coborrea substanial a punctului critic A1 (micorarea temperaturii la care se poate realiza, n condiii de echilibru, transformarea eutectoid + Fe3C). Evident, cnd concentraia de elemente de aliere gamagene %EA b %, la orice temperatur corespunztoare strii solide, oelurile aliate au o structur monofazic austenitic, iar fontele aliate au o structur alctuit din austenit i grafit, fiind suprimat posibilitatea desfurrii transformrilor de faz n stare solid (care presupun existena posibilitii de realizare a transformrilor alotropice de tipul Fe Fe); oelurile sau fontele aliate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oeluri aliate austenitice sau fonte aliate austenitice. Considernd (n mod schematic, simplificat) c influenele elementelor de aliere se manifest prin modificarea poziiilor liniilor i punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Fe Fe3C, aa cum se prezint n figura 7.4, aspectele anterior prezentatate se pot sintetiza astfel: elementele de aliere alfagene (cromul, siliciul, molibdenul etc.) determin extinderea domeniilor de existen a feritei i restrngerea domeniilor de stabilitate a austenitei (v. fig. 7.4 a); la concentraii mari de elemente alfagene posibilitatea realizrii transformrii alotropice Fe Fe este suprimat i se obin oeluri sau fonte aliate feritice, care nu prezint transformri de faz n stare solid de tipul ;10

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

elementele de aliere gamagene (manganul, nichelul etc.) determin extinderea domeniilor de existen a austenitei i restrngerea domeniilor de stabilitate a feritei (v. fig. 7.4 b); la concentraii mari de elemente gamagene posibilitatea realizrii transformrii alotropice Fe Fe este anulat i se obin oeluri sau fonte aliate austenitice, care nu prezint transformri de faz n stare solid de tipul ;

Fig.7.3. Diagramele de echilibru pseudobinare ale aliajelor sistemului ternar Fe C Mn EA cu %Mnm = 3,0 %; %Mn m = 13,0 % i %Mn m = 20,0 %

11

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

elementele de aliere modific poziia punctului critic de transformare n stare solid tPSK A1 i deplaseaz punctul S (avnd, aa cum s-a specificat n scap. 4.2, abscisa %Cm = 0,77 %, corespunztoare concentraiei carbonului n perlit) spre concentraii ale carbonului mai reduse (v. fig.7.4 i 7.5); elementele de aliere deplaseaz punctul E (avnd, aa cum s-a specificat n scap. 4.2, abscisa %Cm = 2,11 %) spre concentraii ale carbonului mai sczute i, ca urmare, la unele oeluri aliate (aliaje caracterizate prin concentraii masice de carbon %Cm 2,11 %) devine posibil producerea transformrii eutectice i apariia n structura lor de echilibru a unor mici cantitti de ledeburit (constituent specific structurii fontelor albe); oelurile aliate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oeluri aliate ledeburitice.

Fig. 7.4. Schema modificrii liniilor i punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Fe-Fe3C de ctre: a elementele de aliere alfagene; b elementele de aliere gamagene

Elementele de aliere dizolvate n ferit sau austenit influeneaz proprietile fizico mecanice ale acestor faze. n figura 7.6 sunt prezentate diagramele de variaie a principalelor caracteristici mecanice ale feritei (rezistena la traciune Rm, alungirea procentual dup rupere A, duritatea Brinell HBS i energia de rupere la ncercarea la ncovoiere prin oc KV) n funcie de concentraiile masice ale diverselor elemente de aliere dizolvate n aceasta; influene similare (creterea rezistenei mecanice i duritii, meninerea constant sau diminuarea plasticitii etc.) au i elementele de aliere dizolvate n austenit.12

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Fig. 7.5. Influenele elementelor de aliere asupra: a poziiei punctului critic A1; b concentraiei masice a carbonului n perlit

Fig. 7.6. Influena elementelor de aliere asupra caracteristicilor mecanice ale feritei: a Rm = f1(%EAm); b A = f2(%EAm); c HBS = f3(%EAm); d KV = f4(%EAm) 13

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

7.3. Interaciunea elementelor de aliere cu carbonulElementele de aliere introduse la elaborarea oelurilor i fontelor se pot clasifica, n funcie de modul n care interacioneaz cu carbonul, astfel: elemente grafitizante, care mpiedic formarea carburilor sau produc descompunerea carburilor existente i asigur apariia grafitului (carbonului liber) ca faz structural a fontelor i (uneori) a oelurilor (v. scap. 4.4); principalele elemente de aliere care fac parte din aceast categorie sunt siliciul, nichelul, aluminiul i cuprul; elemente care reacioneaz cu carbonul, dar carburile pe care le formeaz au stabilitate redus; din aceast categorie fac parte, de exemplu, nichelul i cobaltul, ale cror carburi (Ni3C, Co3C) nu apar n mod obinuit n structurile oelurilor sau fontelor aliate; elemente carburigene, care formeaz carburi stabile, ce pot exista ca faze distincte n structurile oelurilor i fontelor aliate; din aceast categorie fac parte metalele de tranziie situate n tabloul periodic al elementelor la stnga fierului (v. tabelul 1.1), elemente ce pot fi ierarhizate, n funcie de afinitatea lor fa de carbon (cresctoare odat cu mrirea deficitului de electroni n substraturile atomice d, aa cum se poate observa n fig. 7.7), astfel: Fe;Componentul de baz al oelurilor i fontelor

Mn;

Cr;

Mo;

W;

Ta; Nb; V; Zr;

TiElementul de aliere cel mai carburigen

CRETE AFINITATEA FA DE CARBON

n cazul elementelor de aliere carburigene, interaciunea cu carbonul depinde nu numai de afinitatea lor faa de acest element, dar i de concentraiile n care se gsesc acestea n oeluri i fonte i de solubilitatea lor n ferit i austenit. Ca urmare, se pot defini urmtoarele tipuri de situaii privind existena elementelor de aliere carburigene n structurile oelurilor i fontelor: a) elementele de aliere sunt dizolvate n cementit prin substituirea parial a atomilor de fier din structura cristalin a acesteia; n aceast situaie se pot afla elementele de aliere cu afinitate fa de carbon apropiat de cea corespunztoare fierului (manganul, cromul, molibdenul, wolframul), care formeaz cementit aliat, cu formula general (Fe,EA)3C, ce are caracteristicile unei faze bertholide, n structura creia atomii elementelor de aliere nlocuiesc n diverse proporii atomii de fier (de exemplu, cementita aliat cu mangan poate avea %Mnat 100 %, cementita aliat cu crom poate avea %Crat 25 %, cementita aliat cu molibden poate avea %Moat 3 %, iar cementita aliat cu wolfram poate avea %Wat 1 %);14

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Ti[Ar]3d24s2

V[Ar]3d34s2

Cr[Ar]3d54s1

Mn[Ar]3d54s2

Fe[Ar]3d64s2

Co[Ar]3d74s2 [Ar] 1s22s22p63s23p6 [Kr] [Ar] 3d104s24p6 [Xe] [Kr] 4d105s25p6

Ni[Ar]3d84s2

Cu[Ar]3d104s1

Zr[Kr]4d25s2

Nb[Kr]4d45s1

Mo[Kr]4d55s1

Ta[Xe]5d36s2

W[Xe]5d46s2

elementul chimic configuraia electronic

Elemente carburigene

!

Elemente care formeaz carburi instabile

Fig. 7.7. Prezentarea schematic a corelaiei dintre poziia n tabloul periodic, configuraia electronic i afinitatea fa de carbon ale principalelor elemente de aliere din oeluri i fonte

b) elementele de aliere sunt dizolvate n cementit, dar formeaz i carburi proprii (mai ales cnd se afl n cantitti ce depsesc solubilitatea lor n cementit); n aceast situaie se pot ncadra cromul, molibdenul i wolframul, care se dizolv n cementit (n concentraiile anterior precizate) i pot forma i carburi proprii de tipul EA7C3, EA23C6 sau EA6C, cu structur cristalin complex, care se dizolv relativ uor n austenit (la nclzirea oelurilor sau fontelor aliate) i de tipul EAC, cu structura cristalin cubic sau EA2C, cu structura cristalin de tip hexagonal, care sunt insolubile n austenit; c) elementele de aliere nu se dizolv n cementit i formeaz (oricare ar fi concentraia n care au fost introduse n oeluri sau fonte) carburi proprii greu fuzibile, cu duritate i stabilitate foarte ridicate; aceast situaie este tipic elementelor puternic carburigene (tantalul, niobiul, vanadiul, zirconiul i titanul), care formeaz carburi primare (insolubile n austenit) de tipul EAC, cu structura cristalin cubic sau EA2C, cu structura cristalin de tip hexagonal. Carburile elementelor de aliere au duritatea mai mare i fragilitatea mai redus dect cele corespunztoare cementitei. Deoarece carburile sunt de obicei prezente ca faze minoritare (cu coninuturi procentuale sczute) n structura oelurilor sau fontelor aliate, influenelor pe care le au asupra proprietilor mecanice ale acestor aliaje depind n msur important de forma, modul de distribuie i gradul lor de dispersie n structur (v. scap. 3.11); carburile primare (ca faze individuale sau n alctuirea amestecului eutectic) dispuse sub form de reea la limitele cristalelor masei metalice de baz a structurii mresc rezistena mecanic i duritatea, dar diminueaz considerabil plasticitatea i tenacitatea oelurilor sau fontelor, n timp ce carburile globulare fine, uniform distribuite n matricea structural asigur oelurilor i fontelor o combinaie favorabil de caracteristici mecanice (cu valori ridicate att ale caracteristicilor de rezisten mecanic i duritate, ct i ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate).15

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

7.4. Influenele elementelor de aliere asupra transformrilor structurale n stare solid ale oelurilor i fontelorElementele de aliere prezente n compoziia oelurilor i fontelor pot influena desfurarea i efectele producerii transformrilor structurale n stare solid tipice acestor aliaje: transformarea la nclzire a perlitei n austenit, transforma la rcire a austenitei i transformarea la nclzire a martensitei (v. cap. 5). A. Influenele privind transformarea la nclzire a perlitei n austenit se pot sintetiza astfel: elementele de aliere care sunt solubile n cementit i/sau formeaz carburi stabile (cromul, molibdenul, wolframul, vanadiul etc.) diminueaz vitezele de desfsurare a etapelor de dizolvare a cementitei i/sau carburilor n austenit i de omogenizare a austenitei, deplasnd spre dreapta curbele c i d ale diagramei TTT la nclzire (v. fig. 5.1); datorit acestei influene, la nclzirea pieselor din oeluri sau fonte aliate cu astfel de elemente n vederea aplicrii de TT, obinerea structurilor cu austenit omogen presupune utilizarea unor valori ale parametrilor de regim ti, m mai mari dect cele corespunztoare cazului cnd piesele sunt confecionate din oeluri carbon sau fonte nealiate, iar la proiectarea pieselor care urmeaz a fi supuse clirii CIF nu se vor alege ca materiale astfel de oeluri sau fonte aliate, deoarece la nclzirea lor prin inducie cu cureni de nalt frecven se produce transformarea perlitei n austenit prin mecanismul fr difuzie (v. scap. 6.4.3.6) i rezult o structur cu austenit neomogen i carburi nedizolvate, improprie pentru obinerea unor structuri i proprieti mecanice convenabile dup clirea martensitic; elementele de aliere carburigene (molibdenul, niobiul, vanadiul, zirconul, titanul etc.), chiar i n concentraii foarte reduse (corespunztoare unei microalieri), reduc tendina de cretere a cristalelor de austenit la nclzire i confer oelurilor i fontelor ereditate granular fin, deoarece formeaz compui (carburi sau carbonitruri), distribuii sub form de reele peliculare intercristaline, care blocheaz creterea cristalelor de austenit pn la temperaturi ridicate (v. scap. 5.1.2), efecte similare avnd i alierea cu aluminiu, dac concentraia masic a acestui element este %Alm 0,1 % i se asigur formarea unor reele peliculare submicroscopice de nitruri sau oxizi, care constituie bariere eficiente pentru creterea granulaiei austenitei pn la temperaturi ridicate (dac %Alm > 0,1 %, nitrurile sau oxizii de aluminiu se distribuie n structur sub form de particule izolate i efectul de blocare a creterii granulaiei austenitei este anulat); singurul element de aliere care favorizeaz creterea granulaiei16

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

austenitei este manganul (element solubil n Fe i care nu formeaz carburi proprii) i, ca urmare, n compoziia oelurilor i fontelor aliate cu acest element, destinate confecionrii semifabricatelor i pieselor care se supun prelucrrii prin deformare plastic la cald sau aplicrii unor TT, trebuie introduse (n cantiti convenabile) i elemente de aliere (din gama precizat mai nainte) care s anihileze tendina spre obinerea unei granulaii grosolane indus de prezena manganului. B. Principalele influene ale elementelor de aliere asupra transformrii la rcire a austenitei sunt urmtoarele: elementele de aliere (cu excepia cobaltului), fiind (n marea lor majoritate) solubile n Fe, mresc stabilitatea austenitei n domeniul transformrilor la rcire prin mecanismele cu difuzie i intermediar i deplaseaz spre dreapta (spre durate mai lungi) curbele diagramelor de transformare izoterm i termocinetic a austenitei, micornd astfel viteza de rcire critic vrc (v. scap. 5.2.4); aceste influene importante ale prezenei elementelor de aliere n oeluri sau fonte sunt prezentate schematic de diagramele din figura 7.8 i sunt ilustrate i atestate de diagramele TTT din figurile 7.9 i 7.10, corespunztoare unor oeluri i fonte industriale;

Fig. 7.8 Prezentarea schematic a influenei elementelor de aliere asupra poziiei curbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei

elementele de aliere care nu formeaz carburi stabile (nichelul, manganul, siliciul, cuprul) au influenele anterior prezentate fr a modifica configuraia curbelor diagramelor de transformare izoterm a austenitei, n timp ce elementele de aliere care pot forma carburi (cromul, molibdenul, wolframul, vanadiul etc.) produc i modificri ale formei curbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei, acestea indicnd existena a dou puncte de maxim cinetic (tMC1 - corespunztor transformrii austenitei subrcite n perlit i tMC2 - corespunztor transformrii austenitei subrcite n bainit, v. fig. 7.11 a) sau suprimarea posibilitilor de transformare (deplasarea spre durate foarte lungi a transformrilor) prin mecanismele perlitic (v. fig. 7.11 b) sau17

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

bainitic (v. fig. 7.11 c); aceste influene ale elementelor de aliere care formeaz carburi (sugerate schematic de diagramele din figura 7.11) sunt ilustrate i atestate convingtor de diagramele TTT din figurile 7.12, 7.13 i 7.14, corespunztoare unor oeluri i fonte aliate industriale;

Fig. 7.9. Prezentarea comparativ a diagramelor de transformare (izoterm i termocinetic) a austenitei pentru dou oeluri industriale: a oel carbon (%Cm = 0,44 %); b oel aliat cu Ni (%Cm = 0,44 %, %Nim = 5 %)

elementele de aliere (cu excepia cobaltului i aluminiului) coboar temperaturile punctelor Ms i Mf, caracteristice pentru transformarea austenitei prin mecanismul fr difuzie (transformarea martensitic) i, ca urmare, determin creterea coninuturilor procentuale de austenit rezidual din structurile la ta ale oelurilor sau fontelor clite martensitic; aceste influene sunt ilustrate sintetic de diagramele din figura 7.15. Influenele elementelor de aliere asupra transformrii la rcire a austenitei (prezentate anterior) au cteva implicaii practice foarte importante:18

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Fig. 7.10. Prezentarea comparativ a diagramelor de transformare (termocinetic) a austenitei pentru dou fonte industriale: a font nodular nealiat (%Cm = 3,4 %; %Sim = 2,6 %); b font nodular aliat cu Mo (%Cm = 3,4 %; %Sim = 2,6 %; %Mom = 0,75 %)

Fig. 7.11. Prezentarea schematic a infleunelor elementelor de aliere asupra configuraiei curbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei: a diagram cu dou puncte de maxim cinetic; b diagram cu transformarea perlitic suprimat; c diagram cu transformarea baintic suprimat

micorarea vrc, produs de prezena elementelor de aliere, determin creterea substanial a clibilitii oelurilor (v. scap. 6.4.2) i, ca urmare, piesele confecionate din oeluri aliate se pot cli pe adncimi mari i/sau se pot supune clirii martensitice n medii care rcesc mai lent dect mediile de clire tradiionale (ap, ulei), ceea ce asigur niveluri mai sczute ale tensiunilor mecanice reziduale generate de clire i reduce considerabil riscul deformrii excesive sau fisurrii acestor piese (chiar i n cazul cnd acestea prezint forme complicate sau detalii constructive cu puternice efecte de concentrare a tensiunilor);19

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Fig. 7. 12. Diagramele de transformare (izoterm) a austenitei (cu dou puncte de maxim cinetic) pentru: a un oel aliat (%Cm = 0,4 %; %Nim = 1 %; %Crm = 0,5 %; %Mom = 0,2 %); b o font aliat (%Cm = 3 %; %Sim = 2 %; %Nim = 0,6 %; %Crm = 0,3 %)

Fig. 7.13. Diagrama de transformare (izoterm) a austenitei (cu transformarea perlitic suprimat) pentru un oel aliat (%Cm = 0,35 %; %Crm = 2,5 %; %Nim = 1,8 %)

Fig. 7.14. Diagrama de transformare (izoterm) a austenitei (cu transformarea bainitic suprimat) pentru un oel aliat (%Cm = 0,1 %; %Crm = 12 %; %Nim = 0,2 %)

micorarea vrc, produs de prezena elementelor de aliere, permite ca la unele oeluri i fonte aliate s se realizeze transformarea austenitei n martensit chiar i la rcirea (clirea) n aer; oelurile sau fontele aliate care prezint acest particularitate structural sunt denumite oeluri aliate martensitice (autoclibile) sau fonte aliate martensitice (autoclibile); coborrea punctului martensitic superior Ms, produs de prezena elementelor de aliere, determin la unele oeluri i fonte aliate nerealizarea transformrii martensitice prin clirea (rcirea austenitei cu o vitez vr vrc) pn la ta i meninerea unor structuri cu masa de baz austenitic dup o astfel de clire.20

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Fig. 7. 15. Influenele elementelor de aliere asupra: a temperaturii Ms; b coninutului procentual de austenit rezidual din structurile la ta ale oelurilor sau fontelor clite martensitic

C. Influenele elementelor de aliere asupra transformrii la nclzire a martensitei (transformrii la revenire a structurilor obinute prin clirea martensitic a oelurilor sau fontelor) sunt urmtoarele: elementelor de aliere prezente n oeluri i fonte produc fenomenul de stabilitate la revenire a structurilor obinute prin clirea martensitic, fenomen ce const n frnarea proceselor care au loc la revenire (datorit diminurii substaniale a vitezei de difuzie a carbonului n fier n prezena elementelor de aliere) i deplasarea acestora spre temperaturi mai ridicate i/sau durate mai mari (v. scap. 5.3); datorit acestui fenomen, aa cum se poate observa din examinarea diagramei prezentate n figura 7.16 (curbele a i b), efectul obinut prin revenire este diminuat, duritatea structurilor realizate prin revenirea cu un anumit regim (ti, m v. scap. 6.5) a oelurilor sau fontelor aliate fiind mai mare dect a structurilor care rezult tratnd n acelai fel (cu acelai regim) oelurile carbon sau fontele nealiate echivalente (avnd aceleai coninuturi de carbon, elemente nsoitoare i impuritti ca i oelurile sau fontele aliate); la oelurile (cu coninuturi ridicate de carbon) i fontele aliate cu elemente care produc coborrea punctului Ms (la care, aa cum s-a artat anterior, se obin prin clirea pna la ta structuri cu masa de baz austenitic), revenirea poate determina apariia unui fenomen numit durificare secundar, care se produce deoarece la nclzirea austenitei rezultate la clire (stabil la ta datorit coninutului mare de elemente de aliere dizolvate) procesele de difuzie a carbonului i elementelor de aliere sunt activate, se separ particule fine de carburi ale elementelor de aliere, stabilitatea austenitei se micoreaz, aceasta se transform n martensit cubic i rezult astfel o structur (alctuit din21

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

martensit i carburi) cu duritatea ridicat, care se poate transforma, dac se mresc ti i/sau m, ntr-o structur (de tip sorbit de revenire v. scap. 6.5) cu duritatea mai sczut, dar cu caracteristicile de tenacitate mai bune; efectele descrise mai nainte se pot observa examinnd configuraia curbei c din figura 7.16; la oelurile aliate cu crom, cu crom i nichel, cu mangan etc. se manifest fenomenul numit fragilitate de revenire, care poate determina, aa cum arat diagrama din figura 7.17, apariia a dou anomalii privind nivelul tenacitii (exprimat prin valoarea energiei de rupere KV) structurilor obinute la revenire (care ar trebui s creasc continuu o dat cu ridicarea temperaturii de revenire i micorarea duritii): a) oelurile revenite la ti = 200400 oC prezint un nivel sczut al energiei de rupere KV (devin fragile), fenomen care dispare dac se face o revenire la o temperatur mai mare de 400 oC i nu mai apare dac se repet revenirea la o temperatur situat ntre 200 oC i 400 oC (dect dac revenirea se aplic dup o nou operaie de clire martensitic); fragilitatea produs de revenirea la ti = 200400 oC este denumit fragilitate ireversibil, iar apariia ei este determinat de starea de tensiuni reziduale generat de producerea nesimultan n toat masa structurii a transformrii martensitei de clire i austenitei reziduale n martensit de revenire;

Fig. 7.16. Duritatea structurilor obinute prin revenirea unor oeluri clite: a oel carbon (%Cm = 0,45 %); b oel aliat (%Cm = 0,45 %;%Crm = 1,2 %; %Mom = 0,3 %) ; c oel aliat (%Cm = 1 %; %Crm = 12 % )

Fig. 7.17. Diagrama variaiei tenacitii n funcie de temperatura de revenire la un oel aliat care prezint fenomenul de fragilitate la revenire

b) oelurile revenite timp ndelungat la ti = 450550 oC i/sau rcite lent la sfritul tratamentului prezint un nivel sczut al energiei de rupere KV (devin fragile), fenomen care se manifest, dac duratele de meninere n intervalul de22

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

temperaturi situat ntre 450 oC i 550 oC sunt mari i/sau viteza de rcire este mic, chiar dac se face revenirea la ti > 550 oC; fragilitatea produs de revenirea la ti = 450550 oC, determinat de saturarea cu anumite elemente (n principal cu fosfor) a marginilor cristalelor structurii i/sau separarea la marginea cristalelor a unor compui chimici ai acestor elemente (fosfuri, carburi, nitruri) i crearea condiiilor pentru apariia unor microfisuri intercristaline (care genereaz comportarea fragil a structurii de revenire), este denumit fragilitate reversibil i poate fi contracarat prin aplicarea urmtoarelor soluii: utilizarea unor regimuri de revenire la care temperatura ti > 550 oC, durata m este scurt, iar rcirea la sfritul revenirii s face rapid (n ap sau ulei) i/sau utilizarea unor oeluri aliate suplimentar cu molibden (%Mom = 0,20,3 %) sau wolfram (%Wm = 0,51,0 %), care mpiedic desfurarea proceselor (descrise mai nainte) responsabile de apariia fenomenului.

7.5. Clasele structurale de oeluri i fonte aliateInfluenele principalelor elemente de aliere asupra structurii i propriettilor oelurilor i fontelor sunt sintetizate n tabelul 7.1. Datele din acest tabel i aspectele expuse mai nainte evideniaz complexitatea influenelor elementelor de aliere i motiveaz modul anterior de prezentare i comentare a acestora, care a presupus mprirea lor pe tipuri de influene i gruparea elementelor de aliere pe clase sau categorii n funcie de modul de aciune i de efectele prezenei lor n oeluri sau fonte. De exemplu, dac un oel este aliat cu crom, se pot preciza cu un grad mare de siguran influenele prezenei acestui element de aliere (alfagen, carburigen, care finiseaz granulaia, mrete clibilitatea, crete rezistena mecanic i duritatea etc.). n mod similar, dac oelul este aliat cu nichel, se pot estima cu o bun precizie influenele prezenei acestui element de aliere (gamagen, care mrete clibilitatea, ridic rezistena mecanic i duritatea, mbuntete tenacitatea etc.). Dac ns oelul este aliat cu crom i nichel, elemente care au i unele influene similare (mresc clibilitatea, ridic rezistena mecanic i duritatea etc.), dar i multe influene contradictorii (cromul este feritizant, n timp ce nichelul este austenitizant, cromul este carburigen, n timp ce nichelul nu formeaz carburi stabile i poate avea efect grafitizant etc.), este dificil de apreciat care sunt influenele cumulate ale prezenei celor dou elemente de aliere n compoziia oelului, influena dominant (rezultant) nefiind ntotdeauna n corelaie direct cu valorile concentraiilor acestora (de exemplu, oelul cu %Cm = 0,1 % i %Crm = 18 % aparine clasei oelurilor aliate feritice, n timp ce, dac se adaug n compoziia acestui oel i %Nim = 8 %, acesta devine un oel aliat austenitic).23

Tabelul 7.1. Influenele principalelor elemente de aliere ale oelurilor i fontelor Elementul de aliere Aluminiu Crom Cobalt Mangan Solubilitatea n stare solid1,1 % (crete cu coninutul de C) 12,8 % (20 % n oeluri cu 0,5% C) Nelimitat Nelimitat 3 % (8% n

n Fe

n Fe30 % Nelimitat 80 % 15 18 % 32 % (se reduce cu scderea temperaturii) 25 % (n funcie de coninutul de carbon)

Influena asupra feriteiDurific considerabil Durific puin; crete rezistena la coroziune Durific considerabil Durific apreciabil, reduce ntructva plasticitatea Produce durificarea prin precipitare n aliajele Mo-Fe Crete rezistena i tenacitatea Durific puternic Durific i scade plasticitatea Produce durificarea prin precipitare n aliajele Ti-Fe Produce durificarea prin precipitare n aliajele W-Fe Durificare moderat prin soluia solid

Influena asupra austeniteiIn stare dizolvat reduce viteza critic Reduce viteza de racire critic vrc n aceeai msur cu manganul Crete viteza critic

Influena exercitat prin carburi Tendina de formare a carburilorMic ; efect grafitizant Mai mare dect a Mn, dar mai mic dect a W; efect antigrafitizant La fel cu a Fe

Efectul n timpul revenirii Rezisten moderat la nmuiere Menine duritatea Foarte redus, n procentele uzuale Stabilitate la revenire Impiedic nmuierea prin durificare secundar Foarte redus

Mai mare dect a Fe, dar mai Reduce vrc n aceeai msur mic dect a Cr; cu cromul efect antigrafitizant Reduce vrc mai puternic dect cromul Reduce moderat vrc , dar stabilizeaz austenita rezidual n oelurile cu coninut ridicat de carbon Reduce vrc n aceeai msur cu manganul Reduce vrc mai mult dect nichelul Are tendin puternic de formare a carburilor i mrete viteza critic In cantiti mici, reduce vrc In stare dizolvat, reduce foarte mult vrc Puternic - mai mare dect a cromului; efect antigrafitizant Mai mic dect a Fe; efect grafitizant Nul; efect grafitizant Mai mic dect a Fe; efect grafitizant Cea mai mare (2% Ti face neclibil un oel cu 0,5% C prin legarea carbonului n carburi stabile) Puternic Foarte puternic (mai mic dect a Ti sau Nb); efect antigrafitizant

Molibden oeluri cu 0,3% C) Nichel Fosfor Siliciu TitanNelimitat

2,5 % (n funcie de coninutul de carbon) 2,0 % (9 % n 18,5 % (nu depinde oeluri cu 0,3% C) mult de carbon) 0,5 % 0,75 % (1% n oeluri cu 0,2% C) 6 % (11 % n 6 % (se reduce cu scderea temperaturii) 32 % (se reduce cu scderea temperaturii) Nelimitat

Menine duritatea prin dizolvare n soluie Carburile stabile nu afecteaz revenirea, producndu-se totui o oarecare durificare secundar Impiedic nmuierea prin durificare secundar Durificare secundar maxim

Wolfram oeluri cu 0,2% C) Vanadiu1,5% (4%n oeluri cu 0,2% C)

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

innd seama de aceste observaii, s-a ajuns la concluzia c, pentru a defini i preciza cu o bun fidelitate efectele elementelor de aliere asupra oelurilor, este necesar, pe lng clasificarea oelurilor n funcie de gradul de aliere (prezentat n scap. 7.1) i mprirea lor n clase structurale, n funcie de constituenii din structura de echilibru stabil sau metastabil pe care o prezint la ta, dup rcirea lent sau n aer de la temperaturi nalte. Principalele clase structurale de oeluri aliate sunt prezentate n continuare. A. Oelurile aliate perlitice sunt oeluri slab sau mediu aliate la care se produc, la nclzire sau rcire, aceleai transformri structurale ca i la oelurile carbon. Elementele de aliere prezente n compoziia acestor oeluri pot avea influene multiple (se dizolv n ferit, austenit sau cementit, pot forma carburi proprii, modific poziiile punctelor critice A1 i A3, reduc concentraia carbonului n perlit, se pot separa din austenit sub form de carburi secundare, influeneaz desfurarea transformrilor n stare solid etc.), dar structurile de echilibru la ta ale oelurilor sunt similare celor corespunztoare oelurilor carbon, constituentul omniprezent fiind perlita; astfel, oelurile aliate perlitice au structura de echilibru la ta alctuit din ferit (aliat) i perlit, dac sunt oeluri hipoeutectoide, numai din perlit, dac sunt oeluri eutectoide sau din perlit i carburi (cementit aliat sau carburi secundare), dac sunt oeluri hipereutectoide, iar microstructurile acestor oeluri sunt similare celor corespunztoare oelurilor carbon (v. tabelul 4.2). Semifabricatele i piesele confecionate din oeluri aliate perlitice pot fi tratate termic sau termochimic, categoriile i tipurile de tratamente care se pot aplica fiind aceleai ca i n cazul semifabricatelor i pieselor realizate din oeluri carbon (recoacerile fr schimbare de faz, recoacerile cu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea, tratamentele termochimice); evident, la proiectarea regimurilor i estimarea efectelor tratamentelor termice sau termochimice care se aplic semifabricatelor sau pieselor din oeluri aliate perlitice se va ine seama de influenele specifice prezenei elementelor de aliere: modificarea poziiei punctelor critice A1, A3, Ms (v. relaiile (6.4)(6.6)), reducerea concentraiei carbonului n perlit, finisarea granulaiei, mrirea clibilitii, producerea fenomenului de stabilitate la revenire etc. Pentru oelurile aliate perlitice, utilizate n mod obinuit la realizarea pieselor pentru maini i utilaje, avnd compoziia chimic caracterizat prin %Cm 0,6 %; 0,5 % %Sim 2,0 %; 0,8 % %Mnm 2,0 %; %Crm 3 %; %Nim 3 %; %Mom 0,5 %; %Vm 0,1, duritatea structurii care se obine la rcirea din domeniul austenitic (ti = A3 + 3050 oC), cu o anumit vitez vr (exprimat n oC/s), se poate estima cu relaia: (7.1) HVST = (%,P)HV,P + (%B)HVB + (%M)HVM , n care (%,P), (%B) i (%M) sunt coninuturile procentuale de formaiuni feritoperlitice, bainitice i martensitice din structur, iar HV,P, HVB i HVM sunt25

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

duritile celor trei tipuri de formaiuni structurale, date de relaii de forma: (7.2) HVST = a0 + a EA % EAm + [b0 + bEA %EAm ] lg v r , coeficienii a0, aEA, b0, bEA avnd valorile (stabilite experimental) precizate n tabelul 7.2.Tabelul 7.2 Valorile coeficienilor din relaiilede estimare a duritii oelurilor aliate perlitice Tipul structurii Ferit + perlit Bainit Martensit Tipul structurii Ferit + perlit Bainit Martensit ST

a077,6 -6,5 202

aC223 377 949

aSi-14,6 134 27,0

aMn30,0 74,8 11,0

aCr35,5 72,9 16,0

aNi27,2 29,4 8,0

aMo19,0 73,6 0

aV462 0 0

,PB M ST

b010,0 89,0 21,0

bC0 54,0 0

bSi-19,0 -55,0 0

bMn0 -22,0 0

bCr8,0 -20,0 0

bNi4,0 -10,0 0

bMo0 -33,0 0

bV130 0 0

,PB M

De asemenea, dac oelurilor aliate perlitice destinate realizrii pieselor pentru maini i utilaje (avnd caracteristicile de compoziie chimic n limitele anterior precizate) li se aplic TT de mbuntire (clire martensitic + revenire nalt, v. scap. 6.5), parametrii ti i m ai ciclului de revenire se stabilesc innd seama de intervenia fenomenului de stabilitate la revenire. Astfel, aa cum s-a constatat experimental, pentru un regim de revenire caracterizat printr-o valoare dat a parametrului PHJ = Ti[18 + lg(m)], cu Ti = ti + 273 n K i m n ore (v. scap. 6.5), exist urmtoarea corelaie ntre duritatea HVrOA , corespunztoare structurii obinute dup revenirea unui oel aliat i duritatea HVrOC , corespunztoare structurii rezultate dup revenirea oelului carbon echivalent (care are aceeai concentraie masic de carbon ca i oelul aliat): HVrOA = HVrOC +30(%Sim+%Mnm)+55%Crm+6%Nim+100%Mom+150%Vm, (7.3) iar regimurile de revenire se pot proiecta fr dificultate, avnd n vedere c: PHJ = 21900 + 4050%C m (33,2 13%C m ) HVrOC , dac HVrOC se situeaz n intervalul de valori [150 ; 300] i PHJ = 17670 + 7950%C m 21,8HVrOC , dac HVrOC > 300.26

(7.4)

(7.5)

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

B. Oelurile aliate feritice sunt oeluri cu coninut sczut de carbon, mediu sau nalt aliate cu elemente alfagene (Cr, Si, Mo, W, V etc. ), care le confer, la orice temperatur corespunztoare strii solide, o structur alctuit din ferit aliat (i, eventual, mici cantiti de carburi ale elementelor de aliere). Microstructurile tipice ale oelurilor din aceast clas structural sunt prezentate n figura 7.18. Deoarece aceste oeluri nu prezint transformri de faz n stare solid (elementele de aliere elimin posibilitatea realizrii transformrilor de tipul Fe Fe i ), la piesele i semifabricatele confecionate din astfel de oeluri nu se pot aplica tratamentele termice cu schimbare de faz (recoacerile cu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea), fiind posibil numai aplicarea tratamentelor termice fr schimbare de faz: recoacerea de omogenizare (pentru omogenizarea chimic a structurilor dendritice primare ale pieselor i semifabricatelor obinute prin turnare), recoacerea de recristalizare far schimbare de faz (pentru refacerea plasticitii pieselor i semifabricatelor prelucrate prin deformare plastic la rece) i recoacerea de detensionare (pentru diminuarea nivelului tensiunilor reziduale din piesele i semifabricatele prelucrate prin diverse procedee tehnologice); singura modalitate de modificare (ntre anumite limite) a granulaiei i caracteristicilor mecanice ale pieselor i semifabricatelor din oeluri aliate feritice const din aplicarea unor operaii de deformare plastic la rece (ecruisare), urmate de recoaceri de recristalizare fr schimbare de faz (cu regimul ales corespunztor asigurrii caracteristicilor dorite).

Fig. 7. 18. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate feritice: a oel feritic aliat cu crom (%Cm = 0,06 %;%Crm = 12 %), cu structura alctuit din ferit aliat cu crom (cromferit) i carburi; b - oel feritic aliat cu siliciu (%Cm = 0,05 %;%Sim = 3,0 %), cu structura monofazic alctuit din cristale de ferit aliat cu siliciu

C. Oelurile aliate austenitice sunt oeluri ce au n compoziie concentraii mari de elemente gamagene (Ni, Mn etc.), care le confer, la orice temperatur corespunztoare strii solide, o structur alctuit din austenit aliat (i, eventual, mici cantiti de cementit aliat sau carburi ale elementelor de aliere). Cele mai utilizate tipuri de oeluri din aceast clasa sunt oelurile austenitice manganoase, la care structura austenitic este conferit de alierea cu27

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

mangan, oelurile austenitice cu nichel i oelurile austenitice crom nichel, la care structura austenitic este conferit de alierea cu nichel i, uneori, de alierea suplimentar cu mangan i/sau azot, care asigur formarea structurii austenitice la concentraii mai mici ale nichelului (face oelurile mai ieftine, deoarece resursele mondiale de nichel sunt limitate i acest element este scump) i meninerea acestei structuri pn la temperaturi sczute (stabilizarea structurii austenitice). Microstructurile tipice ale oelurilor din aceast clas structural sunt prezentate n figura 7.19. Deoarece aceste oeluri nu prezint transformri de faz n stare solid (elementele de aliere elimin posibilitatea realizrii transformrilor de tipul Fe Fe i ), la piesele i semifabricatele confecionate din astfel de oeluri nu se pot aplica tratamentele termice cu schimbare de faz (recoacerile cu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea), fiind posibil numai aplicarea tratamentelor termice fr schimbare de faz: recoacerea de omogenizare (pentru omogenizarea chimic a structurilor dendritice primare ale pieselor i semifabricatelor obinute prin turnare), recoacerea de recristalizare far schimbare de faz (pentru refacerea plasticitii pieselor i semifabricatelor prelucrate prin deformare plastic la rece) i recoacerea de detensionare (pentru diminuarea nivelului tensiunilor reziduale din piesele i semifabricatele prelucrate prin diverse procedee tehnologice); ca i n cazul oelurilor aliate feritice, singura modalitate de modificare (ntre anumite limite) a granulaiei i caracteristicilor mecanice ale pieselor i semifabricatelor din oeluri aliate austenitice const din aplicarea unor operaii de deformare plastic la rece (ecruisare), urmate de recoaceri de recristalizare fr schimbare de faz (cu regimul ales corespunztor asigurrii caracteristicilor dorite). D. Oelurile aliate martensitice (autoclibile) sunt oeluri la care concentraiile de carbon i de elemente de aliere sunt alese astfel nct s nu suprime posibilitile de realizare a transformrilor de faz n stare solid i s asigure o diminuarea a vitezei de rcire critice care s permit obinerea unei structuri martensitice la rcirea n aer din domeniul austenitic. Deoarece, aa cum s-a precizat anterior, toate elementele de aliere (n afar de cobalt) au capacitatea de a micora vrc, gama oelurilor martensitice ar trebui s aib o mare extindere; gama oelurilor aliate martensitice utilizate n aplicaii tehnice este ns destul de restrns, deoarece oelurile martensitice aliate cu elemente gamagene (Ni sau Mn), fiind caracterizate printr-o mare fragilitate, se folosesc foarte rar i singurele oelurile martensitice cu o frecven mai mare de utilizare sunt oelurile nalt aliate cu crom, cu diferite reete de compoziie: a) %Cm < 0,15 % i %Crm = 1214 %; b) %Cm = 0,20,4 % i %Crm = 1315 %; c) %Cm = 0,61,0 %; %Crm = 1618 %; d) %Cm = 0,10,2 %; %Crm = 1618 %; %Nim = 24 %. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate martensitice (autoclibile) sunt prezentate n figura 7.20.28

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Fig. 7. 19. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate austenitice: a oel austenitic aliat cu mangan (%Cm = 1,2 %; %Mnm = 12 %); b - oel austenitic aliat cu nichel (%Cm = 0,08 %; %Nim = 12 %); c - oel austenitic aliat cu crom i nichel (%Cm = 0,05 %; %Crm = 18 %; %Nim = 8 %; ); d - oel austenitic aliat cu crom i nichel (%Cm = 0,4 %; %Crm = 25 %; %Nim = 30 %; )

Fig. 7. 20. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate martensitice: a oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 0,4 %; %Crm = 14 %); b - oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 0,22 %; %Crm = 14 %); 29

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

E. Oelurile aliate ledeburitice sunt oeluri care au n compoziie concentraii mari de carbon (de obicei, %Cm > 0,6 %) i de elemente de aliere (Cr, W, V, Mo etc.), astfel c la rcirea lor din stare lichid este posibil realizarea transformrii eutectice i apariia n structur a unor mici cantiti de ledeburit (constituent specific structurii fontelor albe). n funcie de concentraiile de carbon i de elemente de aliere ce le caracterizeaz compoziia, formaiunile ledeburitice din structura acestor oeluri pot fi disperse, aa cum se observ pe microstructura prezentat n figura 7.21 a, sau coerente, sub forma unei reele ledeburitice intergranulare (denumit n tehnic schelet ledeburitic), aa cum evideniaz microstructura din figura 7.21 b, ambele microstructuri corespunznd unor oeluri aliate ledeburitice clite martensitic (formaiunile ledeburitice sunt dispuse la marginea cristalelor de austenit, din care s-au separat carburi secundare i care s-au transformat prin clire n martensit).

Fig. 7. 21. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate ledeburitice: a oel ledeburitic aliat cu crom i molibden (%Cm = 0,85 %; %Crm = 12 %; %Mom = 3 %); b - oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 1,35 %; %Crm = 12 %);

Clasa structural creia aparine un oel aliat depinde de concentraia carbonului, precum i de tipul i concentraiile elementelor de aliere coninute de acesta. Pentru estimarea clasei structurale a oelurilor aliate se folosesc diagramele structurale ale oelurilor aliate, construite experimental pentru cele mai utilizate categorii de astfel de oeluri. Diagramele structurale din figura 7.22, corespunztoare unor oeluri aliate cu elemente alfagene (Cr, Si, W etc.) i din figura 7.23, corespunztoare unor oeluri aliate cu elemente gamagene (Ni, Mn etc.) sunt realizate n coordonate %Cm; %EAm. Pentru estimarea clasei structurale a oelurilor aliate complex, avnd n compoziie att elemente alfagene, ct i elemente gamagene, se utilizeaz diagrama structural A. Schaeffler, prezentat n figura 7.24, avnd n abscis concentraia de crom echivalent %Cre, iar n ordonat concentraia de nichel echivalent %Nie. Fiecare din cele dou mrimi care definesc sistemul de coordonate al diagramei structurale A. Schaeffler30

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

grupeaz cte o categorie de componente de aliere ale oelurilor: concentraiile masice ale elementelor de aliere alfagene (feritizante) sunt considerate (fiecare cu cte un factor de multiplicare stabilit experimental) pentru definirea mrimii %Cre, iar concentraiile masice ale elementelor de aliere gamagene (austenitizante) sunt considerate (fiecare cu cte un factor de multiplicare stabilit experimental) pentru definirea mrimii %Nie. Pentru definirea mrimilor %Cre i %Nie se utilizeaz relaiile: (7.6) %Cre = %Crm + %Mom +1,5%Sim +0,5%Nbm, (7.7) %Nie = %Nim + 0,5%Mnm +30%Cm , care se completeaz uneori, adugnd 2%Tim + %Vm + 0,5%Tam + %Wm + %Alm la determinarea %Cre i 0,5%Com +30(%Nm Xc) la determinarea Nie, termenul de corecie Xc lundu-se nenul, dac %Crm 18 % (Xc = 0,06, dac 18 %Crm 500 oC; c) prin rcirea rapid n ap sau ulei la revenire; d) prin alierea suplimentar cu mangan? T.7.26. Pentru stabilirea clasei structurale a unui oel aliat, avnd compoziia caracterizat prin %Cm = 0,05 %, %Mn = 2,0 %, %Sim = 0,8 %, %Crm = 17 % i %Nim = 10 % se folosete diagrama structural A. Schaeffler. Care sunt coordonatele PCN corespunztor acestui oel: a) %Cre = 18,2 %;37

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

%Nie = 11,5 %; b) %Cre = 18,2 %; %Nie = 12,5 %; c) %Cre = 12,5 %; %Nie = 18,2 %; d) %Cre = 20,5 %; %Nie = 12,5 %? T.7.27. Crei clase structurale aparine oelul cu %Cm = 0,08 %, aliat cu %Crm = 17 %: a) clasa oelurilor feritice; b) clasa oelurilor martensitice; c) clasa oelurilor ledeburitice; d) clasa oelurilor austenitice? T.7.28. Crei clase structurale aparine oelul cu %Cm = 0,03 %, %Mn = 1,2 %, %Sim = 0,6 %, %Crm = 25 % i %Nim = 0,5 %: a) clasa oelurilor feritice; b) clasa oelurilor martensitice; c) clasa oelurilor ledeburitice; d) clasa oelurilor austenitice? T.7.29. Care dintre urmtoarele probleme poate s apar la utilizarea oelului cu %Cm = 0,02 %, %Mn = 1,2 %, %Sim = 0,6 %, %Crm = 20,5 % i %Nim = 10 %: a) fragilizarea prin apariia fazei sigma; b) fragilizarea (fisurarea) la cald; c) fragilizarea (fisurarea) la rece; d) fragilizarea datorit creterii intense a granulaiei la nclzire? T.7.30. Care din urmtoarele tipuri de fonte aliate au grafit n structur: a) fontele aliate cu siliciu; b) fontele nalt aliate cu crom; c) fontele aliate cu vanadiu; d) fontele nalt aliate cu nichel?

AplicaiiA.7.1. n figura 7.27 se prezint diagramele de transformare termocinetic a austenitei pentru un oel slab aliat, avnd compoziia chimic definit prin %Cm = 0,44 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Sm = 0,030 %; %Pm = 0,025 %; %Crm = 1,05 %; %Nim = 0,26 %; %Mom = 0,04 %; %Vm = 0,01 % i pentru oelul carbon echivalent (cu compozia chimic definit prin %Cm = 0,44 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Sm = 0,030 %; %Pm = 0,025 %). Folosind datele din aceste diagrame i aplicnd relaiile (7.1) i (7.2) s se estimeze valorile duritii structurilor care rezult la rcirea celor dou oeluri, din domeniul austenitic i pn la ta, cu diferite viteze vr. Rezolvare Aa cum se poate observa examinnd figura 7.27, pe fiecare din diagramele de transformare a austenitei sunt trasate cte n curbe de rcire, fiecrei curbe de rcire corespunzndu-i o vitez de rcire vrj, j = 1n i o anumit alctuire a structurii care rezult prin rcirea austenitei cu aceast vitez. Coninuturile procentuale de formaiuni ferito-perlitice (%,P)j, bainitice (%B)j i martensitice (%M)j n structurile care rezult prin rcirea austenitei dup curbele de rcire j = 1n sunt precizate pe diagramele din figura 7.27, iar valorile vitezelor de rcire corespunztoare acestor curbe se determin, folosind procedeul descris la rezolvarea aplicaiei A.5.3, cu ajutorul relaiei (5.10); datele care se obin pe aceast cale sunt prezentate n tabelul 7.3.38

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

a.

b.Fig 7.27. Diagramele transformrii termocinetice a austenitei pentru dou oeluri cu %Cm = 0,44 %: a oel slab aliat cu Cr, Ni,Mo i V; b oel carbon 39

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabelul 7.3. Vitezele de rcire i alctuirea structurilor corespunztoare curbelor de rcire din diagramele prezentate n figura 7.27 Alctuirea structurii t1j, t2j, vrj, 1j, 2j, o o o C C C/s (%B)j (%M)j s s (%,P)j OTEL ALIAT 12300 750 40000 650 100 3,610-3 -2 1000 750 3500 650 100 4,010 -1 150 750 500 650 100 2,910 60 750 160 650 1,0 100 25 750 100 650 1,3 56 25 19 9 750 56 650 2,1 7 60 33 7 750 24 650 5,9 2 70 28 5 750 17 650 8,3 60 40 3 750 10 650 14,3 5 95 1 750 4 650 33,3 3 97 0,8 750 3 650 45,5 100 OTEL CARBON 4150 750 16100 650 100 8,410-3 100 750 360 650 100 3,810-1 3 750 20 650 5,9 100 0,9 750 5 650 24,4 100 0,5 750 2 650 66,7 90 5 5 0,5 721 1,5 650 71,0 73 17 10 0,5 706 1,2 650 80,0 13 20 67 0,5 693 0,7 650 215,0 2 98

Curba de rcire j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8

Aplicnd relaiile (7.1) i (7.2) pentru datele din tabelul 7.3 s-au obinut rezultatele prezentate n tabelul 7.4, cu ajutorul crora s-au construit, pentru cele dou oeluri considerate, graficele dependenelor HVST = f(vr), reprezentate n figura 7.28.

Fig.7.28. Graficele dependenelor HVST = f(vr) pentru cele dou oeluri considerate n aplicaia A.7.1. 40

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate Tabelul 7.4. Duritile structurilor obinute la rcirea austenitei dup curbele de rcire reprezentate pe diagramele din figura 7.27 Curba de rcire j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8o

vrj, C/s

Duritileformaiunilor structurale HV,P 206 223 237 246 248 251 259 184 194 201 205 207 207 208 HVB OTEL ALIAT 342 354 380 389 402 424 OTEL CARBON 400 402 407 442 HVM 656 660 669 672 677 685 688 673 673 674 683

Duritatea structurii HVST 206 223 237 246 349 448 459 502 664 677 688 184 194 201 205 240 287 560 678

3,610-3 4,010-2 2,910-1 1,0 1,3 2,1 5,9 8,3 14,3 33,3 45,5 8,410-3 3,810-1 5,9 24,4 66,7 71,0 80,0 215,0

Observaie Rezultatele aplicaiei evideniaz cteva aspecte practice importante privind oelurile aliate hipoeutectoide din clasa perlitic, utilizate cu precdere la fabricarea pieselor pentru maini i utilaje: structurile de echilibru (ferito perlitice) ale acestor oeluri au duriti similare celor corespunztoare structurilor de echilibru ale oelurilor carbon echivalente; ca urmare, punerea n valoare a prezenei elementelor de aliere coninute de aceste oeluri este posibil numai prin aplicarea de TT capabile s asigure realizarea unor structuri cu coninuturi procentuale mari de formaiuni bainitice i/sau martensitice, care confer oelurilor caracteristici ridicate de rezisten mecanic i duritate; la aceste oeluri, structurile cu caracteristici ridicate de rezisten mecanic i duritate se pot obine i la rcirea austenitei cu viteze mult mai mici dect cele necesare pentru realizarea acelorai efecte la oelurile carbon41

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

echivalente; de exemplu, aa cum se poate observa examinnd graficele din figura 7.28, pentru obinerea structurii complet martensitice la oelul aliat sunt necesare viteze de rcire vr 45 oC/s (asigurate de clirea n ulei, v. fig.5.17), n timp ce pentru realizarea aceleiai structuri la oelul carbon echivalent trebuie folosite viteze de rcire vr > 200 oC/s (asigurate numai de rcirea n ap, v. fig. 5.17), care determin creterea nsemnat a nivelului tensiunilor reziduale induse n piesele clite i apariia pericolului fisurrii acestora. A.7.2. Pentru realizarea unor piese de tip arbore sunt disponibile semifabricate confecionate din dou sortimente de oel: a) oel aliat, cu compoziia chimic definit prin %Cm = 0,45 %; %Sim = 0,3 %; %Mnm = 0,6 %; %Crm = 1,2 %; %Mom = 0,3 % i b) oel carbon, cu compoziia chimic definit prin %Cm = 0,45 %; %Sim = 0,3 %; %Mnm = 0,6 %. S se stabileasc i s se compare regimurile TT de mbuntire care asigur pieselor de tip arbore confecionate din cele dou oeluri un nivel al duritii finale de 280 HV. Rezolvare Aa cum este cunoscut din scap. 6.5, TT de mbuntire const dintr-un ciclu primar de clire martensitic i un ciclu final de revenire nalt. Conform indicaiilor din scap. 6.4, clirea martensitic a oelurilor (carbon sau aliate perlitice) hipoeutectoide trebuie realizat cu urmtorul regim: ti = A3 + 30 50 oC, vi < vad, m = 5 10 min i rcirea n ap sau ulei. Aplicnd relaia (6.4), rezult c pentru oelurile cu compoziiile chimice precizate n enun, valorile punctului critic A3 sunt: A3 823 oC, pentru oelul aliat i A3 810 oC, pentru oelul carbon i, ca urmare, regimurile TT de clire martensitic pentru piesele confecionate din cele dou sortimente de oel vor fi asemntoare: ti = 850870 oC, m = 510 min i rcirea n ap sau ulei; innd seama de influenele elementelor de aliere, la realizarea TT de clire la piesele din oel aliat se recomand utilizarea unor valori ale ti i m ctre limitele superioare ale intervalelor de valori prescrise (deoarece prezena elementelor de aliere frneaz procesele de obinere a austenitei omogene) i rcirea n ulei (deoarece elementele de aliere reduc vrc i mresc clibilitatea oelului), iar la aplicarea TT de clire la piesele din oel carbon se vor alege ti i m ctre limitele inferioare ale intervalelor de valori prescrise i se va face rcirea n ap (pentru a se asigura formarea unei structuri martensitice). Dup clire, duritatea pieselor confecionate din cele dou sortimente de oel va fi aproximativ identic (deoarece duritatea martensitei depinde esenial de concentraia carbonului n oel, v. scap. 5.2.2), apropiat de valoarea dat de relaia (6.8), HM 58 HRC (660 HV). Pentru proiectarea regimului de revenire nalt a pieselor din oel carbon, se stabilete valoarea necesar a parametrului PHJ = Ti[18 +lg(m)],42

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

folosind relaia (7.4), n care se consider HVrOC = 280 i %Cm = 0,45 %; rezult: PHJ = 21090 + 40500,45 (33,2 - 130,45)280 = 15255. Dac se adopt o durat de meninere la revenire m = 5 ore, rezult c temperatura la care trebuie efectuat revenirea pentru a se asigura nivelul calculat al PHJ este: Ti =15255 18 + lg 5

816 K sau ti 540 oC. Ca urmare, un regim de revenire care

confer pieselor din oel carbon nivelul impus al duritii finale are paremetrii: ti 540 oC; m = 5 ore i rcirea n aer (rcirea nu influeneaz calitatea pieselor din oel carbon supuse revenirii). Dac se folosete acelai regim la revenirea pieselor din oel aliat, va rezulta, n conformitate cu relaia (7.3), un nivel al duritii finale HVrOA = 280 + 551,2 + 1000,3 = 376. Interpretnd corespunztor relaiile (7.3) i (7.4), rezult c, pentru a realiza pe piesele din oel aliat un nivel al duritii dup revenire HVrOA = 280, este necesar s se utilizeze un regim de revenire care asigur la piesele din oel carbon un nivel al duritii HVrOC = 280 551,2 1000,3 = 184; utiliznd relaia (7.4), rezult c, pentru satisfacerea acestei condiii, trebuie ca valoarea parametrului PHJ s fie: PHJ = 21090 + 40500,45 (33,2 130,45)184 = 17880. Dac se adopt o durat de meninere la revenire m = 5 ore, rezult c temperatura la care trebuie efectuat revenirea pentru a asigurarea acestui nivel al PHJ 17880 este: Ti = 956 K sau ti 680 oC. Ca urmare, un regim de revenire care18 + lg 5

confer pieselor din oel aliat nivelul impus al duritii finale are parametrii: ti 680 oC; m = 5 ore i rcirea n aer (deoarece oelul este aliat cu Mo i nu exist pericolul de a se manifesta fragilitatea reversibil la revenire). Observaii Rezolvarea aplicaiei evideniaz efectele fenomenului de stabilitate la revenire, indus de prezena elementelor de aliere dintr-un oel. Aceste efecte pot fi mai sugestiv ilustrate, dac se construiesc, pentru oelul aliat i pentru oelul carbon echivalent, graficele dependenelor HVr = f(ti), corespunztoare unei durate de meninere la revenire m = ct; coordonatele punctelor acestor grafice se obin cu ajutorul relaiilor (7.3), (7.4) i (7.5). n figura 7.29 sunt prezentate graficele construite pentru oelurile precizate n enunul aplicaiei, considernd o durat de revenire m = 5 ore. Rezultatele aplicaiei nu trebuie s conduc la concluzia c, n general, TT de revenire a pieselor din oel aliat este mai costisitor dect cel aplicat pieselor diun oel carbon (datorit necesitii utilizrii unor temperaturi de nclzire i/sau unor durate de meninere mai mari). n mod43

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

obinuit, atunci nd se utilizeaz oeluri aliate se prescriu i niveluri mai ridicate ale rezistenei mecanice i duritii, pentru a valorifica corespunztor cheltuielile suplimentare datorit alierii i se pot utiliza regimuri de revenire asemntoare celor aplicabile la oelurile carbon echivalente. De exemplu, aa cum a rezultat la rezolvarea aplicaiei, dac la piesele din oel carbon se prescrie ca duritate dup mbuntire s fie HVrOC = 280 (corespunztoare unei rezistene la traciune Rm 900 N/mm 2 ), iar la piesele din oel aliat se prescrie ca duritatea dup mbuntire s fie HVrOA 370 (corespunztoare unei rezistene la traciune Rm 1200 N/mm 2 ), regimurile TT de revenire, impuse de realizarea acestor caracteristici vor fi identice.

Fig. 7.29. Graficele dependenelor HVr = f(ti) pentru un oel aliat de tip Cr-Mo i pentru oelul carbon echivalent

A.7.3. Stiind c viteza asigurat la rcirea n aer linitit a pieselor din oeluri este vr = 0,25 1 oC/s, s se analizeze dac oelul aliat, cu compoziia chimic definit prin: %Cm = 0,8 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Crm = 6 %; %Mom = 1 %, avnd diagrama de transformare termocinetic a austenitei prezentat n figura 7.30, poate fi ncadrat n clasa structural a oelurilor aliate martensitice. Rezolvare Folosind procedura descris la rezolvarea aplicaiei A.5.4, s-au stabilit coordonatele punctelor ce descriu curbele de rcire cu vitezele vr1 = 0,25 oC/s i vr2 = 1 oC/s i s-au trasat aceste curbe pe diagrama de transformare termocinetic a austenitei (v. fig. 7.30). Se observ astfel c rcirea n aer a austenitei conduce la obinerea unei structuri complet martensitice i, deci, oelul avnd compoziia chimic precizat n enunul aplicaiei aparine clasei structurale a oelurilor aliate martensitice.44

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

Fig. 7.30. Diagarma transformrii termocinetice a austenitei la un oel cu %Cm = 0,8 %, %Crm = 6 %; %Mom = 1 %

Observaie Otelul considerat n aceast aplicaie este aliat numai cu elemente alfagene, n concentraiile %Crm = 6 %; %Mom = 1 %. Dac se folosete relaia (7.6), se obine %Cre = 7 %. Poziionnd pe diagrama structural din figura 7.22 b punctul caracteristic nominal al oelului, avnd coordonatele (%Cm = 0,8 %; %Cre = 7 %), rezult i pe aceast cale c oelul analizat aparine clasei structurale a oelurilor aliate martensitice. A.7.4. Pentru elaborarea unei arje de 100 kg de oel aliat se topesc, ntr-un cuptor electric cu inducie, deeuri de oel, cu compoziiile chimice i n cantitile indicate n tabelul 7.5. S se estimeze compoziia chimic i clasa structural corespunztoare oelului elaborat, considernd c, la elaborarea oelului n cuptorul electric cu inducie, modificrile compoziiei chimice a materiilor prime sunt neglijabile. Rezolvare Pentru a da caracter general algoritmului de soluionare a problemei, se considr c sunt disponibile n sortimente de deeuri de oel, n cantitile mj, j = 1...n ( M = m j ) i avnd compoziiile chimice, exprimate prin concentraiilej =1 n

45

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

masice ale elementelor de aliere (inclusiv carbonul) %EAmj (%Cmj; %Simj; %Mnmj, %Crmj; %Nimj; %Momj), j = 1...n, cunoscute. Utiliznd relaiile (7.3) i (7.4), se calculeaz, pentru toate sortimentele de deeuri (materii prime), valorile parametrilor %Crej i %Niej, j = 1...n i ponderea fiecruia din ele n ncrctura utilizat la elaborarea arjei c j = M , j = 1...n. Folosind rezultatele obinute, se calculeaz valorile parametrilor %Cre i %Nie, corespunztoare arjei de oel aliat elaborate, cu relaiile: %Cre = c j %Crej ; % Niej = c j % Niej .j =1 j =1 n n mj

Punctul O, avnd coordonatele (%Cre; %Nie), reprezint n diagrama structural A. Schaeffler punctul caracteristic nominal al arjei de oel aliat elaborate (O PCN), pozia sa permind precizarea clasei structurale a oelului. Evident, compoziia chimic a oelului elaborat se poate estima cu ajutorul unor relaii de forma: % EAm = c j % EAmj ,j =1 n

n care EA se consider, pe rnd, a fi C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo.Tabelul 7.5. Compoziiile chimice ale materiilor prime disponibile pentru elaborarea unei arje de oel aliat Materia prim, j= 1 2 3 n=4

Concentraiile masice ale componentelor de aliere %Cm0,02 0,02 0,03 0,18

%Sim0,6 0,4 0,6 0,8

%Mnm2,0 1,2 0,6 0,8

%Crm19,0 25,0 18,5 12,0

%Nim12,5 10,0 0,20 0,30

%Mom3,8 1,5 1,0

Cantitatea mj, kg 50 25 15 10

Aplicnd procedura descris anterior pentru datele precizate n enun, se obin rezultatele redate n tabelul 7.6. Compoziia chimic a arjei de oel aliat elaborate este: %Cm = 0,0375 %; %Sim = 0,570 %; %Mnm = 1,470 %; %Crm = 19,725 %; %Nim = 8,810 %; %Mom = 1,275 %, iar poziia punctului caracteristic nominal O(%Cre; %Nie) n diagrama din figura 7.31 indic apartenena acestui oel la clasa structural a oelurilor aliate austenito feritice. Observaie Pentru rezolvarea problemei se poate utiliza i o procedur grafic recursiv, care evideniaz modalitatea uzual de lucru pe diagrama structural A. Schaeffler la soluionarea aplicaiilor practice. Aceast procedur conine urmtoarea succesiune de etape: se determin, cu relaiile (7.2) i (7.3), pentru fiecare sortiment de deeuri valorile parametrilor %Crej i %Niej i se reprezint pe diagrama46

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

structural A. Schaeffler punctele caracteristice nominale corespunztoare acestora Oj(%Crej; %Niej), j = 1n;Tabelul 7.6. Rezultatele aplicaiei A.7.4.

Materia prim, j =1 2 3 n=4

%Cre19,9 29,4 20,9 14,2

%Nie14,1 11,2 1,4 6,1

Clasa structuralAustenitic Austenito feritic Feritic Ferito martensitic

cj0,50 0,25 0,15 0,10

OTELUL ELABORAT

21,855

10,670

Austenito feritic

se consider c arja de oel aliat rezult prin topirea succesiv a cte unei perechi de materii prime MP i rezult: * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1 i m2 de deeuri din primele dou sortimente, notat O1,2, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1O2 n dou pri proporionale cu ponderile participrii acestor dou sortimente de materie prim (c1 = 1 c2; c2 =m2

Fig. 7. 31. Reprezentarea pe diagrama structural A. Schaeffler a rezultatelor aplicaiei A.7.4

mjj =1

2

) i are coordonatele %Cre1,2 = c1%Cre1 + c2%Cre2

i %Nie1,2 = c1%Nie1 + c2%Nie2;47

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

* punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1,2 = m1 + m2 i m3 de deeuri din sortimentele (1,2) i 3, notat O1,3, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,2O3 n dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim (c1,2 = 1 c3; c3 =m3

mjj =1

3

) i are coordonatele %Cre1,3 = c1,2%Cre1,2 + c3%Cre3 i

%Nie1,3 = c1,2%Nie1,2 + c3%Nie3; * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1,k = m j i mk+1 de deeuri din sortimentele (1,k) i k+1,j =1 k

notat O1,k+1, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,kOk+1 n dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim (c1,k = 1 ck+1; ck +1 =m k +1k +1 j =1

) i are coordonatele

mj

%Cre1,k+1 = c1,k%Cre1,k + ck+1%Crek+1 i %Nie1,k+1 = c1,k%Nie1,k + ck+1%Niek+1; * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind mpreun masele m1,n1 = m j i mn de deeuri din sortimentelej =1 n 1

(1,n-1) i n, notat O, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,n-1On n dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim (c1,n-1 = 1 cn ; cn =mn

mjj =1

n

=

mn M

) i are coordonatele

%Cre = c1,n-1%Cre1,n-1 + cn%Cren i %Nie = c1,n-1%Nie1,n-1 + cn%Nien. Folosind aceast procedur n cazul precizat n enunul aplicaiei se obin rezultatele redate n tabelul 7.7 i pe diagrama din figura 7.31. Rezolvarea aplicaiei prin procedura grafic recursiv arat c (datorit sumrii erorilor din ntreaga succesiune de etape parcurs) aceasta asigur o precizie a rezultatelor mai mic dect procedura utilizat anterior, dar este mai sugestiv i permite evidenierea unor concluzii cu caracter general; astfel, din reprezentrile grafice corespunztoare parcurgerii etapelor acestei proceduri, rezult (v. fig. 7.31): punctul caracteristic nominal al oelului elaborat prin topirea a dou48

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

sortimente de deeuri de oel se afl pe segmentul O1O2, care unete punctele caracteristice nominale O1 i O2 ale celor dou materii prime utilizate; punctul caracteristic nominal al oelului elaborat prin topirea a n sortimente de deeuri de oel se afl n interiorul poligonului O1O2OkOnO1, avnd vrfurile n punctele caracteristice nominale O1, O2,,Ok,,On ale celor n materii prime utilizate.Tabelul 7.7. Datele obinute la rezolvarea aplicaiei A.7.4 prin procedeul grafic MP1 m1 = 50 kg c1 = 0,667 %Cre1 = 19,9 % %Nie1 = 14,1 % PCN O1 MP2 m2 = 25 kg c2 = 0,333 %Cre2 = 19,9 % %Nie2 = 11,2 % PCN O2

MP1,2 MP3 m1,2 = 75 kg m3 = 15 kg c1,2 = 0,833 c3 = 0,167 %Cre1,2 = 23,067 % %Cre3 = 20,9 % %Nie1,2 = 13,133 % %Nie3 = 1,4 % PCN O1,2 PCN O3 MP1,3 m1,3 = 90 kg c1,3 = 0,900 %Cre1,3 = 22,705 % %Nie1,2 = 11,174 % PCN O1,2 MP1,4 OTELUL ELABORAT m1,4 = M = 90 kg c1,4 = 1,000 %Cre1,4 = 21,855 % %Nie1,4 = 10,670 % PCN O

MP4 m4 = 15 kg c4 = 0,167 %Cre4 = 14,2 % %Nie4 = 6,1 % PCN O4

A.7.5. Pentru elaborarea unei arje de oel aliat, cu masa M = 100 kg, se topesc, ntr-un cuptor electric cu inducie, patru sortimente de deeuri de oel, cu compoziiile chimice indicate n tabelul 7.5. Considernd c, la elaborarea oelului n cuptorul electric cu inducie, modificrile compoziiei chimice a materiilor prime sunt neglijabile, s se determine ce cantiti (mase) din aceste materii prime trebuie utilizate pentru obinerea unui oel aliat austenito feritic, cu un coninut procentual de ferit n structura % = 50 %. Rezolvare Se consider notaiile i principiile utilizate n cele dou proceduri concepute pentru rezolvarea aplicaiei A.7.4, necunoscutele problemei fiind participrile (ponderile) materiilor prime folosite pentru elaborarea arjei de oel49

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

aliat c1 =

m1 M

; c2 =

m2 M

; c3 =

m3 M

; c4 =

m4 M

, care, evident, trebuie s respecte4 j =1

condiiile 0c11; 0c21; 0c3 1; 0c41 i c j = 1. n aceste circumstane, coordonatele punctului O (punctul caracteristic nominal al oelului elaborat) sunt: %Cre = c j %Crej i % Nie = c j % Niej .j =1 j =1 4 4

Pentru ca oelul elaborat s corespund clasei structurale a oelurilor austenito feritice (duplex) cu coninuturile procentuale de faze din structura de echilibru % = 50 % i % = 50 %, este necesar ca punctul O(%Cre; %Nie) s fie situat, n domeniul austenito feritic al diagramei structurale A. Schaeffler, pe dreapta corespunztoare unui coninut procentual % = 50 %; aa cum se observ pe diagrama din figura 7.32, respectarea acestor condiii impune ca punctul O s se afle pe segmentul AB, delimitat, pe dreapta corespunztoare coninutului procentual % = 50 %, de dreapta O1O2 i dreapta PQ, ce delimiteaz pe diagram domeniul bifazic + . n sistemul de coordonate al diagramei din figura 7.32, ecuaia dreptei AB, care conine punctele cu coordonatele (26,0 %; 9,9 %) i (32,0 %; 13,6 %), este %Nie = 0,617%Cre 6,133, ecuaia dreptei O1O2, care conine punctele cu coordoantele (19,9 %; 14,1 %) i (29,4 %; 11,2 %), este %Nie = -0,305%Cre + 20,175, iar ecuaia dreptei PQ, care conine punctele cu coordonatele (0 %; 25,5 %) i (26,0 %; 4,5 %), este %Nie = -0,792%Cre + 25,5 i, ca urmare, condiiile anterior formulate se transcriu matematic sub forma urmtorului sistem:

Fig. 7. 32. Reprezentarea pe diagrama structural A. Schaeffler a rezultatelor aplicaiei A.7.5 50

Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

%Nie 0,617%Cre + 6,133 = 0; %Nie + 0,305%Cre + 20,175 0; %Nie + 0,792%Cre 25,500 0; nlocuind expresiile scrise anterior ale parametrilor %Cre i %Nie, sistemul devine: c1 0,954c2 1,971c3 + 0,774 = 0; c1 + c2 + 0,595c3 1 0; c1 + 1,369c2 + 0,049c3 0,652 0; 0 c1 1; 0 c2 1; 0 c3 1; 0 c4 1 i c4 = 1 c1 c2 c3. Pentru gsirea soluiilor acestui sistem, se procedeaz la descompunerea acestuia n dou grupri de condiii: a) c1 = 0,954c2 + 1,971c3 0,774 [0; 1]; c4 = -1,954c2 2,971c3 + 1,774 [0; 1]; 1,954c2 + 2,566c3 1,744 0 c2 + 1,313c3 0,908 0; b) 2,323c2 + 2,020c3 1,423 0 c2 +0,870c3 0,613 0; 0 c1 1; 0 c2 1. Sistemul de inegaliti din gruparea b) se poate rezolva uor prin metoda grafic, aa cum se arat n figura 7.33 i are ca soluii coordonatele (c2; c3) ale punctelor situate n domeniul haurat pe aceast figur.

Fig. 7. 33. Determinarea grafic a ponderilor c2, c3 ale materiilor prime folosite la elaborarea unei arje de oel aliat

n aceste circumstane, rezult urmtoarea strategie de cutare a soluiilor problemei: se alege o valoare a ponderii c3 n intervalul [0; 0,666];51

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabelul 7.8. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.7.5 c3 Domeniul ponderii c2 c2 0,700 0 [0,61;0,91] 0,800 0,850 0,900 0,500 0,100 [0,53; 0,78] 0,600 0,700 0,750 0,450 0,200 [0,44; 0,64] 0,500 0,550 0,600 0,400 0,300 [0,35; 0,51] 0,450 0,500 0,270 0,400 [0,27; 0,38] 0,300 0,350 0,500 0,600 0,650 [0,18; 0,25] [0,09; 0,12] 0,05 0,200 0,250 0,100 0,050 c4 0,406 0,211 0,113 0,015 0,500 0,305 0,109 0,011 0,300 0,203 0,105 0,007 0,101 0,003 -0,094 0,058 -0,001 -0,098 -0,102 -0,200 -0,204 -0,255 c1 -0,106 -0,011 0,037 0,085 -0,100 -0,005 0,091 0,139 0,050 0,097 0,145 0,193 0,199 0,247 0,294 0,272 0,301 0,348 0,402 0,450 0,504 0,555 Concluzia Incorect Incorect SOLUTIE SOLUTIE Incorect Incorect SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE SOLUTIE Incorect SOLUTIE Incorect Incorect Incorect Incorect Incorect Incorect Masele materiilor prime, kg m1 3,7 8,5 9,1 13,9 5,0 9,7 14,5 19,3 19,9 24,7 27,2 m2 85,0 90.0 70,0 75,0 45,0 50,0 55,0 60,0 40,0 45,0 27,0 m3 0 0 10 10,0 20,0 20,0 20,0 20,0 30,0 30,0 40,0 m4 11,3 1,5 10,9 1,1 30,0 20,3 10,5 0,7 10,1 0,3 5,8 -

se alege o valoare a ponderii c2 n intervalul [-0,870c3 + 0,613; -1,313c3 + 0,908]; se stabilete dac ponderile c1 i c4, date de expresiile din gruparea de condiii a) satisfac condiiile 0 c1 1; 0 c4 1. Cteva din soluiile posibile ale problemei analizate, obinute prin aplicarea acestei strategii de cutare, sunt prezentate n tabelul 7.8.52

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

Capitolul 8

OELURILE I FONTELE COMERCIALE

8.1. IntroducereOelurile i fontele utilizate n tehnic sunt produse industriale de mare importan, care se elaboreaz, se transform n semifabricate i se utilizeaz n diverse aplicaii conform unor reglementri stricte, a cror cunoatere i respectare a impus, ca i n cazul altor produse, standardizarea acestora (cuprinderea lor n standarde). Standardizarea este activitatea specific prin care se stabilesc, pentru probleme reale sau poteniale, prevederi destinate unei utilizri comune i repetate, urmrind obinerea unui grad optim de ordine ntr-un context dat. Obiectivele generale ale standardizrii sunt: asigurarea i ridicarea calitii produselor i serviciilor, tipizarea produselor (stabilirea unei game sortimentale raionale i economice de produse), facilitarea schimburilor de mrfuri i de informaii pe piaa intern i internaional. Standardul este un document stabilit prin consens i aprobat de un organism recunoscut, care stabilete reguli, prescripii sau caracteristici pentru activiti sau rezultatul acestora, n scopul obinerii unui grad optim de ordine ntr-un context dat. Standardele se pot clasifica folosind trei criterii: A. n funcie de domeniul la care se refer, standardele pot fi standarde pentru industrie, standarde pentru agricultur, standarde pentru comer, standarde privind protecia vieii, bunurilor i mediului nconjurtor etc. B. n funcie de coninutul lor, standardele pot fi: standarde generale, care cuprind generaliti sau principii: terminologie, clasificri, simbolizri, metodologii de prelevare a probelor i de realizare a ncercrilor sau determinrilor privind caracteristicile de calitate ale produselor etc. standarde de produs, care pot fi complete sau pariale; standardele complete cuprind toate elementele care permit asigurarea calitii unui produs: tipurile, sortimentele, clasele de calitate, condiiile tehnice i caracteristicile de53

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

calitate, regulile i metodele de verificare a calitii, de marcare, de livrare etc., n timp ce standardele pariale se refer numai la unele din elementele definitorii (enumerate mai nainte) pentru calitatea unui produs. C. n funcie de nivelul de aplicare, standardele pot fi: standarde de firm, cu aplicabilitate la nivelul regiilor autonome, societilor comerciale sau altor persoane juridice care le-au elaborat; standarde naionale, elaborate sau adoptate de un organism naional de standardizare (de exemplu, n ara noastr organismul de standardizare este Asociaia de Standardizare din Romnia, ASRO) i puse la dispoziia publicului, aceste standarde putnd fi standarde obligatorii (cu putere de lege cu caracter general), sau standarde cu caracter de recomandare (a cror aplicare este voluntar, facultativ); au caracter obligatoriu numai standardele romne referitoare la protecia vieii, protecia sntii, securitii muncii i protecia mediului nconjurtor, celelalte standarde fiind facultative; standarde regionale, care sunt adoptate de ctre o organizaie regional cu activitate de standardizare i care sunt puse la dispoziia publicului (de exemplu, standardele europene, elaborate de Comitetul European de Standardizare CEN); standarde internaionale care sunt adoptate de organisme sau organizaii internaionale cu activitate de standardizare i care sunt puse la dispoziia publicului (de exemplu, standardele elaborate de Organizaia Internnaional de Standardizare ISO). Standardele naionale romne sunt clasificate pe baza Sistemului Internaional de Clasificare numeric a Standardelor (ICS), adoptatat de ASRO ncepnd cu anul 2001; ICS cuprinde trei niveluri ierarhice de clasificare: - nivelul 1, care conine 40 de sectoare (domenii) ale activitilor standardizate, simbolizate prin dou cifre; de exemplu 77 corespunde domeniului metalurgie; - nivelul 2, n care domeniile sunt mprite n 389 de grupe, notate cu simbolul domeniului, urmat de un punct i un grup de trei cifre; de exemplu grupa 77.140 corespunde produselor metalurgice realizate din oeluri i fonte; - nivelul 3, n care o parte a grupelor sunt mprite n subgrupe, notarea acestora fcndu-se cu simbolulu grupei, urmat de un punct i un grup de dou cifre; de exemplu, subgrupa 77.140.10 cuprinde oelurile pentru tratamente termice. Notarea standardelor romne se realizeaz prin folosirea unui indicativ format pe baza urmtoarelor reguli: pentru standardele aprobate nainte de 28 august 1992 notarea se face cu sigla STAS, urmat de numrul standardului i de ultimele dou cifre ale anului ediiei; de exemplu, STAS 791-88; pentru standardele aprobate dup 28 august 1992 notarea se face cu54

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

sigla SR (Standard Romn), urmat de numrul acordat standardului de ASRO i de anul ediiei; de exemplu, SR 13172:1993; pentru standardele romne identice cu cele internaionale se folosete sigla SR ISO, iar pentru cele identice cu standardele europene sigla SR EN, numerele acestor standarde fiind identice cu cele ale standardelor internaionale sau europene adoptate; de exemplu, SR ISO 9477:1992, SR EN 10207:1995. Diversitatea extrem de mare a oelurilor i fontelor i complexitatea activitilor de obinere a produselor din aceste materiale, a impus reglementarea producerii lor prin standarde naionale (care pot fi i de tipul SR ISO sau SR EN). Criteriul de identificare a unui oel sau a unei fonte este marca, prin standardizarea creia se realizeaz o uniformizare planificat a compoziiei chimice i/sau a caracteristicilor principale, ceea ce nltur barierele tehnice din calea comercializrii produselor din aceste materiale i face posibil cooperarea tehnologic naional i internaional. Simbolurile cu ajutorul crora se noteaz mrcile i clasele de calitate din cadrul unei mrci de oel sau de font sunt iruri de litere i cifre (simbolizare alfanumeric) sau numai cifre (simbolizare numeric), care conin informaii privind: caracteristicile mecanice principale, compoziia chimic, destinaia, metodele de obinere a semifabricatelor, gradul de dezoxidare la elaborare etc., sau pot fi convenionale, servind la identificarea mrcii, fr a da ns vreo informaie despre caracteristicile de calitate ale materialului. La noi n ar, simbolizarea oelurilor i fontelor era reglementat pentru fiecare marc prin standardul dup care se producea materialul respectiv; n prezent, deoarece procesul de preluare a standardelor europene sau internaionale ca standarde naionale nu este finalizat, este operaional i vechiul sistem de simbolizare i sunt valabile toate standardele (nc nenlocuite sau anulate) privind oelurile, fontele i semifabricatele sau produsele realizate din aceste materiale.

8.2. Clasificarea i simbolizarea oelurilor comerciale8.2.1. Clasificarea oelurilor comercialeDefinirea i clasificarea mrcilor de oel este fcut conform SR EN 10020, n funcie de compoziia chimic determinat pe oelul lichid, considernd mprirea oelurilor n: oeluri nealiate i oeluri aliate. Conform standardului SR EN 10020, oelurile nealiate sunt cele la care concentraiile masice ale elementelor determinate pe oelul lichid sau pe produsele realizate din acesta nu depesc valoarile limit prezentate n tabelul 8.1, iar oelurile aliate sunt cele la care concentraia masic (determinat pe oelul lichid sau pe produsele realizate din acesta) a cel puin unui element atinge sau55

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

depete valoarea limit precizat n tabelul 8.1. Att oelurile nealiate ct i oelurile aliate se mpart n clase principale de calitate, n funcie de gradul de puritate, de tehnologia de elaborare i de nivelul prescripiilor pentru anumite caracteristici, aa cum se arat n schema din figura 8.1; n cadrul fiecrei clase principale exist subclase constituite n special dup caracteristicile principale de utilizare ale oelurilor.Tabelul 8.1. Valorile limit (maxime) ale concentraiilor componentelor oelurilor nealiate

Elementul Aluminiu Bor Bismut Cobalt Crom* Cupru* Mangan Molibden* Niobiu * Nichel*

Valoarea limit, % EAm,lim, % 0,10 (0,30**) 0,0008 0,10 0,10 (0,30**) 0,30 0,40 1,65 0,08 0,06 0,30

Elementul Plumb Seleniu Siliciu Telur Titan * Vanadiu* Wolfram Zirconiu Altele

Valoarea limit, % EAm,lim, % 0,40 0,10 0,50 (0,60**) 0,10 0,05 0,10 0,10 (0,30**) 0,05 0,05 (0,10**)

* n cazul n care aceste elemente sunt prescrise combinat, valoarea limit a sumei concentraiilor lor se consider 0,7 EAm , lim .** Valorile admise pentru analiza efectuat pe produse

Fig. 8.1. Schema de clasificare a oelurilor comerciale

Clasele principale de calitate sunt caracterizate n standardul SR EN 10020 astfel: A. Oelurile nealiate de uz general sunt oeluri ale cror caracteristici corespund prescripiilor prezentate n tabelul 8.2, nu necesit aplicarea de tratamente termice pentru obinerea acestor caracteristici, nu au impuse condiii speciale pentru nici un element component (cu excepia manganului i siliciului), nu au prescris nici o alt condiie de calitate i sunt obinute prin procedee tehnologice de elaborare obinuite.56

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

B. Oelurile nealiate speciale sunt oeluri cu caracteristici superioare celor corespunztoare oelurilor de uz general, asigurate n special prin controlul riguros al compoziiei chimice, puritii, proceselor tehnologice de elaborare i prin aplicarea tratamentelor termice de clire i revenire sau de durificare superficial. O marc de oel este inclus n categoria oelurilor nealiate speciale dac ndeplinete una sau mai multe dintre urmtoarele condiii: are prescris energia de rupere KV n starea C + r (obinut prin clire martensitic i revenire); are prescris adncimea de clire sau duritatea superficial n una din strile C, C + r sau Cs (obinut prin clire superficial); are coninut sczut de incluziuni nemetalice; are coninuturile de impurii %Pm, % Sm 0,025 %; are prescris o energia de rupere (determinat pe epruvete prelevate longitudinal din semifabricate sau produse) KV > 27 J la 50 oC,; este destinat durificrii prin precipitare, are %Cm 0,25 % , conine unul sau mai multe elemente de microaliere (Nb, V etc.) n concentraii care menin oelul n categoria oelurilor nealiate, are structura ferito-perlitic, iar durificarea prin precipitare se realizeaz prin rcire controlat de la temperatura de prelucrare prin deformare la cald; are rezistivitatea electric < 0,11 m .Tabelul 8.2. Prescripiile privind caracteristicile oelurilor nealiate de uz general Caracteristica prescris Rezistena la traciune minim Limita de curgere minim Alungirea procentual dup rupere minim Energia de rupere minim, la +20 oC, pe epruvete prelevate longitudinal din produse Concentraia masic de carbon maxim Concentraia masic de fosfor maxim Concentraia masic de sulf maxim Grosimea produsului s, mm s 16 s 16 s 16 10 s 16 Prescripia Rm,min 690 N/mm2 Re,min 360 N/mm2 Amin 26 % KVmin 27 J %Cm,max 0,10 % %Pm,max 0,045 % %Sm,max 0,045 %

C. Oelurile nealiate de calitate sunt oeluri la care prescripiile privind calitatea sunt mai severe dect la oelurile nealiate de uz general, fr s li se impun condiii privind comportarea la TT sau gradul de puritate; n aceast categorie sunt incluse oelurile nealiate care nu se ncadreaz n clasele A sau B. D. Oelurile aliate de calitate sunt oeluri destinate utilizrii n aplicaii similare celor corespunztoare oelurilor nealiate de calitate, care nu sunt destinate aplicrii de TT i care, pentru a realiza caracteristicile prescrise, necesit adaosuri de elemente de aliere n concentraii ce depsesc nivelurile limit date n tabelul57

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

8.1; n categoria oelurilor aliate de calitate se ncadreaz: a) oelurile de construcie cu granulaie fin sudabile, oelurile pentru recipiente sub presiune i oelurile pentru evi, care ndeplinesc (simultan) condiiile: - au concentraii ale elementelor de aliere mai mici dect valorile limit prezentate n tabelul 8.3; - au limita de curgere minim (determinat pe produse cu s 10 mm) Rp0,2 < 380 N/mm2; - au energia de rupere (determinat pe epruvete prelevate longitudinal din produse) KV 27 J la 50 oC; b) oelurile pentru electrotehnic, care conin ca elemente de aliere numai siliciul sau siliciul i aluminiul, introduse n scopul satisfacerii unor prescripii referitoare la caracteristicile magnetice: c) oelurile pentru produse la care se fac prelucrri severe (cu grade mari de deformare) prin deformare plastic la rece i care conin elemente ce asigur finisarea granulaiei; d) oelurile bifazice (dualphase steel), care au (datorit TT aplicate) o structur alctuit dintr-o matrice feritic i 1035 % formaiuni martensitice fine, uniform dispersate n matrice; e) oelurile la care singurul element de aliere prescris este cuprul.Tabelul 8.3. Limitele compoziiei chimice a oelurilor aliate de calitate cu granulaie fin, sudabile Elementul Valoarea limit, % EAm,lim, % Elementul Valoarea limit, % EAm,lim, %

Crom* Cupru* Lantanide ( fiecare) Mangan Molibden*

0,50 0,50 0,06 1,80 0,10

Niobiu** Nichel* Titan** Vanadiu** Zirconiu**

0,08 0,50 0,12 0,12 0,12

Dac elementele marcate * i ** sunt prescrise n combinaie, valoarea limit a sumei concentraiilor lor se consider 0,7 EAm , lim ; pentru alte elemente se folosete tabelul 8.1.

E. Oelurile aliate speciale sunt oeluri la care se impun condiii stricte privind compoziia chimic, condiiile de elaborare i metodele de control al calitii pentru a li se asigura caracteristici ridicate, prescrise cu abateri mici; n aceast categorie se ncadreaz oelurile speciale de construcie, oelurile pentru piesele destinate construciei de maini, oelurile pentru rulmeni, oelurile inoxidabile, oelurile refractare, oelurile pentru scule i oelurile cu proprieti fizice speciale. n funcie de condiiile specifice de utilizare, pentru acelai tip de aplicaie tehnic pot fi utilizate oeluri din mai multe clase (oeluri nealiate i/sau aliate).58

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

8.2.2. Simbolizarea oelurilor comercialeSimbolizarea alfanumeric a oelurilor este reglementat de standardul SR EN 10027-1, completat cu SR CR 10260, iar prescripiile privind simbolizarea numeric sunt cuprinse n standardul SR EN 10027-2. Conform SR EN 10027-1 simbolizarea alfanumeric cuprinde trei grupe de simboluri (care se scriu fr spaii ntre ele): simboluri principale, care constau din grupe de litere i cifre, simboluri suplimentare pentru oel, formate din caractere alfanumerice scrise dup simbolurile principale i simboluri suplimentare pentru produse, formate din caractere alfanumerice, separate de simbolurile oelului prin semnul + i care codific condiiile speciale impuse produselor, tipul de acoperire a produselor sau o anumit stare de tratament a acestora. n funcie de semnificaiile simbolurilor principale, oelurile se mpart n dou categorii: oeluri simbolizate n funcie de utilizare i caracteristici mecanice sau fizice i oeluri simbolizate dup compoziia chimic. Structura i coninutul simbolurilor n funcie de utilizare i caracteristici pentru cele mai folosite categorii de oeluri sunt prezentate n tabelul 8.4; structura i coninutul simbolurilor dup compoziia chimic pentru cele mai utilizate categorii de oeluri la care se folosete aceast modalitate de simbolizare sunt redate, de asemenea, n tabelul 8.4. Simbolizarea numeric a mrcilor de oel este complementar simbolizrii alfanumerice i se utilizeaz numai pentru oelurile care fac obiectul unor operaii comerciale, acest tip de simbolizare fiind mai potrivit prelucrrii automate a datelor; simbolul const dintr-un numr fix de cifre i se aloc de ctre autoritatea naional sau european de standardizare, n urma unei cereri formulate de productorul de oeluri. Pn la nlocuirea tuturor standardelor de oeluri aprobate nainte de 1992 (standarde marcate cu sigla STAS) se menine (mpreun cu prescripiile de simbolizare anterior prezentate) i posibilitatea simbolizrii oelurilor conform acestor standarde, ce cuprind urmtoarele reguli: oelurile carbon (nealiate) pot fi (n funcie de calitate n care sunt realizate): oeluri de uz general, de calitate (cu compoziia chimic mai precis delimitat i coninuturile de impuritti mai mici dect la oelurile de uz general) sau superioare (cu compoziia chimic mai precis delimitat i coninuturile de impuritti mai mici dect la oelurile de calitate), iar oelurile aliate pot fi obinuite (de calitate) sau superioare; oelurile nealiate de uz general, oelurile microaliate i slab aliate cu59

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

granulaie fin i rezisten mecanic ridicat, oelurile nealiate pentru turnare n piese etc. se simbolizeaz n funcie de utilizare i caracteristici mecanice, simbolul fiind alctuit din o liter sau un grup de litere (OL n cazul oelurilor carbon pentru construcii metalice i mecanice, R n cazul oelurilor pentru cazane i recipiente sub presiune ce funcioneaz la temperatur ambiant sau sczut, K n cazul oelurilor pentru cazane i recipiente sub presiune ce funcioneaz la temperatur ambiant sau ridicat, OCS n cazul oelurilor cu granulaie fin pentru construcii sudate, OLT n cazul oelurilor nealiate pentru evi etc.) i un numr care arat valoarea minim a Rm n N/mm2; de exemplu, OL 370 este un oel carbon de uz general pentru construcii metalice i mecanice cu Rm 370 N/mm2 , iar OCS 510 este un oel pentru construcii sudate cu Rm 510 N/mm2; simbolurile acestor oeluri pot fi completate cu litere sau cifre care indic gradul de dezoxidare, clasa de calitate sau varianta tehnologic de elaborare ale oelului; oelurile nealiate i aliate, de calitate sau superioare, se simbolizeaz dup compozia chimic, simbolul fiind alctuit astfel: n cazul oelurilor nealiate: un grup de litere (OLC n cazul oelurilor prelucrate prin deformare plastic pentru construcia de maini, OSC n cazul oelurilor carbon pentru scule, OSP n cazul oelurilor pentru pile, AUT n cazul oelurilor pentru prelucrarea pe maini unelte automate etc.), un numr egal cu 100%Cm (sau cu 10%Cm n cazul oelurilor carbon pentru scule), %Cm fiind concentraia masic medie de carbon a mrcii de oel (valoarea medie aritmetic a limitelor intervalului prescris de standard pentru concentraia masic a carbonului) i litera X, dac oelul este superior; de exemplu, OLC 45 este un oel carbon de calitate cu %Cm = 0,45 %, OLC 15 X este un oel carbon superior cu %Cm = 0,15 %, AUT 30 este un oel pentru prelucrarea pe maini unelte automate cu %Cm = 0,30 %, iar OSC 10 este un oel carbon pentru scule cu %Cm = 1 %; n cazul oelurilor aliate: litera T, dac oelul este destinat realizrii pieselor turnate, un numr egal cu 100%Cm (%Cm avnd aceeai semnificaie ca la oelurile nealiate), simbolurile chimice ale elementelor de aliere, scrise n ordinea cresctoare a importanei lor (sau n ordinea cresctoare a concentraiei lor masice), un numr egal cu 10%EAp, %EAp fiind concentraia masic medie a elementului de aliere principal (scris ultimul n structura simbolului) i de litera X, dac otelul este superior; de exmplu, T 15MoNiCr180 este un oel pentru turnare n piese cu %Cm = 0,15 %, aliat cu Mo, Ni i Cr, elementul de aliere principal fiind cromul, aflat n concentraia %Crm = 18 %, iar 42MoCr11 X este un oel superior (destinat realizrii de semifabricate prelucrate prin deformare plastic la cald pentru construcia de maini) cu %Cm = 0,42 %, aliat cu Mo i Cr, elementul de aliere principal fiind cromul, aflat n concentraia %Crm = 1,1 %.60

Tabelul 8.4. Principalele date privind simbolizarea oelurilor comerciale

A. Oeluri simbolizate n funcie de caracteristici

Categoria oelurilor

Exemplu

KV, J 27 40 60 Simbolizare JR KR LR J0 K0 L0 J2 K2 L2 J3 K3 L3 J4 K4 L4 J5 K5 L5 J6 K6 L6o

T, C

Oeluri pentru construcii

S

nnn Re sau Rp02 min., n N/mm2, pentru cele mai mici grosimi

20 0 20 30 40 50 60

C formare la rece E emailare F forjare L temperat. sczut N normalizat O platforme marine Q clit i revenit S construcii navale T evi W rezistent la coroziune atmosferic G alte caracteristici (grad de dezoxidare etc..) H temperat. ridicat L temperat. sczut R temperat. ambiant X temperatur ridicat i temperatur sczut

- oel cu Re 235N/mm2, la care se garanteaz KV = 27 J la 20 oC, calmat complet (G3);

S235J2G3

- simbolizare veche:OL 370.4.k

Oteluri pentru recipiente sub presiune Oeluri pentru evi destinate conductelor

P

nnn Re sau Rp02 min., n N/mm2, pentru cele mai mici grosimi

B recipiente de gaz M laminat termomec. N normalizat Q clit i revenit S pentru recip. simple T pentru evi G alte caracteristici M laminat termomec. N normalizat Q clit i revenit G alte caracteristici

P265GH - oel pentru recipientesub presiune cu Re = 265 N/mm2 i caracteristici specificate la temperaturi ridicate

- simbolizare veche :K 410

L

nnn Re sau Rp02 min., n N/mm2, pentru cele mai mici grosimi

L360Q- oel pentru evi cu Rp02 360 N/mm2, n stare clit i revenit

Tabelul 8.4. Principalele date privind simbolizarea oelurilor comerciale continuare

Oeluri pentru piese destinate construciei de maini Oeluri pentru ine de cale ferat

E

nnn Re sau Rp02 min., n N/mm2, pentru cele mai mici grosimi nnn Rm min., n N/mm2 Cnn laminat la rece Dnn laminat la cald pentru formare direct la rece (cifrele desemneaz caliti diferite)

E335 G alte caracteristici (grad de dezoxidare etc.) Mn coninut ridicat de mangan G alte caracteristici C destinat tragerii la rece- oel cu Re 335 N/mm2

R

Q clit i revenit

- simbolizare veche OL 60 R0900Mn - oel cu Rm 900N/mm2, cu coninut de mangan precizat

Oeluri pentru produse plate D destinate ambutisrii

EK pentru emailare la rece convenional ED pentru emailare direct an simbolul chimic al elementului precizat urmat eventual de o cifr care reprezint de 10 x media intervalului precizat al acestui element

DC04EK- oel laminat la rece pentru emailare convenional

B. Oeluri simbolizate n funcie de compoziia chimic B1. Oeluri nealiate cu %Mnm < 1%

Categoria oelurilor

Exemplu

Oeluri nealiate cu %Mn m < 1% (cu excepia celor pentru automate)

C

E cu un conninut maxim de sulf precizat; D pentru trefilarea srmei; C pentru formarea la rece; nnn 100 %Cm S pentru arcuri; U pentru scule; W pentru srme electrozi; G alte caracteristici

C35E4 an EA[10%EAm]- oel carbon cu %Cm = 0,35 % i coninut precizat de sulf; - simbolizare veche:

OLC 35 X

Tabelul 8.4. Principalele date privind simbolizarea oelurilor comerciale continuare

B2. Oeluri nealiate cu %Mnm 1% i oeluri aliate

Categoria oelurilor

Exemplu

Oeluri nealiate cu %Mn m 1%, oeluri nealiate pentru automate i oeluri aliate cu %EAmj < 5 %, j = 1n Oeluri aliate cu %EAmj 5 %, j = 1...n (cu excepia oelurilor rapide)

nnn 100 %Cm a EA1EAjEAn concentraia

nn k1%EAm1kj%EAmj kn%EAmn Factorul Element kj Cr,Co,Mn,Ni,Si,W 4 Al,Be,Cu, Mo, 10 Nb,Pb,Ta,Ti,V, Zr; Ce, N, P, S; 100 B 1000 nn k1%EAm1kj%EAmj kn%EAmn

13CrMo45 - oel cu %Cm 0,13%, %Crm 1,0%, %Mom 0,5% - simbolizare veche 14MoCr10 X6CrNiTi1810

X

nnn 100 %Cm

a EA1EAjEAn concentraia

- oel cu %Cm = 0,06%, %Crm = 18%, %Nim = 10%, stabilizat cu Ti ;

Oeluri rapide

HS

nnnn %Wm%Mom%Vm%Com

- simbolizare veche: 10TiNiCr180 HS2-9-1-8 - oel rapid cu %Wm = 2%, %Mom = 9%, %Vm =1%, %Com = 8%

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

8.3. Oelurile carbon cu destinaie general8.3.1. Oelurile carbon de uz generaln aceast categorie sunt incluse oelurile (hipoeutectoide) livrate sub form de semifabricate prelucrate prin deformare plastic la cald (laminare, forjare), destinate realizrii structurilor metalice (construcii civile, poduri, instalaii de ridicat i transportat, construcii metalice pentru utilajul petrolier, petrochimic i de rafinrii, stlpi, piloni etc.) sau mecanice (piese pentru construcia de maini) cu solicitri mici sau moderate n exploatare. Produsele laminate din astfel de oeluri se livreaz de regul netratate termic sau n starea obinut dup normalizare, iar produsele obinute prin forjare se livreaz n starea obinut dup TT de normalizare sau de recoacere complet. Aceste oeluri nu sunt destinate aplicrii tratamentelor termice sau termochimice, astfel c produsele realizate din astfel de materiale au caracteristicile mecanice ale semifabricatelor n stare de livrare. Caracteristicile impuse de o anumit aplicaie se pot asigura alegnd corespunztor concentraia de carbon i tehnologia de elaborare, n special, gradul de dezoxidare, din acest punct de vedere existnd dou tipuri de oeluri: oeluri calmate (dezoxidate complet la elaborare cu siliciu, mangan i aluminiu) i oeluri necalmate (nedezoxidate complet la elaborare); oelurile calmate au o structur omogen, prezint rezisten mecanic bun (datorit efectului de durificare pe care l au incluziunile nemetalice uniform distribuite n structura oelului), dar prelucrabilitatea lor prin deformare plastic la rece este relativ redus, n timp ce oelurile necalmate sunt mai ieftine, se prelucreaz mai bine prin deformare plastic la rece, dar prezint pericolul fragilizrii prin mbtrnire (v. scap. 4.3.2) i de aceea nu se recomand a fi utilizate pentru realizarea de construcii sudate. Oelurile carbon de uz general se produc conform STAS 500, care prevede mprirea acestor oeluri dup garaniile date la livrare n patru clase de calitate: clasa 1 cu garanii privind compoziia chimic i caracteristicile mecanice la traciune i ndoire la rece, clasa 2 cu garanii suplimentare (fa de clasa 1) privind energia de rupere la 20 oC, clasa 3 cu garanii suplimentare privind energia de rupere la 0 oC i clasa 4 cu garanii suplimentare privind energia de rupere la 20 oC. De exemplu, marca de oel simbolizat (conform STAS 500) OL 370.4k, corespunde unui oel nealiat cu Rm 370 N/mm2, elaborat n clasa de calitate 2 i calmat (indicaie dat de litera k din simbol); conform noului sistem de simbolizare, aceast marc de oel (care are limita de curgere Re 235 N/mm2) se simbolizeaz S235J2G3 (v. tabelul 8.4).64

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

8.3.2. Oelurile carbon de calitateAceste oeluri carbon sunt utilizate sub form de semifabricate realizate prin deformare plastic, au tehnologiile de elaborare mai complexe dect cele folosite la oelurile de uz general i sunt destinate fabricrii pieselor care se trateaz termic i/sau termochimic pentru obinerea caracteristicilor mecanice impuse de condiiile lor de utilizare. Oelurile din aceast categorie sunt hipoeutectoide (cu structura de echilibru la ta alctuit din ferit i perlit) i se pot clasifica, n funcie de TT final care asigur cele mai bune caracteristici de utilizare produselor, n: oeluri pentru carburare (cementare), care au %Cm 0,25 % i oeluri pentru mbuntire (clire martensitic + revenire nalt v. scap. 6.5), care au concentraia masic de carbon 0,25% < %Cm 0,6%. Conform STAS 880, care reglementeaz la noi n ar producerea oelurilor carbon de calitate, acestea pot fi elaborate i ca oeluri superioare (marcate cu litera X dup simbolul recomandat de STAS 880), pentru care se prevd condiii suplimentare privind puritatea i caracteristicile tehnologice sau ca oeluri cu coninut controlat de sulf (marcate cu litera S dup simbolul recomandat de STAS 880), la care %Sm = 0,0200,040 %. Oelurile carbon de calitate se utilizeaz sub form de produse plate i profile laminate la cald, semifabricate pentru forjare, srme laminate i trase, produse tubulare, destinate fabricrii pieselor cu solicitri mici i moderate n exploatare; oelurile pentru cementare se utilizeaz la confecionarea pieselor supuse la uzare, oboseal i/sau solicitri cu oc, deoarece dup tratamentul complet de cementare (v. scap. 6.6.2) se obin piese cu stratul superficial mbogit n carbon (cu structur martensitic) dur i rezistent la uzare i la fisurare prin oboseal i cu miezul rezistent i tenace (datorit coninutului sczut de carbon al oelului), iar oelurile pentru mbuntire se folosesc pentru fabricarea pieselor supuse n exploatare la solicitri mecanice medii sau chiar ridicate. La alegerea oelurilor din aceast categorie trebuie s se in seama c au clibilitatea redus (v. scap. 6.4.2 i 7.4.), ceea ce permite utilizarea lor n special la piesele cu seciuni mici. Deoarece alegerea TT ce trebuie aplicat pieselor fabricate din aceste oeluri este dependent de coninutul lor de carbon, oelurile din aceast categorie se simbolizeaz dup compoziia chimic; de exemplu, marca simbolizat (conform STAS 880) OLC 15 sau (conform SR EN 100271) C15 corespunde unui oel pentru cementare cu %Cm = 0,15 %, iar marca simbolizat (conform STAS 880) OLC 45 sau (conform SR EN 100271) C45 corespunde unui oel pentru mbuntire cu %Cm = 0,45 %.65

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

8.4. Oelurile aliate pentru construcia de mainiOelurile din aceast categorie sunt oeluri slab i mediu aliate, care fac parte (conform SR EN 10020) din categoria oelurilor aliate speciale i se utilizeaz pentru realizarea elementelor (pieselor) puternic solicitate n exploatare ale construciilor mecanice (maini i utilaje). Combinaia optim a caracteristicilor de utilizare (care asigur valori ridicate pentu rezistena la traciune, limita de curgere, alungirea procentual dup rupere, energia de rupere, rezistena la oboseal, rezistena la uzare etc., realiznd o valorificare maxim a prezenei elementelor de aliere) se obine la produsele confecionate din astfel de oeluri numai dup aplicarea unor tratamentelor termice sau termochimice finale adecvate; ca urmare, oelurile aliate pentru construcia de maini se pot clasifica, n funcie de tratamentul final care trebuie aplicat (obligatoriu) produselor realizate din aceste materiale, n: oeluri pentru carburare (cementare) sau carbonitrurare, care au %Cm 0,25 % i oeluri pentru mbuntire (clire martensitic + revenire nalt v. scap. 6.5), care au concentraia masic de carbon 0,25% < %Cm 0,6%. Producerea oelurilor aliate pentru semifabricatele prelucrate prin deformare plastic destinate realizrii pieselor pentru construcia de maini este reglementat la noi n ar de STAS 791, care prevede elaborarea lor att ca oeluri aliate obinuite, pentru care se impune ca %Smax, %Pmax 0,035 %, ct i ca oeluri aliate superioare, la care se prescrie un nivel mai sczut al coninuturilor de impuriti (%Smax, %Pmax 0,025 %). Producerea i comercializarea semifabricatelor deformate plastic la cald din oeluri aliate superioare pentru mbuntire este reglementat n prezent i de standardul SR EN 100831:1997, care conine reglementri mai stricte (dect STAS 791) privind caracteristicile mecanice i condiiile de livrare. Oelurile aliate pentru construcia de maini fac parte din clasa structural a oelurilor perlitice (v. scap. 7.5). Datorit influenei elementelor de aliere asupra vitezei de rcire critice vrc, clibilitatea acestor oeluri este mai mare dect cea corespunztoare oelurilor carbon i este posibil (de exemplu) ca, n cazul folosirii oelurilor pentru cementare, tratamentul de clire s aib efect i asupra miezului pieselor (determinnd obinerea unor structuri de tip martensitic sau bainitic, cu coninuturi reduse de carbon i caracteristici ridicate de rezisten mecanic i tenacitate), ceea ce d posibilitatea realizrii unor produse cu caracteristici mecanice superioare celor asigurate la produsele confecionate din oeluri carbon; pentru a valorifica corespunztor aceste proprietti tehnologice ale oelurilor aliate, att STAS 791, ct i SR EN 10083 includ i benzile de66

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

clibilitate pentru cele mai utilizate oeluri (v. scap 6.4.2), fiind prescris ncadrarea ntr-o banda normal (extins) a oelurilor obinuite i ncadrarea ntr-o banda ngust a oelurilor cu clibilitate garantat. Oelurile aliate pentru construcia de maini pot fi grupate, n funcie de elementul principal de aliere EAp, n urmtoarele tipuri. a) Oelurile avnd ca element de aliere principal cromul. Cromul introdus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediu aliate) contribuie la creterea rezistenei mecanice, fr s afecteze substanial tenacitatea (creterea cu un procent a %Crm mrete Rm cu 80100 N/mm2 i determin o scdere a A cu numai 1,5 %) i mrete clibilitatea. Deoarece manganul are aproape aceleai efecte asupra clibilitii, dar este mult mai ieftin, n practic se utilizeaz i oeluri Cr Mn, (%Crm = 0,81,3 %; %Mnm = 0,81,4 %); manganul favorizeaz ns creterea excesiv a granulaiei la nclzire, astfel c oelurile de tipul Cr Mn se aliaz suplimentar cu titan (%Tim = 0,0300,090 %) sau vanadiu (%Vm = 0,100,20 %). Cromul i manganul favorizeaz apariia fenomenului de fragilitate reversibil la revenire (v. scap 7.4), ce nu se produce dac oelurile sunt aliate suplimentar cu molibden (%Mom = 0,150,30 %); oelurile Cr Mo sau Cr Mn Mo sunt preferate n multe aplicaii tehnice, datorit proprietilor lor tehnologice (nu prezint fragilitate la revenire) i efectelor favorabile pe care le are alierea cu Mo asupra proprietilor de utilizare ale acestora (creterea rezistenei mecanice, a rezistenei la uzare i a rezistenei la oboseal). STAS 791 cuprinde mai multe mrci de oeluri avnd cromul ca EAp, din care mrcile 15Cr08, 17MnCr10, 20TiMnCr12, 19MoCr11 (simbolizate conform SR EN 100271: 15Cr3, 17CrMn44, 20CrMnTi441, 19CrMo42) corespund unor oeluri pentru cementare, iar mrcile 40Cr10, 34MoCr11, 42MoCr11, 51VMnCr11 (simbolizate conform SR EN 100271: 40Cr4, 34CrMo42, 42CrMo42, 51CrMnV441) unor oeluri pentru mbuntire. b) Oelurile avnd ca element de aliere principal nichelul. Nichelul introdus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediu aliate) trece complet n masa lor structural de baz (are solubilitate bun n Fe v. tabelul 7.1), mrind rezistena mecanic i tenacitatea i mbuntind clibilitatea oelurilor. De asemenea, nichelul micoreaz sensibilitatea la supranclzire i finiseaz granulaia oelurilor. Deoarece este un metal scump, pentru piesele destinate construciei de maini nu se folosesc de obicei oeluri aliate numai cu nichel, recurgndu-se la reete de aliere complexe, de tipul: Ni Cr, Ni Mo, Ni Cr Mo, att n cazul oelurilor pentru cementare sau carbonitrurare, din care STAS 791 cuprinde mrcile 17CrNi16, 20MoNi35, 17MoCrNi14 (simbolizate conform SR EN 100271: 17NiCr64, 20NiMo142,67

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

17NiCrMo642), ct i n cazul oelurilor pentru mbuntire, din care STAS 791 cuprinde mrcile 40CrNi12, 30MoCrNi20, 34MoCrNi16 (simbolizate conform SR EN 100271: 40NiCr54, 30NiCrMo882, 34CrNiMo662). c) Oelurile avnd ca element de aliere principal manganul. Manganul introdus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediu aliate) contribuie la creterea caracteristicilor de rezisten mecanic (Rm i Rp0,2), micornd numai puin caracteristicile de plasticitate (A sau Z). Aa cum s-a artat anterior, manganul mrete clibilitatea oelurilor n aceeai msur ca i cromul i este un element de aliere ieftin. Oelurile aliate cu mangan sunt sensibile la supranclzire (granulaia acestora crete mult dac sunt nclzite la temperaturi ridicate sau sunt meninute timp ndelungat n domeniul austenitic) i prezint fenomenul de fragilizare la revenire, iar la piesele realizate prin deformare plastic la cald din astfel de oeluri se obine o structur n benzi (alctuit din iruri alternante de ferit i perlit, orientate n direcia de deformare plastic), care confer acestor piese o anizotropie avansat a proprietilor mecanice (raportul dintre energia de rupere determinat pe epruvete prelevate longitudinal i cea determinat pe epruvete prelevate transversal pe direcia de deformare poate ajunge la 4:1); aceast din urm particularitate face ca oelurile cu mangan s se utilizeze n special pentru realizarea de semifabricate turnate sau pentru obinerea semifabricatelor prelucrate prin deformare plastic la cald destinate pieselor solicitate uniaxial n exploatare (bare de traciune, tije pentru pompe etc.). Evitarea fragilizrii la revenire i reducerea sensibilitii la supranclzire se realizeaz la aceste oeluri prin alierea suplimentar cu Mo, V sau Ti. STAS 791 cuprinde urmtoarele mrci de oeluri din aceast categorie: 31VMn12, 35Mn14, 43MoMn16, 35VMoMn14 (simbolizate conform SR EN 100271: 35Mn6, 43MnMo62, 35MnMoV621). d) Oelurile avnd ca element de aliere principal aluminiul. Aceste oeluri sunt destinate pieselor la care se aplic tratamentul termochimic de nitrurare n vederea obinerii unei rezistene ridicate la uzare (v. scap. 6.6.3). Compoziia chimic de baz a unui astfel de oel este cea corespunztoare oelurilor de mbuntire Cr Mo, la care se adaug %Alm = 0,61,1 %; de exemplu, marca de oel 38MoAlCr15 cuprins n STAS 791 (simbolizat conform SR EN 100271 38AlCrMo1061) are compoziia caracterizat de %Cm = 0,36...0,40 %, %Crm = 1,351,65 %; %Alm = 0,701,1 % i %Mom = 0,150,25 %. e) Oelurile avnd ca element de aliere principal siliciul. Siliciul introdus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediu aliate) contribuie la creterea limitei de elasticitate, a rezistenei la uzare, a rezistivitii electrice i a permeabilitii magnetice i micoreaz sensibilitatea acestora la supranclzire. Pentru a conferi pieselor pentru construcia de maini68

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

caracteristicile de tenacitate necesare, se practic alierea suplimentar a oelurilor din aceast categorie cu mangan i crom; STAS 791 cuprinde ca mrci de oeluri avnd Si ca EAp: 20MnCrSi11 i 36MnCrSi13 (simbolizate conform SR EN 100271 20SiCrMn444 i 36SiCrMn544), folosite n aplicaiile tehnice ca nlocuitoare (ieftine) ale oelurilor Cr Mo.

8.5. Oelurile pentru construcii sudate8.5.1. Particularitile realizrii construciilor sudatePrin sintagma construcii sudate se denumesc n cadrul acestui subcapitol structurile mecanice obinute din mai multe elemente metalice mbinate ntre ele cu ajutorul unui procedeu de sudare prin topire. Sudarea printr-un astfel de procedeu este rezultatul unei activri termice importante, care determin nclzirea local (cu ajutorul unei surse termice adecvate) a materialului pieselor supuse sudrii (numit material de baz MB) la temperaturi superioare temperaturii lui ts; prin topirea marginilor pieselor i, eventual, a unui material de adaos MA, se formeaz ntre piese o baie de material metalic topit BMT, care se transform prin solidificare ntr-o custur sudat CUS.

Fig. 8.2. Elemntele caracteristice realizrii mbinrilor sudate prin topire

Realizarea mbinrilor sudate prin topire presupune prelucrarea prealabil a marginilor pieselor care trebuie mbinate n scopul obinerii unui rost de sudare, avnd, aa cum se arat n figura 8.2, configuraia definit de urmtorii parametri geometrici: deschiderea b, unghiul , rdcina c, lungimea L i, eventual, limea69

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

l i raza r. n funcie de grosimea pieselor care se mbin prin sudare, CUS poate fi realizat din unul sau mai multe rnduri, un rnd fiind partea din CUS realizat la o singur deplasare a sursei termice de sudare n lungul rostului de sudare, iar rndurile situate la acelai nivel alctuiesc straturile CUS; rndurile depuse prin sudare i custurile sudate se caracterizeaz prin urmtorii parametrii geometrici: ptrundera p, limea lc i supranlarea h. Pentru a defini gradul de participare a MB i MA la formarea unei CUS se definesc parametrii pMB (numit participarea MB) i pMA (numit participarea MA), cu relaiile: S MB S MA ; p MA = , (8.1) p MB = S MB + S MA S MB + S MA n care SMB i SMA sunt ariile precizate n figura 8.2. O parte din energia sursei termice utilizate la sudarea prin topire produce nclzirea (cu o vitez vi) la ti < ts a unei zone din MB adiacente locului de formare a CUS; prin deplasarea sursei termice n direcia de sudare, odat cu rcirea bii de metal topit formate n rostul dintre piese i realizarea CUS, are loc i rcirea acestei zone din MB cu o vitez medie vr. Ca urmare a acestui proces, n timpul sudrii orice punct situat n zona din MB adiacent CUS este supus unui ciclu termic caracterizat de parametrii vi, ti < ts i vr , iar ansamblul tuturor ciclurilor termice din aceast zon este denumit cmp termic de sudare. Aciunea ciclurilor termice care alctuiesc cmpul termic la sudare determin, n funcie de valorile parametrilor ce le caracterizeaz, modificarea structurii i proprietilor mecanice ale materialului pieselor supuse sudrii i generarea unui cmp de tensiuni mecanice reziduale, motiv pentru care zona adiacent CUS afectat de aciunea ciclurilor termice este denumit zon influenat termic (sau zon influenat termomecanic) ZIT.

Fig. 8.3. Imaginile macroscopice ale mbinrilor sudate realizate ntre dou piese din oel: a CUS realizat din dou straturi; b CUS realizat din mai multe straturi

Pe baza celor prezentate rezult c mbinrile sudate prin topire din alctuirea construciilor sudate prezint trei zone caracteristice: CUS, ZIT i MB, care se pot evidenia clar i pe imaginile macrostructurilor mbinrilor sudate, de tipul celor prezentate n figura 8.3.70

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

8.5.2. Formarea CUS la sudarea prin topire a oelurilorAa cum s-a precizat anterior, CUS se formeaz prin solidificarea BMT, ce se realizeaz, n rostul dintre piesele care trebuie mbinate, prin topirea marginilor pieselor i a unui MA (sub form de electrozi nvelii, vergele, srme etc.). BMT se afl de obicei n contact cu un strat de zgur lichid (realizat prin topirea nveliului electrozilor sau unui flux de sudare) i cu atmosfera (protectoare) din jurul sursei termice utilizate la sudare; datorit interaciunii cu aceste dou medii, BMT sufer transformri de natur metalurgic (chimic): mbogire n gaze (O2, H2, N2), dezoxidare, desulfurare, defosforare, aliere etc. Deoarece are volum redus i este supranclzit i agitat sub aciunea concentrat a sursei termice, BMT are compoziia chimic omogen, iar concentraia n BMT i n CUS care se obine prin solidificarea acesteia a oricrui component %EAm,CUS se poate estima cu relaia: % EAm ,CUS = p MB % EAm , MB + p MA % EAm , MA % EAm , (8.2) n care %EAm,MB este concentraia masic a componentului n MB, %EAm,MA concentraia masic a componentului n MA, iar %EAm pierderile () sau aporturile (+) de component datorit interaiunii BMT cu zgura i atmosfera din jurul sursei termice. Aspectele prezentate conduc la concluzia c att BMT, ct i CUS care se formeaz prin solidificarea acesteia, au (n general) o compoziie chimic diferit de ale MB i MA; deoarece structura i proprietile mecanice ale materialelor metalice depind esenial de compoziia lor chimic, rezult c asigurarea unei compoziii chimice favorabile a BMT, prin alegerea judicioas a cuplului MB MA , a nveliului electrozilor, a fluxurilor de sudare, a gazelor de protecie etc. i prin realizarea unor valori adecvate ale pMB i pMA, este unul din mijloacele cele mai eficiente prin care se poate aciona n vederea obinerii unei CUS de calitate. Structura CUS reflect direct particularitile cristalizrii primare a BMT (v. fig. 8.4): cristalizarea BMT este dirijat; ntre materialul de la suprafaa bii, aflat sub aciunea sursei termice concentrate i materialul mai rece situat n zona de contact dintre BMT i MB (care constituie suportul BMT) se creaz gradieni termici pe direcia crora se deplaseaz frontul de solidificare i se dezvolt cristalele CUS de form columnar; cristalizarea este intermitent; dup fiecare secven de cristalizare, datorit eliberrii de energie termic, materialul metalic din BMT este nclzit i cristalizarea sa este ntrerupt pn cnd transferul de cldur spre MB asigur71

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

realizarea subrcirii necesare continurii solidificrii; cristalizarea se realizeaz cu un numr redus de germeni cristalini; n mod obinuit germinarea cristalelor CUS se produce pe cristalele MB aflate n contact cu BMT (pe linia de fuziune); viteza de cretere a cristalelor CUS este mare, iar forma acestor cristale este celular dendritic (dendrite dezvoltate din cristalele MB pe care s-au format germenii cristalelor CUS).

Fig. 8.4. Particularitile formrii structurii CUS la sudarea prin topire a oelurilor

n morfologia CUS se evideniaz efectele combinate ale cristalizrii primare a BMT n condiiile precizate mai nainte; CUS prezint, aa cum se poate observa n figura 8.4, o alctuire n straturi, datorit solidificrii intermitente, combinat cu o alctuire columnar, datorit creterii dirijate a formaiunilor cristaline pe direcia gradientului maxim de temperatur (variabil n timp). Structura primar (forma i dimensiunile cristalelor, modul de distribuire a incluziunilor nemetalice etc.) influeneaz esenial caracteristicile mecanice ale CUS. Dac aliajul (oelul) ce corespunde compoziiei chimice a CUS prezint transformri de faz n stare solid, CUS va suferi i un proces de cristalizare secundar i n urma desfurrii acestuia structura CUS se modific; influena structurii primare asupra proprietilor CUS se menine ns, deoarece unele caracteristici ale acesteia (granulaia, distribuia incluziunilor nemetalice etc.) nu sunt eliminate ci numai estompate (mascate) de cristalizarea secundar.72

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

8.5.3. Transformrile structurale n ZIT la sudarea prin topire a oelurilorExistena cmpului termic n ZIT poate determina desfurarea unor transformri structurale importante n aceast zon, caracterul acestor transformri depinznd de compoziia chimic a MB i de parametrii ciclurilor termice. Pentru a evidenia principalele aspecte legate de transformrile structurale n ZIT, se consider cazul sudrii oelurilor cu coninut sczut de carbon; folosind diagramele prezentate n figura 8.5 i considernd c ti i vr sunt parametrii principali ce caracterizeaz posibilitile de transformare structural a MB sub aciunea unui ciclu termic, ZIT poate fi mprit n urmtoarele zubzone (fii): fia I (de supranclzire) conine punctele n care tcg ti < ts (tcg temperatura deasupra creia se produce creterea excesiv a cristalelor de austenit, iar ts temperatura de solidificare topire a MB); la rcirea austenitei (supranclzite, cu gruni grosolani) din aceast fie este favorizat formarea structurilor n afar de echilibru (martensit, bainit), cu rezisten mecanic i duritate ridicate, dar cu tenacitate i rezisten la fisurare sczute; fia II (de normalizare) conine punctele n care A3 ti < tcg; n aceast fie se obine la nclzire austenit cu granulaie fin, care se transform la rcire, n funcie de mrimea vitezei de rcire vr, n structuri perlitice, asemntoare celor obinute prin aplicarea TT de normalizare sau n structuri de clire, care au ns proprieti de plasticitate mai bune dect cele corespunztoare structurilor din fia de supranclzire; fia III ( de austenitizare incomplet) conine punctele n care A1 ti < A3; n aceast fie se obine la nclzire o structur bifazic format din austenit i ferit, care se transform la rcire n structuri feritoperlitice, asemntoare celor care se obin prin aplicarea TT de recoacere incomplet sau, dac vr este mare, n structuri alctuite din martensit i ferit, asemntoare celor care se obin prin clirea incomplet; - fia IV (neaustenitizat ) conine punctele n care tr ti < A1; n aceast fie se produc modificri de structur numai dac MB a fost ecruisat anterior prin deformare plastic la rece i ciclurile termice de sudare produc recristalizarea primar a materialului (prin care se elimin ecruisarea i textura de deformare) sau dac MB a fost supus anterior unui TT de clire i revenire, cu temperatura de revenire inferioar ti i ciclurile termice de sudare continu transformrile la revenire nefinalizate n timpul aplicrii TT. Parametrii ciclurilor termice de sudare i, ca urmare, structurile n ZIT pot fi modificate acionnd asupra regimului de sudare sau folosind prenclzirea MB73

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

n zona de sudare (pentru micorarea gradienilor termici ntre CUS i MB i micorarea vr a ciclurilor termice). Structurile ZIT i CUS i strile de tensiuni reziduale din mbinrile sudate pot fi modificate, de asemenea, aplicnd construciilor sudate diverse TT postsudare: recoacerea de detensionare, recoacerea complet, normalizarea, mbuntirea etc. Din cele prezentate rezult c sudarea influeneaz complex structura i caracteristicile materialului din ZIT, ceea ce impune ca oelurile destinate realizrii construciilor sudate s aib nsuirile tehnologice nglobate de noiunea de sudabilitate, definit ca fiind aptitudinea unui oel ca printr-un anumit procedeu i pentru un anumit scop s asigure n mbinrile sudate caracteristicile locale i generale prescrise pentru o construcie sudat.

Fig. 8.5. Definirea fiilor caracteristice ale ZIT la sudarea oelurilor

Factorul principal de apreciere a sudabilitii este comportarea metalurgic la sudare, care exprim modul cum reacioneaz un oel fa de aciunea unui anumit proces de sudare, aciune localizat n principal n ZIT. Aprecierea sudabilitii unui oel pe baza comportrii metalurgice la sudare se face considernd drept criteriu principal compoziia chimic a oelului. Deoarece se urmrete obinerea n ZIT a unor structuri ct mai aproape de echilibru, cu caracteristici de tenacitate ridicate, oelurile destinate construciilor sudate trebuie s aib compoziia chimic stabilit astfel nct vrc s fie ct mai mare (pentru a fi74

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

favorizate transformrile cu difuzie la rcirea austenitei), condiie ce este ndeplinit dac se impune ca oelurile s aib coninuturi reduse de carbon i de elemente de aliere; pentru a aprecia comportarea metalurgic la sudare a oelurilor (din clasa structural a oelurilor perlitice) s-a definit (pe baza rezultatelor unor cercetri experimentale riguroase) mrimea numit carbon echivalent %Ce: % Mnm %Crm + %Vm + % Mom %Cu m + % Nim %C e = %C m + (8.3) + + 6 5 15 i s-a stabilit c oelurile cu sudabilitate bun (care se pot suda uor, cu procedeele de sudare cele mai economice i fr msuri tehnologice speciale la sudare: prenclzire, TT postsudare etc.) sunt oelurile care ndeplinesc simultan criteriile: %Cm < 0,200,22 % i %Ce < 0,400,45 %.

8.5.4. Oelurile nealiate pentru construcii sudaten aceast categorie sunt incluse oeluri nealiate de uz general i de calitate (conform SR EN 10020 - v. scap 8.2) destinate fabricrii de elemente pentru construcii sudate exploatate la ta. Producerea acestor oeluri este reglementat la noi n ar de standardul SR EN 10025+A1, mrcile de oel destinate construciilor sudate fiind: S185, S235, S275 i S335; mrcile S235, S275 i S335 se pot livra n clasele de calitate JR, J0, J2, pentru S335 prevzndu-se i posibilitatea livrrii n clasa de calitate K2 (v. tabelul 8.4). Pentru asigurarea sudabilitii, toate mrcile de oel au concentraia de carbon limitat %Cm c0 [0,19 %; 0,27 %], valoarea maxim c0 fiind precizat n funcie de marca oelului i de grosimea pieselor care se sudeaz, iar obinerea caracteristicilor mecanice prescrise fiind asigurat prin creterea concentraiei manganului la %Mnm = 1,501,70 %; pentru fiecare marc de oel sudabilitatea crete de la clasa JR la clasa K2 i se poate aprecia cu ajutorul %Ce, determinat cu relaia (8.3), valoarile maxime admise ale acestui parametru fiind date n standard, n funcie de clasa de calitate i de grosimea pieselor care se sudeaz. n funcie de gradul de dezoxidare oelurile pot fi necalmate sau calmate cu diferite grade de dezoxidare, n stare necalmat putndu-se livra numai produsele cu grosimi mai mici de 25 mm din oelurile S185 sau S235. Oelurile din aceast categorie nu sunt destinate aplicrii de TT pentru obinerea caracteristicilor mecanice; excepie fac produsele realizate prin laminare normalizant, la care deformarea plastic final se face ntr-un interval de temperaturi prescris, astfel nct la rcire se realizeaz n material structura corespunztoare aplicrii unui TT de normalizare. De asemenea, deoarece sudarea este o metod tehnologic care introduce tensiuni reziduale de valori ridicate,75

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

construciile sudate realizate din astfel de oeluri se pot supune (postsudare) unui TT de recoacere de detensionare. Oelurile nealiate pentru construcii sudate se regsesc printre oelurile produse conform STAS 500 (mrcile OL370, OL440, OL510), dar standardul SR EN 10025+A1 reglementeaz mai strict i mai riguros condiiile tehnice de producere i livrare a acestor materiale.

8.5.5. Oelurile cu granulaie fin pentru construcii sudaten aceast categorie sunt incluse oelurile nealiate de calitate sau aliate speciale, cu coninut sczut de carbon (%Cm = 0,130,20 %), cu limita de curgere Rp0,2 = 275460 N/mm2, destinate realizrii elementelor puternic solicitate ale unor structuri sudate (poduri, ecluze, rezervoare de stocare, rezervoare de ap etc.) care lucreaz la temperatur ambiant sau sczut. Aceste oeluri se utilizeaz sub form de semifabricate sau produse laminate la cald, livrate n starea obinut dup aplicarea TT de normalizare sau dup prelucrarea prin laminare termomecanic (sau laminare controlat), aceasta denumind procedeul de laminare la care se controleaz riguros toi parametrii de lucru, deformarea plastic final efectundu-se ntr-un interval de temperaturi riguros respectat, cu grade de deformare judicios alese i cu viteze de rcire bine stabilite, astfel nct materialul prelucrat s prezinte caracteristici mecanice ridicate (ce nu pot fi obinute numai prin aplicarea de TT). Producerea oelurilor cu granulaie fin pentru construcii sudate este reglementat prin SR EN 10113, care mparte aceste materiale n: oeluri normalizate, simbolizate SxxxN sau SxxxNL i oeluri laminate termomecanic, simbolizate cu SxxxM sau SxxxML , grupul de cifre xxx indicnd nivelul minim garantat al limitei de curgere Rp0,2 (n N/mm2); mrcile simbolizate SxxxN sau SxxxM au tenacitatea garantat (sub forma unei valori minime prescrise a KV) pn la 20 oC, iar mrcile simbolizate SxxxNL i SxxxML au tenacitatea garantat pn la 50 oC. Compoziia chimic a acestor oeluri este complex, fiind utilizat microalierea cu elemente care s asigure granulaia fin (Al, V, Ti, Nb, n concentraii masice de 0,030,1 %) i prezena unor elemente care s asigure obinerea valorilor prescrise ale caracteristicilor de rezisten mecanic i tenacitate (Mn, Ni, Cr, Mo, Cu, n concentraiile corespunztoare unor oeluri slab aliate). Tenacitatea la temperaturi sczute este asigurat de alierea cu mangan (%Mnm = 1,51,7 %) i cu nichel (%Nim = 0,300,80 %) i prin respectarea unor corelaii ntre concentraiilor diverselor elemente de aliere prezente n compoziie (de exemplu, %Crm + %Mom + %Cum < 0,60 %). Pentru evitarea76

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

fragilizrii la albastru (v. scap. 4.3.2), care poate s apar dup aplicarea recoacerii de detensionare la structurile sudate realizate din aceste oeluri, se limiteaz concentraia de azot (%Nm 0,0150,025 %) i se impune ca %Alm 0,020 % (pentru legarea azotului sub form de nitruri de aluminiu stabile). Sudabilitatea acestor oeluri se asigur prin prescrierea unor valori limitate ale carbonului echivalent %Ce ce0 [0,34 %; 0,52 %], valoarea maxim ce0 fiind precizat n funcie de marca oelului, de clasa de calitate i de grosimea semifabricatelor livrate.

8.5.6. Oelurile pentru aparate i recipiente sub presiuneConstruciile sudate de tipul aparatelor i recipientelor sub presiune trebuie s funcioneze n condiii de siguran maxim, distrugerea integritii sau pierderea etaneitii unui astfel de echipament putnd avea urmri catastrofale, datorit nivelului ridicat al energiei totale de deformare ce se acumuleaz n peretele metalic al corpului sub presiune al aparatului sau recipientului. Ca urmare, pentru aparatele i recipientele sub presiune se impun exigene sporite privind calitatea i la proiectarea, fabricarea, instalarea, exploatarea, repararea i verificarea lor trebuie riguros respectate prescripiile tehnice elaborate de o autoritate naional n domeniu, care n ara noastr este Inspecia pentru Cazane, Recipiente sub Presiune i Instalaii de Ridicat ISCIR. n funcie de nivelul solicitrilor mecanice, de temperaturile (minim i maxim) de exploatare i de caracteristicile mediului de lucru (toxicitate, inflamabilitate, corozivitate etc.), recipientele sub presiune se confecioneaz din oeluri carbon sau din oeluri aliate de calitate sau speciale (v. scap 8.2.1), elaborate n convertizoare bazice cu oxigen sau n cuptoare electrice i calmate. Deoarece domeniul temperaturilor de lucru al recipientelor sub presiune este foarte extins (200 oC la +650 oC), la realizarea lor trebuie s se utilizeze oeluri livrate n clase de calitate diferite, pentru fiecare clas garantndu-se acele caracteristici mecanice care asigur funcionarea acestora n deplin siguran la temperaturile de exploatare. Astfel, pentru recipientele care lucreaz la temperaturi ridicate se folosesc oeluri la care se garanteaz limita de curgere la temperatura maxim de exploatare sau caracteristicile de comportare la fluaj la aceast temperatur, iar pentru recipientele care funcioneaz la temperaturi sczute se utilizeaz oeluri la care se garanteaz caracteristicile de tenacitate (de obicei, energia de rupere KV) la o temperatur de referin, care se stabilete n funcie de grosimea peretelui, de starea defectologic prognozat pentru MB i mbinrile sudate, de intensitatea i caracterul solicitrilor mecanice i de temperatura minim de exploatare ale recipientelor sub presiune.77

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Producerea i livrarea semifabricatelor plate (table, platbande etc., cu grosimi s 150 mm) din aceste oeluri este reglementat prin standardul SR EN 10028, care grupeaz oelurile pentru recipiente sub presiune dup temperatura la care se garanteaz caracteristicile mecanice n: oeluri aliate i nealiate cu caracteristici specificate la temperaturi ridicate, oeluri cu granulaie fin normalizate, i oeluri aliate cu nichel cu caracteristici specificate la temperaturi sczute; pn la prima revizuire a acestui standard se menin n vigoare i prevederile (similare) din STAS 2883. 8.5.6.1. Oelurile cu caracteristici specificate la temperaturi ridicate (SR EN 100282) cuprind dou grupe: oelurile nealiate de calitate (conform criteriilor din SR EN 10020), simbolizate PxxxGH (grupul de cifre xxx indicnd nivelul minim garantat al limitei de curgere Rp0,2, n N/mm 2 ), care conin %Mnm = 0,401,70 % i mici adaosuri de Mo, V, Nb, Ti, Cu, Cr, Ni (sub valorile limit date n tabelul 8.1 i cu respectarea condiiei %Cr m + %Cum + %Mom + %Nim < 0,70 %) i oelurile aliate Cr Mo. n tabelul 8.5 se prezint mrcile de oeluri din aceeast categorie conform SR EN 100282, simbolurile mrcilor echivalente din STAS 2883 i limitele principalelor caracteristici mecanice (valorile maxime ale caracteristicilor corespund grosimilor minime ale semifabricatelor livrate).Tabelul 8.5. Oelurile pentru recipiente sub presiune cu caracteristici specificate la temperaturi ridicate Simbolul oelului SR EN 10028 STAS 2883 P235GH P265GH K410 P295GH K460 P355GH K510 16Mo3 16Mo3 13CrMo45 14MoCr10 10CrMo910 12MoCr22 Limita de curgere, N/mm2 Rp02 la tmax Re, la 20 oC 185235 100110 200265 120130 235295 135155 295355 155180 220275 140230 185275 155165 250310 180195

tmax, oC400 400 400 400 500 500 500

Rm, N/mm2 360480 410530 460570 510650 420570 350600 460630

A5, % 24...25 22...23 21...22 20...21 19...24 19...20 17...18

Oelurile PxxxGH, se livreaz n stare normalizat i au limita de curgere garantat pn la temperatura de 400 oC; comportarea bun la temperaturi ridicate este asigurat prin microalierea cu V, Mo, Nb i Ti, care finiseaz granulaia oelurilor. Oelurile Cr Mo au %Crm = 0,70.2,50 % i %Mom = 0,401,10 %, se livreaz n starea obinut prin aplicarea unui TT de normalizare + revenire sau de clire + revenire i au limita de curgere garantat pn la 500 oC, fiind numite i oeluri termorezistente. Alierea cu molibden asigur acestor oeluri o bun reziten la fluaj, granulaie fin i insensibilitate la supranclzire, iar alierea cu crom asigur o bun rezisten la oxidare i mpiedic precipitarea la nclzire a grafitului (favorizat de prezena molibdenului).78

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

8.5.6.2. Oelurile cu granulaie fin normalizate sunt oeluri nealiate de calitate sau speciale i oeluri aliate speciale, cu indicele convenional al granulaiei G 6, care au caracteristicile mecanice garantate n domeniul de temperaturi (50 oC ; 400 oC. Producerea i livrarea semifabricatelor plate (table, platbande etc., cu grosimi s 150 mm) din aceste oeluri este reglementat prin SR EN 100283, care mparte aceste oeluri n patru grupe: - grupa de baz cuprinde oelurile simbolizate PxxxN, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre 20 oC i +20 oC - grupa oelurilor rezistente la temperaturi ridicate cuprinde oelurile simbolizate PxxxNH, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre 20 oC i +400 oC, n condiiile n care solicitrile mecanice la temperaturi ridicate sunt de scurt durat i nu determin declanarea fenomenului de fluaj; - grupa oelurilor rezistente la temperaturi joase cuprinde oelurile simbolizate PxxxNL1, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre 50 oC i +20 oC; - grupa special a oelurilor rezistente la temperaturi joase cuprinde oelurile simbolizate PxxxNL2, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre 50 oC i +20 oC, nivelul minim garantat al energiei de rupere KV la 50 oC fiind mai mare dect la oelurile din grupa precedent. Mrcile de oeluri din aceast categorie au prescris limita de curgere minim la ta, determinat pe produse n stare normalizat, cu grosimea s 16 mm, xxx {275 N/mm2, 355 N/mm2, 460 N/mm2}; de asemenea, SR EN 100283 prescrie pentru toate oelurile din aceeast categorie valorile minime ale energiei de rupere KV, ce trebuie obinute prin ncercarea la ncovoiere prin oc, la diferite temperaturi din intervalul de utilizare garantat, a epruvetelor prelevate transversal i longitudinal din produse. Din punctul de vedere al compoziiei chimice aceste oeluri sunt asemntoare oelurilor cu granulaie fin pentru construcii sudate (v. scap 8.5.5), cu precizarea c trebuie respectate corelaiile: %Crm + %Cum + %Mom < 0,45 % i %Nbm + %Tim + %Vm < a0 [0,05 %; 0,22 %], valoarea maxim a0 fiind precizat n funcie de nivelul minim prescris al limitei de curgere. Sudabilitatea acestor oeluri este asigurat prin limitarea concentraiei carbonului la %Cm 0.160,20 % i garantarea unor valori ale carbonului echivalent %Ce = 0,400,45 %. Oelurile PxxxNL sunt echivalente oelurilor reglementate de STAS 2883, simbolizate Rxxxn, numrul xxx indicnd valoarea minim garantat a rezistenei la rupere, n N/mm2, iar cifra n (n = 2, 3,,7) clasa de calitate n care se ncadreaz oelul; la oelurile livrate n clasele de calitate 2 i 3 se garanteaz aceleai caracteristici ca la oelurile carbon de uz general (v. scap. 8.3.1), iar la cele livrate n clasele 4, 5, 6 i 7 se garanteaz energia de rupere KV la temperatura minim (n oC) t = (20 10n); de exemplu, marca de oel79

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

simbolizat R5105 are garantate rezistena la traciune Rm 510 N/mm2 i tenacitatea la 30 C. 8.5.6.3. Oelurile aliate cu nichel cu caracteristici specificate la temperaturi sczute, numite i oeluri criogenice, sunt oeluri aliate speciale, destinate realizrii aparatelor i recipientelor sub presiune care lucreaz n domeniul de temperaturi 60 oC200 oC. Tenacitatea la temperaturi sczute este asigurat la aceste oeluri prin limitarea concentraiei carbonului la nivelul %Cm 0.100,18 %, prin diminuarea drastic a coninuturilor de impuriti (concentraiile maxime acceptate sunt %Pm = 0,015...0,025 % i %Sm = 0,005...0,015 %) i prin alierea cu nichel i mangan (n cazul oelurilor cu tenacitatea garantat la temperaturi cuprinse ntre 60 oC i 80 oC) sau numai cu nichel (n cazul oelurilor cu tenacitatea garantat la temperaturi cuprinse ntre 80 oC i 200 oC). Producerea i livrarea semifabricatelor plate (table, platbande etc., cu grosimi s 50 mm) din aceste oeluri este reglementat de SR EN 100284, mrcile de oeluri fiind cele prezentate n tabelul 8.6; semifabricatele din astfel de oeluri se livraz n starea obinut prin aplicarea unui TT de normalizare, normalizare + revenire sau clire + revenire.Tabelul 8.6. Oelurile cu tenacitate garantat la temperaturi sczute Simbolul oelului 12MnNi53 13MnNi63 15NiMn6 12Ni14 12Ni19 X8Ni9 X7Ni9 % Nim (%Mnm) 0,30..0,80 (0,701,50) 0,300,85 (0,851,70) 1,301,70 (0,851,70) 3,253,75 4,755,25 8,5010,0 8,5010,0 Rp0,2, N/mm2 235275 345355 345355 345365 380390 480575 575585 R m, N/mm2 420530 490610 490640 490640 530710 640820 680820 tmin, o C 60 60 80 100 120 196 196 KV la tmin, J Long. Trans. 40 40 40 40 40 70 100 27 27 27 27 27 50 80

8.5.7. Oelurile slab aliate cu rezisten mecanic ridicatOelurile slab aliate sau microaliate cu rezisten mecanic ridicat, numite i oeluri HSLA (HighStrength Low Alloy) sunt oeluri cu coninut sczut de carbon %Cm = 0,030,2 %, aliate cu mangan (%Mnm = 1,01,7 %) i cu mici cantiti de alte elemente: Nb, V, Ti, Mo etc.; semifabricatele din astfel de oeluri se realizeaz n mod obinuit prin laminare termomecanic i prezint caracteristici mecanice ridicate i o bun sudabilitate (datorit meninerii concentraiei carbonului la un nivel sczut, limitrii drastice a coninuturilor de80

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

impuriti, asigurrii unor structuri cu granulaie fin etc.). Oelurile HSLA se pot clasifica n funcie de compoziie, structur i proprieti n urmtoarele tipuri (multe din reetele privind compoziia chimic i prelucrarea tehnologic a acestor tipuri regsindu-se printre cele corespunztoare unora din oelurile anterior prezentate: oelurile pentru construcii sudate, oelurile pentru recipiente sub presiune etc.): 8.5.7.1. Oelurile microaliate feritoperlitice au n compoziie cantitti mici de Nb, V i/sau Ti, concentraia masic a fiecruia din aceste elemente nedepind 0,1 %. Semifabricatele i produsele din astfel de oeluri se obin prin laminare termomecanic, combinat uneori cu TT postlaminare, efectele aplicrii unor astfel de tehnologii fiind finisarea granulaiei (determinat i de microaliere, aa cum arat diagramele din fig. 8.6), obinerea unor caracteristici ridicate de rezisten mecanic (determinat i de posibilitatea durificrii structurii acestor oeluri prin precipitarea dispers a unor compui chimici de tipul carburilor, nitrurilor i/sau carbonitrurilor elementelor de microaliere) i asigurarea unei bune sudabiliti (datorit meninerii la un nivel sczut a concentraiei carbonului). n funcie de reeta de microaliere utilizat oelurile de acest tip pot fi: Oeluri microaliate cu vanadiu, cu %Vm 0,1 %, utilizate sub form de produse obinute prin laminare normalizant sau prin laminare controlat; vanadiul contribuie la durificarea acestor oeluri prin formarea unor precipitate fine (cu diametrul de 5...10 nm) de carbonitrur de V (uniform distribuite n masa de ferit a oelurilor) n timpul rcirii oelurilor dup laminare, efectul durificrii putnd fi cuantificat prin creterea caracteristicilor de rezisten mecanic (limita de curgere i rezistena la rupere) cu 5...15 N/mm2 pentru fiecare cretere cu 0,01 % a %Vm; efectul de durificare este dependent de viteza de rcire dup laminare, viteza care asigur durificarea maxim fiind de aproximativ 3,3 oC/s (dac viteza de rcire este mai mic, rezult precipitate grosolane, cu efect minim de durificare, iar dac viteza de rcire este mai mare, rezult o cantitate mic de precipitate i efectul de durificare este sczut). Caracteristicile oelurilor microaliate cu vanadiu depind esenial i de mrimea granulaiei oelurilor, cnd se dorete obinerea unor caracteristici ridicate de rezisten mecanic, combinat cu atingerea unor niveluri ridicate ale caracteristicilor de tenacitate, se practic laminarea controlat i microalierea suplimentar cu Ti (care formeaz pelicule intercristaline de TiN ce constituie bariere pentru creterea cristalelor de austenit). Oeluri microaliate cu niobiu, cu %Nbm = 0,02...0,04 %, la care se obin caracteristici ridicate de rezisten mecanic datorit precipitrii n structur a carburilor sau carbonitrurilor de Nb (cu diametrul de 1,0...1,5 nm). Semifabricatele din oeluri microaliate cu Nb, microaliate uneori i cu Ti, pentru obinerea unui efect suplimentar de finisare a granulaiei i unui efect sporit de durificare (deoarece titanul mrete eficiena microalierii cu Nb, micornd81

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

solubilitatea acestuia n austenit i crend astfel condiiile mririi cantitii de carburi sau carbonitruri de Nb care precipit n structur) sunt realizate prin laminare controlat, cu rcire accelerat la sfritul procesului (clire direct); dac oelurile sunt aliate suplimentar i cu mici cantiti de V sau Mo, semifabricatele obinute prin laminare controlat pot avea caracteristici de rezisten mecanic foarte ridicate (de exemplu, Rp0,2 sau Rt0,5 > 700 N/mm2). Oeluri microaliate cu vanadiu i niobiu, cu coninut sczut de carbon (%Cm < 0,1 %), care se pot prelucra sub form de semifabricate i produse fie prin laminare obinuit (caz n care acestea prezint caracteristici de rezisten mecanic bune, dar au tenacitatea sczut i temperatura de tranziie ductil-fragil ridicat), fie prin laminare controlat (care asigur creterea tenacitii i micorarea temperaturii de tranziie ductil-fragil, datorit finisrii intense a granulaiei); deoarece au coninut sczut de carbon, oelurile de acest fel au n structur un coninut procentual de perlit foarte mic (sunt denumite i oeluri cu coninut redus de perlit) i se caracterizeaz printr-o bun sudabilitate.

Fig. 8.6. Efectul microalierii cu Nb, V i Ti asupra dimensiunilor grunilor de ferit

Oeluri microaliate cu niobiu i molibden, cu %Nbm < 0,05 % i %Mom = 0,20...0,27 %, care pot avea microstructura alctuit din ferit i perlit sau din ferit acicular (bainit cu coninut sczut de carbon), deoarece molibdenul determin formarea bainitei superioare n locul perlitei la rcirea austenitei. Alierea cu Mo determin creterea important a caracteristicilor mecanice ale acestor oeluri (fiecare cretere cu 0,1 % a %Mom conduce la sporirea cu 20...30 N/mm2 a rezistenei la traciune i limitei de curgere), acest efect de durificare nedatorndu-se formrii bainitei superioare n locul perlitei (deoarece oelurile au coninut sczut de carbon i, n acest caz, bainita superioar i perlita au caracteristici mecanice apropiate), ci creterii cantitii de carbonitruri de Nb care precipit n structur n prezena molibdenului (alierea cu Mo micoreaz concentraia carbonului n perlit i asigur astfel un surplus de82

Fig 8.7. Configuraia diagramelor TTT la oelurile cu structur bainitic dup laminarea controlat

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

carbon pentru formarea precipitatelor de carbonitruri de Nb); aceste influene, mpreun cu folosirea laminrii controlate (pentru finisarea granulaiei), permit a se realiza din aceste oeluri semifabricate laminate cu caracteristici de rezisten mecanic foarte ridicate (de exemplu, cu Rp0,2 sau Rt0,5 > 500 N/mm2) i tenacitate foarte bun. Oeluri microaliate cu vanadiu i azot, cu %Vm < 0,1 % i %Nm = 0,018...0,022 %, care prezint caracteristici ridicate de rezisten mecanic (de exemplu, Rp0,2 sau Rt0,5 > 550 N/mm2), datorit existenei n structur a unor precipitate de nitrur de V. Laminarea controlat i meninerea la un nivel sczut a concentraiei carbonului (%Cm < 0,1 %) permit a se obine din aceste oeluri semifabricate care prezint att rezisten mecanic ridicat, ct i o bun tenacitate; sudabilitatea acestor oeluri nu este ns satisfctoare, deoarece au tendina spre formarea unor structuri fragile n ZIT. 8.5.7.2. Oelurile slab aliate cu structur feritic acicular au coninut sczut de carbon (%Cm 0,08 %) i sunt aliate cu mici cantiti de Mn, Mo i/sau B, la care se adug uneori i Nb. Datorit reetei de aliere utilizate, diagramele TTT la rcirea austenitei acestor oeluri au configuraia prezentat n figura 8.7, ceea ce permite ca prin rcirea controlat la sfritul laminrii semifabricatelor (cu jeturi de ap sau de aer comprimat) s se obin structur cu ferit acicular (bainit cu coninut sczut de carbon); acest tip de structur, care, aa cum se poate observa pe micrografiile prezentate n figura 8.8, difer esenial de structura ferito-perlitic (cu cristale poliedrice de ferit) ce rezult dac se aplic laminarea obinuit, mpreun cu efectele de finisare a granulaiei i de durificare prin precipitare induse de laminarea controlat i de alegerea judicioas a concentraiilor elementelor de aliere, asigur obinerea de semifabricate cu caracteristici ridicate de rezisten mecanic (Rp0,2 sau Rt0.5 > 500 N/mm2) i de tenacitate (KV > 130 J la ta i temperatura de tranziie t50% < 20 oC).

Fig. 8.8. Microstructurile unui oel cu %Cm = 0,06 %, %Mnm =1,8 %, %Mom = 0,3 %, %Nbm = 0,04 % obinute prin: a laminare obinuit (structur cu ferit poliedric i perlit dispuse n benzi); b laminare controlat (structur cu ferit acicular) 83

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Oelurile microaliate ferito-perlitice i oelurile slab aliate cu ferit acicular au fost concepute n vederea utilizrii la realizarea semifabricatelor laminate (de tip platband) pentru evile sudate destinate conductelor petroliere (amplasate subteran sau submarin) i pentru construciile sudate ale instalaiilor marine de foraj i exploatare petrolier. 8.5.7.3. Oelurile bifazice (dual phase steel) sunt oeluri cu coninut sczut de carbon (%Cm < 0,16 %), slab aliate cu mangan (%Mnm = 1,5...1,8 %) i microaliate cu elemente care s le confere granulaie fin, care se utilizeaz sub form de semifabricate sau produse avnd structura alctuit dintr-o matrice feritic n care se afl dispersate uniform insule de martensit (care ocup, aa cum se poate observa pe micrografiile prezentate n fig. 8.9, 10...20 % din structur).

Fig. 8.9. Microstructura unui oel bifazic cu %Cm = 0,12 % i %Mnm = 1,5 %

O prim metod de obinere a structurii bifazice feritomartensitice la semifabricatele laminate din astfel de oeluri o reprezint aplicarea unui TT intercritic constnd din: a) nclzirea semifabricatelor la o temperatur ti (A1;A3) i meninerea lor o durat m la aceast temperatur; alegnd convenabil parametrii ti i m, se obine o structur bifazic ferito-austenitic n care concentraia carbonului n austenit este suficient de ridicat pentru a-i asigura o bun capacitate de clire, iar ponderea formaiunilor de austenit este la nivelul dorit al ponderii formaiunilor martensitice n structura final; b) rcirea rapid (n ap) a semifabricatelor, pentru transformarea austenitei n martensit i obinerea structurii bifazice feritomartensitice. O alt metod de obinere a semifabricatelor cu structur bifazic ferito-martensitic const din laminarea controlat intercritic a oelurilor, condus dup una din diagramele prezentate n figura 8.10. Semifabricatele din astfel de oeluri sunt ieftine i prezint caracteristici mecanice ridicate (Rp0,2 = 320...420 N/mm2, Rm = 600...800 N/mm2 i A = 15...30 %), putnd fi utilizate la confecionarea construciilor metalice i mecanice la care nu sunt impuse condiii deosebite privind tenacitatea materialelor. 8.5.7.4. Oelurile cu forma incluziunilor nemetalice controlat se folosesc pentru obinerea de semifabricate laminate cu anizotropie minim a caracteristicilor de rezisten mecanic i (mai ales) de tenacitate, necesare la84

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

realizarea unor piese sau echipamente (funduri pentru recipiente sub presiune, rezervoare sferice etc.) supuse n exploatare unor solicitri mecanice complexe, care genereaz n acestea stri de tensiuni mecanice bi sau triaxiale. Pentru astfel de aplicaii nu este recomandat utilizarea semifabricatelor laminate din oel cu structur (ferito-perlitic) n benzi (care se caracterizeaz printr-o mare anizotropie a caracteristicilor mecanice), fiind necesar realizarea unor semifabricate laminate cu o structur n care formaiunile de perlit s fie uniform distribuite n masa de ferit. Pentru obinerea unei astfel de structuri se impune ca oelurile supuse laminrii s nu conin incluziuni nemetalice (sulfuri) plastice (care se dispun n timpul laminrii sub form de iruri orientate n direcia de deformare i determin formarea structurii n benzi la rcirea semifabricatelor dup laminare); n consecin, controlul formei incluziunilor are ca scop principal obinerea unor incluziuni de sulf globulare, lipsite de plasticitate i uniform distribuite n structura oelurilor. Metoda clasic de obinere a incluziunilor de sulf cu form controlat constau n tratarea oelurilor la elaborare cu Ca i Si. n prezent se aplic metoda introducerii la elaborarea oelurilor a unor cantiti mici de pmnturi rare (lantanide), zirconiu sau titan, care modific tipul incluziunilor (determin formarea unor incluziuni greu fuzibile, globulare i nedeformabile), le asigur finisarea i le disperseaz uniform n masa structural a oelurilor; raportul dintre concentraiile elementelor adiionale (Ti, Zr, Ce etc.) i concentraia sulfului ntr-un astfel de oel se alege astfel nct s rezulte efectul maxim de reducere a anizotropiei caracteristicilor de tenacitate, aa cum sugereaz diagrama (de principiu) redat n figura 8.11.

Fig. 8.10. Diagramele de laminare controlat intercritic pentru obinerea semifabricatelor cu structur bifazic feritomartensitic

Fig. 8.11. Diagrama pentru alegerea reetei de microaliere la elaborarea oelurilor cu forma incluziunilor nemetalice controlat

85

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

8.6. Oelurile rezistente la coroziuneOelurile rezistente la coroziune (oelurile anticorosive) pot fi clasificate, n funcie de principalul factor care le asigur rezistena la aciunea mediilor de lucru agresive, n dou categorii: oelurile inoxidabile, a cror rezisten la coroziune este determinat de compoziia chimic i de structura acestora i oelurile patinabile, care interacioneaz cu mediile corosive i se acoper cu pelicule compacte, formate din produi de coroziune, ce ntrerup contactul lor cu mediile agresive i le protejeaz astfel de aciunea distructiv a acestora. Oelurile inoxidabile care, n condiii de temperatur ridicat, prezint caracteristici bune de rezisten la oxidare i la coroziune n gaze i au capacitatea de a asigura caracteristici mecanice convenabile sunt denumite oeluri refractare.

8.6.1. Oelurile inoxidabile i refractareOelurile capt proprietatea de a fi inoxidabile (de a prezenta o rezisten ridicat la aciunea mediilor agresive cu care vin n contact), dac sunt nalt aliate cu crom, concentraia masic minim a cromului n astfel de oeluri fiind %Crm = 10,5...12,0 %; aceast prescripie este cuprins i n SR EN 10020, care precizeaz c oelurile inoxidabile trebuie s aib %Cm < 1,20 % i %Crm > 10,5 %. Trebuie precizat c, deoarece cromul este un element carburigen (v. scap. 7.3), la calificarea unui oel ca oel inoxidabil sau refractar se ia n considerare numai concentraia cromului dizolvat n soluiile solide pe baz de fier (ferit, austenit, martensit) existente n structura acestuia. n funcie de reeta de aliere utilizat la elaborare, oelurile inoxidabile pot fi clasificate n: oeluri aliate cu crom i oeluri aliate cu crom i nichel. Oelurile inoxidabile comerciale, livrate sub form de semifabricate prelucrate prin deformare plastic (table, benzi, bare, srme, profile pentru utilizri generale etc.), au caracteristicile de calitate reglementate prin standardele SR EN 10088 i STAS 3583 (care este nc n vigoare); conform acestor standarde oelurile inoxidabile sunt mprite n clasele structurale prezentate n continuare, iar simbolurile principalelor mrci standardizate din fiecare clas sunt redate n tabelul 8.7. 8.6.1.1. Oelurile inoxidabile feritice fac parte din categoria oelurilor aliate cu crom i au compoziia caracterizat prin %Cm 0,08 %, coninuturi foarte sczute de impuriti (%Sm 0,015 %; %Pm 0,04 %) i concentraia86

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

masic de crom ncadrat n una din urmtoarele reete: %Crm = 11...13 %; %Crm = 17...18 % sau %Crm = 25...30 %, reetele cu concentraii mari de crom prezentnd i bune proprieti de refractaritate; n compoziia acestor oeluri se pot aduga n diverse concentraii i alte elemente: siliciu (%Sim 1 %), aluminiu (%Alm 2 %), molibden (%Mom = 0,8...4,5 %), nichel (%Nim = 0,3...1,6 %), niobiu (%Nbm = 0,3...1 %), titan (%Tim = 0,3...0,8 %) i/sau zirconiu (%Zrm = 0,3...0,5 %), pentru creterea refractaritii i comportrii la fluaj (Al, Si, Mo), pentru mbunirea tenacitii i prelucrabilitii prin deformare plastic (Ni), pentru finisarea granulaiei, stabilizarea feritei i mrirea rezistenei la coroziune intercristalin (Nb, Ti, Zr). Mrcile de oeluri comerciale din aceast clas structural corespund integral acestor prescripii, aa cum rezult din urmtoarele exemple: X6Cr13; X2CrTi12; X2CrNi12; X6CrAl3; X6Cr17; X3CrTi17; X6CrMo171; X2CrMoTi171; X6CrNi171; X2CrNbZr17; X6CrMoNb171; X2CrAlTi182; X2CrMoTi294.Tabelul 8.7. Principalele mrci de oeluri inoxidabile

Marca de oel conform: SR EN 10088 STAS 3583X6Cr13 X6Cr17 X3CrTi17 X2CrMoTi182 X6CrAl13 X12Cr13 X20Cr13 X30Cr13 X39Cr13 X50CrMoV15 X2CrNi189 X5CrNi1810 X6CrNiTi1810 X2CrMnNi1775 X2CrMnNiN1895 X2CrNiMo17133 X1NiCrMoCu25205 X6CrNiMoTi17122 X2CrNiMoCuN2563 X2CrNiMoCuWN2574 7Cr130 8Cr170 8TiCr170 2TiMoCr180 7AlCr130 10Cr130 20Cr130 30Cr130 40Cr130 45VMoCr145 2NiCr185 5NiCr180 10TiNiCr180 2MoNiCr175 2CuMoCrNi250 10TiMoNiCr175 -

Clasa structuralFeritic Feritic Feritic Feritic Feritic Ferito - martensitic Martensitic Martensitic Martensitic Martensitic Austenitic Austenitic Austenitic Austenitic Austenitic Austenitic Austenitic Austenitic Austenito - feritic Austenito - feritic

87

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Aceste oeluri prezint, la orice temperatur n stare solid, o structur monofazic feritic (eventual, cu foarte mici cantiti de carburi globulare uniform distribuite n matricea feritic) i, ca urmare, caracteristicile de utilizare ale acestor oeluri nu pot fi modificate prin aplicarea de TT cu schimbare de faz; singura modalitate tehnologic de a le influena caracteristicile de rezisten mecanic i plasticitate const n ecruisarea lor prin deformare plastic la rece, urmat de aplicarea unui TT de recoacere de recristalizare fr schimbare de faz (cu regimul adecvat obinerii caracteristicilor dorite). Oelurile inoxidabile feritice au o sudabilitate relativ bun. Principalele probleme care pot s apar la realizarea construciilor sudate din astfel de oeluri sunt legate (v. fig. 7.24) de sensibiltatea lor ridicat la supranclzire (creterea pronunat a granulaie n cazul nclzirii i meninerii lor la temperaturi mai mari de 900 oC) i de tendina acestora spre fragilizare i fisurare (att datorit creterii granulaiei, ct i datorit interveniei altor fenomene, cum ar fi apariia fazei n cazul meninerilor ndelungate n intervalul de temperaturi 550...700 oC); aceste probleme se pot rezolva prin alegerea corespunztoare a MA pentru sudare, prin folosirea unor tehnologii de sudare adecvate i prin aplicarea unor TT postsudare, locale (la mbinrile sudate) sau globale (la ntreaga construcie sudat), constnd din nclzirea la ti = 750...850 oC (temperaturile mai mari fiind recomandate la construciile sudate din oeluri feritice cu concentraii ridicate de crom), meninerea la aceste temperaturi o durata m = 30...40 min i rcirea n aer. 8.6.1.2. Oelurile inoxidabile martensitice i ferito-martensitice fac parte din categoria oelurilor aliate cu crom i au compoziia caracterizat prin %Cm = 0,08...1,0 %, coninuturi foarte sczute de impuriti (%Sm 0,015 %; %Pm 0,04 %) i concentraia masic de crom ncadrat n una din urmtoarele reete: %Crm = 11...13 %; %Crm = 17...18 %; n compoziia acestor oeluri se pot aduga n diverse concentraii i alte elemente: siliciu (%Sim 1 %), aluminiu (%Alm 1,5 %), molibden (%Mom = 0,6...3,0 %), nichel (%Nim = 1...8 %), cupru (%Cum = 1...5 %), niobiu (%Nbm = 0,3...0,6 %) i/sau vanadiu (%Vm = 0,1...0,2 %) pentru creterea refractaritii i comportrii la fluaj (Al, Si, Mo), pentru mbunirea tenacitii i prelucrabilitii prin deformare plastic (Ni), pentru mbunirea rezistenei la coroziune n anumite medii (Al, Cu), pentru finisarea granulaiei, mrirea clibilitii i durificarea prin precipitare a acestor oeluri (Ni, Cu, Nb, V) sau pentru evitarea apariiei fenomenelor de fragilitate la revenire (Mo). Mrcile de oeluri comerciale din aceste clase structurale corespund integral prescripiilor prezentate mai nainte, aa cum rezult din urmtoarele exemple: X12Cr13; X20Cr13; X46Cr13; X50CrMoV15; X70CrMo15; X90CrMoV18; X105CrMo17; X5CrNiMo134; X4CrNiMo1651; X5CrNiCuNb164; X7CrNiAl177; X8CrNiMoAl1572.88

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

Aceste oeluri au concentraia de crom suficient de sczut n corelaie cu concentraia de carbon, nct transformarea alotropic Fe Fe nu este suprimat i aceste oeluri prezint transformri de faz n stare solid (n condiii de echilibru termodinamic sunt posibile transformrile de tipul austenit ferit) i se clesc n aer (sunt oeluri autoclibile), cptnd o structur martensitic sau ferito martensitic; la oelurile cu concentraii mari de carbon (%Cm > 0,2 %) aceste condiii sunt uor de ntrunit, n timp ce la oelurile cu coninut sczut de carbon (%Cm < 0,1 %) pentru asigurarea structurilor martensitice la rcirea n aer se impune alierea lor suplimentar cu nichel i, uneori, cu cupru. n majoritatea cazurilor oelurile din aceste clase structurale se utilizeaz n starea metalurgic conferit prin aplicarea unui TT de clire + revenire. Procesele care au loc la revenirea structurilor de clire ale acestor oeluri (bogat aliate cu crom i alte elemente de aliere) difer de procesele care au loc la revenirea structurilor de clire ale oelurilor nealiate (v. scap. 5.3), datorit interveniei fenomenelor de stabilitate la revenire i de durificare secundar (separararea unor carburi de crom fin dispersate, care mresc duritatea structurilor de revenire), iar caracteristicile mecanice ale structurilor de revenire pot indica prezena fenomenelor de fragilitate la revenire (v. scap. 7.4). Oelurile cu coninuturi sczute de carbon (%C m < 0,08 %) i coninuturi ridicate de crom (%Cr m = 15...17 %), aliate suplimentar cu nichel (%Ni m = 3...8 %), cupru (%Cu m = 1...5 %), aluminiu (%Al m = 0,7...1,5 %), molibden (%Mo m = 0,6...3,0 %) i/sau niobiu (%Nb m = 0,3...0,6 %), care prezint o capacitate particular de cretere a caracteristicilor de rezisten mecanic prin aplicarea de TT, alctuiesc o subdiviziune special a oelurilor inoxidabile martensitice (avnd ca mrci reprezentative X4CrNiMo1651; X5CrNiCuNb164; X7CrNiAl177; X8CrNiMoAl1572) i sunt denumite oeluri cu durificare prin precipitare (oeluri PH preciptation hardening). Oelurile PH cu %Nim = 3...5 % au Ms > ta i prezint dup clire (n aer sau ulei, de la ti = 1025...1050 oC) o structur martensitic cu coninut sczut de carbon, caracterizat prin rezisten mecanic redus i plasticitate ridicat; prin aplicarea unui TT de revenire (la ti = 470...630 oC i m = 1...3 ore), n structura martensitic apar precipitate ale compuilor intermetalici pe care i formeaz elementele de aliere suplimentare (de tipul MoNi3, NbNi3 etc.) i se produce un efect de durificare (mbtrnire) important, caracteristicile de rezisten mecanic nregistrnd creteri semnificative (Rp0,2 = 800...1200 N/mm2 i Rm = 1000...1300 N/mm2), fr afectarea inadmisibil a caracteristicilor de tenacitate (energia de rupere se menine la niveluri KV = 40...60 J) i de rezisten la coroziune. Oelurile PH cu %Nim = 6...8 % au Ms 0,4 % sunt destinate confecionrii sculelor (cuite, instrumente chirurgicale etc.) i instrumentelor de msurare i nu se utilizeaz la realizarea construciilor sudate. 8.6.1.3. Oelurile inoxidabile austenitice fac parte din categoria oelurilor aliate cu crom i nichel i reprezint[ o clas structural de oeluri cu proprieti deosebite: rezisten mare la coroziune n aer, n ap i n foarte muli ageni chimici, tenacitate i rezisten mecanic ridicate la temperaturi sczute (pn la 270 oC), plasticitate mare, comportare paramagnetic i o bun sudabilitate; structura austenitic se ecruiseaz puternic prin deformare plastic la rece i, ca urmare, aceste oeluri ridic probleme tehnologice la prelucrarea prin achiere sau prin deformare plastic. Compoziia chimic a acestor oeluri poate fi caracterizat astfel: concentraia masic de carbon este sczut; n mod obinuit, %Cm 0,15 %, dar oelurile moderne au %Cm 0,02...0,04 %; reeta de aliere de baz a acestor oeluri prevede concentraii masice de crom %Crm = 18...20 % (corespunztoare oelurilor inoxidabile) i concentraii masice de nichel %Nim = 8...10 %, motiv pentru care oelurile sunt denumite i oeluri austenitice tip 188, aceast reet fiind modificat la oelurile pentru 90

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

aplicaii speciale (caracterizate prin condiii severe de lucru: solicitri mecanice cu intensiti mari i/sau aplicate dinamic, temperaturi ridicate, medii foarte agresive etc.), care se realizeaz cu %Crm = 15...25 % i %Nim = 15... 45 % (i sunt denumite oeluri tip 1535, 2025, 2535 etc.); cromul este elementul de aliere care confer acestor oeluri rezisten la coroziune i la oxidare, %Crm = 12...15 % asigurndu-le o bun rezisten la oxidare n medii uscate, la temperaturi nalte, iar %Crm >15 % conferind oelurilor rezisten la coroziunea (de tip elecrochimic) produs de mediile active apoase; efectele favorabile ale cromului se diminueaz odat cu creterea coninutului de carbon al oelurilor (care favorizeaz apariia carburilor n structura acestora); nichelul acioneaz favorabil asupra rezistenei la coroziune i mbuntete caracteristicile mecanice la temperaturi nalte ale oelurilor, fiind elementul de aliere care le confer structura austenitic i asigur (n cazul cnd %Nim > 8 %) meninerea unei astfel de structuri pn la temperatura ambiant (prin modificarea substanial a poziiei punctelor critice de transformare n stare solid A1 i A3); majoritatea oelurilor austenitice crom-nichel au n compoziie i alte elemente de aliere dect carbonul, cromul i nichelul (elementele reetei de aliere de baz): siliciul (%Sim 1...3 %), manganul (%Mnm = 2...10 %), azotul (%Nm = 0,1...0,25 %), molibdenul (%Mom = 2...7 %), cuprul (%Cum = 0,5...4 %), niobiul (%Nbm = 0,8...1 %) sau titanul (%Tim = 0,4...0,7 %), pentru creterea refractaritii i comportrii la fluaj (Si, Mo), pentru mbunirea rezistenei la coroziune (Mo, Cu, Nb, Ti) sau pentru stabilizarea structurii austenitice i nlocuirea parial a nichelului (Mn, N). Mrcile de oeluri comerciale din aceast clas structural corespund integral prescripiilor prezentate mai nainte, aa cum rezult din urmtoarele exemple: X10CrNi188; X2CrNi189; X2CrNiMo17122; X3CrNiCu1894; X12CrMnNiN1895; X6CrNiTi1810; X6CrNiMoNb17122. Deoarece nu prezint transformri n stare solid, caracteristicile de utilizare ale acestor oeluri nu pot fi modificate prin aplicarea de TT cu schimbare de faz; singura modalitate tehnologic de a le influena caracteristicile de rezisten mecanic i plasticitate const n ecruisarea lor prin deformare plastic la rece, urmat de aplicarea unui TT de recoacere de recristalizare fr schimbare de faz (cu regimul adecvat obinerii caracteristicilor dorite). Oelurile cu coninuturi reduse de carbon (%Cm 0,04 %) au structura de echilibru la ta complet austenitic, solubilitatea carbonului n austenit la aceast temperatur fiind mai mare dect concentraia carbonului existent n aceste oeluri i, ca urmare, prezint cea mai bun comportare n prezena mediilor agresive de lucru, deoarece probabilitatea declanrii proceselor de corodare electrochimic a structurii monofazice austenitice (cu %Crm = 10,5...12,0 %) n astfel de medii este aproape nul.91

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Oelurile cu coninuturi de carbon mai mari (%Cm = 0,04... 0,15 %) au structura de echilibru la ta alctuit din austenit i carburi de crom, aceast structur bifazic putnd favoriza declanarea proceselor de corodare a oelurilor n prezena mediilor agresive. Pentru a le conferi o structur monofazic austenitic rezistent la coroziune, se aplic TT de clire de punere n soluie (a carburilor), constnd n nclzirea oelurilor la ti = 1000...1100 oC, pentru dizolvarea carburilor n austenit i rcirea lor rapid (n ap), pentru meninerea structurii monofazice austenitice (pn la ta); structura monofazic astfel obinut este alctuit din austenit suprasaturat n carbon, instabil termodinamic i, ca urmare, dac semifabricatele sau piesele confecionate dintr-un oel cu aceast structur sunt supuse nclzirii (n procesul de prelucrare sau n cursul utilizrii), se produce separarea din austenit a carbonului n exces sub form de carburi de crom, proces care prezint urmtoarele particulariti: separarea carburilor apare numai n cazul nclzirii ntr-un interval critic de temperaturi (450 oC; 850 oC), sub 450 oC difuzia elementelor care formeaz carburile nefiind posibil, iar peste 850 oC austenita are capacitate ridicat de a dizolva carbon i separarea carburilor nu mai este justificat termodinamic; viteza de difuzie a carbonului n austenit este mai mare dect cea corespunztoare cromului i, ca urmare, carbonul ajunge mai repede la marginile cristalelor de austenit i formeaz carburile cu cromul din austenita situat n zonele adiacente acestor margini; separarea intercristalin a carburilor de crom i scderea concentraiei de crom de la marginile cristalelor de austenit diminueaz rezistena la coroziune a oelului, astfel c, atunci cnd piesele realizate dintr-un astfel de oel vin n contact cu un mediu agresiv de lucru, marginile (srcite n crom) ale cristalelor de austenit sunt atacate, aa cum se poate observa n imaginile prezentate n figura 8.12, fenomen numit coroziune intercristalin; aa cum se poate deduce examinnd diagrama din figura 8.13, pentru fiecare temperatur situat n intervalul critic de temperaturi exist un interval critic al duratei de meninere, pentru care intensitatea sensibilizrii la coroziune intercristalin a oelului este maxim; dac durata meninerii este sub limita inferioar a intervalului critic, cantitatea de carburi precipitate este redus, marginile cristalelor de austenit i diminueaz puin concentraia de crom i diminuarea rezistenei la coroziune a oelului este mic, iar dac durata meninerii este mai mare dect limita superioar a intervalului critic, dup precipitarea intercristalin a carburilor de crom, se produce uniformizarea prin difuzie a concentraiei cromului n cristalele de austenit, crete concentraia n crom a marginilor acestor cristale, srcirea n crom a acestor margini este parial compensat i rezistena la coroziune a oelului este puin afectat. Aspectele prezentate sugereaz i principalele ci de aciune pentru diminuarea susceptibilitii oelurilor inoxidabile austenitice fa de coroziunea92

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

intercristalin: reducerea concentraiei de carbon (%Cm 0,04 %), pentru evitarea formrii carburilor de crom n structura oelurilor, creterea concentraiei cromului, pentru ca separarea intercristalin a carburilor de crom s afecteze n mic msur rezistena la coroziune a marginilor cristalelor de austenit i/sau microalierea oelurilor cu titan, niobiu sau tantal, care, avnd afinitatea fa de carbon mai mare dect cromul, leag carbonul n exces sub form de carburi proprii i asigur astfel meninerea nealterat a concentraiei cromului n cristalele de austenit (oelurile inoxidabile austenitice microaliate cu titan, niobiu sau tantal sunt denumite oeluri stabilizate).

Fig. 8.12. Microfotografia unei zone afectate de coroziunea intercristalin la o pies din oel inoxidabil austenitic X10CrNi188

Fig. 8.13. Diagrama timp temperatur sensibilizare la coroziunnea intercristalin (TTS) a oelului inoxidabil X10CrNi188

Oelurile inoxidabile austenitice au o bun sudabilitate. Dac se analizeaz diagrama structural prezentat n figura 7.24, se observ c principalele probleme care pot afecta sudabilitatea oelurilor austenitice crom-nichel sunt: fisurarea la cald i fragilizarea indus de formarea fazei . Fisurarea la cald a CUS realizate prin sudare se produce la temperaturi ridicate (peste 1200 oC), n timpul solidificrii CUS, fisurile formate la cald avnd caracter interdendritic i fiind cauzate de prezena unor faze uor fuzibile n zonele intercristaline ale structurii primare a CUS; apariia fenomenului este influenat de urmtorii factori: compoziia chimic a BMT din care rezult prin solidificare CUS (dependent de compoziia i puritatea MB i MA); carbonul, siliciul, sulful i fosforul favorizeaz apariia fisurrii la cald, deoarece formeaz cu elementele de aliere tipice oelurilor inoxidabile austenitice (nichel, titan, niobiu) compui (sulfura de nichel, carburi de titan i niobiu, silicai) care sunt faze uor fuzibile sau care formeaz cu fierul sau cu elementele de aliere eutectice uor fuzibile, n93

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

timp ce manganul, wolframul, vanadiul i molibdenul mpiedic fisurara la cald, fixnd elementele nocive (sulful, carbonul etc.) sub form de compui greu fuzibili sau care formeaz cu fierul sau cu elementele de aliere eutectice greu fuzibile; prezena feritei n structura CUS (ntr-un coninut procentual de 3...4 %) mpiedic fisurarea la cald, prin realizarea urmtoarelor efecte: finisarea structurii (ferita cristalizeaz naintea austenitei i mpiedic formarea structurilor dendritice grosolane), relaxarea tensiunilor mecanice care apar n timpul cristalizrii primare a CUS (la temperaturi nalte, ferita are rezistena la deformare mai mic dect austenita i, ca urmare, ferita este faza care se deformeaz uor i ajut la diminuarea nivelului energetic al cmpului de tensiuni care apare datorit sudrii) i dizolvarea elementelor nocive (sulf, fosfor, siliciu) i diminuarea pericolului de formare a eutecticelor uor fuzibile; Fragilizarea prin faza se produce atunci cnd n mbinrile sudate apare faza , compus intermetalic FeCr caracterizat prin duritate ridicat i fragilitate accentuat; dac MB sau CUS au structura complet austenitic, faza apare (mai greu) dup sudare, n zonele nclzite la 600...900 oC, direct din austenit , prin realizarea urmtoarelor etape: + + + + , iar dac structurile sunt austenito feritice, faza apare (mai uor) n aceleai zone, prin realizarea urmtoarelor etape: + + + + ; apariia fazei (sigmatarea) i fragilizarea care o nsoete sunt favorizate de prezena unor elemente de aliere ca Mo, Si, Nb, Ti i de procesele de deformare plastic la rece i pot fi nlturate aplicnd dup sudare (sau dup operaiile de prelucrare prin deformare plastic la rece) un tratament termic constnd din nclzirea zonei sigmatate la ti 1000 oC, meninerea la aceast temperatur o durat m = 2...4 ore i rcirea n aer. 8.6.1.4. Oelurile inoxidabile austenito feritice sau ferito austenitice, denumite i oeluri duplex, fac parte din categoria oelurilor aliate cu crom i nichel i reprezint o clas structural de oeluri utilizat relativ recent (cu toate c primele oeluri duplex au aprut nc din 1930) la fabricarea aparaturii tehnologice de presiune i a construciilor sudate. Aceste oeluri combin bunele proprieti ale oelurilor inoxidabile feritice i austenitice, prezena n structur a feritei asigurndu-le niveluri ridicate ale rezistenei mecanice i rezistenei la coroziune, iar prezena austenitei conferindu-le o bun ductilitate i tenacitate; raportul preferat al coninuturilor procentuale de ferit i austenit n structura oelurilor de acest tip este cel unitar (% 50 % i % 50 %). Primele oeluri duplex realizate au avut compoziia: %Cm 0,04 %; %Crm = 22...24; %Nim = 4...5 %; %Mom = 1...2 % i %Cum 2 %; la realizarea construciilor sudate din astfel de oeluri s-a constatat c structurile realizate n CUS i ZIT nu mai prezint raportul unitar al coninuturilor procentuale de ferit94

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

i austenit, iar caracteristicile de rezisten la coroziune ale mbinrior sudate sunt nesatisfctoare. A doua generaie de oeluri duplex a avut compoziia chimic caracterizat prin %Cm 0,04 %; %Crm = 24...26 %; %Nim = 6...8 %; %Mom = 3...4 % , %Cum 2,5 % i %Nm = 0,15...0,30 % (unele coninnd i %Wm = 0,5...1,0 %); azotul a fost utilizat pentru nlocuirea parial a nichelului ca element austenitizant, constatndu-se c el mbuntete rezistena mecanic i rezitena la coroziune i contribuie la formarea austenitei din ferit la temperaturi ridicate, asigurnd meninerea raportului unitar al coninuturilor procentuale de ferit i austenit n zonele caracteristice ale mbinrilor sudate ale echipamentelor trehnologice sau construciilor realizate din astfel de materiale. Rezistena la coroziune a oelurilor duplex din generaia a doua este mai bun dect a oelurilor inoxidabile austenitice, iar rezistena la traciune i limita de curgere sunt aproximativ de dou ori mai mari dect ale oelurilor inoxidabile austenitice; tenacitatea oelurilor duplex are nivelul situat ntre nivelurile corespunztoare oelurilor inoxidabile austenitice i feritice, oelurile duplex putnd fi utilizate pentru confecionarea pieselor, construciilor i echipamentelor care funcioneaz la temperaturi superioare temperaturii de 50 oC (n condiii de frig climatic sau industrial), dar nefiind recomandate pentru echipamentele i aparatele tehnologice destinate aplicaiilor criogenice. Mrcile de oeluri comerciale din aceast clas structural corespund integral prescripiilor prezentate mai nainte, aa cum rezult din urmtoarele exemple: X2CrNiN234;X2CrNiMoN2253;X3CrNiMoN2752;X2CrNiMoCuN2563; X2CrNiMoN2574; X2CrNiMoCuWN2574. Pentru realizarea unor mbinri sudate de calitate la realizarea aparatelor tehnologice sau construciilor metalice din oeluri duplex se recomand a se avea n vedere urmtoarele aspecte: pentru a obine CUS cu caracteristici corespunztoare, este necesar ca MA utilizate la sudare s fie supraaliate cu nichel (MA trebuie s aib %Nim 9 %, spre deosebire de MB, care au n mod obinuit %Nim = 5,5...7,5 %), respectarea acestei prescripii asigurnd formarea i meninerea cantitii corespunztoare de austenit n structura CUS; MA cu compoziie apropiat de a MB se utilizeaz numai n cazul cnd se efectueaz TT postsudare pentru rectificarea structurilor din CUS i ZIT, iar sudarea fr MA sau cu pMA sczute (valori mari ale pMB) nu este recomandat (trebuie evitat), mai ales dac nu este posibil aplicarea de TT postsudare; n procesul de sudare se produc fenomene metalurgice de precipitare n CUS i ZIT a unor faze dure (faze , de tipul unor compui intermetalici cu coninuturi ridicate de crom i molibden sau nitruri de fier i/sau de elemente de aliere) care fragilizeaz structura i micoreaz rezistena la coroziune a acesteia;95

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

fenomenele de precipitare se produc n principal n zonele feritice ale structurii CUS i ZIT, deoarece elementele de aliere difuzeaz mai uor n aceast faz, iar solubilitatea azotului n ferit este mai sczut dect n austenit; s-a constatat c apariia fazelor este determinat de meninerile ndelungate la temperaturi ridicate, iar precipitarea nitrurilor se produce mai intens dac MB nu are un coninut suficient de azot (care s determine formarea i stabilizarea austenitei) sau dac nu se folosesc MA supraaliate cu nichel. 8.6.1.5. Oelurile refractare (termorezistente) pot aparine, n funcie de compoziia lor chimic, uneia din clasele structurale anterior prezentate: feritic, martensitic sau austenitic; deoarece, aa cum s-a artat anterior, rezistena la oxidare este conferit oelurilor de alierea cu crom i este mbuntit de alierea suplimentar cu siliciu i aluminiu (elemente care asigur formarea pe suprafetele pieselor realizate din astfel de oeluri i exploatate la temperaturi ridicate a unui strat compact i aderent de oxizi, de tipul Cr2O3, Al2O3, SiO2, ce protejeaz materialul mpotriva oxidrii n profunzime), iar rezistena mecanic la temperaturi ridicate se asigur oelurilor prin alierea cu crom, molibden, nichel, wolfram, vanadiu (care durific oelurile prin formarea de carburi stabile, micoreaz tendia de fragilizare la cald a acestora i/sau le mresc temperatura de recristalizare primar, peste care se manifest cu intensitate mare fenomenul de fluaj), oelurile inoxidabile prezint i o bun refractaritate (mai ales, dac aplicaiile n care sunt utilizate se caracterizeaz prin temperaturi de lucru nu prea mari, n general sub 550 oC). Pentru aplicaiile tehnice la care temperaturile de lucru sunt foarte ridicate (550...1100 oC) se utilizeaz oelurile refractare (termorezistente) speciale, destinate fabricrii produselor prin deformare plastic la cald, semifabricatelor laminate finite (profile pline i fasonate, table, benzi, srme etc.) i barelor forjate, avnd calitatea reglementat de STAS 11523; principalele mrci de astfel de oeluri (simbolizate n acelai mod ca i oelurile aliate pentru construcia de maini cuprinse n STAS 791) sunt: 10AlCr70, 10AlCr180, 10AlCr240 (aparinnd clasei structurale a oelurilor aliate feritice), 20VNiMnCr120, 20VNiWMoCr120 (aparinnd clasei structurale a oelurilor aliate martensitice), 12TiNiCr180, 12NiCr250, 15SiNiCr200, 15SiNiCr250, 40SiNiCr250, 12SiNiCr360 i 10TiAlCrNi320 (aparinnd clasei structurale a oelurilor aliate austenitice). O aplicaie n care alegerea oelurilor termorezistente ridic probleme interesante o constituie fabricare evilor pentru cuptoarele instalaiilor de piroliz din combinatele petrochimice, evi prin care circul hidrocarburi i care au domeniul temperaturilor de lucru [700 oC; 900 oC]. Pentru aceast aplicaie singurele oeluri care dau rezultate bune sunt oelurile austenitice crom nichel tip 1535, 2025 sau 2535, cu coninuturile de carbon %Cm = 0,35...0,45 %,96

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

avnd structura de echilibru la ta alctuit din austenit i carburi. Soluia folosirii unor oeluri cu %Cm = 0,35...0,45 % a fost adoptat innd seama c, aa cum arat diagramele din figurile 8.14 i 8.15, aceste oeluri prezint viteze de fluaj minime i rezistene tehnice de durat (fluaj) maxime i au tendin redus de carburare n prezena mediilor de hidrocarburi (carburarea evilor i, ca urmare, creterea excesiv a cantitii de carburi n structur fiind una din principalele cauze care produc degradarea evilor); coninutul ridicat de carbon diminueaz prelucrabilitatea prin deformare plastic a acestor oeluri, impunnd fabricarea evilor prin turnare centrifugal, dar nu afecteaz inadmisibil sudabilitatea acestor oeluri (cu anumite precauii tehnologice evile pentru cuptoarele instalaiilor de piroliz pot fi sudate).

Fig. 8.14. Dependena dintre viteza de fluaj i concentraia de carbon la oelurile austenitice crom nichel tip 1535

Fig. 8.15. Dependenele dintre rezistena tehnic de durat i concentraia de carbon la oelurile austenitice crom nichel tip 1535 i 2520

Pentru aplicaiile n care mediul de lucru este foarte agresiv i/sau temperaturile de lucru sunt ridicate, se utilizeaz aliaje speciale NiCr ( %Nim = 4570 % i %Crm = 12.25 %), care au n compoziie i mici cantiti de carbon (%Cm = 0,010,05 %) i alte elemente de aliere: molibden (%Mom = 225 %, wolfram (%Wm = 35 %), fier (%Fem = 212 %), niobiu (%Nbm = 35 %), siliciu (%Sim < 2 %), aluminiu, titan, zirconiu etc; datorit numrului mare de componente aceste materiale sunt denumite superaliaje; nichelul asigur acestor aliaje o rezisten excepional la coroziune n medii puternic reductoare, iar cromul, mpreun cu siliciul i aluminiul, le asigur o foarte bun rezisten la oxidare, celelalte componente contribuind la creterea rezistenei mecanice la cald i asigurarea unei bune comportri la fluaj.97

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabel 8.8. Compoziiile chimice de baz ale unor superaliaje refractare Denumirea comercial INCONEL 625 INCONEL X 750 HASTELLOY C HASTELLOY X WASPALLOY NIMONIC 901 NIMONIC 105 %Nim min. 58 min. 70 5565 4550 5055 4243 5055 %Crm 2023 1417 1519 2023 1821 1214 1415 Compoziia chimic, % Alte elemente %Mom %Com max. 8,01 %Nbm = 34 %;%Sim =1,51,8 0 10 % max. %Fem = 59 % ;%Tim = 23 % 10 %Wm = 45 %; %Fem = 34 1517 0,61, 0 % 8,01 1,02, %Fem = 1720 %;%Sim = 0 0 1 1 3% 3.55. 1215 %Tim = 23 %; %Alm = 0 1 2 1 6% 5,66, 0,81, %Fem = 3033 %;%Tim = 23 1 2 % 4,55, 1822 %Tim = 11,5 %; %Alm = 45 5 %

Superaliajele au structura alctuit din soluii solide ale componentelor, durificate prin precipitarea unor compui chimici, cum ar fi Ni3Nb, Ni3(Al,Ti) sau (Ni,Fe)3Al, care, prin duritatea, fineea mare i gradul lor de dispersie ridicat, contribuie la creterea rezistenei mecanice. Superaliajele sunt cunoscute sub denumirile comerciale, cu care firmele productoare le-au lansat pe pia, cele mai cunoscute tipuri de aliaje din aceast clas fiind: Inconel, Hastelloy, Incoloy, Nimonic etc., cu caracteristicile de compoziie chimic prezentate n tabelul 8.8.

8.6.2. Oelurile patinabileOelurile din aceast categorie prezint rezisten ridicat la coroziunea atmosferic, rezisten determinat de formarea pe suprafaa produselor realizate din astfel de oeluri, prin interaciunea lor timp de 1...3 ani cu atmosfera nconjurtoare, a unor pelicule (patine) de oxizi i sulfat complex de fier, compacte, tenace i aderente la suprafaa produselor, care se comport ca nite straturi autoprotectoare, ce pasiveaz produsele (reduc viteza de coroziune uniform la valori apropiate de 0 mm/an). Pentru a realiza o astfel de comportare, oelurile aparinnd acestei categorii au concentraiile de carbon sczute (%Cm 0,120,16 %), sunt slab aliate cu crom (%Crm = 0,30.1,25 %), cupru (%Cum = 0,250,55 %), nichel (%Nim 0,65 %), molibden (Mom 0,30 %), zirconiu (Zrm 0,15 %) i conin mici cantiti de elemente care fixeaz azotul sub form de nitruri stabile, cum ar fi aluminiul (%Alm 0,02 %), niobiul (%Nbm = 0,015.0,060 %), vanadiul (%Vm = 0,02.0,12 %) i titanul (%Tim = 0,02.0,10 %); coninuturile de impuriti ale acestor oeluri sunt limitate la nivelurile %Sm, %Pm 0,035 %, dac oelurile sunt complet dezoxidate (calmate) la elaborare, respectiv, %Sm,, %Pm 0,04 %, dac oelurile sunt livrate98

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

n alt stare dect cea calmat, concentraia fosforului fiind mrit la unele oeluri (la nivelul %Pm = 0,06...0,15 %), deoarece acesta poate participa ca element activ la formarea peliculelor de pasivare. Semifabricatele din astfel de oeluri se livreaz fie n starea obinut prin laminare normalizant, fie n starea realizat prin laminare obinuit (cu sau fr TT de normalizare aplicat ulterior laminrii), iar produsele realizate din acestea nu se trateaz termic. Deoarece coninuturile de carbon i alte elemente de aliere sunt sczute, iar coninuturile de impuriti sunt limitate, oelurile din aceast categorie prezint o bun sudabilitate; dac carbonul echivalent, determinat cu relaia (8.3), ndeplinete condiia %Ce 0,44 %, realizarea construciilor sudate din astfel de oeluri nu ridic probleme tehnologice deosebite, iar dac condiia nu este ndeplinit se recomand sudarea cu prenclzire i, eventual, aplicarea recoacerii de detensionare ca TT postsudare. Caracteristicile fizico mecanice i tehnologice ale oelurilor din aceast categorie sunt similare celor ale oelurilor de uz general echivalente din punctul de vedere al mrcii i clasei de calitate. Standardul SR EN 10155 prevede mrcile S235W i S355W, iar STAS 500/3 care reglementeaz acelai domeniu, nefiind nc abrogat, prevede mrcile RCA 370 i RCB 510, semnificaiile simbolurilor fiind cele precizate n scap. 8.2.2.; oelurile SxxxW se pot livra n clasele de calitate J0, J2 i K2, iar S355W se poate livra i n varianta S355WP, cu coninut ridicat de fosfor (%Pm = 0,060,15 %). Principalele aplicaii tehnice n care se utilizeaz semifabricatele sub form de table, benzi sau profile laminate din astfel de oeluri sunt construciile metalice i mecanice (supuse n exploatare la coroziune atmosferic la temperatura ambiant), cum ar fi: stlpii pentru reelele electrice de nalt tensiune, vagoanele de cale ferat, macaralele, structurile portante i de nchidere ale halelor industriale i unele recipiente sub presiune.

8.7. Oelurile pentru sculeOelurile din aceast clas se utilizeaz pentru confecionarea sculelor (cuite pentru strunjire, rabotare i mortezare, burghie, alezoare, freze, tarozi, filiere etc.) destinate prelucrrii prin achiere a semifabricatelor i pieselor din diverse materiale (oeluri, fonte, lemn, piatr, materiale plastice etc.), pentru confecionarea sculelor de prelucrare prin deformare plastic la rece sau la cald a diferitelor materiale (dli, cuite pentru foarfeci, poansoane, matrie pentru prelucrarea oelurilor sau maselor plastice, nicovale pentru forjat, dornuri,99

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

punctatoare, scule de tragere la rece a materialelor metalice etc.), pentru fabricarea unor unelte i instrumente de lucru (urubelnie, chei fixe, ferstraie pentru lemn, ace de trasare, vrfuri de centrare pentru maini unelte, instrumente chirurgicale etc.), pentru fabricarea unor piese rezistente la uzare (de la mainile textile, mainile agricole etc.) i pentru realizarea elementelor active (care trebuie s prezinte durabilitate ridicat) ale instrumentelor de msurare i verificare a dimensiunilor pieselor (rigle, ublere, micrometre, calibre etc.). n corelaie cu destinaia lor, oelurile din aceast clas trebuie s corespund mai multor condiii generale, care pot fi formulate astfel: oelurile trebuie s prezinte duritate ridicat (mai mare dect duritatea materialelor semifabricatelor sau pieselor care se se prelucreaz cu sculele confecionate din ele) i tenacitate suficient (pentru ca tiurile i corpul sculelor s poat prelua solicitrile mecanice la care sunt supuse n timpul utilizrii lor pentru prelucrarea semifabricatelor sau pieselor, fr apariia unor fenomene nedorite de fisurare sau rupere fragil); duritatea ridicat se asigur prin aplicarea unui TT final de clire martensitic a sculelor, ceea ce impune ca, innd seama c duritatea martensitei crete odat cu concentraia de carbon a oelului supus clirii (v. scap. 5.2.2), oelurile pentru scule s fie (de obicei) hipereutectoide; oelurile trebuie s-i menin duritatea ridicat i n urma nclzirii lor datorit frecrilor ce apar ntre scule i semifabricatele sau piesele supuse prelucrii; deoarece nclzirile sculelor clite martensitic au efectele unor reveniri, se impune ca oelurile s prezinte o bun stabilitate la revenire i/sau s fie aliate cu elemente care s le asigure durificarea secundar (v. scap. 7.4); oelurile trebuie s aib o bun clibilitate, astfel ca zona de la suprafaa sculelor durificat prin clire s fie suficient de extins (adnc) i s permit ascuirea repetat a acestora, fr ca duritatea tiurilor s se micoreze inadmisibil; oelurile trebuie s prezinte sensibilitate redus la deformare i/sau fisurare prin clire i s aib tendin mic de decarburare superficial n timpul prelucrrilor i TT la care sunt supuse n procesul tehnologic de realizare a sculelor (deoarece micorarea concentraiei carbonului n stratul superficial diminueaz clibilitatea i capacitatea de clire v. scap. 5.2.2).

8.7.1. Oelurile carbon pentru sculeOelurile din aceast categorie au concentraia de carbon ridicat (%Cm = 0,65...1,25 %) i coninuturile de impuriti limitate la nivelurile corespunztoare oelurilor de calitate. Fiind n marea majoritate oeluri hipereutectoide, structura lor de echilibru la ta este alctuit din perlit i100

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

cementit secundar (dispus sub form de reea la marginea formaiunilor perlitice v. tabelul 4.2). Semifabricatele din astfel de oeluri se realizeaz prin deformare plastic la cald i se livreaz n starea structural (cu perlit globular) conferit de aplicarea unui TT de recoacere de globulizare a cementitei (numit i recoacere de nmuiere). Pentru ndeplinirea condiiilor generale anterior formulate, n procesul tehnologic de realizare a sculelor din astfel de oeluri se pot include urmtoarele TT: normalizarea (v. scap. 6.3.5), pentru finisarea granulaiei i obinerea unei structuri cvasieutectoide (fr reea de cementit secundar); recoacerea de globulizare a cementitei (v. scap. 6.3.3), pentru obinerea unei structuri cu perlit globular, care confer oelurilor o bun prelucrabilitate prin deformare plastic i prin achiere. Dup aducerea la configuraia dorit, sculele realizate din astfel de oeluri se supun unui TT final alctuit din: clire martensitic, pentru creterea duritii i, eventual, clire la temperaturi sczute, pentru obinerea unei structuri martensitice cu coninuturi minime de austenit rezidual; revenire joas (la ti = 150...200 oC), pentru obinerea unei structuri cu martensit de revenire (v. scap. 6.5), bine detensionat i cu duritate ridicat (55...60 HRC). Oelurile din aceast categorie au calitatea reglementat prin STAS 1700; principalele mrci de oeluri sunt: OSC7; OSC8, OSC9, OSC10, OSC11 i OSC12, semnificaia simbolurilor fiind cea precizat n scap. 8.2.2 (de exemplu, simbolul OSC10 corespunde unui oel carbon pentru scule avnd concentraia masic medie de carbon %Cm = 1,0 %). Deoarece creterea concentraiei masice de carbon i aplicarea de TT sunt singurele ci de aciune pentru asigurarea caracteristicilor de utilizare ale acestor oeluri, ncadrarea lor n condiiile generale anterior formulate se prezint astfel: oelurile prezint sensibilitate ridicat la decarburarea superficial i la fisurarea prin clire; sculele realizate din astfel de oeluri au duritatea (dup TT final) 55...60 HRC, care se menine numai dac acestea nu se nclzesc (n timpul utilizrii) la temperaturi mai mari de 150...200 oC; clibilitatea acestor oeluri corespunde unui indice J 5 55/60. Gradul moderat de ndeplinire a condiiilor limiteaz utilizarea acestor oeluri la fabricarea sculelor cu forme simple i dimensiuni caracteristice nu prea mari i impune o serie de restricii privind regimurile tehnologice de lucru cu sculele confecionate din astfel de oeluri (de exemplu, limitarea vitezelor de achiere i/sau rcirea sculelor n cursul utilizrii lor pentru diverse prelucrri).101

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

8.7.2. Oelurile aliate pentru sculeOelurile din aceast categorie au compoziia chimic corelat cu destinaia i caracteristicile de utilizare ale sculelor care se confecioneaz din ele, putndu-se distinge tipurile prezentate n continuare. 8.7.2.1. Oelurile aliate pentru scule achietoare, scule (rezistente i foarte rezistente la uzare) de prelucrare prin deformare plastic la rece i instrumente de msurare sau verificare au concentraiile de carbon ridicate (%Cm = 0,8...2,00 %), coninuturile de impuriti limitate la nivelul %Pm, %Sm 0,03 % i sunt slab, mediu sau nalt aliate cu diverse elemente, cum ar fi cromul (%Crm = 1,0...12,0 %), wolframul (%Wm = 0,8...2,2 %), vanadiul (%Vm = 0,1...1,1 %), molibdenul (%Mom = 0,6...1,3 %) i manganul (%Mnm = 0,8...2,2 %). Calitatea acestor oeluri este reglementat de STAS 3611, care recomand o simbolizare similar celei utilizate de STAS 791 pentru oelurile aliate destinate pieselor pentru construcia de maini, principalele mrci fiind: 90VMn20; 90VCrMn20; 100VMoCr52; 105MnCrW11; 105CrW20 i 117VCr6, ce corespund unor oeluri aliate (hipereutectoide) din clasa structural perlitic (cu structura de echilibru la ta alctuit din perlit i carburi secundare) i 155MoVCr115; 165VWMoCr115 i 200Cr115, ce corespund unor oeluri aliate din clasa structural ledeburitic (cu structura de echilibru la ta alctuit din perlit i carburi primare i secundare). Semifabricatele din aceste oeluri sunt realizate prin deformare plastic la cald i sunt livrate n starea structural (cu perlit globular) obinut prin aplicarea unei recoaceri de nmuiere. TT final la care sunt supuse sculele confecionate din astfel de oeluri este alctuit (ca i n cazul sculelor din oeluri carbon) din clire martensitic (urmat uneori de clire la temperaturi sczute, pentru diminuarea coninutului de austenit rezidual din structur) i revenire joas (la ti = 150...200 oC), pentru obinerea unei structuri cu martensit de revenire, bine detensionat i cu duritate ridicat (58...65 HRC). 8.7.2.2. Oelurile aliate pentru scule rezistente la oc, unelte de mn i scule de prelucrare prin deformare plastic la cald au concentraiile de carbon %Cm = 0,25...0,60 %, coninuturile de impuriti limitate la nivelul %Pm, %Sm 0,03 % i sunt slab sau mediu aliate cu elemente ca wolframul (%Wm = 1,2...2,0 %), cromul (%Crm = 0,4...2,8 %), molibdenul (%Mom = 0,5...2,0 %); vanadiul (%Vm = 0,15...1,0 %), nichelul (%Nim = 1,4...1,8 %), siliciul %Sim = 0,4...1,2 %) i manganul (%Mnm = 0,8...1,2 %). Ca i a oelurile de tipul precedent, calitatea i simbolizarea acestor oeluri sunt reglementate de STAS 3611, care cuprinde ca principale mrci: 30VCrW85; 31VCr8; 31VMoCr29; 36VSiWMnCr53; 55MoCrNi10 i 55VMoCrNi17; oelurile de acest102

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

tip aparin clasei structurale a oelurilor aliate (hipoeutectoide) perlitice (cu structura de echilibru la ta alctuit din perlit i ferit). Utilizarea unor concentraii relativ mici de carbon (ca i alierea cu unele elemente, cum ar fi nichelul i manganul) este dictat la oelurile de acest tip de necesitatea obinerii unor scule cu tenacitate ridicat (rezistente la ocuri mecanice sau termice repetate) i care s nu se decarbureze uor n cazul utilizrii lor (la temperaturi ridicate) pentru prelucrarea prin deformare plastic la cald a materialelor metalice. Sculele confecionate din acest tip de oeluri se supun unui TT final de mbuntire (clire martensitic urmat de revenire nalt, la ti = 500...550 oC), pentru obinerea unei structuri (apropiat de echilibru) cu sorbit de revenire i duritatea 40...50 HRC (meninut la acest nivel ridicat, deoarece la aceste oeluri aliate se manifest fenomenele de stabilitate la revenire i de durificare secundar); la sculele confecionate din astfel de oeluri nu se recomand aplicarea TT de clire martensitic + revenire joas, deoarece se obine o structur (cu martensit de revenire) instabil, iar nclzirile la care sunt supuse sculele n timpul utilizrii (pentru deformarea plastic la cald a materialelor metalice) echivaleaz cu aplicarea unor reveniri nalte, ce produc transformri structurale (trecerea martensitei de revenire n sorbit de revenire) nsoite de modificri dimensionale (nepermise) i de micorarea duritii. 8.7.2.3. Oelurile rapide sunt destinate n principal confecionrii sculelor achietoare care permit prelucrarea cu viteze mari de achiere a materialelor metalice, deoarece structurile obinute prin TT final aplicat acestor scule i menin duritatea ridicat (60...65 HRC) pn la temperaturi de 600...650 oC. Oelurile de acest tip au calitatea reglementat de STAS 7382 i se simbolizeaz folosind grupul de litere Rp, urmat de un numr convenional (fr semnificaie privind compoziia sau caracteristicile oelurilor), principalele mrci fiind Rp1, Rp2, Rp3, Rp4, Rp5, Rp9, Rp10 i Rp11. Compoziia chimic de baz a oelurilor rapide corespunde mrcii Rp3: %Cm = 0,70...0,78 %; %Wm = 17...18 %; %Crm = 3,5...4,5 % i %Vm = 1,0...1,2 %. Pornind de la aceast reet s-au dezvoltat toate variantele de oeluri rapide utilizate n tehnic: oelurile economice, cu concentraii mai ridicate de carbon, concentraii minime de wolfram i aliate suplimentar cu molibden (care suplinete lipsa wolframului), marca reprezentativ fiind Rp9, cu urmtoarea compoziie: %Cm = 0,95...1,05 %; %Wm = 2,0...2,5 %; %Crm = 3,5...4,5 %, %Vm = 2,0...2,5 % i %Mom = 2,5...3,5 %; oelurile aliate suplimentar cu molibden (pentru a nlocui parial wolframul, element de aliere scump), marca reprezentativ fiind Rp11, cu compoziia: %Cm = 0,95...1,05 %; %Wm = 1,5...2,0 %; %Crm = 3,5...4,5 %, %Vm = 1,8...2,2 % i %Mom = 8...9 %;103

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

oelurile aliate suplimentar cu cobalt (element care mrete vrc i temperaturile caracteristice Ms i Mf ale oelurilor i permite simplificarea TT final al sculelor), marca reprezentativ fiind Rp1, cu compoziia: %Cm = 0,9...1,0 %; %Wm = 9...10 %; %Crm = 3,5...4,5 %, %Vm = 2,0...2,5 % i %Com = 5...6 %. Oelurile rapide aparin clasei structurale a oelurilor aliate ledeburitice, structura de echilibru la ta a lingourilor turnate din astfel de oeluri i rcite foarte lent fiind alctuit din perlit sorbitic, carburi secundare i un schelet ledeburitic (v. scap. 7.5). Lingourile obinute n condiii industriale (rcite rapid la solidificare) prezint la ta, deoarece oelurile rapide au temeratura Ms 250 N/mm2 se realizeaz prin aliere: %Crm = 0,150,8 %, %Nim = 0,22 %, %Cum = 0,51,5 %, %Mom = 0,10,5 %. Aa cum s-a prezentat n scap 4.4, structura acestor fonte este format dint-o mas metalic de baz feritic (la fontele cu Rm < 200 N/mm2),114

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

ferito-perlitic (la fontele cu Rm [200 N/mm2; 300 N/mm2]) sau perlitic (la fontele cu Rm > 300 N/mm2) i formaiuni de grafit lamelar izolate sau sub form de aglomerri, principalele tipuri de separri de grafit fiind prezentate n figura 8.21. Formele de grafit A, B, D se pot forma la aceeai vitez de rcire, n funcie de capacitatea de germinare a topiturii; formele de grafit D i E apar n cazul fontelor hipoeutectice supranclzite, cnd lamelele de grafit se aeaz ntre ramurile dendritelor sub form neordonat (grafit D) sau sub form ordonat (grafit E). Din punctul de vedere al influenei asupra caracteristicilor mecanice de rezisten cea mai convenabil form a grafitului corespunde tipului A. Grafitul lamelar ntrerupe continuitatea masei metalice i constituie concentratori puternici de tensiuni, ceea ce explic rezistena mecanic sczut, lipsa de plasticitate i rezistena la oboseal redus a acestor materiale. Prezena grafitului confer ns fontelor i unele caracteristici favorabile, cum ar fi capacitatea mare de amortizare a vibraiilor mecanice i o bun comportare la uzare, datorit efectelor de ungere produse de grafit. Utilizarea lor deosebit de larg se datoreaz costului redus, proprietilor foarte bune de turnare (fluiditate ridicat, contracie la solidificare redus) i de prelucrare prin achiere (lamelele de grafit fragmenteaz achiile). Se pot turna piese cu forme complicate i de orice dimensiune (masa pieselor poate fi 0,110000 kg), care nu pot fi realizate prin alte procedee tehnologice.

Fig. 8.21. Formele separrilor de grafit lamelar

Caracteristicile fontelor cu grafit lamelar sunt reglementate de standardul SR EN 1561, care caracterizeaz fontele pe baza rezistenei la traciune sau pe baza duritii Brinell, astfel c simbolurile utilizate sunt ENGJLxxx, xxx reprezentnd rezistena minm la traciune n N/mm2, sau ENGJLHBxxx, xxx fiind duritatea Brinell; de exemplu, ENGJL300 este o font cenuie cu Rm 300 N/mm2, iar ENGJLHB235 este o font cenuie cu duritatea HB 235 HBS ntre duritatea Brinell i rezistena la traciune a acestor materiale exist urmtoarea corelaie, precizat i n standardul SR EN 1561: (8.4) HB = RH (100 + 0,44 Rm ) ,115

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

n care RH este un coeficient stabilit experimental pentru o anumit tehnologie de elaborare i de turnare ai cror parametri pot fi meninui constani (de obicei, RH = 0,81,2). Relaia (8.4) este important deoarece permite evaluarea rezistenei la traciune pentru fiecare pies n parte, utiliznd valorile determinrilor de duritate Brinell, care este o ncercare nedistructiv i poate fi realizat cu aparate portabile. Fontele maleabile se caracterizeaz prin existena grafitului sub form de aglomerri sau cuiburi de grafit; aa cum s-a prezentat n scap.4.5, produsele din astfel de materiale se obin aplicnd tratamentele termice de recoacere de maleabilizare a semifabricatelor turnate din fonte albe hipoeutectice (cu %Cm = 2,23,2 %, %Sim = 0,81,5 %, %Mnm = 0,30,8 %); aceste materiale au rezistena la traciune Rm = 350800 N/mm2 i alungirea la rupere A = 112 % i se utilizeaz n special pentru fabricarea pieselor de legtur pentru instalaii (denumite fitinguri), deoarece acestea sunt piese cu perei subiri i se pot turna bine din fonte albe, iar dimensiunile lor sunt relativ mici i tratamentul de maleabilizare (a crui durat depinde de masa pieselor supuse tratrii) se poate aplica n condiii economice. Calitatea fontelor maleabile este reglementat de standardul SR EN 1562 care prevede dou tipuri de fonte: fontele maleabile cu miez alb, simbolizate ENGJMWxxxx, numrul xxx reprezentnd rezistena la traciune Rm, n N/mm2, iar al doilea numrul x alungirea la rupere A3,4 n % (ncercarea la traciune se realizeaz utiliznd o epruvet cu L0 = 3,4 S 0 , ceea ce pentru o epruvet circular corespunde unei lungimi iniiale a poriunii calibrate L0 = 3d0); de exemplu, ENGJMW4005 este o font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A3,4 5 %; fontele maleabile cu miez negru, simbolizate ENGJMBxxxx, numerele avnd aceleai semnificaii ca mai nainte; de exemplu, ENGJMB6502 este o font maleabil cu Rm 650 N/mm2 i A3,4 2 %. De menionat c n cazul fontelor maleabile, ncercarea la traciune se execut utiliznd epruvete turnate separat i neprelucrate mecanic, TT aplicat acestor epruvete trebuind s fie acelai cu al pieselor pe care le reprezint. Fontele cu grafit nodular numite i fonte ductile se obin din fonte cenuii prin procedeele de modificare prezentate n scap. 4.6. Sferoidizarea grafitului la modificare poate fi mpiedicat de prezena unor impuriti cum ar fi: As, Sn, Al, Ti, Pb, Bi, ceea ce impune limitarea concentraiilor acestor acestor componente la niveluri foarte sczute. Comportarea la turnare a fontelor cu grafit nodular prezint cteva particulariti generate de compoziia lor chimic apropiat de cea eutectic: fluiditate ridicat, valori mari ale tensiunii superficiale i valori ridicate ale dilatrii iniiale (care impun utilizarea formelor de turnare cu maselote).116

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale Tabelul 8.10 Structura simbolurilor pentru fonte conform SR EN 1560

Condiii Caracteristici mecanice sau compozitie chimic suplimentare Caracteristici mecanice Compozitie chimic a) -nnn-nn Rm minim, a) litera X pentru a D stare brut indica de turnare; n N/mm2, urmat dup simbolizarea H pies cratim de A n %; dup comp. tratat termic; b) modul de obinere a chimic; W sudabilitate probei: pentru mbinare S prob turnat separat; b) %Cm x 100, prin sudare; numai U prob ataat piesei; n cazurile n care Z alte condiii C prob prelevat din specificate n concetraia pies comand carbonului c) duritatea*: revenit; este important; HBnnn Brinell; B miez c) HVnnn Vickers; negru**; HRnn Rockwell; simbolurilechimice W miez ale elementelor d) ncercarea la ncovoiere alb **; de aliere; prin oc: d) concentraiile RT la temperatur masice ale ambiant; elementelor de LT la temepratur aliere %EAm sczut separate prin cratim * n cazul simbolizrii n funcie de duritate nu se mai indic Rm i A; ** Simboluri folosite numai la fonte maleabile Exemple de simbolizare: ENGJL150S font standardizat cenuie cu grafit lamelar cu Rm = 150 N/mm2, determinat pe prob turnat separat; ENGJS35022C font standardizat cu grafit nodular cu Rm = 350 N/mm2 i A = 22%, determinate pe probe prelevate din pies; ENGJMW4507U font standardizat maleabil cu miez alb cu Rm = 450 N/mm2 i A = 7%, determinate pe probe ataate piesei; GJ400CZ font cenuie nestandardizat cu Rm = 400 N/mm2 la care se prevd anumite condiii n comand; ENGJSHB230 font nodular cu duritatea Brinell HBS = 230; ENGJLXNiMn137 font cenuie aliat cu %Nim = 13% i %Mnm = 7%; ENGJNX320CrNiSi952 font ledeburitic la care se impune %Cm = 3,2 %, aliat cu %Crm = 9 %, %Nim = 5 % i %Sim = 2 %. Structura grafitului Structura masei metalice L lamelar; A- austenit; S nodular F ferit; (sferoidal); P perlit M grafit n M cuiburi; martensit V vermicular; L N fr grafit. ledeburit; Q clit; QT calit i 117

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Caracteristicile mecanice ale acestor fonte depind n mare msur de structura masei metalice de baz: fontele nodulare feritice au rezisten mecanic sczut i plasticitate bun, alungirea la rupere fiind comparabil cu a oelurilor hipoeutectoide; fontele nodulare perlitice, au rezisten mecanic ridicat Rm = 500800 N/mm2, dar plasticitatea lor este redus; la aceeai structur a R p 02 masei metalic de baz, raportul este mai mare n cazul fontelor nodulare Rm dect n cazul oelurilor. Forma rotunjit a grafitului diminueaz efectul de concentrare a tensiunilor, astfel c se pot atinge valori ale rezistenei la oboseal O = 200280 N/mm2. Datorit acestor caracteristici, fontele nodulare se utilizeaz cu precdere n construcia de motoare, tinznd s nlocuiasc oelurile la realizarea arborilor cotii i n industria metalurgic, la fabricarea pieselor de dimensiuni mari, puternic solicitate n exploatare, cum sunt cilindrii de laminor. Pentru obinerea unor caracteristici mecanice mai bune, fontele nodulare se supun TT de clire izoterm bainitic, n urma cruia se pot obine rezistene la traciune Rm = 8001400 N/mm2. Caracteristicile fontelor cu grafit nodular netratate termic sunt stabilite prin SR EN 1563, iar caracteristicile celor tratate termic prin SR EN 1564. Simbolul acestor fonte are structura ENGJSxxxx, numerele avnd aceeai semnificaie ca n cazul fontelor maleabile, cu precizarea c ncercarea la traciune se efectueaz pe epruvete prelucrate la care L0 = 5,65 S 0 , ceea ce pentru o epruvet circular corespunde la L0 = 5d0, adic epruvet normal); de exemplu, ENGJS40015 este o font nodular cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %. Standardul SR EN 1563 prevede pentru fontele nodulare feritice i posibilitatea garantrii unei anumite energii de rupere KV, determinat fie la temperatur ambiant fie la temperaturi sczute (pn la 40 oC); mrcile respective se recunosc dup literele RT sau LT scrise la sfritul simbolului; de exemplu, ENGJS35022LT este o font nodular cu Rm 350 N/mm2, A 22 % la care se garanteaz KV 12 J la 40 oC, iar ENGJS22RT aceeai font, la care se garanteaz KV 17 J la 20 oC. Compoziia chimic a fontelor cu destinaie general este lsat la alegerea productorului, cu condiia obinerii caracteristicilor mecanice impuse.

8.9.2. Fontele cu destinaie precizatn aceast categorie sunt incluse fonte nealiate sau aliate, elaborate astfel nct au anumite caracteristici specifice aplicaiilor crora le sunt destinate. Din acest punct de vedere, principalele categorii sunt: fontele refractare, fontele118

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

rezistente la temperaturi sczute, fontele rezistente la coroziune i fontele rezistente la uzare. Fontele refractare sunt fonte aliate care au o bun comportare la aciunea fenomenelor de oxidare, cretere de volum, oc termic i fluaj, care se manifest la temperaturi ridicate. Caracteristicile lor sunt stabilite prin STAS 6706, conform cruia se produc patru tipuri de fonte: fonte cu coninut ridicat de crom, fonte cu coninut ridicat de siliciu, fonte cu coninut ridicat de aluminiu i fonte cu coninut ridicat de crom i siliciu. Fontele din aceast categorie sunt fie fonte cu masa de baz perlitic, n care se gsesc nglobate carburi i grafit lamelar, fie cu masa de baz feritic, n care se gsesc carburi, grafit lamelar sau grafit nodular. Aceste fonte prezint rezisten la oxidare la t < 1100 C i au o bun rezisten la cretere, fenomen ce se produce (la temperaturi nalte) datorit descompunerii cementitei (cu formare de grafit) i oxidrii interne produse de gazele ce ptrund de-a lungul filamentelor de grafit i are ca efecte creterea volumului i pierderea coeziunii materialui. Cromul, siliciul i aluminiul confer acestor fonte rezisten la oxidare prin acelai mecanism ca n cazul oelurilor refractare (formarea unei pelicule compacte i aderente de oxizi care protejeaz materialul fa de oxidarea n profunzime). Fontele refractare se simbolizeaz cu literele Fr, dac grafitul este lamelar i Frgn, dac grafitul este nodular, urmate de simbolul elementului principal de aliere i de un numr care arat concentraia masic medie a acestui element; de exemplu FrCr16 este o font refractar cu grafit lamelar, cu %Crm = 16 %, iar FrgnAl 22 este o font refractar cu grafit nodular, cu %Alm = 22 %. n cazul pieselor solicitate la ocuri termice, se utilizeaz fonte austenitice cu grafit nodular, care sunt fonte alite dup una din reetele NiMn (%Nim = 10...12 %, %Mnm = 58 %) sau Ni SiMnCu (%Nim =1020 %, %Sim = 46 %, %Mnm = 48 % , i %Cum = 24 %). Fontele rezistente la temperaturi sczute sunt fonte nodulare aliate cu nichel (%Nim = 20...26 %) sau cu mangan ( %Mnm = 3,54,5 %), care le confer structur austenitic. n condiiile asigurrii structurii de echilibru (bine detensionat) aceste fonte au o bun rezistena la ocuri mecanice, energia lor de rupere KV rmnnd practic neschimbat de la ta pn la 150 oC. Fontele rezistente la coroziune sunt fonte cu sau fr grafit n structur, aliate n principal cu crom, siliciu, nichel, aluminiu, i, n cantiti mai mici, molibden sau stibiu. Rezistena lor la coroziune este puternic influenat de forma grafitului, cea mai bun comportare avnd-o fontele cu grafit fin dispersat n masa metalic de baz a structurii. Tipurile de fonte rezistente la coroziune mai frecvent utilizate sunt prezentate n continuare. Fontele nalt aliate cu siliciu (%Sim = 1218 %) au un coninut sczut de carbon (%Cm = 0,3...0,4 %), au structura masei metalice feritic i sunt rezistente119

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

la aciunea acizilor azotic i sulfuric, iar dac sunt aliate suplimentar cu molibden (%Mom = 24 %) devin rezistente i la cloruri. Fontele nalt aliate cu crom (%Crm = 25...35 %) au structura tipic fontelor albe (datorit efectului antigrafitizant al cromului); sunt rezistente la aciunea acizilor i apei de mare. Fontele nalt aliate cu nichel (%Nim = 1335 %) au structura masei metalice austenitic, iar grafitul poate fi lamelar sau nodular; sunt rezistente la aciunea mediilor alcaline, iar prin adaosuri de crom, siliciu i/sau cupru, devin rezistente i la aciunea acizilor oxidani sau organici. Fonte complex aliate cu nichel, cupru, siliciu i aluminiu au rezisten bun la aciunea acizilor sulfuric i acetic. Fontele rezistente la uzare cuprind dou tipuri: fontele antifriciune i fontele de friciune. Fontele antifriciune sunt fonte care trebuie s asigure un coeficient de frecare ct mai mic, fiind folosite pentru confecionarea componentelor lagrelor de alunecare. Sunt fonte cenuii, maleabile i nodulare, slab aliate cu Cr, Ni, Cu, Ti, Si, Pb, P, cu structura masei metalice perlitic, sau nalt aliate cu Mn (%Mnm = 7,512,5 %), cu structura masei metalice austenitic. n structura acestor fonte nu se admite prezena cementitei libere, dar toate conin eutectic fosforos ternar (numit steadit), care le mbuntete rezistena la uzare. Fontele de friciune sunt fonte care trebuie s realizeze coeficieni de frecare ct mai mari, fiind utilizate pentru confecionarea tamburilor de frn de la autovehicule. Au structur perlito-sorbitic, fiind fonte nealiate sau aliate cu %Nim = 1,21,5 % i %Crm = 0,250,65 % sau %Mom 0,25 %. n cazul pieselor supuse la solicitri severe se folosesc fontele cu %Nim = 3,56,0 %, structura masei metalice de baz a acestora fiind martensitic.

Cuvinte cheieband de clibilitate normal, ngust, 67 cmp termic de sudare, 70 carbon echivalent %Ce, 75 clase de calitate, 56 comportare metalurgic la sudare,, 74 construcie sudat, 69 coroziune intercristalin, 92 custur sudat (CUS) rnduri, straturi, 69 elinvar, 112 fii ZIT, 73 120 fisurare la cald a CUS, 93 font comercial, 113 font refractar, 119 font rezistent la coroziune, 119 font rezistent la uzare antifriciune, de friciune, 120 fragilizare prin faza , 94 hardenit, 104 invar, 112 laminare normalizant, 75 laminare termomecanic (controlat), 76 material de adaos (MA), 69

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale material de baz (MB), 69 oel necalmat, calmat, 64 oel bifazic (dual-phase), 84 oel carbon de calitate, 65 oel criogenic, 80 oel cu granulatie fin, 76 oel cu granulaie fin, 79 oel duplex, 94 oel durificabil prin precipitare (PH), 89 oel Hadfield, 109 oel HSLA, 80 oel inoxidabil stabilizat, 93 oel maraging, 110 oel pentru carburare, 66 otel pentru construcii sudate, 75 oel pentru mbuntire, 66 oel pentru rulmeni, 108 oel rapid, 103 oel refractar (termorezistent), 96 oel turnat, 105 oeli inoxidabil cu crom, cu crom i nichel, 86 oeluri patinabile, 98 oeluri pentru recipiente, 78 oteluri pentru scule, 100 oeluri termorezistente, 78 platinit, 112 rost de sudare, 69 simbolizare alfanumeric, numeric, 59 standard general, de produs, 53 structur feritic acicular, 83 sudabilitate, 74 superaliaj, 97 temperatur de referin, 77 zon influenat termic (ZIT), 70

Bibliografie1. Colan H. .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983 2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II., Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981 3. Geru N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982 4. Mitelea I., Lugsheider E., Tillmann W. Stiina materialelor n construcia de maini, Editura Sudura, Timioara 1999 5. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1995 6. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983 7. Truculescu M., Ieremia A., Oeluri inoxidabile i refractare, Editura Facla, Timioara, 1983 8. Vacu S., .a., Elaborarea oelurilor aliate, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 1980 9. * * * Culegere de standarde comentate Oeluri. Mrci i condiii tehnice de calitate, O.I.D.I.C.M., Bucureti, 1994 10. * * * Culegere de standarde comentate Supliment. Oeluri. Mrci, O.I.D.I.C.M., Bucureti, 1999 11. * * * Culegere de standarde comentate Fonte i oeluri turnate., O.I.D.I.C.M., Bucureti, 1996121

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Teste de autoevaluareT.8.1. Activitatea specific prin care se stabilesc, pentru probleme reale sau poteniale, prevederi destinate unei utilizri comune i repetate, urmrind obinerea unui grad optim de ordine ntr-un context dat, este denumit: a) normalizare; b) ordonare; c) standardizare; d) clasificare? T.8.2. Documentul stabilit prin consens i aprobat de un organism recunoscut, care stabilete reguli, prescripii sau caracteristici pentru activiti sau rezultatul acestora, n scopul obinerii unui grad optim de ordine ntr-un context dat este denumit: a) standard; b) normativ; c) lege; d) convenie? T.8.3. n funcie de nivelul de aplicare, standardele pot fi: a) standarde de firm; b) standarde naionale; c) standarde regionale; d) standarde de produs? T.8.4. Clasele principale de calitate prevzute n standardul SR EN 10020 pentru oelurile nealiate sunt: a) oeluri de uz general: b) oeluri excepionale; c) oeluri de calitatea; d) oeluri speciale? T.8.5. Respectarea crora dintre urmtoarele condiii determin ncadrarea unui oel nealiat n clasa oelurilor speciale: a) oelul are prescris energia de rupere KV n starea C + r; b) oelul are concentraiile de impuriti %Pm, %Sm 0,025 %; c) oelul are prescris o energia de rupere (determinat pe epruvete prelevate longitudinal din semifabricate sau produse) KV > 27 J la 50 oC; d) oelul nu necesit aplicarea de TT pentru obinerea caracteristicilor prescrise? T.8.6. Care dintre urmtoarele oeluri aliate se ncadreaz n clasa oelurilor de calitate: a) oelurile pentru recipiente sub presiune care au limita de curgere Rp0,2 > 400 N/mm2; b) oelurile pentru electrotehnic; c) oelurile bifazice; d) oelurile la care singurul element de aliere (n far de carbon) este niobiul? T.8.7. Care dintre urmtoarele condiii sunt respectate de marca de oel nealiat simbolizat OL370.4.k conform STAS 500 i, respectiv, S235J2G3 conform SR EN 10027-1: a) otelul are rezistena la traciune Rm 370 N/mm2; oelul are limita de curgere Re 235 N/mm2; c) oelul are limita de curgere Re 370 N/mm2; d) oelul este calmat? T.8.8. Care dintre urmtoarele condiii sunt respectate de marca de oel nealiat simbolizat OLC15 conform STAS 880 i, respectiv, C15 conform SR EN 100271: a) oelul are concentraia masic medie de carbon %Cm = 0,15 %; b) oelul are concentraia masic medie de carbon %Cm = 15 %; c) oelul se utilizeaz pentru piesele care se supun carburrii; d) oelul este destinat fabricrii pieselor la care TT final este mbuntirea? T.8.9. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construcia de122

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

maini (simbolizate conform STAS 791) aparin categoriei oelurilor pentru mbuntire: a) 15Cr08; b) 42MoCr11; c) 17CrNi16; d) 34MoCrNi16? T.8.10. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construcia de maini (simbolizate conform SR EN 100271) aparin categoriei oelurilor pentru mbuntire: a) 43MnMo62; b) 38AlCrMo1061; c) 34CrNiMo662; d) 17CrMn44? T.8.11. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construcia de maini (simbolizate conform STAS 791) aparin categoriei oelurilor pentru carburare (cementare): a) 15Cr08; b) 42MoCr11; c) 17CrNi16; d) 34MoCrNi16? T.8.12. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construcia de maini (simbolizate conform SR EN 100271) aparin categoriei oelurilor pentru carburare (cementare): a) 34CrMo42; b) 51CrMnV44-1; c) 15Cr3; d) 17CrMn44? T.8.13. Care sunt zonele caracteristice ale unei mbinri sudate: a) materialul de baz MB; b) zona influenat termic ZIT; c) materialul de adaos MA; d) custura sudat CUS? T.8.14. Care dintre fiile ZIT a unei mbinri sudate dintre dou piese din oel (nealiat) cu coninut sczut de carbon are cele mai slabe caracteristici de tenacitate: a) fia de supranclzire; b) fia de normalizare; c) fia de austenitizare incomplet; d) fia neaustenitizat? T.8.15. Aptitudinea unui oel ca printr-un anumit procedeu i pentru un anumit scop s asigure n mbinrile sudate caracteristicile locale i generale prescrise pentru o construcie sudat este denumit: a) clibilitate; b) plasticitate; c) sudabilitate; d) elasticitate? T.8.16. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri cu granulaie fin pentru construcii sudate: a) S335K2; b) S235NL; c) P355NH; d) P235NL1? T.8.17. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri cu caracteristici de tenacitate garantate la temperaturi sczute (sub 60 oC): a) P235NL1; b) 12MnNi153; c) P460NL2; d) X8Ni9? T.8.18. Ce structur prezint semifabricatele realizate din oeluri bifazice (dualphase steel): a) ferit i perlit; b) ferit acicular; c) ferit i insule de martensit; d) bainit cu coninut sczut e carbon? T.8.19. Prezena crui element de aliere confer oelurilor calitatea de a fi inoxidabile: a) nichelul, dac %Nim > 8 %; b) cromul, dac %Crm 12,0 %; c) carbonul, dac %Cm < 0,2 %; d) manganul, dac %Mnm 12 %? T.8.20. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabile feritice: a) X50CrMoV15; b) X2CrMoTi171; c) X6CrNi171; d) X6CrMoNb171? T.8.21. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabile123

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

martensitice: a) X50CrMoV15; b) X2CrMoTi171; c) X70CrMo15; d) X90CrMoV18? T.8.22. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabile austenitice: a) X50CrMoV15; b) X6CrMoNb171; c) X2CrNi189; d) X2CrNiMo17122? T.8.23. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabile martensitice cu durificare prin precipitare: a) 12MnNi153; b) S235NL; c) 10AlCr240; d) X7CrNiAl177? T.8.24. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabile de tip duplex: a) X2CrNiMoN2253; b) 12MnNi153; c) X3CrNiMoN2752; d) X50CrMoV15 T.8.25. Care dintre urmtoarele elemente confer oelurilor rezisten la oxidare la temperaturi ridicate, fiind elemente de aliere tipice pentru oelurile refractare: a) cromul; b) nichelul; c) siliciul; d) aluminiul? T.8.26. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri refractare: a) 10AlCr180; b) 10AlCr240; c) OLC45; d) 15SiNiCr200? T.8.27. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri patinabile: a) S235W; b) S355W; c) RCA 370; d) S335K2? T.8.28. Care este TT final ce se aplic sculelor confecionate din oelul OSC10: a) clire martensitic + revenire joas; b) mbuntire; d) normalizare + recoacere de globulizare a cementitei; d) clire de punere n soluie + mbtrnire? T.8.29. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri pot fi utilizate pentru confecionarea matrielor de deformare plastic la cald a oelurilor: a) 105CrW20; b) 117VCr6; c) 30VCrW85; d) 31VCr8? T.8.30. Care din urmtoarele probleme pot s apar la sudarea oelurilor inoxidabile austenitice: a) fisurarea la cald a CUS; b) creterea excesiv a granulaiei; c) apariia fazei ; d) transformarea perlitei n austenit? T.8.31. Care din urmtoarele probleme pot s apar la sudarea oelurilor inoxidabile feritice: a) fisurarea la cald a CUS; b) transformarea perlitei n austenit; c) creterea excesiv a granulaiei; d) apariia fazei ? T.8.32. Care este TT final ce se aplic matrielor confecionate din oelul 30VCrW85: a) clire martensitic + revenire joas; b) normalizare + recoacere de globulizare a cementitei; c) clire martensitic + revenire nalt (mbuntire); d) clire de punere n soluie + mbtrnire? T.8.33. Care este TT final ce se aplic arcurilor confecionate din oelul 60Si15A: a) clire martensitic + revenire joas; b) normalizare + recoacere de globulizare a cementitei; c) clire martensitic + revenire nalt (mbuntire); d) clire martensitic + revenire medie? T.8.34. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri Hadfield:124

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

a) 105CrW20; b) T100NiMn130; c) 117VCr6; d) T120CrMn130? T.8.35. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri sunt destinate realizrii de semifabricate sau piese turnate: a) G 230450; b) T120CrMn130; c) G 200400W; d) T9MoCrNi30R? T.8.36. Care din urmtoarele probleme pot s apar la sudarea oelurilor maraging: a) nmuierea ZIT; b) formarea n structura CUS a unor compui intermetalici care influeneaz negativ caracteristicile de tenacitate; c) fisurarea la cald a CUS; d) formarea porilor n CUS? T.8.37. Ce semnificaie are grupul de litere EN din simbolul unei mrci de font: a) fonta este cenuie; b) fonta corespunde unui standard european; c) fonta nu are grafit n structur; d) fonta este netratat termic? T.8.38. Care dintre urmtoarele tipuri de fonte aparin categoriei fontelor aliate rezistente la uzare: a) fontele rezistente la temperaturi sczute; b) fontele antifriciune; c) fontele refractare; d) fontele de friciune? T.8.39. Care din urmtoarele variante corespunde mrcii de font cu simbolul ENGJS40015: a) font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %; b) font nodular cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %; c) font cu grafit lamelar cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %; d) font alb cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %? T.8.40. Care din urmtoarele variante corespunde mrcii de font cu simbolul ENGJMW4005: a) font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A 5 %; b) font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %; c) font cu grafit lamelar cu Rm 400 N/mm2 i A 5 %; d) font nodular cu Rm 400 N/mm2 i A 5 %?

AplicaiiA.8.1. Semifabricatele confecionate dintr-un oel carbon cu %Cm = 0,1 % sunt supuse unui TT intercritic, constnd din nclzirea la ti (A1; A3), meninerea o durat scurt la aceast temperatur i rcirea n ap, pentru a le conferi structura corespunztoare unui oel bifazic. a) tiind c pentru oelurile carbon hipoeutectoide punctele critice de transformare n stare solid sunt A1 = 727 oC i A3 = 910 208 %C m , s se stabileasc la ce temperatur ti trebuie efectuat TT pentru ca semifabricatele s prezinte la ta o structur ferito martensitic cu un coninut procentual de martensit %M 15 %; b) tiind c duritatea feritei este H = 80 HV, iar duritatea martensitei este HM = 305 + 802%Cm, s se determine care este duritatea semifabricatelor dup aplicarea TT intercritic. Rezolvare a) Prin nclzirea semifabricatelor la ti (A1; A3) se obine o structur alctuit din ferit i austenit, aa cum se poate observa pe diagrama din125

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

figura 8.22 Aplicnd regula izotermei (v. scap. 2.5.1), rezult c la ti (A1; A3) ferita existent n structura oelului din care sunt confecionate semifabricatele are concentraia de carbon corespunztoare abscisei punctului X, iar austenita are concentraia de carbon corespunztoare abscisei punctului Y, coninuturile procentuale ale celor dou faze n structura semifabricatelor fiind date de relaiile (care se obin aplicnd regula segmentelor inverse v. scap. 2.5.2): (%C m ) %C m %C m (%C m ) % = 100 % = 100 = 100 % , i (%C m ) (%C m ) (%C m ) (%C m ) (%Cm) fiind abscisa punctului X, iar (%Cm) abscisa punctului Y.

Fig. 8.22. Diagrama de stabilire a regimurilor TT pentru obinerea oelurilor bifazice

Fig. 8.23. Diagrama de selectare a soluiilor n cazul aplicaiei A.8.4

Considernd c austenita obinut la ti se transform integral n martensit la rcirea n ap a semifabricatelor, rezult: %M = %. Deoarece linia GP a diagramei de echilibru Fe Fe3C este o dreapt, rezult c abscisa punctului X este (%Cm) = 0,1 1,110-4ti. Abscisa punctului Y corespunde concentriei 910 t i 2 masice de carbon a oelului care are A3 ti i este (%C m ) = ( ) . 208 nlocuind expresiile (%Cm) i (%Cm) n condiia pus n enunul aplicaiei, scris sub forma % = %M 15 %, se obine o ecuaie cu necunoscuta ti, care are soluia ti 750 oC; aceastei valori a temperaturii ti i corespund valorile (%Cm) = 0,0175 % i (%Cm) = 0,59 %. b) Dup aplicarea TT intercritic cu ti 750 oC, semifabricatele vor avea structura alctuit dintr-o matrice feritic cu duritatea H = 80 HV i insule de martensit (uniform distribuite n aceasta) cu duritatea HM = 305 + 802(%Cm) 778 HV; ca urmare,126

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

%M % + H 180 HV 100 100 (care corespunde unei rezistene la traciune Rm 630 N/mm2). A.8.2. Semifabricatele confecionate dintr-un oel carbon cu %Cm = 0,08 % sunt supuse unui TT intercritic, constnd din nclzirea la ti = 760 oC (A1; A3), meninerea o durat scurt la aceast temperatur i rcirea n ap, pentru a le conferi structura corespunztoare unui oel bifazic. a) tiind c pentru oelurile carbon hipoeutectoide punctele critice de transformare n stare solid sunt A1 = 727 oC i A3 = 910 208 %C m , s se determine coninut procentual de martensit %M din structura semifabricatelor tratate termic; b) tiind c duritatea feritei este H = 80 HV, iar duritatea martensitei este HM = 305 + 802%Cm, s se determine care este duritatea semifabricatelor dup aplicarea TT intercritic. Rezolvare a) Folosind notaiile i raionamentul prezentate la rezolvarea aplicaiei A.8.1, se obin urmtoarele rezultate: (%Cm) = 0,1 1,110-4760 = 0,0164 %, 910 760 2 0,08 0,0164 (%C m ) = ( ) = 0,52 % i % = %M = 100 = 12,6 %; 208 0,52 0,0164 b) Dup aplicarea TT intercritic cu ti = 760 oC, semifabricatele vor avea structura alctuit dintr-o matrice feritic cu duritatea H = 80 HV i insule de martensit (uniform distribuite n aceasta) cu duritatea HM = 305 + 8020,52 722 HV; ca urmare, duritatea 12,6 100 12,6 semifabricatelor tratate termic va fi H s = 722 + 80 160 HV (care 100 100 corespunde unei rezistene la traciune Rm 560 N/mm2). A.8.3. Pentru realizarea unei bare de traciune cilindrice cu diametrul d = 15 mm, exist posibilitatea utilizrii oelului carbon de calitate OLC35 - STAS 880 (C35 - SR EN 10027-1) sau a oelului aliat 34MoCrNi16 - STAS 791 (34NiCrMo6-6-2 - SR EN 10027-1), cu carateristicile de compoziie chimic prezentate n tabelul 8.11. S se determine i s se compare intensitile forei de traciune F la care rezist bara n urmtoarele circumstane: a) bara este confecionat din oelul carbon n stare recoapt (de echilibru); b) bara este confecionat din oelul aliat n stare recoapt (de echilibru); c) bara este confecionat din oelul carbon n stare mbuntit (clire + revenire la ti = 650 o C i m = 5 ore); d) bara este confecionat din oelul aliat n stare mbuntit (clire + revenire la ti = 650 oC i m = 5 ore). Rezolvare Intensitatea forei F la care rezist bara de traciune este dat de relaia d 2 F= Rm . 4 duritatea semifabricatelor tratate termic va fi H s = H M127

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

10 + [ 19,0% Si m = 8%Crm + 4% Ni m ]lg v r 179 HV. Deoarece HV HB i considernd relaia Rm = 3,5HB (v. scap. 3.10), rezult c bara are 15 2 626 = 1,10 10 5 N. Rm = 3,5179 626 N/mm2 i F =4 Tabelul 8.11. Compoziiile chimice ale oelurilor considerate n aplicaia A.8.3 Concentraiile masice ale componentelor de aliere, % %Cm 0,35 0,35 %Mnm 0,6 0,6 %Sim 0,3 0,3 %Crm 0,2 1,6 %Nim 0,2 1,6 %Mom 0,25 Marca oelului OLC35 34MoCrNi16

a) Dac bara este confecionat din oelul OLC35 n stare recoapt, cu structura ferito-perlitic, duritatea sa se poate estima cu relaia (7.2) considernd coeficienii adecvai din tabelul 7.2 i o vitez de rcire din domeniul austenitic care s conduc la o astfel de structur; adoptnd vr = 0,4 oC/s (v. A.7.3), rezult: HVOC = 77,6 + 223%C m 14,6% Sim + 30% Mnm + 35,5%Crm + 27,2% Nim + ,P

b) Dac bara este confecionat din oelul slab aliat 34MoCrNi16 n stare recoapt, cu structura ferito-perlitic, duritatea sa se poate estima n acelai mod ca n cazul precedent i rezult HVOA 265HV , Rm = 3,5265 927 N/mm2 i ,P F=

15 24

927 = 1,64 10 5 N.

c) Dac bara este confecionat din oelul OLC35 clit i revenit la ti = 650 oC i m = 5 ore, duritatea structurii de revenire pe care o prezint bara poate fi estimat cu relaia (7.2), n care PHJ = Ti(18+lgm) = (650 +273)(18 + lg5) 17259; pe aceast cale 21900 + 4050%C m PHJ se obine HVrOC = 211HV , Rm = 3,5211 740 N/mm2 33,2 13%C m i F = 1,31105 N. Se poate observa c fora de traciune la care rezist bara este cu aproximativ 19 % mai mare ca cea corespunztoare situaiei n care bara este confecionat din acelai oel n stare recoapt. d) Dac bara este confecionat din oelul slab aliat 34MoCrNi16 clit i revenit la ti = 650 oC i m = 5 ore, duritatea structurii cu sorbit de revenire pe care o prezint bara poate fi estimat cu relaia (7.3) n care HVrOC = 211 HV, aa cum s-a obinut n cazul precedent (pentru oelul cu %Cm = 0,35 %); rezult: HVrOA = HVrOC + 30(% Si m + % Mnm ) + 55%Crm + 6% Nim + 100% Mom 361 HV, Rm = 3,5361 1265 N/mm2 i F = 2,23105 N. Se poate observa c fora de traciune la care rezist bara este cu aproximativ 36 % mai mare dect cea corespunztoare situaiei n care bara este confecionat din acelai oel n stare recoapt.128

Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

Observaie Aceast aplicaie are ca scop justificarea i nelegerea prescripiilor privind utilizarea oelurilor pentru construcia de maini. Este evideniat faptul c, pentru oelurile carbon de calitate utilizarea n stare tratat termic este facultativ (s-a observat din rezolvarea aplicaiei c oelul OLC35 are caracteristici de rezisten mecanic comparabile n stare recoapt i n stare mbuntit), n timp ce pentru oelurile aliate valorificarea prezenei elementelor de aliere impune utilizarea lor numai n stare tratat termic (s-a observat din rezolvarea aplicaiei c oelul 34MoCrNi16 n stare mbuntit are rezistena mecanic cu aproape 36 % mai mare dect atunci cnd este utilizat n starea structural de echilibru). Se recomand cititorilor s conceap i alte aplicaii similare, care s le permit consultarea, nelegerea i utilizarea prescripiilor standardelor n vigoare. A.8.4. O construcie sudat trebuie realizat din semifabricate de tip tabl din oel inoxidabil austenitic X2CrNi1911, acest MB i MA disponibile pentru sudarea lui avnd caracteristicile de compoziie chimic prezentate n tabelul 8.11. Procedeul de sudare care se utilizeaz i configuraia rosturile de sudare pregtite ntre piesele ce urmeaz a fi sudate asigur pMA = 70 %. S se determine care dintre MA disponibile asigur realizarea unor CUS avnd n structur, pe lng austenit, 3...5 % ferit, pentru evitarea fisurrii la cald.Tabelul 8.11. Compoziiile chimice ale MB i MA considerate n aplicaia A.8.3. Concentraiile masice ale principalelor componente, % %Cm %Mnm %Sim %Crm %Nim %Nbm %Mom MB 10TiNiCr180 0,08 1,5 0,8 18 10 MA D308 0,08 ,0 0,8 20 11 0,50 MA D308L 0,04 2,0 0,9 20 10 0,30 MA D309 0,10 1,5 1,0 23 14 0,50 MA D309L 0,03 2,0 0,8 24 12 0,50 MA D310 0,12 2,5 1,0 27 20 0,75 MA D312 0,10 2,0 0,9 30 9 0,60 MA D316 0,08 1,8 0,9 19 13 2,00 MA D316L 0,03 2,0 0,8 17 13 2,50 MA D19.9Nb 0,08 2,0 0,9 20 10 0,80 MA D18.8Mn6 0,10 6,5 1,2 20 11 * Toate mrcile de MA sunt realizate n Romnia Materialul

Rezolvare Considernd caracteristicile de compoziie chimic ale MB i folosind relaiile (7,6) i (7.7) se calculeaz valorile mrimilor %Cre i %Nie, care reprezint coordonatele punctului caracteristic nominal al MB pe diagrama structural A. Schaeffler (v. scap. 7.5 i fig. 7.24). Procednd n acelai mod, se determin coordonatele (%Cre;%Nie), corespunztoare punctelor caracteristice nominale ale materialelor depuse prin129

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

sudare cu MA disponibile. Folosind relaia (8.2), n condiiile neglijrii termenului %EAm, se determin coordonatele (%Cre,CUS ; %Nie,CUS), corespunztoare punctelor caracteristice nominale ale CUS realizate cu MA disponibile pentru sudare. Rezultatele parcurgerii etapelor descrise anterior sunt prezentate n tabelul 8.12. Un MA disponibil este apt pentru sudarea MB (ndeplinete condiia pus n enunul aplicaiei, de a asigura realizarea unei CUS cu un coninut procentual de ferit % [3%;5%]), dac punctul caracteristic nominal al CUS realizate cu acesta este poziionat n diagrama structural A. Schaeffler n domeniul + , ntre dreptele corespunztoare coninuturilor de ferit % = 3 % i % = 5 %; analiznd diagrama din figura 7.24, se poate aprecia c dreapta de izoferit % = 3 % trece prin punctele de coordonate (%Cre = 28 %;%Nie = 21,5 %) i (%Cre = 14 %;%Nie = 6,8 %) i, ca urmare, are ecuaia %Nie = 1,05%Cre 7,5, iar dreapta de izoferit % = 5 % trece prin punctele de coordonate (%Cre = 28 %;%Nie = 20,5 %) i (%Cre = 14 %;%Nie = 6,5 %) i corespunde ecuaiei %Nie = %Cre 7,5.Tabelul 8.13. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei 8.4 Caracteristicile materialului Materialul MB MA D308 MA D308L MA D309 MA D309L MA D310 MA D312 MA D316 MA D316L MA D19.9Nb MA D18.8Mn6 %Cre, % 19,20 21,70 21,65 25,00 25,70 29,25 31,95 22,35 20,70 21,75 21,80 %Nie, % 13,15 14,40 12,20 17,75 13,90 24,85 13,00 16,30 14,90 13,40 17,25 %Cre,CUS, % 21,078 21,04 23,55 24,08 26,74 28,76 21,56 20,33 21,11 21,15 Caracteristicile CUS %Nie,CUS, % 14,63 12,44 16,60 13,71 21,93 13,04 15,51 14,46 13,34 16,23 Punctul pe diagrama din fig. 8. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Reprezentnd pe aceiai diagram, aa cum se observ n figura 8.25, att dreptele de izoferit % = 3 % i % = 5 %, ct i punctele cu coordonatele (%Cre,CUS ; %Nie,CUS), rezult c MA capabile s asigure sudarea MB (precizat n enunul aplicaiei) fr apariia fenomenului de fisurare la cald a CUS sunt D308 i D309 (pentru care punctele caracteristice nominale ale CUS realizate se situeaz ntre cele dou drepte de izoferit).

130

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

Capitolul 9

STRUCTURA I PROPRIETILE METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE

9.1. IntroducereMetalele i aliajele neferoase dein n prezent n aplicaiile tehnice o pondere de aproape 20 de ori mai mic dect cea corespunztoare aliajelor feroase (fonte i oeluri). Motivele utilizrii preponderente n tehnic a fontelor i oelurilor sunt numeroase: resursele de materii prime necesare elaborrii acestor aliaje sunt uor accesibile i destul de uniform distribuite pe glob, tehnologiile de elaborare i de realizare a semifabricatelor i pieselor din astfel de aliaje sunt bine fundamentate tiinific i asigurate logistic, proprietile (caracteristicile) lor mecanice sunt ridicate i pot fi relativ uor modificate i adaptate condiiilor de utilizare prin aplicarea de tratamente termice i termochimice, produsele confecionate din aceste materiale sunt reciclabile i ecologice, costurile implicate de elaborarea unor astfel de aliaje i de transformarea lor n produse se coreleaz favorabil cu performanele tehnice pe care aceste produse le asigur etc. Cu toate acestea, metalele i aliajele neferoase reprezint i vor reprezenta i n viitor o categorie de materiale de mare importan tehnic, datorit unor proprieti pe care acestea le prezint (i care nu sunt asigurate de aliajele feroase sau se obin mai greu la aceste materiale, cu cheltuieli inadmisibil de mari): rezisten ridicat la coroziune (n prezena mediilor de lucru chimic active), conductibilitate termic i electric mare, capacitate bun de prelucrare prin turnare, deformare plastic sau achiere, tenacitate bun la temperaturi sczute, valori ridicate (mai mari dect cele asigurate de fonte i oeluri) ale raportului dintre rezistena mecanic i masa specific (densitate), capacitate foarte bun de a conferi produselor caracteristici estetice deosebite etc.131

Tabelul 9.1. Caracteristicile fizice ale principalelor componente de baz ale aliajelor neferoase Metalul Aluminiu Cupru (Aram) Titan Nichel Staniu (Cositor) Stibiu (Antimoniu) Zinc Plumb Cadmiu Beriliu Magneziu Aur Argint PlatinSimbolul chimic Temperatura de solidificare topire ts, 0 C Densitatea la ta, kg/m3 Cldura specific Cs la ta, J/(kgK) Cldura latent de topire qs, kJ/kg Coeficientul de dilatare termic liniar t (ntre ta i 100 0C), m/(mK) Coeficientul de conductivitate termic la ta, W/(mK) Rezistivitatea electric , la ta, nm

Al Cu Ti Ni Sn Sb Zn Pb Cd Be Mg Au Ag Pt

660 1083 1660 1453 232 631 420 327 321 1278 649 1064 962 1772

2700 8930 4510 8910 7290 6690 7130 11340 8650 1850 1740 19280 10500 21440

900 386 512 471 222 207 382 129 230 1886 1025 128 235 132

397 205 440 309 59 163 101 23,2 55 1300 368 63 104 113

23,6 16,5 8,4 13,3 21,5 11,0 39,7 29,3 31,3 11,6 25,2 14,2 19,0 9,1

247 401 19 83 63 26 113 34 97 210 163 317 428 72

26,5 16,7 420 68,5 110 370 59,2 206 72,7 40,0 44,5 23,5 14,6 106

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

Deoarece proprietile aliajelor neferoase sunt determinate n msur important de proprietile componentului lor principal (metalic), n tabelul 9.1 sunt prezentate metalele folosite frecvent drept componente de baz ale acestor aliaje i sunt precizate o serie de caracteristici care, mpreun cu cele redate n tabelul 1.2, definesc cantitativ proprietile lor fizice, n tabelul 9.2 sunt precizate clasele de puritate industrial n care pot fi obinute aceste metale, impuritile ce au influene (negative) majore asupra proprietilor lor i cele mai utilizate tipuri de aliaje binare n care fiecare din aceste metale este componentul de baz (principal), iar n tabelul 9.3 sunt expuse valorile celor mai importante caracteristici mecanice ale metalelor care constituie componentele de baz ale aliajelor neferoase.Tabelul 9.2. Clasele de puritate ale componente de baz ale aliajelor neferoase Metalul Al Cu Ti Ni Cr Sn Sb Zn Mrcile industriale * STAS 7607: Al 99,99; Al 99,97; Al 99,95; Al 99,90;Al 99,8; Al 99,75;Al 99,7; Al 99,6; Al 99,5; Al 99,3; Al 99 STAS 270/1:Cu 99,99; Cu 99,98; Cu 99,97; Cu 99,95; Cu 99,9; Cu 99,5 Ti 99,5; Ti 99,4; Ti 99,3 STAS 10502: Ni 99,99; Ni 99,95; Ni 99,8; Ni 99,5; Ni 98,6; Ni 97,6 STAS 7386: Cr 99; Cr 98,5; Cr 98; Cr 97 STAS 10309: Sn 99,9; Sn 99,565; Sn 99; Sn 98,4; Sn 96,35 STAS 10262: Sb 99,99; Sb 99,9; Sb 99,6; Sb 99,5; Sb 99; Sb 98,3; Sb 97,5 STAS 646: Zn 99,99; Zn 99,985; Zn 98,6; Zn 98,5; Zn 97,5 STAS 663: Pb 99,995; Pb 99,99: Pb 99,98; Pb 99,96; Pb 99,94; Pb 99,85 STAS 8615: Cd 99,98; Cd 99,95; Cd 99,85; Cd 99,65 Principalele impuriti Fe, Bi, Sn, Pb,As, Sb Sn, Pb, Bi, S, P Pb, Si, Fe S, O, P,C, Pb,Bi,Cd C, Si, S, P, Al, Fe, Cu As, Fe, Cu, Pb, Bi, Sb, S Pb, As, Fe, S, Cu, Bi Pb, Cd, Fe, Cu, As, Sn Ag, As, Bi, Cu, Fe, Zn Pb, Zn, Cu, Fe Fe, Si, Ni, Cu, Al, Mn Principalele clase de aliaje binare folosite n tehnic Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Zn Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Al, Cu-Be Ti-Al; Ti-Ni Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Mo, Ni-Fe Cr-Ni; Cr-W; Cr-Ti; Cr-Mo Sn-Pb; Sn-Zn; Sn-Sb; Sn-Hg Sb-Sn; Sb-Pb

Zn-Al; Zn-Cu; Zn-Cd; Zn-Mn Pb-Sb; Pb-Sn; Pb Pb-Ag; Pb-Ca Cd-Ag; Cd-Ni; Cd Cd-Sn Mg-Si; Mg-Mn; Mg STAS 10273:Mg 99,96; Mg 99,95; Mg 99,9 Mg-Al; Mg-Zn Au-Ag, Au-Cu, Au STAS 4389: Au 999,6; (Au 995,0) Au-Ni, Au-Pt Pb, Fe, Sb, Ag-Cu, Ag-Ni, Ag STAS 3321: Ag 999,6 Bi, Cu, Zn Ag-Cd; Ag-Hg Pt-Rh, Pt-Ir, Pt STAS 10560: Pt 99,93; Pt 99,9; Pt 99,8 Pb, Fe, Si Pt-Ni, Pt-W * cifrele de dup simbolul chimic indic valoarea minim a concentraiei masice a metalului industrial (n %, cu excepia Au i Ag, pentru care concentraia este n %o). 133

Tabelul 9.3. Caracteristicile mecanice la ta ale principalelor componente de baz ale aliajelor neferoaseMetalul Starea Rezistena la rupere 2), N/mm2 Limita de curgere 2) , N/mm2 Alungirea procentual dup rupere 3) , % Modulul de elasticitate longitudinal, N/mm2 Modulul de elasticitate transversal, N/mm2 Duritatea 2)

Al Cu Ti Ni Sn Sb Zn Pb Cd Be Mg Au Ag Pt1)

recopt (stare de echilibru) ecruisat ecruisat1)

40 70 120 140 170 220 420 450 220 250 310 330 12 14 10 13 70 100 11 13 69 83 380 480 160 195 180 220 100 120 120 145

15 30 100 120 50 70 320 330 130 150 50 60 10 11 50 55 45 260 310 90 105 115 140

50 70 8 12 45 60 10 15 50 60 30 40 80 90 40 50 60 70 17 25 3 15 2 10 40 50 48 50

62000 115000 105000 207000 44000 77800 105000 55000 300000 43000 78000 76000

25000 42800 79000 16500 19000 38000 20600 140000 27500

140 220 HV 35 40 HBS 95 110 HBS 90 120 HBS 60 65 HV 5 6 HBS 30 60 HBS 20 35 HBS 3 5 HBS 16 24 HBS 75 85 HRB 37 39 HRE 48 54 HRE 18 20 HBS 25 30 HV

recopt (stare de echilibru)1)

recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) sinterizat (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru) ecruisat1)

recopt (stare de echilibru) recopt (stare de echilibru)

recopt (stare de echilibru) 170000 38 45 HV 150 165 deformat plastic la rece cu GD = 70 90 %; 2) crete odat cu coninutul de impuriti al metalului; 3) scade odat cu coninutul de impuriti;

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

Aliajele neferoase se pot clasifica folosind o multitudine de criterii; astfel: n funcie de numrul componentelor, aliajele neferoase pot fi: binare, ternare sau complexe; cele mai multe tipuri de aliaje utilizate n prezent n tehnic sunt complexe, dar, pentru a facilita studierea structurii i proprietilor fiecrui tip de astfel de aliaje, se ia ca baz cte un aliaj binar reprezentativ i se consider c restul componentelor sunt elemente suplimentare de aliere (de exemplu, aliajele denumite n tehnic duraluminuri au ca baz aliaje Al Cu, n care sunt introduse suplimentar, n diverse concentraii i alte elemente de aliere dect cuprul: Mg, Mn etc., iar aliajele denumite n tehnic alame au ca baz aliaje Cu Zn, n care sunt introduse frecvent, n diverse concentraii i alte elemente de aliere dect zincul: Si, Al, Sn, Pb, Fe, Mn, Ni etc.); n funcie de constituia structural de echilibru (la ta), aliajele neferoase se ncadreaz n urmtoarele categorii: aliaje monofazice, care prezint n stare solid, la orice temperatur, o structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid avnd ca solvent componentul de baz; aliaje cu structur monofazic dup solidificare, n care precipit la rcirea ulterioar particule de faze secundare (de obicei, compui intermetalici); aliaje care conin n structur constitueni eterogeni (de tipul amestecurilor mecanice eutectice sau eutectoide); n funcie de posibilitile tehnologice de transpunere n produse i de prelucrare a acestora, aliajele neferoase pot fi: aliaje de turnare i aliaje deformabile plastic, iar n funcie de aptitudinile de a-i mri rezistena mecanic n urma aplicrii de TT, aliajele neferoase se clasific n: aliaje durificabile structural prin tratamente termice i aliaje nedurificabile prin tratamente termice. Aliajele neferoase (ca i fontele i oelurile) se pot clasifica i pe baza denumirii proprietii sau caracteristicii care le definete primordial utilitatea tehnic; de exemplu, se practic ncadrarea aliajelor neferoase n categorii ca: aliaje uoare (caracterizate prin densiti 4000 kg/m3), aliaje antifriciune, aliaje cu rezistena mecanic ridicat (dure), aliaje criogenice (cu tenacitate ridicat la temperaturi sczute), aliaje anticorosive (cu rezisten ridicat la aciunea mediilor agresive de lucru), aliaje uor fuzibile (cu temperaturi ts coborte) etc. Toate criteriile de clasificare anterior precizate se folosesc ns drept criterii secundare, pentru denumirea diverselor aliaje neferoase i sistematizarea studierii structurii i proprietilor lor, preferndu-se clasificarea acestora n funcie de componentul de baz i ncadrarea lor n categorii de tipul: aliajele cuprului (aliaje pe baz de cupru), aliajele aluminiului (aliaje pe baz de aluminiu), aliajele titanului (aliaje pe baz de titan), aliajele nichelului (aliaje pe baz de nichel), aliajele metalelor preioase (aliaje pe baz de metale preioase: Ag, Au, Pt etc.) etc.135

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

9.2. Modificarea aliajelor neferoaseLa marea majoritate a aliajelor neferoase folosite n tehnic componentele de baz nu prezint transformri alotropice i, ca urmare, la aceste aliaje nu se produc, n decursul rcirii dup solidificare, fenomene de cristalizare secundar (recristalizare n stare solid, v. scap. 1.6), care s determine transformarea structurii dendritice primare ntr-o structur secundar favorabil (din punctul de vedere al mrimii granulaiei i gradului de dispersie a fazelor) obinerii unor caracteristici mecanice ridicate i/sau asigurrii unei bune comportri la prelucrarea prin deformare plastic sau la aplicarea de TT. Modalitatea actual cea mai eficient de influenare a caracteristicilor structurii primare a aliajelor neferoase o reprezint modificarea, constnd din inocularea n aliajele lichide a unor cantiti mici de substane chimice (numite modificatori, v. scap. 4.6), care pot schimba mecanismele obinuite ale germinrii i/sau creterii cristalelor la solidificare. n funcie de efectele pe care le produce asupra structurii primare a aliajelor neferoase, modificarea poate fi: modificare de tipul I, care are ca efect principal finisarea (micorarea dimensiunilor) cristalelor dendritice primare; acest tip de modificare este eficient la aliajele neferoase care prezint dup cristalizarea primar o structur monofazic (cu cristale de soluie solid); modificarea de tipul II, care determin accentuarea ramificrii i subierea ramurilor (axelor) cristalelor dendritice primare i influeneaz favorabil distribuia fazelor secundare la aliajele n care (n timpul rcirii dup solidificare) precipit particule ale unor astfel de faze; modificare de tipul III, care are ca efect mbuntirea fineei i gradului de dispersie a fazelor componente ale amestecurile mecanice eutectice care se formeaz la solidificarea unor aliaje neferoase. La alegerea modificatorilor i realizarea modificrii aliajelor neferoase trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte eseniale: modificatorii introdui n aliajele neferoase lichide acioneaz n unul din urmtoarele moduri: formeaz (individual sau prin combinare cu componentele aliajelor) particule greu fuzibile i insolubile n aliajele topite, care, distribuite sub form de suspensie fin, constituie baze pentru germinarea eterogen la solidificarea aliajelor (v. scap. 1.4.2); modificatorii care acioneaz n acest mod (borul i unele metale de tranziie cu reactivitate chimic mare: Ti, Zr, Ta, Mo), asigurnd solidificarea cu un numr mare de germeni cristalini i formarea unor structuri primare fine, se utilizeaz cu predilecie pentru realizarea modificrilor de tipurile I i III;136

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

formeaz pelicule de adsorbie pe suprafeele germenilor cristalini, care micoreaz viteza de cretere a germenilor i limiteaz dezvoltarea n grosime a ramurilor cristalelor dendritice primare; modificatorii care acioneaz n acest mod (metalele uor fuzibile: Li, Na, Ca, Sb, Pb) se folosesc mai ales pentru asigurarea modificrilor de tipul II; modificatorii trebuie introdui n aliajele neferoase ntr-o cantitate (concentraie) optim (care asigur nivelul maxim al efectelor pozitive produse de modificare); de exemplu, n cazul modificatorilor care au rolul de a forma particule greu fuzibile i insolubile n aliajele topite, dac concentraia acestora este mic, particulele nu se formeaz sau se formeaz n numr insuficient asigurrii unei structuri primare fine, dac concentraia acestora este la nivelul optim se formeaz o suspensie fin, cu un numr mare de particule care activeaz germinarea eterogen i rezult structura primar cu granulaia cea mai fin, iar dac concentraia acestora depete nivelul optim, efectele pozitive ale modificrii se micoreaz, deoarece particulele care se formeaz sunt grosolane i n numr insuficient realizrii unei structuri primare fine.

9.3. Tratamentele termice la aliajele neferoaseTratamentele termice (TT) care se aplic semifabricatelor i pieselor din aliaje neferoase se definesc i se clasific la fel ca i tratamentele destinate semifabricatelor i pieselor din oeluri i fonte (v. scap. 6.1). Principalele tipuri de recoaceri fr schimbare de faz care se pot aplica semifabricatelor i pieselor din aliaje neferoase sunt: Recoacerea de omogenizare (RO) este recomandat pentru diminuarea neomogenitilor chimice ale structurilor dendritice primare ale semifabricatelor i pieselor turnate; deoarece omogenizarea se realizeaz prin difuzie, ti corespunztoare acestui TT se alege ct mai ridicat (ti + 273 = Ti = kOTs, n care Ts, n K, este temperatura de solidificare topire a aliajului din care sunt confecionate piesele supuse RO, definit ca fiind temperatura la care verticala aliajului intersecteaz linia sau suprafaa solidus a diagramei de echilibru fazic a sistemului de aliaje cruia aparine acesta, iar coeficientul kO se ia, n mod obinuit, kO = 0,80,9, dar poate avea i valori kO = 0,950,98, pentru omogenizarea pieselor turnate din aliaje n care procesele de difuzie se defoar foarte lent, cum sunt aliajele uoare, pe baz de Al sau Mg, avnd ts = 500600 oC), iar m trebuie s fie mari (de obicei, m = 224 ore), n unele cazuri (de exemplu la semifabricatele i piesele turnate din aliaje pe baz de Cu) impunndu-se137

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

aplicarea de TT ulterioare, pentru finisarea granulaiei structurii grosolane rezultate dup RO. Recoacerea de recristalizare fr schimbare de faz (RRN) este utilizat pentru refacerea plasticitii semifabricatelor i pieselor ecruisate prin deformare plastic la rece. Regimul RRN se alege astfel nct s se produc n piesele supuse tratamentului procesele de restaurare i recristalizare primar i s nu apar efectele defavorabile ale desfurrii fenomenelor de cretere a granulaiei i de recristalizare secundar (v. scap. 3.5 i 6.2.2); n mod obinuit, RRN a semifabricatelor i pieselor din aliaje neferoase se realizeaz cu ti = trp + 100200 oC (trp fiind temperatura de recristalizare primar a aliajului din care sunt confecionate piesele supuse TT, trp + 273 = Trp 0,4Ts), i + m = 14 ore i rcirea n aer linitit. Recoacerea de detensionare (RD) se aplic semifabricatelor i pieselor din aliaje neferoase n scopul diminurii intensitii i redistribuirii tensiunilor mecanice reziduale existente n acestea; mecanismele detensionrii termice i principiile stabilirii regimului RD sunt cele prezentate n scap. 6.2.3. Recoacerile cu schimbare de faz (de tipul recoacerii complete sau normalizrii, v. scap. 6.3) se pot aplica semifabricatelor i pieselor din aliaje neferoase care prezint transformri fazice n stare solid (determinate de variaiile cu temperatura ale solubilitii componentelor n fazele din structura aliajelor, de producerea transformrilor alotropice ale unor componente, de realizarea unor transformri eutectoide etc.); ca i n cazul aplicrii la piesele din aliaje feroase, recoacerile cu schimbare de faz se efectueaz la produsele confecionate din astfel de aliaje neferoase (cum sunt aliajele Cu Zn, aliajele Cu Al, unele aliaje pe baz de Ti) pentru obinerea strilor structurale de echilibru, finisarea granulaiei, mbuntirea prelucrabilitii prin deformare plastic sau prin achiere etc. Modul de conducere a unui astfel de TT este simplu: piesele se nclzesc la o temperatur ti situat desupra unuia din punctele de transformare n stare solid ale aliajului neferos din care sunt confecionate, se menin la ti o durat m (pentru uniformizarea temperaturii n masa pieslor i pentru omogenizarea structurii) i se rcesc lent (o dat cu cuptorul, n cazul recoacerii sau n aer linitit, n cazul normalizrii), pentru obinerea la ta a unei stri de echilibru structural. La semifabricatele i piesele confecionate din aliaje neferoase se pot efectua dou tipuri (principial diferite) de clire: Clirea martensitic se poate aplica pieselor din aliaje neferoase care racire + , fiind sufer transformri eutectoide (la fel ca oelurile i fontele): incal.

soluia solid (denumit, de obicei, austenit, ca i faza corespondent a aliajelor Fe C) care se transform (la rcirea sub o temperatur caracteristic) n amestecul eutectoid ( + ); la piesele din astfel de aliaje, TT de clire138

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

martensitic const din nclzirea lor la o temperatur ti situat n domeniul de stabilitate al fazei (domeniul austenitic), meninerea la aceast temperatur o durat m (pentru obinerea unei structuri cu austenit omogen) i rcirea rapid (cu o vitez vr mai mare dect o vitez critic vrc), pentru ca transformarea (printrun mecanism bazat pe difuzia componentelor) + s nu fie posibil i s se realizeze o transformare de tip martensitic (printr-un mecanism care nu presupune difuzia componentelor) M, M (denumit martensit, ca i faza corespondent din structura aliajelor Fe C clite) fiind o soluie solid suprasaturat n elemente de aliere, cu structura cristalin diferit de cea corespunztoare fazei (austenitei) din care s-a format. Clirea martensitic se poate aplica la produsele realizate din unele aliaje ale sistemelor Cu Al, Cu Be, Cu Ti, Ti Mo, Ti Ni, Ti Al etc., care ndeplinesc criteriile structurale menionate mai nainte. Revenirea structurilor (metastabile) obinute prin clirea martensitic a aliajelor neferoase poate conduce la efecte similare celor care se produc prin revenirea oelurilor sau fontelor clite martensitic i care constau n obinerea (prin transformri structurale bazate pe difuzie) unor structuri apropiate de echilibru i bine detensionate. Clirea de punere n soluie se poate aplica la piesele din aliaje neferoase n a cror structur apare ca faz principal o soluie solid care are ca solvent componentul de baz al aliajelor i prezint o variaie important cu temperatura a capacitii de a dizolva componentele de aliere (solubilitatea componentelor de aliere n aceast faz scade puternic cnd se micoreaz temperatura). La piesele din astfel de aliaje, care aparin unor sisteme ale cror diagrame de echilibru sunt de tipul celei prezentate n figura 9.1, TT de clire de punere n soluie const din nclzirea i meninerea o scurt durat la o temperatur tic (tso; ts), pentru obinerea unei structuri monofazice, alctuit din cristale de soluie solid B(A) omogen, urmat de rcirea rapid (de obicei, n ap) pentru meninerea structurii monofazice pn la ta. Analiznd modul de efectuare a acestui TT (v. fig. 9.1), rezult c prin rcirea rapid de la tic a structurii monofazice se mpiedic separarea din aceasta (prin procese bazate pe difuzie) a fazei (bogat n elemente de aliere) i se obine la ta o structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n elemente de aliere (faz metastabil); deoarece realizeaz punerea (dizolvarea la nclzire i meninerea la rcire) n soluia solid a fazei , acest TT a fost denumit clire de punere n soluie (a fazei ). Spre deosebire de structurile (dure i fragile) realizate prin clirea martensitic, structurile (monofazice, cu cristale de soluie solid) obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelor neferoase prezint o bun comportare la prelucrarea prin deformare plastic.139

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Revenirea structurilor obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelor neferoase, constnd din nclzirea i meninerea acestora la o temperatur tii [ta; tso), determin separarea din soluia solid suprasaturat (metastabil) a unor precipitate care durific structura; datorit efectelor de durificare pe care le produce, TT de revenire aplicat structurilor obinute prin clirea de punere n soluie este denumit mbtrnire i poate fi mbtrnire natural, dac tii = ta sau mbtrnire artificial, dac ta < tii < tso. Natura fazic i caracteristicile structurale ale precipitatelor care se formeaz la mbtrnire depind de mrimile parametrilor ti i m, deoarece aceste precipitate se formeaz prin procese de germinare i cretere, avnd la baz mecanisme ce presupun difuzia componentelor aliajului supus TT. Cercetrile ntreprinse pn n prezent au evideniat c, n funcie de temperatura i durata mbtrnirii aliajelor neferoase clite, n structura matricei se pot forma urmtoarele tipuri de precipitate: zonele GP (notate n acest mod dup numele cercettorilor Guinier i Preston care le-au detectat pentru prima oar prin tehnici de difracie cu raze X) apar la temperaturi i durate mici ale procesului de mbtrnire i sunt asocieri prefereniale de atomi ai componentelor de aliere din aliajul tratat; n mod obinuit, zonele GP au forma unor discuri cu diametrul de 5...8 nm i grosimea de 0,3...0,6 nm i se formeaz uniform n matruicea , prin procese de germinare omogen, ajungnd la frecvene de 10131015 zone/mm3; precipitatele sunt faze metastabile care se formeaz la durate mai lungi i/sau la temperaturi mai nalte de mbtrnire dect cele corespunztoare formrii zonelor GP i sunt faze distincte (cu structuri cristaline diferite de structura fazei stabile ), cu configuraie platiform (cu diametrul de 25...30 nm i grosimea de 1,5...2,0 nm), care pot fi evideniate n structur numai prin examinarea la microscopul electronic; precipitatele germineaz relativ uniform n matricea i sunt legate prin interfee coerente cu structura cristalin a acestei matrice; precipitatele sunt tot faze metastabile, cu dimensiuni suficient de mari pentru a putea fi observate prin examinarea structurilor la microscopul optic i care apar dac duratele i/sau temperaturile de mbtrnire sunt mai mari dect cele corespunztoare formrii precipitatelor ; precipitatele se formeaz prin germinare eterogen pe anumite defecte ale structurii cristaline a matricei (de exemplu, pe dislocaiile elicoidale) i sunt semicoerente cu structura cristalin a acestei matrice; precipitatele sunt faze stabile (de echilibru), care germineaz eterogen pe limitele grunilor cristalini ai matricei i sunt necoerente cu aceast matrice, putnd fi uor evideniate n structur prin examinarea la microscopul optic.140

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

n privina filiaiei diverselor tipuri de precipitate, cercetrile experimentale ntreprinse pn n prezent au artat c orice precipitat se formeaz direct din matricea i nu prin transformarea precipitatelor existente anterior n structura aliajului supus mbtrnirii; astfel, la ridicarea temperaturii de mbtrnire de la ti la t i/ > ti, precipitatul specific temperaturii ti se dizolv n matricea i apoi din matricea se separ un nou precipitat, corespunztor temperaturii t / > ti. Aceste particulariti ale formrii precipitatelor n timpul mbtrnirii aliajelor neferoase clite sunt valorificate practic la realizarea procesului de reversiune, care const din supranclzirea de scurt durat a aliajelor mbtrnite, pentru reconstituirea strii structurale monofazice pe care aliajele o aveau dup clirea de punere n soluie (supranclzirea de scurt durat asigur dizolvarea n matricea a precipitatelor formate prin mbtrnire, dar nu ofer timpul necesar separrii precipitatelor specifice temperaturii la care s-a supranclzit aliajul).

Fig. 9.1. Configuraia diagramei de echilibru a sistemelor crora aparin aliajele neferoase la care se pot aplica TT de clire de punere n soluie

Fig. 9.2. Curba de mbtrnire la ti = 130 oC a unui aliaj Al Cu, cu %Cum = 3 %

Transformrile structurale produse prin mbtrnire sunt nsoite de modificri ale proprietilor aliajelor clite, n principal de creterea rezistenei mecanice i duritii acestora; pentru orice aliaj clit i mbtrnit, efectul de durificare al mbtrnirii se poate evidenia cu ajutorul unor curbe de mbtrnire, reprezentnd dependenele experimentale dintre duritatea aliajului mbtrnit i parametrii de regim ai mtrnirii: HVr = f(ti = ct.; m) sau HVr = g(ti; m = ct.). Aa cum se poate observa analiznd curba de mbtrnire HVr = f(ti = 130 oC; m) a unui aliaj Al Cu (cu %Cum = 3 %), prezentat n141

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

figura 9.2., efectul de durificare al mbtrnirii crete n cursul formrii precipitatelor semicoerente (zonele GP i precipitatele ) i scade odat cu apariia precipitatelor semicoerente () i necoerente (); se ajunge astfel la ideea (confirmat prin cercetri experimentale) c efectul de durificare este o consecin a interaciunii dintre dislocaiile matricei aliajului mbtrnit i precipitatele coerente, acest efect diminundu-i intensitatea odat cu distrugerea coerenei dintre matricea structural a aliajului i precipitatele formate la mbtrnire. Desfurarea proceselor de precipitare la mbtrnire i efectele de durificare produse de acestea pot fi influenate substanial dac, ntre clirea de punere n soluie i mbtrnire, semifabricatele sau piesele din aliaje neferoase se supun unor operaii de deformare plastic la rece.

9.4. Simbolizarea metalelor i aliajelor neferoase comercialen prezent nu exist un sistem de simbolizare a mrcilor de metale i aliajele neferoase unanim recunoscut i aplicat la ntocmirea documentelor tehnice aferente conceperii, proiectrii, fabricrii, verificrii i comercializrii semifabricatelor i pieselor din astfel de materiale. Cele mai utilizate sisteme de simbolizare a mrcilor de metale i aliaje neferoase, recomandate de diverse asociaii profesionale i/sau organisme de standardizare (naionale, regionale sau internaionale), cum ar fi ASM (American Society for Metals), AA (Aluminum Association), CEN (Comit European de Normalisation) sau ISO (International Organization for Standardization), sunt: sistemul de simbolizare numeric, conform cruia mrcile de metale i aliaje neferoase din diverse categorii (aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu, cupru i aliaje pe baz de cupru etc.) sunt simbolizate printr-un numr (n mod obinuit, fr nici o semnificaie legat de compoziia i proprietile mrcii) acordat de asociaia sau de organismul (naional, regional sau internaional) care gestioneaz sistemul; principalele variante ale acestui sistem, avnd la baz principiile prezentate n tabelele 9.4 i 9.5, sunt: varianta UNS (Unified Numbering System), aplicat la aliajele aluminiului, la aliajele cuprului, la aliajele magneziului, la aliajele titanului, la aliajele zincului etc. i varianta propus de AA (Aluminum Association), aplicat la aluminiu i aliajele pe baz de aluminiu i recomandat de standardele elaborate de ISO i CEN pentru mrcile de aluminiu i aliaje de aluminiu deformabile;142

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

sistemul de simbolizare alfanumeric (sistemul de simbolizare dup compoziie), conform cruia mrcile de metale neferoase se simbolizeaz aa cum se arat n tabelul 9.2, iar simbolurile mrcilor de aliaje neferoase sunt alctuite din simbolul chimic al componentului de baz, urmat de simbolurile chimice ale elementelor de aliere, scrise n ordinea descresctoare a importanei lor, simbolurile chimice ale elementelor de aliere pentru care %EAm este n jur de 1 % sau mai mare fiind nsoite de numere (de preferin ntregi) care indic concentraiiile masice nominale (medii) ale acestor componente; simbolurile aliajelor de turnare sunt precedate de litera G, urmat (eventual) de o liter care codific procedeul tehnologic de turnare recomandat la realizarea semifabricatelor sau pieselor din aceste aliaje (litera S pentru turnarea n forme din nisip, litera M pentru turnarea n forme metalice, litera Z pentru turnarea centrifugal, litera C pentru turnarea continu, litera P pentru turnarea sub presiune etc.).Tabelul 9.4. Date privind simbolizarea mrcilor de aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu Mrcile de aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu pentru turnare Structura simbolului n varianta UNS: AX0X1X2X3X4* Structura simbolului n varianta AA: X1X2X3.X4* Seria (grupa) de aliaje Exemple de mrci X1 1 A01001 / 100.1 G Al 99,0 1. Aluminiu i aliaje cu %Alm 99 % 2. Aliaje avnd Cu ca EAP** 2 A02040 / 204.0 G AlCu4MgTi 3. Aliaje avnd Si ca EAP + Cu i Mn 3 A13190 / A319.0 G AlSi5Cu3 4. Aliaje avnd Si ca EAP 4 A24430 / B443.1 G AlSi5 5. Aliaje avnd Mg ca EAP 5 A05200 / 520.0 G AlMg10 6. Grup de aliaje neutilizat 6 7. Aliaje avnd Zn ca EAP 7 A07120 / 712.0 G AlZn6MgCr 8. Aliaje avnd Sn ca EAP 8 A08510 / 851.1 G AlSn6Cu1Ni1 9. Aliaje avnd alte EAP 9 Mrcile de aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu deformabile Structura simbolului n varianta UNS: A9X1X2X3X4 Structura simbolului n varianta AA: X1X2X3X4 Seria (grupa) de aliaje Exemple de mrci X1 1 A91080 / 1080 Al 99,8 1. Aluminiu i aliaje cu %Alm 99 % 2. Aliaje avnd Cu ca EAP 2 A92001 / 2001 AlCu5,5MgMn 3. Aliaje avnd Mn ca EAP 3 A93003 / 3003 AlMn1Cu 4. Aliaje avnd Si ca EAP 4 A94343 / 4343 AlSi7,5 5. Aliaje avnd Mg ca EAP 5 A95052 / 5052 AlMg2,5 6. Aliaje avnd Si i Mg ca EAP 6 A96106 / 6106 AlMgSiMn 7. Aliaje avnd Zn ca EAP 7 A97149 / 7149 AlZn8MgCu 8. Aliaje avnd alte EAP 8 A98016 / 8016 AlFe1Mn * X0 = 0 pentru aliajele corespunztoare unei reete originale ; X0 = 1,2 ... 6 pentru aliajele rezultate prin modificri aduse unei reete originale; dac X0 = 0, simbolul nu conine litera , dac X0 = 1 A; X0 = 2 B; ... X0 = 6 F; X4 = 0 la aliajele pentru turnare n piese i X4 = 1 sau 2 la aliajele pentru turnare n lingouri. ** EAP element de aliere principal 143

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabelul 9.5. Date privind simbolizarea mrcilor de cupru i aliaje pe baz de cupru Mrcile de cupru i aliaje pe baz de cupru pentru turnare Structura simbolului n varianta UNS: C8X1X2X3X4 ...C9 X1X2X3X4 Seria (grupa) de aliaje UNS Exemple de mrci C80100 ... C81100 C80100 G Cu 99,95 1. Cupru cu %Cum 99,5 2. Aliaje cu %EAm < 5 % C81300 ... C82800 C82100 G CuBe0,5Ni 3. Alame roii (simple sau cu Pb) C83300 ... C83800 C83400 G CuZn10 Alame semiroii (simple/cu Pb) C84200 ... C84800 C84500 G CuZn12Pb7Sn2 Alame galbene (simple/cu Pb) C85200 ... C85800 C85400 G CuZn29Pb3Sn Alame speciale C86100 .... C86800 C86300 G CuZn25Al6Mn 4. Bronzuri i alame cu Si C87200 ... C87900 C87200 G CuSi4 C87500 G CuZn14Si4 G CuSn11 5. Bronzuri obinuite (Cu Sn) C90200 ... C91700 C90700 G CuSn10Pb2 Bronzuri aliate cu Pb C92200 ... C94500 C92700 G CuSn5Pb25 C94300 G CuSn5Ni5 C94800 Bronzuri aliate cu Ni C94700 ... C94900 6. Bronzuri cu Al (%Alm 8,3 %) i/sau ca faz separat la transformarea eutectic (la t 1035 oC) L + i este stabil numai pn la temperatura t = 565 oC, la care se descompune eutectoid: + 2; este (ca i ) o faz bertholid; prezint dou modificaii (forme alotropice): 1, stabil deasupra temperaturii t = 785 oC, corespunztoare compusului Cu9Al4, cu structur cristalin cubic i 2, stabil sub temperatura t = 785 oC, corespunztoare compusului Cu32Al19, cu structur cubic complex, duritate ridicat i fragilitate accentuat. Aa cum se poate observa examinnd diagrama de echilibru din figura 9.18, bronzurile cu aluminiu (spre deosebire de bronzurile clasice) au un interval de solidificare restrns (10...15 oC); ca urmare, aceste aliaje au proprieti de turnare foarte bune (fluiditate ridicat, aptitudine de a realiza piese turnate compacte, cu retasura de contracie concentrat). Bronzurile cu aluminiu prezint ns, la solidificarea dup turnare, tendina de a forma cristale dendritice lungi (columnare), care nrutesc comportarea la deformare plastic (mresc nclinaia spre fisurare) a157

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

pieslor i semifabricatelor turnate; acest dezavantaj poate fi eliminat, dac la elaborare se face modificarea lor cu V, Ti, B i li se aplic o bun dezoxidare (pentru evitarea apariiei n structur a incluziunilor fragile de Al2O3).

Fig. 9. 18. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Al

Fig. 9. 19 Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor cu aluminiu n funcie de %Alm

Tabelul 9.10. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Cu Al

Punctul Abscisa, %Snm Ordonata, oC

A0 1083

B8,3 1035

C11,2 1048

F7,4 1035

G9,0 1035

K9,4 565

M12,0 565

P13,6 785

Q9,4 ta

n funcie de structura pe care o prezint (la ta) n strile M sau O, de caracteristicile mecanice asigurate (redate sintetic, n funcie de concentraia masic a aluminiului, n diagramele din fig. 9.19) i de procedeul tehnologic recomandat pentru realizarea semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu aluminiu se pot clasifica astfel: A. Bronzurile monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristale de soluie solid ) au %Alm < 9 % i sunt bronzuri deformabile; B. Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile bifazice) au %Alm 9 % i se folosesc n mod obinuit ca bronzuri de turnare; structura la ta a semifabricatelor i pieselor realizate din astfel de bronzuri conine fazele i 2 i, respectiv, constituenii (preeutectoid) i amestecul eutectoid ( + 2), duritatea i fragilitatea acestei structuri crescnd pe msur ce se mrete coninutul procentual de eutectoid ( + 2). Bronzurile bifazice cu %Alm = 9,5...10,5 % se pot prelucra i prin deformare plastic la cald, dac temperatura la care se face deformarea este situat n domeniul n care aceste aliaje prezint structur monofazic (structur care se poate menine i la ta, dac se aplic un TT de158

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

clire, corespunztor obinerii strilor TA sau TB). Bronzurile cu aluminiu au, n comparaie cu bronzurile clasice, rezisten la coroziune mult mai bun (n medii ca: apa de mare i soluiile saline, soluiile de acid carbonic, soluiile unor acizi organici), densitate mai mic, caracteristici de antifriciune i rezistena la uzare mai sczute i caracteristici mecanice asemntoare. Pentru mbunirea unor caracteristici de utilizare, bronzurile cu aluminiu se pot alia suplimentar i cu alte elemente, cum ar fi: fierul, n concentraii %Fem = 3...5 %, finiseaz granulaia, mrete rezistena mecanic i duritatea, mbuntete comportarea bronzurilor la temperaturi ridicate, dar micoreaz fluiditatea acestora (nrutete proprietile de turnare); manganul, n concentraii masice %Mnm 2 %, are efecte similare cu ale fierului, amplificnd efectele acestui element de aliere; nichelul, n concentraii masice %Nim 5 %, are efecte asemntoare fierului i manganului i, n plus, mbuntete caracteristicile de antifriciune ale bronzurilor i mrete refractaritatea acestora (rezistena la oxidare/coroziune la temperaturi nalte). Mrcile de bronzuri cu aluminiu comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; de exemplu, CuAl10Fe3 i CuAl9Mn2 sunt mrci de bronzuri monofazice (bronzuri deformabile), iar G CuAl10Fe3; G CuAl10Mn i G CuAl9Fe5Ni5 sunt mrci de bronzuri bifazice (bronzuri de turnare). 9.5.3.3. Bronzurile cu siliciu folosite n tehnic au %Sim 3 % i prezint (n mod obinuit) n stare solid o structur monofazic Cu(Si); acestea se pot utiliza att ca bronzuri deformabile, ct i ca bronzuri de turnare i au caracteristici mecanice ridicate (Rm = 200...300 N/mm2, Rp0,2 = 140...200 N/mm2 i A = 15...25 % la bronzurile deformate plastic la cald sau de turnare i Rm = 750...900 N/mm2, Rp0,2 = 450...500 N/mm2 i A = 3...8 % la bronzurile ecruisate prin deformare plastic la rece), rezisten mare la coroziune i o bun prelucrabilitate prin achiere, prezentnd i avantajul de a fi mai ieftine dect celelalte tipuri de bronzuri. Bronzurile binare cu siliciu se utilizeaz mai rar n aplicaiile tehnice, de obicei fiind preferat folosirea bronzurilor ternare sau complexe (bronzuri cu siliciu aliate suplimentar i cu alte elemente, care s determine sporirea anumitor proprieti de utilizare ale acestora); de exemplu: bronzurile cu siliciu i mangan (cu %Sim = 2...3 % i %Mnm = 1...2 %) au proprieti bune de turnare, se pot prelucra prin deformare plastic la cald (la t = 800 ... 850 oC) i sunt indicate pentru realizarea unor piese pentru construcia de maini sau pentru industria chimic (elemente elastice, piese cu proprieti bune antifriciune, produse rezistente la aciunea apei de mare, apelor reziduale, petrolului i produselor petroliere);159

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

bronzurile cu siliciu i nichel (cu %Sim = 1...2 % i %Nim = 1...3 %) se prelucreaz bine prin deformare plastic la cald (la t = 850 ... 900 oC) i la rece i prezint bune proprieti antifriciune i rezisten la uzare (mai ales, dac solicitrile mecanice sunt intense, ungerea este insuficient i temperaturile de lucru sunt ridicate); n structura de echilibru la ta a acestor bronzuri apare faza Ni2Si, care prezint o mare variaie cu temperatura a solubilitii n faza , permind obinerea la aceste aliaje a unor efecte de durificare substaniale, prin aplicarea unui TT alctuit din clire de punere n soluie (de la ti = 900...950 oC), urmat de mbtrnire artificial (la ti = 450...500 oC). bronzurile cu siliciu i plumb (%Sim = 2...3 % i %Nim = 1...4 %) se caracterizeaz printr-o bun prelucrabilitate prin achiere i bune proprieti antifriciune, datorit particulelor intercristaline de plumb pe care le prezint n structur. Mrcile de bronzuri cu siliciu comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; cele mai utilizate mrci de bronzuri cu siliciu sunt: CuSi1,5; CuSi3 i G CuSi4. 9.5.3.4. Bronzurile cu beriliu folosite n tehnic au %Bem 2,5 % i prezint, n funcie de concentraia masic a beriliului, structurile indicate de diagrama de echilibru redat n figura 9.20, punctele caracteristice ale acestei diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.11.

Fazele care apar pe diagrama de echilibru Cu Be au urmtoarele semnificaii:160

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

L este soluia lichid a componentelor Cu i Be; este soluia solid de substituie Cu(Be), cu structur cristalin de tip CFC, care poate fi deformat plastic uor; este o faz bertholid, cu structur cristalin de tip CVC; aa cum se poate observa pe diagrama de echilibru, faza poate s apar n structura bronzurilor industriale ca urmare a desfurrii transformrii peritectice (la t = 865 oC) L + sau ca urmare a diminurii solubilitii beriliului n cupru o dat cu scderea temperaturii; este o faz bertholid pe baza compusului CuBe, cu structur cristalin de tip CVC, care rezult prin transformarea eutectoid (la t = 620 oC) + . Bronzurile cu beriliu utilizate n mod obinuit au %Bem = 1,5...2,0 % i prezint la ta, n strile M sau O, o structur alctuit din fazele i i, respectiv, din constituenii i amestecul eutectoid ( + ); n aceste stri structurale caracteristicile mecanice nu sunt foarte ridicate (caracteristicile la traciune sunt: Rm = 450 ... 500 N/mm2; Rp0,2 = 300 ... 350 N/mm2 i A = 30 ... 40 %, iar duritatea este 90 ... 110 HB). Datorit variaiei mari cu temperatura a solubilitii beriliului n cupru, semifabricatele i piesele confecionate din aceste aliaje se pot trata termic prin clire de punere n soluie (de la ti = 800 ... 820 oC), pentru obinerea unei structuri monofazice (cu cristale de suprasaturate cu beriliu), urmat de mbtrnire artificial (la ti = 300 ... 350 oC); efectele de durificare ale acestui TT se pot mri substanial, dac (dup clire) se face ecruisarea controlat a acestor bronzuri prin deformare plastic la rece. n strile de livrare TF sau TH (care se obin aplicnd operaiile tehnologice precizate mai nainte), caracteristicile mecanice la traciune ale bronzurilor cu beriliu ating nivelurile Rm = 1100 ... 1500 N/mm2; Rp0,2 = 1000 ... 1050 N/mm2 i A = 2 ... 5 %, iar duritatea lor este 350 ... 400 HB. Pentru micorarea concentraiei beriliului (care este un element de aliere scump) n bronzurile industriale i creterea efectelor de durificare ale mbtrnirii se practic alierea suplimentar a acestora cu mangan (%Mnm = 0,5...2,5 %), a crui contribuie la durificarea structurii produselor din astfel de materiale este datorat formrii compusului MnBe2, iar pentru mbuntirea tenacitii acestor bronzuri se folosete alierea suplimentar cu Ni (%Nim = 0,2...0,5 %). Principalele mrci de bronzuri cu beriliu comerciale sunt: CuBe1,7; CuBe1,9 i CuBe0,6Mn; aceste materiale se folosesc la realizarea elementelor elastice (arcuri, lamele elastice etc.), sculelor antiscntei (care nu produc scntei prin lovire) i pieselor care trebuie s prezinte bune proprieti antifriciune sau care sunt puternic solicitate mecanic n medii de lucru active (ap de mare, abur etc.).161

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

9.5.3.5. Bronzurile cu plumb se folosesc n tehnic (datorit proprietilor antifriciune pe care le prezint) ca materiale pentru confecionarea cuzineilor (piese inelare, realizate dintr-o bucat sau din dou semiinele, pe care se sprijin arborii mainilor i utilajelor) lagrelor de alunecare (organe de maini alctuite din cuzinei i elementele de poziionare i susinere a acestora). Deoarece cuprul i plumbul sunt insolubile n stare solid, structura la ta a bronzurilor cu plumb este alctuit din cristale de cupru i separri intergranulare de plumb. Datorit insolubilitii n stare solid a cuprului i plumbului i diferenelor mari ntre temperaturile lor de solidificare topire i ntre densitile acestora, bronzurile cu plumb manifest o mare tendin de segregare (separare) a componentelor n structur. Pentru a anihila aceast tendin i a asigura o distribuie uniform a formaiunilor intercristaline de plumb (cu rol lubrifiant) n matricea de cupru a structurii se practic alierea lor suplimentar cu nichel (%Nim = 1,0...2,5 %) i rcirea forat la solidificare a acestor bronzuri. Cuzineii din bronzuri cu plumb se realizeaz prin turnare; deoarece bronzurile cu plumb au rezisten mecanic sczut (rezistena la rupere este Rm = 50...150 N/mm2, iar duritatea 30...50 HB), se practic turnarea cuzineilor pe supori din oel i/sau se face alierea suplimentar a bronzurilor cu elemente care mresc duritatea matricei lor structurale: staniu (%Snm = 5...10 %), stibiu (%Sbm = 1...2 %), fosfor (%Pm < 0,3 %) sau zinc (%Znm = 1...3 %). Mrcile de bronzuri cu plumb comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; cele mai utilizate mrci sunt: G CuPb25; G CuPb20Sn5; G CuPb15Sn8 i G CuPb7Sn7Zn3.

9.6. Aluminiul i aliajele pe baz de aluminiuSub form de metal pur sau sub form de component de baz al unor aliaje, aluminiul este utilizat n prezent pentru realizarea de semifabricate i produse pentru multe ramuri economice importante: aeronautic, construcii civile i industriale, electrotehnic i telecomunicaii, energetic neconvenional (solar, eolian), forajul sondelor de petrol, chimie i petrochimie, fabricarea ambalajelor. Principalele proprieti fizico chimice i mecanice i clasele de puritate tehnic ale aluminiului sunt descrise complet de caracteristicile redate n tabelele 1.2, 9.1, 9.2 i 9.3, caracteristicile care trebuie remarcate, deoarece au determinat opiunile pentru utilizarea acestui metal n cele mai multe aplicaii, sunt: densitatea sczut, plasticitatea bun i conductibilitatea termic i electric ridicat. Principalele impuriti ale aluminiului tehnic se pot clasifica n urmtoarele categorii:162

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

impuriti solubile n aluminiul solid (Si, Cu, Mg, Zn, Mn, Ni, Cr, Ti, Ta, Zr); efectele prezenei acestor impuriti n concentraii masice mici, constnd n diminuarea proprietilor de turnare (Cu, Mg, Zn, Mn) sau mbuntirea acestora (Si i, mai ales, Ti, Ta, Zn, care fiind greu fuzibile se comport ca modificatori i determin obinerea unor structuri primare cu granulaie fin), creterea rezistenei mecanice i scderea plasticitii (Si, Mg, Zn, Mn, Cr, Mo), mrirea rezistenei la coroziune (Si, Mg, Mn, Ni) sau diminuarea acesteia (Cu), creterea refractaritii (Ni, Cr, Mo), mbuntirea prelucrabilitii prin achiere (Cu, Zn), reducerea conductibilitii electrice (Mn) etc., sunt de obicei acceptabile; impuriti insolubile n aluminiul solid (Sn, Pb, Bi); aceste impuriti uor fuzibile se separ la limitele cristalelor de aluminiu i influeneaz negativ prelucrabilitatea prin deformare plastic la cald (genereaz fenomene de fragilitate sau fisurare la cald); impuriti care formeaz cu aluminiul compui chimici (Fe, Si, As, Sb); prezena compuilor (Al3Fe, Al12Fe3Si, AlAs, AlSb) pe care i formeaz aluminiul cu aceste impuriti are ca efect principal diminuarea plasticitii i tenacitii semifabricatelor sau produselor din aluminiu. Aluminiul are o bun rezisten la coroziune n multe medii de lucru: atmosfere poluate, ape reziduale, vapori de ap, medii apoase care conin dioxid de carbon, soluii de acid sulfuric etc. Rezistena la coroziune a produselor din aluminiu se datoreaz acoperirii lor (pe cale natural sau prin aplicarea unor procedee tehnologice de tratare chimic sau electrochimic) cu o pelicul de Al2O3, aderent, compact i foarte rezistent la coroziune, care mpiedic atacarea produselor de ctre mediilor active de lucru. Prezena impuritilor (Fe, Cu, etc.) sau unele medii active (soluiile de acid azotic, soluiile de acid fosforic, amoniacul) pot determina declanarea unor procese de corodare intens a produselor din aluminiu. Aluminiul are o bun capacitate de a forma aliaje, principalele aliaje pe baz de aluminiu folosite n tehnic fiind prezentate n continuare.

9.6.1. Aliajele Al CuAliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal cuprul au o larg utilizare n tehnic (construcia de maini, aeronautic, petrol, chimie i petrochimie etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru fazic Al Cu, prezentat n figura 9.21. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Al i Cu;163

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

este soluia solid de substituie avnd ca solvent aluminiul i ca solut cuprul ( Al(Cu)); deoarece prezint, ca i solventul sau, structur cristalin de tip CFC, soluia solid se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat plastic uor, att la cald ct i la rece; este un compus intermetalic de tip geometric, din categoria fazelor Laves, cu formula chimic Al2Cu i concentraia masic de cupru %Cum = 54,1%, care prezint o structur cristalin de tip tetragonal. Deoarece configuraia diagramei de echilibru din figura 9.21 corepunde cele prezentate n figura 9.1, aliajele Al Cu se pot supune TT de clire de punere n soluie, fiind susceptibile de a fi durificate prin clire i mbtrnire natural sau artificial (v. subcap. 9.3). Pornind de la aceast observaie, aliajele Al Cu se pot clasifica n dou categorii: a) aliaje deformabile i durificabile structural prin TT; b) aliaje pentru turnare.

Fig. 9.21. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Cu

Fig. 9.22. Structura de echilibru la ta a aliajelor Al Cu cu %Cum = 4 %

9.6.1.1. Aliajele industriale Al Cu deformabile i durificabile structural prin TT se caracterizeaz printr-o concentraie masic de cupru %Cum = 2...5 % (situat n intervalul delimitat de abscisele punctelor C i B ale diagramei de echilibru din figura 9.21) i au structura de echilibru la ta alctuit dintr-o matrice de soluie solid , n care sunt distribuite uniform particule de faz secundar , aa cum se poate observa n figura 9.22. Procesul tehnologic prin care se realizeaz prelucrarea prin deformare plastic i durificarea structural a unui semifabricat confecionat dintr-un astfel de aliaj are urmtoarele etape:164

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

clirea de punere n soluie, constnd din rcirea n ap a semifabricatului nclzit la o temperatur tic situat n intervalul (tso, ts), pentru obinerea la ta a unei structuri monofazice, alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n cupru; prelucrarea prin deformare plastic a semifabricatului cu structur monofazic ; mbtrnirea (natural sau artificial), constnd din meninerea produsului prelucrat prin deformare plastic la o temperatur tii [ta, ts0), n vederea separrii din soluia solid suprasaturat a precipitatelor (zone GP, , sau ) capabile s produc durificarea la nivelul dorit a structurii (v. scap. 9.3). Aliajele industriale aparinnd acestei categorii au compoziie complex, alierea aluminiului cu mai multe elemente fiind determinat de necesiti privind mbuntirea prelucrabilitii prin deformare plastic, anihilarea influenelor negative ale unor impuriti greu de eliminat la elaborare, sporirea capacitii de durificare prin clire i mbtrnire, mbuntirea rezistenei la coroziune etc. Cele mai folosite sunt aliajele Al Cu Mg cu adaosuri de Mn, cunoscute sub denumirea de duraluminiu; compoziia chimic a acestor aliaje se caracterizeaz prin: %Cum = 2...5 %; %Mgm = 0,2...2,4 %; %Mnm = 0,2...1,5 %, iar impuritile permanent prezente sunt Fe i Si (concentraiile masice maxime uzual acceptate pentru fiecare din aceste elemente fiind de 0,5...0,6 %). Proprietile acestor aliaje sunt influenate de ponderea elementelor de aliere, de raportul concentraiilor acestora i de prezena impuritilor (Fe, Si): * rezistena mecanic, plasticitatea i capacitatea de durificare prin TT sunt influenate substanial de concentraiile cuprului i magneziului i de raportul acestora; cea mai mare rezisten mecanic se poate obine la aliajele cu %Cum = 4...5 %; %Mgm = 1...2 % i% Cu m % Mg m

= 1,3...2,7 , n timp ce plasticitatea cea%Cu m % Mg m

mai mare (dar rezistena mecanic cea mai sczut) o au aliajele cu %Cum = 4,0...4,5 %; %Mgm = 0,2...0,3 % i = 18...19 ; * prelucrabilitatea prin deformare plastic i rezistena la coroziune se nrutesc cnd concentraiile impuritilor (Fe i Si) cresc, aceste influene negative fiind diminuate dac raportul% Fe m % Si m

este meninut la o valoare

subunitar; * capacitatea de durificare prin TT este diminuat la creterea concentraiei fierului, deoarece acesta fixeaz o parte din cupru sub forma compusului Al7FeCu2 (faz insolubil n matricea ) i diminueaz astfel cantitatea de cupru disponibil pentru formarea la mbtrnire a precipitatelor ce asigur durificarea structural a aliajelor; dac %Mgm 1 %, efectul negativ al fierului este eliminat.165

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Structura de echilibru la ta a aliajelor de tip duraluminiu este alctuit din matricea i diveri compui chimici (cu prezena i ponderea dependente de compoziia aliajului): Al2Cu (faza ), Al2CuMg (faza S), Mg2Al3 (faza ), Mg2Si, Al6CuMg4, (Mn,Fe)Al6 i Al7Cu2Fe. Durificarea prin clire de punere n soluie i mbtrnire a aliajelor de tip duraluminiu se realizeaz prin mecanismele prezentate n cazul aliajelor Al Cu. La nclzirea n vederea clirii compuii intermetalici pe baz de Al, Cu, Mg (, S, etc.) se dizolv n matricea , n timp ce compuii coninnd Fe i Mn rmn nedizolvai i se menin n structura aliajelor clite (cu efecte negative asupra plasticitii acestei structuri). n procesul de mbtrnire se formeaz mai nti zone GP (de forma unor bastonae sau sfere), apoi precipitate metastabile semicoerente cu matricea (, S, etc.), iar n cazul unei mbtrniri avansate precipitate stabile necoerente cu matricea (, S, etc.). Deoarece, aa cum s-a artat n scap. 9.3, tratamentele de durificare structural aplicate aliajelor de tip duraluminiu nu conduc la stri structurale de echilibru stabil, meninerile ulterioare ale acestor aliaje la temperaturi t > ta pot produce modificri structurale cu efecte substaniale asupra caracteristicilor mecanice. Acest fenomen este sugestiv ilustrat de diagramele prezentate n figura 9.23, care redau, pentru un aliaj %Cum = 3,8...4,9 %; %Mgm = 1,2...1,8 %; %Mnm = 0,3...0,9 %, %Fem 0,5 %, %Sim = 0,5 % (corespunztor mrcii 2024 T8 sau AlCu4Mg1,5Mn T8), variaiile caracteristicilor mecanice la traciune determinate la ta dup meninerea aliajului, diferite durate, la temperaturi t [ta, 400 oC] i de diagramele prezentate n figura 9.24 care redau, pentru acelai aliaj, variaiile caracteristicilor mecanice la traciune determinate prin ncercri la temperaturi t [ta, 400 oC], efectuate dup diferite durate de meninere a aliajului la temperatura de ncercare. Mrcile de aliaje uoare de tip duraluminiu, folosite la confecionarea semifabricatelor (table, platbande, evi, profile extrudate etc.) din care se realizeaz piese i echipamente pentru aeronave, autovehicule, instalaii petrochimice, instalaii de forare a sondelor, etc., corespund simbolurilor: AlCu4MgMn, AlCu4Mg1,5Mn i AlCu4MgMnSi. 9.6.1.2. Aliajele industriale Al Cu pentru turnare se caracterizeaz printr-o concentraie masic de cupru %Cum = 3...10 %. Structura de echilibru la ta este alctuit din soluie solid i formaiuni de faz secundar , n cazul aliajelor cu %Cum 5,7 % sau din soluie solid , eutectic (+) i separri de faz secundar , n cazul aliajelor %Cu > 5,7 %. Aliajele din aceast categorie se pot alia suplimentar, ca i aliajele deformabile, cu Mg, Ni, Mn, Bi, Si. Produsele realizate prin turnare din astfel de aliaje se pot sau nu supune166

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

durificrii structurale printr-un TT alctuit din clire de punere n soluie i mbtrnire natural sau artificial. Durificarea structural prin TT poate fi substanial la aliajele cu %Cum 5,7 %, la care nu apare n structura de echilibru eutecticul (+) i este puin important la aliajele cu %Cum > 5,7 %, la solidificarea crora se produce transformarea eutectic L + i principalul efect durificator l aduce prezena n structur a eutecticului (+).

Fig.9.23. Caracteristicile mecanice la traciune ale unui aliaj 2024 T8, determinate la ta dup meninerea aliajului, diferite durate, la temperaturi t [ta, 400 oC]

Fig.9.24. Caracteristicile mecanice la traciune ale unui aliaj 2024 T8, determinate prin ncercri la temperaturi t [ta, 400 oC], efectuate dup diferite durate de meninere a aliajului la temperatura de ncercare.

Spre deosebire de aliajele deformabile, la care durificarea structural se asigura n mod obinuit prin atingerea strilor T3, T4, T6 sau T8, durificarea structural a aliajelor pentru turnare se obine de obicei prin atingerea strilor T1 sau T5 (rcirea rapid dup turnare, pentru obinerea unei structuri cu soluie solid suprasaturat n elemente de aliere, urmat de mbtrnire natural sau artificial) i, mai rar, prin atingerea strilor T4 sau T6. Mrcile de aliaje industriale de acest tip (folosite pentru confecionarea de semifabricate turnate cu destinaii similare celor prezentate n cazul aliajelor deformabile) sunt: G AlCu10, G AlCu8, G AlCu4Si4MnSi, G AlCu6Si5Mg, G AlCu4Ni2Mg, G AlCu4MgTi, GAlCu4Si1, GAlCu10Mg.167

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

9.6.2. Aliajele Al MgAliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal magneziul se utilizeaz n tehnic (la fel ca i aliajele Al Cu i Al Cu Mg) n aplicaiile care impun materiale uoare (cu densitate sczut). Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Mg este prezentat n figura 9.25 i are aceeai configuraie ca i diagrama sistemului de aliaje Al Cu, redat n figura 9.21. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Al i Mg; Al(Mg) este o soluie solid de substituie, cu structur cristalin de tip CFC i cu bun plasticitate, care se poate prelucra prin deformare plastic la rece sau la cald; este o faz bertholid, cu formula chimic Al3Mg2 i cu concentraia masic de Mg variabil n intervalul [35,3 % ; 37,7 %]. Aliajele Al Mg se pot clasifica n dou categorii; a) aliaje deformabile; b) aliaje pentru turnare. 9.6.2.1. Aliajele industriale Al Mg deformabile sunt de dou tipuri: aliajele monofazice , cu %Mgm = 0,5...2,8 % (sub limita solubilitii magneziului n aluminiu la ta), care se pot durifica numai datorit ecruisrii produse de prelucrarea lor prin deformare plastic la rece; aliaje bifazice + , cu %Mgm = 4,5...12 % (sub limita solubilitii magneziului n aluminiu la t = 450 oC), care se pot durifica structural prin clire de punere n soluie i mbtrnire (la fel ca i aliajele Al Cu sau de tip duraluminiu), aplicndu-se succesiunea de operaii corespunztoare atingerii strilor T3, T4, T6 sau T8; efectele de durificare structural prin TT sunt importante, determinnd, de exemplu, la aliajele cu %Mgm = 8...10 %, care n stare recoapt au Rm = 300...250 N/mm2 i A = 14...15 %, creterea rezistenei mecanice la Rm = 500...520 N/mm2, cu meninerea alungirii procentuale dup rupere la niveluri A 8...10 %. Aliajele din aceast categorie (cunoscute n tehnic sub denumirea de magnaliu sau alumag) se aliaz suplimentar cu Mn (%Mnm = 0,5...1,0 %), Cr (%Crm = 0,1...0,2 %), Si (%Sim = 1...5 %), Ti (%Tim 0,2 %) i V (%Vm 0,2 %), care contribuie la creterea efectelor de durificare structural prin TT, la finisarea granulaiei i la sporirea caracteristicilor mecanice i rezistenei la coroziune. Cele mai folosite aliaje din aceast categorie corespund mrcilor: AlMg1, AlMg2, AlMg3, AlMg5, AlMg1SiCr, AlMg1Mn1, AlMg7, AlMg9MnSi, AlMg5Ti i AlMg5SiV.168

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

Fig. 9.25. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Mg

Fig. 9.26. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Si

9.6.2.2. Aliajele industriale Al Mg pentru turnare au %Mgm = 2...12 %. Structura de echilibru a semifabricatelor turnate din astfel de aliaje (obinut dup aplicarea unei recoaceri de omogenizare la ti = 450...500 oC, cu m = 30...60 ore) este alctuit din cristale de soluie solid i o reea celular intercristalin de faz . Deoarece faza (compusul Al 3 Mg2 ) are rezisten sczut la aciunea mediilor active de lucru, produsele turnate cu aceast structur sufer n exploatare un proces de coroziune intercristalin (atacarea preferenial a reelei intercristaline de Al3 Mg2 ). Pentru a preveni apariia acestui fenomen nedorit, produsele turnate din astfel de aliaje se supun unui TT, care const din nclzirea i meninerea lor ndelungat la t i = 500...530 oC (pentru dizolvarea fazei n matricea ) urmat de o rcire (clire) n ap (pentru meninerea la ta a structurii monofazice ); revenirea produselor clite la ti = 80...100 oC, cu menineri m = 48...50 ore, determin precipitarea parial a fazei (care are efecte de durificare a structurii) sub forma unor iruri intercristaline alctuite din particule globulare (care nu mai formeaz o reea continu i nu mai determin producerea fenomenului de coroziune intercristalin). Cele mai utilizate aliaje din aceast categorie corespund mrcilor: G AlMg3, G AlMg5, G AlMg10 i G AlMg9MnSiTi.169

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

9.6.3. Aliajele Al ZnAliajele aluminiului, avnd ca element principal de aliere zincul (%Znm = 5...8 %) i adaosuri de Mg (%Mgm = 2...3 %), Cu (%Cum = 1...2 %) i alte elemente (Mn, Cr, Ti, Si, Zr, introduse fiecare n concentraii masice care nu depesc 0,2 %), se folosesc n tehnic, sub denumirea de zincral sau alzimac, ca aliaje deformabile cu rezisten mecanic ridicat (Rm = 550...750 N/mm2 i A 8 %). Structura de echilibru la ta a aliajelor din aceast categorie este similar celei corespunztoare aliajelor tip duraluminiu, coninnd n plus compuii intermetalici: MgZn2, (faza M) sau Al2Mg3Zn3 (faza T). Caracteristicile de rezisten mecanic prezentate anterior corespund n mod obinuit produselor livrate n starea T6; n procesul de mbtrnire artificial al aliajelor clite se formeaz n stadiile iniiale zone GP, iar n stadiile avansate precipitate metastabile semicoerente cu matricea (de tip M, T etc.) i apoi precipitate stabile necoerente (de tip M,T etc.) Aliajele din aceast categorie folosite cu cea mai mare pondere n aplicaiile tehnice corespund mrcii AlZn6Mg2,5Cu1,5.

9.6.4. Aliajele Al SiAliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal siliciul se utilizeaz n tehnic, sub denumirea silumin, ca aliaje uoare pentru turnare (corpuri de maini, cartere i pistoane pentru motoare cu ardere intern i compresoare de aer, armturi i piese industriale rezistente la uzur i coroziune la temperaturi ridicate n prezena gazelor oxidante, corpuri de carburatoare pentru autovehicule etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru fazic Al - Si, prezentat n figura 9.26. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Al i Si; este soluia solid avnd ca solvent aluminiul i ca solut siliciul ( Al(Si)); are structur cristalin de tip CFC i prezint o bun palsticitate; este soluia solid avnd ca solvent siliciul i ca solut aluminiul ( Si(Al)); deoarece solubilitatea aluminiului n siliciu este foarte redus (concentraia masic de Al care se poate dizolva n Si este %Alm = 0,5 %, la t = 577 oC i %Alm 0 % la ta) se poate considera c Si. Aliajele folosite cu precdere n tehnic, datorit proprietilor lor bune de turnare (temperatura de solidificare-topire sczut, fluiditate ridicat etc.), sunt170

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

aliajele eutectice sau uor hipereutectice (cu %Sim = 11...14 % ) a cror structur de echilibru la ta este alctuit din cristale de Si (formate preeutectic) i eutectic (+), aa cum se poate observa pe micrografia din figura 9.27. Aliajele cu o astfel de structur nu au caracteristici mecanice convenabile (Rm = 130...150 N/mm2 i A = 1...2 %) i prezint rezisten sczut la aciunea mediilor corosive. Pentru mbuntirea caracteristicilor mecanice i tehnologice ale acestor aliaje se practic modificarea cu sodiu (care se adaug nainte de turnare, sub form de cloruri sau fluoruri, peste aliajele topite). Prezena sodiului determin micorarea temperaturii eutectice de la 577 oC la 565 oC i deplasarea concentraiei eutectice de la %Sim = 11,7 % la %Sim = 14 %, astfel c structura de echilibru a aliajelor la ta va fi alctuit din cristale de soluie solid (separate preeutectic) i eutectic (+), aa cum se poate observa pe micrografia prezentat n figura 9.28; n acelai timp, modificarea cu sodiu determin formarea unor particule de adsorbie pe suprafeele germenilor cristalini i asigur astfel o structur primar cu granulaie fin, caracterizat prin niveluri ridicate ale rezistenei mecanice i plasticitii (Rm = 200...260 N/mm2 i A = 6...10 %).

Fig. 9.27. Structura de echilibru la ta a siluminului nemodificat (%Sim = 13 %)

Fig. 9.28. Structura de echilibru la ta a siluminului modificat cu Na (%Sim = 13 %)

n tehnic se utilizeaz i aliaje de tip silumin cu coninuturi sczute de Si (%Sim = 5...10 %), aliate suplimentar cu Mg (%Mgm = 0,3...0,8 %), Cu (%Cum = 1...4 %) sau Ni (%Nim = 0,3...3,0 %), care formeaz compui intemetalici cu componentele existente n aceste aliaje (Mg2Si, Al2Cu, Al3Ni) i creaz astfel posibilitatea durificrii structurale prin TT (clire de punere n soluie de la ti = 350...540 oC, urmat de mbtrnire artificial la ti = 150...160 oC, cu m = 3...12 ore) a produselor turnate realizate din astfel de aliaje. Aliajele din aceast categorie folosite de obicei n aplicaii tehnice corespund mrcilor: GAlSi12Mn, GAlSi12CuMgni, GAlSi9Cu3Mg, GAlSi8cu3Ni i GAlSi9Mg.171

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

9.7. Titanul i aliajele pe baz de titanTitanul i aliajele sale constituie materiale deosebit de importante pentru tehnica modern, datorit caracteristicilor mecanice ridicate (mai ales la temperaturi nalte), densitii sczute ( Ti 4500 kg/m3), comportrii foarte bune n prezena mediilor active de lucru i posibilitilor de prelucrare prin deformare plastic i de influenare a proprietilor lor prin aplicarea de tratamente termice. Principalele proprieti fizico-chimice i mecanice i clasele de puritate tehnic ale titanului sunt descrise complet de caracteristicile redate n tabelele 1.2, 9.1, 9.2 i 9.3. Pentru nelegerea corespunztoare a principalelor aspecte referitoare la titan i aliajele acestuia trebuie subliniate urmtoarele aspecte particulare: titanul prezint dou stri alotropice (modificaii): Ti, cu structur cristalin de tip HC, stabil sub temperatura tc = 882 oC i Ti, cu structur cristalin de tip CVC, stabil deasupra temperaturii tc = 882 oC i pn la temperatura ts = 1660 oC; impuritile cu grad major de nocivitate (n afar de cele menionate n tabelul 9.2), care modific valoarea punctului critic tc, mresc rezistena mecanic i micoreaz drastic plasticitatea i tenacitatea titanului fcndu-l inapt pentru prelucrarea prin deformare plastic, sunt impuritile gazoase: oxigenul (a crei concentraie trebuie limitat la 0,2 %, deoarece la depirea acesteia oxigenul ptruns n interstiiile structurii cristaline a titanului produce fragilizarea acestuia), hidrogenul (a crei concentraie trebuie limitat la 0,01 %, deoarece la concentraii mai mari se formeaz o reea intercristalin de hidruri de titan care determin comportarea fragil la rupere a titanului), azotul (a crei concentraie maxim admis este de 0,1 %, deoarece la depirea acesteia azotul dizolvat interstiial n titan produce fragilizarea acestuia) i carbonul (a carei concentraie masic trebuie limitat la 0,06 %, deoarece la concentraii mai mari se formeaz precipitate de carbur de titan care durific i fragilizeaz titanul); titanul foarte pur are Rm = 220...260 N/mm2 i A = 60...70 %, titanul tehnic (cu coninuturile de impuriti sub limitele admisibile precizate anterior) are Rm = 550...650 N/mm2 i A = 20...25 %, iar titanul impurificat peste limitele anterior precizate este extrem de fragil i nu poate fi prelucrat prin deformare plastic; deformarea plastic a titanului se realizeaz la temperaturi situate deasupra punctului critic tc = 882 oC, iar rcirea lent dup deformare conduce la obinerea unei structuri cu cristale poliedrice de Ti , aa cum se poate observa n figura 9.29; rcirea rapid (clirea) de la temperaturi ti > tc determin formarea unei structuri cu cristale aciculare (numit martensit M ), aa cum se observ pe micrografia prezentat n figura 9.30, a crei plasticitate se mbuntete172

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

considerabil dac se aplic un TT de revenire la o temperatur imediat inferioar punctului tc (n aceast stare titanul are Rm 700 N/mm2, A 18 % i Z 40%). Titanul formeaz aliaje cu diverse elemente, n general, aliajele titanului avnd concentraii reduse de elemente de aliere (%EAm 10 %). Elementele care formeaz aliaje cu titanul se pot clasifica aa cum se prezint n continuare. A. Elementele stabilizante sau elementele alfagene (Al, Sn, C, N, O) determin creterea stabilitii Ti i mresc temperatura punctului critic tc, la care se produce transformarea alotropic Ti Ti; Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pe care le formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia prezentat n figura 9.31, semnificaiile fazelor care apar pe aceast diagram fiind: L este soluia lichid a componentelor Ti i EA, soluia solid Ti(EA), soluia solid Ti(EA) i faza intermediar care se poate forma la rcirea aliajelor sistemului prin cristalizare din faza lichid sau prin transformarea peritectic (la t = tp) L + i care se poate descompune prin transformarea peritectoid (la t = tpe) + .

Fig. 9.29. Structura titanului deformat plastic la cald la tDP > tc i rcit lent

Fig. 9.30. Structura titanului deformat plastic la cald la tDP > tc i rcit rapid (clit)

B. Elementele stabilizante sau elementele betagene (Mo, V, Nb) sunt izomorfe cu Ti (au, ca i Ti, structur cristalin de tip CVC), au solubilitate ridicat n Ti i determin creterea stabilitii acestuia, micornd temperatura punctului critic tc. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pe care le formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia prezentat n figura 9.32, semnificaiile fazelor care apar pe aceste diagrame fiind identice celor precizate n cazul diagramei din figura 9.31. n categoria elementelor betagene se ncadreaz i Mn, Fe, Cu, Cr care formeaz cu titanul sisteme de aliaje avnd diagramele de echilibru de tipul celei prezentate n figura 9.33 (foarte asemntoare cu diagrama de echilibru metastabil Fe Fe3C), faza corespunznd unui compus intermetalic TimEAn (Ti2Cu, Ti2Ni etc.); n aceste cazuri faza Ti(EA) ar trebui s se descompun eutectoid173

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

( + ), dar, deoarece transformarea se desfoar foarte lent, la vitezele de rcire uzuale pentru aliajele tehnice nu se poate produce i faza rmne stabil pn la ta.

Fig. 9.31. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate de Ti cu elementele de aliere alfagene (Al, Sn, C, N, O)

Fig. 9.32. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate de Ti cu elementele de aliere betagene (Mo, V, Nb) care nu formeaz compui chimici cu Ti

Fig. 9.33. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate de Ti cu elementele de aliere betagene (Mn, Fe, Cu, Cr) care formeaz cu Ti compui chimici imn

174

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

innd seama de cele prezentate anterior, rezult c aliajele titaniului se pot clasifica n funcie de structura pe care o prezint la ta n: aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele pe baz de Ti avnd ca element de aliere principal aluminiul (%Alm = 5...8 %) i mici adaosuri de alte elemente (alfagene sau betagene): Sn, Mn, Fe, Cr, Mo; cele mai utilizate aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiAl5, TiAl5Sn2,5, TiAl3Mn1,5 i TiAl6Sn2Zr2Mo; aliaje bifazice + , n care se ncadreaz aliajele tehnice care conin att elemente alfagene, ca aluminiul (%Alm = 2...8 %) i Sn (%Snm = 1...2 %), ct i elemente betagene (V, Cr, Mo, etc.); cele mai folosite aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiAl6V4, TiAl6Sn2V6 i TiAl5Sn2Zr4Mo6Cr4; aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele tehnice care conin n concentraii mici de elemente alfagene (%Alm = 2...3 %; %Snm = 1...2 %) i sunt bogat aliate cu elemente betagene (%Crm = 3...10 %; %Vm = 12...14 %; %Mom = 3...13 %); cele mai folosite aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiV13Cr11Al3; TiMo8V8Fe2Al3 i TiV10Fe2Al3. Semifabricatele i produsele realizate din aliaje pe baz de titan se pot supune unor tratamente termice sau termochimice (carburare, nitrurare, etc.) capabile s le modifice structura i s le confere proprietile fizico-mecanice impuse de condiiile lor de utilizare. Cele mai utilizate TT sunt prezentate n continuare. A. Recoacerea de recristalizare fr schimbare de faz, se aplic la produsele realizate din aliaje monofazice i bifazice n scopul refacerii plasticitii dup prelucrrile prin deformare plastic la rece, temperatura ti alegndu-se astfel nct s fie depit temperatura de recristalizare primar (trp = 650...700 oC), dar s nu se produc transformarea , care este nsoit de o cretere important a granulaiei (de obicei, ti = 750...800 oC). B. Recoacerea de detensionare se aplic la produsele din aliaje pe baz de titan n scopul diminurii nivelului tensiunilor reziduale produse de prelucrrile utilizate pentru obinerea acestora; n mod obinuit se realizeaz la ti = 550...600 oC, cu m = 1...4 ore. C. Clirea martensitic, urmat de revenire (mbtrnire), se aplic la produsele realizate din aliaje bifazice n scopul creterii caracteristicilor de rezisten mecanic i meninerii unor niveluri ridicate ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate. Clirea martensitic se realizeaz de la o temperatur ti la care aliajul supus TT are o structur monofazic sau bifazic + ; ca i la oeluri, transformarea fazei n martensit ( M) se realizeaz la rcirea acesteia sub o temperatur Ms (numit punct martensitic superior) i se finalizeaz cnd se atinge o temperatur Mf (numit punct martensitic inferior), Ms i Mf175

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

depinznd de concentraia EA coninute n aliajul din care sunt confecionate produsele supuse tratamentului. Dac aliajele pe baz de titan din care sunt confecionate produsele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru de tipul celei prezentate n figura 9.33, comportarea la clire martensitic se poate analiza pe baza diagramelor redate n figura 9.34; astfel: aliajele avnd %EAm a % capt o structur complet martensitic, M fiind o soluie solid suprasaturat de EA n Ti, cu structur hexagonal deformat (datorit suprasaturrii n EA), cu aspect metalografic acicular i cu duritatea i rezistena mecanic cresctoare odat cu concentraia EA n aceste aliaje; aliajele avnd a % < %EAm < b % capt o structur alctuit din martensit M i faz rezidual; aliajele avnd %EAm b % nu se clesc, meninndu-i la ta structura monofazic .

Fig.9.34. Descrierea comportrii la clire a aliajelor titanului cu elemente betagene care formeaz compui chimici imn

Fig.9.35. Descrierea comportrii la clire a aliajelor titanului cu elemente betagene care nu formeaz compui chimici cu Ti

Dac aliajele pe baz de titan din care sunt confecionate produsele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru de tipul celei prezentate n figura 9.32, comportarea la clire martensitic se poate analiza folosind diagramele din figura 9.35. Dac la temperatura ti de la care se face clirea aliajul supus TT are176

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

structura monofazic , comportarea sa la clire este similar (n funcie de concentraia EA) celei descrise anterior. Dac temperatura ti se alege ns astfel nct structura aliajului s fie bifazic, faza stabil la aceast temperatur are (n conformitate cu regula izotermiei v. scap. 2.5.1) compoziia corespunztoare abscisei punctului B i, aa cum se poate constata pe diagrama din figura 9.35, nu se produce (sau se produce parial) transformarea ei n martensit. La revenirea aliajelor clite se produce transformarea structurilor alctuite din martensit i/sau faz n structuri apropiate de echilibru, alctuite din fazele i , dac aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru (cu transformare eutectoid) de tipul prezentat n figura 9.33, sau din fazele i , dac aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru de tipul celei din figure 9.32. n procesul de revenire faza metastabil se transform mai nti (la temperaturi sub 425 oC) ntr-o faz intermediar , cu fragilitate accentuat, care trece apoi (la temperaturi de revenire ti > 425 oC) n faza stabil . Deoarece fragilitatea conferit de prezena n structur a fazei este inacceptabil, n mod obinuit revenirea aliajelor pe baz de titan clite se face la ti = 450...650 oC > 425 oC, cu durate de meninere m = 2...24 ore. Aliajele pe baz de titan clite i revenite au caracteristici de rezisten mecanic foarte ridicate (Rm = 900...1300 N/mm2, Rp0,2 = 820...970 N/mm2) i prezint n acelai timp i bune caracteristici de plasticitate i tenacitate (A = 10...15 %, Z = 20...25 %, KV = 30...35 J). D. Tratamentele termochimice se aplic la produsele confecionate din aliaje pe baz de titan n scopul creterii rezistenei la uzare a acestora. De obicei se utilizeaz tratamentul termochimic de nitrurare (la ti = 850...950 oC, cu m = 30...60 ore, n atmosfer de azot), care conduce la obinerea unor straturi superficiale bogate n azot (n structura crora apare nitrura de titan TiN), cu grosimea x = 0,05...0,15 mm i duritatea 750...900 HV.

9.8. Alte metale i aliaje neferoasen tehnic se utilizeaz, pe lng clasele de metale i aliaje neferoase anterior prezentate i alte metale i aliaje neferose. n continuare sunt tratate succint cteva clase de metale i aliaje neferoase cu proprieti speciale.

9.8.1. Aliajele antifriciuneAliajele destinate realizrii cuzineilor lagrelor de alunecare utilizate ca organe de rezemare a arborilor mainilor i utilajelor trebuie s prezinte o rezisten mare la uzare att n condiiile normale de ungere, ct i n situaiile177

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

(accidentale) cnd ungerea este insuficient sau chiar absent; deoarece procesele de uzare a cuzineilor se produc datorit frecrii cu zonele de rezemare ale arborilor (numite fusuri), rezult c aliajele pentru cuzinei trebuie s aib proprieti antifriciune, adic s asigure valori ct mai sczute ale coeficienilor de frecare de alunecare la contactele fus cuzinet. Aliajele cu bune proprieti antifriciune trebuie s aib o structur eterogen, care s conin att faze moi(cu duritate sczut i plasticitate ridicat), capabile s asigure conformarea (acomodarea) cuzineilor dup configuraia geometric a fusurilor arborilor, ct i faze dure sau semidure, capabile s preia solicitrile mecanice la care sunt supui arborii pe care i susin; n plus, aceste aliaje trebuie s aib capacitatea de a forma pe suprafeele active ale cuzineilor reele de canale capilare, care s nmagazineze substanele de ungere (lubrifianii) i s poat disipa cu uurin cldura produs datorit frecrii, pentru a asigura regimuri termice staionare de funcionare a lagrelor. Aliajele antifriciune utilizate n tehnic se pot mpri, n funcie de mrimea temperaturii lor ts, n clasele i categoriile prezentate n continuare. 9.8.1.1. Aliajele antifriciune cu ts joas reprezint o clas de materiale ale crei categorii reprezentative sunt: aliajele pe baz de staniu cu stibiu (%Sbm = 10...12 %) i cupru (%Cum = 5...6 %), denumite compoziii pe baz de Sn sau aliaje Babbit; au, aa cum se poate observa n figura 9.36, structura alctuit dintr-o matrice moale de soluie solid Sn(Sb, Cu) i formaiuni dure, uniform distribuite n masa matricei , de compui intermetalici SnSb (sub form de cristale poliedrice mari) i Cu3Sn (sub form de cristale aciculare fine) i se utilizeaz pentru cuzineii lagrelor de la turbocompresoare, electromotoare, motoare Diesel etc., caracterizate prin ncrcri mecanice reduse i turaii mari ale arborilor;

Fig.9.36. Structura la ta a unei compoziii pe baz de staniu

Fig.9.37. Structura la ta a unei compoziii pe baz de plumb

aliajele pe baz de staniu i plumb (%Snm = 10...15 %; %Pbm = 70...75 %) cu stibiu (%Sbm = 10...12 %) i cupru (%Cum = 2...3 %), denumite compoziii pe baz de Sn i Pb sau aliaje Babbit cu Sn i Pb; au structura alctuit dintr-o178

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

mas semidur de eutectic ternar (Sn + SnSb + Pb), n care sunt nglobate particule dure de compui intermetalici SnSb i Cu3Sn, sunt mai ieftine dect compoziiile pe baz de Sn (deoarece staniul este nlocuit parial cu plumb) i se pot folosi la realizarea cuzineilor pentru lagre cu ncrcri mecanice ridicate (de exemplu, lagrele de la locomotive); aliajele pe baz de plumb cu calciu (%Cam = 0,5...2,0 %) i mici adaosuri de Na, Mg i Al, denumite compoziii pe baz de Pb sau aliaje Bahnmetall; au, aa cum se prezint n figura 9.37, structura alctuit dintr-o matrice moale de plumb (uor durificat prin dizolvarea adaosurilor de Na, Mg i Al) i formaiuni cristaline dure de compus definit Pb3Ca i se utilizeaz la realizarea cuzineilor lagrelor cu ncrcri mecanice ridicate i cu turaii relativ reduse ale arborilor (de exemplu, cuzineii lagrelor pentru locomotive i vagoane de marf). 9.8.1.2. Aliajele antifriciune cu ts moderat reprezint o clas de materiale ale crei categorii reprezentative sunt: aliajele pe baz de zinc cu aluminiu (%Alm = 8...10 %), cupru (%Cum = 4...5 %) i magneziu (%Mgm = 0,5...1,0 %); au structura alctuit din cristale de soluie solid Zn(Al) i amestecuri eutectice (binare sau ternare) ce conin fazele bertholide dure formate de zinc cu elementele de aliere i se utilizeaz la confecionarea cuzineilor pentru lagrele cu funcionare intermitent, turaii mici i solicitri mecanice ridicate (cum sunt, de exemplu, cuzineii lagrelor de la macarale i poduri rulante); aliajele pe baz de aluminiu cu staniu (%Snm = 19...24 %) i cupru (%Cum = 0,8...1,2 %) sau cu staniu (%Snm = 6...8 %), cupru (%Cum = 0,8...1,2 %) i nichel (%Nim = 0,3...1,2 %) sau cu cupru (%Cum = 1,0...1,3 %) i plumb (%Pbm = 1...3 %); au structura alctuit dintr-o matrice moale de soluie solid Al(EA), n care sunt nglobate particule dure de compui intermetalici (CuAl2,NiAl3 etc.) i se folosesc la realizarea cuzineilor pentru lagrele care funcioneaz cu ncrcri mecanice moderate i turaii medii ale arborilor. 9.8.1.3. Aliajele antifriciune cu ts ridicat reprezint o clas de materiale destinat confecionrii cuzineilor lagrelor de alunecare cu ncrcri mecanice mari i turaii moderate sau reduse ale arborilor; principale categorii de aliaje ale acestei clase au fost prezentate anterior (v. scap. 9.5.3): bronzurile bifazice cu staniu (bronzurile hipoeutectoide), bronzurile cu aluminiu, bronzurile cu siliciu i nichel, bronzurile cu siliciu i plumb, bronzurile cu beriliu i bronzurile cu plumb. n afar de bronzuri, n aceast clas sunt incluse i fontele antifriciune, care sunt fonte (cenuii, maleabile sau nodulare) cu grafit n structur, aliate cu elemente (Cr, Ni, Cu, Ti, Si) care s confere duritatea dorit masei lor structurale de baz i cu adaosuri de P i Pb, care le mbuntesc comportarea la uzare.179

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

9.8.2. Aliajele pentru lipireLipirea este o metod tehnologic de realizare pe cale metalurgic a unor mbinri nedemontabile eterogene, numite lipituri (LIP), ntre piesele metalice, folosind materiale de adaos (MA) cu temperatura de topire solidificare ts,MA inferioar temperaturii de topire solidificare ts,MB a materialului de baz (MB), din care sunt confecionate piesele ce se mbin; n funcie de ts,MA a MA folosit i de rezistena mbinrilor realizate, lipirea poate fi: lipire moale, dac ts,MA 450 oC sau lipire tare (brazare), dac ts,MA > 450 oC, aceast clasificare convenional avnd la baz constatarea (facut experimental) c rezistena mecanic a LIP realizat ntre dou piese confecionate dintr-un anumit MB este cu att mai mare cu ct MA folosit are ts,MA mai nalt. Principiul de lucru la lipire este simplu: MA se topete cu ajutorul unei surse termice i se introduce n interstiiul (rostul) dintre piesele care trebuie mbinate; evident, deoarece ts,MA < ts,MB, MB rmne n stare solid; MA topit umecteaz suprafeele rostului i se stabilete un contact nemijlocit ntre MA i MB (o parte din atomii MA ajung n cmpul de atracie al atomilor MB aflai pe suprafeele rostului), iar dac ts,MA este mare (la lipirea tare), au loc i procese de difuzie reciproc ntre MA (n stare lichid) i MB (n stare solid); desfurarea proceselor de umectare difuzie este esenial, deoarece asigur realizarea legturilor coezionale ntre MA i MB; prin solidificarea MA se obine LIP, caracterizat prin: eterogenitate (deoarece MA este diferit de MB), continuitate metalic (datorit legturilor coezionale asigurate ntre MA i MB) i rezisten mecanic mai mic dect a MB (deoarece ts,MA < ts,MB). Analiznd principiul de lucru expus, rezult c, pentru realizarea unei LIP de bun calitate, trebuie respectate urmtoarele condiii: suprafeele rostului dintre piesele de lipit trebuie s fie curite perfect, pentru a fi asigurate condiiile de desfurrii proceselor de realizare a contactului nemijlocit ntre MA i MB; ndeplinirea acestei condiii impune curirea (mecanic sau chimic) atent a suprafeelor pieselor nainte de lipire i/sau folosirea la lipire a unor fluxuri (sub form de pudr, past, nveli pe vergelele din MA, topitur etc.) care s realizeze ndeprtarea oxizilor i aerului adsorbit de pe suprafeele rostului; MA n stare topit trebuie s aib fluiditate suficient (pentru a ptrunde uor n rostul dintre piesele de lipit), trebuie s prezinte o bun capacitate de umectare a MB i (n cazul lipirii tari) trebuie s fie compatibil cu MB din punctul180

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

de vedere al desfurrii (n condiiile termice de realizare a lipirii) unor procese ct mai intense de difuzie reciproc, fr apariia de faze (soluii solide, compui chimici) fragile; ndeplinirea unora dintre aceste condiii poate fi asigurat (n cazul multor MA) folosind la lipire fluxuri adecvate (pentru micorarea tensiunii superficiale a MA i creterea capacitii sale de umectare a MB). Aliajele pentru lipire utilizate n tehnic se pot mpri n clasele i tipurile prezentate n continuare. 9.8.2.1. Aliajele pentru lipire moale au ca tipuri reprezentative: aliajele Sn Pb (%Pbm = 10...98 %) i Sn Pb Sb (%Pbm = 40...90 %; %Sbm = 0,3...2,4 %) au ts,MA = 190 ...270 oC i se folosesc la lipirea pieselor din oeluri, cupru, alame etc., nesupuse (n timpul utilizrii) la solicitri mecanice importante (tinichigerie ordinar, manoane pentru cabluri, conductori electrici, radiatoare auto, circuite imprimate, aparate sanitare, cutii de conserve etc.); aliajele Sn Ag (%Agm = 4...5 %), aliajele Sn Pb Ag (%Pbm = 35...36 %; %Agm = 1,8...2,0 %), aliajele Pb Ag (%Agm = 3...4 %) i aliajele Pb Sn Ag (%Snm = 1,5...2,0 %; %Agm = 1,2...1,8 %) au ts,MA = 230 ...300 oC i se folosesc la lipirea pieselor pentru electrotehnic (ce trebuie s aib conductibilitate electric ridicat) din cupru, argint, alame etc.; aliajele Cd Zn (%Znm = 35...40 %), aliajele Cd Zn Pb (%Znm = 28...30 %; %Pbm = 10...11 %), aliajele Cd Zn Ag (%Znm = 15...17 %; %Agm = 2,8...3,2 %), aliajele Zn Cd (%Cdm = 24...25%) i aliajele Zn Al (%Alm = 4...6 %) au ts,MA = 200 ...400 oC i se folosesc la lipirea pieselor rezistente la coroziune din aluminiu, aliaje pe baz de aluminiu etc. Principalele fluxuri care se folosesc cu aceste aliaje sunt: colofoniul (flux de natur organic), acidul clorhidric, clorura de zinc i clorura de amoniu (fluxuri de natur anorganic). 9.8.2.2. Aliajele pentru lipire tare au ca tipuri reprezentative: aliajele Cu Zn (alamele speciale cu %Znm = 58...62 %; %Snm = 0,8...1,2 % i %Sim = 0,8...1,2 %) au ts,MA 900 oC i se folosesc pentru lipirea pieselor din cupru, bronzuri, fonte, alame, nichel, aliaje de tip monel etc.; aliajele Cu P (%Pm = 5...7 %) i aliajele Cu Ag P (%Agm = 5...15 %; %Pm = 5...7 %) au ts,MA = 700 ...900 oC i se utilizeaz la lipirea pieselor din cupru i aliaje pe baz de cupru, nefiind recomandate (datorit coninutului ridicat de fosfor) la lipirea pieselor din oeluri, nichel i aliaje pe baz de nichel; aliajele Cu Ag Zn (%Agm = 20...40 %; %Znm = 25...30 %) i aliajele Cu Ag Zn Cd (%Agm = 40...50 %; %Znm = 10...20 %; %Cdm = 17...20 %) au ts,MA = 700 ...800 oC i se utilizeaz la lipirea pieselor din cupru i aliaje pe baz de cupru, a conductelor de presiune din oeluri inoxidabile i a produselor realizate din metale preioase sau aliaje ale acestora (cele cu coninut ridicat de argint i adaosuri de cadmiu, care mresc plasticitatea LIP);181

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

aliajele Ni Cr (%Crm = 10...30 %) i aliajele Ni Cr Si (%Crm = 18...20 %; %Sim = 8...10 %) au ts,MA = 1000...1100 oC i sunt recomandate la lipirea pieselor din metale greu fuzibile sau din aliaje refractare. Fluxurile care se folosesc cu aceste aliaje au drept component de baz boraxul, iar ca adaosuri (pentru mrirea fluiditii i creterea capacitii de decapare) acidul boric, clorura de zinc i fluorurile alcaline.

9.8.3. Aliajele superplasticeSuperplasticitatea este proprietatea unor aliaje de a se deforma plastic cu grade mari de deformare, fr apariia riscului de fisurare sau rupere datorit apariiei fenomenului de gtuire (v. scap.3.4). Gradul de deformare al aliajelor superplastice (definit de relaia (3.9)) atinge valori GD = 400...5000 %. Cercetrile teoretice i experimentale efectuate pn n prezent au evideniat condiiile i aspectele prezentate n continuare privind deformarea superplastic a materialelor metalice. A. Materialele metalice trebuie s prezinte o structur cu granulaie fin i stabil (dimensiunile grunilor cristalelor care alctuiesc structura trebuie s fie mai mici ca 10 m) i s fie supuse deformrii plastice la o temperatur Tdp 0,5Ts, la care se manifest cu intensitate ridicat procesele de difuzie ale atomilor componentelor materialelor. Pentru materiale metalice cu structur monofazic (metal pur sau soluie solid) cele dou condiii sunt contradictorii i incompatibile, deoarece, aa cum este cunoscut (v. scap. 3.5 i 6.2.2), ridicarea temperaturii peste temperatura de recristalizare Trp 0,4Ts conduce la aparitia fenomenului de cretere a granulaiei. n consecin, materialele metalice apte a fi deformate superplastic sunt aliajele cu structur bifazic, fie eutectice sau eutectoide (la care creterea granulaiei este limitat de interaciunea fazelor care alctuiesc amestecurile mecanice), fie alctuite dintr-o matrice structural de baz i o faz secundar (cu un coninut procentual suficient de mare, cu granulaia de acelai ordin de marime ca i a matricei i distribuit astfel nct s blocheze creterea granulaiei matricei); principalele aliaje superplastice cunoscute i utilizate pn n prezent, prezentate n tabelul 9.12 corespund n totalitate acestei condiii privind structura. B. Viteza de deformare (viteza de cretere a deformaiilor specifice n materialele supuse deformrii) trebuie s fie foarte mic (104...102 s1), ceea ce corespunde unor procese foarte lente de deformare plastic. C. Mecanismul de producere a procesului de deformare superplastic este redat schematic n figura 9.37 i prezinta urmtoarele particulariti: * procesul este bazat pe producerea unor secvene multiple de alunecare182

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

ntre grunii cristalini ai materialului supus deformrii, cu asigurarea permanent a contactului dintre acetia prin contribuia unor fenomene de acomodare, constnd (aa cum se observ n figura 9.38) din modificarea poziiei grunilor prin deplasare liniar i rotire, deplasarea dislocaiilor prin alunecare i crare, generarea de noi dislocaii etc., n desfurarea crora dufuzia componentelor materialului supus deformrii joac un rol important;Tabelul 9.12. Compoziia chimic i caracteristicile principalelor tipuri de aliaje superplastice

Tipul aliajuluiAl Cu Al Cu Zr Al Zn Mg Zr Bi Sn Cu Al Fe Mg Al Mg Zn Zr Pb Cd Sn Pb Ti Al V Zn Al

Compoziia chimic%Cum=33 % %Cum=6 %; %Zrm=0,5 % %Znm=10,7 %; %Mgm=0,9 %; %Zrm=0,4 % %Snm=44 % %Cum=9,5 %; %Fem=4 % %Alm=33 % %Znm=6 %; %Zrm=0,6 % %Cdm=18 % %Pbm=38 % %Alm=6 %; %Vm=4 % %Alm=22 %

Caracteristicile structuralealiaj eutectic v. fig. 9.21 Al(Cu) + faz secundar (ZrAl3) Al(Zn, Mg) + faz secundar (ZrAl3) aliaj eutectic Cu(Al) + faze secundare aliaj eutectic Mg(Zn) + faze secundare eutectic eutectic + v. scap. 9.7 eutectoid

GDmax la deformarea superplastic la traciune, % 1300 2000 1500 1900 800 2100 1700 1500 4800 1000 2900

Fig. 9.38. Schema realizrii proceslor de deformare superplastic a aliajelor 183

Fig 9.39. Ciclul histerezis al transformrilor in aliajele cu memoria formei

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

* alunecrile ntre grunii cristalini la producerea deformrii superplastice i fenomenele de acomodare care le nsoesc se realizeaz (aa cum se observ n figura 9.38) pe grupe de gruni adiaceni, n procesul de deformare neproducndu-se modificarea formei grunilor prin alungirea lor n direcia deformrii (deoarece orice cristal care a suferit ntr-o prim secven o alungire pe o anumit direcie, sufer n secvenele urmtoare deplasri liniare si rotiri care i modific poziia, procesele ulterioare de deformare i produc alungiri pe alte directii i, n final, se constat c toate cristalele i menin forma echiaxial avut nainte de deformare). D. Dac procesul de deformare superplastic a unui material metalic se conduce pn la depirea capacitii lui de deformare, ruperea nu este precedat de apariia unei gtuiri locale, ci de formarea de microgoluri intercristaline, motiv pentru care este denumit rupere prin cavitaie. Aliajele superplastice au mari perspective de utilizare la realizarea unor produse industriale (piese pentru construcia de maini, funduri, corpuri de recipiente, bare profile, srme, etc.) prin deformare plastic (curbare, ambutisare, extrudere, laminare, tragere, trefilare etc.) la cald cu grade mari de deformare i consumuri energetice reduse.

9.8.4. Aliajele cu memoria formeiFenomenul de memorie a formei s-a constatat experimental la aliajele care prezint transformri martensitice de tip special, caracterizate de o serie de particulariti, diferite de cele prezentate pentru transformarea martensitic (transformarea la rcire a austenitei prin mecanismul fr difuzie la aliajele Fe C (v. scap. 5.2.2). Considernd c la aceste aliaje (prin analogie cu cazul aliajelor sistemului Fe C) faza care se transform n martensit (M) la rcirea cu vitez mare este denumit austenit (), aceste particulariti pot fi descrise succint astfel: transformarea este reversibil, adic transformarea M ncepe la rcirea rapid a austenitei sub o temperatur Ms i se finalizeaz la o temperatur Mf < Ms, iar la nclzirea martensitei se produce transformarea invers M , ntr-un interval de temperaturi (As,Af), bucla de histerezis al transformrii, prezentat n figura 9. 39, avnd o lime tHIS relativ redus; prin rcirea rapid a austenitei sub Ms se formeaz o martensit termoelastic, adic la apariia cristalelor platiforme de martensit nu se produce deformarea plastic , ci numai deformarea elastic a austenitei netransformate din vecintatea acestor cristale (deformaiile structurii cristaline a austenitei, impuse de desfurarea transformrii, sunt reduse);184

Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

structura cristalin a martensitei se caracterizeaz printr-o distribuie ordonat a atomilor componentelor aliajului, singurele imperfeciuni prezente n aceast structur fiind maclele (v. scap. 1.5.3) i nu dislocaiile (care creaz posibilitatea distrugerii distribuiei ordonate a atomilor prin procese de deformare plastic realizate cu deplasarea lor prin alunecare). La piesele realizate din aliaje care prezint transformri martensitice caracterizate prin aceste particulariti, fenomenul de memorie a formei se poate evidenia efectund urmtoarele operaii: rcirea rapid a pieselor din domeniul austenitic, pentru realizarea transformrii martensitice M; deformarea plastic a pieselor cu structur de martensit termoelastic; deformarea plastic nu se poate realiza prin mecanismul clasic de alunecare (v. scap. 3.3), deoarece structura martensitei termoelastice este lipsit de dislocaii i se produce printr-un mecanism ce const din demaclarea maclelor prezente n structura martensitei; nclzirea pieselor deformate plastic, pentru producerea transformrii M ; n timpul desfurrii acestei transformri tensiunile reziduale generate n procesul de deformare plastic bazat pe mecanismul de demaclare acioneaz i produc deformarea n sens invers, refacerea maclelor i restabilirea n acest fel a formei iniiale a pieselor (pe care au avut-o nainte de deformarea lor plastic n stare martensitic). Principalele aliaje la care s-a evideniat fenomenul de memorie a formei (numite aliaje Marmem) sunt prezentate n tabelul 9.13.Tabelul 9.13. Compoziia chimic i caracteristicile principalelor tipuri de aliaje marmem

Tipul aliajului Cu Al Ni Au Cd Ag Cd Ni Ti Au Cu Zn Cu Al Ni Al

Compoziia chimic %Alm = 14 %; %Nim = 4 % %Cdat = 47,5 % %Cdat = 44 ... 47 % %Tiat = 50 % %Cum = 20,7 %; %Znm = 20,9 % %Alm = 11 ... 13 % %Alat = 39 ... 41 %

Ms, oC 15 ... 10 30 ... 60 137 ... 44 50 ... 40 240 ...450 240 ... 870

Domeniile n care se pot utiliza astfel de aliaje sunt multiple: asamblarea pieselor pentru mecanic fin, realizarea cuplajelor termocomandate, realizarea antenelor pentru spaiul cosmic, fabricarea pieselor pentru servomecanisme programate, fabricarea mainilor termice neconvenionale, confecionarea de filtre sau proteze pentru medicin. De exemplu, aliajul marmem denumit nitinol (%Niat = 50 %; %Tiat = 50 %) se utilizeaz n prezent la fabricarea filtrelor de prevenire a emboliilor, care se implanteaz n vena cav a bolnavilor, pentru a185

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

mpiedica accesul spre inima acestora al cheagurilor de snge formate datorit maladiilor de care sufer sau datorit interveniilor chirurgicale la care sunt supui; un astfel de filtru, de forma unei spirale realizate din srm de nitinol, se aduce prin rcire n stare martensitic, se supune ndreptrii n aceast stare (pentru a cpta o form convenabil implantrii n vena cav), iar dup implantare, datorit nclzirii la temperatura corpului uman, sufer transformarea invers, recptnd structura austenitic i forma spiral care i asigur funcionarea ca filtru.

Cuvinte cheieacomodare .................................................54 alame ......................................................... 18 alame bifazice............................................20 alame complexe (speciale) ........................20 alame de turnare ........................................20 alame monofazice , ...............................20 alame monofazice ..................................19 aliaje Al Cu pentru turnare ....................37 aliaje Al - Zn ............................................41 aliaje Al Mg pentru turnare .....................40 aliaje Al Mg..........................................39 aliaje Al Cu, ...........................................34 aliaje antifriciune......................................49 aliaje Cu Ni..............................................23 aliaje cu memoria formei (Marmem) ........56 aliaje pentru lipire .....................................52 aliajele titanului monofazice bifazice.............................46 Alpaca (Neusilber, Argentan)....................24 aluminiu tehnic..........................................33 bronz .........................................................24 bronzuri cu aluminiu .................................27 bronzuri cu beriliu .....................................31 bronzuri cu plumb .....................................32 bronzuri cu siliciu.......................................30 bronzuri cu staniu......................................24 bronzuri hipoeutectoide (bifazice).............26 bronzuri monofazice ..............................26 clire de punere n solutie............................9 compoziii pe baz de Pb (Bahnmetall).....50 compoziii pe baz de Sn (Babbit) ............50 compoziii pe baz de Sn i Pb ..................50 constantan..................................................24 cupru tehnic ...............................................17 curbe de mbtrnire ..................................12 duraluminiu ...............................................36 elemente alfagene ......................................44 elemente betagene .....................................44 flux ............................................................52 mbtrnire artificial ................................10 mbtrnire natural...................................10 Kunial ........................................................24 lipire moale, tare (brazare) .............................51 magnaliu (alumag).....................................39 martensit termoelastic ............................56 Melchior (Maillechort) ..............................24 modificare tipul I, tipul II, tipul III ...........................6 Monel ........................................................24 Nitinol........................................................57 precipitate ...............................................10 rupere prin cavitaie...................................56 silumin.......................................................41 simbolizare alfanumeric...........................13 simbolizare numeric.................................12 stri de baz ...............................................15 superplasticitate .........................................53 titan............................................................43 titlu fictiv ...................................................20 tombac .......................................................19 zone GP (Guinier - Preston .......................10

186

Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

Bibliografie1. Colan H. .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983 2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II., Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981 3. Lakhtine I., Mtallographie et traitements thermiques des mtaux, Moscova, Mir, 1978 4. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983 5. Schumann H., Metalurgie fizic, Traducere din limba german, Editura Tehnic, Bucureti, 1962 6. Gdea S., Protopopescu M., Aliaje neferoase, Editura Tehnic, Bucureti, 1965 7. Smithells C., Metals. Reference book, vol. I, Butterworths Publications Ltd. & Interscience Publishers Inc., London & New York, 1955 8. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers, Macmillan Publishing Company, New York, 1991 9. * * * Metals Handbook Ninth Edition, vol.9, American Society for Metals, Ohio, 1986

Teste de autoevaluareT.9.1. Care dintre afirmaiile urmtoare privind efectele modificrii aliajelor neferoase sunt adevrate: a) modificarea de tipul I are ca efect principal micorarea dimensiunilor cristalelor dendritice primare ale aliajelor; b) modificarea de tipul III determin amplasarea intercristalin a eutecticelor care se formeaz la solidificarea aliajelor; c) modificarea de tipul II determin accentuarea ramificrii i subierea ramurilor cristalelor dendritice primare i influeneaz favorabil distribuia fazelor secundare la aliajele n structura crora precipit particule ale unor astfel de faze; d) modificarea de tipul III are ca efect finisarea granulaiei si creterea gradului de dispersie a fazelor componente ale eutecticelor care se formeaz la solidificarea aliajelor. T.9.2. n ce scop se aplic TT de recoacere de recristalizare fr schimbare de faz la semifabricatele i piesele din aliaje neferoase: a) pentru omogenizarea chimic a structurilor dendritrice primare; b) pentru refacerea187

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

plasticitii dup ecruisarea prin deformare plastic la rece; c) pentru diminuarea intensitii i redistribuirea tensiunilor mecanice reziduale; d) pentru obinerea strii de echilibru structural? T.9.3. Ce structur rezult prin aplicarea clirii de punere n soluie la o pies din aliaj neferos: a) o structur martensitic; b) o structur bifazic alctuit dintr-o soluie solid i un compus intermetalic; c) o structur alctuit dintr-o soluie solid i un amestec mecanic; d) o structur monofazic alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n elemente de aliere? T.9.4. Procesul de supranclzire de scurt durat a aliajelor neferoase mbtrnite pentru reconstituirea strii structurale pe care aliajele au avut-o dup clirea de punere n soluie este denumit: a) reversiune; b) revenire; c) recoacere izoterm; d) normalizare? T.9.5. Semifabrcatele realizate dintr-un aliaj pe baz de aluminiu sunt prelucrate prin deformare plastic la cald, sunt rcite rapid la ta i sunt apoi supuse unei mbtrniri artificiale; care este simbolul strii de baz a produselor obinute n acest fel: a) F; b) T4; c) T5; d) TE? T.9.6. Semifabrcatele realizate dintr-un aliaj pe baz de cupru sunt prelucrate prin deformare plastic la cald, sunt rcite rapid la ta, sunt apoi ecruisate prin deformare plastic la rece i, n final, sunt supuse unui tratament de mbtrnire artificial; care este simbolul strii de baz a produselor obinute in acest fel: a) M; b) TK; c) T8; d) TG? T.9.7. Produsele realizate dintr-un aliaj pe baz de aluminiu sunt livrate n starea T6; cum s-a realizat aceast stare: a) prin clire de punere n soluie, mbtrnire artificial i deformare plastic la rece; b) prin clire de punere n soluie i deformare palstic la rece; c) prin prelucrare la cald, rcire rapid la ta i mbtrnire artificial; d) prin clire de punere n soluie i mbtrnire artificial? T.9.8. Produsele realizate dintr-un aliaj pe baz de cupru sunt livrate n starea TD; cum s-a realizat aceast stare: a) prin clire de punere n soluie, mbtrnire artificial i deformare plastic la rece; b) prin clire de punere n soluie, deformare plastic la rece i mbtrnire natural; c) prin prelucrare la cald, rcire rapid la ta i mbtrnire artificial; d) prin clire de punere n soluie i mbtrnire artificial? T.9.9. Care dintre urmtoarele impuriti prezente n cuprul tehnic determin apariia fenomenului numit boala de hidrogen: a) plumbul; b) bismutul; c) oxigenul; d) sulful? T.9.10. Care dintre urmtoarele aliaje pe baz de cupru au ca element de aliere principal zincul: a) bronzurile; b) aliaje Kunial; c) aliaje Alpaca; d) alamele? T.9.11. Care dintre urmtoarele tipuri de alame se pot prelucra prin deformare plastic: a) alamele monofazice ; b) alamele bifazice; c) alamele monofazice ; d) tombacurile?188

Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

T.9.12. Care dintre urmtoarele elemente de aliere determin micorarea coninutului procentual de faz al structurii alamelor speciale: a) aluminiul; b) staniul; c) nichelul; d) siliciul? T.9.13. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund alamei CuZn30: a) este o alam monofazic ; b) este o alam binar deformabil; c) este o alam special deformabil; d) este o alam pentru turnare? T.9.14. Care dintre urmtoarele tipuri de aliaje Cu i prezint la ta o structur monofazoc: a) aliajele Kunial; b) aliajele Melchior; c) aliajele Konstantan; d) aliajele Monel? T.9.15. Care este semnificaia fazei , prezent n structura bronzurilor cu staniu pentru turnare: a) soluie solid Cu(Sn); b) faz bertholid Cu5Sn; c) compus intermetalic Cu3Sn; d) faz bertholoid Cu31Sn8? T.9.16. Care este structura la ta a semifabricatelor i pieselor turnate realizate din bronzul G CuAl10Mn: a) structur monofazic Cu(Al); b) structur alctuit din fazele CuAl i 2 (faz bertholid corespunztoare compusului Cu32Al10); c) structur alctuit din constituenii (preeutectoid) i eutectoid (+2); d) structur monofazic 2? T.9.17. Care este structura de echilibru la ta a bronzurilor cu beriliu folosite n tehnic: a) structur monofazic Cu(Be); b) structur monofazic (faz bertholid pe baza compusului CuBe; c) structur bifazic, alctuit din i ; d) structur alctuit din constituieni a (preeutectoid) i eutectoidul (+)? T.9.18. Care stare de baz asigur produselor realizate din bronzuri cu beriliu cele mai ridicate caracteristici de rezisten mecanic i duritate: a) starea TA; b) starea TH; c) starea TC; d) starea T6? T.9.19. Care dintre urmtoarele categorii de aliaje industriale Al Cu se pot supune durificrii structurale prin clire de punere n soluie i mbtrnire natural sau artificial: a) aliajele deformabile, avnd %Cum = 2...5 %; b) aliajele de turnare cu %Cum 5,7 %; c) aliajele de turnare cu %Cum < 5,7 %; d) toate categoriile de aliaje industriale? T.9.20. La care dintre urmtoarele mrci de aliaje Al Mg se poate aplica durificarea structural prin clire de punere n soluie i mbtrnire: a) AlMg1; b) AlMg3; c) AlMg7; d) Al Mg9MnSi? T.9.21. Care dintre urmtoarele categorii de produse realizate din aliajele industriale Al Mg se livreaz de obicei n starea H: a) produsele din aliajul AlMg1; b) produsele fabricate din aliajul G AlMg5; c) produsele realizate din aliajul AlMg7; d) produsele realizate din aliajul AlMg2? T.9.22. Care dintre urmtoarele aliaje are densitatea mai sczut: a) CuAl10Fe3; b) AlCu4MgMn; c) AlMg5; d) AlMg7? T.9.23. Care dintre urmtoarele aliaje este cunoscut sub denumirea de189

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

zincral sau alzimac: a) aliajul G CuZn40PbSn; b) aliajul AlZn6Mg2,5Cu1,5; c) aliajul CuZn39Ni3; d) aliajul G AlMg9MnSiTi? T.9.24. Care este structura de echilibru la ta a unui silumin industrial cu %Sim = 12,5 %, nemodificat la elaborare: a) o structur bifazic alctuit din soluie solid Al(Si) i soluie solid Si(Al); b) o structur alctuit din constituienii (preeutectoid) i eutectoidul (+); c) o structur alctuit din constituienii (preeutectic) i eutecticul (+); d) o structur monofazic ? T.9.25. Care este structura de echilibru la ta a unui silumin industrial cu %Sim = 12,5%, modificat cu sodiu la elaborare: a) o structur bifazic alctuit din soluie solid Al(Si) i soluie solid Si(Al); b) o structur alctuit din constituienii (preeutectoid) i eutectoidul (+); c) o structur alctuit din constituienii (preeutectic) i eutecticul (+); d) o structur monofazic ? T.9.26. Care dintre urmtoarele afirmaii privind titanul sunt adevrate: a) titanul prezint dou modificaii: Ti cu structur cristalin HC i Ti cu structur cristalin CVC; b) titanul prezint dou modificaii: Ti cu structur cristalin CVC i Ti cu structur cristalin HC; c) impuritile care reduc plasticitatea titanului i l fac inapt pentru prelucrri prin deformare plastic sunt oxigenul, hidrogenul, azotul i carbonul; d) deformarea plastic a titanului se face de obicei la rece, n starea Ti? T.9.27. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale aliajelor industriale pe baz de titan sunt stabilizante (alfagene): a) aluminiul; b) staniul; c) molibdenul; d) vanadiul? T.9.28. Care dintre urmtoarele elemente de aliere este prezent n toate aliajele industriale pe baz de titan: a) fierul; b) cuprul; c) molibdenul; d) aluminiul? T.9.29. Ce tratament termochimic se poate aplica pentru durificarea superficial a produselor realizate din aliaje pe baz de titan: a) carburarea; b) nitrurarea; c) carbonitrurarea; d) silicizarea? T.9.30. La care dintre urmtoarele mrci de aliaje pe baz de titan se poate realiza creterea rezistenei mecanice prin aplicarea TT de clire martensitic i revenire: a) TiAl6V4; b) TiAl5Sn2,5; c) TiAl6SnV6; d) TiV13Cr11Al3? T.9.31. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund aliajelor antifriciune folosite la confecionarea cuzineilor pentru lagrele de alunecare: a) structura lor conine faze cu duritate sczut i plasticitate ridicat, care asigur conformarea cuzineilor cu zonele de rezemare ale arborilor pe care i susin; b) structura lor conine faze dure sau semidure, care asigur conformarea cuzineilor cu zonele de rezemare ale arborilor pe care i susin; c) au capacitatea de a disipa cldura produs datorit frecrilor din lagrele de alunecare; d) sunt mai dure dect materialele folosite la realizarea arborilor care se reazem pe cuzinei?190

Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

T.9.32. Care dintre urmtoarele clase de aliaje se folosesc ca materiale antifriciune cu ts ridicat: a) oelurile carbon eutectoide; b) fontele cenuii feritoperlitice; c) fontele albe; d) bronzurile hipoeutectoide? T.9.33. Care dintre urmtoarele clase de aliaje se folosesc ca materiale antifriciune cu ts joas: a) aliajele Sn Sb Cu; b) aliajele Pb Sn Sb Cu; c) bronzurile cu Pb; d) aliajele Bahnmetall? T.9.34. Care pot fi fazele dure din structurile aliajelor antifriciune de tip Babbit: a) compusul intermetalic SnSb; b) compusul intermetalic Cu3Sn; c) soluia solid Sn(Sb,Cu); d) cristalele de Pb? T.9.35. Care dintre urmtoarele caracteristici trebuie asigurate de aliajele de lipit: a) s prezinte o bun fluiditate n stare topit; b) s fie compatibile cu MB (materialul din care sunt confecionate piesele care trebuie mbinate prin lipire); c) s fie dure i fragile; d) s aib temperatura ts mai mare dect cea corespunztoare MB? T.9.36. Care dintre urmtoarele aliaje de lipit se folosesc pentru lipirea moale: a) SnPb10; b) SnAg5; c) CuZn20; d) SnPb37Ag? T.9.37. Care dintre urmtoarele aliaje de lipit se folosesc pentru lipirea tare (brazare): a) CuZn42; b) CuAg10P5; c) SnAg5; d) SnPb10? T.9.38. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund aliajelor neferoase superplastice: a) au structur monofazic; b) au structur bifazic; c) au granulaie foarte fin; d) au granulaie grosolan i sunt sensibile la supranclzire? T.9.39. Structura aliajelor superplastice este alctuit din: a) un amestec mecanic eutectic; b) un amestec mecanic eutectoid; c) o matrice structural de baz i o faz secundar (distribuit astfel nct s poat bloca creterea grunilor matricei); d) un compus intermetalic? T.9.40. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund transformrii martensitice ce se produce la clirea aliajelor marmem: a) transformarea este ireversibil; b) transformarea este reversibil; c) martensita format este termoelastic; d) martensita format conine un numr mare de dislocaii n structur? T.9.41. Care dintre urmtoarele aliaje prezint fenomenul de deformare superplastic: a) aliajul eutectic Al Cu (cu %Cum = 33 %); b) aliajul eutectic Pb Cd (cu %Cdm = 18 %); c) aliajul Au Cd cu %Cdat = 47,5 %; d) aliajul eutectoid Zn Al (cu %Alm = 22 %)? T.9.42. Care dintre urmtoarele aliaje prezint fenomenul de deformare superplastic: a) alama monofazic CuZn20; b) aliajul TiAl6V4; c) aliajul AlCu4; d) aliajul CuSn8? T.9.43. Care dintre urmtoarele aliaje fac parte din categoria aliajelor care prezint fenomenul de memorie a formei: a) aliajul bifazic TiAl6V4; b) aliajul Ni Ti cu %Tiat = 50 %; c) aliajul eutectic Al Cu (cu %Cum = 33 %); d) aliajul Au Cd cu %Cdat = 47,5 %?191

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

AplicaiiA.9.1. S se determine valorile de baz ale concentraiilor masice ale componentelor n fazele bertholide tipice structurilor de echilibru ale bronzurilor 21 cu staniu, tiind c faza are CE = 3 , faza are CE = 13 , iar faza are 2 CE = 7 . 4 Rezolvare Se noteaz %Snm, %Snm i %Snm concentraiile masice ale staniului n cele fazele bertholide , i i %Snat, %Snat i %Snat concentraiile atomice ale staniului n aceste faze. Din tabelele 1.1 i 1.2 rezult c staniul are valena vSn = 4 i masa atomic maSn = 118,7, iar cuprul are valena vCu = 1 i masa atomic maCu = 63,55. Folosind relaiile (2.4) i (2.3), se obine pentru faza : % Snat = % Snm =100(CE

vCu )

v Sn vCu

=

100(

3 1) 2 4 1

= 16,67 % i = 27,2 %.

% Snat maSn % Snat maSn + %Cu at maCu

100 =

16,67 118,7 100 16,67 118,7 + 83,33 63,55

n mod similar, rezult pentru faza : %Snat = 20,51 % i %Snm = 32,5 %, iar pentru faza : %Snat = 25,00 % i %Snm = 38,4 %. A.9.2. S se stabileasc clasele structurale tipice alamelor speciale CuZn32Pb2; CuZn38Pb2Mn2 i CuZn30Al5Fe3Mn2. Rezolvare Pentru ncadrarea n clase structurale a mrcilor de alame speciale precizate n enunul aplicaiei se calculeaz titlul fictiv al acestora, folosind relaia (9.1), cu coeficienii de echivalare n zinc a elementelor de aliere precizai n scap. 9.5.1; pe aceast cale se obin datele prezentate n tabelul 9.14 i rezult: alama special Cu Zn32Pb2 are titlul fictiv %Cume = 66,0 % i aparine aceleiai clase structurale ca i alama binar cu %Znm = 100 %Cume = 34,0 %, fiind o alam monofazic ; alama special Cu Zn38Pb2Mn2 are titlul fictiv %Cume = 58,6 % i aparine aceleiai clase structurale ca i alama binar cu %Znm = 100 %Cume = 41,4 %, fiind o alam bifazic; alama special Cu Zn30Al5Fe3Mn2 are titlul fictiv %Cume = 48,5 % i aparine aceleiai clase structurale ca i alama binar cu %Znm = 100 %Cume = 48,5 %, fiind o alam monofazic .192

Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase Tabelul 9.14. Compoziiile chimice i titlurile fictive pentru trei mrci de alame speciale

Marca de alam %Cum, % %Znm, % %Pbm, % (kePb = 1,0) %Mnm, % (keMn = 0,5) %Alm , % (keAl = 6,0) %Fem, % (keFe = 0,9) %Cume, %

CuZn32Pb2 66 32 2 66,0

CuZn38Pb2Mn2 58 38 2 2 58,6

CuZn30Al5Fe3Mn2 60 30 2 5 2 48,5

A.9.3. Bronzul G CuSn10 are dup turnare rezistena la traciune Rm = 390 N/mm2, limita de curgere Rp0,2 = 120 N/mm2 i duritaea 100 HB, iar bronzul G Cu Sn14 are dup turnare Rm = 360 N/mm2, Rp0,2 = 135 N/mm2 i duritatea 120 HB. Aplicnd legea lui Kurnacov, s se estimeze valorile caracteristicilor mecanice Rm, Rp0,2 i HB ale fazei bertholide . Rezolvare Examinnd diagrama de echilibru din figura 9.13 c, rezult c, n cazul bronzurilor n stare de turnare, domeniul bifazic + al acesteia corespunde unor concentraii masice de cupru cuprinse ntre %Snm = 8 % (care definete limita domeniului monofazic ) i %Snm = 32,5 % (care definete, aa cum s-a demonstrat la rezolvarea aplicaiei A.9.1, compoziia de baz a fazei ); ca urmare, aliajele G CuSn10 i G Cu Sn14 sunt bronzuri bifazice (hipoeutectoide). Conform legii lui Kurnacov (v. scap. 3.11), n domeniile bifazice ale diagramelor de echilibru binare caracteristicile mecanice ale aliajelor variaz liniar, n funie de compoziia lor chimic, ntre caracteristicile corespunztoare celor dou faze care le alctuiesc structura; ca urmare, caracteristicile mecanice Rm (N/mm2), Rp0,2 (N/mm2) i HB ale bronzurilor bifazice turnate se pot estima analitic, n funcie de concentraia lor masic de staniu %Snm, cu relaii de forma: Rm = m1%Snm + n1; Rp0,2 = m2%Snm + n2; HB = m3%Snm + n3. Cunoscnd valorile caracteristicilor mecanice (determinate experimental) ale celor dou bronzuri bifazice (G CuSn10, cu %Snm = 10 % i G CuSn14, cu %Snm = 14 %), se determin valorile coeficienilor mj i nj, j = 1...3, din relaiile scrise mai nainte: m1 = 7,55 i n1 = 465; m2 = 3,75 i n2 = 82,5; m3 = 5 i n3 = 50. innd seama c faza bertholid are concentraia masic de staniu %Snm = 32,5 %, se obine: Rm = 7,5532,5 + 465 220 N/mm2, Rp0,2 = 3,7532,5 + 82,5 205 N/mm2, Rm Rp0,2 15 N/mm2 i HB = 532,5 + 50 = 212,5, aceste rezultate indicnd c prezena fazei durific i fragilizeaz structurile bronzurilor cu staniu.193

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

A.9.4. Caracteristicile mecanice Rm (n N/mm2), A (n %) i HR (n HRB) ale alamei CuZn15 se modific prin deformare plastic la rece, cu diferite grade de deformare GD (5 %; 50 %), n conformitate cu urmtoarele relaii: Rm = 0,06GD2 + 7GD + 270; A = 45 e0,06GD i HR = 0,6GD + 50. Un produs de forma unei bare cilindrice cu diametrul Dp = 8 mm este obinut trgnd la rece, prin orificiul calibrat al unei scule (matrie), un semifabricat cilindric (aflat n starea O) cu diametrul Ds = 10 mm. Care sunt caracteristicile mecanice ale produsului astfel obinut? Rezolvare Semifabricatul aflat n stare recoapt (starea O) are caracteristicile mecanice date de relaiile din enunul aplicaiei, pentru GD = 0: Rm = 270 N/mm2; A = 45 % i duritatea HR 50 HRB. Gradul de deformare plastic al materialului produsului obinut prin tragere la rece se determin aplicnd relaia (3.9), n care 2 Dp D2 S 0 = s este aria seciunii transversale a semifabricatului, iar S D = 4 4

transversale a produsului; rezult astfel 2 2 2 2 D p D0 8 10 S S0 100 = 100 = 100 = 36 %. Pentru GD = 36 % GD = D 2 2 S0 D0 10 (gradul de deformare plastic la rece al materialului produsului), relaiile din enunul aplicaiei conduc la urmtoarele valori ale caracteristicilor mecanice: Rm 444 N/mm2; A 5 % i HR 72 HRB, care evideniaz efectele ecruisrii prin deformare plastic la rece asupra caracteristicilor mecanice ale alamei din care este realizat produsul. A.9.5. Caracteristicile mecanice la traciune Rm (n N/mm2) i A (n %) ale aliajelor Cu Ni n stare de echilibru se afl n urmtoarele dependene (stabilite pe baza datelor experimentale) cu concentraia lor masic de nichel %Nim: 2 2 Rm = 0,07 % Nim +8,9%Nim + 210 i A = 0,024 % Nim 0,308%Nim + 45; s se determine compoziia chimic a aliajelor Cu Ni care ndeplinesc simultan condiiile: Rm 320 N/mm2 i A 40 %. Rezolvare Condiia Rm 320 N/mm2 este respectat de aliajele Cu Ni a cror 2 concentraie masic de nichel satisface inegalitatea 0,07 % Nim +8,9%Nim 110 0; soluia acestei inegaliti este %Nim [13,9 %; 100 %). Condiia A 40 % este respectat de aliajele Cu Ni a cror concentraie 2 masic de nichel satisface inegalitatea 0,0024 % Nim 0,308%Nim + 5 0; soluia acestei inegaliti este %Nim (0 %; 19,0 %]. Cele dou condiii precizate n enunul aplicaiei sunt respectate simultan de aliajele cu %Nim [13,9 %; 100 %) (0 %; 19,0 %] %Nim [13,9 %; 19,0 %].194

aria

seciunii

Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

A.9.6. S se determine care dintre urmtoarele aliaje are densitatea cea mai mic: duraluminiul AlCu4MgMn (cu %Cum = 4,5 %, %Mgm = 0,9 % i %Mnm = 0,5 %), aliajul AlMg9MnSi (cu %Mgm = 9,5 %, %Mnm = 0,8 % i %Sim = 0,8 %), alzimacul AlZn6Mg2,5Cu1,5 (cu cu %Znm = 6,0 %, %Mgm = 2,7 % i %Cum = 1,7 %), siluminul G AlSi9Mg (cu %Sim = 9,5 % i %Mgm = 0,5 %). Rezolvare Din tabelul 1.2 se extrag urmtoarele valori ale densitilor componentelor aliajelor pe baz de aluminiu precizate n enunul aplicaiei: Al = 2700 kg/m3; Mg = 1740 kg/m3; Mn = 7470 kg/m3; Zn = 7130 kg/m3;Si = 2330 kg/m3 i Cu= 8930 kg/m3. Prin particularizarea relaiei generale stabilite la rezolvarea aplicaiei A.2.4, se obine urmtoarea relaie pentru determinarea densitii aliajelor pe baz de aluminiu: = n

100

% EAmj

j =1

EA j

+

100

EAmjj =1

n

; aplicnd aceast relaie pentru aliajele

Al

cu compoziia chimic precizat n enunul aplicaiei se obin rezultatele prezentate n tabelul 9. 15.Tabelul 9.15. Densitile aliajelor de aluminiu din aplicaia A.9.6 AliajulConcentraiile masice ale elementelor de aliere

AlCu4MgMn %Mgm %Mnm %Znm %Sim %Cum 0,9 0,6 4,5 94,0 2784

AlMg9MnSi 9,5 0,8 0,7 89,0 2575

AlZn6Mg2,5Cu1,5 2,4 6,0 1,6 90.0 2799

G AlSi9Mg 0,5 9,5 90.0 2653

%EAmj, %

Concentraia masic a aluminiului %Alm, % Densitatea aliajului , kg/m3

A.9.7. La elaborarea aliajelor pe baz de cupru n cuptoare cu inducie pierderile procentuale masice prin oxidare ale componentelor ncrcturii sunt: pCu = 1 %; pSn = 1 %; pZn = 2 %; i pPb = 0,75 %. S se stabileasc compoziia masic a ncrcturii cuptorului pentru realizarea unei arje, cu masa m = 100 kg, din aliajul CuSn6Zn4Pb4, dac materiile prime disponibile pentru formarea ncrcturii sunt metalele pure componente ale aliajului. Rezolvare innd seama de semnificaia simbolului mrcii aliajului care se elaboreaz, rezult c concentraiile componentelor acestuia sunt: %Pbm = 4 %;195

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

%Znm = 4 %; %Snm = 6 % i %Cum = 100 [%Pbm + %Znm + %Snm] = 86 %; notnd mPb, mZn, mSn i mCu, masele materiilor prime care trebuie introduse n ncrctura cuptorului pentru elaborarea aliajului i innd seama de condiiile din enunul aplicaiei, rezult: % Pbm % Pbm p 4 m = m Pb (1 Pb ) m Pb = m = 100 = 4,030 kg i, n 100 100 100 0,75 100 p Pb mod similar, mZn = 4,082 kg, mSn = 4,030 kg i mCu = 86,869 kg. Masa total a ncrcturii este mi = mPb + mZn + mSn + mCu 101,04 kg. A.9.8. La elaborarea aliajelor pe baz de cupru n cuptoare cu inducie pierderile procentuale masice prin oxidare ale componentelor ncrcturii sunt: pCu = 1 %; pSn = 1 %; pZn = 2 %; i pPb = 0,75 %. S se stabileasc compoziia masic a ncrcturii cuptorului pentru realizarea unei arje, cu masa m = 100 kg, din aliajul CuSn6Zn4Pb4, dac materiile prime disponibile pentru formarea ncrcturii sunt deeuri de alam binar CuZn10, bronzuri G CuSn10Zn2 i G CuPb20Sn5 i plumb marca Pb 99,995. Rezolvare innd seama de semnificaiile simbolurilor aliajului care trebuie elaborat i aliajelor folosite ca materii prime i notnd %Pbm, % Znm, %Snm i %Cum concentraiile componentelor n aliajul care se elaboreaz i %Pbmj, %Znmj, %Snmj i %Cumj, j = 1...4, concentraiile masice ale componentelor n mateiile prime MP1 CuZn10, MP2 G CuSn10Zn2, MP3 G CuPb20Sn5 i MP4 Pb 99,995 i mj, j = 1...4, masele care se introduc n ncrctur din cele patru materii prime 4 4 % Pbm % Zn m disponibile, rezult relaiile: m = % Pbmj m j ; m = % Zn mj m j ; p p j =1 j =1 1 Pb 1 Zn100 100

% Snm %Cu m m = % Snmj m j ; m = %Cu mj m j . Introducnd n aceste relaii p Sn p Cu j =1 j =1 1 14 4

100

100

datele din enunul aplicaiei, se obine urmtorul sistem de ecuaii (cu 0 0 20 100 m1 403 m2 10 2 0 0 408 = necunoscutele mj, j = 1...4): , avnd soluiile m3 0 10 5 0 606 90 88 75 0 8687 m4 m1 = 19,325 kg; m2 = 30,613 kg; m3 = 50,938 kg i m4 = 0,165 kg. Masa total a ncrcturii este mi = m1 + m2 + m3 + m4 101,04 kg.

196

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

Capitolul 10

STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR CERAMICE I STICLELOR

10.1. IntroducereMaterialele ceramice sunt materiale anorganice nemetalice, cu legturi i structur complexe, obinute din materii prime sub form de pulberi prin sinterizare, care este un proces de nclzire cu sau fr presare simultan, n timpul cruia se formeaz legturile dintre particule prin difuzie sau topire parial a unui component. Cele mai multe ceramice sunt compui ntre metale i nemetale, astfel c se bazez n special pe legturi ionice i covalente. Legturile ionice i covalente implic toi electronii de valen ai componentelor, astfel c nu exist electroni liberi, ceea ce face ca materialele ceramice s aib conductibilitate termic i conductibilitate electric foarte sczute fiind materiale electroizolante sau termoizolante n marea majoritate a cazurilor. Reprezint o categorie de materiale care au fost utilizate din cele mai vechi timpuri sub form de vase din lut (nsi termenul de ceramic provine de la grecescul keramon care nsemna lut ars) i de materiale de construcie datorit capacitii de prelucrare n cele mai diverse forme i abundenei materiilor prime. n prezent termenul de ceramic include o gam de materiale mult mai larg, utilizate n cele mai diverse domenii cum ar fi electrotehnica, electronica, industria chimic, industria metalurgic etc. Sticlele sunt materiale anorganice cu structur amorf (corpuri vitroase) obinute prin solidificarea unor topituri constituite din amestecuri de oxizi n stare topit, dintre care cel puin unul are rolul de vitrifiant, adic formeaz uniti structurale prin coordinarea atomilor de oxigen n jurul ionului metalic prin legturi ionice sau covalente; starea amorf (vitroas) este caracterizat de lipsa ordonrii atomice la distan, pstrndu-se doar ordinea apropiat, referitoare la cteva197

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

distane interatomice corespunztoare unitilor structurale, ceea ce face ca sticlele s fie considerate ca lichide vscoase subrcite. n acest capitol se vor prezenta caracteristicile structurale ale principalelor tipuri de materiale ceramice i sticle i proprietile generale ale acestora.

10.2. Structura ceramicelor i sticlelorElementele componente ale materialelor ceramice sunt legate ntre ele prin legturi ionice i covalente formnd reele de ioni metalici i nemetalici (cationi i anioni) a cror celul elementar este constituit dintr-un cation, nconjurat de anioni crora anionul le-a cedat electronii de valen; deoarece metalele prin ionizare pierd electronii de valen, cationii au de obicei raze mai mici dect anionii (v. tabelul 10.1 n care se prezint razele ionice ale componentelor uzuale din ceramice) astfel c structurile stabile ale fazelor cristaline din ceramice se formeaz atunci cnd fiecare cation metalic este nconjurat de anioni nemetalici cu care se afl n contact direct, ceea ce nseamn c numrul anionilor din unitatea structural reprezint chiar numrul de coordinaie al structurii cristaline respective (v scap. 1.2); numrul de coordinaie i implicit geometria unitii structurale depinde de valoarea raportului dintre raza cationului rC i raza anionului rA , aa cum se constat din tabelul 10.1 n care se prezint limitele r raportului C i geometria posibil pentru fiecare numr de coordinaie. rA Deoarece anionii au raza mai mare se pot aranja n plane compacte dispuse succesiv, genernd structuri cristaline de tip CFC sau HC ca i n cazul metalelor (v.scap 1.2). ntradevr, considernd un plan de anioni care au centrele n punctele notate cu A n figura 10.1 i planul urmtor de anioni cu centrele n punctele notate cu B, anionii celui de-al treilea plan compact pot avea centrele pe aceeai vertical cu punctele A, sau pot avea centrele n punctele marcate cu C; rezult astfel fie o succesiune de plane ABABAB care corespunde unei structuri de tip hexagonal compact (HC) a anionilor, fie o succesiune ABCABC, care corespunde unei structuri de tip cub cu fee centrate (CFC) a anionilor. n funcie de poziia anionilor din dou plane compacte succesive se formaz dou tipuri de interstiii: interstiii tetraedrale (cte trei ntr-un plan compact i unul n planul nvecinat) aezai astfel nct unind centrele lor de mas se formeaz un tetraedru regulat i interstiii octaedrale mrginite de ase anioni (cte trei n fiecare plan compact aezai astfel nct unind centrele lor de mas se formeaz un octaedru regulat (v. figura 10.1); ntruct cationii metalici se plaseaz n aceste interstiii, nseamn c numrul de coordinaie poate fi 4 sau 6, aa cum198

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

rezult i din tabelul 10.1. Rezult c structurile fazelor cristaline ale ceramicelor depind att de tipul reelei compacte pe car o formeaz anionii, ct i de modul n care sunt ocupate interstiiile cu cationi metalici.Tabel 10.1. Razele ionice ale unor componente ale ceramicelor i geometria coordinrilor

Raze ionice Raze cationi rC Raze anioni rA Cation Al3+ Ba2+ B3+ Ca Fe K2+ 2+ + 2+ 2+

Tip de coordinare rC rA0,155 Nr. de coordinaie Geometria coordinrii

rC , nm 0,057 0,136 0,020 0,106 0,077 0,138 0,078 0,067 0,102 0,069 0,039 0,064

Anion Br

rA , nm 0,196 0,181 0,133 0,220 0,132 0,184

rC < rA rC < rA rC < rA rC < rA

3

Cl F I O2 S2

0,225 0,225

4

Mg Mn Ni

0,414 0,414

6

Na+2+

0,732 0,732

Si4+ Ti4+

8

1,000

Fig. 10.1 Reprezentarea prin sfere rigide a dispunerii anionilor n structura ceramicelor 199

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Interstiiile pot fi ocupate de cationi de acelai tip, sau de cationi diferii, ceea ce conduce la existena unei diversiti foarte mari de structuri a fazelor cristaline din materialele ceramice. Cea mai mare parte a ceramicelor i sticlelor sunt constituite din silicai a cror baz structural o constituie tetraedrul [SiO4]4-care are n centru ionul Si4+ iar n vrfuri ionii O2- crora le rmne cte o valen liber cu care se pot lega de alte uniti structurale formnd aranjamente unidimensionale, bidimensionale sau spaiale cu un grad nalt de stabilitate, fiind exclus existena liber a unitii tetraedrale. Din punct de vedere chimic cel mai simplu silicat este dioxidul de siliciu SiO2 (silice) care structural este constituit dintr-o reea spaial de [SiO4]4- cu dispunere ordonat (structur cristalin) sau aleatoare (structur amorf) a unitilor structurale. Silicea cristalin prezint trei forme alotropice: cuar, tridimit i cristobalit difereniate prin poziiile relative ale tetraedrilor [SiO4]4- care formeaz aranjamente complexe de tip HC sau CFC; o reprezentare plan simplificat a structurii cristaline tridimit a SiO2 este redat n figura 10.2a. Aceast structur se obine dac rcirea topiturii se face foarte lent, astfel c la o temperatur Tc are loc cristalizarea la fel ca n cazul materialelor metalice; reprezentnd variaia volumului specific (inversul densitii ) n funcie de temperatur (curba 1 n figura 10.3) se constat c n condiiile solidificrii prin cristalizare, la temperatura Tc volumul specific are un salt brusc. n cazul rcirii relativ rapide a topiturii ce conine unitile [SiO4]4dependena de temperatur a volumului specific este cea corespunztoare curbei 2 din figura 10.3; temperatura Tv de pe aceast curb este numit temperatur de tranziie sticloas sau temperatur de vitrifiere i nu are o valoare bine definit, fiind dependent de viteza de rcire. Continuitatea curbei 2 cu cea de la temperaturi mai ridicate (T > Tc) arat c materialul este de fapt un lichid subrcit, a crui vscozitate crete pe msur ce scade temperatura; structura este constituit din lanuri spaiale n care poziia relativ a unitilor structurale este aleatoare ca n starea lichid, ceea ce a fcut ca solidele cu o astfel de structur s fie numite corpuri vitroase; o reprezentare plan simplificat a strii vitroase a SiO2 care reprezint baza structurii sticlelor silicatice este redat n figura 10.2 b. Pe baza celor artate se poate stabili c n structura dezordonat a solidelor vitroase distanele dintre particulele constitutive i intensitatea legturilor nu sunt uniforme. La nclzire, pe msura creterii energiei interne a sistemului se desfac mai nti legturile mai slabe, apoi, treptat cele mai puternice, ceea ce are ca efect reducerea vscozitii i trecerea treptat de la starea solid la starea lichid pe msur ce temperatura crete deasupra temperaturii Tv. Structura vitroas corespunde unei stri metastabile cu energie liber mai mare dect cea corespunztoare structurii cristaline, astfel c exist tendina ca n timp, sub aciunea temperaturii, s se treac la starea de echilbru stabil, proces200

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

numit devitrifiere i poate avea loc controlat sau n mod natural. Devitrifierea necontrolat a sticlelor are consecine negative asupra proprietilor mecanice i optice (sticla devine fragil i pierde transparena datorit refraciei razelor de lumin pe limitele grunilor). n mod obinuit materialele ceramice au structura alctuit din faze cristaline nsoite de o faz vitroas aa cum se observ n figura 10.4 a care prezint structura unei ceramice refractare; cantitatea de faz vitroas depinde de compoziia chimic i de procesul tehnologic de fabricare, tehnologiile moderne permind obinerea unor ceramice cu structur cristalin aa cum se obsev n figura 10 4 b n care se prezint structura aluminei (Al2O3) cristaline.

Fig. 10.2.Schema structurilor silicei: a structura cristalin; b structur vitroas

Fig. 10.3. Variaia volumului specific cu temperatura n cazul SiO2

Fig 10.4. Structurile unor ceramice: a ceramic refractar cu faze cristaline i mas vitroas; b ceramic cristalin (Al2O3)

Silicaii naturali care constituie baza materialelor ceramice sunt aluminosilicai care au rezultat prin substituirea unor ioni Si4+ cu ioni Al3+, astfel c pe lng tetraedrii [SiO4]4- exist i tetraedrii [AlO4]5-; substituirea este posibil datorit diferenelor mici ntre dimensiunile celor doi ioni (v. tabelul 10.1).201

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Deoarece numrul ionilor de oxigen rmne acelai ca n cazul unitilor structurale [SiO4]4-, pentru fiecare ion Al3+ din reea apare o sarcin electric negativ; restabilirea neutralitii electrice se obine prin introducerea n structur a unor ioni monovaleni (Na+, Li+, K+) i ioni divaleni (Ca2+, Mg2+, Ba2+ etc.)

10.3. Principalele proprieti ale ceramicelor i sticlelorProprietile mecanice ale materialelor ceramice i sticlelor prezint particulariti n raport cele ale materialelor metalice datorit legturilor ionice i covalente care stau la baza formrii structurii acestora. A. Comportarea la rupere. Aceste materiale se caracterizeaz n primul rnd prin duritate i fragilitate foarte ridicate determinate de caracterul puternic al legturilor ionice i covalente. Ruperea se produce fr deformare plastic aa cum se constat din figura 10.5 n care se prezint CCCT (v. scap 3.4) a unui material ceramic i CCCT a unui material metalic. Deoarece ncercarea la traciune este mai greu de aplicat (dificultile sunt legate de prinderea epruvetei), pentru caracterizarea rezistenei mecanice la ntindere a materialelor ceramice se folosete adesea ncercarea de ncovoiere static realizat conform schemei prezentat n figura 10.6; tensiunea maxim n fibra ntins a epruvetei ncovoiate (corespunztoare forei Fmax) reprezint rezistena la ncovoiere Ri a crei valoare este apropiat de rezistena la traciune Rm. n tabelul 10.2. se prezint valorile rezitenei la ncovoiere Ri i ale modulului de elasticitate E pentru cteva ceramice i sticle uzuale. Trebuie precizat c n cazul materialelor ceramice i sticlelor se constat o mprtiere foarte mare a valorilor caracteristicilor mecanice deoarece fragilitatea intrinsec le face foarte sensibile la prezena concentratorilor de tensiuni.

Fig 10.5. Curbe CCCT tipice pentru materiale metalice i materiale ceramice

Fig. 10.6. Schema ncercrii la ncovoiere static

Rezistena la compresiune a materialelor ceramice i sticlelor este ns mult mai mare (poate ajunge la valori de 10 ori mai mari dect rezistena la traciune), dei ruperea are tot caracter fragil. Comportarea la rupere a acestor202

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

materiale se explic prin existena unui numr mare de defecte de structur i chiar microfisuri a cror extindere se produce n avalan n momentul n care tensiunile depesc valoarea critic; deoarece tensiunile de compresiune tind s nchid microfisurile, starea critic se atinge la valori mai ridicate ale solicitrilor. B. Fluajul. Problema comportrii la fluaj (v.scap 3.8) apare n special n cazul ceramicelor utilizate ca materiale refractare. Fenomenul se desfoar la fel ca n cazul metalelor, cu deosebirea c procesele de difuzie sunt mult mai complexe fiind implicai ioni cu sarcini electrice diferite. Deformaiile plastice specifice fenomenului de fluaj se produc la limitele dintre grunii fazelor cristaline i sunt influenate de prezena masei vitroase a crei vscozitate scade odat cu creterea temperaturii. Din aceast cauz, cele mai bune rezistene la fluaj le au materialele ceramice complet cristaline sau n a cror structur faza vitroas se afl n cantitate mai mic.Tabelul 10.2. Caracteristicile fizico-mecanice principale ale unor ceramice i sticle

Tipul materialului ceramic sau sticleiMulit (3Al2O32SiO2) Alumina cristalizat (Al2O3) Magnezit sinterizat (MgO) Zirconie stabilizat (ZrO2) Berilie sinterizat (BeO) Spinel (MgAl2O4) Carbura de siliciu (SiC) Carbura de bor (B4C) Sticla de cuar (silice) (SiO2 ) Sticla calco-sodic Sticla boro-silicatic

Ri, N/mm2 6080 3801000 90110 70100 140280 80100 140200 45100 80110 40150 40150

E, kN/mm2 6080 350380 150170 130150 290310 200240 430470 250290 6090 4060 5070

01000oC, mm/mmoC 5,310-6 8,810-6 13,510-6 10,010-6 9,010-6 7,610-6 4,710-6 4,510-6 0,510-6 9,010-6 8,010-6

pe

la 100 o C 5,9 1,1 38,0 2,0 219 15 2,0 1,7 1,2

, W/moC

la 1000 o C 3,8 1,5 7,1 2,3 20 5,9 2,5

C. ocul termic. Este fenomenul de fisurare sau chiar rupere a materialului la modificarea relativ rapid a temperaturii i se datoreaz fragilitii intrinseci a materialelor ceramice i a sticlelor corelat cu exploatarea la temperaturi ridicate. Comportarea la oc termic a materialelor depinde n special de coeficientul de dilatare liniar i de conductivitatea termic ; dac materialul are conductivitate termic sczut (cum este cazul materialelor ceramice i sticlelor), la variaia rapid a temperaturii mediului se creeaz diferene de temperatur pe seciune, contracii sau dilatri neuniforme i deci tensiuni care produc fisurarea sau ruperea; din acest motiv, i reprezint caracteristici care capt importan mai mare la alegerea materialelor ceramice pentru o anumit aplicaie dect n cazul utilizrii materialelor metalice; n tabelul 10.2 se prezint valorile acestor caracteristici pentru cteva ceramice i sticle uzuale. Un factor la fel de important pentru comportarea la oc termic l203

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

constituie geometria piesei, deoarece schimbrile brute de seciune acioneaz i n cazul materialelor ceramice ca nite concentratori de tensiuni. Rezistena la oc termic se definete ca fiind diferena de temperatur T dintre temperatura suprafeei corpului i temperatura mediului pe care o poate suporta un corp rcit sau nclzit n anumite condiii fr s se fisureze. n figura 10.7 se prezint variaia rezistenei la oc termic a unor materiale ceramice i sticle n funcie de condiiile de rcire. D. Fisurarea sub tensiune ntr-un mediu dat. Este un fenomen de rupere ntrziat a materialelor ceramice i a sticlelor care se produce n cazul solicitrii pieselor la tensiuni constante n medii apoase. Mecanismul fisurrii sub tensiune (numit uneori impropriu i oboseal static) se bazeaz pe adsorbia moleculelor de ap n microfisurile superficiale i extinderea acestora sub aciunea tensiunilor mecanice constante datorit pe de o parte efectului de pan pe care l au moleculele adsobite la vrful fisurii, i pe de alt parte datorit reaciei chimice a apei cu silicaii componente ai sticlelor sau ceramicelor; n urma reaciei chimice se produce ruperea lanului OSiO, fiecare molecul de ap conducnd la formarea a dou uniti SiOH care nu mai sunt legate una de alta; fenomenul se produce cu vitez maxim la temperatura camerei deoarece la temperaturi mai ridicate crete mobilitatea ionilor hidroxil care nu se mai ataeaz lanului OSiO, iar la temperaturi sczute este blocat reacia chimic a apei cu silicaii. Similar curbelor de durabilitate la oboseal din cazul materialelor metalice (v. scap 3.9) exist curbe de durabilitate la fisurare sub tensiune sub forma dependenei = f(), fiind timpul de expunere la mediul umed a piesei solicitate la tensiunea ; aa cum se constat din figura 10.8 aceste curbe sunt asemntoare curbelor Whler ale materialelor metalice. E. Comportarea sticlelor n stare vscoas. Aa cum a fost artat anterior, deasupra temperaturii Tv, sticla se comport ca un lichid, a crui vscozitate scade cu creterea temperaturii. Vscozitatea este o mrime ce caracterizeaz proprietile de curgere ale fluidelor i reprezint factorul de proporionalitate dintre tensiunile tangeniale i variaia vitezei de alunecare pe grosimea stratului fluidului; unitatea de msur pentru vscozitate este Ns/m2 ceea ce nseamn Pas (Pascal secund). n cazul sticlelor vscozitatea n stare vitroas (sub temperatura Tv) se consider = 1018 Pas iar starea fluid se consider atins dac vscozitatea scade sub 103 Pas. Deasupra temperaturii Tv vscozitatea depinde de temperatur dup o relaie de forma:

= 0 e , (10.2) n care 0 este o constant experimental, Ea energia de activare a procesului de curgere, R constanta gazelor, iar T temperatura absolut.204

Ea RT

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

Pentru scopuri practice se utilizeaz relaii de forma: B log = A + , (10.3) t t0 n care A, B i t0 sunt constante ce se pot determina experimental prin msurarea vscozitii la trei temperaturi diferite, iar t este temperatura n oC; de exmplu, pentru o sticl calco-sodic s-au determinat valorile: A= 3,3; B = 4800; t0 = 210 cu ajutorul crora s-a trasat curba = f(t) prezentat n figura 10.9

Fig. 10.7. Rezistenele la oc termic ale unor ceramice i sticle

Fig. 10.8. Curbele de durabilitate la fisurarea sub tensiune ale unor sticle

n funcie de valoarea vscozitii (deasupra temperaturii Tv) s-au stabilit urmtoarele temperaturi numite puncte fixe de vscozitate ale sticlelor, utilizate la stabilirea parametrilor operaiilor tehnologice de fabricare a obiectelor din sticl: * temperatura inferioar de recoacere tir corespunde la = 1013,5 Pas; * temperatura superioar de recoacere tsr corespunde la = 1012 Pas; * temperatura de nmuiere tm corespunde la = 106,6 Pas; * temperatura de curgere tc corespunde la = 104 Pas; * temperatura de prelucrare tp corespunde la = 103 Pas. n figura 10.9 se ilustreaz pe curba = f(t) stabilirea punctelor fixe ale sticlei i se prezint valorile acestor puncte pentru cteva tipuri de sticle uzuale. Comportarea sticlei n stare vscoas prezint importan deosebit pentru prelucrare deoarece aceasta trebuie s se desfoare intr-un interval de temperaturi astfel ales nct pe de o parte vscozitatea s fie suficient de mic pentru ca prin fasonare s se obin forma corespunztoare a obiectului, iar pe de alt parte, la sfritul prelucrrii vscozitatea s fie suficient de ridicat pentru evitarea deformrii necontrolate sub greutatea proprie a obiectului fasonat.205

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Fig. 10. 9. Punctele fixe de vscozitate ale sticlelor

De asemenea, variaia vscozitii sticlei cu temperatura n maniera artat permite aplicarea unui tratament termic de tip clire; acesta const din nclzirea la o tempertur ti din domeniul (tir ; tsr) i rcirea rapid cu jet de aer sau n ulei; datorit conductibilitii termice reduse n urma rcirii la suprafaa sticlei temperatura scade sub Tv, iar n miez temperatura este suficient de ridicat pentru ca materialul s preia prin deformare plastic contracia suprafeei rigide; n continuare se face rcirea complet lent, astfel c n strat vor lua natere tensiuni reziduale de compresiune datorit contraciei de rcire a miezului; aceste tensiuni de compresiune au valori ridicate i contribuie la creterea rezistenei materialului. O fisur care apare n stratul superficial elibereaz brusc tensiunile de compresiune i produce spargerea sticlei cu formarea unui numr mare de granule mici, ceea ce reduce riscul rnirii persoanelor din jur, motiv pentru care aceste sticle sunt cunoscute sub denumirea curent de sticle securit i se folosesec pentru mijloacele de transport, faadele i uile cldirilor etc. O alt consecin a comportrii vscoase a sticlelor este deformarea (nmuierea) sub sarcin la temperaturi ridicate a materialelor ceramice care conin i mas vitroas. Rezistena la deformare sub sarcin este una din caracteristicile importante ale materialelor refractare i se apreciaz n mod uzual prin temperatura care determin un anumit grad de deformare sub aciunea unei tensiuni de compresiune date.206

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

Scopul acestui capitol fiind prezentarea materialelor ceramice i a sticlelor ca materiale structurale ( vezi cap. 14) nu se trateaz i problemele proprietilor electrice, magnetice i optice ale acestor materiale. n cele ce urmeaz se vor prezenta cteva dintre cele mai importante tipuri de materiale ceramice i sticle.

10.4. Materialele ceramice10.4.1. Materialele ceramice silicaticeMaterialele ceramice silicatice aparin sistemului ternar SiO2Al2O3X, unde X poate fi K2O, Na2O, CaO sau MgO; materiile prime utilizate au urmtoarele caracterisitici: - argilele sunt silicai de aluminiu hidratai nsoii de impuriti (oxizi metalici ) care influeneaz culoarea final a materialului ceramic; varietatea de argil cea mai utilizat este caolinul (Al2O3 2SiO22H2O) care are o structur lamelar i este constituit din granule, formnd n prezena apei o suspensie coloidal ce confer amestecului plasticitate; - nisipul de cuar (silice) modific plasticitatea argilelor la uscare i ardere n timpul creia sufer transformrile cristalografice cuar tridimit cristobalit; - feldspatul este denumirea generic pentru compuii compleci de tipul alumino-silicailor de K, Na, Ca, Mg; au rol de fondani deoarece n timpul arderii formeaz cu argila i silicea compui cu temperatur mic de topire fiind la originea masei vitroase care leag particulele de silice i de argil i reduce porozitatea. Pentru obinerea ceramicelor silicatice, amestecului pulverulent de materii prime i se adaug o cantitate determinat de ap obinndu-se o past (numit i barbotin), din care se realizeaz piesele ce apoi se usuc i se calcineaz prin nclzire la temperaturi de 9001500 oC, n funcie de compoziia chimic i scopul urmrit. In timpul arderii rezult o anumit cantitate de faz lichid care prin rcire formeaz o reea sticloas n jurul granulelor pe care le leag sub forma unui material solid i dens. Procesul de vitrifiere este nsoit ntodeauna de contracie i st la baza obinerii majoritii materialelor ceramice. In funcie de concentraiile componentelor i de condiiile tehnologice se obin urmtoarele tipuri de materiale ceramice: teracot, faian, gresie ceramic, porelan moale, tare sau tehnic; n figura 10.10 se prezint n triunghiul concentraiilor componentelor de baz domeniile corespunztoare acestor ceramice, iar n tabelul 10.3 cteva caracteristici ale acestora.207

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Structura ceramicelor fiind neomogen, proprietile lor sunt influenate puternic de raportul dintre cantitatea de faz cristalin i cantitatea de faz vitroas. Creterea coninutului de feldspat (deci a masei vitroase) determin reducerea rezistenei mecanice i a rezistivitii electrice; creterea coninutului de caolin i de silice, (faze cristaline) determin creterea rezistenei mecanice i a temperaturii de utilizare.Tabelul 10.3. Materialele ceramice pe baz de argile

Denumirea materialului Teracot Faian Gresie ceramic Porelan

CaracteristiciPorozitate: 1530 % Suprafaa: glazurat sau nu Temperatura de ardere: 9501050 oC Porozitate: 1015 % Suprafaa: glazurat, opac Temperatura de ardere: 9501200 oC Porozitate: 0,53 % Suprafaa: glazurat sticloas Temperatura de ardere: 11001300 oC Porozitate: 02 % Suprafaa: glazurat sticloas Temperatura de ardere: 11001400 oC

Domenii de utilizarecrmizi, igle, evi ceramice

echipamente sanitare, vase, placaje etc. echipamente sanitare, placaje, pardoseli, aparatur pentru laboratoare de chimie etc izolatoare elctrice, condensatori electrici, aparatur pentru laboratoare de chimie, vase etc

Dintre materialele ceramice silicatice n tehnic rspndirea cea mai mare o au porelanurile care sunt mase ceramice vitrifiate albe (translucide n strat subire) ale cror faze cristaline se pot stabili cu ajutorul diagramei binare de echilibru SiO2Al2O3 prezentat n figura 10.11. Analiznd aceast diagram se constat c sistemul SiO2Al2O3 prezint transformare eutectic, transformare peritectic i formeaz un compus cu topire incongruent; acest compus se numete mulit, corespunde formulei chimice 3Al2O32SiO2, are form acicular, duritate ridicat i este baza majoritii constituenilor materialelor ceramice silicatice. In acest sistem SiO2 cristalizeaz sub form de cristobalit, care este un compus cu reea CFC, n care baza o constituie tetraedrii [SiO4], ceea ce i confer duritate ridicat, iar cellalt component Al2O3 cristalizeaz sub form de corindon, care este un compus cu reea hexagonal compact de ioni de oxigen n care ionii de Al ocup 2 din3

golurile octaedrice. Analiza transformrilor la rcire a ceramicelor care au la baz acest sistem se face la fel ca n cazul diagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje. Deoarece n condiii industriale vitezele de rcire sunt mai mari dect cele208

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

corespunztoare echilibrului, o parte din topitur nu va reui s cristalizeze, solidificndu-se sub form de faz sticloas.

Fig. 10.10. Domeniile ceramicelor silicatice n sistemul argil cuar feldspat

Fig 10.11 Diagrama de echilibru a sistemului SiO2Al2O3

Componentul de baz al porelanurilor tehnice este mulitul care asigur acestuia rezisten mecanic i rezisten la oc termic ridicate, rezisten la agresiunea acizilor i alcaliilor. Caracteristicile ctorva tipuri de porelanuri utilizate n tehnic sunt prezentate n tabelul 10.4.Tabelul 10.4 Porelanuri tehnice caracteristici principale Denumirea comercial a materialului Porelan pentru izolatori de joas tensiune Porelan pentru izolatori de nalt tensiune Cordierit (compus de baz 2MgO2Al2O35SiO2) Steatit (compus de baz 3MgO4SiO2H2O) Densitatea, kg/m3 22002400 23502500 21002650 28002950 Rezistena la traciune N/mm2 2035 2055 3565 52107 Rezistena la compresiune, N/mm2 173345 173550 138620 4142970 Temperatura maxim de utilizare, oC 300400 200650 400780 4401100

Pentru reducerea (sau chiar eliminarea) absorbiei de ap n pori, piesele din ceramic se acoper cu glazuri; acestea sunt straturi compacte sticloase obinute n timpul procesului de ardere din stratul de vopsea pe baz de borai, carbonai alcalini i oxizi metalici aplicat pieselor nainte de calcinare. Pe lng faptul c prin glazurare se reduce higroscopicitatea, datorit coeficientului de dilatare mai mic al glazurii iau natere tensiuni de compresiune n strat care contribuie la mbuntirea rezistenei mecanice a pieselor.209

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

10.4.2. Materialele ceramice oxidiceMaterialele ceramice oxidice sunt materiale policristaline formate din oxizi sau compui oxidici i lipsite de faze sticloase. Datorit energiei mari de legtur a oxizilor, compuii sunt foarte stabili la aciunea agenilor chimici i au duritate i rezisten la compresiune ridicate. Componentei mai importani ai acestor ceramice sunt: oxizi (Al2O3, ZrO2, MgO, TiO2 i BeO), titanai i ferite. Oxidul de aluminiu (Al2O3, alumina) are temperatura de topire 2054 oC i cristalizeaz sub form de corindon aa cum s-a artat mai sus. Caracteristicile de exploatare ale pieselor pe baz de alumin depind n mare msur de concentraia masic a acesteea; cu creterea coninutului de Al2O3 crete rezistena la compresiune, temperatura de utilizare i rezistivitatea electric; de exemplu, prin creterea % Al2O3 de la 85 % la 99,7 % rezistena la compresiune crete de la 1800 N/mm2 la 2500 N/mm2 iar temperatura de utilizare de la 1300 oC, la 1700 oC Reprezint cea mai important ceramic oxidic i are utilizri multiple, cum ar fi materialele refractare, materiale izolante, unelte de tiat, abrazivi, implanturi medicale. In condiii tehnologice deosebite i cu materii prime de puritate nalt, se obine alumina transparent utilizat n optica tehnic. Oxidul de zirconiu (ZrO2) are temperatura de topire-solidificare 2690 oC i prezint mai multe forme alotropice: reea monoclinic de la ta pn la 1000 oC, tetragonal pe intervalul 12002370 oC i cubic peste 2370 oC. Existena transformrilor alotropice care se produc cu cretere de volum nrutete comportarea materialului; pentru evitarea acestor neajunsuri se adaug CaO i/sau MgO care n concentraii mai mici de 1015% se dizolv n ZrO2 i stabilizeaz structura cubic ce se menine de la temperatura de cristalizare pn la temperatura ambiant, aa cum rezult din figura 10.12 n care se prezint diagrama de echilibru a sistemului ZrO2 CaO; Oxidul de magneziu (MgO magnezit) are temperatura de topire 2800 oC i constituie baza materialelor refractare pentru cptuelile cu caracter bazic a cuptoarelor. Pe lng MgO, refractarele bazice pot conine i ali oxizi dintre care mai des ntlnii sunt CaO, Al2O3 i Cr2O3. Pentru exemplificare, n figura 10.13 se prezint diagrama de echilibru a sistemului MgO Al2O3, din care rezult formarea compusului MgAl2O4 (sau MgOAl2O3) numit i spinel, care este o faz bertholid cu topire congruent (v.scap. 2.2); spinelul are o reea cristalin cubic complex n care ionii Mg2+ ocup interstiiile tetraedrice, iar ionii Al3+ ocup interstiii octaedrice; tipul de structur spinelic este frecvent ntlnit, locul ionilor Mg2+ i Al3+ fiind luat de alte metale.210

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

Fig. 10.12. Diagrama de echilibru a sistemului ZrO2 CaO

Fig. 10.13. Diagrama de echilibru a sistemului MgO Al2O3

Titanaii sunt compui cu formula MTiO3, unde M este un metal bivalent (Ba, Ca, Mg, Sr); se utilizeaz pentru proprietile feroelectrice (se polarizeaz n cmp electric) la realizarea generatoarelor i traductoarelor pentru ultrasunete. Feritele sunt compui ai oxidului de fier (Fe2O3) i ai altor metale (Ba, Mg, Sr, Mn, Zn, Ni, Cu, Li etc) avnd formula general nkMkOqFe2O3 unde nk este numrul de molecule al oxidului metalului Mk, k=1,2,3; se utilizeaz ca materiale feromagnetice datorit rezistivitii electrice ridicate (ceea ce reduce pierderile prin cureni turbionari) i costului mai redus dect al aliajelor metalice.

10.4.3. Materialele refractareSunt produse ceramice rezistente la temperaturi nalte, fiind ncadrate n aceast categorie cele care i menin caracteristicile pn la temperatura de minimum 1500 oC. Comportarea la temperaturi nalte a materialelor refractare se apreciaz n principal cu ajutorul a dou mrimi: - rezistena piroscopic numit frecvent i refractaritate este temperatura la care o epruvet conic din materialul considerat se taseaz cu o valoare dat, n condiii determinate de expunere la temepratur; - rezistena la deformare (nmuiere) sub sarcin care se apreciaz prin temperatura la care se produce o deformare specific de 0,5 % sub aciunea unei sarcini de compresiune de 0,2 N/mm2 (vezi i scap.10.3 E).211

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

n procesul de fabricaie refractarele se ard la temperaturi ridicate i se menin mai multe ore la temperatura maxim pn la apariia fazei lichide, iar rcirea se face foarte lent, timp de mai multe zile pentru a da posibilitatea cristalizrii cvasitotalitii fazei lichide. n aceste condiii, vor exista dou tipuri de faze cristaline: faze cristaline primare sub form de cristale mari, insolubile n topitur i faze cristaline secundare, care provin din cristalizarea topiturii n perioada de rcire i se prezint sub form de cristale mici. Restul de faz lichid care nu cristalizeaz va constitui faz vitroas i prezena sa limiteaz proprietile de utilizare ale materialelor refractare prin micorarea temperaturii de nmuiere sub sarcin. Diversitatea materialelor refractare este foarte mare, oxizii care stau la baza compoziiei lor chimice putndu-se grupa n trei categorii: a) SiO2 i ZrO2; b) MgO i CaO; c) Al2O3 i Cr2O3. Principalele tipuri de materiale refractare n funcie de componentele preponderente sunt prezentate pe schema din figura 10.14. n industria petrolier i petrochimic se utilizeaz n mod frecvent refractarele din sistemul SiO2Al2O3, a crui diagram de echilibru a fost prezentat n figura 10.11. Ele se caracterizeaz prin temperaturi de nmuiere ridicate, rezisten la oc termic i confer cptuelilor cuptoarelor caracter acid. Din diagrama de echilibru se constat c trebuie evitate compoziiile cu concentraia de Al2O3 apropiat de cea eutectic (5,5 % Al2O3) deoarece au temperatura de topire cea mai sczut. Domeniile principalelor tipuri de refractare silicatice din sistemul SiO2Al2O3 i domeniile temperaturilor caracteristice (refractaritatea i temperatura de nmuiere sub sarcin) sunt prezentate n figura 10.15 din care rezult urmtoarele: refractarele silica (% SiO2> 93%) au refractaritatea i temperatura de nmuiere foarte apropiate putnd fi utilizate pn la temperaturi de 1650 oC; aceeast comportare se explic prin proprietatea cuarului de a forma la recristalizare n faz solid reele complexe de tip tridimit (v. scap. 10.2) i vscozitii ridicate a sticlei silicioase prezent ca faz vitroas n aceste ceramici; amota (%SiO2 = 6070%, i %Al2O3 = 4030%) are caracteristici mai reduse dect refractarele silicatice; prezena unei cantiti mai mari de faz sticloas face ca diferena dintre refractaritate i temperatura de nmuiere sub sarcin s fie mai mare; refractarele silimanitice (superaluminoase) cu %SiO2 = 3620%, i %Al2O3 = 6380% au structur mulitic (v. figura 10.11) i pot fi utilizate pn la cca 1800 oC n cazul nclzirilor de scurt durat i pn la temperaturi de 1650 oC n cazul solicitrilor i/sau nclzirilor de lung durat; refractarele corindonice sau mulito-corindonice sunt fabricate din212

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

alumin pur topit i eventual mici cantiti de argil ca liant; ele pot fi utilizate pn la temperaturi de 1900 oC; rezistena mecanic este dependent de coninutul de alumin aa cum a fost artat anterior. Proprietile celorlalte tipuri de materiale refractare nominalizate n figura 10.14 pot fi apreciate pe baza diagramelor binare de echilibru ale sistemelor corespunztoare aa cum s-a artat anterior pentru ceramicele pe baz de MgO (v. fig. 10.13). n tabelul 10.5 se prezint cteva materiale refractare utilizate mai des i proprietile lor principale.

Fig. 10.14. Principalele tipuri de materiale refractare

Fig 10.15. Domeniile temperaturilor limit pentru refractaritate i deformare sub sarcin n sistemul SiO2 Al2O3

Tabelul 10.5. Caracteristicile unor materiale refractare utilizate frecvent Temperatura Rezistena Rezistena la Densitatea de nmuiere piroscopic, compresiune, Materialul refractar aparent, sub sarcin, o C N/mm2 kg/m3 o C A. Refractare acide (SiO2 + Al2O3) Refractare silica (%SiO2 > 95%) Samot inferioar (2025% Al2O3) Samot standard (3035% Al2O3) Samot dens (4045% Al2O3) Refractare mulitice (7580%Al2O3) Refractare mulito-corindonice (8085% Al2O3) Magnezit (%MgO > 92%) Crom magnezit (2550% MgO, 1228% Cr2O3, 1525% Al2O3) Cromit (% Cr2O3 > 85%) 17001900 18002000 18002000 2100.2300 29003100 34003600 1700 1680 1700 1740 1830 1950 1650 1250 1275 1350 1350 1400 1500 1500 1450 1822 1525 1525 30...40 2535 4050 4575 3555 6585

B. Refractare bazice 29003100 2200 29003100 32003400 213 2000 1950

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

10.4.4. Materialele ceramice neoxidiceMaterialele ceramice neoxidice sunt compui de tipul carburi, nitruri, boruri sau siliciuri ale cror uniti structurale au la baz de obicei legturi covalente care le confer temperaturi nalte de topire sau de descompunere modul de elasticitate i duritate ridicate. Aceste caracteristici le-a impus ca materiale destinate unor categorii largi de aplicaii pentru obinerea de piese prin sinterizare sau sub form de fibre pentru obinerea materialelor compozite (v. cap 12). Cteva ceramice neoxidice i proprietile lor mai importante sunt prezentate n tabelul 10.6. Carbura de siliciu cristalizeaz ntr-un numr mare de forme alotropice cu densiti aproape egale i structuri de tip hexagonal, romboedric sau cubic, bazate preponderent pe legtura covalent. Aceste structuri i confer duritatea mare stabilitate termic, conductibilitate electric i rezisten la oxidare (la temperaturi de peste 1500 oC se acoper cu un strat de SiO2). n practic se utilizeaz de obicei produse sinterizate mpreun cu un liant care este tot un material ceramic refractar. Cele mai comune utilizri sunt ca materiale abrazive i ca materiale pentru rezistene de nclzire electric a cuptoarelor (cunoscute sub denumirea comercial de bare de silit). Nitrura de siliciu cristalizeaz n sitemul hexagonal, iar ponderea legturilor covalente este de cca 70 %; se caracterizeaz prin rezisten mecanic ridicat i comportare bun la fluaj, meninndu-i practic nemodificate caracteristicile pn la 1400 oC; este un material din categoria ceramicelor tehnice de performan din care se pot obine piese complicate, cu stabilitate dimensional bun la variaii de temperatur. Prin procedee tehnologice moderne s-a reuit nlocuirea unor atomi de siliciu i de azot cu atomi de aluminiu i oxigen, obinndu-se o clas nou de materiale ceramice denumite sialon (de la SiAlON) ale cror uniti structurale sunt tetraedrii (SixAl1x)(OyN1y)4; prin variaia legturilor atomice i ionice se obin structuri noi i deci proprieti noi, printre care cea mai important o reprezint stabilitatea pn la 1800 oC, ceea ce a fcut ca sialonurile s fie utilizate pe scar din ce nce mai mare la fabricarea unor piese puternic solicitate. Nitrura de bor poate cristaliza n sistemul cubic i n sistemul hexagonal; cristalizat n sistemul cubic (nitrura cubic de bor sau CBN) are duritatea apropiat de a diamntului, fiind materialul sintetic cu cea mai mare duritate; cristalizat n sistemul hexagonal (ca i grafitul) este utlizat pentru fabricarea unor piese prin sinterizare i pentru electrozi de sudur.214

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor Tabelul 10.6. Caracteristicile unor materiale ceramice neoxidice Denumirea i formula chimic a materialului Carbura de siliciu (SiC) Nitrura de siliciu (Si3N4) Carbura de bor (B4C) Densitatea , kg/m3 2700320 0 1900320 0 2510 Duritatea Knoop* 3000 Modulul de elasticitate, kN/mm2 380420 160320 3500 440460 Rezistena la compresiun e, N/mm2 9001100 250700 Temperatura de topire sau de descomp., o C 2400 1898

2700290 2425 0 Nitrura cubic de bor 3480 5000 840870 6500700 1540 (BN) 0 Carbura de wolfram (WC) 15500 2700 580620 4500...500 2780 0 4800494 Carbura de titan (TiC) 3100 330350 2500280 3100 0 0 * Metoda Knoop de determinare a duritii se bazeaz pe aceleai principii ca i microduritatea Vickers, cu deosebirea c baza piramidei de diamant (care constituie penetratorul ) este un romb.

Carbura de bor are duritatea imediat mai mic dect CBN fiind utilizat la realizarea sculelor achietoare sau n construcii aerospaiale datorit modulului de elasticitate ridicat i densitii reduse (v. tabelul 10.6). Carburile de W, Ti, Ta se utilizeaz ca materiale dure pentru scule sub form de plcue sinterizate cu un liant metalic (de obicei Co).

10.5. SticleleAa cum s-a artat n scap 10.2, baza structurii sticlelor silicatice o constituie reeaua spaial de uniti [SiO]4 legate n poziii aleatoare (v. fig. 10.2 b). Utilizarea sticlei de silice cu aceast structur este limitat la aplicaii speciale unde se cere refractaritate ridicat. Pentru majoritatea aplicaiilor ns este necesar ca temperatura de curgere Tc (v. fig. 10.9) s fie mai redus pentru prelucrarea sticlei n condiii economice corespunztoare. Acest lucru se realizeaz prin adugarea altor componente, care modific structura prin apariia unor ioni metalici ce se pot plasa ntre tetraedrii [SiO]4, aa cum se observ n figura 10.16 a, sau pot lega tetraedrii ntre ei, aa cum se observ din figura 10.16 b. n acest context, componentele sticlelor se pot grupa dup cum urmeaz: a) Formatorii de reea (vitrifiani) sunt oxizi ai elementelor cu cationi de raz mic i sarcin relativ mare (Si4+, B3+, P5+, etc.); cationii respectivi se nconjoar (coordineaz) cu 34 ioni de oxigen formnd tetraedri sau piramide215

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

care se leag ntre ei prin vrfuri, dnd natere reelei spaiale dezordonate; aa cum a fost artat, formatorul de reea cel mai utilizat este silicea (SiO2) nsoit n unele cazuri de oxidul boric B2O3 i/sau pentaoxidul de fosfor (P2O5);

Fig. 10.16. Structura sticlelor: a sticla silico sodic; c sticla calco-sodic

b) Modificatorii de reea sunt componentele cu rol de fondani (de exemplu: oxidul de sodiu Na2O, oxidul de potasiu K2O i oxidul de litiu Li2O) sau de stabilizatori (de exemplu: oxidul de calciu CaO, oxidul de magneziu MgO, oxidul de bariu BaO i oxidul de zinc ZnO). Temperatura de topire a silicei se reduce n prezena fondanilor prin distrugerea continuitii reelei datorit ruperii lanurilor SiOSi de ctre ionii metalelor alcaline (v. fig. 10.16 a); pentru exemplificarea influenei fondanilor, n figura 10.17 se prezint diagrama de echilibru a sistemului SiO2Na2O, pe care se observ existena unei transformri de tip eutectic la temperatura de 800 oC i formarea compusului Na2O2SiO2 cu temperatur de topire mai mic dect a silicei. Sticlele formate numai din silice i oxizi alcalini au rezisten sczut la aciunea substanelor chimice, rezisten mecanic i rezisten la oc termic reduse. Imbuntirea caracteristicilor se realizeaz prin aciunea stabilizatorilor care sunt oxizi ai metalelor bivalente alcalino-pmntoase (Ca, Ba, Mg) ai cror ioni contribuie la realizarea legturilor ntre unitile structurale (v. fig.10.16b). c) Intermediarii sunt componente care contribuie att la formarea reelei ct i la modificarea unor caracteristici; n aceast categorie intr Al2O3, PbO i ZrO2, oxizi care acioneaz prin nlocuirea n reea a ionului Si4+ cu ionii metalelor respective.216

Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

Exist o varietate foarte mare de tipuri de sticle, care se pot grupa n funcie de tipul oxizilor care imprim sticlei anumite proprieti; compoziiile chimice ale ctorva tipuri de sticle utilizate mai frecvent, sunt prezentate n tabelul 10.7. Sticlele calco-sodice sunt cele mai uzuale, fiind utilizate pentru fabricarea geamurilor (sticla plan), ambalajelor, obiectelor de menaj i anumitor aparate de laborator. Fig. 10.17. Diagrama de echilibru a Rspndirea lor extrem de mare se sistemului SiO2 Na2O datoreaz costului redus al materiilor prime. Limitele concentraiilor pentru oxizii de baz (SiO2, Na2O i CaO) rezult pe de o parte din condiia reducerii temperaturii de topire ceea ce ar nsemna cantiti mai mari de Na2O, iar pe de alt parte asigurarea unei rezistene chimice mai bune, ceea ce ar nsemna concentraii de CaO mai mari, dar acesta are influen negativ asupra solidificrii (favorizeaz cristalizarea). Sticlele calcosodice conin 7075 % SiO2, 13...19 % Na2O i 8...11 % CaO; pentru reducerea tendinei de cristalizare se introduce 34 % MgO. Sticlele boro-silicatice se caracterizeaz prin coeficieni de dilatare mici, fiind utilizate ca sticle speciale pentru aparatura de laborator care lucreaz la temperaturi ridicate. Utilizarea oxidului B2O3 alturi de SiO2 ca formator de reea are ca efect reducerea temperaturii de topire, fr s afecteze stabilitatea chimic i fr s modifice proprietile de solidificare ale silicei. Sticlele alumino-silicatice au temperaturile punctelor fixe de vscozitate ridicate (v. fig. 10.9) putnd fi utilizate i la temperaturi nalte. Coninutul redus de oxizi alcalini le confer o rezistivitate electric foarte mare i rezisten chimic bun. Sunt utilizate la fabricarea materialelor electroizolante. Sticlele cu plumb au rezisten chimic sczut, dar proprieti optice i electrice deosebite. Denumirea comun de cristal de plumb se folsete pentru sticlele care conin peste 20 % PbO. Principalele particulariti ale comportrii sticlelor la solicitri mecanice au fost prezentate anterior, n scap.10.2, remarcndu-se influena deosebit de puternic a concentratorilor de tensiuni, ceea ce conduce i la o dispersie mare a caracteristicilor mecanice (v. tabelul 10.2), precum i influena prezenei apei asupra rezistenei la solicitri de durat (v. fig. 10. 8). Cea mai important utilizare a sticlelor ca materiale structurale o constituie fr ndoial fibrele, att cele discontinui (vata de sticl), ct i cele continui217

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

folosite n principal la obinerea materialelor compozite (v. cap.12). Analiznd compoziiile chimice ale sticlelor utilizate pentru fibre (v. tabelul 10.7), se constat c sunt sticle alumino-silicatice i boro-silicatice; prezena Al2O3 ca intermediar, (formator i modificator de reea) conduce la creterea stabilitii chimice, care capt importan mai mare n cazul fibrelor datorit seciunii reduse i suprafeei mare de expunere la mediu. n cazul fibrelor tip E utilizate n electrotehnic se remarc limitarea drastic a coninutului de oxizi alcalini, deoarece prezena acestora conduce la micorarea rezistivitii electrice (ionii Na+, K+ sunt purttori de sarcin electric).Tabelul 10.7. Compoziiile chimice ale unor sticle uzuale Tipul sticlei Sticle calco-sodice (sticl plan) Sticla boro-silicatic (Pyrex) Sticla alumino-silicatic Sticla cu plumb (cristal) Sticla Vycor Sticle pentru fibre: - tipa A calco-sodic normal - tip AR rezistente la alcalii - tip C rezistente la coroziune - tip E rezistivitate elctric mare - tip S rezisten mecanic mare*

Concentratia masic n % pentru: Formatori de Modificatori i stabilizatori Intermediari reea de reea SiO2 B2O3 Na2O K2O CaO MgO Al2O3 Alii * 72 14 1 8 4 1 80,5 12,9 4 0,4 2,2 54 7,5 0,5 22 0,5 14,5 35 7 - 58% PbO 96 3 < 0,2 < 0,2 70 62 65 54 65 1,5 5 8 16 14 8,5 Tc de un numr nelimitat de ori (cu condiia evitrii temperaturilor de degradare). Se utilizeaz n stare elasto-plastic n domeniul de temperaturi (Tv ; Tc) sau n stare vitroas (T < Tv).

Fig. 11.6 Curba termo-mecanic a unui polimer cu structur amorf

Fig. 11.7 Dependena temeperaturilor Tv i tc de masa molecular

Termorigidele sunt substane macromoleculare cu grad mare de reticulare care se prelucreaz ntr-o stare de polimerizare incomplet n care nu s-a format reeaua spaial a structurii. Reticularea se produce prin activare termic (ntrire la cald) sau prin activare chimic la introducerea n masa polimerului de baz a unui agent de reticulare (ntrire la rece). Legturile puternice, caracteristice structurii reticulare le confer proprietile de rezisten corespunztoare strii vitroase, iar la o renclzire ulterioar micrile moleculelor fiind limitate nu se mai atinge starea vscoas, materialul descompunndu-se fr s mai treac prin faza de nmuiere (n cazul lor temperatura Tv este ridicat i nu mai exist temperatura Tc). Elastomerii sunt substne macromoleculare cu catene lungi, ncolcite, care formeaz ochiuri elastice, astfel c sub aciunea solicitrilor mecanice se pot deforma uor i reversibil. Temperatura Tv a elastomerilor este sub temperatura ambiant, astfel c fragilizarea se produce la temperaturi sczute, iar la nclzire nu trec prin faza de nmuiere datorit reticulrii slabe, ele meninndu-i starea nalt elastic pn la temperatura de descompunere. Indiferent de categoria n care se ncadreaz, polimerii au cteva caracteristici generale prezentate n continuare. a) Sunt substane cu densitate mic ( = 9002200 kg/m3) datorit faptului c elementele componente (n principal H i C) au masa atomic redus. b) Au coeficient de dilatare specific mare datorit legturilor Van der237

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Waals (legturi slabe) dintre catene i conformaiei acestora (v. scap 11.3). c) Sunt inflamabile (n marea majoritate a cazurilor) i au stabilitate termic redus datorit faptului c sunt substane organice; din acelai motiv pot fi degradate de microorganisme (biodegradabilitate). d) Au conductibilitate termic mic i rezistivitate electric foarte mare datorit legturilor covalente din interiorul lanului macromolecular. e) Proprietile lor sunt afectate de radiaiile din spectrul vizibil, de ultraviolete i de radiaiile ionizante care pot rupe legturile dintre catene i/sau dintre monomeri modificnd astfel structura iniial prin reducerea gradului de polimerizare. f) Factorii fizico-chimici (temperatur, radiaii, prezena oxigenului i ozonului, umiditatea etc.) acioneaz conjugat, ceea ce are ca efect mbtrnirea materialului, ce se manifest la nivel macroscopic prin apariia unor fisuri, schimbri de culoare, nrutirea proprietilor dielectrice (scad valorile rezistivitii i permitivitii electrice), reducerea proprietilor de rezisten mecanic, de plasticitate i de elasticitate. Ca i n cazul celorlalte tipuri de materiale, n cele ce urmeaz se vor prezenta mai detaliat aspectele legate de comportarea mecanic a polimerilor.

11.4.2. Proprietile mecanice ale polimerilorDatorit caracteristicilor structurale polimerii prezint particulariti i n comportarea la solicitri mecanice generate n special de mecanismele prin care se realizeaz deformarea acestora sub aciunea solicitrilor exterioare. Spre deosebire de solidele cristaline a cror deformare elastic se bazeaz pe modificarea reversibil a distanelor interatomice (ce se poate realiza n limite restrnse) iar deformarea plastic presupune alunecarea pe planele atomice, ruperea legturilor interatomice i refacerea lor n alte poziii (v. cap. 3), n cazul polimerilor deformrile se pot realiza prin mai multe mecanisme dup cum urmeaz: ndreptarea, desfurarea i decuplarea catenelor aa cum sugereaz schema din figura 11.8; alunecarea relativ a catenelor; modificarea distanelor dintre monomeri; ruperea legturilor intermoleculare; Primele dou mecanisme se pot realiza la valori sczute ale solicitrilor, ceea ce explic deformabilitatea ridicat a termoplastelor i elastomerilor care au structuri liniare i ramificate; ultimele dou mecanisme necesit solicitri mai ridicate i se ntlnesc n cazul duroplastelor cu structur reticular sau n cazul238

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

polimerilor liniari cu grade ridicate de cristalinitate la care s-a realizat o orientare preferenial a lanurilor moleculare; aceste particulariti sunt ilustrate i de curbele CCCT schematizate n figura 11.9 din care rezult c domeniul dependenei liniare dintre tensiuni i deformaii (poriunea liniar a curbelor) este redus chiar i n cazul polimerilor cu rezisten mecanic mai ridicat. Mecanismele complexe prin care se produce deformarea polimerilor genereaz comportri particulare ale acestora sub aciunea solicitrilor. Vscoelasticitatea reprezint capacitatea polimerilor de a cpta deformaii elastice variabile n timp sub aciunea solicitrilor constante i este caracterizat de urmtoarele aspecte ilustrate schematic n figura 11.10: la solicitarea corespunztoare unei tensiuni 0, se produce o deformare elastic iniial la valoarea 0 n conformitate cu legea lui Hooke (v. cap3); meninnd ncrcarea constant materialul continu s se deformeze cu viteze din ce n ce mai mici pn la atingerea unei stri staionare (similar fluajului primar al materialelor metalice); deformaia corespunztoare acestei etape are o component elastic r i o component plastic p imediat dup ncetarea solicitrii dispare deformaia iniial 0, iar ulterior deformaia se reduce treptat n timp pn la valoarea p, care care rmne permanent (v. fig. 11.10).

Fig. 11.8. Mecanismul deformrii polimerilor liniari prin ndreptarea i desfurarea catenelor

Caracteristica esenial a comportrii vscoelastice este existena deformaiei elastice reversibile r, a crei variaie cu timpul se determin cu relaia:

n care 0 este tensiunea constant corespunztoare solicitrii, E modulul de elasticitate, iar r constanta de relaxare se definete prin relaia; r = , (11.5) E n care este vscozitatea; n mod obinuit, existena deformaieie elastice reversibile a polimerilor se evideniaz pe cale experimental.239

r = 0 (1 e r ) , E

(11.4)

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Fig. 11.9. Curbele caracteristice convenionale la traciune (CCCT ale unor polimeri

Fig. 11.10. Variaia deformaiei n timp a polimerilor cu comportare vscoelastic

n legtur cu comportarea vscoelastic a polimerilor este i variaia cu temperatura a modulului de elasticitate E aa cum se observ din figura 11.11 n care se prezint calitativ aceast dependen pentru principalele tipuri de polimeri. Analiznd aceste reprezentri se constat c variaia cea mai mare o au polimerii cu structur liniar (termpoplastele); prin reticulare (duroplastele) sau prin texturare cristalin, variaiile devin din ce n mai mici (v. fig. 11.11 a,b,c); n cazul elastomerilor a cror temperatur Tv se afl sub temperatura ambiant, se constat c acetia i menin modulul de elasticitate aproape nemodificat pn aproape de temperatura de curgere(v. fig. 11.11d); datorit limitelor largi n care variaz modulul de elasticitate pentru reprezentrile respective se utilizeaz coordonatele logaritmice.

Fig. 11.11. Variaia modulului de elasticitate E cu temperatura pentru: a termoplaste amorfe; b polimeri reticulari (duroplaste); c termoplaste cristaline; d elastomeri 240

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

Deoarece modulul de elasticitate este o caracteristic ce arat rezistena opus de corpuri la deformare, din studiul variaiei acestuia cu temperatura rezult informaii necesare att la stabilirea condiiilor n care pot fi exploatate piesele din polimeri ct i pentru proiectarea proceselor tehnologice de fabricaie ale acestora. Relaxarea tensiunilor este fenomenul de reducere treptat a tensiunilor n timp, n cazul solicitrilor la care deformaiile rmn constante. Mecanismul relaxrii tensiunilor n cazul polimerilor este curgerea plastic ce are loc ca urmare a modificrii poziiei relative a moleculelor lanurilor prin alunecri succesive n urma crora componenta elastic a deformaiei totale (ce rmne constant) se micoreaz i crete componenta plastic. Variaia tensiunilor n timp este dat de relaia: , (11.6) n care 0 este tensiunea iniial, iar rt este constanta de relaxare a tensiunilor, care reprezint durata necesar atingerii unei anumite tensiuni prin relaxare; n mod uzual, pentru definirea rt se consider una din condiiile: = 0 e 1 sau = rt ln 2 , (11.7) caracteristica rt rezultnd pe curba de relaxare =f() determinat experimental pentru un tip de material analizat. ncercrile mecanice i caracteristicile prin care se apreciaz proprietile polimerilor se definesc i se determin prin metode similare celor aplicate n cazul materialelor metalice. Particularitile structurale i de comportare mecanic (starea amorf sau parial cristalin, gradul de orientare a macromoleculelor gradul de reticulare, tensiunile reziduale, influena puternic a istoriei termomecanice) fac ca ncercrile polimerilor s difere totui prin geometria i dimensiunile epruvetelor, tipul i dimensiunile dispozitivelor de fixare i de solicitare a epruvetelor, mijloacele i metodele de msurare utilizate, ceea ce a impus elaborarea unor standarde specifice dedicate acestor ncercri; n tabelul 11.1 se prezint principalele tipuri de ncercri mecanice i termomecanice i standardele dup care se execut. La efectuarea ncercrilor mecanice ale polimerilor trebuie s se in seama i de faptul c proprietile lor sunt mult mai puternic afectate de factorii de mediu, astfel c se reglementeaz prin norme condiionarea epruvetelor adic meninerea lor n condiii standard de temperatur i umiditate relativ o durat suficient pentru atingerea echilibrului higrometric; de exemplu STAS 5794 prevede pentru condiionare i ncercare dou atmosfere standard: atmosfera standard normal 23/50 adic temperatura de 23 oC i umiditatea relativ de 50 % i atmosfera standard pentru zone tropicale 27/65 (27 oC i 65 %);rt

= 0e

241

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

duratele de condiionare difer de la o ncercare la alta i sunt cuprinse n majoritatea cazurilor ntre 24 i 96 de ore. n cazul materialelor care ating echilibrul higrometric dup durate lungi, se admite condiionarea accelerat la temperaturi de 5095 oC i umiditatea relativ 50 %, cu condiia ca la temperatura respectiv materialul s nu sufere transformri ireversibile.Tabelul 11.1 Principalele ncercri ale polimerilor

Tipul ncercrii

Denumirea ncercriiTraciune

Standardele dup care se executSR EN ISO 527, SR EN ISO 8256, STAS 6642 SR EN ISO 604, STAS 6765 STAS 9182 SR EN ISO 8067, STAS 6127 SR ISO 178, STAS 5874, STAS 9775 STAS 5801, STAS 6175, STAS 7310 SR EN ISO 2039, SR ISO 868, STAS 5871, STAS 8826 SR EN ISO 899, SR ISO 6602, STAS 9046 ISO 2285*, ISO 12244* SR EN ISO 4599 NF T 51-120*, ASTM D 671 SR ISO 75 STAS 6174 SR ISO 306 ISO 974, ISO 8570, STAS 9594

ncercri de scurt durat (instantanee)

Compresiune Forfecare Sfiere Incovoiere static. Incovoiere prin oc Duritate Fluaj

Relaxare Tensofisurare ntr-un mediu dat Oboseal Temperatura de ncovoiere sub sarcin ncercri Stabilitatea termic termomecanice Temeperatura de nmuiere Temperatura de fragilizare * Nu exist standarde echivalente SR sau STAS

ncercri de lung durat

De asemenea, obinerea epruvetelor pentru ncercrile mecanice ale polimerilor poate fi diferit de cazul materialelor metalice deoarece polimerii se livreaz i sub form de material granular sau n stare lichid nu numai sub form de semifabricate sau piese finite. n aceste situaii, se reglementeaz prin standarde formarea epruvetelor prin injecie, prin presare sau prin turnare. Epruvetele din semifabricate sau piese se obin prin prelucrri mecanice ai cror parametri tehnologici sunt riguros prescrii i controlai astfel nct s se evite abaterile dimensionale i prezena concentratorilor de tensiuni care pot apare mult mai uor datorit duritii sczute a polimerilor i au influen mult mai mare asupra comportrii la rupere a acestora dect n cazul materialelor metalice. Cteva aspecte privind ncercrile uzuale i caracteristicile determinate vor fi prezentate n continuare. a) ncercarea la traciune se realizeaz conform SR EN ISO 527 pe242

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

epruvete plate de forma celor prezentate n figura 11.12 n funcie de tipul materialului dup cum urmeaz: cele din figura 11.12 a pentru materiale termoplaste cu alungire redus, cele din figura 11.12 b,c pentru materiale termorigide, iar cele din figura 11.12 d pentru folii i materiale termoplaste cu alungirea mare. Maina pe care se execut ncercarea trebuie s fie capabil s realizeze ncrcarea cu viteze de 0,2600 mm/min, s aib cursa mare (pn la 1000 mm) i mijloace de msurare a deplasrilor att de mari.

Curba caracteristic convenional la tractiune CCCT se definete la fel ca n cazul materialelor metalice i prezint aspecte diferite n funcie de tipul materialului (v. fig. 11. 9), cel mai frecvent ntlnindu-se curbe de tipul celor prezentate n figura 11.13 a.,unde s-au figurat i aspectele pe care le capt epruveta pe parcursul ncercrii; aceast comportare este specific materialelor termoplaste ncercate la temperatura ambiant; curbe de tipul celei prezentate n figura 11.13 b sunt caracteristice materialelor polimerice cu tenacitate bun, dar care nu prezint o limit de curgere aparent. Analiznd CCCT din fig.11.13 a se constat c pentru solicitri mici, corespunztoare poriunii OA a curbei, materialul prezint elasticitate liniar (este valabil legea lui Hooke), iar pentru solicitrile corespunztoare poriunii AB comportarea elastic devine neliniar. Reducerea tensiunii pe poriunea BC este aparent, deoarece, ncepnd de la solicitarea corespunztoare puctului B, pe epruvet apare o gtuire pronunat, seciunea real fiind mult mai mic dect cea convenional. n continuare se produc deformaii fr creterea tensiunii (poriunea CD a curbei), deoarece zona gtuit se extinde pe aproape toat243

Fig 11.12. Epruvetele pentru ncercarea la traciune a polimerilor, conform SR EN ISO 527: a epruveta tip 1; b epruveta tip 2; c epruveta tip 4; d epruveta tip 5

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

lungimea calibrat a epruvetei (v. fig. 11.13 a); fenomenul se explic prin faptul c la aceste solicitri are loc descolcirea, ndreptarea i orientarea catenelor dup direcia de solicitare. La epuizarea capacitii de deformare prin acest mecanism tensiunea ncepe s creasc, deoarece continuarea deformrii presupune mrirea distanelor dintre monomerii lanului (realizat cu consum de energie mai mare) pn n momentul ruperii (poriunea DE a curbei CCCT). Prin ncercarea la traciune a polimerilor se determin n mod uzual urmtoarele caracteristici: modulul de elasticitate E (modulul lui Young) este panta poriunii liniare a CCCT - la fel ca n cazul materialelor metalice (v. scap 3.4); deoarece poriunea liniar a CCCT n cazul polimerilor este foarte redus, iar uneori chiar poate lipsi, modulul lui Young se determin conform SR EN ISO 527 ca pant a dreptei care trece prin punctele de pe CCCT corespunztoare deformaiei totale de t = 0,25 % i t = 0,5 %; n cazul elastomerilor se determin modulul de elasticitate secant definit ca fiind panta dreptei ce unete originea cu un punct de pe CCCT care corespunde unei deformaii totale date (uzual 100 %, 200 % sau 300 % n funcie de standardul dup care se execut ncercarea);

Fig 11.13. CCCT tipice pentru polimeri: a cu limit de curgere aparent; b fr limit de curgere aparent

limita de curgere aparent se determin pentru materiale a cror CCCT este de tipul celei din figura 11.13 a, distingndu-se limita de curgere aparent superioar ReH (tensiunea corespunztoare punctului B de pe CCCT) i limita de curgere inferioar aparent ReL (tensiunea corespunztoare punctului C de pe CCCT); limita de curgere convenional Rp se determin pentru materiale a cror curb caracteristic este de tipul celei din figura 11.13 b i este definit de244

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

SR EN ISO 527 ca fiind tensiunea corespunztoare unei deformaii totale t = x % convenional alese; alte standarde definesc limita de curgere convenional ca fiind tensiunea corespunztoare unei deformaii remanente de 0,11 %, caz n care se determin ducnd o paralel la poriunea liniar a CCCT prin punctul corespunztor deformaiei remanente date (v. fig. 11.13 b); rezistena la rupere Rm este tensiunea corespunztoare punctului E de pe CCCT, adic: F (11.8) Rm = r , S0 unde Fr este fora de traciune n momentul ruperii, iar S0 este seciunea iniial a epruvetei; innd seama de modul n care este definit Rm n cazul polimerilor i de faptul c pn la rupere materialul sufer deformaii ce pot depi 1000 % aceast caracteristic nu poate fi utilizat la dimensionarea pieselor; alungirea procentual la limita de curgere Ac este deformaia specific total corespunztoare limitei de curgere aparente ReH; aceast caracteristic mpreun cu limita de curgere sunt importante pentru stabilirea comportrii pieselor din materiale polimerice deoarece arat care sunt deformaiile maxime pe care le poate suferi materialul fr modificarea seciunii (peste aceast solicitare apare gtuirea); alungirea procentual dup rupere Ar se definete i se determin la fel ca n cazul materialelor metalice. n cazul materialelor polimerice reticulate sau cristalinizate, care au curba CCCT de tipul celei prezentat n figura 11.9, prin ncercarea la traciune se pot determina numai modulul de elasticitate E, rezistena la rupere Rm, i alungirea dup rupere Ar, fenomenul de curgere plastic fiind practic inexistent. b) ncercrile de duritate ale polimerilor se bazeaz pe aceleai principii ca i n cazul determinrii duritii metalelor, cu particulariti impuse de valorile mai sczute ale duritii i de comportarea vscoelastic a polimerilor. Cele mai utilizate metode sunt; determinarea duritii prin penetrare cu bil STAS 5871 se realizeaz folosind ca penetrator o bil de oel cu diametrul D = 5 mm, fora de apsare Fm = 49 N, 138 N, 358 N, 490 N sau 961 N fiind aplicat o durat = 30 s, dup care se msoar adncimea de ptrundere a penetratorului h; duritatea H (n N/mm2) se definete ca i duritatea Brinell a materialelor metalice, cu deosebirea c aria urmei se calculeaz pe baza adncimii de ptrundere a penetratorului: F (11.9) H= m Dh determinarea duritii prin metoda Rockwell este la fel ca la materialele metalice, cu meniunea c se folosesc scrile Rockwell R, L, M, E sau245

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

K, ce difer prin diametrul D al pentratorului (de tip bil de oel) i mrimea forei suplimentare F1 (v. scap 3.10), fora iniial F0 fiind aceeai (98,1 N); n tabelul 11.2 se prezint valorile diametrelor penetratoarelor i valorile forei totale de apsare (ce se menine o durat de 10 s); se precizeaz c dintre aceste scri, cele mai utilizate sunt scrile R i M.Tabelul 11.2. Caracteristicile scrilor de duritate Rockwell conform STAS 8826 Caracteristici Diametrul bilei D, mm Fora total F0+F1, N (kgf) R 12,7 588,4 (60) Scara duritii Rockwell L M E 6,35 6,35 3,175 588,4 981 981 (60) (100) (100) K 3,175 1471 (150)

determinarea duritii prin metoda Shore se bazeaz pe utilizarea unui penetrator tronconic sau conic, ce este apsat de un resort calibrat pe suprafaa probei i msurarea adncimii lui de ptrundere; durimetrul Shore este un dispozitiv portativ astfel construit nct penetratorul (de forma i dimensiunile prezentate n figura 11.14) acioneaz prin presarea plcii de baz a dispozitivului pe suprafaa probei i este prevzut cu un aparat indicator gradat de la 0 la 100, 0 corespunznd situaiei n care penetratorul ar ptrunde complet n material, iar 100 situaiei cnd nu ar ptrunde deloc n material (prin presare, faa frontal a penetratorului ajunge n planul feei frontale a plcii de baz (v. fig. 11.14); duritatea Shore astfel definit este o mrime convenional, ce poate fi utilizat numai ca un criteriu de recepie a materialelor; datorit comportrii vscoelastice a polimerilor, standardul SR ISO 868 prevede determinarea fie a unei duriti instantanee, caz n care citirea trebuie s se fac n cel mult 1 s de la apsare, fie a unei duriti ce corespunde unei durate de 15 s de la apsare; duritatea determinat cu aparatele prevzute cu penetratorul din figura 11.14 a se numete duritate Shore A i se utilizeaz n cazul termoplastelor moi i elastomerilor, iar duritatea determinat cu penetratorul prezentat n figura 11.14 b se numete duritate Shore D i se utilizeaz n cazul materialelor polimerice dure;

Fig. 11.14. Penetratoarele durimetrelor Shore: a penetrator Shore A; b penetrator Shore D 246

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

determinarea duritii prin metoda Barcol STAS 11333 se bazeaz pe acelai principiu ca i metoda Shore, cu diferena c diametrul i lungimea penetratorului sunt mai mici (D = 0,157 mm, H = 0,76 mm), astfel c unei uniti de duritate Barcol i corespunde o adncime de ptrundere de 0,0076 mm; condiiile privind starea suprafeei probei (lipsa craterelor, impuritilor, zgrieturilor) sunt din acest motiv mai severe n cazul metodei Barcol. O coresponden aproximativ ntre duritile determinate prin metodele Rockwell i Shore (metodele care au cea mai larg utilizare) este prezentat n figura 11.15.

Fig. 11.15. Comparaie ntre scrile de duritate definite prin diferite metode

c) ncercrile la rupere prin oc se aplic n special materialelor termoplaste dure, materialelor termorigide i materialelor compozite (v. cap 12) i se difereniaz n principal dup tipul solicitrii (ncovoiere sau traciune) i dispozitivului utilizat pentru ncercare. metoda Charpy - STAS 5871, utilizeaz ciocanul pendul Charpy de tipul celui folosit i la metale (v. fig. 3.18.), cu precizarea c energia maxim este de pn la 50 J; epruveta uzual este epruveta tip 1, cu forma i dimensiunile prezentate n figura 11.16 a, dar se poate efectua i pe epruveta cu cresttur dubl (fig. 11.16 b), caz n care lovitura se aplic pe faa perpendicular pe cresttur; caracteristica mecanic determinat este reziliena (v. scap. 3.7), exprimat n J/m2;247

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

metoda Izod STAS 7310 const din ruperea unei epruvete cu cresttur, ncastrat la unul din capete, printr-o lovitur aplicat cu un ciocan pendul la captul liber, fie pe faa cu cresttur, dup schema prezentat n figura 11.17 a (ncercare normal), fie pe faa opus crestturii (ncercare cu cresttura inversat); epruveta uzual este epruveta de tip 1 utilizat la metoda Charpy (v. fig. 11.16), fiind acceptate numai dou tipuri de crestturi: cu r = 0,25 mm sau cu r =1 mm, ce se practic pe limea b a epruvetei; caracteristica mecanic determinat este rezistena la oc Izod , definit la fel ca reziliena n cazul metodei Charpy i exprimat tot n J/m2;

metoda Dynstat STAS 6175 are la baz aceeai schem de ncercare ca metoda Izod, cu diferena c epruvetele utilizate au dimensiuni mult mai mici (Lxbxh = 15x10x3 mm), iar energia maxim de lovire este de pn la 2 J; d) ncercrile la fluaj ale polimerilor constau din solicitarea pe durate ndelungate cu sarcini constante n condiii de temperatur i umiditate controlate; aceste ncercri sunt mai frecvente n cazul polimerilor dect n cazul materialelor metalice deoarece fluajul are loc la temperaturi apropiate de temperatura ambiant, astfel c i ncercrile se efectueaz de cele mai multe ori n condiii de atmosfer standard normal 23/50; solicitrile pot fi la traciune, (STAS 9046) sau la ncovoiere (SR ISO 6602), rezultatele fiind prezentate sub forma curbelor de fluaj = f(), (timpul la scar logaritmic) pentru diferite valori ale tensiunilor (v. fig. 11.18); cu ajutorul curbelor de fluaj se pot determina, folosind metodele sugerate n figura 11.18, urmtoarele dependene:248

Fig. 11. 16. Epruvetele pentru ncercrile la ncovoiere prin oc ale polimerilor; a normal; b cu cresttur dubl

Fig 11.17 Schemele ncercrii la ncovoiere prin oc Izod; a normal; b cu cresttura inversat

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

curbele izocronice tensiune deformaie, care permit stabilirea deformaiei dup o anumit durat de expunere la o solicitare dat; curbele izometrice tensiune timp, care permit stabilirea timpului dup care deformaia atinge o anumit valoare la o solicitare dat; curbele modulului de fluaj Ef(), care, pentru o tensiune constant, se determin cu relaia: (11.10) E f ( ) = , ( ) n care () este valoare deformaiei epruvetei solicitate cu tensiunea , dup o durat de solicitare.

Fig. 11.18. Curbele de fluaj = f() i curbele derivate din acestea: a curbe de fluaj; b curba izometric; c curba izocronic; d curba modulului de fluaj

Criteriile dup care se apreciaz scoaterea din uz a pieselor din materiale polimerice depind de tipul materalului i de rolul funcional al piesei. Aceste criterii pot fi: ruperea, n cazul materialelor fragile; creterea pronunat a deformaiilor (fluajul accelerat);249

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

atingerea unei deformaii critice (a crei valoare este uzual sub 1%); apariia unor microfisuri sau modifcarea culorii (albirea suprafeei). Duratele ncercrilor de laborator sunt rareori apropiate de cele reale deoarece duratele de serviciu n unele cazuri depesc 50 de ani (de exemplu reelele de conducte). n aceste situaii se aplic metode speciale de extrapolare a rezultatelor obinute prin ncercri la durate mai mici (de obicei 6 luni sau 1 an).

11.5. Principalele tipuri de materiale polimerice11.5.1. Aditivii materialelor polimericen practic se utilizeaz materiale pe baz de polimeri care conin i alte substane introduse n scopul mbuntirii anumitor proprieti i/sau al reducerii costului; materialele care au la baz polimeri termoplastici sau polimeri termorigizi sunt cunoscute sub denumirea generic de materiale ( mase) plastice. Principalele tipuri de substane introduse n polimerii de baz sunt urmtoarele: plastifianii, care micoreaz interaciunea dintre catene, astfel c segmentele de lanuri moleculare devin mai mobile i comportarea vscoelastic se mbuntete; agenii de reticulare, care creaz puni de legtur ntre catene i astfel se mbuntesc proprietile de elasticitate i de rezisten; pornind de la acelai polimer n funcie de gradul de reticulare se pot modifica proprietile n limite foarte largi; materialele de umplutur, care nu reacioneaz de obicei cu polimerul de baz, ci se distribuie uniform prin amestecare mecanic n masa de baz i contribuie astfel la creterea rezistenei mecanice; se utilizeaz n mod curent ca materiale de umplutur talcul, praful de cret, caolinul, rumeguul de lemn, fibre textile sau celulozice etc.; negrul de fum (particule sferice de carbon cu structur hexagonal) utilizat i el ca material de umplutur are i rol activ nfluennd gradul de reticulare; coloranii, care introdui n materialele polimerice le coloreaz n mas prin amestecare mecanic. Pe lng aceste categorii de substane care nu lipsesc din nici un material plastic, se mai introduc n funcie de scop i alte categorii de substane cum ar fi: antistaticele, pentru reducerea electrizrii prin frecare, ignifuganii, pentru reducerea inflamabilitii, lubrifianii, pentru uurarea prelucrrii, fungicidele, pentru creterea rezistenei la atacul ciupercilor, antioxidanii, pentru creterea250

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

rezistenei la mbtrnire a materialelor polimerice etc. Pe baza celor artate se poate explica diversitatea extrem de mare a maselor plastice utilizate n prezent de societatea omeneasc. O ncercare de grupare a celor mai utilizate tipuri dup criteriul costului i al proprietilor este prezentat n figura 11.19, n care pentru costul relativ s-a luat ca baz (Cr = 1) costul polietilenei, unul dintre cei mai utilizai polimeri.

Fig. 11.19. Principalele categorii de mase plastice

11.5.2. Materialele termoplasten aceast categorie sunt incluse materialele plastice la care polimerul de baz este un termoplast; principalele termoplaste i caracteristicile lor mai importante sunt prezentate n tabelul 11.3. Dup structura lanului molecular, termoplastele pot fi grupate n dou categorii: polimeri la care linia principal a lanului molecular este format numai din atomi de carbon, atomii diferii sau radicalii atandu-se prin legturi laterale; din aceast categorie fac parte: poliolefinele (PE, PP), polimerii vinilici (PVC, PS), polimerii acrilici (PAN, PMMA) i fluoroplastele (PTFE); polimeri care au n componena liniei principale a lanului i ali atomi (de obicei N, O, Si) sau cicluri benzenice; din aceast categorie fac parte poliesterii (PET, PBT), poliamidele (PA), policarbonaii (PC), acetalii (POM) etc.251

Tabelul 11.3. Principalele caracteristici ale unor materiale termoplaste Denumirea materialului Polietilen de joas densitate Polietilen de mare densitate Polipropilen Polistiren Policlorur de vinil rigid Policlorur de vinil plastifiat Polimetacrilat de metil (plexiglas) Policarbonat Poliamida 66 (Nylon 66) Polioximetilena (acetal) Polietilen teraftalat (rin poliesteric) Politetrafluor etilena (teflon) Poliacrilonitril (rin acrilic) Acrilonitril/butadien /stiren Acetat de celuloz (celuloid) Simbol PELD PEHD PP PS , kg/m3 910940 950965 900910 E, N/mm2 120500 4201400 5001900 R m, N/mm2 516 Ar, % 200600 Tv, o C 75 75 10 85100 Tc, o C 115 130 170 Observaii cristalinizat 4055 % elastic, rezistent cristalinizat. 6080 % elastic rezistent cristalinizat. 6070 % mai rigid dect PE amorf; dur i fragil amorf; rigid, sensibil la zgrieturi compus vinilic amorf; flexibil, elastic amorf; rigid dur i rezistent la zgrieturi amorf; rigid i rezistent la oc cristalinizat < 60 %; dur, rezistent i rigid cristalinizat < 75 %; rigid, elastic, rezistent amorf sau cristalinizat 3040%; stabil dimensional cristalinizat < 70 %; coeficient de frecare redus compus acrilic; se trage uor n fibre amestec de butadien-stiren (elastomer) i stiren-acrilonitril (termoplast) modificaie chimic a celulozei (polimer natural)

2040 7001300 3050 2001000 575 1050 200500 410 80120 4060 3575

10401100 28003500 2050

PVC dur 1360...1400 15003500 4060 PVCP 1150...1250 moale PC PA 66 POM PET PTFE PAN ABS CA 1030

125 175 75105 212 40 150 225 230 250 170 255 330 320

PMMA 11801220 27003500 6080 1150...1250 2350...2450 1120...1180 9002800 5070 5080

90105 150 55 50 73

1370...1430 30003500 6070

13201390 20002500 4060 1002300 21002250 350800 2040

250500 85...125 35 10140 5100 107 125 120

1100...1200 35004000 5060 10401700 9002800 1250...1350 8002400 2060 2550

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

Comportarea termoplastelor deasupra temperaturii Tv depinde de starea structural a acestora; termoplastele amorfe ( PVC, PS, PC) se comport vscoelastic imediat deasupra lui Tv, iar la o nclzire mai mare curg plastic; termoplastele cu cristalinitate parial (PE, PP, PA) au proprieti de rezisten elasticitate care le permit meninerea formei pn la temperatura Tc (v. fig. 11.6); peste aceast temperatur masa cristalin trece n stare amorf i materialul curge plastic (stare vscoas), vscozitatea scade pe msur ce crete temperatura atingnd la un moment dat valorile corespunztoare lichidelor. n figura 11.20 se prezint simplificat domeniile de stare, n funcie de temperatur, ale unor termoplaste.

Fig. 11.20. Domeniile de stare ale unor materiale termoplaste

Termoplastele se utilizeaz ca materiale structurale n tehnic datorit caracteristicilor mecanice de rezisten relativ bune i caracteristicilor de tenacitate care n unele cazuri sunt foarte bune, ceea ce face ca piesele realizate s fie rezistente la ocuri. Proprietatea lor de a putea suferi renclziri n domeniul de curgere de un numr nelimitat de ori n vederea prelucrrii contribuie, de asemenea, la extinderea utilizrii lor. Principalele dezavantaje sunt legate de temperaturile relativ sczute pn la care pot fi utilizate (v. tabelul 11.3) Excepie253

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

fac fluoroplastele (teflonul), care, datorit structurii lanului (atomii de H din lanul polietilenei sunt nlocuii de atomi de F), au stabilitate pe un interval mare de temperaturi (v. tabelul 11.3); deoarece proprietile lor de curgere sunt slabe, se prelucreaz prin metodele metalurgiei pulberilor (v. cap.13). Termoplastele se utilizeaz n tehnic pentru conducte, piese cu solicitri moderate i supuse la ocuri, lagre, angrenaje, materiale electroizolante etc.

11.5.3. Materialele termorigideProprietile caracteristice maselor plastice termorigide (numite i duroplaste) sunt date de structura reticular a polimerului de baz care intr n compoziia lor. Starea iniial a acestor polimeri obinui prin policondensare este de polimerizare incomplet, cu catene ramificate; n timpul fabricrii obiectelor se produce reticularea spaial prin intermediul legturilor principale ale lanurilor moleculare prin activare termic sau prin activare chimic (introducerea unui agent de ntrire), astfel c dup prelucrare materialul capt proprieti de rezisten i duritate ce se menin la o renclzire ulterioar pn la temperatura de descompunere. Principalele tipuri de materiale polimerizate termorigide i cteva caracteristici ale lor sunt prezentate n tabelul 11.4.Tabelul 11.4. Principalele caracteristici ale unor polimeri termorigizi Polimerul Fenoplaste ( PF) rini fenol formaldehidice (bachelitice) Aminoplaste (UF) rini ureo- aldehidice Melamine (MF) rini melamin-formaldehidice Rini poliesterice nesaturate (UP) , kg/m3 1250 R m, N/mm2 E, A,% kN/mm2 r Caracterizare

1550

1700

1250

Rini epoxidice (EP)

1200

* dure, fragile, culoare nchis, higroscopice i nerezistente la ap 3555 5,27,0 1,25 fierbinte; utilizate pentru piese presate sau turnate, ca matrice pentru materiale compozite * dure, fragile, culoare deschis; utilizate ca rini pentru presare i 3570 710 0,75 laminare, adezivi, forme de turnare etc. * proprieti asemntoare cu ale UF, dar mai puin sensibile la 3565 67 zgriere; utilizate ca materialele de acoperire * dure i fragile pn la elastice n 4090 6,28,3 3 funcie de gradul de reticulare; utilizate ca rini de presare * dure i fragile pn la elastice, rezistente la oc, stabile 5070 6,57,5 dimensional; utilizate ca rini de turnare, adezivi, matrice pentru compozite 254

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

n tabelul 11.4 sunt indicate numai cteva utilizri specifice ale unor rini termorigide, gama ntrebuinrilor fiind mult mai extins, fapt ce se datoreaz n special caracteristicilor de rezisten mecanic ale acestor materiale. Proprietatea de termorigiditate este esenial n utilizarea rinilor din aceast categorie ca liani pentru amestecurile de formare din care se realizeaz formele pentru turnarea pieselor din materiale metalice; rinile destinate acestui scop pot fi cu ntrire la cald (rini aminoplaste termoreactive) i rini cu ntrire la rece, caz n care se folosesc rini fluide (lichid vscos) obinute prin policondensarea ureei cu formaldehid i alcool furfurulic (rini furanice), a cror ntrire se realizeaz prin adugarea unui agent de reticulare .

11.5.4. Materialele elastomerice (cauciucurile)Sunt substane macromoleculare a cror capacitate de deformare elastic se bazeaz pe structura constituit din lanuri moleculare lungi, ncolcite i slab reticulate aa cum a fost artat anterior (v.scap. 11.4.1 i fig. 11.8). Elasticitatea lor asemntoare cauciucului natural (poliizopren) a fcut ca denumirea de cauciuc s devin generic i s fie alturat denumirii elastomerului de baz (de exemplu, cauciuc nitrilic, cauciuc acrilic, cauciuc butilic etc.). n tabelul 11.5 se prezint elastomerii utilizati mai frecvent i cteva din caracteristicile acestora. Reticularea slab a elastomerilor (aa numita vulcanizare) este un proces activat termic (ti = 120150 oC), ce const din ruperea unor legturi duble din linia principal a lanului i realizarea unor legturi ntre lanurile macromoleculare prin puni constituite din atomi sau grupuri de atomi ai agenilor de reticulare (n mod uzual sulf, peroxizi sau amine), introdui n masa elastomerului, mpreun cu ali aditivi, n timpul proceselor tehnologice de fabricare a produselor. n figura 11.21 se prezint reacia de vulcanizare cu sulf a cauciucului natural; gradul de reticulare i implicit caracteristicile de rezisten i elasticitate sunt dependente de cantitatea de sulf; pentru cauciucurile uzuale se adaug 45 % sulf, ceea ce provoac desfacerea a cca 1030 % din legturile duble i legarea lanurilor prin puni de sulf, iar dac se introduce 45 % sulf, reticularea este complet, obinndu-se un material dur i fragil cunoscut sub numele comercial de ebonit. Materialele de umplere (negrul de fum, pulberea de silice (SiO2), talcul i praful de cret etc.) au rolul de a mbunti rezistena mecanic i de a ieftini produsele. Aditivii cei mai importani introdui mpreun cu materialele de umplere n cazul elastomerilor sunt antioxidanii, deoarece oxigenul i ozonul acioneaz n timp la fel ca ageni de reticulare, ceea ce are ca efect scderea elasticitii i fragilizarea materialului.255

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Fig. 11.21. Schema procesului de vulcanizare a cauciucului natural cu sulf Tabelul 11.5. Caracteristicile principale ale unor elastomeri Elastomerul Cauciuc natural (NR) Butadien stiren (SBR) Cauciuc butilic (IIR) Cauciuc nitrilic (NBR) Cloropren (CR) Polietilen clorosulfonat (CSM) Elastomeri polifluorurati (FPM) Cauciuc poliuretanic (EU) Cauciuc siliconic (Q) Grupa R m, N/mm2 425 425 415 418 420 412 715 1530 310 Ar, % 100600 100500 100800 100400 100500 100500 100200 100800 100400 Temperaturi de exploatarec i t max , oC t max , oC

tmin, oC 3060 2050 1040 1050 2050 2040 2040 020 5080

R

60 70 80 70 70 80 175 60 200

100 100 140 130 130 150 250 80 275

M U Q

c t max temperatura maxim de serviciu la expunere continu; i t max temperatura maxim de serviciu la expunere inermitent; Dup tipul lanului macromolecular elastomerii se mpart n patru grupe: grupa R cuprinde polimerii cu lan nesaturat ale cror proprieti se modific prin reticulare; grupa M cuprinde polimerii cu lan saturat; grupa U cuprinde poliuretanii; grupa Q cuprinde cauciucurile siliconice. Exemple de elastomeri din fiecare grup sunt date n tabelul 11.5, din care rezult c particulariti deosebite din punct de vedere al temperaturilor de serviciu prezint siliconii. Acestea sunt materiale polimerice la care linia principal a lanului molecular este lanul siloxanic, a crui structur este prezentat n figura 11.22 a; valenele libere ale lanului siloxanic pot fi completate cu radicali organici, obinndu-se diferite tipuri de materiale polimerice, numite generic polisiloxani, care pot fi liniari (v. fig. 11.22 b) sau reticulai (v. fig. 11.22 c).

256

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

Fig. 11.22. Structura chimic a siliconilor: a lanul siloxanic; b polisiloxan cu molecule liniare; c polisiloxan reticulat

Materialele pe baz de siliconi fac parte din categoria materialelor plastice de nalt performan (v. fig. 11.19), deoarece mbin proprietile de elasticitate ale materialelor organice cu stabilitatea termic i chimic a materialelor anorganice (de exemplu, pentru durate scurte, pot fi utilizate i la temperaturi de 800 oC); din acelai motiv i menin proprietile de elasticitate ntr-un interval mare de temperaturi, sunt neinflamabile, nehigroscopice, nu dezvolt gaze toxice prin ardere i ader la suprafeele metalice, fiind utilizate n industria aerospaial, la realizarea echipamentelor pentru zonele arctice etc. n funcie de tipul radicalilor ataai lanului siloxanic, de gradul de polimerizare i de gradul de reticulare, siliconii se pot prezenta sub form de materiale rigide, elastomeri (cauciuc siliconic), geluri, lacuri sau uleiuri siliconice.

Cuvinte cheieagent de reticulare, 235, 250 alungire la limita de curgere, 245 aminoplaste, 254 antioxidant, 250 antistatic, 250 atactic, 233 atmosfer standard, 241 condiionarea epruvetelor, 241 configuraie, 233 conformaie, 233 constant de relaxare, 239 copolimer, 233 statistic, bloc, grefat, 235 cristalite, 234 curba modulului de fluaj, 249 curb termo-mecanic, 236 curbe izocronice, 249 curbe izometrice, 249 257 dendrimer, 233 disproporionare, 231 duritate Barcol, 247 duritate Shore, 246 elastomeri, 237 fenoplaste, 254 fibril, 235 formare epruvete, 242 funcionalitate, 231 grad de cristalinitate, 234 grad de polimerizare, 230 homopolimer, 233 izotactic, 233 lan molecular (caten), 229 lan siloxanic, 256 mas molecular, 230 material de umplutur, 250 material elastomeric (cauciuc), 255

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR melamine, 254 monomer, 229 plastifiant, 250 poliadiie, 232 policondensare, 232 polidispersie, 230 polidispersitate, 231 polietilen, 229 polimer, 229 polimer reticulat, 235 polimerizare, 231 rini epoxidice, 254 rini poliesterice, 254 reacie n lan, 232 reacie n trepte, 232 relaxarea tensiunilor, 241 reziliena, 247 rezisten Dynstat la oc, 248 rezisten Izod la oc, 248 segment de lan molecular, 233 sferulit, 235 silicon., 256 sindiotactic, 233 steroizomer, 233 structur amorf, 234 temperatur de curgere, 236 termoplaste, 237 termorigide (duroplaste), 237 tranziie sticloas (vitroas), 236 vscoelasticitate, 239 vulcanizare, 255

Bibliografie1. Constantinescu D, Vasilescu D.S. i Ciocea N. Stiina materialelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983 2. Krawczak P. Essais mecaniques des plastiques, Techinques de lIngenieur, AM 3510, Paris, 1999 3. Mitelea I., Lugsheider E., Tillmann W. Stiina materialelor n construcia de maini, Editura Sudura, Timioara 1999 4. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1995 5. Shackelford J., Introduction to Materials Science for Engineers, Macmillan Publishing Company, New York, 1988 6. Smith Ch. O. The Science of Engineering Materials, Printice Hall, Inc. New Jersey, 1986 7. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, Sixt Edition, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989 8. Zecheru Gh. Tehnologia materialelor, partea a doua, IPG Ploiesti, 1985 9. * * * Htte, Manualul inginerului. Fundamente, Editura Tehnic, Bucureti, 1995 10. * * * Culegere de standarde romne comentate CSCM Mp4, Materiale plastice. Terminologie i metode de analiz i ncercri, OIDCM, Bucureti, 1998 11. * * * Culegere de standarde romne comentate CSCM Mp5, Materiale plastice. Materiale termoplastice i materiale termorigide, OIDCM, Bucureti, 1998258

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

Teste de autoevaluareT.11.1. Care dintre urmtoarele afirmaii despre polimeri sunt adevrate: a) sunt substane organice micromoleculare care conin mai multe componente; b) sunt compui chimici (n marea majoritate a cazurilor organici) cu molecule de dimensiuni mari; c) numrul de monomeri din lanul macromolecular reprezint gradul de polidispersie molecular; d) numrul de uniti structurale din lanul macromolecular reprezint gradul de polimerizare? T.11.2. Care dintre afirmaiile urmtoare despre reacia de polimerizare sunt advrate: a) este o reacie n trepete care necesit activare energetic la fiecare secven; b) este o reacie n lan ce se iniiaz n prezena unei substane introduse special n acest scop; c) prin polimerizare se obin substane a cror compoziie chimic difer de a monomerilor din care provin; d) n timpul procesului de cretere a catenelor ambele capete ale lanului sunt libere? T.11.3. Cum se realizeaz ntreruperea reaciei de polimerizare: a) prin introducerea unui radical care reacioneaz cu monomerii liberi i consum energia necesar continurii reaciei de polimerizare; b) prin unirea capetelor libere a dou catene; c) prin rcirea brusc a amestecului de reacie; d) prin transferul de la un lan la altul a unui unui atom de H care reface legtura dubl C = C a monomerului? T.11.4. Prin ce se caracterizeaz reacia de policondensare: a) este procesul prin care dou molecule organice diferite reacioneaz pentru formarea unei molecule complexe; b) este procesul prin care dou molecule organice identice reacioneaz pentru formarea unei molecule complexe; c) polimerii obinui prin policondensare au compoziie chimic diferit de a monomerilor din care provin; d) creterea lanului macromolecular se realizeaz prin formarea de noi legturi n urma reaciilor de condensare (reacie n trepte)? T.11.5. Prin ce se caracterizeaz reacia de poliadiie: a) este procesul prin care dou molecule organice identice reacioneaz pentru formarea unei molecule complexe; b) este o reacie n lan la fel ca polimerizarea; c) este o reacie n trepte care decurge fr eliminarea unei substane cu molecula mic; d) polimerii care se formeaz prin poliadiie au de obicei n lanurile principale i ali atomi dect carbonul? T11.6. Care dintre afirmaiile urmtoare despre copolimeri sunt adevrate: a) sunt rezultatul unirii unor monomeri de acelai tip; b) sunt rezultatul unirii n lanul macromolecular a unor monomeri diferii; c)dup dispunerea monomerilor pot fi copolimeri statistici, copolimeri grefai i copolimeri bloc; d) dup259

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

dispunerea monomerilor pot fi: steroizomeri, copolimeri atactici sau copolimeri isotactici? T.11.7. La ce se refer noiunea de configuraie n cazul structurii polimerilor: a) la relaia de ordine a unitilor structurale n cadrul lanului macromolecular dat de legturile chimice; b) la forma pe care o capt lanurile macromoleculare; c) la gradul de ramificare a catenelor; d) la numrul i radicalilor liberi din unitatea structural? T.11.8. Care sunt tipurile de polimeri dup modul de dispunere a grupelor laterale fa de lanul principal: a) polimeri isotactici, polimeri statistici i polimeri grefai; b) polimeri isotactici, polimeri atactici i polimeri sindiotactici; c) polimeri liniari, polimeri reticulai i polimeri cristalini? T.11.9. La ce se refer noiunea de conformaie n cazul structurii polimerilor: a) la relaia de ordine a unitilor structurale n cadrul lanului macromolecular; b) la ordonarea pe anumite zone prin alinierea unor segmente de lan; c) la poziia relativ a doi monomeri vecini realizat prin rotirea n jurul legturii simple dintre atomii de carbon; d) la distribuia monomerilor diferii n cadrul lanului macromolecular? T.11.10. La ce se refer noiunea de sferulit n cazul structurii polimerilor: a) la formaiunile structurale constituite prin ncolcirea unui lan molecular; b) la forma moleculelor monomerilor din componena catenelor; c) la forma cristalitelor rezultate prin presare; d) la zonele cu structur complex ce ce rezult prin prin unirea mai multor fibrile n jurul unui nucleu? T.11.11. Care dintre afirmaiile urmtoare despre termoplaste sunt adevrate: a) sunt substane macromoleculare cu structura liniar sau ramificat, complet amorf sau parial cristalin; b) pot fi nclzite n vederea prelucrrii o singur dat; c) se utilizeaz numai n stare vitroas; d) pot fi nclzite n vederea prelucrrii de un numr nelimitat de ori ? T.11.12. Care dintre afirmaiile urmtoare despre termorigide sunt adevrate: a) sunt substane macromoleculare cu structura ramificat; b) sunt substane macromoleculare cu grad mare de reticulare; c) se prelucreaz ntr-o stare de polimerizare incomplet; la o renclzire ulterioar nu se mai atinge starea vscoas? T.11.13. Cum se comport elastomerii la nclzire: a) odat cu creterea temperaturii deformarea elastic se produce la solicitri mai mici; b) are loc nmuierea prin reducerea pronunat a vscozitii; c) i menin proprietile nalt elastice pn aproape de descompunere; d) se durific pe msur ce crete temperatura prin creterea gradului de reticulare? T.11.14. Care dintre mecanismele prin care se produce deformarea polimerilor sunt caracteristice termoplastelor i elastomerilor: a) ndreptarea, catenelor; b) ruperea legturilor intermoleculare; c)desfurarea i decuplarea260

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

catenelor; d) alunecarea relativ a catenelor? T.11.15. Care dintre mecanismele prin care se produce deformarea polimerilor sunt caracteristice termorigidelor: a) alunecarea relativ a catenelor; b) modificarea distanelor dintre monomeri; c) decuplarea catenelor; d) ruperea legturilor intermoleculare? T.11.16. Care dintre afirmaiile urmtoare despre vscoelasticitate sunt adevrate: a) este capacitatea polimerilor de a-i menine deformaia elastic la reducerea vscozitii; b) reprezint capacitatea polimerilor de a cpta deformaii elastice variabile n timp sub aciunea solicitrilor constante; c) materialul cu comportare vscoelastic se deformeaz la solicitare constant pn la atingerea unei stri staionare; d) materialul cu comportare vscoelastic se deformeaz la solicitare constant pn la rupere? T.11.17. n ce domeniu de temperaturi variaz puternic modulul de elasticitate E: a) la temperaturi T < Tv; b) la temperaturi T > Tc; c) la temperaturi t < ta; d) la temperaturi Tv < T >Tc? T.11.18. La care tip de polimeri se nregistreaz variaia cea mai mare a modulului de elasticitate E cu temperatura: a) la polimerii cu grad mare de cristalinitate; b) la polimerii puternic reticulai; c) la polimerii nereticulai; d) la polimerii cu structur complet amorf? T.18.19. n ce condiii are loc relaxarea tensiunilor n cazul polimerilor: a) n cazul solicitrilor la care deformaiile i temperatura se menin constante; b) n cazul solicitrilor la temperatur variabil; c) n cazul meninerii constante a temperaturii i a forelor exterioare; d) n cazul creterii temperaturii i meninerii constante a forelor exterioare? T.11.20. La ce se refer noiunea de condiionare a epruvetelor pentru ncercri mecanice: a) la prelucrarea mecanic n condiii care s asigure o anumit precizie i rugozitate a suprafeelor; b) la realizarea epruvetelor prin presare n condiii standardizate; c) la meninerea epruvetelor ntr-o atmosfer standard o durat suficient pentru atingerea echilibrului termic i higrometric? T.11.21. Care sunt caracteristicile mecanice determinate prin ncercarea la traciune ce prezint importan pentru proiectarea pieselor din materiale polimerice: a) rezistena la traciune Rm; b) alungirea procentual la curgere Ac; c) alungirea procentual la rupere Ar; d) limita de curgere aparent Re? T.11.22. Care dintre afirmaiile urmtoare despre metoda Shore de determinare a duritii polimerilor sunt adevrate: a) metoda se bazeaz pe utilizarea unui penetrator tronconic sau conic ce este apsat de un resort calibrat pe suprafaa probei; b) se msoar diametrul urmei lsate de penetrator pe suprafaa probei i se calculeaz duritatea ca raport dintre fora de apsare i aria urmei; c) se msoar adncimea de ptrundere iar scala de duritate Shore are 100261

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

de uniti, valoarea 0 corespunznd ptrunderii totale a penetratorului; d) duritatea Shore este o mrime convenional ce poate fi utilizat numai ca un criteriu de recepie a materialelor? T.11.23. Care dintre afirmaiile urmtoare despre metoda Izod de ncercare la ncovoiere prin oc sunt adevrate; a) se utilizeaz aceeai schem de solicitare ca la ncercarea Charpy, epruvetele fiind diferite; b) const din ruperea unei epruvete cu cresttur ncastrat la unul din capete printr-o lovitur cu un ciocan pendul aplicat la captul liber fie pe faa cu cresttur fie pe faa opus crestturii; c) caracteristica mecanic determinat este rezistena Izod la oc, definit ca fiind energia absorbit prin ruperea epruvetei i exprimat n J; d) caracteristica mecanic determinat este rezistena Izod la oc, definit la fel ca reziliena n cazul metodei Charpy i exprimat n J/m2? T.11.24. Care dintre afirmaiile urmtoare despre ncercrile la fluaj ale polimerilor sunt adevrate: a) ncercrile sunt mai frecvente n cazul polimerilor dect n cazul materialelor metalice; b) ncercrile se efectueaz numai prin solicitarea la traciune la temperaturi ridicate; c) ncercrile se efectueaz prin solicitarea la traciune sau la ncovoiere; d) ncercrile se efectueaz de cele mai multe ori n condiii de atmosfer standard normal 23/50? T.11.25. Care dintre urmtoarele mase plastice aparin termoplastelor: a) polietilena; b) poliamidele; c) aminoplastele; d) polistirenul? T.11.26. Care dintre urmtoarele mase plastice aparin termoplastelor: a) rinile acrilice; b)fenoplastele; c)policarbonaii; d) siliconii? T.11.27. Care dintre urmtoarele mase plastice aparin termorigidelor: a) fenoplastele; b)poliuretanii liniari; c) rinile alchidice; d) siliconii? T.11.28. n care dintre enumerrile urmtoare polimerii sunt n ordinea cresctoare a modulului de elasticitate (valoarea medie a intervalului de variaie): a) PE-LD, PP, PTFE, PET, PAN; b) PP, PAN, PE-LD, PET, PTFE; c) PE-LD, PTFE, PP, PET, PAN; d) PTFE, PAN, PE-LD, PET, PP? T.11.29. n care dintre enumerrile urmtoare materialele termoplaste sunt n ordinea cresctoare temperaturii de vitrifiere: a) PEHD, PVCP, PET, ABS, PC; b) PEHD, PET, PVCP, PC, ABS; c) PEHD, PP, PA66, PMMA, ABS; d) UP, PVCP, PET, ABS ,EP, MF? T.11.30. n care dintre enumerrile urmtoare materialele plastice termorigide sunt n ordinea descresctoare a rezistenei la rupere Rm: a) UF, MF, EP, UP, ABS; b) UP, EP, UF, MF, PF; c) POM, UF, MF, UP, ABS; d) UP, PP, PC, UF, MF,? T.11.31. n care dintre enumerrile urmtoare materialele elastomerice sunt n ordinea cresctoare a temperaturii maxime de serviciu la expunere continu: a) CR, IIR, NR, FPM; b) NR, CR, IIR, Q; c) EU, NBR, CSM, FPM; d) EU, CR, CSM, Q?262

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

AplicaiiA.11.1. S se calculeze gradul de polimerizare a unui lot de polietilen de mare densitate PEHD pentru care s-a determinat experimental o mas molecular medie de 90000 g/mol Rezolvare Gradul de polimerizare n se determin cu relaia (11.1), calculnd mai nti masa monomerului etilen (C2H4) cu datele din tabelul 1.1 (v. cap.1): M C 2 H 4 = 212,01 + 41,01 = 28,06 g/mol ; aplicnd relaia (10.1), se obine: 90000 3207 . 28,06 A.11.2. Determinrile experimentale de mas molecular asupra unei probe de polimer au condus la datele prezentate n coloanele 1 i 2 ale tabelului 11.6; utiliznd aceste date, s se calculeze masa molecular medie n funcie de fracia masic ( M m ) i masa molecular medie n funcie de fracia numeric ( M n ). n=Tabelul 11.6. Datele iniiale i rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.11.2 Intervalul maselor moleculare, g/mol Numrul de lanuri Ni Masa molecular medie pe interval Mi, g/mol

Ni M i

N i M i2

(0 ; 10000] 330 5000 495104 0,8251010 1600 15000 240105 361010 (10000 ; 20000] (20000 ; 30000] 2400 25000 600105 1501010 (30000 ; 40000] 700 35000 245105 85,751010 150 45000 675104 30,3751010 (40000 ; 50000] Rezolvare Pentru calculul celor dou mrimi prin care se poate caracteriza masa molecular medie a polimerului se utilizeaz relaiile (11.2) i (11.3); se calculeaz mai nti masa molecular medie Mi pentru fiecare interval, produsele NiMi i N i M i2 i se completeaz coloanele corespunztoare din tabelul 11.6 Cu valorile astfel determinate, rezult: = 5180 ; N i M i = 12020 10 4 ; Aplicnd relaiile (11.2) i (11.3) rezult :

Ni

N i M i2 303 1010 .

Mm =

25208 g/mol i M n = 12020 10 4263

303 1010

12020 10 4 23205 g/mol. 5180

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

A.11.3. O band de cauciuc cu (seciunea dreptunghiular) este supus la traciune, astfel nct n band se genereaz tensiuni normale de ntindere 0 = 11 N/mm2, dup care capetele benzii se fixeaz. Banda se menine n aceast stare la ta o durat 0 = 2 zile, dup acest timp tensiunile din band atingnd nivelul 1 = 5,5 N/mm2. S se determine constanta de relaxare a tensiunilor pentru aceast band i intensitatea tensiunilor din banda de cauciuc dup meninerea n poziia ntins o durat 1 = 90 zile. Rezolvare Constanta de relaxare a tensiunilor pentru banda de cauciuc se poate determina cu ajutorul relaiei (11.6), prelucrat, innd seama de datele din enunul aplicaiei, sub forma: rt = 0 ; nlocuind datele din enun se obine ln 0 1 42 rt = = 60,6 zile. Dup meninerea benzii n poziie ntins o durat 1 = 90 zile, 11 ln 5,5 tensiunile se relaxeaz la nivelul = 0 e 1 rt

= 11e

90 60,6

2,5 N/mm2, acelai

rezultat putnd fi obinut i astfel: = 1e = 5,5e 2,5 N/mm2. A.11.4. Relaia dintre viteza de relaxare a tensiunilor din materialele polimerice i temperatur este de tip Arrhenius:T , (11.11 ) v r = v r o e n care vr 0 este o valoare de referin a vitezei de relaxare, dependent de tipul materialului, Ea energia de activare a procesului de relaxare, kB = 13,81.1024 J/K, iar T temperatura materialului (n K). a) S se determine valorile constantei de relaxare a tensiunilor la t1 = 20 oC, la t2 = 25 oC i la t3 = 30 oC pentru o band de cauciuc, tiind c n aceasta s-a generat o tensiune de ntindere 0 = 12 N/mm2, care s-a relaxat la nivelul 1 = 6 N/mm2, dup meninerea barei o durat 1 = 60 zile la t1=20 oC sau o durat 2 = 50 zile la t2 = 25 oC. b) S se determine nivelul tensiunilor din bar, dup meninerea ei (n stare ntins) o durat 3 = 40 zile la t3 = 30 oC. Rezolvare a) Aplicnd relaia (11.6), ca la rezolvarea aplicaiei A.11.3, pentru datele din enun, rezult: 264 Ea k BT

1 0 rt

90 42 60,6

Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

1 60 50 T T T = = 86,6 zile; rt2 = 2 = = 72,1 zile, rt1 i rt2 fiind 12 12 ln 0 ln ln 0 ln 6 6 1 1 o constantele de relaxare a tensiunilor la t1 = 20 C (T1 = 293 K) i t2 = 25 oC (T2 = 298 K). Viteza de relaxare a tensiunilor este invers proporional cu durata meninerii materialului la o temepratur T i, ca urmare, se pot scrie 1 1 T T T relaiile: vr = C , v r = C , C i 0 fiind constante, iar rt constanta de T 0 0 rt rt1 =T

relaxare la temperatura T. n aceste circumstane, relaia (11.11) devine: E T rt = 0 e a . (11.12) k BT Considernd datele din enunul aplicaiei, corespunztoare relaxrii tensiunilor la temperaturile t1 = 20 oC i t2 = 25 oC, se obine sistemul de ecuaii (cu necunoscutele 0 i Ea):

1 E a = k B T1 ln rt 0 2 E a = k B T2 ln rt ; 0 pentru aplicaia considerat, acest sistem are soluia:Ea = 1 1 T1 T2T

T

T

kB

ln

T rt1

T2rt

=

13,8 10 24 86,2 ln = 4,3 10 20 J, i 1 1 72,1 293 298 =e298 ln 72 ,1 293 ln 86 , 6 5

T2 ln rt2 T1 ln rt2

T

0 = e

T2 T1

= 0,00156 zile

Constanta de relaxare a tensiunilor la t3 = 30 oC (T3 = 303 K) are valoarea: E 24 = 0 e a = 0,00156e 13,810 303 = 45,6 zile k B T3 b) Tensiunile din banda de cauciuc meninut o durat 3 = 40 zile la o t3 = 30 C (T3 = 303 K) vor fi:T rt34 , 310 20

3 = 0e

3 T rt3

= 12e

40 49,7

5,4 N/mm2.265

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

A.11.5. Cristalele moleculare de polietilen (polietilena cu gradul de cristalinitate 100%) au densitatea 100 = 1010 kg/m3, polietilena comercial de joas densitate PELD are densitatea PE-LD = 920 kg/m3, polietilena comercial de nalt densitate PEHD are densitatea PE-HD = 960 kg/m3, densitatea polietilenei necristalizate este 0 = 900 kg/m3. S se estimeze gradele de cristalinitate ale PE-LD i PE-HD. Rezolvare Considernd c densitatea polietilenei crete liniar cu gradul de cristalinitate X, rezult: 0 (11.13) X = 100 X 100 0 Aplicnd aceast relaie se obine pentru cazurile considerate n enunul aplicaiei: 920 900 960 900 X PE LD = 100 = 18% i X PE HD = 100 55% 1010 900 1010 900

266

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

Capitolul 12

STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR COMPOZITE

12.1. IntroducereMaterialele compozite reprezint o clas modern de materiale cu structura eterogen, alctuit din dou sau mai multe materiale componente, care sunt puternic legate ntre ele i conlucreaz eficient pentru a conferi ansamblului structural caracteristici superioare celor proprii componentelor solitare. n funcie de caracteristicile structurale, materialele compozite pot fi mprite n mai multe categorii: A. Materialele compozite cu granule (agregatele compozite) au structura alctuit dintr-un material matrice n care sunt nglobate granule (particule) din unul sau mai multe materiale. n aceast categorie sunt incluse: betonul, materialele dure, avnd structura alctuit din particule fine de carburi metalice (WC, TiC, TaC etc.) nglobate, n concentraii volumice de pn la 95 %, ntr-o matrice metalic (Co, Ni, Te etc.), cermeturile, avnd structura alctuit dintr-o faz oxidic ceramic (Al2O3, ZrO2 etc.) nglobat, n concentraii volumice de pn la 80 %, ntr-o matrice metalic (Fe, Cr, Ni, Co, Mo etc.) i masele plastice aglomerate, avnd structura alctuit dintr-un material macromolecular de baz duroplast (rin fenolic, rin epoxidic etc.) sau termoplast (polimetacrilat de metil, polipropilen, poliamid, politetrafluoroetilen etc.) n care sunt nglobate particulele unui material de umplutur (rumegu de lemn, acid salicilic fin dispersat, bile de sticl, pulberi metalice etc.). B. Materialele compozite stratificate au structura alctuit dintr-un material suport dispus n straturi solidarizate cu un material de legtur (liant). n aceast categorie sunt incluse materialele organice stratificate, avnd structura alctuit din starturi multiple de material organic (hrtie, carton, lemn, materiale textile etc.) i liant (rin fenolic, rin267

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

melaminformaldehidic, rin ureoaldehidic etc.) i materialele metalice emailate (materialele anorganico metalice), avnd structura alctuit din unul sau mai multe straturi de material oxido-silicatic depuse pe un suport metalic (de obicei, din oel sau font). C. Materialele compozite cu fibre au structura alctuit dintr-un material de baz (matrice) n care sunt nglobate fibre individuale (scurte sau lungi, orientate sau neorientate), mpletituri de fibre sau straturi de fibre din diferite materiale. Pentru majoritatea materialelor din aceast categorie matricea este un material organic macromolecular (de obicei, un material duroplast, de tipul rinilor poliesterice nesaturate sau rinilor epoxidice), anorganic (ceramic pe baz de Al2O3, ciment sau beton) sau metalice (diverse metale sau aliaje), iar fibrele sunt polimerice (poliamide de tip Kevlar, Nylon sau Aramid), de sticl, ceramice (alumin, oxid de Be, carbur de B, carbur de siliciu, nitrur de siliciu), de carbon (grafit) sau metalice (W, Ta, Cr, Cu, Mo, Ni, Fe etc.), n prezent fiind folosite frecvent fibrele fine (trihite, whiskers) cu structur de monocristale perfecte din alumin, carbur de siliciu, fier sau grafit.

Fig. 12.1. Structurile unor materiale compozite uzuale: a beton; b lemn; c poliester armat cu fibre de sticl

Cele mai utilizate materiale din aceast categorie sunt compozitele polimerice armate cu fibre de sticl, betonul armat i, ca material compozit natural, lemnul. Imaginile structurilor ctorva materiale compozite folosite n tehnic sunt prezentate n figura 12.1.

12.2. Estimarea caracteristicilor fizico mecanice ale materialelor compoziteCaracteristicile de utilizare ale materialelor compozite sunt determinate esenial de natura i intesitatea legturilor ce se realizeaz ntre materialele componente ale structurii acestora, care asigur conlucrarea (cooperarea) acestor268

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

componente. Ca urmare, cnd se analizeaz structura unui material compozit se iau n considerare att structurile materialelor componente, caracteristicile distribuiei (dispunerii) acestor componente i raportul concentraiilor lor (masice sau volumice), ct i structurile zonelor de legtur (interfaciale) dintre materialele componente; un material compozit este bine realizat, dac structura zonelor de legtur asigur conlucrarea perfect a materialelor componente ale acestuia, fapt care se poate deduce cu uurin comparnd imaginile microstructurilor prezentate n figura 12.2, care evideniaz dependena dintre comportarea la rupere a unui material compozit de tip poliester armat cu fibre de sticl i calitatea legturilor realizate ntre matrice i fibre.

Fig.12.2. Imaginile microscopice ale suprafeelor de rupere la traciune ale unui material compozit de tip poliester armat cu fibre de sticl: a cu legturi insuficiente ntre matrice i fibre; b cu legturi puternice ntre matrice i fibre

Pentru a prezenta modul n care se pot estima caracteristicile fizico mecanice ale unui material compozit, n funcie de caracteristicile materialelor componente i de raportul concentraiilor acestora n structura compozitului, se consider, trei cazuri distincte: A. materialul compozit are structura alctuit dintr-o matrice n care sunt nglobate fibre dispuse paralel i este solicitat mecanic la traciune axial n lungul fibrelor; B. materialul compozit are structura alctuit dintr-o matrice n care sunt nglobate fibre dispuse paralel i este solicitat la traciune axial pe o direcie perpendicular pe direcia de dispunere a fibrelor; C. materialul este un agregat compozit solicitat la traciune monoaxial. A. Dac un material compozit alctuit dintr-o matrice (M) n care sunt nglobate fibre (f) dispuse paralel este solicitat la traciune monoaxial n lungul fibrelor de o for Fc, care produce deformarea elastic a compozitului i a materialelor sale componente, aa cum se arat n schema prezent n figura 12.3, comportarea sa poate fi descris astfel: deformaiile (alungirile) specificie (de natur elastic) ale matricei M,269

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

fibrelor f i compozitului C pe direcia de aplicare a forei Fc sunt egale: (12.1) M = f = C , aceast condiie (numit condiia de izodeformaie) fiind respectat datorit conlucrrii componentelor M i f, determinat de existena legturilor intime dintre ele; dac EM, Ef i EC sunt modulele de elasticitate longitudinal ale matricei, fibrelor i compozitului, iar M, f i C sunt tensiunile normale (pe direcia de aciune a forei Fc) generate de solicitarea mecanic n matrice, n fibre i n compozit, se poate aplica legea lui Hooke i rezult relaiile: f i C = C ; (12.2) M = M , f = EM Ef EC fora Fc se distribuie pe M i f existente n structura compozitului, o parte FM fiind preluat de matrice i o parte Ff de fibre: (12.3) Fc = FM + Ff; dac seciunea (transversal) portant a compozitului are aria SC, iar fracia volumic a fibrelor n aceasta este vf, poriunea din SC ocupat de fibre are aria Sf = SCvf, iar poriunea din SC ocupat de matrice are aria SM = SC(1 vf) i se pot scrie relaiile: (12.4) CSC = MSM + fSf C = M(1 vf) + fvf, (12.5) EC = EM(1 vf) + Efvf.

Fig. 12.3. Schema comportrii unui material compozit cu fibre dispuse paralel la traciune monoaxial n lungul fibrelor

Fig. 12.4. Schema conlucrrii componentelor M i f ale unui material compozit supus la traciune monoaxial n lungul fibrelor

Relaia (12.5) permite estimarea modulului de elasticitate longitudinal al unui material compozit, cunoscnd valorile modulelor de elasticitate longitudinal ale materialele componente M i f. Aceast relaie este valabil dac fracia270

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

volumic a fibrelor n materialul compozit este suficient de mare pentru a fi respectat condiia de izodeformaie (12.1). Aa cum sugereaz schema din figura 12.4, legturile dintre M i f asigur respectarea condiiei de izodeformaie numai ntr-o zon din jurul fiecrei fibre nscris ntr-un cilindru cu diametrul dm (numit zona de aciune a fibrei), materialul M din afara acestei zone putndu-se deforma liber; n consecin, pentru ca orice poriune din M s aparin unei zone de aciune a unei fibre, compozitul trebuie s se caracterizeze printr-o densitate suficient de mare a fibrelor (fracia volumic a fibrelor trebuie s fie suficient de mare). Dac materialul compozit este alctuit dintr-o matrice moale i plastic i fibre cu rezisten mecanic ridicat i plasticitate sczut (care se comport elastic pn la rupere), relaia (12.4) se poate adapta pentru estimarea rezistenei la rupere a compozitului RmC n funcie de rezistena la rupere a fibrelor Rmf i de rezistena convenional a matricei RmM: (12.6) RmC = RmM(1 vf) + Rmfvf , RmM fiind definit prin tensiunea care produce matricei o deformare specific egal cu cea la care survine ruperea fibrelor. Ca i relaia (12.5), relaia (12.6) este valabil dac vf este suficient de mare. Diagrama prezentat n figura 12.5 justific aceast afirmaie, evideniind urmtoarele aspecte: dac materialul este lipsit de fibre (vf = 0), rezistena la rupere * * corespunde rezistenei la rupere a matricei RmM ( RmM > RmM, deoarece matricea este plastic i se deformeaz nainte de rupere mai mult dect fibrele); dac compozitul are vf mic, rezistena sa la rupere scade pe msur ce crete vf, deoarece o mare parte din materialul matricei se afl n afara zonelor de aciune ale fibrelor i se deformeaz liber, iar prezena fibrelor este echivalent cu existena n material a unor goluri (defecte) care i diminueaz seciunea portant; efectul durificator al fibrelor se manifest dac fracia volumic a fibrelor depete valoarea critic vfcr, dat de relaia: R * RmM . (12.7) v fcr = mM Rmf RmM Relaiile de forma (12.4) i (12.5) sunt valabile i pentru estimarea altor caracteristici fizico mecanice ale materialelor compozite, cum ar fi: coeficientul de difuzie D, coeficientul de conductibilitate termic sau coeficientul contraciei transversale (Poisson) . B. Dac un material compozit alctuit dintr-o matrice (M) n care sunt nglobate fibre (f) dispuse paralel este solicitat la traciune monoaxial de o for Fc normal la fibre, care produce deformarea elastic a compozitului i componentelor sale, aa cum se arat n schema prezentat n figura 12.6, comportarea sa poate fi descris astfel:271

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

tensiunile normale (pe direcia de aplicare a forei Fc) generate de solicitarea mecanic n matrice M, n fibre f i n compozit C sunt egale: (12.8) M = f = C, aceast condiie (numit condiia de izotensiune) fiind respectat datorit legturilor intime existente ntre matrice i fibrele compozitului;

Fig. 12.5. Diagrama dependenei dintre rezistena la traciune monoaxial n lungul fibrelor a unui compozit i mrimea fraciei volumice a fibrelor

orice element de volum din materialul compozit se deformeaz elastic pe direcia tensiunilor C, alungirea LC produs pe aceast direcie obinndu-se prin sumarea alungirii matricei LM i alungirii fibrelor Lf: (12.9) LC = LM + Lf; deoarece lungimea iniial a elementului de volum a fost LC = LM + Lf, poriunea ocupat de fibre fiind Lf = LCvf, iar poriunea ocupat de materialul matricei LM = LC(1 vf), deformaia specific corespunztoare acestui element este L C = C , iar deformaiile specifice (pe aceeai direcie) ale celor dou materiale LC L LM (M i f) ce compun elementul de volum sunt: M = M = i LM LC (1 V f ) Lf LCV f (12.4) i (12.5): M = L f = L f i relaia (12.9) se transform ntr-o relaie de aceiai form cu

(12.10) C = M(1 vf) + fvf; deoarece deformaiile produse compozitului de solicitarea mecanic sunt de natur elastic, rmn valabile relaiile (12.2) i, innd seama de ndeplinirea272

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

condiiei de izotensiune (12.8), relaia (12.10) devine: (12.11) EC 1 = EM1 (1 V f ) + E 1V f . f Pentru condiiile de solicitare considerate, relaia (12.11) permite estimarea modulului de elasticitate longitudinal al unui material compozit, cunoscnd valorile moduleleor de elasticitate longitudinal ale materialelor componente M i f.

Fig. 12.6. Schema comportrii la traciune monoaxial pe direcia normal la fibre a unui material compozit cu fibre dispuse paralel

Fig. 12.7. Schema comportrii unui agregat compozit la traciune monoaxial

Relaiile de forma (12.11) sunt valabile i pentru estimarea altor caracteristici fizico mecanice al materialelor compozite pe direcia normal la fibre, cum ar fi coeficientul de difuzie D sau coeficientul de conductibilitate termic ; pentru alte caracteristici, cum sunt, de exemplu, rezistivitatea electric (inversul conductibilitii electrice) se pot utiliza relaii de tipul (12.10). C. Dac un material de tip agregat compozit este solicitat la traciune monoaxial de o for Fc, care produce deformarea elastic a compozitului i componentelor sale, aa cum se arat n schema prezentat n figura 12.7, comportarea sa este dificil de descris. Cercetrile ntreprinse pn n prezent au evideniat ns c astfel de materiale au caracteristicile elastice intermediare celor corespunztoare compozitelor cu fibre (cu aceleai materiale M i f) care ndeplinesc condiiile de izodeformaie i de izotensiune; ca urmare, se poate presupune c modulul de elasticitate lungitudinal al agregatelor compozite este dat de relaii de forma: n n (12.12) EC = Em (1 V f ) + E nV f , f exponentul n aparinnd mulimii n [1,1] \{0}. Valoarea exponentului n depinde de caracteristicile materialelor M i f care alctuiesc compozitul; astfel: dac n = 1, relaia (12.12) devine (12.11) i agregatul compozit se273

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

comport ca un material compozit (cu fibre) care ndeplinete condiia de izotensiune; un astfel de agregat compozit poate fi alctuit dintr-o matrice cu EM foarte sczut (de exemplu, din cauciuc) n care sunt nglobate particule sferice cu Ef foarte ridicat (de exemplu, din oel); dac n = 1, relaia (12.12) devine (12.5) i agregatul compozit se comport ca un material compozit (cu fibre) care ndeplinete condiiile de izodeformaie; un astfel de agregat compozit poate fi alctuit dintr-o matrice cu EM foarte ridicat (de exemplu, din oel) n care sunt nglobate particule sferice cu Ef foarte sczut (de exemplu, din cauciuc); agregatele compozite industriale avnd EM sczut i Ef ridicat au comportarea elestic descris de (12.12) cu n (1;0), iar agregatele compozite cu EM ridicat i Ef sczut au comportarea elastic descris de (12.12) cu n (0;1). Ca i n cazul celorlalte tipuri de materiale compozite, relaiile de forma (12.12) sunt valabile nu numai pentru estimarea caracteristicilor elastice ale agregatelor compozite, ci i pentru alte caracteristici fizico-mecanice (coeficientul de difuzie D, coeficientul de conductibilitate termic , coeficientul contraciei transversale etc.)

12.3. Lemnul material compozit naturalLemnul este unul din materialele compozite naturale cu fibre folosite pe scar larg n aplicaiile tehnice, n multe ri (de exemplu, SUA sau Rusia) cantitatea de lemn utilizat anual pentru diverse construcii industriale sau civile i n alte aplicaii (din industria mobilei, industria chimic, agricultur etc.) depind suma cantitilor de oel i beton ntrebuinate n aplicaiiile tehnice din toate ramurile economiei lor naionale. Sursa din care se obine acest material este n mod obinuit trunchiul arborilor; ca urmare, pentru studierea structurii lemnului se procedeaz la secionarea trunchiului arborilor, aa cum se arat n figura 12.8, aspectul seciunilor transversal (seciunea fcut cu un plan perpendicular pe axa longitudinal a trunchiului), radial (seciunea fcut cu un plan care conine axa trunchiului) i tangenial (seciunea fcut cu un plan paralel cu axa trunchiului i normal unei raze a acestuia) obinute, sugernd eterogenitatea structural i anizotropia acestui material. Seciunea transversal fcut prin trunchiul unui arbore evideniaz (la scar macroscopic), aa cum se poate observa n figura 12.9, urmtoarele zone structurale ale acestuia: zona exterioar a trunchiului reprezint scoara (coaja), care are o parte exterioar, numit ritidom (partea moart, cu aspect crpat, brzdat sau desprins n274

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

solzi, n fii sau n placi) i o parte interioar, numit liber (partea vie, care se dezvolt anual i este alctuit din vase, fibre liberiene i esuturi de parenchim); zona interioar a trunchiului reprezint lemnul, care are o parte exterioar, numit alburn (de culoare deschis, prin care se face circulaia ascendent a sevei brute), o parte central, numit mduv (format din esuturi de parenchim rare, afnate i rezistente, care se distinge uor la tulpinile tinere i este mult diminuat la tulpinile arborilor maturi) i o parte intermediar, numit duramen (format din esuturi moarte, i care are, la cele mai multe specii de arbori, culoarea mai nchis dect alburnul); zona intermediar, situat ntre coaj i lemn format dintr-un singur strat de celule care determin creterea n grosime a trunchiului reprezint cambiul; celulele care alctuiesc acest esut au propietatea de a se multiplica n mod continuu n timpul perioadei de vegetaie a arborelui i de a da natere anual (spre interior) esuturilor care formeaz lemnul i (spre exterior) esuturilor care formeaz liberul; straturile lemnoase care se formeaz anual datorit activitii cambiului i care determin creterea n grosime a lemnului sunt numite inele anuale i pot fi observate clar n seciunea transversal, permind stabilirea vrstei arborelui.

Fig. 12.8. Schema secionrii trunchiului arborilor pentru studierea structurii lemnului

Fig. 12.9. Zonele structurale ale trunchiului unui arbore

Structura la scar microscopic (constituia anatomic) a lemnului are, aa cum se observ n figura 12.10, urmtoarele elemente: vasele lemnoase sunt iruri de celule alungite, golite de coninutul lor celular, cu pereii lignificai, care alctuiesc esutul conductor al sevei brute;275

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

vasele lemnoase sunt de dou feluri: traheele (vasele perfecte sau vasele propriu-zise), la care pereii transversali (care despart celulele componente ale vaselor) au disprut complet sau parial, astfel c circulaia sevei prin acestea se face ca prin nite tuburi; traheidele (vasele imperfecte), la care pereii transversali se pstreaz intaci sau ciuruii, pe pereii lor laterali existnd multiple punctuaii (mici poriuni circulare nelignificate i permeabile care permit comunicarea cu esuturile sau vasele vecine; fibrele lemnoase sunt iruri de celule moarte, alungite, cu pereii groi, lignificai i cu spaiul interior (golit de coninutul celular) foarte ngust, strns legate ntre ele (fr spaii inter celulare); fibrele lemnoase sunt elementele de baz ale esutului mecanic (de rezisten) al lemnului, ele constituind 40...70 % din masa lemnului; razele medulare sunt iruri de celule de parenchim aezate radial; canalele rezinifere sunt canale cptuite cu celule secretoare de rin, care apar n structura masei lemnoase a unor specii de arbori (molid, pin etc.).

Fig. 12.10. Structura la scar microscopic (constituia anatomic) a lemnului

Datorit acestei constituii anatomice, lemnul poate fi privit ca un material compozit avnd n structur fibrele lemnoase alctuite din celuloz i o matrice (liant) alctuit din hemiceluloz (celuloz cu grad relativ redus de polimerizare n < 200 ) i lignin (polimer cu reea de fenol propan). Elementele chimice care compun matricea i fibrele acestui material sunt: carbonul (49...50 %), oxigenul (44...45 %) i hidrogenul (5...6 %).276

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

La stabilirea proprietilor de utilizare ale lemnului trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte: lemnul, avnd structura unui material compozit cu fibre dispuse paralel, prezint o mare anizotropie a proprietilor fizico-mecanice; proprietile fizico-mecanice ale lemnului (i produselor confecionate din lemn) sunt influenate sunstanial de umiditatea acestuia. Principalele proprieti fizico-mecanice ale lemnului i caracteristicile care se folosesc pentru exprimarea cantitativ a acestora se definesc n moduri similare i se determin prin ncercri asemntoare celor utilizate n cazul materialelor metalice (v. cap.3). A. Densitatea lemnului se definete n trei moduri distincte: densitatea lemnului verde u este masa unitii de volum de lemn verde (cu umiditatea maxim), densitatea absolut 0 este masa unitii de volum de lemn anhidru (uscat artificial la 105 oC), iar densitatea convenional c este raportul dintre masa de lemn anhidru i volumul de lemn verde (cu fibrele saturate de umiditate) din care aceasta sa obinut prin uscarea artificial a lemnului la 105 oC. B. Elasticitatea, plasticitatea i rezistena la rupere a lemnului se definesc la fel ca n cazul materialelor metalice (v. scap. 3.2 i 3.3). Pentru determinarea caracteristicilor care pot exprima cantitativ aceste proprieti (modulul de elasticitate E, rezistena la rupere Rm, alungirea procentual dup rupere A etc.) se folosesc (ca ncercri de referin) ncercarea la traciune i ncercarea la compresiune; innd seama de anizotropia proprietilor lemnului, aceste ncercri se efectueaz prin solicitarea monoaxial (la ntindere sau la compresiune), n lungul fibrelor sau perpendicular pe direcia fibrelor, a unor epruvete prelucrate din lemn, standardele care regelmenteaz modul de efectuare a ncercrilor fiind: STAS 336 i STAS 6291 (pentru ncercarea la traciune), STAS 86 i STAS 1348 (pentru ncercarea la compresiune). n figurile 12.11 i 12.12 sunt prezentate (pentru exemplificare) curbele caracteristice convenionale la traciune i compresiune pe direcia fibrelor pentru lemnul de fag, iar n figurile 12.13 i 12.14 sunt redate aspectele specifice ale ruperii lemnului la astfel de solicitri. Influenele prezenei concentratorilor de tensiuni mecanice asupra comportrii la rupere a lemnului (la traciune pe direcia fibrelor) sunt sugerate de imaginile prezentate n figura 12.15. Trebuie precizat c mprirea tradiional a diverselor specii de lemn n categoriile: lemn de esen moale i lemn de esen tare folosete rezistena mecanic numai ca un criteriu secundar, criteriul principal care st la baza acestei calsificri fiind natura sezonier a arborilor din care provine lemnul, lemnul de esen moale (avnd, n general, rezisten mecanic relativ sczut) provenind din arborii alor cror frunze rmn verzi tot timpul anului (brad, pin etc.), iar277

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

lemnul de esen tare (avnd, n general, rezisten mecanic ridicat) fiind obinut din arborii ale cror frunze se schimb anual (stejar, fag etc.). C. Comportarea la rupere a lemnului se poate caracteriza cu ajutorul ncercrii la ncovoiere static (reglementat de STAS 337/2) al crei rezultat este rezistena al rupere la ncovoiere static normal pe fibre Rmis sau (ca i n cazul materialelor metalice, v.scap.3.7) cu ajutorul ncercrii de ncovoiere prin oc cu ciocanul pendul (reglementat de STAS 338), al crei rezultat este (de obicei) reziliena (indicele de rezilien) KCV n J/cm2 sau (uneori) rezistena la rupere la ncovoiere dinamic normal pe fibre Rmid, n N/mm2. Aspectele specifice ale ruperii la ncovoiere (static sau dinamic) a lemnului sunt sugerate de imaginile prezentate n figura 12.16.

Fig. 12.11. Curbe caracteristice convenionale la traciune pe direcia fibrelor pentru lemnul de fag

Fig. 12.12. Curbe caracteristice convenionale la compresiune pe direcia fibrelor pentru lemnul de fag

Fig. 12.13. Aspectul ruperilor lemnului la traciune pe direcia fibrelor 278

Fig. 12.14. Aspectul ruperilor lemnului la compresiune pe direcia fibrelor

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

Fig. 12.15. Comportarea la rupere a lemnului n prezena concentratorilor de tensiuni: a de tipul crestturilor laterale; b de tipul orificiilor

Fig. 12.16. Aspectul ruperilor lemnului la ncovoiere normal pe fibre: a n cazul solicitrii la ncovoiere static; b n cazul solicitrii la ncovoiere dinamic

D. Duritatea lemnului se determin folosind mai multe metode: Metoda Brinell (reglementat de STAS 2417/2) utilizeaz ca penetrator o sfer (bil) din oel; pentru determinarea duritii prin aceast metod se apas penetratorul sferic cu diametrul D, un timp d (d = 10 ... 25 s), cu o for F, pe un279

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

eantion (prob, epruvet, pies) din lemnul care se analizeaz, iar dup ncetarea aciunii forei, se ndeprteaz penetratorul i se msoar diametrul d al urmei lsate de acesta pe lemn (v. fig. 3.24). Duritatea Brinell (simbolizat HB) este o caracteristic mecanic definit (convenional) ca fiind raportul dintre fora F, exprimat n kgf (1 kgf = 9,80665 N) i aria suprafeei urmei lsate de acesta pe lemnul analizat Sp, calculat cu relaia (3.17) i exprimat n mm2. Metoda Janka (reglementat de STAS 2417/1) utilizeaz ca penetrator o sfer (bil) din oel cu diametrul D = 11,28 mm (avnd aria seciunii ecuatoriale Se = 100 mm2 = 1 cm2); pentru determinarea duritii prin aceast metod se apas penetratorul sferic, cu o for cresctoare, pe un eantion (prob, epruvet, pies) din lemnul care se analizeaz i se stabilete intensitatea forei F (n kgf) care produce ptrunderea penetratorului n lemn pe o adncime h = D . Duritatea Janca (simbolizat HJ) este o caracteristic mecanic definit 2 (convenional) prin relaia HJ = F. E. Comportarea la solicitri variabile a lemnului se poate analiza construind (ca i n cazul materialelor metalice, v. scap.3.9) curba de durabilitate la obseal (curba Whler). Aspectul acestei curbe (v. fig. 12.17) arat c n cazul lemnului (la fel ca la unele materiale metalice) se poate defini caracteristica numit rezisten la oboseal RO; acest caracteristic se modific n funcie de temperatura i umiditatea lemnului aa cum sugereaz diagramele prezentate n figura 12.18.

Fig. 12.17. Curba de durabilitate la oboseal (Whler) a lemnului de molid 280

Fig.12. 18. Modificarea rezistenei la oboseal a lemnului de brad n funcie de: a temperatur ; b umiditate

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

Caracteristicile fizico-mecanice anterior definite permit clasificarea speciilor de lemn n categoriile precizate n tabelul 12.1.Tabelul 12.1. Clasificarea lemnului n funcie de caracteristicile fizico mecanice Caracteristica Categoriile de lemn Lemn foarte uor Lemn uor Lemn moderat de greu Lemn greu Lemn foarte greu Lemn extrem de greu Lemn foarte moale Lemn moale Lemn mijlociu Lemn foarte dur Lemn extrem de dur Lemn cu rezisten foarte slab Lemn cu rezisten slab Lemn cu rezisten bun Lemn cu rezisten mare Lemn cu rezisten foarte mare Lemn cu rezisten foarte slab Lemn cu rezisten slab Lemn cu rezisten bun Lemn cu rezisten mare Lemn cu rezisten foarte mare Lemn cu rezisten foarte slab Lemn cu rezisten slab Lemn cu rezisten bun Lemn cu rezisten mare Lemn cu rezisten foarte mare Valorile caracteristicii u < 400 u = 400500 u = 500650 u = 650800 u = 8001000 u > 1000 HJ < 350 HJ = 350500 HJ = 500650 HJ = 6501000 HJ > 1000 Rmc < 30 Rmc = 3045 Rmc = 4560 Rmc = 6080 Rmc > 80 Rmt < 75 Rmt = 7590 Rmt = 90125 Rmt = 125150 Rmt > 150 Rmis < 65 Rmis = 6585 Rmis = 85110 Rmis = 110140 Rmis > 140 Exemple de specii de lemn Balsa, salcie alb Mahon, pin Mesteacn Carpen, fag Mslin Guaiac Brad, balsa, pin Mesteacn Ulm de cmp Carpen, fag Guaiac Balsa Mahon Brad, mesteacn Fag, nuc Guaiac Plop tremurtor Brad, ulm Nuc, pin Mesteacn, fag Carpen Plop alb Brad Pin Carpen, fag Mesteacn, nuc Balsa Brad, pin Mahon Mesteacn Fag, nuc

Densitatea u, kg/m3

Duritatea HJ *

Rezistena la compresiune paralel cu fibrele Rmc *, N/mm2 Rezistena la traciune paralel cu fibrele Rmt *, N/mm2 Rezistena la ncovoiere static normal pe fibre Rmis *, N/mm2 Reziliena KCV *, J/cm2

Lemn cu rezilien foarte slab KCV < 3,0 Lemn cu rezilien slab KCV = 3,04,5 Lemn cu rezilien bun KCV = 4,56,0 Lemn cu rezilien mare KCV = 6,09,0 Lemn cu rezilien foarte mare KCV > 9,0 * caracteristicile se determin pe lemnul cu umiditatea de 12 %

Lemnul brut se prelucreaz sub form de semifabricate destinate utilizrii n diverse aplicaii tehnice (construcii civile sau industriale, mobilier, ambalaje etc.). Principalele categorii de semifabricate realizate din lemn brut281

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

sunt butenii i cheresteaua de diverese sortimente: grinzi, dulapi, scnduri, ipci, rigle; aceste sortimente se pot supune unor tratamente termice, chimice sau termochimice (de tipul celor prezentate n tabelul 12.2), n scopul obinerii unor caracteristici de utilizare convenabile. Din lemn brut, buteni, cherestea i/sau achii de lemn se realizeaz i alte tipuri de semifabricate, care, datorit structurii i proprietilor pe care le prezint, aparin, de asemenea, clasei materialelor compozite: principalele tipuri de astfel de semifabricate sunt: furnirul (semifabricat plan, cu grosimea de 0,53,0 mm, care se obine prin derulare centric sau tiere plan din buteni sau cherestea), placajul (semifabricat stratificat din furnire tehnice), lemnul stratificat, panelul (semifabricat alctuit dintr-un miez de ipci i fee din furnir cu fibrele perpendiculare pe direcia fibrelor miezului), plcile celulare (semifabricate de tip panou, alctuite dintr-o ram de lemn i un miez din lamele sau hrtie, acoperite pe ambele fee cu placaj), plcile din achii de lemn PAL, realizate n diverse sortimente: plci de interior presate perpendicular pe fee (obinute din achii de lemn ncleiate cu rin ureoformaldehidic i presate perpendicular pe fee), plci de interior presate perpendicular pe fee PAL.AI (obinute din achii de lemn ncleiate cu rin ureoformaldehidic i care au nglobate substane de protecie contra ciupercilor, insectelor xilofage i focului), plci de exterior presate perpendicular pe fee PAL.CON (obinute din achii de lemn ncleiate cu rin fenolic, ncleierea fiind rezistent la fiereberea n ap, la atacul ciupercilor i insectelor xilofage), plci melaminate din achii de lemn PAL.M (plci din achii de lemn acoperite pe ambele fee, prin presare la cald, cu unul sau mai multe pelicule de rin sintetic, peliculele de suprafa fiind din rsin melaminic), plci emailate din achii de lemn PAL.SET (plci din achii de lemn nobilate pe ambele fee cu mas de paclu, grunduri, imprimri, emailuri i lacuri, destinate fabricrii mobilierului sau utilizrii n lucrrile interioare de construcii), plci extrudate din achii de lemn PAL.Ex (obinute din achii de lemn presate la cald prin extrudare i placate pe ambele fee cu furnir tehnic) etc. i plcile din fibre de lemn PFL, realizate n diverse sortimente: plci cu densitate medie PFL.DM (PFL cu densitatea = 500...800 kg/m3, destinate fabricrii mobilierului sau utilizrii n lucrrile interioare de construcii), plci dure PFL.D (obinute prin mpslirea i presarea fibrelor de lemn, cu sau fr adaosuri de liani, avnd densitatea > 800 kg/m3), plci stratificate din PFL.D (plci cu grosimea s > 12 mm, obinute prin lipirea mai multor straturi de PFL.D), plci decorative (plci din PFL.D avnd aplicat pe una din fee un strat subire de past mecanic alb sau colorat n diverse nuane), plci emailate (plci din PFL.D, finisate prin acoperirea uneia din fee cu o pelicul de email sau lac pe baz de rini sintetice uscat la cald), plci melaminate (plci din PFL.D finisate aplicnd, prin presare la cald, pe una sau ambele fee, folie de hrtie impregnat cu rin melaminic), plci fonoabsorbante (obinute prin perforarea sau neparea suprafeelor unor PFL moi i poroase i destinate utilizrii la finisajele interioare i tratamentele fonoabsorbanete ale construciilor) etc.282

Tabelul 12.2. Principalele date privind tratamentele aplicate semifabricatelor din lemn Denumirea tratamentului Scopurile aplicrii tratamentului Principalele date privind regimul tratamentului

ABURIREA

USCAREA N AER

nlturarea diferenelor de culoare ntre alburn i duramen, prin aburire obinndu-se o nuan uniform roie crmizie, asemntoare lemnului de mahon. Se folosesc camere speciale de Distrugerea agenilor biologici existeni n lemn (ciuperci i insecte aburire i se parcurg trei etape: xilofage) si blocarea fenomenelor de ncingere i rscoacere. nclzirea camerei la Reducerea tensiunilor reziduale din lemn i evitarea defectelor cauzate 99100 oC n 412 ore; de acestea (deformaii, crpturi etc.). nclzirea complet a Reducerea contragerii i umflrii specifice prin modificarea punctului de lemnului la 99100 oC n 818 ore; saturaie n ap al fibrelor. aburirea propriuzis, la Reducerea umiditii lemnului cu 2030 % n primele ore dup aburire, 99100 oC, timp de 24 ore. ca urmare a evaporrii mai intense a apei din lemnul nclzit. Creterea caracteristicilor de rezisten mecanic Cheresteaua cu grosimea sub 25 mm se menine 2260 zile, iar Micorarea umiditii prin meninerea ndelungat a lemnului n depozite cheresteaua cu grosime mare de uscare (cu lungimea de 50100 m i limea de 3050 m). (7580 mm) se menine 70250 zile

USCAREA N Micorarea umiditii prin meninerea lemnului n instalaii de tip tunel Uscarea la 70100 oC, cu viteza de INSTALAII circulaie a aerului 36,5 m/s. cu aer cald i umed. INDUSTRIALE Uscarea se realizeaz printr-o succesiune alternant de perioade USCAREA Micorarea umiditii prin meninerea lemnului n instslaii speciale de de nclzire la presiune N VID tratare n vid. atmosferic, cu peioade de meninere n vid Conservarea butenilor mpotriva rscoacerii i crprii n timpul verii prin imersare sau stropire cu ap. PREZERVAREA Antiseptizarea lemnului nainte de uscare (cu paste antiseptice aplicate LEMNULUI upeficial). Protecia cherestelei mpotriva crprii, prin tratarea capetelor cu aracet produs pe baz de poliacetat de vinil) sau folosind elemente mecanice de protecie.

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

12.4. Materialele compozite durificate cu fibreCompozitele durificate cu fibre (avnd structura alctuit dintr-o matrice (M) n care sunt nglobate fibre (f) cu rezisten mecanic ridicat, orientate unidirecional) reprezint clasa de materiale compozite cu cele mai mari perspective de dezvoltare i de utilizare n aplicaiile tehnice. Pentru a justifica aceast afirmaie este necesar s se cunoasc mai n detaliu aspectele principale ale mecanismului durificrii cu fibre a materialelor, unele din acestea fiind prezentate n scap. 12.2 cazul A: Comportarea solidar a componentelor la solicitarea mecanic la traciune n lungul fibrelor a unui astfel de compozit este determinat de legturile interfaciale puternice create ntre M i f la elaborarea materialului; Rezistena mecanic ridicat a unui astfel de compozit se obine dac fracia volumic a fibrelor nglobate n material este suficient de mare, astfel c orice poriune din materialul matricei se afl integral ntr-o zon de aciune a unei fibre. Datorit comportrii solidare a ansamblului M f, la solicitarea la traciune n lungul fibrelor a materialului compozit se genereaz tensiuni mecanice att n f, ct i n M; matricea (care, aa cum arat schema din fig. 12.3, are tendina de a se deforma mai mult) induce n fibre tensiuni de ntindere f, iar prin reaciune se dezvolt n matrice (pe direcia paralel cu fibrele) tensiuni de forfecare M, care sunt maxime n vecintatea interfeei M f (unde matricea este constrns s respecte condiia de izodeformaie) i se micoreaz n intensitate pe msur ce crete distana fa de fibre (datorit diminurii constrngerilor impuse materialului matricei). Dac se utilizeaz schema din figura 12.19 i se scrie condiia de echilibru a fibrelor (cu diametrul df i lungimea Lf), rezult: d 2 4L f f = d f L M f = M ; (12.13) 4 df relaia final (12.13) permite urmtoarele interpretri: tensiunile f preluate de fibrele unui material compozit pot fi cu att mai L , numit raport de form al fibrelor, este mai mare i cu mari, cu ct raportul df ct tensiunile de forfecare m ce pot fi preluate de matrice au intensiti mai ridicate; lungimea minim a fibrelor compozitului, care permite preluarea de ctre acestea a unor tensiuni cu intensitatea f, numit lungime critic a fibrelor Lc,284

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

este dat de relaia: , (12.14) Lc = d f rM 4 rM fiind rezistena la rupere la forfecare a materialului ce constituie matricea compozitului;1

f

Fig.12.19. Schema solicitrii mecanice a M i f la n cazul compozitelor durificate cu fibre

Lc , numit raport de transfer al sarcinilor, este mai mic, L cu att materialul compozit are o comportare mai eficient n ceea ce privete conlucrarea ntre M i f i poate prelua solicitri mecanice de intensitate mai ridicat. Aspectele prezentate mai nainte au condus la ideea realizrii materialelor compozite durificate cu fibre discontinui ultrarezistente, de genul unor filamente L (cu df = 1...30 m i > 100) monocristaline cvasiperfecte (fr defecte ale df structurii cristaline de tipul dislocaiilor v. scap. 1.5.2 ), numite trihite sau fibre whiskers; principalele caracteristici fizico mecanice ale unor astfel de fibre sunt redate n tabelul 12.3. Pentru compozitele durificate cu fibre discontinui, relaia (12.6), care permite estimarea rezistenei lor mecanice se modific astfel: cu ct raportul Lc )v f . (12.15) L Comportarea la solicitri mecanice a compozitelor durificate cu fibre prezint i urmtoarele particulariti: Rezistena lor mecanic este influenat n msur important de precizia orientrii fibrelor pe direcia aplicrii solicitrilor mecanice; dac unghiul dintre direcia orientrii fibrelor i direcia de aplicare a solicitrilor mecanice are msura , rezistena la rupere a materialului compozit este: R R* rM (12.16) ; mM ) RmC , = min( mC ; cos 2 cos sin sin 2 RmC = RmM (1 v f ) + Rmf (1 285

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

i se poate deduce c, dac msura unghiului depete o valoare critic cr, dat de relaia: cr = arctg ( rM ), (12.17) RmC rezistena mecanic a materialului compozit se diminueaz considerabil. Realizarea semifabricatelor i pieselor din materiale compozite durificate cu fibre cu respectarea condiiei < cr, complic de cele mai multe ori tehnologiile de fabricare i mrete considerabil costurile unor astfel de produse. Avnd n vedere aceast particularitate, rezult c estimarea caracteristicilor mecanice ale materialelor compozite durificate cu fibre cu ajutorul relaiilor (12.5), (12.6) sau (12.15) poate fi de multe ori imprecis, impunnd determinarea experimental a acestor caracteristici prin ncercri mecanice pe epruvete prelevate din aceste materiale; de exemplu, pentru materialele compozite cu fibre de sticl i matrice din materiale plastice se recomand determinarea caracteristicilor mecanice prin ncercarea la traciune efectuat conform SR EN ISO 527 i STAS 11268 sau prin ncercarea la ncovoiere efectuat conform SR EN 63 i SR EN ISO 14125.Tabelul 12.3. Caracteristicile fizicomecanice ale principalelor tipuri de trihite utilizate la realizarea materialelor compozite Materialul trihitelor Temperatura de topire sau de nmuiere tsf, o C 2040 2570 2450 2690 1900 3650 1857 1083 1538 1453 Temperatura Modulul de elasticitate longitudinal Ef, kN/mm2 TRIHITE CERAMICE Densitatea f, kg/m3 3960 2850 2520 3180 3180 2500 TRIHITE METALICE 7190 8930 7870 8910 425,61 343,23 480.53 480,53 377,56 700,19 240,26 123,56 199,07 212,80 Rezistena la traciune Rmf, N/mm2 20600 13050 14000 20500 13700 19500 8800 2900 13050 3850

Al2O3 - alumin BeO B4C SiC Si3N4 C - grafit Cr Cu Fe Ni

la care sunt solicitate compozitele durificate cu fibre afecteaz n mod diferit caracteristicile mecanice ale componentelor lor structurale. n mod obinuit, compozitele destinate realizrii pieselor solicitate la temperaturi ridicate au structura alctuit dintr-o matrice, care, atunci cnd este286

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

nclzit, i menine rezistena la oxidare, dar i micoreaz considerabil rezistena mecanic i fibre din material refractar, la care diminuarea rezistenei mecanice odat cu creterea temperaturii este nensemnat, iar caracteristicile de comportare la fluaj ( rezistena tehnic de durat RrT/ i limita tehnic de fluaj RT/ v.scap.3.8) au valori ridicate; n acest fel, diferenele dintre caracteristicile de rezisten mecanic ale materialelor componente ale compozitului solicitat la temperaturi ridicate sunt considerabile i efectul de durificare produs de fibre este foarte important (mult mai mare dect cel produs n cazul solicitrii compozitului la temperatura ambiant). Cteva dintre cele mai utilizate tipuri de fibre refractare pentru realizarea compozitelor destinate aplicaiilor care presupun temperaturi ridicate de lucru (de exemplu, turbinele cu gaze i alte componente pentru aeronautic) sunt prezentate n tabelul 12.4.Tabelul 12.4. Caracteristicile mecanice ale celor mai utilizate fibre refractare df, mm W 1%ThO2 W 5%Re Mo0,5%Ti0,15%Zr Mo1,25%Ti0,15%Zr 0,20 0,20 1,25 0,20 1,00 1,00 Caracteristicile mecanice la ta Rmf, N/mm2 2400 2250 1140 2100 1600 1700 Af, % 3,0 0,5 0,8 1,9 2,1 1,3 Rezistena tehnic de durat (fluaj) 1000 oC 830 600 -

Materialul fibrelor

RrT/ 100000 ,1200 oC 360 310 140 -

N/mm2 la temperatura T: 1100 oC 510 470 590 270 420 440

Comportarea la rupere a compozitelor durificate cu fibre este determinat de caracteristicile de rezistent mecanic i tenacitate ale componentelor M i f care le alctuiesc structura i de conlucrarea favorabil a acestora, datorit legturilor interfaciale puternice create ntre M i f la elaborarea acestor materiale. Caracteristicile de rezisten mecanic i plasticitate ale componentelor M i f sunt n mod obinuit complementare, M fiind un material cu rezisten mecanic sczut, dar foarte plastic (ductil), iar f un material cu rezisten mecanic foarte ridicat, dar cu tendin accentuat ctre comportarea fragil la rupere; aceast afirmaie este validat de datele prezentate n tabelul 12.5, privind caracteristicile mecanice ale principalelor tipuri de materiale compozite durificate cu fibre folosite n tehnic. Riscul producerii intempestive a fenomenului de rupere a unui astfel de compozit supus solicitrilor mecanice (n lungul fibrelor) este minim, datorit urmtoarelor argumente: fisurile se iniiaz de obicei n fibre, care prezint fragilitate accentuat, dar acest proces nu determin degradarea inadmisibil a compozitului, deoarece solicitrile se redistribuie pe fibrele nefisurate i sunt preluate parial de acele287

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

fragmente ale fibrelor fisurate (sparte) care prezint o lungime superioar lungimii critice; propagarea fisurilor iniiate n fibre este blocat (frnat) de matricea compozitului, care, datorit capacitii substaniale de deformare plastic nainte de rupere, disipeaz prin deformare plastic cea mai mare parte a energiei disponibile pentru extinderea fisurilor i creaz la vrful fisurilor enclave plastice ce micoreaz drastic efectul de concentrare a tensiunilor mecanice produs de prezena fisurilor.Tabelul 12. 5. Date privind caracteristicile principalelor compozite durificate cu fibre Componentele materialului Matricea Rin epoxidic Rin epoxidic Rin epoxidic Rin epoxidic Rin epoxidic Aluminiu Aluminiu Aluminiu Aluminiu Aluminiu Nichel Nichel Nichel Fier Aliaj Ni-Cr Aliaj Ni-Cr Argint Argint Titan Cupru Tantal Cobalt Cobalt Oel inoxidabil Fibrele Sticl Whiskers Al2O3 Carbon Kevlar Filamente B SiO2 Al2O3 Oel Filamente B Whiskers B4C Filamente B Filamente W Whiskers Al2O3 Whiskers Al2O3 Al2O3 Filamente W Oel Al2O3 Filamente W Filamente W Filamente Ta2C Filamente W Filamente Mo Filamente W Fracia volumic a fibrelor vf 0,73 0,14 0,67 0,82 0,70 0,47 0,35 0,25 0,10 0,10 0,08 0,40 0,19 0,36 0,09 0,22 0,44 0,24 0,20 0,77 0,29 0,30 0,17 0,18 Rezistena la traciune RmC, N/mm2 1640 780 1200 1520 2100 890 1110 1190 300 200 2640 1110 1170 1630 1750 500 450 1590 660 1750 1060 730 360 400 Rezistena mecanic R specific KR = mC , g km 77,2 48,8 76,9 112,0 37,5 35,5 30,2 11,3 7,6 36,7 8,6 15,0 2,6 21,7 4,6 5,0 18,0 11,0 10,0 7,0 6,0 4,0 4,0

Aa cum a rezultat din cele prezentate anterior, structura i proprietile compozitelor durificate cu fibre sunt influenate esenial de natura i intensitatea legturilor interfaciale produse ntre componentele M i f ale acestor materiale; deoarece aceste legturi se creaz la elaborarea compozitelor, particularitile metodelor i procedeelor tehnologice de fabricare sunt factori foarte importani de influen ai calitii unor astfel de materiale. n mod obinuit materialele288

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

compozite durificate cu fibre se realizeaz prin metode i procedee tehnologice indirecte (fibrele i matricea se fabric independent i se supun apoi agregrii sub form de material compozit), cum ar fi: simpla lipire; fibrele se aliniaz i se dispun n straturi alternante cu matricea, dup care se supun unui proces de agregare prin lipire (realizat n mod obinuit prin nclzirea i ntrirea prin polimerizare a matricei), aceast metod fiind utilizat frecvent pentru realizarea compozitelor cu fibre de sticl sau de carbon i matricea din rini sintetice infiltrarea; fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit, materialul matricei este adus n stare topit, se infiltreaz ntre fibre (sub vid sau sub presiunea unui gaz inert) i prin solidificare determin formarea compozitului, aceast metod permind fabricarea materialelor compozite cu matrice metalic i trihite ceramice (de exemplu, compozitele cu trihite de safir n matrice de argint); o variant a acestei metode o reprezint depunerea pe fibrele aliniate n direcia de armare dorit a materialului matricei, topit sub form de picturi fine cu ajutorul unui jet de plasm; depunerea electrolitic a matricei n jurul fibrelor; fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit, dup care se depune electrolitic ntre ele materialul matricei,care se poate supune ulterior i unor operaii de prelucrare prin deformare plastic la cald pentru mrirea fraciei volumice a fibrelor n materialul compozit, cu aceast tehnologie fiind realizate (la temperaturi apropiate de ta), de exemplu, compozitele cu fibre de carbon i matrice de nichel (la care metoda infiltrrii nu d rezultate bune, deoarece nichelul topit atac i deterioreaz fibrele de carbon) i compozitele cu fibre de oel i matrice de nichel, avnd structurile prezentate n figura 12.20;

depunerea chimic a matricei n jurul fibrelor; fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit, iar matricea se depune pe fibre prin cementarea acestora n bi de sruri sau n mediu gazos, prin aceast metod fiind realizate, de289

Fig.12.20. Microstructura compozitelor cu matrice de nichel durificat cu: a fibre de carbon; b fibre de oel

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

exemplu, compozitele cu trihite de oxid de aluminiu i matrice de titan i compozitele cu fibre de carbur de siliciu i matrice de molibden; ncorporarea fibrelor prin deformarea plastic a matricei; un pachet realizat din straturi alternante de fibre i matrice (sub form de folie), avnd structura celui prezentat n figura 12.21, se supune deformrii plastice la cald (prin laminare, tragere sau extrudare) pentru obinerea materialului compozit, aceast tehnologie permind obinerea compozitelor cu fibre de bor i matrice de aluminiu i a celor cu fibre de wolfram i matrice de oel inoxidabil. Pentru obinerea unor materiale compozite durificate cu fibre se utilizeaz n prezent i metode i procedee tehnologice directe (fibrele i matricea se realizeaz mpreun i sunt supuse unor prelucrri menite s asigure realizarea compozitului cu caracteristicile de utilizare dorite), cum ar fi:

Fig.12.21. Structura semifabricatului utilizat pentru obinrea prin deformare plastic a compozitului cu fibre de W i matrice din oel inoxidabil

Fig. 12.22. Structura compozitului cu fibre de W i matrice de soluie solid Ni(W) obinut prin solidificarea dirijat a aliajului eutectic Ni W

solidificarea unidirecional a eutecticelor; fazele din structura unor aliaje eutectice reprezint materialele componente ale compozitului, iar faza care are rolul fibrelor durificatoare capt dispunerea i orientarea necesare prin solidificarea dirijat unidirecional a aliajelor turnate n forme, aceast tehnologie fiind utilizat, de exemplu, pentru realizarea compozitelor cu fibre de wolfram i matrice de soluie solid Ni(W), avnd structura prezentat n figura 12.22, a compozitelor cu fibre de compus Al3Ni i matrice de aluminiu, a compozitelor cu fibre de carbur de tantal i matrice de soluie solid Co(Ta,C) i a celor cu fibre de compus Nb8Fe7Cr2 i matrice de soluie solid Fe(Cr,Nb); metoda asigur legturi interfaciale foarte puternice ntre matricea i fibrele materialului compozit, dar prezint dezavantajul c fracia volumic a fibrelor nu se poate regla, fiind impus de raportul cantitativ al fazelor componente ale structurii aliajelor eutectice;290

Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

formarea fibrelor prin deformarea plastic a aliajelor bifazice; materialele bifazice, avnd n structur o faz f cu modul de elasticitate ridicat i rezisten mecanic la cald mare i o faz M cu plasticitate ridicat i rezisten mare la oxidare la temperaturi nalte, se supun prelucrrii prin deformare plastic la rece, iar tendina natural de formare a structurii fibroase (de alungire a grunilor cristalini n direcia deformrii) determin distribuirea fazei f sub form de fibre n faza M ce capt rolul de matrice; aceast tehnologie permite obinerea unor materiale compozite cu foarte bune proprieti de refractaritate ( de exemplu, prin deformarea plastic la rece, cu un grad de deformare GD 90 %, a agragatului compozit obinut prin infiltrarea n pulbere de wolfram a aliajului lichid NiCr rezult un compozit cu fibre aliniate care are rezistena la rupere, la t t = 870 oC, RmC = 430...450 N/mm2 (n timp ce matricea din aliaj Ni Cr aret RmC = 48...50 N/mm2). Toate aspectele anterior prezentate conduc la concluzia c utilizarea materialelor compozite durificate cu fibre trebuie extins n viitor; singurul argument care (n prezent) limiteaz folosirea acestor materiale n diverse aplicaii tehnice l constituie costul lor de elaborare ridicat.

Cuvinte cheieagregare prin lipire, 289 alburn, 275 cambiu, 275 canal rezinifer, 276 compozit durificat cu fibre, 284 densitate lemn absolut, convenional, 277 depunere chimic, 289 depunere electrolitic, 289 duramen, 275 duritate Janca, 280 enclav plastic, 288 fibr lemnoas, 276 fracie volumic, 270 furnir, 282 hemiceluloz, 276 ncorporare, 290 inel anual, 275 infiltrare, 289 izodeformaie, 270 izotensiune, 272 liber, 275 lignin, 276 lungime critic a fibrelor, 284 matrice, 269 panel, 282 plci celulare, 282 plci din achii de lemn PAL, 282 plci din fibre de lemn PFL, 282 procedee tehnologice directe, 290 procedee tehnologice indirecte, 289 raport de form al fibrelor, 284 raport de transfer al sarcinilor, 285 raz medular, 276 ritidom, 274 solidificare unidirecional, 290 trahee, 276 traheid, 276 trihite (fibre whiskers), 285 vas lemnos, 275 zona de aciune a fibrei, 271

291

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Bibliografie1. Shakelford J. Introduction to Materials Science for Engineers, Macmillan Publishing Commpany, New York, 1988 2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981 3. Van Vlack L., Elements of Materials Science and Engineering, Addison Wesley Publishing Company, Massachusetts, 1985 4. Pavel A., Surse i riscuri de avarie n petrol petrochimie chimie, vol. I, Universitatea din Ploieti, Ploieti, 1993 5. * * * Htte Manualul inginerului. Fundamente. Traducere din limba german dup ediia a 29 a, Editura Tehnic, Bucureti, 1995 6. Broutman L.J., Composite materials. Fracture and fatigue, Academic Press, New York, 1994 7. Suciu P. Lemnul structur, proprieti, tehnologie, Editura Ceres, Bucureti, 1985

Teste de autoevaluareT.12.1. Care din urmtoarele materiale aparin categoriei agregatelor compozite: a) betonul; b) oelul carbon hipoeutectoid; c) cermetul cu particule de Al2O3 nglobate ntr-o matrice de fier; d) lemnul? T.12.2. Care din urmtoarele materiale aparin categoriei compozitelor stratificate: a) fonta emailat; b) panelul; c) placajul; d) polistirenul expandat? T.12.3. Care din urmtoarele materiale aparin categoriei compozitelor cu fibre: a) cimentul; b) betonul armat; c) fonta alb hipoeutectic; d) compozitul cu filamente de carbur de bor orientate unidirecional ntr-o matrice de aluminiu? T.12.4. Care din urmtorii factori influeneaz proprietile materialelor compozite: a) propriettile materialelor componente; b) concentraiile (masice sau volumice) ale materialelor componente; c) structura i proprietile zonelor de legtur (interfaciale) dintre materialele componente; d) distribuia materialelor componente n structura compozitului? T.12.5. Care dintre urmtoarele afirmaii sunt adevrate n cazul unui compozit cu fibre orientate unidirecional, solicitat la traciune n lungul fibrelor: a) este respectat condiia de izodeformaie; b) este respectat condiia de izotensiune; c) efectul durificator al fibrelor se manifest numai dac fracia292

Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

volumic a fibrelor depete o valoare critic; d) efectul durificator al fibrelor se manifest numai dac fracia volumic a fibrelor este mai mic dect o valoare critic? T.12.6. Care dintre urmtoarele afirmaii sunt adevrate n cazul unui compozit cu fibre orientate unidirecional, solicitat la traciune pe o direcie normal la fibre: a) este respectat condiia de izodeformaie; b) este respectat condiia de izotensiune; c) fracia volumic a fibrelor nu influeneaz comportarea la traciune a materialului compozit; d) tensiunile generate n fibre, n matrice i n materialul compozit de solicitarea la traciune sunt egale? T.12.7. Care dintre urmtoarele afirmaii privind structura la scar macroscopic a trunchiului unui arbore sunt adevrate: a) zona exterioar a trunchiului este denumit coaj sau scoar; b) partea exteriaor a scoarei este denumit alburn; c) partea interioar a scoarei este denumit liber; d) liberul este partea interioar a scoarei, care se dezvolt anual i este alctuit din vase, fibre liberiene i esuturi de parenchim? T.12.8. Care dintre urmtoarele afirmaii privind structura la scar macroscopic a trunchiului unui arbore sunt adevrate: a) zona interioar a trunchiului este denumit lemn; b) partea exterioar a lemnului este denumit alburn; c) partea central a lemnului este denumit duramen; d) duramenul este partea lemnului situat ntre alburn i mduv? T.12.9. Care dintre urmtoarele elemente aparin constituiei anatomice (structurii la scar microscopic) a lemnului: a) traheele; b) fibrele lemnoase; c) razele medulare; d) canalele rezinifere? T.12.10. Care element din constituia anatomic a lemnului este alctuit din iruri de celule moarte, alungite, cu pereii lignificai i cu spaiul interior (golit de coninutul celular) foarte ngust, strns legate ntre ele: a) traheele; b) fibrele lemnoase; c) razele medulare; d) canalele rezinifere? T.12.11. Care dintre urmtoarele elemente chimice intr n alctuirea fibrelor lemnoase (celulozice) i matricei din hemiceluloz i lignin, care definesc structura de material compozit a lemnului: a) magneziul; b) carbonul; c) oxigenul; d) hidrogenul? T.12.12. Care dintre urmtoarele definiii privind densitatea lemnului sunt corecte: a) densitatea lemnului verde reprezint masa unitii de volum a lemnului saturat n ap; b) densitatea absolut a lemnului reprezint masa unitii de volum a lemnului uscat artificial la 105 oC; c) densitatea convenional este raportul dintre masa de lemn verde i volumul de lemn anhidru care se obine din aceasta; d) densitatea convenional este raportul dintre masa de lemn anhidru i volumul de lemn verde din care aceasta s-a obinut? T.12.13. Care din urmtoarele afirmaii privind caracteristicile mecanice ale lemnului sunt adevrate: a) pentru lemn i produsele din lemn se poate defini293

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

(ca i la unele materiale metalice) o caracteristic mecanic numit rezisten la oboseal; b) duritatea Brinell a lemnului se definete la fel ca n cazul materialelor metalice; c) prezena concenratorilor de tensiuni de tipul crestturilor marginale sau orificiilor nu influeneaz comportarea la rupere a lemnului; d) caracteristicile mecanice ale lemnului nu depind de direcia pe care sunt msurate, lemnul fiind un material compozit izotrop? T.12.14. Care dintre urmtoarele semifabricate realizate din lemn se pot considera materiale compozite stratificate: a) grinzile; b) panelul; c) plcile melaminate din achii de lemn; d) plci extrudate din achii de lemn? T.12.15. Care dintre urmtorii factori influeneaz caracteristicile mecanice ale compozitelor durificate cu fibre: a) lungimea fibrelor; b) raportul de form al fibrelor; c) msura unghiului dintre direcia orientrii fibrelor i direcia de aplicare a solicitrilor mecanice; d) fracia volumic a fibrelor? T.12.16. Care dintre urmtoarele afirmaii privind comportarea la solicitri mecanice a compozitelor durificate cu fibre sunt adevrate: a) comportarea solidar a componentelor la solicitarea mecanic la traciune n lungul fibrelor a unui astfel de compozit este determinat de legturile interfaciale puternice create ntre M i f la elaborarea materialului; b) rezistena mecanic a unui astfel de compozit este ridicat, dac fracia volumic a fibrelor nglobate n material este suficient de mare, astfel c orice poriune din materialul matricei se afl integral ntr-o zon de aciune a unei fibre; c) cu ct raportul de transfer al sarcinilor este mai mic, cu att materialul compozit are o comportare mai eficient n ceea ce privete conlucrarea ntre M i f i poate prelua solicitri mecanice de intensitate mai ridicat; d) rezistena mecanic a unui astfel de compozit este ridicat, dac fracia volumic a fibrelor nglobate n material este suficient de mic i o parte din materialul matricei se afl n afara zonelor de aciune ale fibrelor? T.12.17. Care dintre urmtoarele afirmaii privind elaborarea materialelor compozite durificate cu fibre sunt adevrate: a) la elaborarea prin infiltrare, fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit, materialul matricei este adus n stare topit, se infiltreaz ntre fibre (sub vid sau sub presiunea unui gaz inert) i prin solidificare determin formarea compozitului; b) la elaborarea prin depunerea chimic a matricei n jurul fibrelor, fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit, iar matricea se depune pe fibre prin cementarea acestora n bi de sruri sau n mediu gazos; c) la elaborarea prin ncorporarea fibrelor prin deformarea plastic a matricei, un pachet realizat din straturi alternante de fibre i matrice (sub form de folie) se supune deformrii plastice la cald prin laminare, tragere sau extrudare; d) la elaborarea prin solidificarea unidirecional a eutecticelor, fazele din structura unui aliaj eutectic reprezint materialele componente ale compozitului, iar faza care are rolul fibrelor durificatoare capt dispunerea i orientarea necesare prin solidificarea dirijat unidirecional a aliajului turnat?294

Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

AplicaiiA.12.1. Un material compozit cu fibre de sticl nglobate ntr-o matrice de rin epoxidic are fracia volumic a fibrelor vf = 0,70. tiind c fibrele de sticl au densitatea f = 2540 kg/m3, iar matricea din rin epoxidic are densitatea M = 1210 kg/m3, s se determine concentraia masic a fibrelor n materialul compozit %fm i densitatea compozitului C. Rezolvare Considernd c materialul compozit are volumul VC, iar volumele fibrelor i matricei sunt Vf , VM, se obin relaiile: Vf = VCvf , VM = VC(1 vf) i VC = Vf + VM . Masele corespunztoare volumelor Vf , VM i VC sunt Mf = VCvff, MM = VC(1 vf)M i MC = Mf + MM, iar densitatea compozitului este dat de o relaie de forma (12.5): C = M(1 vf) + fvf; pentru datele precizate n enunul aplicaiei se obine: C = 1210(1 0,70) + 25400,70 = 2141 kg/m3. Concentraia volumic a fibrelor n materialul compozit este %fV = 100vf, iar concentraia masic a acestora este dat de relaia (stabilit utiliznd f raionamentul prezentat la rezolvarea aplicaiei A.2.4): % f m = 100v f ; pentru datele precizate n enunul aplicaiei se obine: % f m = 100 0,72540 2141

83 %.

A.12.2. Un material compozit cu fibre continui de sticl nglobate n matrice de rin epoxidic se consider ca material de referin la proiectarea unui nou material compozit (cu aceleai componente). tiind c matricea are * EM = 6900 N/mm2 i RmM = 69 N/mm2, fibrele au Ef = 72500 N/mm2 i Rmf = 3400 N/mm2, iar materialul de referin supus ncercrii la traciune n / lungul fibrelor are modulul de elasticitate EC = 46260 N/mm2 i rezistena la/ rupere RmC = 2050 N/mm2, s se stabileasc ce valoare trebuie s aib fracia volumica a fibrelor n noul material, pentru ca acesta s prezinte (pe direcia de orientare a fibrelor) modulul de elasticitate EC 50000 N/mm2 i rezistena la rupere RmC 2200 N/mm2. Rezolvare Pentru compozitul de referin se pot scrie relaiile (12.5) i (12.6) din care rezult valoarea fraciei volumice a fibrelor n acest material vf i mrimea / E EM 46260 6900 rezistenei conventionale a matricei RmM: v /f = C = = 0, 6 ; 72500 6900 E f EM

295

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR R mC/

RmM =

R mf v /f/ f

1 v

=

2050 3400 0,6 1 0,6

= 25 N/mm 2 . Deoarece pentru noul compozit

sunt, de asemenea, valabile relaiile (12.5) i (12.6), se poate determina valoarea fraciei volumice a fibrelor n acest material vf pentru respectarea condiiilor impuse n enunul aplicaiei, astfel:. Cu datele precizate n enunul aplicaiei se obine: vf max(0,66; 0,64) Vf 0,66. De exemplu, adoptnd vf = 0,70, rezult EC = 52820 N/mm2 > 50000 N/mm2 i Rmc = 2387,5 N/mm2 > 2200 N/mm2. Observaie Att pentru materialul compozit de referin, ct i pentru noul material proiectat, fraciile volumice ale fibrelor depesc valaorea critic dat de relaia R * RmM 69 25 = (12.7): v fcr = mM = 0,013 ; ca urmare, efectul de durificare 3400 25 Rmf RmM datorit nglobrii fibrelor n matrice este asigurat la ambele materiale. A.12.3. Un compozit cu fibre continui, este realizat nglobnd fibre dintr-un material cu Ef = 80000 N/mm2 ntr-un material matrice cu EM = 8000 N/mm2. S se analizeze cum se modific, n funcie de fracia volumic a fibrelor vf, valorile modulului de elasticitate al compozitului EC pe direcia fibrelor i pe direcia normal la fibre. Rezolvare Folosind relaiile (12.5) i (12.11) n condiiile precizate n enunul aplicaiei se pot trasa graficele EC = f(vf) prezentate n figura 12.23. Analiznd aceste grafice, rezult c modulul de elasticitate al compozitului pe direcia de orientare a fibrelor crete liniar odat cu vf, n timp ce efectul de cretere odat cu vf a modulului de elasticitate al compozitului pe direcia normal la fibre se manifest pregnant numai la valori ridicate ale vf .

Fig. 12.23. Diagramele de variaie, n funcie de fracia volumic a fibelor, a modulului de elasticitate determinat n lungul fibrelor i pe direcia normal la fibre la un compozit cu fibre de sticl si matrice de rin epoxidic 296

Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

A12.4. S se determine valoarea exponentului n din relaia (12.12) pentru un agregat compozit alctuit dintr-o matrice de cobalt n care sunt nglobate particule dure de carbur de wolfram, cunoscnd c modulul de elasticitate al matricei este EM = 207000 N/mm2, modulul de elasticitate al particulelor este Ef = 705000 N/mm2, iar modulul de elasticitate al materialului cu vf = 0,5 este EC = 382000 N/mm2. Rezolvare nlocuind datele din enunul aplicaiei n relaia (12.12), se obtine ecuaia exponenial (transcendent), cu necunoscuta n: 2 382 n = 207 n + 705 n .Aceast ecuaie se poate rezolva pe cale numeric, considernd diverse valori ale necunoscutei n[1;1]\{0}, calculnd (pentru fiecare valoare a exponentului n) A = 2 382 n i B = 207 n + 705 n i declarnd ca soluie valoarea n pentru care se obine A = B. Rezultatele utilizrii aceastei proceduri de rezolvare sunt diagrafiate n figura 12.24, iar soluia care se obine astfel este n 0 (aceeai soluie rezultnd i prin utilizarea programului de rezolvare numeric a ecuaiilor al produsului informatic MathCad).

Fig. 12. 24. Determinarea exponentului n din relaia (12.12) pentru un agregat compozit cu particule de WC nglobate n matrice de Co

Fig.12.25. Diagrama de variaie, n funcie de vf, a modulului de elasticitate al agregatului compozit cu particule de WC i matrice de Co

Observaie n cazul agregatului compozit analizat, exponentul n din relaia (12.12) tinde ctre valoarea zero i, ca urmare, n aceast situaie se poate considera c297

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

modulul de elasticitate al materialului este definit, pe baza relaiei (12.12), astfel: EC = lim [ E (1 v f ) + E v f ] = E M f E f fn0 n M n f v 1 n 1 v

(12.18)

Datele din enunul aplicaie satisfac aceast egalitate, care se poate considera n locul relaiei (12.12) pentru estimarea modulului de elasticitate al agregatelor compozite la care n 0. Aa cum s-a precizat n scap. 12.2, caracteristicile agregatelor compozite cu structura alctuit din particulele unui material f distribuite ntr-o matrice dintr-un material M sunt intermediare celor care se pot determina n lungul fibrelor i pe direcia normal la fibre la compozitele cu fibre din material f nglobate n matricea M. Respectarea acestei reguli de ctre agregatul compozit cu particule de carbur de wolfram nglobate ntr-o matrice de cobalt este ilustrat n figura 12.25, n care: curba CLF red variaia n funcie de vf a modulului de elasticitate determinat n lungul fibrelor la compozitul cu fibre de carbur de wolfram nglobate ntr-o matrice de cobalt, expresia analitic a funciei corespunztoare acestei curbe fiind (12.5); curba CNF red variaia n funcie de vf a modulului de elasticitate determinat pe direcia normal la fibre la compozitul cu fibre de carbur de wolfram nglobate ntr-o matrice de cobalt, expresia analitic a funciei corespunztoare acestei curbe fiind (12.11); curba AC red variaia n funcie de vf a modulului de elasticitate al agregatului compozit (cvasiizotrop) cu particule de carbur de wolfram uniform distribuite ntr-o matrice de cobalt, expresia analitic a funciei corespunztoare acestei curbe fiind (12.18). A.12.5. S se determine valoarea modulului de elasticitate EC al unui agregat compozit alctuit dintr-o matrice M n care sunt distribuite uniform particule dintr-un material f, fracia volumic a particulelor fiind vf = 0,7. Se cunoate c modulul de elasticitate al materialului M este EM = 70000 N/mm2, modulul de elasticitate al materialului f este Ef = 220000 N/mm2, iar modulul de elasticitate al agregatului compozit (cu aceleai componente) avnd vf = 0,4 este EC = 100000 N/mm2. Rezolvare Procednd ca la rezolvarea aplicaiei A.12.4, se determin valoarea exponentului n din relaia (12.12), care modeleaz analitic variaia modulului de easticitate al agregatului compozit; ecuaia exponenial care trebuie rezolvat este: 100n = 0,670n + 0,4220n, iar soluia (nebanal) care rezult prin rezolvarea numeric a acesteia este, aa cum se observ n figura 12.26, n = 0,6945. Folosind relaia (12.12) (cu n = 0,6945), se poate determina modulul de elasticitate al agregatului compozit cu = 0,7; rezult vf EC = [0,3 70000 0, 6945 + 0,7 220000 0, 6945 ]298 1 0 , 6945

= 140625 N/mm2, iar variaia EC,

Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

n funcie de vf, pentru agregatele compozite cu componentele M i f precizate n enunul aplicaiei este redat n figura 12.27, n care notaiile au semnificaii similare celor precizate la rezolvarea aplicaiei A.12.4. A.12.6. O bar de traciune cu diametrul D = 25 mm este realizat dintr-un material compozit durificat cu fibre discontinui de sticl, orientate pe direcia axei longitudinale a barei i avnd diametrul df = 0,05 mm i lungimea L = 50 mm. Fracia volumic a fibrelor materialului compozit este vf = 0,7, componentele materialului fiind caracterizate astfel: fibrele de sticl au Rmf = 3000 N/mm2, iar matricea din rin epoxidic are RmM = 25 N/mm2 i rM = 40 N/mm2. S se stabileasc dac bara de traciune rezist la solicitarea dat de o for cu intensitatea F = 7,5105 N. Rezolvare Solicitarea la traciune cu fora F = 7,5105 N produce tensiuni normale (n 5 4F 4 7,5 10 lungul fibrelor) cu intensitatea = = = 1528 N/mm2. 2 2 D 25

Fig. 12. 26. Determinarea exponentului n din relaia (12.12) pentru agregatul compozit considerat n aplicaia A.12.5

Fig.12.27. Diagrama de variaie, n funcie de vf, a modulului de elasticitate al agregatului compozit considerat n aplicaia A.12.5

Rezistena la rupere a materialului compozit se poate determina cu relaia (12.15), considernd valoarea lungimii critice a fibrelor Lc dat de relaia (12.14). Rmf 1 1 3000 = 0,94 mm Trp, Trp fiind temperatura de recristalizare primar a componentului principal al pulberii sau amestecului de pulberi (T rp 0,4T s v. scap. 3.5), pentru a asigura condiiile termice necesare desfurrii proceselor de recristalizare care stau la baza formrii legturilor de consolidare ntre particule. Acest mod de alegere a temperaturii T si conduce n anumite cazuri, cnd pulberile sau amestecurile de pulberi conin componente secundare cu temperatura de solidificare topire inferioar T si, la desfurarea proceselor de sinterizare n prezena unei anumite cantiti de faz lichid, fapt ce are ca efecte accelerarea proceselor i obinerea unor produse cu compactitate ridicat.

Fig. 13.6. Efectele presrii i sinterizrii pulberii de argint cu incluziuni de Al2O3: a pulberea vrsat n matria de presare; b pulberea presat i sinterizat o or la 900 oC; c pulberea presat i sinterizat 240 ore la 900 oC

Durata sinterizrii si se stabilete experimental, n corelaie cu gradul de sinterizare necesar realizrii proprietilor de utilizare dorite ale produselor; la stabilirea mrimii si se ine seama c aceasta este direct proporional cu volumul particulelor pulberii din care se realizeaz produsele i invers proporional cu coeficientul de difuzie D al componentului principal al pulberii (care se coreleaz cu Tsi conform (1.15) v. scap. 1.7). Mediul de sinterizare se alege n mod obinuit neutru sau reductor, deoarece prezena oxizilor n masa sau pe suprafeele particulelor pulberilor folosite la realizarea produselor influeneaz negativ desfurarea proceselor de difuzie care au loc n cursul sinterizrii. Mediile neutre (atmosferele de argon) se folosesc la sinterizarea produselor din pulberi metalice lipsite de oxizi. Mediile reductoare (atmosferele de hidrogen, amoniac, hidrocarburi etc.) se utilizeaz atunci cnd pulberile din care se realizeaz produsele se oxideaz uor sau prezint coninuturi apreciabile de oxigen (oxizi) de la elaborare, manipulare sau depozitare. n prezent se practic pe scar larg sinterizarea n vid, mediu ieftin, uor de obinut i cu activitatea chimic (reductoare sau neutr) reglabil (prin nivelul vidului i temperatura Tsi utilizate la sinterizare).311

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

13.4. Structurile i proprietile produselor sinterizateProdusele care se obin prin metoda agregrii pulberilor au caracteristicile structurale (influenate de compoziia chimic i de regimul tehnologic folosit la sinterizare) sugerate de micrografiile prezentate n figurile 13.7, 13.8 i 13.9.

Fig. 13.7. Microstructurile produselor sinterizate din WC cu liant de Co: a material cu 94 % WC i 6 % Co; b material cu 85 % WC i 15 % Co

Fig. 13.8. Microstructurile produselor din pulbere de Fe sinterizat la 800 oC: a timp de 0,5 ore; b timp de 6,5 ore; c timp de 22 ore

Produsele fr porozitate, cu structura alctuit din particulele unui material nglobate ntr-un material suport (liant, matrice), se comport ca niste agregate compozite, caracteristicile lor putnd fi determinate aplicnd principiile prezentate n scap. 12.2. Produsele sinterizate prezentnd o porozitate Pp au caracteristicile fizico mecanice determinate att de caracteristicile structurii realizate prin sinterizare, definite prin constituia acesteia (natura, numrul i proporia fazelor care alctuiesc structura) i prin forma, dimensiunile, modul de distribuie i gradul de dispersie al fazelor componente ale structurii, ct i de mrimea porozitii, forma i dimensiunile porilor.312

Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

Fig. 13.9. Microstructurile unor produe industriale sinterizate: a filtru din pulbere de bronz; b electrod din pulbere de wolfram; c pies din pseudoaliaj WNiFe obinut prin sinterizare

Deoarece porii prezeni n produsele sinterizate diminueaz seciunile portante i au efectele unor concentratori de tensiuni, caracteristicile mecanice ale acestor produse pot fi influenate n msur important de mrimea porozitii Pp (n %), definit prin relaiile: V Vs 100 = (1 )100 , (13.1) Pp = V s n care V i reprezint volumul i, respectiv, densitatea produsului sinterizat, iar Vs i s volumul i, respectiv, densitatea masei structurale (lipsit de pori) a produsului. Cercetrile experimentale ntreprinse asupra diverselor materiale obinute prin metoda agregrii de pulberi au evideniat faptul c dependeele dintre principalele caracteristici mecanice ale acestor materiale i porozitatea lor pot fi exprimate analitic prin relaii de forma: Y = Ys e K s Pp

sau Y = Ys (1 K s/ Ppm )

(13.2)

n care Y i Ys reprezint valorile unei caracteristici mecanice determinate pe materialul sinterizat i, respectiv, pe materialul (lipsit de pori) care alctuiete masa structural a produsului sinterizat, iar Ks, K s/ i m sunt constante cu valorile dependente de natura materialului sinterizat i, evident, de caracteristica mecanic considerat. Prima dintre relaiile (13.2) este potrivit pentru a estima duritatea Brinell (Y HB; Ys HBs), rezistena la traciune (Y Rm; Ys Rms) i alungirea procentual dup rupere (Y A; Ys As) ale materialelor sinterizate, n timp ce a doua relaie permite modelarea numeric a modulului de elasticitate longitudinal (Y E; Ys Es) i coeficientului contraciei transversale (Y ; Ys s) ale unor astfel de materiale; de exemplu, n cazul produselor realizate din pulberi de fier sinterizate, prima dintre relaiile (13.2) permite a se estima duritatea Brinell HB, dac se consider Ys HBs = 75 HBS i Ks = 0,049,313

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

rezistena la traciune Rm, dac se ia Ys Rms = 250 N/mm2 i Ks = 0,043 i alungirea procentual dup rupere A, dac se utilizeaz Ys As = 40 % i Ks = 0,058, iar cea de-a doua relaie din grupul (13.2) permite a se determina cu o bun precizie valorile modulului de elasticitate longitudinal E, dac se consider Ys Es = 2,05105 N/mm2, K s/ = 0,03 i m = 0,67 i coeficientului lui Poisson, dac se ia Ys s = 0,35, K s/ = 0,01 i m = 1.

Fig. 13.10. Curbele Whler ale fierului sinterizat cu diferite valori ale porozitii Pp

Porozitatea produselor sinterizate influeneaz negativ rezistena la obosel a acestora, aa cum rezult examinnd curbele de durabilitate (Whler) ale pieselor din fier sinterizat prezentate n figura 13.10. De asemenea, porozitatea influeneaz i alte caracteristici ale produselor sinterizate: conductibilitatea termic i electric, caracteristicile magnetice, rezistena la coroziune etc.

Cuvinte cheieaglomerate, 307 agregare pulberi, 301 agregate, 307 compactitate de presare, 305 compactitate de umplere, 305 densitate de presare, 305 densitate de umplere, 304 durat de sinterizare, 311 efect postelastic, 310 fluiditate, 305 grad de ndesare, 305 mediu de sinterizare, 311 metalurgia pulberilor, 301 metode fizico-chimice reducere oxizi, carbonil, electrolitic, precipitare, 303 metode mecanice mcinare, pulverizare, 302 porozitate de umplere, 305 pulberi, 301 fibroase, lamelare, sferoidale, 304 sinterizare, 310 temperatur de sinterizare, 310 volum specific de scuturare, 305

314

Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor obinute prin agregare de pulberi

Bibliografie1. Shakelford J., Introduction to Materials Science for Engineers, Macmillan Publishing Commpany, New York, 1988 2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981 3. Surdeanu T, Perne M, Piese sinterizate din pulberi metalice, Editura Tehnic, Bucureti, 1984 4. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea a doua, Universitatea din Ploieti, Ploieti, 1985 5. Ciocrdia C., Drgulnescu E., Drgulnescu I., Aliaje dure sinterizate din carburi metalice, Editura Tehnic, Bucureti, 1985 6. Gdea S., .a., Metalografie, Editura didactic i Pedagogic, Bucureti, 1986 7. * * * Metals Handbook Ninth Edition, vol.9, American Society for Metals, Ohio, 1986

Teste de autoevaluareT.13.1. Care dintre urmtoarele etape se parcurg la fabricarea unui produs prin metoda agregrii de pulberi: a) obinerea pulberilor; b) presarea pulberilor; c) spargerea comprimatelor realizate prin presare; d) sinterizarea comprimatelor obinute prin presare? T.13.2. Care dintre urmtoarele produse se pot obine prin metoda agregrii de pulberi: a) electrozii nefuzibili din wolfram pentru sudare; b) plcuele din materiale dure pentru sculele achietoare; c) arborii cotii ai motoarelor Diesel pentru camioanele de mare tonaj; d) barele de traciune din rin poliesteric armat cu fibre de sticl? T.13.3. Care dintre urmtoarele produse se pot obine prin metoda agregrii de pulberi: a) cuzineii din bronz grafitat; b) plcuele dure din cermeturi pentru sculele achietoare; c) filtrele din aliaje Monel; d) grinzile metalice pentru poduri? T.13.4. Metoda de producere a pulberilor la a crei aplicare materia prim sub form de metal sau aliaj topit se scurge dintr-un creuzet (printr-o duz calibrat), sufer impactul cu mai multe jeturi (de aer, vapori, ap etc.) i este pulverizat n picturi fine, care se transform n particule de pulbere prin solidificarea ntr-o baie de rcire, este: a) metoda electolitic; b) metoda carbonil; c) metoda pulverizrii din faz lichid; d) metoda precipitrii din soluie apoas?315

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

T.13.5. Metoda de producere a pulberilor la a crei aplicare materia prim sub form de soluii apoase sau topituri de sruri metalice este descompus prin electroliz, obinndu-se depozite catodice compacte fragile, spongioase sau pulverulente, care se pot transforma uor n pulberi prin mcinare, este: a) metoda mcinrii; b) metoda precipitrii din soluie apoas; c) metoda carbonil; d) metoda electrolitic? T.13.6. Care dintre urmtoarele caracteristici ale pulberilor metalice se ncadreaz n categoria caracteristicilor fizice: a) mrimea particulelor; b) suprafaa specific a particulelor; c) fluiditatea: d) densitatea de presare? T.13.7. Care dintre urmtoarele caracteristici ale pulberilor metalice se ncadreaz n categoria caracteristicilor tehnologice: a) densitatea de umplere; b) volumul specific de scuturare; c) densitatea de presare; d) compactitatea de presare? T.13.8. Mrimea suprafeei totale a particulelor unei pulberi, inclusiv a macroporilor deschii coninui de acestea, raportat la masa sau volumul lor efectiv definete: a) volumul specific al pulberii; b) suprafaa specific a particulelor pulberii; c) mrimea particulelor pulberii; d) porozitatea de umplere a pulberii? T.13.9. Cantitatea (masa) de pulbere ce se scurge n unitatea de timp prin orificiul calibrat al unei plnii definete: a) densitatea de presare a pulberii; b) rezistena la oxidare a particulelor pulberii; c) compactitatea de umplere a pulberii; d) fluiditatea pulberii? T.13.10. Capacitatea unei pulberi de a da prin presare un semifabricat suficient de rezistent, care s-i pstreze forma i s nu sufere pierderi masice n timpul manipulrilor la care este supus n procesul de fabricare a produselor definete: a) densitatea de umplere a pulberii; b) suprafaa specific a particulelor pulberii; c) rezistena muchiilor (comprimatelor obinute prin presarea pulberii); d) fluiditatea pulberii? T.13.11. Care dintre urmtorii factori influeneaz fluiditatea unei pulberi: a) forma particulelor; b) compoziia granulometric a pulberii; c) coninutul de impuriti al particulelor pulberii; d) rugozitatea suprafeelor particulelor? T.13.12. Care dintre urmtoarele procese se produc la formarea legturilor de consolidare a particulelor pulberii utilizate ca materie prim pentru obinerea unui produs: a) crearea legturilor punctiforme ntre particule; b) dezintegrarea particulelor; c) creterea legturilor punctiforme i formarea suprafeelor de contact (punilor de legtur) ntre particule; d) creterea cristalelor noi, sferoidizarea i diminuarea dimensiunilor porilor? T.13.13. Procesele prin care amestecurile neconsolidate de pulberi se transform n produse compacte i rezistente se desfoar mai ales n cursul operaiilor tehnologice de: a) dozare a pulberilor; b) presare a pulberilor n matrie; c) sinterizare; d) amestecare a pulberilor? T.13.14. Gruprile de particule ferm legate ntre ele prin fore superficiale de316

Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor obinute prin agregare de pulberi

adeziune sunt denumite: a) agregate de particule; b) aglomerate de particule; d) dislocaii; d) lipituri? T.13.15. Relaxarea elastic a materialului particulelor pulberii, nsoit de creterea brusc a volumului comprimatelor de pulberi la scoaterea lor din matriele n care au fost realizate prin presare, este denumit: a) sinterizare; b) dilatare termic; c) efect postelastic; d) expansiune? T.13.16. Tratamentul termic prin care se realizeaz activarea termic a comprimatelor de pulberi n vederea desfurrii proceselor, bazate pe difuzie, care produc consolidarea i creterea punilor de legtur dintre particule, densificarea (micorarea porozitii) i recristalizarea structurii produselor realizate prin agregare de pulberi este denumit: a) recoacere complet; b) normalizare; c) clire martensitic; d) sinterizare? T.13.17. Care dintre urmtoarele afirmaii privind alegerea regimului tehnologic la sinterizarea comprimatelor de pulberi sunt adevrate: a) temperatura de sinterizare trebuie s fie mai mic dect temperatura de recristalizare primar a materialului componentului principal al pulberii; b) durata sinterizrii este direct proporional cu volumul particulelor pulberii din care se realizeaz produsele i invers proporional cu coeficientul de difuzie D al componentului principal al pulberii; c) cnd pulberile din care se realizeaz produsele se oxideaz uor sau prezint coninuturi apreciabile de oxigen (oxizi) de la elaborare, manipulare sau depozitare sinterizarea se face n atmosfer reductoare (hidrogen, amoniac, hidrocarburi etc.); d) atmosferele de argon se folosesc la sinterizarea produselor din pulberi metalice lipsite de oxizi? T.13.18. Care dintre urmtoarele efecte corespund prezenei porilor n produsele realizate prin metoda agregrii de pulberi: a) diminueaz rezistena la traciune; b) mresc duritatea; c) mresc rezistena la oboseal; d) micoreaz modulul de elasticitate?

AplicaiiA.13.1. s se stabileasc relaia de determinare a suprafeei specifice a pulberilor alctuite din particule cubice (cu latura dp) sau sferice (cu diametrul dp) realizate dintr-un material cu densitatea e. Rezolvare Conform definiiei date n scap. 13.2, suprafaa specific a particulelor unei pulberi este raportul dintre suprafaa total a particulelor i suprafaa lor efectiv (numit suprafa specific Sv) sau raportul dintre suprafaa total a particulelor i masa lor efectiv (numit suprafa specific Sm). Ca urmare, considernd c o mas M de pulbere conine np particule cu volumul (total) efectiv317

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Ve, fiecare particul avnd volumul Vp ( V p = d 3 , dac particulele au forma cubic p 4 dp 2 sau V p = ( ) 3 , dac particulele au forma sferic), suprafaa Sp ( S p = 6d p , 3 2 dp dac particulele au forma cubic sau S p = 4 ( ) 2 , dac particulele au forma 2 npS p S p npS p Sp sferic) i masa M p = eV p , rezult: S v = ; i S m = = = n pV p V p n p eV p eV p nlocuind n aceste relaii expresiile mrimilor Sp i Vp, se obin relaiile: 6 6 . (13.3) i S m = Sv = e d p dp Observaie Relaiile (13.3) sugereaz c suprafaa specific a pulberilor cu particule de form regulat este independent de forma particulelor. n cazul pulberilor cu particule de form neregulat (cu macropori deschii, cu aspect dendritic etc.) suprafaa specific se stabilete cu relaii de forma: 6 6 f i S m = f, (13.4) Sv = e d p dp f fiind un factor de corecie supraunitar, care ine seama de abaterile de la forma regulat (poliedric sau sferic) ale particulelor pulberii. A.13.2. Pulberea metalic utilizat ca materie prim pentru realizarea unui produs sinterizat are urmtoarele caracteristici: densitatea materialului particulelor pulberii e = 7850 kg/m3, densitatea de umplere u = 3500 kg/m3 i densitatea de presare p = 7200 kg/m3. S se determine pentru aceast pulbere compactitatea de umplere Cu, porozitatea de umplere Pu i compactitatea de presare Cpr i s se stabileasc dac produsul obinut prin sinterizare poate avea porozitatea Pp 10 %. Rezolvare Utiliznd relaiile de definire a caracteristicilor pulberilor (date n scap. 13.2), rezult pentru pulberea precizat n enunul aplicaiei: compactitatea 3500 de umplere a pulberii este C u = u 100 = 100 44,6 %, porozitatea de e 7850 umplere este Pu = 100 Cu = 100 44,6 55,4 % , iar compactitatea de presare p 7200 100 = 100 91,7 %. Evident, porozitatea pulberii presate este este C pr = e 7850 Ppr = 100 Cpr = 100 91,7 = 8,3 % i, innd seama c tratamentul termic de sinterizare reduce porozitatea comprimatelor de pulbere obinute prin presare, se poate aprecia c produsele realizate vor avea Pp < 8,3 % < 10 %.318

Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor obinute prin agregare de pulberi

A.13.3. Un filtru realizat prin sinterizare din pulbere de aliaj Monel cu %Nim = 70 % are porozitatea Pp = 38 %. S se determine densitatea aceestui produs. Rezolvare Particulele pulberii din aliaj Monel au (aa cum s-a precizat n scap. 9.5.2) concentraiile masice ale componentelor: %Nim = 70 % i %Cum = 30 %, densitile acestor componentelor avnd valorile (precizate n tabelul 1.2): Ni = 8910 kg/m3 i Cu = 8930 kg/m3. Particulariznd relaia general stabilit la rezolvarea aplicaiei A.2.4, se poate determina densitatea materialului particulelor 100 100 pulberii: e = = 8916 kg/m3. % Ni m %Cu m 70 30 + + 8910 8930 Ni Cu Densitatea filtrului obinut prin sinterizare din pulbere de aliaj Monel este: Pp 38 p = e (1 ) = 8916(1 ) 5528 kg/m3. 100 100 A.13.4. Microstructura unui produs din bronz grafitat realizat prin metoda agregrii de pulberi evideniaz un coninut procentual (volumic) de bronz %Bzv = 85 % i un coninut procentual (volumic) de grafit %Cv = 85 %, restul fiind pori. S se determine densitatea acestui produs, tiind c la realizarea lui s-a folosit un amestec alctuit din pulbere de grafit i pulbere de bronz cu staniu cu %Snm = 10 %. Rezolvare Densitatea grafitului este (v.scap. 4.1) C = 2500 kg/m3, iar densitatea bronzului cu staniu se determin folosind relaia general stabilit la rezolvarea aplicaiei A.2.4, tiind c (aa cum se precizeaz n tabelul 1.2) Cu = 8930 kg/m3 i 100 100 = 8734 kg/m3. Sn = 7290 kg/m3: Bz = %Cu m % Snm 90 10 + + 8930 7290 Cu Sn Considernd c produsul precizat n enunul aplicaiei are masa Mp i volumul Vp, rezult Mp = MBz + MC = Bz VBz + C VC i Vp = VBz + VC + Vpori, MBz i MC fiind masele bronzului i grafitului exisistente n structura produsului, iar VBz, VC i Vpori volumele ocupate de bronz, grafit i pori n aceast structur. % Bz v %C v Deoarece VBz = V p i VC = V p se obine c densitatea produsului este 100 100 % Bz v %C v p = Bz + C = 87340,85 + 25000,10 7674 kg/m3. 100 100 Observaie Dac produsul ar avea porozitatea Pu = 0 %, coninuturile procentuale319

ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

(volumice) ale constituenilor structurali ar fi: % Bz v/ =

% Bz v 85 100 = 100 % Bz v + %C v 95

89,5 % i %C v/ = 100 % Bz v/ = 100 89,5 = 10,5 % i densitatea produsului crete % Bz v/ %C v/ la valoarea = Bz + C = 87340,895 + 25000,105 8080 kg/m3. 100 100 A.13.5. Utiliznd datele prezentate n scap. 13.4, s se studieze variaiile caracteristicilor mecanice ale produselor realizate din pulberi de fier sinterizate, n funcie de porozitatea acestora Pu (0 %; 30 %)./ p

Fig. 13.11. Diagramele de variaie n funcie de porozitatea Pp ale principalelor caracteristici mecanice ale produselor realizate din pulberi de fier sinterizate

Rezolvare Utiliznd relaiile potrivite din grupul (13.2), cu valorile precizate n scap. 13.4 pentru constantele care intervin n aceste relaii, se obin diagramele de variaie ale principalelor caracteristici mecanice ale produselor realizate din pulberi de fier sinterizate (duritatea Brinell HB, rezistena la traciune Rm, alungirea procentual dup rupere A i modulul de elasticitate longitudinal E), n funcie de porozitatea acestora Pp , prezentate n figura 13.11.

320

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

Capitolul 14

ALEGEREA MATERIALELOR PENTRU APLICAIILE TEHNICE

14.1. IntroducereLa alegerea materialelor pentru o aplicaie tehnic trebuie avute n vedere dou principii: * materialele selectate trebuie s posede proprietile fizico-chimice, mecanice i tehnologice corespunztoare cerinelor impuse de aplicaia n care sunt utilizate; * materialele alese trebuie s conduc la soluii tehnice de rezolvare a aplicaiei care s fie convenabile economic, adic s poat fi transpuse n practic cu cheltuieli acceptabile privind elaborarea materialelor, obinerea semifabricatelor i realizarea produselor impuse de aplicaie. n scopul facilitrii alegerii lor pentru diverse aplicaii tehnice, s-a recurs la mprirea materialelor n dou mari clase: materialele structurale (materialele de construcie) sunt cele la care caracteristicile de rezisten mecanic sunt cele mai importante, ele fiind destinate confecionrii elementelor (pieselor, componentelor) supuse la solicitri mecanice; n lucrarea de fa, adresat n principal celor care se pregtesc sau care lucreaz n domeniul ingineriei mecanice, sunt tratate cu precdere materialele din aceast clas: materialele metalice (oeluri, fonte i aliaje neferoase), materialele pe baz de substane macromoleculare, materiale ceramice i sticlele, lemnul i materialele compozite; materialele funcionale sunt cele la care caracteristicile cele mai importante sunt de natur electric, magnetic, optic, chimic, etc., ele trebuind s asigure ndeplinirea rolului funcional al unor elemente (piese, componente) pentru electrotehnic, electronic, automatic i informatic, tehnica msurrii,321

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

detecia i nregistrarea semnalelor de diverse naturi fizice, etc.; materialele din aceast clas (materialele semiconductoare, materialele magnetice, materialele ceramice cu proprieti piezoelectrice, polimerii pentru cristale lichide, ceramicele electrooptice, materialele conductoare i superconducoare, etc.) nu au fcut obiectul acestei lucrri. Tinnd de cele expuse mai nainte, n acest capitol sunt tratate n principal aspectele privind alegerea materialelor structurale pentru aplicaiile tehnice.

14.2. Criteriile i metodele de selecie a materialelorPrima etap care trebuie parcurs la alegerea materialelor adecvate realizrii unui produs const n cunoaterea tuturor condiiilor tehnice ce definesc funcionalitatea lui i comportarea sa n exploatare: condiiile privind solicitrile mecanice la care este supus produsul: complexitatea sistemului de solicitare (solicitri simple, de tip ntindere compresiune, ncovoiere simpl sau forfecare pur, sau solicitri compuse), intesitatea solicitrilor, caracterul static sau dinamic al aplicrii acestora, caracterul variabil n timp sau constant al solicitrilor (care implic apariia sau nu a fenomenului de degradare prin oboseal), posibilitatea ca solicitrile s genereze fenomene de pierdere a stabilitii unor componente ale produsului (a cror evitare impune asigurarea unor anumite rigiditi ale componentelor), condiiile termice n care se aplic solicitrile (solicitri la temperaturi sczute, solicitri n condiii de temperatur normal sau solicitri n condiii termice care determin manifestarea fenomenului de fluaj), condiiile de mediu n care se aplic solicitrile (mediu de lucru neutru, mediu corosiv sau abraziv) etc.; condiiile privind caracteristicile fizice ale materialului produsului, care determin sau influeneaz ndeplinirea funciilor pentru care acesta este realizat: densitatea, fuzibilitatea, rezistivitatea electric, conductibilitatea termic, dilativitatea termic etc.; condiiile privind precizia dimensional a produsului i calitatea suprafeelor acestuia; condiiile privind fiabilitatea i mentenabilitatea produsului, fiabilitatea fiind proprietatea produsului exprimat prin probabilitatea ca acesta s-i ndeplineasc funciile n condiii prescrise, n cursul unei perioade de timp date, iar mentenabilitatea fiind proprietatea produsului exprimat prin probabilitatea ca acesta s poat fi supravegheat, ntreinut i reparat ntr-o anumit perioad de timp. n prezent, n gama condiiilor tehnice ale produselor industriale se includ322

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

i cele privind protecia oamenilor i mediului nconjurtor (condiiile ecologice) i condiiile privind reciclabilitatea (proprietatea produsului scos din uz de a putea fi transformat n deeuri reintegrabile n natur sau valorificabile prin procese tehnologice de realizare a unor noi produse). Dup analiza detaliat a condiiilor tehnice impuse produsului care trebuie obinut se formuleaz criteriile de selecie a materialelor necesare pentru fabricarea acestuia, grupate n categoriile prezentate n continuare: A. Criteriile privind proprietile materialelor sunt principalele criterii folosite pentru alegerea acestora; n aceast categorie sunt incluse: criteriile privind caracteristicile mecanice care trebuie asigurate (n condiiile de temperatur i mediu de lucru corespunztoare produsului ce trebuie realizat): duritatea, rezistena la rupere, limita de curgere, modulul de elasticitate, alungirea procentual dup rupere, energia de rupere, rezistena la oboseal, rezistena la fluaj, etc.; criteriile privind caracteristicile fizice care trebuie asigurate: densitatea, temperatura de topire-solidificare, rezistivitatea electric, coeficientul de dilatare termic, conductibilitatea termic, etc.; criteriile privind caracteristiciele chimice i structurale impuse: compoziia chimic, structura, coninutul de impuriti, rezistena la coroziune (n mediul de lucru i n condiiile de solicitare corespunztoare produsului ce trebuie realizat); criteriile privind caracteristicile semifabricatelor necesare pentru obinerea produsului: forma, dimensiunile i masa semifabricatelor, calitatea suprafeelor semifabricatelor. n mod obinuit criteriile privind alegerea materialelor n funcie de proprieti se formuleaz considernd diversele caracteristici care exprim cantitativ proprietile acestora. Astfel, dac se noteaz cu CAP nivelul limit (minim sau maxim) acceptabil (din punctul de vedere al aplicaiei pentru care trebuie ales materialul) al unei caracteristici de material i cu CAM nivelul (aceleiai caracteristici) asigurat de materialele din gama considerat la selecie, criteriul se poate exprima analitic n una din urmtoarele forme: (14.1) CAM CAP sau CAM CAP; de exemplu, dac ntr-o aplicaie este necesar s se utilzeze materiale avnd rezistena la rupere mai mare dect 300 N/mm2, criteriul de selecie a materialelor va fi Rm > 300 N/mm2, iar dac aplicaia impune ca materialele s aib densitatea mai mic dect 4000 kg/m3, criteriul de selecie a materialelor se poiate scrie 4000 kg/m3. Criteriile din aceast categorie pot fi ierarhizate n funcie de importan, stabilindu-se pentru fiecare criteriu dac este principal (de baz) sau secundar (auxiliar) i dac este obligatorie sau facultativ respectarea sa. Pentru ierarhizarea criteriilor i stabilirea ponderii (coeficientului de importan) cu care fiecare323

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

criteriu trebuie considerat la luarea deciziilor privind alegerea materialelor se poate folosi metoda prezentat n figura 14.1, la aplicarea creia se parcurg urmtoarele etape: se precizeaz criteriile care se iau n considerare K1,K2, ... ,Ki, Kj, ... , Kn; echipa de proiectare stabilete valorile ponderilor pariale aij, i j i aij +aji = 1 i ntocmete un tablou numit matricea preferinelor; pentru stabilirea valorilor ponderilor aij se consider pe rnd perechile de criterii (Ki, Kj), i j i, presupunnd c numai criteriile Ki i Kj intervin n alegerea materialului, se estimeaz coeficientul de importan al fiecrui criteriu (de exemplu, a31 = 0,7 i a13 = 0,3 rezult considernd perechea de criterii (K1, K3) i apreciind c, n cazul cnd numai aceste dou criterii se iau n considerare, respectarea criteriului K1 asigur n proporie de 70% luarea unei decizii bune la alegera materialului); se calculeaz suma ponderilor pariale corespunztoare fiecrui criteriu (suma pondrilor nscrise pe fiecare coloan a matricei preferinelor) Spj = aij i suma tuturor ponderilor pariale nscrise n matrice S p = n(n 1)2= i1 n

;

se calculeaz ponderea cu care trebuie considerat fiecare criteriu la n Spj alegerea materialelor aj = , j = 1...n ( a j = 1) i pe aceast baza se poate j =1 Sp face ierarhizarea dup importan a criteriilor. Pentru ca numrul criteriilor utilizate la selecia materialelor n funcie de proprieti s fie ct mai mic (n scopul facilitrii alegerii) se apeleaz la formularea unor criterii bazate pe caracteristici sintetice (care nglobeaz mai multe caracteristici ale materialului). De exemplu, dac pentru o aplicaie trebuie ales un material care s asigure un nivel ridicat al rezistenei mecanice a pieselor i un nivel sczut al masei acestora, criteriul de selecie a materialelor se formuleaz considernd caracteristica (sintetic) denumit rezisten mecanic specific KR, definit prin raportul dintre rezistena la rupere a materialului Rm i greutatea specific ( = g, fiind densitatea materialului, iar g acceleraia R gravitaional) K R = m . De asemenea, dac pentru o aplicaia trebuie ales un material care s asigure un nivel ridicat al rigiditii pieselor (deformaii elastice mici ale pieselor n prezena solicitrilor mecanice) i un nivel sczut al masei acestora, criteriul de selecie a materialelor se formuleaz considernd E caracteristica (sintetic) numit modul de elesticitate specific KE = , iar dac trebuie ales un material care s asigure n mod eficient o bun comportare a324

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

pieselor la solicitri variabile, criteriul de selecie a materialelor se formuleaz considernd caracteristica (sintetic) numit rezisten relativ la oboseal R KO = O , RO fiind rezistena la oboseal a materialului (v. scap. 3.9). Rm Valorile unor astfel de caracteristici sintetice asigurate de diversele materiale comerciale sunt prezentate n tabelul 14.1.DEFINIREA CRITERIILORCRITERIUL

K1, K1 ... ai1 ... aj1 ... an1 Sp1 K1 ... Ki ... Kj ... KnSpj = aij= i1 n

... ... ... ... ... ... ... ... ...

Ki, Ki a1i ... ... aji ... ani Spin

... ... ... ... ... ... ... ... ...

Kj, Kj a1j ... aij ... ... anj Spj

... ... ... ... ... ... ... ... ...

Kn Kn a1n ... ain ... ajn ...

NTOCMIREA MATRICEI PREFERINELOR

DETERMINAREA SUMEI PONDERILOR PARTIALE ALE CRITERIILOR DETERMINAREA SUMEI TOTALE A PONDERILOR DETERMINAREA COEFICIENTILOR DE IMPORTANTA AI CRITERIILOR

...

...

...

Spn

S p = S pjj =1

aj =

Spj Sp

a1

...

ai

...

aj

...

an

Fig. 14.1. Etapele metodei de stabilire a coeficienilor de importan ai criteriilor privind alegerea materialelor n funcie de proprieti

Dup stabilirea i ierarhizarea n funcie de importan a criteriilor de alegere a materialelor pe baza proprietilor pe care trebuie s le asigure n aplicaia considerat, se poate face o prim selecie a materialelor. n acest scop se folosesc datele existente n standarde, normative, cataloage, manuale etc.,privind caracteristicile diverselor materiale comerciale, documentele cele mai utilizate fiind standardele, deoarece, aa cum s-a putut constata n capitolele anterioare, acestea grupeaz materialele dup destinaie (de exemplu, n cazul materialelor metalice exist standarde pentru oelurile, fontele i aliajele neferoase recomandate pentru diferite utilizri), cuprind date concrete privind caracteristicile asigurate de fiecare marc de material i indicaii precise privind prelucrrile tehnologice ce conduc la strile structurale corespunztoare obinerii acestor caracteristici i faciliteaz astfel alegerea lor pentru o anumit aplicaie.325

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR Tabelul 14.1. Principalele caracteristici tehnice ale unor materiale comerciale

MaterialulOeluri carbon de uz general Oeluri aliate pentru construcia de maini (tratate termic) Oteluri pentru conducte i recipiente sub presiune (laminate termomecanic) Oeluri inoxidabile feritice Oeluri inoxidabile austenitice Oeluri inoxidabile duplex Oeluri maraging Superaliaje tip Inconel Superaliaje tip Nimonic superaliaje tip Hastelloy Alame Bronzuri cu Sn sau cu Al Aliaje Cu Ni Bronzuri cu beriliu Aliaje pa baz de Al deformabile (clite i mbtrnite) Aliaje pe baz de Ti Aliaje pe baz de Mg Polietilen Polipropilen Politetrafluoretilen (teflon) Poliamide (nylon) Policlorur de vinil Lemn esen tare, uscat Lemn esen moale, uscat Compozite poliesteri + fibre de sticl

, t/m3 7,8...7,97,8...7,9 7,8...7,9 7,5...7,7 7,8...8,0 7,8...7,9 7,7...7,8 8,0...8,4 8,0...8,2 8,2...9,2 8,4...8,9 8,5...9,1 8,9...9,1 8,3...8,5 2,5...2,7 4,5...4,7 1,7...1,8 0,92...0,95 0,90..0,91 2,1...2,3 1,1...1,2 1,3...1,4 0,70...1,00 0,75...1,00 1,8...2,2

Rm, N/mm2 350...550700...1300 450...800 450...750 520...850 600...950 1800...2500 600...1200 1000...1400 650...1000 200...650 200...500 400...900 400...1200 300...520 500...1300 110...180 28...32 40...60 20...40 70...100 40...50 60...100 50...80 3000...4500

E, kN/mm2 200...210200...210 200...210 210...220 190...200 200...210 200...210 140...210 180...220 200...220 90...115 85....110 140...190 115...135 68...72 107...110 43...47 0,20...0,25 1,4...1,5 0,50...0,60 2,8...2,9 2,8...3,0 10...11 9...10 70...90

km 4,6...7,1 9,1...16,8 5,9...10,3 6,1...9,3 6,8...10,8 7,8...12,3 24...33 7,6...14,6 12,7...17,4 8,1...11,1 2,4...7,5 2,4...5,6 4,6...10,1 4,9...14,4 12...20 11...28 6,6...10,2 3,1...3,4 4,5...6,7 1,0...1,8 6,5...8,5 3,1...3,6 8,7...10,2 6,8...8,2 170...210

K R,

Materialele care respect toate criteriile privind proprietile impuse de aplicaia n care urmeaz a fi utilizate alctuiesc gama materialelor cu proprieti adecvate. Pentru alegerea celui mai potrivit material din aceast gam se poate utiliza urmtoare metodologie: se consider c gama materialelor cu proprieti adecvate, notat GMP, cuprinde m materiale (marcate Mk, k = 1...m), care ndeplinesc integral cele n criterii de selecie (notate j = 1...n), avnd coeficienii de importan aj, j = 1...n (stabilii folosind, de exemplu, metoda prezentat anterior) i nivelele limit acceptabile ale caracteristicilor de material, CAP,j, j = 1...n; din analiza care a condus la constituirea gamei materialelor cu proprieti adecvate se cunosc, pentru toate materialele Mk, k = 1...m, nivelurile caracteristicilor asiguarete CAM,jk, j = 1...n, k = 1...m, care respect toate criteriile326

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

Kj, j = 1...n, scrise analitic n forma min CAM,jk CAP,j sau n forma max CAM,jk CAP,j; pentru fiecare din materialele Mk, k = 1...m se stabilesc indicatorii pariali Ijk, j = 1...n, care exprim msura n care materialul satisface criteriile de selecie Kj, j = 1...n; indicatorii pariali se calculeaz cu relaii de forma: CA M ,jk , j = 1...n, dac criteriul de selecie Kj este formulat analitic n forma Ijk = CA P ,j , j = 1...n, dac criteriul de selecie Kj este formulat CA M ,jk analitic n forma max; evident, dac fiecare din materialele Mk, k = 1...m, respect toate criteriile de selecie Kj, j = 1...n, Ijk 1; pentru fiecare din materialele Mk, k = 1...m, se calculeaz indicatorul global al proprietilor (caracteristicilor tehnice) ICT,k, folosind relaia: I ,k = ajIjk , k = 1...m; CT= j1 n

min, sau Ijk =

CA P ,j

(14.2)

se ierarhizeaz materialele Mk, k = 1..m, n ordinea descresctoare a valorilor indicatorului ICT,k, k = 1..m, materialul cu cea mai mare valoare a acestui indicator fiind (din punctul de vedere al caracteristicilor asigurate) cel mai potrivit pentru aplicaia avut n vedre. B. Criteriile privind procesarea tehnologic a materialelor n vederea obinerii semifabricatelor sau produselor se formuleaz n mod obinuit ntr-o form calitativ (atributiv), astfel nct ndeplinirea fiecrui criteriu de ctre un material (notat cu 1) s constituie un argument n favoarea alegerii acestuia pentru o anumit aplicaie, iar nendeplinirea fiecrui criteriu (notat cu 0) s diminueze ansele de alegere a acestui material. Un set de criterii de acest tip poate avea, de exemplu, urmtoarea alctuire: * materialul este disponibil pe pia n cantitile i sub forma semifabricatelor necesare pentru realizarea produselor (materialul nu trebuie elaborat i transformat n semifabricate pe baza unor comenzi speciale lansate ctre productor); * prelucrarea semifabricatelor la forma, dimensiunile i calitatea suprafeelor impuse de realizarea produselor se face cu tehnologii obinuite, fr a fi necesar aplicarea unor procedee sau operaii operaii tehnologice speciale; * prelucarerea semifabricatelor la forma, dimensiunile i caliatea suprafeelor impuse de realizarea produselor se face cu scule, dispozitive sau maini universale (prelucrarea semifabricatelor nu necesit utilizarea de scule, dispozitive sau maini speciale); * obinerea caracteristicilor materialului impuse de condiiile tehnice ale327

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

produsului care se realizeaz nu necesit aplicarea unor tratamente termice, chimice sau termochimice; * posibilitile apariiei defectelor de material sau de rebutare a produselor n timpul prelucrrilor tehnologice sunt minime. Criteriile privind procesarea materialelor se pot ierarhiza n funcie de importan, aplicnd aceiai metod ca i n cazul criteriilor privind proprietile, adic pentru fiecare din criteriile K 1 , K 2 ,..., K q incluse n setul de criterii privind procesarea materialelor, se stabilesc coeficienii de importan a1 , a 2 ,..., a j ,..., a q , ( a /j = 1 ) i se face apoi ierarhizarea criteriilor dup valoarea coeficienilorj =1 q

a j , j = 1q. Dup stabilirea i ierarhizarea n funcie de importan a criteriilor privind procesarea tehnologic, se trece la analiza msurii n care materialele din gama GMP {M1, M2, , Mk, , Mm} respect aceste criterii, ntocmind un tablou, numit matricea performanelor tehnologice (de forma celui prezentat n fig. 14.2), n care elementele matricei, numite indicatorii pariali ai performanelor tehnologice I jk , exprim msura n care fiecare din materialele Mk, k = 1m, din GMP ndeplinesc criteriile K j , k = 1q : 1, daca materialul M k respecta criteriul K j (14.3) I jk = 0, daca materialul M k nu respecta criteriul K j Pentru fiecare din materialele Mk, k = 1m, se calculeaz indicatorul global al performanelor tehnologice IPT,k, folosind relaia: I PT , k = a j I jk , k = 1mj =1 n

(14.4)

i se poate face ierarhizarea materialelor din GMP n ordinea descresctoare a valorilor indicatorului IPT,k, k = 1m, materialul cu cea mai mare valoare a acestui indicator fiind cel mai avantajos din punctul de vedere al comoditii achiziionrii i comportrii la prelucrarile tehnologice necesare transformrii sale n produse. C. Criteriile privind costurile (cheltuielile) aferente elaborrii materialelor, transformrii lor n semifabricate i prelucrrii acestora pentru obinerea produselor sunt deosebit de importante, respectarea acestora determinnd alegerea materialelor i tehnologiilor de fabricaie care asigur realizarea n condiii economice (cu cheltuieli ct mai mici) a produselor necesare ntr-o aplicaie tehnic. n mod obinuit, aceste criterii se formuleaz n funcie de costul total al328

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

realizrii produselor cu performanele tehnice impuse de aplicaia n care sunt utilizate. Pentru a compara materialele din GMP prin prisma costurilor totale implicate de obinerea semifabricatelor i/sau de utilizarea acestora la realizarea produselor necesare unei aplicaii se pot utiliza costurile relative Cr, definite prin relaia: CT ,k C r ,k = , (14.5) CTref n care CT,k reprezint costul total al realizrii semifabricatelor dintr-un material Mk GMP i/sau al obinerii produselor necesare unei anumite aplicaii, iar CTref este costul total al realizrii aceluiai tip de semifabricate i/sau al obinerii aceluiai tip de produse dintr-un material de referin (din GMP sau din afara acestei game). Cteva date cu caracter informativ privind costurile relative ale unor materiale (metalice i nemetalice) utilizate frecvent n aplicaiile tehnice sunt prezentate n tabelul 14.2.CRITERIUL PONDEREA CRITERIULUI M1 INDICATRII PARTIALI

I /jk

PENTRU MATERIALUL Mk GMP M2 ... Mk ... Mm/ I 12 / I 22

K 1// K2

a1// a2

/ I 11 / I 21

... ...

/ I 1k / I 2k

... ...

/ I 1m / I 2m

...K K/ j

...a a I PT , k = a j I jkj =1 n / j

...I I/ j1

...I I/ j2

......

...I I/ jk

......

...I /jm

.../ q

.../ q

.../ q1

.../ q2

......

.../ qk

......

.../ I qm

IPT,1

IPT,2

...

IPT,k

...

IPT,m

Fig. 14.2. Configuraia matricei performanelor tehnologice ale materialelor

Criteriul realizrii cu costuri minime a produselor necesare unei aplicaii tehnice se consider la luarea deciziei finale privind alegerea materialelor, calculnd pentru fiecare material Mk GMP indicatorul global al performanelor tehnico-economice (numit i meritul global) IPTE,k, k = 1...m, cu formula: a I , + a PT I PT ,k , k = 1...m, (14.6) I PTE , k = CT CT k C r ,k329

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

n care aCT este coeficientul de importan global al criteriilor privind caracteristicile tehnice ale materialelor, iar aPT coeficientul de importan global al criteriilor privind performanele tehnologice ale materialelor (aCT + aPT = 1); evident, materialele Mk GMP care au meritul global cel mai ridicat trebuie s fie cele preferate pentru aplicaia tehnic considerat.Tabelul 14.2. Valorile informative ale costurilor relative ale unor materiale utilizate n tehnic

MATERIALULOteluri de uz general (bare laminate) Oteluri de uz general (table, benzi, profile) Oeluri carbon pentru construcia de maini (produse laminate) Oeluri aliate pentru construcia de maini (produse laminate) Oteluri carbon i slab aliate pentru scule Oeluri inoxidabile i refractare (produse laminate) Fonte albe i cenuii (produse obinute prin turnare) Fonte modificate (produse obinute prin turnare) Aluminiu i aliaje de Al (produse oinute prin DP + TT) Aluminiu i aliaje de Al (produse obinute prin turnare)

C= r

C T C ref T

*

MATERIALULCupru, Bronzuri, Alame (produse obinute prin DP) Cupru, Bronzuri, Alame (produse obinute prin turnare) Aliaje Cu Ni (produse laminate sau turnate) Superaliaje de tip Nimonic, Incoloy, Inconel, Udimet Titan i aliaje de Ti (produse obinute prin DP + TT) Polietilen, Polipropilen, Polistyren Policlorur de vinil, ABS, Rini acrilice i fenolice Politetrafluoretilen (Teflon), Poliamide (Nylon) Fibre de sticl Compozite polimerice cu fibre de sticl sau de carbon

Cr =

CT CTref

*

1,0 1,4...1,9 1,7...2,8 2,5...4,5 2,5...3,9 6,1...9,6 2,4...2,8 2,9...3,5 7,1...8,5 8,1...9,8

5,1...13 6,5...18 19...21 100...120 25...40 3,0...4,0 10...14 36...45 5,2...8,5 270...400

Dac valorile indicatorului IPT,k i costurile aferente prelucrrii tehnologice pentru materialele din GMP sunt apropiate, indicatorul global al performanelor tehnico economice IPTE,k, k = 1...m, se poate stabili cu formula: I CT ,k (14.7) , k = 1...m. I PTE , k = C r ,k O metod modern ce poate fi utilizat la luarea deciziei finale privind selecia materialelor pentru o aplicaie tehnic este analiza valorii (analiza tehnicoeconomic a utilitii), care are la baz urmtoarele principii: orice produs este purttorul material al unor funcii capabile s satisfac anumite necesiti ale utilizatorilor (un produs nu trebuie privit ca un ansamblu de pri materiale, ci ca un ansamblu de utiliti); innd seama de acest principiu, analiza oricrui produs trebuie realizat pornind de la sistemul de330

* Costurile CT i CTref sunt calculate n lei/kg de semifabricat

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

funcii al acestuia, n cadrul cruia funciile sunt mprite n categorii de importan: funcii de baz (principale), care corespund unor necesiti reale (efective, directe) ale celor care utilizeaz produsul i funcii auxiliare (secundare), care contribuie la ndeplinirea normal a funciilor de baz sau care fac produsul mai uor de vndut i cresc reputaia pe pia a acestuia; pentru orice produs trebuie s existe o corelaie optim ntre funciile asigurate i resursele alocate pentru realizarea acestora, acest principiu fiind denumit principiul raportului maxim ntre utilitate sau valoare de ntrebuinare i cost; innd seama de acest principiu, la analiza oricrui produs trebuie calculat ponderea costurilor implicate de realizarea fiecrei funcii i trebuie examinat corelaia ce exist ntre aceasta i ponderea funciei (coeficientul de importan al funciei) n asigurarea utilitii (calitii) globale a produsului. Considernd c produsul analizat are f funcii i c la fiecare funcie corespunde un coeficient importana i, i = 1...f ( i = 1 ) i o pondere a costuluii =1 f

C de realizare ci, i = 1...f, ci = i , Ci fiind costul aferent realizrii funciei, iar CT CT costul total al produsului ( ci = 1), se poate construi un grafic de corelarei =1 f

utilitate cost de tipul celui prezentat n figura 14.3. Din analiza unor astfel de grafice rezult care sunt funciile produsului pentru care costurile sunt disproporionate n raport cu contribuiile lor la utilitate i se pot gsi modalitile de eliminare a neconcordanelor cu efecte negative asupra costurilor (eliminarea funciilor inutile sau operarea unor modificri tehnologice privind realizarea funciilor care implic costuri ridicate), pentru ca produsul obinut s se caracterizeze printr-un raport maxim utilitate/cost). Aspectele anterior prezentate evideniaz cu claritate complexitatea problemelor privind alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice. ncercarea de a recomanda unele metode cantitative, care s constituie suportul lurii deciziilor pertinente privind rezolvarea unor astfel de probleme, nu trebuie s conduc la ideea c aceste metode simplific problemele, diminueaz responsabilitatea membrilor echipei de proiectare i micoreaz cerinele privind competena acestora. Aplicarea acestor metode este util i conduce la rezultate bune, dac problema alegerii materialelor pentru o aplicaie tehnic se trateaz etapizat, de ctre o echip de proiectare bine structurat (care cuprinde ingineri cunosctori ai aplicaiei ce se analizeaz, ingineri specializai n domeniul materialelor, ingineri specializai n domeniul tehnologiilor de fabricaie, economiti specailizai n domeniul costurilor etc.), innd seama de urmtoarele recomandri: n prima etap de rezolvare a problemei se analizeaz cu atenie331

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

condiiile tehnice ce caracterizeaz produsul care trebuie realizat, se stabilesc principalele proprieti (caracteristici) pe care trebuie s le posede materialul din care acesta urmeaz s fie confecionat i, pe aceast baz, se poate ncerca selectarea clasei (familiei) de materiale potrivite pentru fabricarea produsului; de exemplu, dac produsul care trebuie realizat este un recipient sub presiune care urmeaz a fi amplasat pe o aeronav, materialul din care acesta urmeaz s fie confecionat trebuie s se caracterizeze prin rezisten mecanic ridicat, tenacitate mare i densitate ct mai mic, ceea ce conduce, aa cum se arat n schema din figura 14.4, la soluia alegerii unui material din familia compozitelor durificate cu fibre;

Fig. 14.3. Configuraia unui grafic de corelare utilitate cost obinut prin aplicarea analizei valorii la un produs industrial

dac n prima etap de rezolvare a problemei criteriile privind proprietile nu sunt suficiente pentru selectarea familiei de materiale adecvate aplicatiei avute n vedere, se pot aduga acestora i criterii din celelalte categorii (criterii privind procesarea tehnologic sau criterii privind costurile); de exemplu, dac produsul care trebuie realizat este un recipient de stocare a unui gaz combustibil (pentru utilizare casnic) sub presiune, materialul din care acesta urmeaz s fie confecionat trebuie s prezinte caracteristici ridicate de rezisten mecanic i tenacitate, condiii care, aa cum se arat n schema din figura 14.5, pot fi ndeplinite att de materialele metalice, ct i de materialele compozite durificate cu fibre, decizia utilizrii unui material metalic fiind justificat de compararea celor dou familii de materiale prin prisma costurilor; dup selectarea familiei din care trebuie s fac parte materialul ce va fi utilizat la confecionarea produsului, meninnd n prim plan cerinele privind proprietile i adugnd eventual acestora i criterii privind caracteristicile tehnologice sau costurile, se stabilesc categoriile, tipurile sau mrcile de materiale adecvate din aceast familie; de exemplu, pentru cele dou aplicaii descrise anterior alegerea tipurilor de materiale se realizeaz aa cum sugereaz schemele prezentate n figurile 14.6 i 14.7;332

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

Fig. 14.4. Shema alegerii familiei de materiale pentru un recipient sub presiune amplasat pe o aeronav

Fig. 14.5. Shema alegerii familiei de materiale pentru un recipient de stocare sub presiune a unui gaz combustibil

metodele prezentate anterior se pot utiliza n etapa final, pentru a decide care dintre tipurile de materiale selectate n etapele precedente (care alctuiesc gama materialelor cu proprieti adecvate GMP) corespunde cel mai bine cerinelor tehnico-economice ce definesc aplicaia avut n vedere; aa cum s-a artat mai nainte, pentru ca eficiena aplicrii acestor metode s fie corespunztoare este necesar ca numrul materialelor Mk din GMP s fie ct mai333

Fig. 14.6. Schema alegerii tipurilor de materiale compozite pentru un recipient sub presiune amplasat pe o aeronav

Fig. 14.7. Shema alegerii tipurilor de materiale metalice pentru un recipient sub presiune amplasat pe o aeronav

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

mic, aceast cerin putnd fi uor respectat dac se face o selecie a tipurilor de meteriale pe baza informaiilor cuprinse n standarde, cataloage, normative sau prescripii tehnice; de exemplu, pentru aplicaia constnd n realizarea recipientului de stocare a gazului gombustibil (anterior discutat), mrcile de oel adecvate (care alctuiesc GMP pentru aceast aplicaie) se pot alege folosind prescripiile din standardul SR EN 10028.

14.3. Un studiu de caz privind alegerea materialelorPentru a evidenia complexitatea problemei alegerii materialelor pentru aplicaiile tehnice se prezint un studiu de caz privind materialele selectate i utilizate de diveri productori pentru realizarea prjinilor de pompare a petrolului din zcminte. n ara noastr i n multe alte ri de pe glob, pompajul de adncime cu prjini se utilizeaz ca metod de extracie a petrolului (ieiului) la 65...85% din sondele aflate n producie. La aplicarea acestei metode tehnologice de exploatare a sondelor, garnitura de prjini (alctuit din prjini de pompare asamblate cap la cap) este una din componentele principale ale echipamentului de lucru, avnd rolul de a transmite micarea rectilinie alternativ de la instalaia de suprafa la pistonul (cilindrul) pompei de adncime cu care se realizeaz extracia ieiului din zcmnt. Configuraia constructiv a prajinilor de pompare este dictat de rolul lor funcional i de tipul materialului utilizat la confecionarea acestora i este prezentat n figura 14.8. n timpul utilizrii ntr-o sond aflat n exploatare, prajinile de pompare sunt supuse unor solicitri axiale variabile, ciclurile de solicitare avnd perioada aproximativ egal cu durata unui ciclu de lucru al pompei de adncime. Acest fapt este ilustrat n figura 14.9, care prezint o modalitate de estimare a caracteristicilor ciclurilor de solicitare ale prjinilor de pompare din diferite zone ale garniturii de prjini ce echipeaz o sond, pe baza interpretrii dinamogramelor nregistrate la sonda respectiv. Ciclurile de solicitare ale prjinilor din compunerea garniturii de prjini de la o sond sunt (n mod obinuit) ondulant-pozitive (cu coefcientul de asimetrie R = min = 0,3...0,7 ) sau (mai rar, n condiii de funcionare defectuoas a max instalaiei de pompare) alternante (cu 0,4 < R < 0) i au ca tensiuni caracteristice: tensiunea maxim, max > 0; tensiunea minim min = Rmax; tensiunea medie + min max (1 + R) min max (1 R) m = max = > 0 i v = max = v. Ca2 2 2 2

urmare, se poate aprecia c durabilitatea unei prjini de pompare este n direct dependen cu mrimea coeficientului de siguran c, dat de relaia:334

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

Rm max,1 max , (14.8) = c= Rm max (1 R) + (1 + R ) 1 n care max,1 este tensiunea maxim a ciclurilor limit care, avnd acelai coeficient de asimetrie ca i ciclurile solicitrii de lucru, produc ruperea prin oboseal a prjinii considerate, Rm este rezistena la rupere a materialului prjinii, iar 1 rezistena la oboseal (prin solicitare alternant-simetric, cu R = 1) a prjinii de pompare n mediul de lucru din sond (amestec ieiape de sond, cu corozivitatea determinat de salinitate i de coninuturile de CO2 i H2S dizolvate). Tensiunea maxim (max) a ciclurilor solicitrii de lucru a unei prjini are mrimea dat de raportul dintre fora maxim de solicitare axial a prjinii, d 2 . Fmax este rezultanta unui Fmax i aria seciunii transversale a prjinii S p = 24

grup de sarcini axiale ce are ca principale componente: greutatea proprie a prjinilor de pompare Fg, greutatea coloanei de lichid pompat F1, fora de flotabilitate a garniturii de prjini Ff1, sarcinile (dinamice) datorate ineriei i fenomenelor oscilatorii ale garniturii de prjini Fd, forele de frecare (ntre prjini i evile de extracie, ntre pistonul i cmaa pompei de adncime, etc.) Ff. Intensitile majoritii acestor componente (Fg, Ff1, Fd, Ff) sunt direct proporionale cu greutatea specific a materialului prjinilor = g i, ca urmare, intensitile forei Fmax i tensiunii max (i, implicit, energia consumat la exploatarea unei sonde prin pompaj de adncime) sunt n dependen liniar cu caracteristica . Analiznd relaia (14.8) n contextul argumentelor anterior prezentate, se poate aprecia c durabilitatea prjinilor de pompare crete o dat cu rezistena R mecanic specific a materialului din care sunt confecionate, K R = m i cu mrimea rezistenei la oboseal relative K O = 1 . Rm Comportarea n exploatare a prjinilor de pompare are ca factor de influen i modulul de elasticitate longitudinal al materialului acestora E, rigiditile la traciune i ncovoiere ale prjinilor fiind n direct proporionalitate cu aceast caracteristic; creterea valorii modulului de elasticitate specific al E materialului prjinilor K E = , determin micorarea deformaiilor axiale i curburilor locale ale garniturii de prjini ce echipeaz o sond aflat n exploatare i asigur astfel o funcionare mai eficient a instalaiei de pompare.335

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Fig. 14.8. Configuraia constructiv i dimensiunile produsului prjin de pompare

Fig.14.9. Determinarea caracteristicilor ciclurilor de solicitare ale prjinilor de pompare

Caracteristicile precizate anterior (KR, KO, KE) pot servi la efectuarea unei analize comparative a diverselor materiale utilizate sau cu perspective de utilizare la confecionarea prjinilor de pompare. A. Oelurile sunt materialele tradiionale pentru prjinile de pompare. Standardele i normele existente clasific oelurile pentru prjini de pompare n urmtoarele clase de rezisten: a) oeluri grad C, recomandate pentru prjinile supuse n exploatare la sarcini mici sau mijlocii, n medii de lucru slab corozive; caracteristicile de rezisten mecanic prescrise (Rm = 630...790 N/mm2) sunt realizate de oelurile336

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

carbon sau slab aliate de tip CMn (cu %Cm = 0,3...0,4 % i %Mnm = 1,2...1,6 %) n stare normalizat; b) oeluri grad D, recomandate pentru prjinile supuse n timpul pompajului la sarcini mari sau foarte mari, n medii de lucru cu corozivitate sczut; caracteristicile de rezisten mecanic impuse (Rm = 790...965 N/mm2) sunt realizate de oeluri slab aliate de tip CrMo (%Cm = 0,3...0,45 %, %Crm = 0,8...1,2 % i %Mom = 0,15...0,3 %) sau CrNiMo (%Cm = 0,3...0,4 %, %Nim = 1,4...1,7 %, %Crm = 1,4...1,7 % i %Mom = 0,15...0,3 %), n strile structurale conferite prin aplicarea unor TT finale de normalizare + revenire sau mbuntire; c) oeluri grad K, destinate prjinilor solicitate moderat n timpul pompajului, n medii de lucru saline (fr H2S); se recomand utilizarea unui oel NiMo (%Cm = 0,17...0,23 %, %Nim = 1,65...2,0 % i %Mom = 0,2...0,3 %), cu TT final de normalizare + revenire nalt; d) oeluri speciale, recomandate pentru prjinile de pompare cu condiii grele de lucru: sarcini mari de pompare i medii saline contaminate cu CO2 (fr H2S) sau sarcini de pompare moderate i medii de lucru puternic corozive (medii saline cu CO2 i H2S); un exemplu tipic de oel aparinnd acestei clase este cel cu %Cm = 0,35...0,42 %, %Crm = 16...17 %, %Nim = 1 % i %Mom = 1%, ce asigur (dup calire+ revenire) caracteristici de rezisten mecanic la nivelul oelurilor grad D i rezistene la oboseal (n aer i n mediul coroziv de sond) superioare celor prezentate de celelalte oeluri pentru prjini, aa cum arat diagramele din figura 14.10. Cercetrile ntreprinse pentru creterea caracteristicilor de exploatare ale prjinilor de pompare din oel au condus la concluziile urmtoare: Aplicarea TT final de mbuntire, n locul tratamentelor de normalizare sau normalizare + revenire, asigur rezistene mecanice superioare ale prjinilor i amelioreaz comportarea lor la oboseal n aer i n mediile corozive saline, aa cum indic datele prezentate n tabelul 14.3; dificultile tehnice ridicate de aplicarea clirii martensitice clasice (cu nclzirea pieselor n cuptor i rcirea ulterioar n bi de ulei sau ap) la prjinile de pompare pot fi depite dac se utilizeaz nclzirea prin inducie cu cureni de medie frecven (8000...10000 Hz) i rcirea cu jeturi de ap. Rezistena la oboseal (n aer sau n mediu coroziv) a prjinilor de pompare este cu 40...55 % mai sczut dect rezistena la oboseal a materialului din care sunt confecionate (determinat pe epruvete polizate); n figura 14.11 se prezint sintetic modul n care starea suprafeelor prjinilor i mediul de lucru influeneaz rezistena la oboseal a acestora. n cazul mediilor corozive, rezistena la oboseal este influenat substanial i de frecvena ciclurilor de solicitare variabil, aa cum indic diagramele prezentate n figura 14.12.337

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Fig. 14.10. Rezistena la oboseal n aer a oelurilor pentru prjinile de pompare

Fig.14.11. Influenele strii suprafeei i mediului de lucru asupra rezistenei la oboseal a prjinilor de pompare din oel

Creterea rezistenei la oboseal a prjinilor de pompare din oel se poate realiza dac se aplic acestora operaii finale de durificare superficial (ecruisare prin rulare sau prin sablare cu jet de alice, clire superficial, etc.), care induc tensiuni reziduale de compresiune n stratul superficial al pieselor. S-a constatat c rezistena la oboseal a prjinilor 1 este n dependen liniar cu rezistena la rupere a oelului din care sunt realizate Rm, cu rugozitatea suprafeelor acestora Rz, i cu mrimea tensiunilor reziduale de compresiune din stratul superficial al prjinilor (introduse n cursul procesului tehnologic de fabricare sau prin operaiile de durificare superficial practicate) r. B. Aliajele pe baz de aluminiu reprezinto alt categorie de materiale a crei utilizare la confecionarea prjinilor de pompare a fost cercetat. Cercetrile au artat c aliajele pe baz de Al potrivite pentru aceast aplicaie sunt aliajele deformabile i durificabile structural prin TT, din clasa 7000 (de exemplu, aliajul 7075, cu %Znm = 5,1...6,1 %, %Mgm = 2,1...2,9 %, %Cum = 1,2...2,0 % i adaosuri de Mn, Cr, Ti, Zr); prin aplicarea unor TT de tipul T7, aceste aliaje capt structuri alctuite dintr-o matrice de soluie solid a componentelor i faze durificatoare (semicoerente sau necoerente cu matricea) uniform distribuite n matrice, de tip MgZn2 (faze M sau M); Al2Mg3Zn3 (faze T sau T); Al2CuMg (faze S sau S) etc. La utilizarea acestor aliaje pentru confecionarea prjinilor de pompare trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte: Aliajele asigur prjinilor rezistena la traciune Rm = 475...600 N/mm2 i caracteristici KE = 2,6106 m (puin mai mic dect a oelurilor) i KR = (1,75...2,20) 104 m (mai mari ca la oeluri, v. tabelul14.3).338

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

Caracteristicile de rezisten mecanic se degradeaz n timp, dac piesele din astfel de aliaje sunt meninute la temperaturi mai mari ca 150...200 oC (de exemplu, menineri de 1000 ore la 200 oC pot determina diminuarea cu 50...60 % a Rm, v. scap. 9.6.1); existena acestui fenomen (datorat trecerii n stare stabil a structuriilor metastabile realizate prin TT aplicate) impune limitarea adncimilor la care pot fi utilizate prjinile din aliaje de Al i verificarea periodic a caracteristicilor lor mecanice (nsoit, eventual, de refacerea structurii printr-un nou TT de clire de punere n soluie + mbtrnire).

Fig.14.12. Influenele mediului de lucru i frecvenei ciclurilor de solicitare asupra rezistenei la oboseal a prjinilor de pompare din oel grad D

Fig.14.13. Influenele asimetriei ciclurilor de solicitare i prezenei concentratorilor asupra rezistenei la oboseal a prjinilor de pompare din aliaje pe baz de aluminiu

Rezistena la oboseal (n aer) a aliajelor pe baz de aluminiu este influenat n msur important de asimetria ciclurilor de solicitare i de prezena concntratorilor de tensiuni, aa cum sugereaz diagramele din figura 14.13. Prezena mediilor corozive de lucru afecteaz rezistena la oboseal a aliajelor pe baz de aluminiu n msur mult mai mic dect n cazul oelurilor; aliajele au o bun rezisten la oboseal n mediile saline, chiar i n cazul contaminrii acestora cu H2S i CO2, caracteristica KO nregistrnd valori 0,31...0,33, la nivelul celor tipice oelurilor nalt aliate cu Cr. C. Compozitele cu fibre de sticl reprezint o alt categorie de materiale aplicabile la confecionarea prjinilor de pompare; pentru viitor (cnd costurile de fabricare vor nregistra scderi datorit progresului tehnic i tehnologic) se ntrevede i utilizarea compozitelor cu fibre de C, B sau whiskers (trihite) metalice sau ceramice. Compozitele cu fibre de sticl folosite pentru realizarea prjinilor de pompare (conform soluiei constructive sugerate de fig.14.8) au339

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

matricea de rin poliesteric sau epoxidic (cu Rmm = 30...60 N/mm2 i Em = 6,9103...7,1103 N/mm2) i fibre din sticl E (cu Rmf = 3400 N/mm2 i 7,24103 N/mm2) sau din sticl S (cu Rmf = 4800 N/mm2 i Ef Em = 8,55103 N/mm2). Prjinile de pompare din astfel de materiale se realizeaz printr-un proces de pultruziune (tragerea rinii, armat cu fire paralele din rovrig de fibre de sticl, printr-o matri, concomitent cu gelifierea, ntrirea i maturarea la cald a rinii n prezena unor catalizatori). La utilizarea acestor materiale pentru confecionarea prjinilor de pompare trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte tehnice: Caracteristicile KE i KR ale compozitelor cu fibre de sticl sunt superioare celor prezentate de oeluri, aa cum rezult analiznd datele prezentate n tabelul 14.3; aceste caracteristici sunt dependente de fracia volumic a fibrelor n structura compozitului fv, E, i Rm (la traciune) ale prjinilor realizate din materiale compozite putndu-se estima cu relaii de forma (v. cap.12): (14.9) E = fv Ef + (1 fv)Em Em ] (14.10) Ef Aa cum rezult comparnd datele prezentate n tabelul 14.3 i n diagramele din figura 14.14, valorile experimentale ale caracteristicilor E i Rm ale materialelor compozite difer de cele calculate cu relaiile (14.9) i (14.10), deoarece compozitele realizate industrial nu asigur ntotdeauna legturi interfaciale perfecte ntre fibre i matrice (condiie ce st la baza stabilirii acestor relaii). Rm = Rmf [fv + (1 fv)

Fig. 14.14. Dependena dintre rezistena la rupere i fracia volumic a fibrelor la compozitele pentru prjini de pompare

Fig. 14.15. Modificarea rezistenei la oboseal a prjinilor de pompare din materiale compozite n funcie de abaterile de la aranjamentul axial al fibrelor de sticl 340

Tabelul 14.3. Principalele caracteristici tehnico-economice ale materialelor folosite la realizarea prjinilor de pompare

Materialul Oel Grad C Oel Grad E

Cr* 1,0

E, N/mm2 2,05105

Starea N C+r N+r C+r

Rm, N/mm2 630...870 810...850 790...965 860...1030 690...710 620...640 750...790 790...930 470...580 1600...1700

KE,** Mm 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,8 2,6 3,2

KR,** km 0,82...1,13 1,06...1,11 1,03...1,26 1,12...1,34 0,90...0,93 0,81...0,83 0,98...1,03 1,04...1,22 1,73...2,14 9,06...9,62

1,6 Oel Grad K Oel Special (aliat cu Cr) Aliaj de Al tip 7075 Compozit cu fibre de sticl E

2,10105

N N+r C+R

KO *** n aer 0,47...0,50 (0,22...0,27) 0,50...0,56 0,48...0,51 (0,33...0,35) 0,49...0,50 0,52 (0,31) 0,49...0,52 0,51...0,53 0,52 0,35 (0,25)

KO *** n ap salin 0,22...0,24 (0,07) 0,32 0,24...0,27 (0,05) 0,20...0,27 0,26 0,26 (0,11) 0,22...0,26 (0,35) 0,31 (0,24)

5,9 4,8 5,2

2,15105 7,03104 5,60104

C+r T7 80 % fibre

* Costurile relative Cr calculate cu relaia (14.5), considernd factorii CT i CTref exprimai n lei/(m de prjin); ** KR i KE, calculate cu urmtoarele densiti , n kg/m3: 7820 pentru oelurile slab aliate (Grad C, Grad E i Grad K); 7750 pentru oelurile speciale nalt aliate cu Cr; 2760 pentru aliajul de Al tip 7075 (AlZn6Mg2,5Cu1,5); 1800 pentru compozitul cu fibre de sticl; *** KO calculate cu -1 determinat pe epruvete polizate; n paranteze sunt valorile lui KO obinute cu -1 determinat pe baza rezultatelor unor ncercri efectuate pe prjini reale.

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

Rezistena la oboseal n aer a prjinilor de pompare din compozite cu fibre de sticl este caracterizat prin valori KO = 0,25...0,30; rezistena la oboseal este mai ridicat dac solicitrile variabile se caracterizeaz numai prin eforturi de ntindere (de exemplu, KO calculat cu 0,1 n loc de 1 are valori KO = 0,37...0,42), compozitele cu fibre unidirecionale avnd tendina de degradare rapid cnd sunt solicitate la compresiune. Rezistena la oboseal nu este practic afectat de prezena mediilor corozive, compozitele cu fibre de sticl avnd o foarte bun comportare n mediile apoase saline, n soluiile de acizi sau baze i n prezena solvenilor organici. Aa cum arat diagramele din figura 14.15, rezistena la oboseal a compozitelor cu fibre de sticl pentru prjinile de pompare este substanial influenat de abaterile de la aranjamentul axial al armturii (unidirecionale) din fibre i (la fel ca E i Rm) de caracteristicile legturilor realizate n procesul de fabricare la interfeele dintre fibre i matrice. Caracteristicile mecanice ale materialelor compozite sunt influenate negativ de creterea temperaturii (ce produce degradarea matricei i legturilor interfaciale dintre fibre i matrice);ca urmare prjinile de pompare realizate din materiale compozite cu fibre de sticl nu pot fi utilizate la temperaturi mai mari de 200 oC. Studiul de caz prezentat evideniaz un aspect important privind alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice: produsele destinate utilizrii n diverse condiii (privind solicitrile mecanice, temperaturile i mediile de lucru) se pot realiza n mai multe variante, pentru fiecare variant selectndu-se materialul adecvat funcionrii n deplin siguran a produsului i care asigur raportul maxim utilitate/cost.

Cuvinte cheieanaliza valorii, 330 cicluri de solicitare, 334 coefcient de asimetrie, 334 coeficient de importan, 323 coeficient de siguran, 334 costuri relative, 329 criterii de cost, 328 criterii privind proprietile, 323 criterii tehnologice, 327 fiabilitate, 322 grafic de corelare utilitate-cost, 331 indicator global, 327, 328, 329 indicator parial, 327 materiale funcionale, 321 materiale structurale, 321 matricea preferinelor, 324 mentenabilitate, 322 modul de elasticitate specific, 324 prajini de pompare, 334 proprieti adecvate, 326 pultruziune, 340 reciclabilitate, 323 rezisten mecanic specific, 324 rezisten relativ la oboseal, 325

341

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Bibliografie1. Shackelford J.M., Introduction to materials science for engineers, MacMillan Publishing Company, New York, 1992 2. Broutman L.J., Composite materials. Fracture and fatigue, Academic Press, New York London, 1974 3. * * * Metals Handbook. Desk Edition, A.S.M., Metals Park, Ohio, 1985 4. * * * Htte Manualul inginerului. Traducere din limba german dup ediia a 29-a, Editura Tehnic, Bucureti, 1995 5. Zecheru Gh., Ulmanu V., Drghici Gh., Analiza comparativ a caracteristicilor de exploatare ale materialelor pentru prjinile de pompare, n vol. Nouti n domeniul tehnologiilor i utilajelor pentru prelucrare la cald, Braov, 1992 6. Mooiu R., Ingineria calitii, Editura Chiminform Data, Bucureti, 1994 7. Ciurea S., Drgulnescu N., Managementul calitii totale, Editura Economic, Bucureti, 1995

Teste de autoevaluareT.14.1. Pentru care dintre urmtoarele aplicaii trebuie ales un material din gama materialelor structurale: a) realizarea arborelui cotit al unui motor de autoturism; b) fabricarea catalizatorului pentru un reactor dintr-o instalaie petrochimic; c) realizarea evilor pentru tubulatura unei conducte care transport gaze naturale sub presiune; d) fabricarea corpului unui rezervor sferic de depozitare a gazelor lichefiate? T.14.2. Care dintre urmtoarele aplicaii tehnice impun alegerea unui material din gama materialelor funcionale: a) realizarea conductorilor electrici; b) fabricarea unui magnet permanent; c) fabricarea unui tranzistor; d) fabricarea elementului activ al unui aprinztor piezolelectric? T.14.3. Care dintre urmtoarele materiale pot fi ncadrate n gama materialelor reciclabile: a) oelurile; b) fontele; c) polietilena; d) sticla? T.14.4. Care este rezistena mecanic specific a unui material metalic cu Rm = 800 N/mm2 i = 4000 kg/m3: a) KR 20,4 km; b) KR 20,4 m; c) KR 10,4 km; d) KR 40,2 km? T.14.5. Care dintre urmtoarele materiale asigur un modul de elasticitate specific KE 2,7106 m: a) oelul cu E = 2,1105 N/mm2 i = 7850 kg/m3;342

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

b) aliajul de aluminiu cu E = 7,1104 N/mm2 i = 2750 kg/m3; c) aliajul pe baz de titan cu E = 1,1105 N/mm2 i = 4150 kg/m3; d) alama cu E = 1,1105 N/mm2 i = 8550 kg/m3? T.14.6. Care dintre urmtoarele condiii pot fi incluse n gama condiiilor tehnice care definesc funcionalitatea i comportarea n exploatare ale unui produs: a) condiiile privind solicitrile mecanice; b) condiiile privind fiabilitatea; c) condiiile privind reciclabilitatea; d) condiiile privind preul de desfacere? T.14.7. Materialul din care se confecioneaz un produs trebuie s satisfac criteriul Rm 600 N/mm2. Care este rezistena la traciune a unui material al crui indicator parial privind respectarea acestui criteriu este I = 1,4: a) Rm = 900 N/mm2; b) Rm = 600 N/mm2; c) Rm = 500 N/mm2; d) Rm = 840 N/mm2? T.14.8. Materialul din care se confecioneaz un produs trebuie s satisfac criteriul 4000 kg/m3. Care este densitatea unui material al crui indicator parial privind respectarea acestui criteriu este I = 1,4: a) = 900 kg/m3; b) = 7600 kg/m3; c) = 2860 kg/m3; d) = 5600 kg/m3? T.14.9. La alegerea materialului pentru un produs sunt impuse cinci criterii (calitative) privind procesarea sa tehnologic, toate criteriile avnd acelai coeficient de importan. Care este indicatorul global al performanelor tehnologice pentru un material care respect numai trei din criteriile impuse: a) IPT = 1,0; b) IPT = 0,8; c) IPT = 0,6; d) IPT = 0,4? T.14.10. La alegerea materialului pentru un produs sunt impuse patru criterii (calitative) privind procesarea sa tehnologic, coeficienii de importan ai / / / criteriilor fiind a1/ , a 2 , a 3 , a 4 . Care dintre criterii nu a fost ndeplinit de un material, dac indicatorul global al performanelor sale tehnologice are valoarea / I PT = a1/ + a3/ + a 4 : a) primul criteriu; b) al doilea criteriu; c) al treilea criteriu; d) al patrulea criteriu? T.14.11. Care dintre urmtoarele principii se aplic la utilizarea analizei valorii la un produs industrial: a) orice produs este purttorul material al unor funcii capabile s satisfac necesitile exprimate sau implicite ale utilizatorilor; b) orice produs trebuie privit ca un ansamblu de utiliti; c) orice produs trebuie s asigure un raport maxim ntre utilitate sau valoare de ntrebuinare i cost; d) orice produs trebuie privit ca un ansamblu de pri materiale i nu ca un ansamblu de utiliti? T.14.12. Un material Mk din gama materialelor cu proprietti adecvate unei anumite aplicaii are ICT,k = 1,2; IPT,k = 0,8 i Cr,k = 3. Stiind c act = 0,8, s se precizeze care este valoarea indicatorului global al performanelor tehnicoeconomice pentru acest material: a) IPTE,k = 0,733; b) IPTE,k = 0,373; c) IPTE,k = 0,455; d) IPTE,k = 1,222?343

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

AplicaiiA.14.1. Pentru realizarea unei maini trebuie confecionat o bar de traciune cu lungimea L = 0,5 m i diametrul d 15 mm. Fora axial maxim care solicit bara n timpul funcionrii mainii este F = 25000 N. S se stabileasc ce criterii privind proprietile trebuie impuse la alegerea materialului pentru aceast bar, dac funcionarea n siguran a mainii impune respectarea urmtoarelor condiii tehnice: a) tensiunile din bar trebuie s respecte condiia 0,8Rp0,2, Rp0,2 fiind limita de curgere a materialului barei; b) masa barei trebuie s fie m m0 = 0,5 kg; c) deformaia axial a barei nu trebuie s depeasc valoarea L0 = 1,5 mm. Rezolvare 4F Tensiunile de ntindere din bar au intensitatea maxim = i d 2 trebuie s corespund criteriului 0,8Rp0,2; se obine astfel condiia 4F . R p 0, 2 0,8d 2 d 2 Masa barei este m = L , fiind densitatea materialului barei i 4 4m trebuie s ndeplineasc criteriul m m0; se obine astfel condiia: 2 0 . d L 4F Deformaia specific axial a barei este = = 2 , E fiind modulul E d L0 de elasticitate longitudinal al materialului barei i trebuie s respecte criteriul L 4 FL 0 ; se obine astfel condiia E 2 . L d L0 nlocuind datele din enunul aplicaiei rezult urmtoarele criterii de alegere a materialului barei de traciune: Rp0,2 177 N/mm2; 5660 kg/m3 i E 47160 N/mm2. A.14.2. Pentru realizarea unei bare de traciune cilindrice din compunerea unei maini s-a selectat o GMP cu cinci oeluri, avnd caracteristicile precizate n tabelul 14.4. Pentru funcionarea n siguran a mainii trebuie respectate urmtoarele condiii tehnice: a) tensiunile generate n bar de aplicarea forei de ntindere F trebuie s respecte condiia 0,8Rp0,2; b) bara trebuie s prezinte o bun tenacitate, asigurat dac materialul acesteia ndeplinete simultan criteriile:344

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

K1:

R p 0,2

Rm importan a1 = 0,3; a2 = 0,2 i a3 = 0,5. S se decid care dintre materialele din GMP corespunde cel mai bine aplicaiei. Rezolvare Prima dinte condiiile tehnice impuse de aplicaie se utilizeaz pentru dimensionarea barei de traciune (determinarea diametrului barei); notnd dk diametrul barei n cazul realizrii ei din materialul Mk GMP, k = 1...5, rezult: 4F 4F = 2 0,8R p 0, 2 i bara trebuie s aib diametrul (minim) d k = . 0,8R p 0, 2,k d k Dac se consider d1 (corespunztor barei realizate din materialul M1) ca diametru R p 0, 2 ,k de referin, se obine d k = d1 , k = 1...5. R p 0, 2,1Tabelul 14.4. Caracteristicile oelurilor ce alctuiesc GMP pentru aplicaia A.14.2 k Marca oelului * Rp0,2,k, N/mm2 Caracteristicile mecanice minime KVk la 20 oC, Rm,k, A k, 2 N/mm % J

0,9; K2: A 15 % i K3: KV 27 J la 20 oC, avnd coeficienii de

R p 0, 2 ,k Rm , k0,461 0,640 0,573 0,742 0,554

C r/ ,k **1,0 1,2 1,4 1,8 2,7

1 2 3 4 5

S235J2 S275J2 S355K2 P460NL1 12Ni14

235 175 355 460 355

510 430 620 620 6403

24 20 16 17 22

27 27 40 47 55

* toate oelurile au = 7850 kg/m ; ** costurile relative calculate cu CT i CTref n lei/(kg de semifabricat)

d k2 Masa barei de traciune cu lungimea L este mT ,k = L , iar masa unei 4 uniti de lungime din bar (de exemplu, L = 1 m) are valoarea (n kg/m) dat de d 2 formula mk = k , k = 1...5. Dac se consider m1 (corespunztoare barei 4 R p 0, 2, k realizate din materialul M1) ca mas de referin, se obine: mk = m1 , R p 0, 2,1 k = 1...5. Evident, deoarece barele realizate din diversele materiale incluse n GMP au diametre dk diferite i aceeai lungime, compararea acestor materiale prin prisma costurilor trebuie fcut cu ajutorul costurilor relative Cr,k calculate cu relaia (14.5), considernd CT,k i CTref exprimate n lei/(m de semifabricat); pentru345

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

a determina costurile relative Cr,k se folosesc datele din tabelul 14.4 i relaia R p 0, 2 ,k m . C r ,k = C r/,k k = C r/ ,k m1 R p 0, 2,1 Pentru fiecare dintre materialele Mk GMP se determin indicatorii pariali Ijk, corespunztori celor trei criterii (j = 1...3) privind asigurarea tenacitii barei: R p 0,2 criteriul K1: 0,9 are forma max i CAP,1 = 0,9 i, ca Rm R p 0, 2 ,k urmare: I 1k = 0,9 , k =1...5; Rm , k criteriile K2: A 15 % i K3: KV 27 J la 20 oC sunt formulate analitic A n forma min i au CAP,2 = 15 % i CAP,3 = 27 J i, ca urmare: I 2 k = k i 15 KVk , k = 1...5. I 3k = 27 Utiliznd valorile coeficienilor aj, j = 1...3, date n enunul aplicaiei i folosind relaia (14.2) se obin valorile indicatorilor globali ai proprietilor ICT,k, k = 1...5, iar cu ajutorul relaiei (14.7) se pot determina valorile indicatorilor globali ai performanelor tehnicoeconomice IPTE,k, k = 1...5.Tabelul 14.5. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.14.2

k 1 2 3 4 5

dk, mm d1 0,924d1 0,814d1 0,715d1 0,814d1

mk, kg/m m1 0,855m1 0,662m1 0,511m1 0,662m1

Cr * 1,000 1,026 0,927 0,920 1,787

I1k 1,952 1,406 1,571 1,213 1,625

I2k 1,60 1,33 1,07 1,13 1,47

I3k 1,00 1,00 1,48 1,74 2,04

ICT,k 1,406 1,188 1,425 1,460 1,802

IPTE,k 1,406 1,158 1,537 1,587 1,008

* Cr calculate considernd CT i CTref n lei/(m de semifabricat)

Rezultatele care se obin parcurgnd toate etapele de lucru descrise anterior sunt redate n tabelul 14.5. Se observ c, dac se consider pentru luarea deciziei valorile indicatorului ICT,k, materialul recomandat pentru confecionarea barei este oelul 12Ni14, iar dac se utilizeaz indicatorul IPTE,k (care ine seama i de costurile implicate de realizarea barei de traciune) materialul ce trebuie ales pentru realizarea barei este oelul P460NL1. A.14.3. Pentru un produs industrial s-a aplicat analiza valorii i s-a constatat c acesta are trei funcii de baz (notate F1, F2, F3) i dou funcii auxiliare (notate F4, F5), coeficienii de importan i, i = 1...5, atribuii fiecrei346

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

funcii i ponderile ci, i = 1...5, corespunztoare costurilor de realizare a fiecrei funcii avnd valorile prezentate n tabelul 14.6.Tabelul 14.6. Coeficienii de importan si ponderile costurilor de realizare ale funciilor ce definesc utilitatea produsului considerat n aplicaia A.14.3

Funcia F1 F2 F3 F4 F5 0,40 0,30 0,15 0,10 0,05 i 0,30 0,35 0,20 0,05 0,10 ci a) S se construiasc graficul de corelare utilitate cost i s se precizeze funciile pentru care costurile sunt mai mari dect contribuiile pe care le aduc aceste funcii la realizarea utilitii globale a produsului. b) tiind c s-au parcurs trei etape succesive de modernizare a produsului, n fiecare etap modificndu-se materialele i tehnologiile folosite la fabricarea acestuia, astfel nct costurile implicate de realizarea funciilor pentru care ci > i s se diminueze cu ri = 20 % , s se determine cum s-au modificat ponderile ci, i = 1...5, dup fiecare etap de modernizare i s se construiasc graficul de corelare utilitate cost la finele programului de modernizare a produsului. Rezolvare a) Considernd c valorile coeficienilor de importan ai funciilor sunt n direct proporionalitate cu contribuiile acestora la realizarea utilitii globale a produsului, rezult c graficul de corelare utilitate cost are aspectul prezentat n figura 14.16. Examinnd acest grafic i/sau datele prezentate n tabelul 14.6, se observ c funciile care se realizeaz cu cheltuieli prea mari n raport cu contribuiile pe care le aduc la realizarea utilitii produsului (sau calitii produsului, dac se are n vedere c standardele ISO din seria 9000, definesc calitatea unui produs ca fiind ansamblul caracteristicilor care confer acestuia aptitudinea de a satisface nevoile exprimate sau implicite ale utilizatorilor) sunt F2, F3 i F5. b) Conform datelor din enunul aplicaiei, n prima etap de modernizare a produsului, prin modificri privind alegerea materialelor i tehnologiilor folosite la fabricarea lui s-au diminuat cheltuielile de realizare a funciilor F2, F3 i F5 cu C r2 = r3 = r5 = 20 %. Deoarece ponderile ci sunt definite de relaia ci = i , CT i = 1...5, n care Ci reprezint costul aferent realizrii funciei Fi, iar CT = C i ,i =1 5

dup prima etap de modernizare (M1) cheltuielile aferente realizrii fiecrei r r funcii au atins nivelurile C i/ = (1 i )C i = CT (1 i )ci , i = 1...5, cheltuielile100 1005

totale pentru obinerea produsului au valoarea CT/ = C i/ = CT (1 i =1 i =1

5

ri100

)ci , iar

347

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

ponderile

cheltuielilor corespunztoare r (1 i )ci C i/ 100 , i = 1...5. ci/ = / = 5 ri CT )c i (1 i =1

realizrii

fiecrei

funcii

sunt

100

Fig.14.16. Graficele de corelare utilitate cost ale produsului analizat n aplicaia A.14.3 Tabelul 14.7. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.14.3 Etapa Funcia F1 F2 F3 F4 F5 Costul total

0

i ci ri, % i

0,400 0,300 0 0,400 0,345 0 0,400 0,392 0 0,400 0,413

0,300 0,350 20 0,300 0,322 20 0,300 0,293 0 0,300 0,308

0,150 0,200 20 0,150 0,184 20 0,150 0,167 20 0,150 0,141348

0,100 0,050 0 0,100 0,057 0 0,100 0,065 0 0,100 0,068

0,050 0,100 20 0,050 0,092 20 0,050 0,083 20 0,050 0,070

CT

M1

0,870CT

c

/ i

ri, % M2 i

0,766CT

c

// i

ri, % M3 i

0,727CT

c

/// i

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

n mod similar se pot determina modificrile aduse ponderilor ci de urmtoarele etape de modernizare a produsului (M2 i M3), rezultatele care se obin considernd datele din enunul aplicaiei fiind cele prezentate n tabelul 14.7 i n graficele din figura 14.16; se poate observa c modernizrile aduse produsului au condus la reducerea cu aproximativ 27 % a costului total de realizare a acestuia i la obinerea unor rapoarte i apropiate de unitate pentru ci toate funciile care-i definesc utilitatea. A.14.4. Pentru realizarea cuvei de stocare a materiei prime a unei maini destinate prelucrrii maselor plastice s-a selectat o GMP alctuit din patru materiale Mk, k = 1...4 i, innd seama de caracteristicile fizico mecanice ale fiecrui material, s-a elaborat cte un proiect constructiv tehnologic de obinere a cuvei, rezultnd astfel patru variante ale produsului, notate Vk, k = 1...4. Pentru selectarea celei mai bune variante de produs s-au stabilit patru criterii Kj, j = 1...4, V formulate astfel: K1: volumul util al produsului Vu = ic 100 85 %, Vic fiind V gc volumul interior al cuvei, iar Vgc volumul de gabarit al cuvei, K2: masa relativ a M produsului M r = c 100 75 %, Mr fiind masa cuvei, iar Qac capacitatea de Qac M ncrcare a cuvei, K3: consumul specific de material K s = sc 100 140 %, Msc Mc fiind masa semifabricatului necesar pentru confecionarea cuvei i K4: costul util C al produsului C u = T 100 mii lei/kg, CT fiind costul total al realizrii cuvei; Qac considernd c realizarea cuvei cu valori minime ale consumului specific de material i costului util sunt obiective principale, obinerea cuvei cu o mas relativ ct mai mare este un obiectiv secundar, iar asigurarea unui volum util maxim al cuvei este un obiectiv minor, s-au stabilit urmtoarele valori ale coeficienilor de importan ai criteriilor: a1 = 0,1; a2 = 0,2; a3 = a4 = 0,35. tiind c valorile Vu,k, Mr,k, Ks,k i Cu,k, k = 1...4, corespunztoare celor patru variante ale produsului, sunt cele redate n tabelul 14.8, s se stabileasc varianta care trebuie adoptat pentru realizarea acestuia. Rezolvare Varianta de produs care trebuie adoptat este cea caracterizat prin valoarea maxim a indicatorului global ICT,k, k = 1...4, calculat cu relaia (14.2), considernd valorile coeficienilor de iportan ai criteriilor aj, j = 1...4, precizate n enunul aplicaiei i valorile indicatorilor pariali Ijk determinate, folosind datele349

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

din tabelul 14.8 i din enunul aplicaiei, astfel: pentru criteriul K1, CAM,1k Vu,k i CAP,1 85 %; pentru criteriul K2, CAM,2k Mr,k i CAP,2 75 %; pentru criteriul K3, CAM,3k Ks,k i CAP,3 140 %, iar pentru criteriul K4, CAM,4k Cu,k i CAP,4 100 mii lei/kg. Rezultatele obinute pe aceast cale, redate n tabelul 14.9, conduc la concluzia c varianta de produs care trebuie adoptat (cu cea mai mare valoare a indicatorului global) este V2.Tabelul 14.8. Caracteristicile variantelor produsului analizat n aplicaia A.14.4 Criteriul Kj aj Varianta Vk V1 V2 V3 V4 K1 0,10 Vu,k 85 90 95 95 K2 K3 0,20 0,35 Valorile caracteristicilor CAM,jk Mr,k Ks,k 40 105 40 110 60 105 75 120 K4 0,35 Cu,k 90 70 100 70

Tabelul 14.9. Valorile indicatorilor pariali i globali de caracterizare a variantelor produsului analizat n aplicaia A.14.4 Criteriul Kj Forma aj Varianta Vk V1 V2 V3 V4 K1 min 0,10 I1k 1,000 1,059 1,118 1,118 K2 max K3 max K4 max 0,35 I4k 1,111 1,429 1,000 1,429 1,3304 1,4266 1,1784 1,2204

0,20 0,35 Valorile indicatorilor pariali Ijk I2k 1,875 1,875 1,250 1,000 I3k 1,333 1,273 1,333 1,167

Indicatorul global ICT,k

Observaie Pentru rezolvarea unor aplicaii de tipul celei anterior discutate se pot utiliza i alte metode, una dintre acestea fiind metoda de estimare a utilitii consecinelor, recomandat de STAS 6401. La folosirea acestei metode se parcurg urmtoarele etape (prezentate considernd condiiile din enunul aplicaiei anterior discutate): se analizeaz datele din tabelul 14.8 (denumit i matricea utilitilor) i se marcheaz pe acesta variantele cele mai bune ale produsului (denumite variante optime), considernd pe rnd fiecare din criteriile Kj, j = 1...4; se acord caracteristicilor corespunztoare fiecrui criteriu Kj, j = 1...4 un grad de importan gj {1,2,3}, atribuindu-se gj = 3, dac respectarea criteriului Kj corespunde realizrii unui obiectiv principal, gj = 2, dac respectarea criteriului Kj corespunde realizrii unui obiectiv secundar i gj = 1 dac350

Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

respectarea criteriului Kj corespunde realizrii unui obiectiv minor; n cazul aplicaiei analizate, considernd datele precizate n enun, rezult: g1 = 1, g2 = 2 i g3 = g4 = 3; se ntocmete un tablou (numit matricea modificat a utilitilor), nlocuind valorile caracteristicilor din matricea utilitilor cu gjIjk, Ijk fiind nite indicatori pariali, calculai considernd c aceste valori reprezint CAM,jk ale produsului analizat, iar nivelurile limit acceptabile CAP,j sunt valorile (acelorai caracteristici) corespunztoare variantelor optime; rezultatele parcurgerii acestei etape n cazul aplicaiei analizate sunt prezentate n tabelul 14.10;Tabelul 14.10. Matricea modificat a utilitilor pentru produsul analizat n aplicaia A.14.4 Criteriul Kj Forma gj Varianta Vk K1 min g1 = 1 g1I1k K2 max K3 max K4 max g4 = 3 g4I4k

g2 = 2 g3 = 3 Matricea modificat a utilitilor g2I2k g3I2k

Usk

V1 V2 V3 V4

1 85 = 0,895 95 1 90 = 0,947 95 1 1

2 240 2 60 = 1,333

3 3 105 = 2,864 110 3 3 105 = 2,625 120

3 70 = 2,333 90 370 3 100 = 2,100

8,228 8,811 7,433 7,692

2 40 = 1,067 75

3

se calculeaz suma valorilor nscrise pe fiecare linie a matricei modificate a utilitilor Usk, k = 1...4, numit utilitatea sintez a variantei Vk, varianta de produs care are cea mai mare valoare a Usk (numit varianta optim de produs) fiind cea care trebuie adoptat; analiznd rezultatele redate n tabelul 14.10, se observ c, n cazul aplicaiei analizate, varianta de produs care trebuie adoptat este V2, aa cum a rezultat i prin metoda indicatorului global.

351

Grila de verificare a testelor de autoevaluareCapitolul 7 T.7.1. a,b,d T.7.2. b,c,d T.7.3. b,c,d T.7.4. a T.7.5. a,b T.7.6. a,b T.7.7. a,b,c,d T.7.8. c T.7.9. a,b,d T.7.10. c,d T.7.11. c,d T.7.12. b,d T.7.13. a,b,c,d T.7.14. a,b,d T.7.15. d T.7.16. c T.7.17. a,b,c T.7.18. a,c,d T.7.19. a,b,c,d T.7.20. a,d T.7.21. a,b,c,d T.7.22. b T.7.23. b,d T.7.24. c T.7.25. a,b,c T.7.26. b T.7.27. a T.7.28. a T.7.29. a T.7.30. a,d Capitolul 8 T.8.1. c T.8.2. a T.8.3. a,b,c T.8.4. a,c,d T.8.5. a,b,c T.8.6. b,c T.8.7. a,b,d T.8.8. a,c T.8.9. b,d T.8.10. a,b,c T.8.11. a,c T.8.12. c,d T.8.13. a,b,d T.8.14. a T.8.15. c T.8.16. b,c,d T.8.17. b,d T.8.18. c T.8.19. b T.8.20. b,c,d T.8.21. a,c,d T.8.22. c,d T.8.23. d T.8.24. a,c T.8.25. a,c,d T.8.26. a,b,d T.8.27. a,b,c T.8.28. a T.8.29. c,d T.8.30. a,c T.8.31. c,d T.8.32. c T.8.33. d T.8.34. b,d T.8.35. a,b,c,d T.8.36. a,b,d T.8.37. b T.8.38. b,d T.8.39. b T.8.40. a Capitolul 9 T.9.1. a,c,d T.9.2. b T.9.3. d T.9.4. a T.9.5. c T.9.6. d T.9.7. d T.9.8. b T.9.9. c,d T.9.10. d T.9.11. a,c,d T.9.12. a,b,d T.9.13. a,b T.9.14. a,b,c,d T.9.15. d T.9.16. c T.9.17. c,d T.9.18. b T.9.19. a,b,c,d T.9.20. b,c,d T.9.21. a T.9.22. d T.9.23. b T.9.24. a,c T.9.25. a,c T.9.26. a,c T.9.27. a,b T.9.28. d T.9.29. b T.9.30. a,c T.9.31. a,c T.9.32. b,d T.9.33. a,b,d T.9.34. a,b T.9.35. a,b T.9.36. a,b,d T.9.37. b T.9.38. b,c T.9.39. c T.9.40. b,c T.9.41. a,b,d T.9.42. b T.9.43. b,d Capitolul 10 T.10.1. T.10.2. T.10.3. T.10.4. T.10.5. T.10.6. T.10.7. b b a a, c d a, c c, d T.10.8. c T.10.9. c T.10.10. a, c T.10.11. a T.10.12. d T.10.13. b, a T.10.14. d T.10.15. d T.10.16. b, c T.10.17. a, d T.10.18. c T.10.19. c,d T.10.20. c T.10.21. a, b T.10.22. b, c T.10.23. b, a T.10.24. a, c T.10.25. a, c T.10.26. b, d T.10.27. c, d T.10.28. a, c, d Capitolul 11 T.11.1. b, d T.11.2. b T.11.3. b, d T.11.4. a, c T.11.5. c, d T.11.6. b, c T.11.7. a T.11.8. b T.11.9. c T.11.10. d T.11.11. a, d T.11.12. b, c, d T.11.13. c T.11.14. b, c, d T.11.15. b, d T.11.16. b, c T.11.17. d T.11.18. c, d T.11.19. a T.11.20. c T.11.21. b, d T.11.22. a, c, d T.11.23. b,d T.11.24. a, c, d T.11.25. a, b, d T.11.26. a, c T.11.27. a, c, d T.11.28. c, d Capitolul 12 T.13.12. a,c,d T.13.13. b,c T.13.14. b T.13.15. c T.13.16. d T.13.17. b,c,d T.13.18. a,d Capitolul 14

T.14.1. a,c,d T.14.2. a,b,c,d T.14.3. a,b,d T.12.1. a,c T.12.2. a,b,c T.14.4. a T.14.5. a,c T.12.3. b,d T.12.4. a,b,c,d T.14.6. a,b,c T.14.7. d T.12.5. a,c T.14.8. c T.12.6. b,d T.12.7. a,c,d T.14. 9. c T.12.8. a,b,d T.14.10. b T.12. 9. a,b,c,d T.14.11. a,b,c T.14.12. b T.12.10. b T.12.11. b,c,d T.12.12. a,b,d T.12.13. a,b T.12.14. b,c,d T.12.15. a,b,c T.12.16. a,b,c T.12.17. a,b,c,d Capitolul 13 T.13.1. a,b,d T.13.2. a,b T.13,3. a,b,c T.13.4. c T.13.5. d T.13.6. a,b T.13.7. c,d T.13.8. b T.13.9. d T.13.10. c T.13.11. b,d

352

INDEX Aacomodare, 183 agent de reticulare, 235, 250 aglomerate, 307 agregare prin lipire, 289 agregare pulberi, 301 alame, 148 alburn, 275 aliaje Al Zn, 170 aliaje Al Mg, 168 aliaje Al Cu, 163 aliaje antifriciune, 177 aliaje Cu Ni, 152 aliaje cu memoria formei (Marmem), 184 aliaje pentru lipire, 181 aliajele titanului, 175 Alpaca (Neusilber, Argentan), 153 alumina, 210 aluminosilicai, 201 aminoplaste, 254 analiza valorii, 330 antioxidant, 250 argile, 207 atmosfer standard, 241 ceramice oxidice, 210 ceramice silicatice, 207 ceramice, 197 ciment, 219 clas structural, 25 clase de calitate, 56 coefcient de asimetrie, 334 coeficient de importan, 323 coeficient de siguran, 334 compactitate de presare, 305 compactitate de umplere, 305 comportare metalurgic la sudare,, 74 compozit durificat cu fibre, 284 compoziii, 179 condiionarea epruvetelor, 241 configuraie, 233 conformaie, 233 constantan, 153 constant de relaxare, 239 construcie sudat, 69 copolimer, 233 corindon, 208 coroziune intercristalin, 92 costuri relative, 329 cristalite, 234 cristobalit, 208 criterii de cost, 328 criterii privind proprietile, 323 criterii tehnologice, 327 cromit, 213 cupru tehnic, 147 curb termomecanic, 236 curbe de mbtrnire, 141 curbe izocronice, 249 curbe izometrice, 249 custur sudat (CUS), 69

Bband de clibilitate, normal, ngust, 67 bronz, 154

Ccambiu, 275 cmp termic de sudare, 70 canal rezinifer, 276 carbon echivalent, 75 carbur de siliciu, 214 carbur de bor, 215 clire de punere n solutie, 139 ceramice neoxidice, 214

Ddendrimer, 233 densitate de presare, 305 densitate de umplere, 304 depunere chimic, 289 353

depunere electrolitic, 289 devitrifiere, 201 diagram structural A. Schaeffler, 32 disproporionare, 231 duraluminiu, 165 duramen, 275 durat de sinterizare, 311 durificare secundar, 21 duritate Barcol, 247 duritate Janca, 280 duritate Knoop, 215 duritate Shore, 246

fragilitate de revenire, 22 fragilizare prin faza , 94 funcionalitate, 231 furnir, 282

Gglazur, 209 grad de cristalinitate, 234 grad de ndesare, 305 grad de polimerizare, 230 grafic de corelare utilitate-cost, 331 gresie ceramic, 207

Eefect postelastic, 310 elastomeri, 237 element carburigen, 14 element de aliere alfagen (feritizant), 7 element de aliere gamagen (austenitizant), 10 element de aliere, 5 element grafitizant, 14 element betagen, 173 elinvar, 112 emailuri, 218 enclav plastic, 288

Hhardenit, 104 hemiceluloz, 276 homopolimer, 233

Iindicator global, 327, 328, 329 indicator parial, 327 inel anual, 275 infiltrare, 289 intermediari, 216 invar, 112 izodeformaie, 270 izotactic, 233 izotensiune, 272

Ffaian, 207 fii ZIT, 73 faz sigma, 6 feldspat, 207 fenoplaste, 254 fiabilitate, 322 fibr lemnoas, 276 fibril, 235 fisurare la cald a CUS, 93 fisurare sub tensiune, 204 fluiditate, 305 fondant, 216 font aliat, 6 font aliat martensitic, 20 font comercial, 113 formare epruvete, 242 fracie volumic, 270

mbtrnire artificial, 140 mbtrnire natural, 140 ncorporare, 290 ncovoiere static, 202

KKunial, 153

354

Llaminare normalizant, 75 laminare termomecanic (controlat), 76 lan molecular (caten), 229 lan siloxanic, 256 liber, 275 lignin, 276 lipire, 180 lungime critic a fibrelor, 284

Mmagnaliu (alumag), 168 magnezit, 210 martensit termoelastic, 184 mas molecular, 230 material elastomeric (cauciuc), 255 materiale funcionale, 321 materiale structurale, 321 materiale vitroceramice, 219 matrice, 269 matrice a preferinelor, 324 mediu de sinterizare, 311 melamine, 254 Melchior (Maillechort), 153 mentenabilitate, 322 metalurgia pulberilor, 301 modificare, 136 modificatori de reea, 216 Monel, 153 monomer, 229 mulit, 208

oel bifazic (dual-phase), 84 oel carbon de calitate, 65 oel criogenic, 80 oel cu granulatie fin, 76 oel duplex, 94 oel durificabil prin precipitare (PH), 89 oel Hadfield, 109 oel HSLA, 80 oel inoxidabil stabilizat, 93 oel maraging, 110 oel pentru carburare, 66 oel pentru mbuntire, 66 oel pentru rulmeni, 108 oel rapid, 103 oel refractar (termorezistent), 96 oel turnat, 105 oel inoxidabil,cu crom, cu crom i nichel, 86 oel patinabil, 98 oel pentru recipiente, 78 oel termorezistente, 78 oxid de zirconiu, 210

Ppanel, 282 plastifiant, 250 platinit, 112 plci celulare, 282 plci din achii de lemn PAL, 282 plci din fibre de lemn PFL, 282 poliadiie, 232 policondensare, 232 polidispersie, 230 polietilen, 229 polimer reticulat, 235 polimer, 229 polimerizare, 231 porozitate de umplere, 305 porelan, 207 prajini de pompare, 334 precipitate , 140 proprieti adecvate, 326 pulberi, 304 pultruziune, 340 punct caracteristic nominal, 31 punct fix de vscozitate, 205

NNitinol, 185 nitrur de bor, 214 nitrur de siliciu, 214

Ooel pentru construcii sudate, 75 oel pentru scule, 100 oel aliat, 5

355

Rraport de form al fibrelor, 284 raport de transfer al sarcinilor, 285 raz medular, 276 rini epoxidice, 254 rini poliesterice, 254 reacie n lan, 232 reacie n trepte, 232 reciclabilitate, 323 refractare corindonice, 212 refractare silica, 212 refractare silimanitice, 212 relaxarea tensiunilor, 241 rezilien, 247 rezisten la nmuiere sub sarcin, 211 rezisten piroscopic (refractaritate), 211 rezisten Dynstat la oc, 248 rezisten la oc Izod, 248 rezisten mecanic specific, 324 rezisten relativ la oboseal, 325 ritidom, 274 rost de sudare, 69 rupere prin cavitaie, 184

structur amorf, 234 sudabilitate, 74 superaliaj, 97 superplasticitate, 182

amot, 212 oc termic., 203

Ttemperatur de referin, 77 temperatur de sinterizare, 310 temperatur de vitrifiere, 200 teracot,, 207 termoplaste, 237 termorigide (duroplaste), 237 titan, 172 titanai, 211 titlu fictiv, 150 tombac, 149 trahee, 276 traheid, 276 tranziie sticloas (vitroas), 236 trihite (fibre whiskers), 285

Ssegment de lan molecular, 233 sferulit, 235 sialon, 214 silice, 200 silicon., 256 silumin, 170 simbolizare 59 sindiotactic, 233 sinterizare, 310 solidificare unidirecional, 290 spinel, 210 stabilitate la revenire, 21 stabilizator, 216 standard, 53 starea amorf (vitroas), 197 stereoizomer, 233 sticl securit, 206 sticle, 197 structur feritic acicular, 83

Vvas lemnos, 275 vscoelasticitate, 239 vscozitate, 204 vitrifiant, 197, 215 volum specific de scuturare, 305 vulcanizare, 255

Zzon de aciune a fibrei, 271 zon influenat termic (ZIT), 70 zone Guinier- Preston (GP), 140

356

ELEMENTS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERINGThe book Elements of Materials Science and Engineering presents the structure and properties of materials used for technical applications, it points out the correlation between their chemical composition, structure and properties and emphasises the structural and property changes due to various processing technologies. Its main purpose is to understand the principles, rules and mechanisms for obtaining materials compliant with the structural specifications of each particular application. This book is meant to provide the students that read Oil-Field Equipment, Petrochemical and Refinery Equipment and Equipment for Gas and Petroleum Transportation and Storage at the Faculty of Mechanical and Electrical Engineering of the Petroleum-Gas University of Ploiesti with a useful and effective tool for individual study. However, this book can prove useful for other students, as well as technicians and engineers who wish to enhance or update their material science knowledge. Since the main applications analysed belong to the field of oil equipment, the metallic materials (metals and alloys) are and will be used more frequently, therefore the discussion of these materials is more comprehensive. However, the paper also deals with other types of materials for technical applications: glasses and ceramic materials, polymeric materials (plastomers and elastomers), sintering materials and fibre-reinforced composites. The work consists of two volumes. The first volume includes the following chapters: Metals general concepts; Alloys general concepts; Mechanical properties of metallic materials; Iron-carbon alloys; Phase transformations of solid steels and cast irons; Heat treatment of steels and cast irons. The second volume includes the chapters: Alloyed steels and cast irons; Types of commercial steels and cast irons; Structure and properties of nonferrous alloys, Structure and properties of glasses and ceramic materials, Structure and properties of polymeric materials, Structure and properties of sintering materials, Structure and properties of composites, Choosing the appropriate material for an application. To enhance the utility of the book, each chapter includes exercises and self-assessment tests, in order to allow the reader to estimate the knowledge acquired and their level of competence (the ability to use knowledge independently and correctly to solve practical problems).357

Elemente de stiina i ingineria materialeloreste realizat n cadrul grant-ului C.N.F.I.S. 39691,

Model de software integrat de tip multimedia pentru nvare interactiv generat la Universitatea Petrol Gaze din PloiestiLucrarea este elaborat de prof. dr.ing. Gheorghe Zecheru i conf.dr.ing. Gheorghe Drghici de la catedra Tehnologia Construciei Utilajului Petrolier a Universitii PETROL GAZE din Ploiesti. Lucrarea este structurat n dou volume i cuprinde informaiile eseniale privind structura i proprietile principalelor categorii de materiale folosite n tehnic,inclusiv materialele descoperite i utilizate recent: compozitele durificate cu fibre, materialele inteligente, ceramicele ultrarezistente, materialele superplastice etc. i poate constitui un ghid valoros pentru alegerea raional a materialelor necesare diferitelor aplicaii industriale. Fiecare capitol este prevzut cu teste de autoevaluare i aplicaii, care permit utilizatorilor s-i autoaprecieze nivelul de pregtire i nivelul de competen n folosirea independent i corect a cunotinelor dobndite la soluionarea unor probleme concrete.

Elemente de stiina i ingineria materialelor se afl pe site-ul cu adresa: www.upg-ploiesti.ro/curs_esim.htm

Elemente de stiina i ingineria materialelor este disponibil pe CD-ROM

ISBN 973-99015-8-1 ISBN 973-85511-8-3

Recommended

View more >