cercetĂri fundamentale Şi aplicative privind

Cercetri fundamentale i aplicative privind realizarea bronzurilor CuNiAl destinate recondiionrii elicelor navale ELNAV - CEEX 322 / 2006

CERCETRI FUNDAMENTALE I APLICATIVE PRIVIND REALIZAREA BRONZURILOR CuNiAl DESTINATE RECONDIIONRII ELICELOR NAVALE ELNAV CONTRACT CEEX 322 / 06.10.2006ETAPA I / 2006 - FAZ UNIC. CERCETRI FUNDAMENTALE PRIVIND CARACTERIZAREA I OBINEREA MATERIALELOR PENTRU RECONDITIONAREA ELICELOR NAVALEActivitatea I.1. Cercetri fundamentale privind fenomenele complexe de uzur prin abraziune, cavitaie, coroziune i oboseal Activitatea I.2. Cercetri fundamentale privind tehnologiile de omogenizare i fabricaie a semifabricatelor deformabile de tip CuNiAl prin metalurgia pulberilor Activitatea I.3. Cercetri privind obinerea i caracterizarea pulberilor metalice pentru sinterizare Activitatea. I.4. Studiu asupra apariiei imperfeciunilor la ncrcarea prin sudare Activitatea I.5. Studiu de fezabilitate Autori:

UNIVERSITATEA DUNREA DE JOS GALAI UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETI CEMS S.C. SUDOTIM AS S.R.L. TIMIOARA S.C. TEHNOMAG CLUJ NAPOCA S.C. ICEPRONAV GALAIDECEMBRIE 2006


CUPRINSCAP. I. ANALIZA FENOMENELOR DE UZUR PRIN ABRAZIUNE, CAVITAIE, COROZIUNE I OBOSEAL CARE APAR LA ELICELE NAVALE 5 1. Noiuni i concepte de baz n tribologie 1.1. Elementele structurii unui tribo-sistem 1.2. Analiza sistemic a tribo-sistemelor 1.3. Metode pentru ncercri tribologice 1.4. Modelarea i simularea fenomenelor i proceselor tribologice 2. Tipuri de uzuri 3. Uzura abraziv 4. Uzura prin oboseal 4.1. Pittingul 4.2. Cavitaia 4.3. Frettingul 5. Uzura de coroziune 5.1. Tipuri de coroziuni 5.2. Indici de apreciere a coroziunii 5.3. Coroziunea electrochimic 5.4. Coroziunea sub tensiune 5.5. Coroziunea de fretare 6. Stratul superficial al materialelor 6.1. Caracteristicile stratului superficial 6.2. Tipuri de distrugeri ale straturilor superficiale 6.3. Metode de control ale stratului superficial 6.4. Modificarea proprietilor stratului superficial 7. Concluzii BIBLIOGRAFIE 5 6 7 8 10 14 16 19 19 20 26 38 38 42 43 46 49 53 55 56 56 59 61 63

CAP. II. CARACTERIZAREA PULBERILOR METALICE DESTINATE OBINERII PRIN SINTERIZARE A ALIAJELOR CUNIAL 66 2.1 Nichelul. proprieti, caracteristici, obinere 2.1.1 Proprietile i caracteristicile nichelului 2.1.2 Obinerea pulberii de nichel 2.1.3 Caracterizarea pulberii de nichel 2.2 Cuprul. proprieti, caracteristici, obinere 2.2.1 Proprietile i caracteristicile cuprului 2.2.2 Obinerea pulberii de cupru 2.2.3 Caracterizarea pulberii de cupru 2.3 Aluminiul. proprieti, caracteristici, obinere 2.3.1 Proprietile i caracteristicile aluminiului 2.3.2 Obinerea pulberii de aluminiu 2.3.3 Caracterizarea pulberii de aluminiu BIBLIOGRAFIE2

68 71 69 84 89 89 103 119 120 121 129 134 136


CAP. III. EFECTUL PARAMETRILOR DE REGIM ASUPRA PROCESELOR DE OMOGENIZARE LA FABRICAREA SEMIFABRICATELOR DEFORMABILE DE TIP CUNIAL 139 3.1 Efectul parametrilor de regim asupra proceselor de omogenizare la semifabricatelor deformabile de tip CuNiAl 3.1.1 Tehnologii de omogenizare ale amestecurilor pulverulente 3.1.1.1 Preomogenizarea 3.1.1.2 Omogenizarea 3.1.2 Tehnologie de determinare i control a omogenitii amestecurilor 3.1.3 Caracteristici definitorii ale materialelor pentru procesele de omogenizare 3.1.3.1 Caracteristicile elementelor din componena metalului depus 3.1.3.2 Cercetri pentru stabilirea structurii granulometrice 3.2. Concluzii BIBLIOGRAFIE fabricarea 139 139 139 147 153 158 158 164 165 166

CAP. IV. IMPERFECIUNI CARE APAR N PROCESELE DE NCRCARE SUDARE LA ALIAJE NEFEROASE 167 4.1. Aspecte generale 4.1.1. Introducere 4.1.2. Metode de ncercare i evaluare nedistructiv 4.1.3. Dependenta dintre proprietatile materialului si comportarea acestuia 4.1.4. Aspecte calitative privind principalele metode de control nedistructiv 4.2. Examinarea ultrasonic 4.2.1. Particulariti i domeniul de aplicare 4.2.2. Alegerea metodei de examinare 4.3. Controlul prin emisie acustic 4.3.1. Principiul metodei 4.3.2. Aplicaii 4.4. Examinarea cu lichide penetrante 4.4.1. Noiuni generale 4.5. Tipuri de imperfeciuni la sudare. clasificare, cauze de apariie i remedii aplicabile 4.5.1. Fisuri 4.5.1.1. Fisuri aprute la solidificare 4.5.1.2. Fisuri prin film lichid 4.5.1.2. Fisuri la rece 4.5.2. Pori 4.5.3. Modificri structurale 4.5.4. Dilatrile i contraciile la sudare 4.5.5. Formarea peliculei de oxid 4.5.6. Colorarea custurii sudate 4.6. Clasificarea i simolizarea imperfeciunilor mbinrilor sudate prin topire BIBLIOGRAFIE CAP. V. JUSTIFICAREA FEZABILITII PROIECTULUI 5.1. Tema studiului 5.2. Cadrul juridic3

167 167 168 172 172 175 175 177 180 180 182 184 184 186 186 186 186 187 187 190 191 191 192 192 196 197 197 198


5.3. Prezentarea situatiei actuale 5.3.1. Orientri, prioriti, direcii, obiective cunoscute, stadiul existent 5.3.2. Rezultate preconizate i modaliti de aplicare 5.3.3. Uniti C-D cu preocupri n domeniu 5.3.4. Poteniali utilizatori 5.4. Direcii de investiii privind implementarea proiectului 5.5. Justificarea solutiei adoptate 5.6. Evaluarea investitiei 5.7. Analiza de senzitivitate a proiectului 5.7.1. Modalitile de diseminare i poteniali beneficiari 5.8. Asigurarea surselor de finantare a proiectului 5.8.1. Necesarul de resurse umane, materiale i financiare 5.8.2. Modul de alocare i utilizare a resurselor

199 199 203 203 204 204 205 206 206 206 207 207 208

4


CERCETRI FUNDAMENTALE PRIVIND FENOMENELE COMPLEXE DE UZUR CAP. I. ANALIZA FENOMENELOR DE UZUR PRIN ABRAZIUNE, CAVITAIE, COROZIUNE I OBOSEAL CARE APAR LA ELICELE NAVALE UGJ GALAI1. Noiuni i concepte de baz n tribologie O preocupare dominant a tiinelor inginereti contemporane este asigurarea funcionrii fr ntreruperi sau avarii a mainilor i echipamentelor, garantnd n acelai timp, un randament mare i o fiabilitate ridicat. De aceea, chiar din faza de concepie i proiectare, trebuie luate n considerare posibilele pierderi i deteriorri care pot afecta substanial optimul funciilor tehnice i economice, dar i pe cele care pun n pericol securitatea oamenilor i a altor sisteme. Analiznd solicitrile mecanice generale care pot aciona asupra elementelor i sistemelor, acestea pot fi mprite n dou grupe mari: - solicitri de volum, care rezult din fore dinamice i statice aceste solicitri fac obiectul de studiu al rezistenei materialelor; - solicitri de suprafa, datorit contactului i micrii relative dintre corpuri aceste solicitri i deteriorrile pe care le produc fac obiectul de studiu al tribologiei. Tensiunile de suprafa, care sunt deseori indispensabile pentru nsi asigurarea funcionrii sistemelor tehnice, determin pierderi de energie i de material din cauza frecrii dar i a modificrii elementelor ca rezultat al uzurii. Tribologia are ca scop minimizarea acestor pierderi energetice i de material, provocate de frecare i uzur, nc din faza de proiectare a mainilor i echipamentelor, contribuind la asigurarea unei funcionri fr probleme, n condiiile meninerii valorii tehnice i economice a mainilor, prin reducerea uzurii i optimizarea condiiilor de frecare. La nivelul interaciunilor dintre elementele sistemului mecanic, frecarea i uzura sunt n corelaie cu parametrii cinematici i dinamici i cu prezena unui anumit mediu, a particulelor de uzur sau provenite din mediul de lucru, precum i cu caracteristicile de rezisten ale suprafeelor elementelor n contact. Aplicarea criteriilor tribologice n proiectare s-a impus ferm deoarece majoritatea avariilor de natur mecanic are la baz deteriorri la nivelul legturilor dintre elementele componente, deteriorri care provin din necunoaterea proceselor tribologice ce au loc,5


din utilizarea unor cuple de materiale i a unor lubrifiani neadecvai condiiilor de funcionare .a. Lucrarea de fa i propune s analizeze tipurile de uzuri ce pot apare n cazul elicelor navale, condiii ce trebuie impuse la proiectarea sistemelor de propulsie naval, precum i posibilitile de recondiionare a acestora astfel ca durata de via a sistemului s creasc. 5.3. Elementele structurii unui tribo-sistem

Un sistem tribologic sau un tribo-sistem este definit ca un sistem a crui comportare este direct legat de interaciunile de suprafa aprute n micarea relativ a elementelor n contact. Tribo-sistemul poate fi complet caracterizat prin patru elemente distincte: dou elemente de baz (tribo-elemente), mediul intermediar care se interpune ntre cele dou elemente (lubrifiant, mediu abraziv) i mediul ambiant n care funcioneaz elementele. Un proces tribologic implic, n general, toate cele patru componente de material. Cele dou elemente, care formeaz straturile superficiale i se influeneaz reciproc sunt numite, unul element de baz i cellalt element de contact. De regul, elementul de baz este cel ales pentru examinarea uzurii, pe cnd elementul de contact poate fi solid sau fluid (cum este n cazul uzurii de cavitaie a elicei, apa de mare). Fiecare proces tribologic este influenat de anumite proprieti ale elementelor structurale. Aceste proprieti de material i de form, de mare importan n tribologie, pot fi: - proprieti de volum i de suprafa ale tribo-elementelor; - starea de agregare i compoziia chimic a mediului intermediar i a celui ambiant. Mrimea uzurii pentru un set predeterminat de solicitri depinde n principal de proprietile componentelor solicitate tribologic i de alte elemente supuse la uzur. Proprietile relevante din punct de vedere tribologic ale elementelor se mpart n proprieti de volum i de suprafa, fiecare dintre acestea cuprinznd proprieti ce depind de materialul i de forma elementelor (Tabelul 1).

6


Tabelul 1. Proprietile componentelor unui tribo-sistem, relevante tribologicTribo-elemente 1.Proprieti de volum 1.1.Proprietile materialului: - fizice, chimice; - structurale; - mecanice, tehnologice. 1.2.Proprieti legate de form i dimensiuni 2.Proprieti de suprafa 2.1.Proprietile materialului - fizice, chimice; - structurale. - mecanice, tehnologice 2.2.Proprieti legate de form: - rugozitatea; grosimea straturilor superficiale; - abateri de form etc. Mediul intermediar Proprietile mediului, n funcie de starea de agregare a)stare solid: - fizice, chimice; - structurale; - mecanice; - tehnologice. b) stare lichid: - fizice, chimice. c)stare gazoas: - fizice, chimice. Mediul ambiant Proprietile mediului, n funcie de starea de agregare a) stare lichid: - fizice, chimice. b)stare gazoas: - fizice, chimice.

1.2. Analiza sistemic a tribo-sistemelor O premis important pentru nelegerea proceselor de frecare i uzur este examinarea sistemic a tribo-sistemului i a solicitrilor lui tribologice. Concluziile trase asupra proprietilor i a proceselor tribologice relevante vor putea servi ca baz pentru posibile optimizri ale tribo-sistemului respectiv. Trebuie avut n vedere faptul c proprietile importante de frecare i uzur nu pot fi considerate ca proprieti individuale ale unui component al sistemului sau ale materialelor, ci sunt valabile i caracterizeaz ntreg tribo-sistemul. Aceast important concluzie se bazeaz pe constatrile de mai jos: - Orice solicitare tribologic implic cel puin un cuplu de materiale. Variabilele tribologice nu privesc doar un material, ci se refer la perechea de materiale sau la ntreg tribo-sistemul; - Solicitrile tribologice implic efecte reciproce ale cuplului de tribo-elemente, asupra materialelor i prin forele implicate; - Fiecare proces de frecare i uzur poate implica diverse procese fizice i chimice n zonele de margine ale cuplului.

7


- Solicitarea materialului apare n principal pe suprafaa de contact. De cele mai multe ori, pe durata solicitrii aceast suprafa nu este accesibil unei examinri directe sau ncercrilor tribologice. Aceste aspecte dau o imagine a complexitii proceselor de frecare i uzur n maini i echipamente. Nu este posibil definirea unei singure variabile de material, general valabil (de exemplu rezistena la uzur), pentru a determina procesele de frecare i uzur. n timp ce, n condiii simplificate, unele aspecte i unele variabile ale proceselor tribologice pot rmne n afara analizei, implementarea teoriei sistemelor garanteaz o tratare comprehensiv a majoritii problemelor tribologice. De aceea este necesar o abordare sistemic i focalizat a diferiilor indicatori i variabile de influen ce caracterizeaz un tribo-sistem. 1.3. Metode pentru ncercri tribologice Pentru a analiza i optimiza fenomenele i procesele de frecare i uzur ale materialelor, componentelor i sistemelor tehnice complexe sunt necesare tehnici de ncercare i msurare accesibile i precise. Procedurile de ncercare tribologic pot fi clasificate n trei categorii: - tehnici de ncercare, n funcie de tipul tribo-sistemului i tipul de ncercare a acestuia; - sisteme de ncercare, n care sunt utilizate aparate i dispozitive de msurare i ncercare; - metode de analiz, n care procedurile de ncercare i msurare sunt folosite pentru examinarea structurii sistemului i analiza solicitrilor, ct i pentru recunoaterea i verificarea formelor de uzur. Pentru studiul experimental al tribo-sistemelor exist un numr mare de proceduri de analiz tribologic. Alegerea celor mai potrivite tehnici de ncercare i msurare pentru un caz particular se face n funcie de obiectivele studiului. Studiile tribologice pot avea cteva obiective de baz: - Determinarea durabilitii n exploatare n condiii de modificare a solicitrilor sau dup o schimbare n structura tribo-sistemului, mai ales n cazurile n care uzura este cea mai important variabil pentru durabilitatea n exploatare; - Optimizarea funcionrii prin examinarea influenei factorilor dependeni de uzur asupra funciilor generale sau asupra durabilitii tribo-sistemului;8


- Alegerea preliminar a materialelor sau elaborarea de materiale tribologice i de lubrifiani pentru componente i sisteme reale; - Cercetarea mecanismelor de frecare i uzur i a efectelor reciproce; - Dezvoltarea ulterioar a diferitelor metode de ncercare; - Controlul calitii materialelor i a lubrifianilor pentru a monitoriza producia i calitatea produselor cu ajutorul metodelor standardizate de ncercare i ncercarea comportrii tribologice a materialelor antifriciune, conform SR ISO 7148-1:1994, aplicat i n Romnia. Alte obiective ale ncercrilor de uzur sunt: monitorizarea funciilor dependente de uzur ale mainilor i echipamentelor, diagnoza condiiilor de exploatare sau pregtirea informaiilor pentru activiti de mentenan. n cercetarea tribo-sistemelor sunt folosite diferite tehnici de ncercare, n funcie de obiectivele studiului. Succesiunea procedurilor de ncercare corespunde unui proces de subdivizare pas cu pas a tribo-sistemului studiat. n DIN 50322 este dat urmtoarea clasificare: reale; - categoria I: ncercri ale sistemului n exploatare, la locul de funcionare; - categoria II: ncercri pe stand cu sistemul real ntreg; - categoria III: ncercri pe stand cu sisteme pariale sau numai cu un ansamblu de componente. ncercri de laborator pe standuri de ncercri care folosesc sisteme model, cu componente simplificate sau la scar redus: - categoria a IV-a: ncercri cu componente nemodificate sau reduse la scar; - categoria a V-a: ncercri pe modele cu solicitri similare; - categoria a VI-a: ncercri pe modele simplificate. Pn la categoria a III-a inclusiv, structura sistemului se pstreaz neschimbat, modificndu-se setul de solicitri i inndu-se seama de influenele mediului ambiant. Comparativ cu categoria I-a, categoriile II i III prezint avantajul c setul de solicitri este reproductibil. ncepnd cu categoria a IV-a pn la a VI-a, structura sistemului ncercat sufer modificri considerabile. Tribo-modelele folosite sunt simplificate ca form i micare, n funcie de criterii de modelare i relaii de similitudine. Se opereaz simplificri i asupra seturilor de solicitri.9

ncercri

legate

de

exploatarea

tribo-sistemului,

realizate

att

cu

componente sau subansambluri de componente reale, ct i cu maini sau echipamente


O dat cu creterea numrului categoriei, ncepnd de la ncercri n funcionare pn la ncercri pe modele, apar modificri, la nceput privind setul de solicitri apoi n structura sistemului. Corelarea rezultatelor ncercrilor scade din ce n ce mai mult, apar scurtri ale duratelor de ncercare dar i posibiliti de msurare mai minuioase. Din cauza reducerii i modificrii treptate a sistemului real analizat, securitatea translrii rezultatelor la sistemul real descrete, dar, pe de alt parte, crete accesibilitatea la punctele de msurare i puterea de evideniere a proceselor. De asemenea, scad durata i costurile ncercrilor tribologice. Pentru a putea compara rezultatele obinute n diverse laboratoare de cercetare tribologic din lume sunt necesare standarde pentru ncercrile de uzur. Rezultate bune au fost obinute prin lucrrile comitetului G2 Uzur i Eroziune din cadrul DIFUZIUNE, comitet care funcioneaz din 1964 i care a realizat mai multe standarde cu privire la ncercrile de uzur. mprtierea datelor referitoare la uzur este influenat de trei surse majore: maina de ncercri, tehnica operatorului uman i materialele. Termenul de main de ncercri include nu numai construcia i reglarea mainii, dar i sursele de vibraie i de contaminare din imediata sa vecintate. Tehnica operatorului include aprecierile i deciziile n timpul msurtorilor, mnuirea i curirea adecvat a probelor, atenia acordat detaliilor de metodologie, dar i oboseala operatorului. Cu privire la materiale, un standard poate impune condiii referitoare la: compoziia chimic, duritatea, puritatea, procesul tehnologic de obinere a probei etc. 1.4. Modelarea i simularea fenomenelor i proceselor tribologice. Cercetrile efectuate n ultimii ani, bazate pe un numr mare de experimente, au demonstrat c fenomenele i procesele tribologice care au loc n stratul superficial au un caracter interdisciplinar. Studiile sistematice au implicat domenii extrem de variate cum ar fi: mecanica, fizica, chimia, termodinamica, metalurgia fizic, dinamica mainilor i construcia de maini. n ciuda complexitii problemelor, aplicarea teoriei sistemelor n tribologie face legtura, pentru prima dat, cu datele practice. Aceasta a permis s se clarifice principalele tipuri de distrugere a suprafeelor n contact, tipurile de uzur care le sunt caracteristice, n funcie de tipul mainii, clasificare unanim acceptat n prezent.

10


Multitudinea tipurilor de metode de ncercare la uzur, este determinat att de complexitatea i diversitatea tipurilor de uzuri ct i de diferitele situaii n care uzura devine o problem. Metodele de ncercare la uzur pot avea ca scop: - testarea unui anumit tip de materiale: metalice, ceramice, plastice, compozite etc.; - evaluarea rspunsului mediului la un anume tip de uzur i optimizarea sau selectarea materialelor pentru o aplicaie particular; - simularea unui anumit tip de aplicaie n scopul ncercrii anumitor materiale, tratamente sau lubrifiani, pentru acel material sau acea aplicaie; - cercetri fundamentale cu privire la natura uzurii; - nelegerea efectelor unor parametri variabili asupra unui tip particular de uzur; - susinerea dezvoltrii unor modele predictive sau descriptive pentru uzura n tribo-sisteme specifice. O problem principal n tribo-modelare este nivelul de precizie cu care ncercrile de laborator trebuie s reproduc condiiile de utilizare real, astfel nct informaiile obinute s fie utile. n funcie de aplicaie, pot fi obinute informaii satisfctoare pentru ncercri pe sisteme simple (tift pe disc, bil pe plan etc.). Cu toate acestea, uneori, astfel de sisteme simple nu simuleaz corect comportarea tribologic a tribo-sistemului n condiiile sale normale de utilizare. ncercrile de laborator trebuie realizate pe baza anumitor caracteristici legate de aplicaia real, n scopul creterii relevanei ncercrilor, dar nu ntotdeauna se aplic condiii de funcionare identice cu cele din realitate. Pentru a realiza ncercri tribologice valide, n lucrarea [8] Blau propune 5 etape: - nelegerea clar a tribo-sistemului; - identificarea mrimilor prin care problema poate fi cuantificat; - selectarea condiiilor necesare ncercrilor de laborator; - alegerea i dezvoltarea metodologiei de ncercare; - validarea simulrii. Pentru nelegerea naturii unui tribo-sistem se propun 16 parametri, grupai n cinci seturi: 1. Macro-geometria suprafeelor n contact: geometria contactului, la nivel macro (dimensiuni i forme geometrice) i micro (topografia suprafeelor); ariile de contact (nominal, aparent, real).

11


2.

Transmiterea forei pe suprafaa de contact, cuprinde: tipul micrii relative

(static, oscilant, intermitent etc.), viteza de alunecare (mrime, lege de variaie, raport alunecare-rostogolire etc.), ncrcarea contactului (distribuie de presiuni, tensiuni etc.). 3. Mediul interfeei: temperatura n regiunea de contact (temperatura mediului ambiant i efectele termice datorate fenomenelor tribologice); mediul atmosferic (presiune, umiditate relativ, compoziia amestecului de gaze); tipul regimului de ungere, starea compoziia i condiiile impuse lubrifiantului; mediul care se interpune (al treilea corp: mrimea, forma, proprietile mecanice ale particulelor). 4. Informaii despre materialele tribo-elementelor n contact: materiale i tratamentele corespunztoare, folosite n contactul studiat (compoziie, microstructur, condiii de prelucrare etc.); finisarea suprafeelor. 5. Informaii despre modul de degradare a suprafeelor: condiiile de apariie a degradrilor; cerine legate de funcionare; tipuri de deteriorare i uzur observate; regimul de frecare (n condiii statice i n regim staionar, stabilitate, stik-slip etc.); istoricul deteriorrilor i observaii legate de acestea. Deoarece procesele tribologice sunt greu de cuantificat, fiind dependente de mai muli factori ce acioneaz simultan i deseori cu discontinuiti, utilizarea modelelor matematice n tribologie se face cu mare atenie. Modelarea matematic reduce timpul i costurile necesare cercetrii proceselor tribologice dar nu este suficient fr validarea prin rezultate experimentale. Chiar i n aceste condiii, extrapolarea rezultatelor experimentale pe modele matematice se face cu circumspecie. Aceasta ine seama de noiunile fundamentale din domeniul deformrii solidului real, teoria similitudinii i de descoperirile recente n tribologie. Diferenele ntre modelele matematice i cele experimentale s-au datorat i modului de abordare a temei. n sistemele fr frecare sau statice, muli parametri pot fi introdui cu valori constante (de ex. rezistena la rupere a materialelor), n timp ce n procesele tribologice, parametrii au o evoluie dinamic, interdependent, fiind descrii de funcii complexe. Prin modelele folosite n analiza datelor tribologice, se pot identifica dou clase principale: modele empirice i modele fenomenologice (sau analitice). n modelele empirice unele relaii cantitative ntre variabilele tribologice sunt postulate a priori. n modelele fenomenologice relaiile cantitative ntre variabilele tribologice rezult din ecuaiile de baz ale mecanicii ruperilor, ale termodinamicii, ale mecanicii fluidelor etc. Dei modelele fenomenologice sunt preferabile din punct de vedere teoretic, acestea12


sunt dificil de realizat n scopul analizrii datelor experimentale practice. De aceea nu este surprinztor c modelele empirice domin analiza experimentrilor tribologice i n prezent. n cadrul acestor modele, o dezvoltare nou o reprezint aplicaiile modelelor bazate pe reele neurale artificiale n studiile tribologice. Deoarece fenomenele i procesele tribologice sunt caracterizate ca fiind foarte complexe i cu grade mari de neliniaritate, modelele analitice sunt foarte dificil i deseori imposibil de obinut. Totui mbuntirea performanelor echipamentelor mecanice necesit modelri i predicii ct mai precise ale proceselor de frecare i uzur. Reelele neurale artificiale (RNA) sunt potrivite pentru astfel de modele datorit posibilitii de comportare neliniar, de nvare (pornind de la date experimentale) i de generalizare. n aplicaiile tribologice sunt utile dou funcii principale ale reelelor neurale: 1) 2) aproximarea continu a unei funcii cu mai multe variabile, funcie folosit clasificarea, care const n aproximarea discret a funciilor, funcie folosit pentru modelarea proceselor; pentru recunoaterea condiiilor de funcionare ale mainilor i utilajelor. n cazul modelrii proceselor este preferat reeaua de tip MLP (Multi Layer Perceptron). Aceasta ofer o aproximare continu a unei funcii cu mai multe variabile, care nu poate fi obinut analitic, dar care este descris corespunztor de seturi de date experimentale. Modelele bazate pe RNA pot fi utilizate pentru simularea ncercrilor mecanice de lung durat, folosind date i informaii obinute prin ncercri de scurt durat. Combinaia dintre modelarea asistat de calculator prin RNA i ncercri mecanice de scurt durat poate fi folosit pentru a verifica fiabilitatea sistemelor mecanice, prin aceasta eliminndu-se duratele i costurile mari ale ncercrilor de lung durat. De asemenea, modelele bazate pe RNA permit proiectanilor s prezic performana sistemelor tehnice n faza de proiectare conceptual, avnd parametrii critici ca mrimi de intrare ale modelului. Clasificarea, cea mai veche aplicaie a reelelor neurale, este util n domeniul mecanic n primul rnd pentru recunoaterea defectelor, parte integrant a procesului de diagnoz. n probleme de clasificare pot fi utilizate att reele tip MPL ct i cele cu autoorganizare. n concluzie, reelele neurale pot constitui o bun metod de modelare, datorit posibilitilor de nvare (pornind de la date experimentale), de generalizare i de comportare neliniar. Principalele funcii realizate de RNA sunt predicia i clasificarea. Scopurile prediciei pot fi diagnoza (predicia duratei de via), ncercri accelerate de13


durabilitate, controlul on-line al proceselor de prelucrare prin achiere. Interesante sunt aplicaiile funciei de clasificare n domeniul diagnozei: recunoaterea condiiilor de lucru i recunoaterea defectelor. Datorit unei largi game de aplicaii posibile i a economiilor de timp i fonduri pe care le pot realiza, reelele neurale au nc o apreciabil aplicabilitate n domeniul tribologiei. 2. Tipuri de uzuri Uzura este un proces de distrugere a stratului superficial al unui corp solid la interaciunea mecanic cu un alt corp solid, cu nu fluid sau cu un fluid cu particule solide n suspensie. Uzura prin frecare are loc atunci cnd interaciunea mecanic se produce sub aciunea unei sarcini exterioare i au loc micri relative a corpurilor. Procesul de distrugere implic i modificri structurale superficiale, deformri, detari de material. Uzura se analizeaz n funcie de sarcinile aplicate, de vitez i de mediu. Astfel, exist distrugeri n condiii statice (deformaii, coroziune) i n condiii dinamice (cu sarcin i micare relativ), acestea fiind numite i tribo-distrugeri. Caracteristicile mediului (temperatur, compoziie, presiune etc.) pot influena semnificativ evoluia distrugerilor din stratul superficial. n funcie de componenta predominant a unui proces de distrugere, specialitii admit patru tipuri fundamentale de uzur: adeziunea, abraziunea, oboseala i coroziunea (Tabelul 2, Figura 1). Tabelul 2. Tipuri de uzuriTipuri Procese specifice fundamentale de uzur Adeziune - transfer de material (fig. 1a) - adeziune moderat - adeziune sever gripare Abraziune - micro-achiere (fig. 1b) - rizare prin deformare - eroziune abraziv - brzdare - zgriere Oboseal - oboseal mecanic (fig. 1c) - pitting - exfoliere (spalling) - oboseal termo-mecanic - cavitaie - fretting 14 Natura proceselor predominante procese mecanice, schimbri de faz n stare solid, modificri de concentraii i de structur ale straturilor superficiale, procese termice

procese mecanice procese mecano-termice


Coroziune

- coroziune chimic procese chimice - coroziune electrochimic Procese electrochimice procese mecanice, chimice, termice - coroziune biochimic coroziune sub tensiune i frettingcoroziune - coroziune de impact

a) adeziune

b) abraziune Fig.1 Tipuri fundamentale de uzuri

c) oboseal

Chiar i aceast clasificare a proceselor de distrugere trebuie abordat cu atenie pentru c exist forme particulare de uzur care pot fi rezultatul suprapunerii unui pachet de aciuni, aa cum este cazul uzurii de fretting, aceast degradare putnd fi rezultatul oboselii materialului din stratul superficial sub aciunea deplasrilor de amplitudine mic, dar i rezultatul unui mediu deosebit de activ chimic. n funcie de procesul predominant (mecanic sau chimic), frettingul este inclus n a treia sau a patra categorie (Tabelul 2). Procesul de uzur are aspecte particulare, dependente de micare, sarcin, temperatur etc., dar ntr-un tribo-sistem apar i procese termice i chimice care interacioneaz cu distrugerea de tip mecanic. Distrugerea mecanic a straturilor superficiale ca rezultat al micrii relative sub sarcin, poate include, pe lng ndeprtarea de material metalic, i deformri, curgeri, nmuieri locale sau pe regiuni mai ntinse ale straturilor superficiale. n realitate, distrugerea se datoreaz suprapunerii a dou sau mai multe forme de uzur. Pentru un tribo-sistem dat, distrugerea poate fi considerat un pachet de procese intercondiionate, n care fiecare component nu poate fi anulat complet, dar este foarte posibil ca aciunea uneia sau chiar a ntregului pachet s fie redus sau ntrziat, astfel nct durabilitatea tribo-sistemului s creasc. Optimizarea unui sistem tehnic presupune identificarea posibilelor tipuri de uzur i soluii pentru diminuarea lor. Mrirea durabilitii tribo-sistemelor prin reducerea uzurii15


se bazeaz pe studiul ei n aplicaii similare, prin ncercri de laborator, pe utilizarea materialelor cu destinaie special i mai puin pe modele matematice i simulri pe calculator, din cauza complexitii i interaciunii proceselor de uzur. n cazul elicelor navale se pot ntlni toate tipurile de uzuri, mai puin uzura de aderen (de adeziune). Din acest motiv ea nu va fi analizat n cele ce urmeaz. 3. Uzura abraziv Uzura abraziv este cauzat de particule sau asperiti dure, forate s se mite fa de un solid mai moale, i este un proces mecanic cu forme specifice, dependente calitativ i cantitativ de forma i calitatea suprafeelor n contact, de proprietile mecanice ale straturilor superficiale. Pe durata frecrii, proprietile mecanice ale straturilor superficiale i micro-topografia lor se pot schimba, determinnd modificri ale procesului abraziv. Cele dou straturi superficiale ale corpurilor n contact pot fi ierarhizate n unul moale i unul comparativ mai dur. Aceasta form de uzur const n zgrierea i detaarea de particule din stratul mai moale, de ctre proeminenele stratului mai dur. Procesul poate fi iniiat pe ambele suprafee chiar dac, statistic, proprietile lor mecanice sunt foarte apropiate Local pot exista mici variaii ale duritii, ale topografiei suprafeei, care acioneaz ca micro-muchii tietoare sau ca micro-indentoare. Procesul este iniiat i dac n contact ptrund particule mai dure, care prin antrenare, achiaz suprafeele, difereniat, funcie de proprietile lor mecanice. Uzura de abraziune poate fi consecina altor procese de deteriorare. De exemplu, particulele detaate prin procesul de oboseal superficial, cele formate prin ruperea microvolumelor implicate n aderen, constituie promotori ai uzurii abrazive. O form particular de uzur abraziv este eroziunea. Aceasta este un proces de pierdere progresiv de material din stratul superficial din cauza interaciunii mecanice cu un fluid sau a unui jet de fluid n care se afl sau nu particule solide. Din cauza definiiei foarte largi, tribologii folosesc ali termeni alturi de cel de eroziune pentru a specifica mecanismul de eroziune: eroziune de cavitaie, eroziune sub jet de particule solide, eroziune prin oc de presiune etc. Toate aceste tipuri de uzuri se ntlnesc n cazul elicelor navale care funcioneaz n apa de mare. Vom considera ns c n acest caz nelegem prin uzura abraziv doar cea produs de particule dure care lovesc elicea i care produc pe16


suprafaa ei urme disperse sau orientate de micro-achiere. Uzura de cavitaie este un alt fel de uzur ce va fi tratat separat. n urma impactului cu o particul solid sau fluid, suprafaa solidului se deformeaz, apar procese de alunecare i de fisurare, care, datorit caracterului repetitiv al impactului, genereaz detaarea de particule. Cei mai importani factori care influeneaz procesul de eroziune sunt: natura materialului solid, natura i suportul particulelor, direcia i viteza particulelor relativ la suprafaa de impact, topografia suprafeelor (a solidului i a particulelor) .a. Eroziunea cu particule solide poate fi caracterizat printr-unul din mecanismele specifice, prezentate n figura 2:

Fig.2. Mecanisme specifice eroziunii cu particule solide. a) b) caracter dominant abraziv, cnd particulele lovesc suprafaa sub unghiuri particule relativ dure i casante, cu viteze medii, la impactul cu un corp mai

mici de impact; ductil, pot produce deformaii elastice mari, cu formare de particule de uzur cu aspect de fulgi, sau, dac i corpul lovit este casant, se poate distruge stratul superficial al acestuia prin fisurarea i fragmentarea unui micro-volum de material; c) d) caracter dominant de oboseal, cnd particulele au vitez relativ mic, caracter termo-mecanic, cnd particulele au viteze mari, deci energie unghiuri de impact mari i mase destul de mari; cinetic mare, iar oprirea particulei pe sau n stratul superficial determin transformarea energiei cinetice n cldur, rezultnd topirea local a stratului superficial;17


e) f)

caracter macroscopic, cnd particulele sunt mari i produc efecte secundare la materialele cristaline, impactul particulelor foarte mici provoac eroziunea

cum ar fi: deformri ale stratului superficial, fisurri i desprinderi de particule; la nivel atomic i molecular. n variantele b) i c) numerotarea particulelor (1, 2, respectiv 1, 2, 3) sugereaz ordinea n care particulele lovesc suprafeele i efectele suplimentare pe care le produc (oboseal, fragmentarea particulelor deja formate i desprinderea din stratul superficial). Eroziunea poate fi rezultatul combinat a dou sau mai multe din mecanismele descrise, avnd n vedere caracterul statistic al vitezelor, maselor i formelor particulelor i mprtierea valorilor acestor parametri n jurul mediei. i particulele fluide genereaz, la impact cu suprafeele solide, un proces de eroziune, explicat prin apariia undelor elastice de oc sau de presiune, care traverseaz un lichid puternic accelerat, aa cum se ntmpl n preajma elicei (fig.3). Presiunea maxim de contact, generat la lovirea unei suprafee solide de o pictur de lichid, poate fi foarte ridicat, la vitez mare. De exemplu, o pictur de ap cu viteza de impact de 240 m/s determin o presiune maxim de 375 Mpa, valoare care poate depi limita de curgere a materialului solid. Tensiunile provocate de impactul repetat al picturilor determin desprinderea de particule din material. La viteze mici de impact, materialul este micro-escavat, formndu-se iniial gropie, uniform mprtiate care n timp se mresc i se unesc iar aspectul suprafeei devine neuniform i foarte rugos. Marginile micro-craterelor formate iniial sunt fragile i la urmtoarele impacturi craterul se mrete. La viteze mari, efectul este mai accelerat. Dac materialul este casant, stratul superficial se poate rupe sau exfolia pe zone relativ ntinse.

Fig.3 Mecanisme specifice eroziunii cu particule lichide

18


4. Uzura prin oboseal 4.1. Pittingul Pittingul sau uzura prin oboseal superficial este un proces mecanic cauzat de solicitri mecanice sau mecano-termice ciclice, asociate unei micri de rostogolire, de alunecare sau de combinaii ale celor dou, caracterizat de apariia i dezvoltarea unor micro-cratere specifice. Sub aciunea tensiunilor variabile i n prezena unor discontinuiti de form i structur ale materialelor n contact (incluziuni, impuriti, fisuri preexistente, rugozitate), n zona cea mai solicitat a contactului, de obicei puin sub suprafa, se iniiaz deformri, alunecri ale formelor structurale, n final o micro-fisur care va avansa spre suprafa. Creterea progresiv a curgerilor plastice sau a fisurilor spre limita inferioar a asperitilor suprafeei provoac alte micro-fisuri, n majoritate paralele cu suprafaa. La un moment dat, din cauza solicitrii repetate, reeaua de fisuri este suficient de mare, nct zona slbit dintre suprafa i reeaua de fisuri, se detaeaz. Ruperea este fragil, lsnd n urm un micro-crater cu margini rugoase, un nou concentrator de tensiune. n figura 4 sunt artate etapele de distrugere din cauza oboselii superficiale, ntrun mediu fluid: I fisura a fost amorsat, fie la suprafa, fie a fost propagat pn la atingerea suprafeei; II tribo-elementul mobil comprim stratul superficial din faa contactului, avnd tendina s nchid fluidul n interiorul fisurii; III la trecerea tribo-elementului mobil, fisura se nchide; IV tensiunile de compresiune din stratul superficial nchid fisura, tinznd s o deformeze, iar fluidul captat n interiorul ei este supus unor mari fluctuaii de presiune, lrgind fisura; V dup trecerea tribo-elementului, tensiunile de traciune care apar n urma contactului i procesele de adeziune local, deschid fisura i pot detaa o particul specific. La urmtoarele treceri procesul se repet n alte regiuni ale contactului.

19


I

II

III

IV

V

VI

Fig.4 Modelul de distrugere prin oboseal n mediu fluid Uzura prin oboseal este accentuat de un mediu coroziv i de temperatur. Prezena agenilor chimici activeaz mai rapid procesul de oboseal, accelerndu-l n mai multe micro-zone. Temperatura are dou efecte care se ntrein reciproc: micarea relativ a tribo-elementelor genereaz cldur, care determin scderea caracteristicilor mecanice ale straturilor superficiale i accelereaz posibilele distrugeri de natur chimic. Acest tip de pitting se ntlnete la elicele navale, denumit i fragilitatea caustic, care va fi tratat detaliat la capitolul de uzur prin coroziune. Uzura de tip pitting este caracteristic tribo-sistemelor de rostogolire i rostogolire cu alunecare: rulmeni, angrenaje. 4.2. Cavitaia Fenomenul de cavitaie a fost observat pentru prima dat la o elice de nav n anul 1856 de ctre francezul George Rennie. Natura real a fenomenului nu a fost ns sesizat atunci. Importana fenomenului de cavitaie a fost pus n eviden n anul 1894 cnd a devenit evident faptul c acest fenomen depinde de presiunea ce acioneaz pe palele elicei. Pentru studierea fenomenului s-au construit tunele de probe, cu circulaie de ap nchis, presiunea din tunel putnd fi modificat. n aceste tunele de cavitaie se ncearc modele de elice sau rotori de pompe, existnd posibilitatea corectrii numrului de cavitaie, msurarea mpingerii i zgomotului produs de cavitaie. n aceste laboratoare de cercetri dintre care i la Galai exist unul, se analizeaz comportarea diverselor materiale la uzura de cavitaie sau se modeleaz distrugerea cavitaional. Pentru aceasta se utilizeaz: instalaii vibratorii, instalaii cu ultrasunete, tuburi hidrodinamice cu camer trangulat, aparate cu discuri rotative imersate, instalaii cu jet intermitent. La noi n ar, n acest domeniu s-au susinut mai multe teze de doctorat, astfel: dr. ing Popovici M (Evoluia bulelor cavitaionale produse prin scntei electrice), dr. ing. Bran20


G. (Contribuii la studiul cavitaiei i eroziunii cavitaionale), dr. ing. Gyulai F. (Studiul zonelor secundare de cavitaie din turbopompe), dr. ing. Bologa O. de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai (Studiul uzurii n tribo-sistemele de cavitaie) .a. Dac n anumite poriuni ale unui lichid n micare presiunea scade pn la valoarea presiunii de vaporizare, se produce vaporizarea lichidului nsoit de disorbia gazelor dizolvate. n interiorul lichidului apare tendina de formare a unor bule umplute cu vapori de gaze. Bulele formate n lichidul n micare se dezvolt i devin cvasisferice i pot fi transportate ntr-o regiune cu presiune mai mare dect presiunea de vaporizare care este practic presiunea din interiorul lor. Se constat atunci o surpare brusc a pereilor bulelor spre interiorul acestora, proces numit implozie i care este nsoit de un complex de fenomene fizice i chimice. Implozia este nsoit n primul rnd de apariia unor presiuni foarte mari care au efecte importante asupra pereilor solizi ce mrginesc fluidul n micare. Dac implozia se produce lng un perete solid, presiunea se exercit direct asupra lui; dac implozia se produce la o distan oarecare de perete, presiunea se transmite sub form de unde de presiune. Efectele mecanice ale imploziei sunt extrem de puternice, ceea ce rezult i din faptul c nici un material cunoscut n prezent nu rezist la cavitaie. Pe lng fenomenele mecanice, care sunt predominante, n cazul imploziei, apar i fenomene termice, datorate mai ales comportrii gazului din bule precum i fenomene chimice, datorate formrii de substane chimice corozive. Au fost observate chiar i fenomene electrice. ntotdeauna cavitaia este nsoit de zgomote puternice i vibraii. Suprafeele solide situate n zona de producere a imploziilor prezint dup un timp fenomene de eroziune sub forma unor caverne, de contur i adncime neregulat. Distrugerea unei suprafee solide din cauza cavitaiei se numete eroziune (coroziune) de cavitaie cnd implozia bulelor are loc lng sau chiar pe suprafaa respectiv. Fenomenul general de eroziune este caracterizat de trei tipuri de uzur i anume: uzura de cavitaie (cuprinznd i uzura de impact cu jet lichid), uzura hidroabraziv i uzura gazoabraziv. n toate cazurile, comportarea materialului depinde de solicitrile date de colapsul bulelor de cavitaie, ocul unei picturi de fluid sau al unui jet i de impactul particulelor solide aflate n suspensie n fluid. Efectele acestor solicitri depind de intensitatea impactului i de numrul de repetri al acestuia. Uzura de cavitaie este o form particular de uzur prin oboseal superficial care are i aspecte specifice eroziunii. Ea este caracteristic pieselor imersate n fluid,21


care se deplaseaz cu vitez mare, de aceea este un tip de uzur care se ntlnete la toate elicele navale aflate n funciune, constituind principala cauz de distrugere i scoatere din funciune a acestora. Bulele de gaz sau vapori (cu raze de ordinul 50250 m), figura 5, n contact cu suprafee reci i sub un cmp de presiune variabil, sufer o implozie sau o condensare brusc. Acest proces repetat de micro-jeturi, caracterizat prin viteze foarte mari de pn la 1000m/s, are un caracter distructiv pronunat, desprinznd micro-particule i conducnd la un strat superficial slbit i sensibil la urmtoarele solicitri.

Fig.5 Mecanismul de implozie a bulelor de gaz. n general, n timpul cavitaiei unui material, n interiorul acestuia iau natere tensiuni dinamice de compresiune local, care ating un maxim i apoi scad, cu toate c n ansamblu piesa poate fi nencrcat. Distrugerea suprafeei are loc la nceput foarte lent, apoi brusc se accelereaz. La nceput se produc n straturile superficiale alunecri i deformri plastice, apoi la baza neregularitilor se iniiaz fisuri care treptat se propag n stratul superficial al materialului. n urma cercetrilor a rezultat c mecanismul eroziunii cavitaionale i distrugerea materialului este legat i de compoziia chimic a mediului. Aceti factori nemecanici pot accelera ntr-o mare msur procesul de distrugere. Un rol important n intensitatea distrugerilor l joac reaciile chimice i electochimice ale metalului cu mediul de lucru. De exemplu, apa de mare, la orice metal produce o cretere a cavitii fa de apa dulce. Efectul aciunii comune este cu mult mai mare dect suma efectelor independente a cavitaiei i coroziunii. Figura 6 prezint distrugerea prin cavitaie dar i prin coroziune a unei pale de elice. n figura 7 se prezint rezultatul cavitaiei asupra unui oel carbon i a unei alame, ambele testate n aceleai condiii. Se constat c n cazul alamei distrugerile prin coroziune sunt mai mici.

22


Fig.6 Uzur de cavitaie cu o component coroziv, pe o pal de elice.

a) oel carbon

b) alam

Fig.7 Eroziune de cavitaie pe materiale diferite, n aceleai condiii de testare. Durificarea stratului superficial prin tratamente termice clasice, prin clire cu fascicul laser sau implantri de ioni, conduce la mrirea de aproximativ 2-3 ori a perioadei de incubaie a cavitaiei, deci ntrzierea apariiei ei. Materialele cu structur cristalin cu fee centrate sunt izotrope i puin sensibile la creterea vitezei de deformaie. Cea mai bun comportare se observ la nichel i cupru iar cea mai slab la aluminiu. n funcie de compoziie sau de regimul termic de prelucrare aliajele de cupru pot fi unifazice sau multifazice. Aliajele de cupru pot fi compuse din faza , faza de transformare , amestec de faz i sau soluie solid i produse de descompunere dispersate. Faza este relativ plastic i are o rezisten redus la coroziune cavitaional. Faza este mai dur i mai puin plastic. Diferitele proprieti ale fazelor determin caracterul distrugerii. n figura 8 se prezint comportarea la cavitaie a unui bronz i a unei alame, clite la diferite temperaturi. Pe msur ce crete procentul de faz , rezistena la cavitaie crete.23


Pierderi masa (mg) 400 300 200 100 0 + 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 Timp (h) a) bronz b) alama +

Fig.8 Uzura de cavitaie a unui bronz i a unei alame, clite la diferite temperaturi. Oelurile cu structur feritic au o slab rezisten la cavitaie, deoarece ferita se distruge prima, focarele de distrugere apar la limitele de faze i se deplaseaz spre ferit. Oelurile austenitice stabile au rezisten la cavitaie superioar fa de cele feritice. Aliajele pe baz de titan sunt materiale de perspectiv n realizarea organelor de maini ce funcioneaz n condiiile aciunii cavitaiei. Aceste aliaje au o rezisten mecanic mare, densitate mic, rezisten mare la coroziune. Aliajele de cobalt au cea mai mare rezisten la distrugerea cavitaional. Se presupune c rezistena lor deosebit se datoreaz transformrilor de faz sub aciunea cavitaiei, astfel: pentru transformarea matricei din structur cubic cu fee centrate n structur hexagonal compact se consum cea mai mare parte a energiei de oc. Imediat ce un material este supus atacului cavitaional, energia sa intern crete, iar proprietile n stratul superficial se modific. Deteriorrile ncep prin deformri ale stratului superficial, fr a avea practic pierderi de mas. Geometria suprafeei se schimb, apar adncituri, sunt amorsate microfisuri ce se propag i duc n final la smulgeri de material. Pierderile de mas nu evolueaz liniar n timp. n general, dup o perioad caracterizat prin pierderi mici (Fig.9), se trece la perioada de distrugere intens a materialului, dup care distrugerea se diminueaz. Alura acestor curbe cinetice depinde de condiiile cavitaionale (intensitatea cavitaiei), felul i starea materialului. Astfel, n perioada de nceput pot apare dou etape distincte (Fig.10, curba a) sau o singur etap (Fig.10, curba b). n primul caz exist la nceput o perioad de pierderi practic nemsurabile dup care viteza pierderilor se mrete relativ ncet. n al doilea caz,24


pierderile sunt imediat msurabile dup expunerea materialului la cavitaie. Perioadele caracteristice care se disting pe o curb ce reprezint cinetica distrugerilor cavitaionale sunt: perioada de incubaie, perioada de atenuare, perioada de stabilizare.viteza eroziune

Pierderea de masa

Timp

viteza eroziune

Timp

TimpFig.9 Pierderea de mas n diversele perioade ale uzurii de cavitaie.

adancimea craterelor

bdistrugere imediata

adistrugere cu intarziere

t'1

t'2 timp de incubatie

Timp

Fig.10 Diverse aliuri ale curbelor de cavitaie. Cercettorii consider c tensiunile mecanice intensific eroziunea cavitaional, permind formarea unui numr mai mare de cratere de cavitaie. n perioada de incubaie, tensiunile mecanice accelereaz procesul de cretere al microfisurilor. Cum elicele navale sunt supuse att la tensiuni remanente ct i la tensiuni datorate ncrcrii, pericolul apariiei cavitaiei este crescut i de nenlturat. n concluzie:25


Parametrii mediului de lucru influeneaz uzura de cavitaie:

- maximul de distrugere corespunde unei temperaturi de aproximativ 40 0 C; - cu creterea presiunii crete i distrugerea; - agresivitatea mediului duce la accelerarea procesului de distrugere; - creterea vscozitii frneaz procesul de eroziune cavitaional; - creterea coninutului de gaze duce n general la slbirea procesului de distrugere.

Parametrii de exploatare influeneaz uzura de cavitaie, astfel:

- mrirea vitezei duce la accelerarea distrugerilor; - aplicarea proteciei catodice este favorabil atunci cnd mediul de lucru este agresiv; - existena tensiunilor remanente i a celor externe favorizeaz apariia cavitaiei. O prelucrare ngrijit a suprafeelor elementului supus uzurii de cavitaie are influen favorabil numai n cazul cavitaiei hidrodinamice. Comportarea la cavitaie a materialelor depinde de structura acestora, astfel: cu ct raportul axelor cristalului este mai apropiat de cel ideal cu att metalul respectiv are mai multe posibiliti de a se deforma i rezistena la distrugere cavitaional crete. 4.3. Frettingul n dicionarul de termeni al OECD (Organizaia pentru Cooperare i Dezvoltare Economic) frettingul este definit ca fiind fenomenul de uzur ce apare ntre dou suprafee care au o deplasare oscilatorie de mic amplitudine, iar coroziunea de fretting ca o form de fretting n care reaciile chimice au un rol predominant. Cercettorii francezi au identificat trei moduri de manifestare a frettingului: - uzura de fretting; - oboseala de fretting; - coroziunea de fretting. n cazul uzurii de fretting micarea suprafeelor este datorat unor vibraii exterioare; deplasarea relativ dintre suprafee ca o consecin a ncercrii de oboseal poate conduce la oboseala de fretting; n timp ce prezena resturilor de oxid sau predominarea reaciei chimice, determin coroziunea de fretting.

26


Considerat de unii cercettori un adevrat flagel al industriei sau o pacoste a construciei de maini, frettingul este rspunztor pentru o serie foarte mare de deteriorri ale diferitelor sisteme tehnice. Dintre domeniile n care se resimte aciunea frettingului pot fi menionate: - asamblrile cu strngere: a elicei pe arborele port-elice, a crmei pe arbore, a rotorilor de turbin, a rulmenilor, a roilor i rolelor fixe pe osii i arbori, a arborilor cotii executai din buci, a volanilor presai pe arbori, recipiente de nalt presiune executai din mai multe straturi; - implanturi ortopedice; - asamblri cu pene, caneluri, butuci pe arbori profilai, asamblri nituite; - la arcurile multilamelare; - orice montaj pe suprafee conice; - ambreiaje cu discuri plane i conice. Frettingul se produce ntre dou suprafee n contact supuse unor micri oscilatorii de mic amplitudine, aceasta conducnd la degradri ce pot lua diverse forme, antrennd disfuncionaliti de forma: blocaj al sistemelor mecanice (gripaj), apariia jocurilor (datorit produselor de uzur), amorsarea unor fisuri (datorit oboselii). Frettingul reprezint o form particular i complex de deteriorare (incluznd forme fundamentale de uzare ca: adeziunea, oboseala, abraziunea i coroziunea) manifestndu-se n general ca uzare sau oboseal de fretting, care se produce pe suprafee n contact ncrcate (sau nencrcate) care au o micare relativ oscilatorie de mic amplitudine, micare ce poate fi determinat de traciune, ncovoiere sau torsiune variabil, sau chiar de vibraii. n prezentul paragraf, ne vom ocupa de uzura de fretting i oboseala de fretting, iar coroziunea de fretting va fi analizat la capitolul de uzare prin coroziune. Uzura de fretting neleas ca desprinderea de material de pe suprafeele supuse la fretting, pe lng modificarea geometriei i aspectului exterior, poate avea urmri grave legate de pierderea preciziei dimensionale. Astfel, pot aprea dou situaii: - la ajustajele cu joc, dac particulele de uzur nu pot fi evacuate din zona de contact, datorit volumului lor pot provoca pierderea jocului i blocarea pieselor aflate n contact; - la asamblrile cu strngere, dac particulele de uzur sunt evacuate din zona de contact, se poate ajunge la pierderea strngerii iniiale.27


Pentru studiul fenomenului de fretting, cercettorii au scos n eviden importana dependenei dintre fora tangenial aplicat i deplasarea instantanee la nivelul contactului. Dependena dintre fora tangenial (provenit de la o for axial, un moment ncovoietor sau un moment de rsucire) aplicat variabil i fora sau momentul de frecare din asamblare este definitorie pentru comportarea asamblrii la acest tip de uzur. n funcie de aceast dependen se pot produce alunecri pariale sau totale ntre suprafee. Condiiile contactului pe ntreaga suprafa sunt ns dificil de stabilit, ele depinznd de: proprietile fizico-chimice ale suprafeelor n contact, de legea de distribuie a presiunii ntre suprafee, de regimul de lucru i de natura contactului. Pentru studiul fenomenului de fretting este necesar determinarea corespunztoare a regimurilor de lucru cu stabilirea unor frontiere ct mai exacte ntre diferitele regimuri de lucru. Astfel se pot stabili criterii de tranziie ntre alunecarea parial i alunecarea total, aceste criterii depinznd de fora normal i de fora tangenial introdus la nivelul contactului. n urma studiilor i experienelor efectuate pe parcursul mai multor ani, autorii prezentului contract au ajuns la unele concluzii privind cauzele uzurii de fretting i posibilitile de reducere a acestei uzuri. Studiile s-au efectuat pe asamblri conice montate prin strngere, uoara conicitate permind un control riguros al strngerii din asamblare. S-au urmrit pe rnd influena mai multor factori asupra apariiei i dezvoltrii uzurii de fretting, astfel a fost analizat: a) Influena capetelor asamblrii Dup montarea presat a butucului pe arbore, butucul fiind mai scurt dect arborele dar de form axial simetric, distribuia presiunii pe suprafaa de contact rezult neunifom, ea crescnd foarte mult la capetele asamblrii. n stare normal, fr ncrcare exterioar, n asamblare apare distribuia de tensiuni radiale ( r) i de forfecare ( ) prezentat n figurile 11 i 12, pentru arbore cu diametrul de 400 mm, diametrul exterior al butucului de 800 mm i lungimea butucului de 200 mm. Strngerea diametral adoptat a fost s = d 500 , materialul pieselor oelul.

28


Fig.11 Distribuia tensiunilor normale radiale ( r )

Fig.12 Distribuia tensiunilor tangeniale de forfecare ( ).

Considernd numai valorile de pe suprafaa de contact, tensiunile menionate au distribuia din figura 13. Calculnd raportul / r la raza de contact Rc (Fig.14), rezult c acesta are valori superioare coeficientului de frecare , ceea ce favorizeaz alunecarea pe captul asamblrii la cea mai mic perturbare a factorilor externi de solicitare. Ba chiar la montri i demontri repetate, deci la aplicarea unei fore axiale tangent la suprafaa de contact a asamblrii, s-au constatat amprente circulare ce prevesteau uzura de fretting (Fig.15).

Fig.13 Tensiunile radiale i de forfecare la suprafaa de contact, la montaj.

Fig.14 Variaia raportului la suprafaa de contact, pe lunGimea asamblrii, la montaj.

29


Fig.15 Amprenta circular de fretting obinut n urma unor montri i demontri repetate a unei asamblri prin strngere. b) Influena formei exterioare a butucului Analiznd un butuc de form special (Fig.16) radial nesimetric (raza exterioar variaz liniar cu unghiul), cum ar fi n cazul crmei sau a coturilor de la arborii cotii, au fost calculate i msurate tensiunile i deformaiile induse de forma nesimetric. Curbele de nivel constant ale acestor tensiuni sunt prezentate n figurile 17 i18. Rezultatul este acelai: pe o anumit arie asamblarea are tendin de alunecare crescut (Fig.20) zona de sliping se obine pe poriunea n care raportul / r depete coeficientul de frecare .

Fig.16 Butuc cu periferie radial nesimetric.

30


Fig.17 Distribuia tensiunilor radiale r ntr-o seciune frontal a butucului.

Fig.18. Distribuia tensiunilor de forfecare ntr-o seciune frontaL a butucului.

Fig.19 Variaia tensiunilor radiale i de forfecare pe un unghi de 900 , ntr-o seciune frontal.

Fig.20Variaia raportului / r ntr-o seciune frontal a butucului, pe un Unghi de 900 .

Prelucrnd rezultatele studiului efectuat pentru asamblri asimetrice este de ateptat s se obin o distribuie a efectelor de alunecare ca n figura 21

Fig.21 Zona de apariie a slippingului la un butuc asimetric. ntr-adevr, inspectnd o asemenea asamblare dup un anumit timp de funcionare, s-au observat amprente de presiune i puncte de alunecare n poziiile prevzute (Fig.22).31


Fig.22 Amprenta de fretting datorit periferiei necirculare a butucului. c) Influena ncrcrii centrifugale Pe o cale similar, forele centrifugale, care apar n special n cazul elicelor, produc scderea strngerii ntre elice i arborele port-elice i deci mresc tendina de alunecare la capetele asamblrii (Fig.23, Fig.24, Fig.25, Fig.26). Arborele a fost considerat plin.

Fig.23 Distribuia tensiunilor radiale r n micarea de rotaie

Fig.24 Distribuia tensiunilor de forfecare , n micarea de rotaie.

32


Fig. 25 Variaia tensiunilor radiale i de forfecare la suprafaa de contact, n micarea de rotaie

Fig.26 Variaia raportului / r la suprafaa de contact, pe lungimea asamblrii, n micarea de rotaie.

d) Influena cmpului termic tranzitoriu Analiznd influena nclzirii exterioare a butucului (cazul cilindrilor de laminor cu tblie fretat), a fost obinut variaia parametrilor mecanici ( r, ) pe durata nclzirii. La un anume timp, numit timp critic de nclzire, cnd datorit dilatrii butucului i mai puin a arborelui, strngerea n asamblare ia valori minime, caracterizat prin criteriul adimensional Fourier, F0, tendina de alunecare n asamblare este accentuat spre capetele ei, comparativ cu asamblarea nenclzit (Fig.27, Fig.28).

Fig.27 Variaia tensiunilor r i la suprafaa de contact, cu

Fig.28 Variaia raportului / r la suprafaa de contact, cu nclzirea (F0 ), pe lungimea asamblrii.

nclzirea.

Uzura prin fretting se poate explica prin existena urmtoarelor etape:33


1)

procese de deformare a contactului;

- iniierea i propagarea fisurilor de la suprafa; - formarea i ruperea legturilor adezive; 2) 3) formarea i oxidarea particulelor de uzur; aciunea abraziv a particulelor de uzur.

Ponderea acestor etape este diferit, n funcie de amplitudinea alunecrii. Astfel, la amplitudini mici ale alunecrii, uzura oxidant devine predominant iar comportarea la uzur este mai bun. La amplitudini mari, uzura de fretting are loc astfel: - rugozitatea suprafeei iniiale este diminuat prin deformarea plastic a fiecrei asperiti; - uzura mecanic-adeziv devine important; - uzurile oxidativ i abraziv au loc n cadrul unui regim staionar. Fenomenul ce are loc este complex, apreciindu-se c uzura de fretting implic aderena, oxidarea, abraziunea i chiar pittingul. Explicaiile moderne privind deteriorarea prin fretting au n vedere starea de tensiuni i deformaii din zona de contact i comportamentul reologic al materialului deformat, direcie n care ne-am orientat studiile. Pe de alt parte, oboseala de fretting se manifest atunci cnd fisurile de fretting sunt iniiate n interiorul sau la marginea contactelor de fretting, propagarea acestora putnd duce la reducerea drastic a duratei de via sau chiar la rupere. Msura n care cele dou aspecte ale deteriorrii de fretting se leag ntre ele nu este nc pe deplin elucidat. Pot fi fcute ns urmtoarele observaii: - deteriorarea suprafeei de contact i distribuia solicitrii sunt similare n cele dou aspecte. Factorul primar prezent n cazul oboselii de fretting i care nu este necesar pentru uzura de fretting, este tensiunea variabil ntr-unul din solidele aflate n contact; - ruperile datorate oboselii de fretting apar n zonele care prezint deteriorri de fretting ale suprafeei, de cele mai multe ori la marginea ariei de contact sau aproape de interfeele de alunecare/nealunecare; - iniierea i propagarea fisurii sunt importante att n uzura ct i n oboseala de fretting, conducnd la microfisuri i desprinderea de achii de metal (n cazul uzurii) i la ruperi la oboseal (n cazul oboselii de fretting). Oboseala de fretting pare deci s se datoreze concentrrilor locale de tensiuni asociate cu efectul de margine al zonelor n contact. Supunnd la ncovoiere un arbore pe care a fost montat un butuc presat, oboseala de fretting apare vizibil mai nti la34


captul asamblrii presate printr-o racordare a captului butucului i o adncitur circular pe arbore (Fig.29). Efectul ei este de a schimba distribuia iniial de presiune ca rezultat al mcinrii i oxidrii suprafeelor n acea zon. Cu timpul, aria microalunecrilor se extinde conducnd la slbirea asamblrii presate. ncrcrile exterioare, capabile s produc o astfel de influen, sunt: - concentrarea tensiunilor la capetele butucului i variaia acestora ca semn datorit existenei forelor axiale, momentelor ncovoietoare sau de rsucire variabile; - concentrarea tensiunilor n unele zone ale asamblrii supus la viteze de rotaie variabile; - concentrarea tensiunilor n unele zone ale suprafeei de contact atunci cnd butucul are o form neregulat la exterior iar asamblarea este supus la diverse solicitri.

Fig.29 Evoluia oboselii de fretting la captul asamblrii. Att uzura ct i oboseala de fretting sunt guvernate de rata de formare al celui de al treilea corp ntre suprafeele iniiale de contact. Ambele se caracterizeaz prin pierderea de material n zona de contact, ducnd la formarea de cratere n aria supus la fretting.35


Coroziunea de fretting se consider ca fiind o deteriorare prin formarea unui strat de oxid pe suprafa sau prin acumularea particulelor oxidate n punctele de contact. Vincent L. i colaboratorii si consider c uzura i oboseala de fretting au origini diferite, dar c ambele forme de deteriorare coexist, deseori, la acelai contact. n ambele cazuri, primele distrugeri apar pe capetele asamblrii n zona n care se concentreaz i tensiunile. n aceast situaie, uzura superficial a materialului n zonele de alunecare sfrete prin a provoca amorse de fisur grbind momentul ruperii, astfel c fenomenele de oboseal de contact i cel de oboseal la rupere se cumuleaz producnd scderea capacitii de rezisten n comparaie cu a arborelui liber. n scopul reducerii tensiunilor pe capetele butucului, precum i n scopul creterii siguranei n exploatare a asamblrii, n literatur sunt prezentate rezultate ale unor experimentri asupra unor probe cu diverse forme terminale, la care am adugat experiena proprie. Toate aceste soluii constructive au ca scop crearea unei zone iniiale de trecere progresiv de la rigiditatea mai mic a arborelui la cea mai mare din zona butucului, aceasta fiind principala cauz a apariiei vrfului de presiune. n acest scop pot fi recomandate o serie de soluii constructive, cum ar fi:

Canale de relaxare executate n butuc sau pe arbore, a cror dimensiuni au

fost puse n legtur cu diametrul arborelui (d) Fig.30, Fig.31 i Fig.32.

0.1d

0 .0 3

d

0.05d

d

Fig.30 Canal de descrcare a tensiunilor la captul butucului.

Fig.31 Canal de descrcare a tensiunilor la captul buTucului racordat ctre arbore

36

d

0.1d

1.25d

60 o

0.5 d


d 0 .5

1.17d

d-3

Fig.32 Canal de descrcare a tensiunilor Fig 33 Teitur la captului butucului la captul asamblrii, pe arbore. Pentru descrcarea tensiunii.

Dintre cele trei variante, de preferat sunt cele din figurile 30 i 31, deoarece varianta din figura 32, prin canalul practicat pe arbore introduce un concentrator de tensiune care reduce rezistena arborelui la oboseal.

Interiorul butucului s fie prelucrat la capete cu teituri, a cror dimensiuni Butuc cu exteriorul subiat n trepte sau continuu ctre capetele asamblrii

sunt puse n corelaie cu strngerea (s) i cu diametrul arborelui (d) Fig.33. Fig.34 i Fig.35.

0.05d

d

0.1d

0.16d

1.6d

d

Fig.34 Butuc cu exteriorul subiat continuu ctre captul Asamblrii.

Fig.35 Butuc cu exteriorul subiat n trepte ctre captul asamblrii.

Executarea unor treceri de tranziie comune de la butuc la arbore, cu

prelucrarea unui canal de descrcare pe suprafaa frontala a butucului i un salt de diametru la arbore printr-o racordare Fig.31. Adoptnd una dintre aceste soluii efectul obinut este dublu: se micoreaz tensiunile iniiale, reducndu-se astfel posibilitatea apariiei amorselor de fisur la oboseal i se reduce uzura.

37

d

0.08d

0.5s

3


5. Uzura de coroziune 5.1. Tipuri de coroziuni Coroziunea metalelor const n distrugerea spontan parial sau total a metalelor n urma unor reacii chimice, biochimice sau electrochimice survenite sub aciunea fizico-chimic a mediului nconjurtor n timpul exploatrii, construciile i instalaiile sunt supuse aciunii mediului exterior, care provoac trecerea metalelor din stare metalic n stare ionic, aceast modificare fiind nsoit de micorarea masei i de nrutirea proprietilor importante ale metalelor. Coroziunea nu poate fi evitat dar poate fi redus. Procesul de degradare a metalelor i aliajelor se datoreaz faptului c acestea, prelucrate sub form de utilaje i aflate de multe ori n tensiune, se gsesc ntr-o stare nestabil termodinamic, caracterizat de un nivel de energie ridicat. Ca urmare, ele prezint tendina de a reveni la o stare stabil, inferioar energetic, adic la starea natural n care se gsesc n minereuri (sub form de compui). Procesul de coroziune se desfoar spontan, deoarece sistemul metal mediu difuziune este mai puin stabil termodinamic dect sistemul compus chimic mediu difuziune. Economia fiecrei ri este puternic afectat de procesele de coroziune, amploarea pierderilor provocate crescnd odat cu gradul de industrializare al rii. Cantitatea de metal distrus anual datorit coroziunii se situeaz ntre 15% i 20%. Aceste pierderi, se clasific n pierderi directe i indirecte. Un exemplu de pierderi directe l-ar reprezenta costul unui agregat nou care nlocuiete unul distrus prin coroziune. Pierderile indirecte sunt, n general mai mari i mai greu de apreciat. n categoria pierderilor indirecte ar fi cheltuielile necesare pentru supradimensionarea utilajelor, astfel ca rezistena lor mecanic i exploatarea normal, n caz de coroziune, s fie asigurate o perioad de timp dat. n industria chimic sau alimentar se pot considera indirecte i pierderile provocate prin impurificarea substanelor cu produi de coroziune. Tabelul 3 conine pierderile anuale cauzate de coroziune n cteva state industrializate. Global, n rile industrializate, costul materialelor metalice deteriorate prin coroziune se estimeaz la circa 50 dolari/om an.

38


Tabelul 3 Pierderi anuale provocate de coroziune n cteva state1. 2. 3. 4. ara SUA Anglia Germania Frana Pierderi anuale (mil. dolari) 20.000 840 2.400 440

Este sigur c unul din 10 muncitori din industriile extractive, metalurgice, constructoare de maini etc. lucreaz pentru acoperirea efectelor coroziunii. nelegerea acestor aspecte i a semnificaiilor lor pentru economie duce, neaprat, la eforturi economice pentru gsirea i aplicarea celor mai eficiente metode de protecie anticorosiv, pentru realizarea celor mai potrivite aliaje n condiii de exploatare date, ct i la pregtirea unui personal calificat n domeniu. Dup mecanismul coroziunii se pot distinge patru tipuri de coroziuni i anume:

Coroziunea chimic; Coroziunea biochimic; Coroziunea mecanochimic; Coroziunea electrochimic.

Coroziunea chimic, fr schimb de sarcini, este posibil la toate materialele metalice i nemetalice, i este guvernat de legi ale cineticii chimice. Coroziunea electrochimic, forma cea mai rspndit de distrugere a metalelor, apare la contactul acestora cu soluii de electrolii, nsoit de transfer de sarcin i are la baz legi ale cineticii electrolitice. Acest tip de coroziune se ntlnete i n cazul elicelor navale aflate ntr-un mediu purttor de ioni apa de mare. Coroziunea biochimic, biocoroziunea sau coroziunea micro-biologic este cauzat de activitatea metabolic a unor microorganisme care utilizeaz metalul ca mediu de cultur. Biocoroziunea apare de obicei la structuri metalice feroase, mai puin la cele neferoase, aflate n contact cu ape stagnate sau implantate n organisme vii. Coroziunea mecano-chimic, apare n condiii de exploatare industrial a utilajelor metalice, cnd alturi de agentul difuziune concur la distrugerea metalului i tensiunea remanent sau aplicat. Dup natura solicitrilor mecanice, se pot accepta urmtoarele subclase: - coroziunea sub tensiune, datorat solicitrilor statice (remanente sau induse);39


- coroziunea de oboseal, datorat solicitrilor periodice, cnd fenomenul de oboseal propriu-zis este activat de prezena unui anumit mediu ambiant. Un caz tipic de coroziune sub tensiune este fretting coroziunea care apare n cazul pieselor montate cu strngere, situaie ntlnit la montarea elicei pe arborele portelice, montarea prin presare introducnd n piesele asamblate tensiuni remanente (de ntindere pentru butucul elicei i de compresiune pentru arbore). Coroziunea de oboseal se ntlnete tot la elice, cnd acestea intr n funciune, asamblarea lor presat este solicitat la ncovoiere alternant simetric i la rsucire pulsatorie, iar procesul se desfoar n mediu difuziune. Defectele cele mai des sesizabile ale coroziunii sunt: alterarea suprafeei, modificarea greutii i scderea proprietilor de utilizare ale produsului. Avnd n vedere aceste defecte, clasificarea tipurilor de coroziune se face i dup distribuia atacului pe suprafaa metalului (Fig.36).

Fig.36 Tipuri de distrugere coroziv (a)- uniform; (b)- neuniform; (c)- structural selectiv; (d)- prin pete; difuziune- plgi de coroziune; (f)- punctiform; (g)- intercristalin; (h)- transcristalin; (i)- sub suprafa. Dup acest criteriu, deosebim: - Coroziunea general (a i b Fig.36); - Coroziunea localizat (c, d, e, f, g, h i i Fig.36). Coroziunea este uniform (a) cnd distrugerea afecteaz ntreaga suprafa pe aceiai adncime, iar rezistena mecanic scade proporional cu pierderea n greutate a produsului metalic. Coroziunea neuniform este concentrat numai pe anumite poriuni de suprafa, care pot fi mai mari pete de coroziune (d i e) sau foarte mici, de civa milimetri 40


pittinguri (f), cnd metalul se distruge n adncime. n acest caz proprietile mecanice scad mult mai pronunat dect n cazul pierderii n greutate, de exemplu atacul fierului sau aluminiului de ctre apa de mare. Dup caracterul distrugerii n raport cu structura metalului, coroziunea poate fi: - Intercristalin (g Fig.36); - Transcristalin (h Fig.36); - Selectiv (c Fig.36). Coroziunea intercristalin Metalul se corodeaz n profunzime de-a lungul limitelor de grune, fr a suferi pierderi de greutate sensibile i uneori chiar fr a i se altera vizibil suprafaa. Efectele asupra proprietilor mecanice sunt ns dezastruoase, produii de coroziune intergranular provocnd decoeziunea materialului metalic, ceea ce poate conduce la ruperea sub cel mai mic efort. Acest tip de coroziune apare la aliajele cu structur de soluie solid (aliaje de aluminiu, oeluri inoxidabile, aliaje pe baz de nichel etc.). Coroziunea transcristalin este un proces de distrugere fisurant a metalelor, perpendicular pe direcia tensiunilor remanente interne, prezente n piesele metalice n urma prelucrrii mecanice, a tratamentelor termice sau a sudurii. Acest tip de coroziune apare la aliaje de magneziu i la unele oeluri inoxidabile. Coroziunea selectiv const ntr-o corodare preferenial a grunilor cristalini ai constituentului metalografic cel mai atacabil din aliaj. Coroziunea selectiv ca i cea de tip pitting poate avea un caracter punctiform, dar ea nu are caracterul penetrant specific pittingului, deoarece dup dizolvarea n ntregime a unui grunte ea nu poate continua n acelai punct, de exemplu dezincarea alamei n mediu acid sau dezaluminizarea bronzurilor. Tipul de coroziune, caracterizat prin forma, ntinderea i viteza de reacie, va fi determinat de natura metalului i a soluiei agresive, de proprietile fizice i chimice ale produselor de reacie i de condiiile n care are loc atacul (temperatur, presiune, vitez de curgere etc.). De exemplu: aluminiul se corodeaz n soluii apoase sub 1000 C prin pitting, ntre 1900 C i 2500C se corodeaz uniform, iar peste 2500C apare coroziunea intercristalin.

41


5.2. Indici de apreciere a coroziunii Intensitatea coroziunii poate fi apreciat pe baza variaiei unor proprieti ale materialului metalic ca de exemplu: pierderea n greutate, modificarea strii suprafeei, modificarea caracteristicilor mecanice, msurarea concentraiei n mediul difuziune a unei substane (reactant sau produs). Aprecierea se face prin indici de coroziune, dintre care cei mai utilizai sunt indicele gravimetric i indicele de penetraie. Indicele gravimetric reprezint variaia greutii probei m ca rezultat al coroziunii, n unitatea de timp t pentru unitatea de suprafa S: Vcor =

m S.t

(1)

Indicile de penetraie P reprezint adncimea medie a penetraiei produs de coroziune n masa metalului i este dat de relaia: P=

Vcor

(2)

unde: Vcor indicele gravimetric, n g/m2.h

- densitatea mediului, n g/cm3Indicele de penetraie d indicaii orientative asupra oportunitii utilizrii unui metal sau aliaj ca material de construcie, pentru un mediu difuziune dat. Indicele de coroziune, P, este corelat cu o scar convenional de rezisten la coroziune ce cuprinde zece grupe de rezisten (Tabelul 4). Tabelul 4 Scara convenional de rezisten la coroziuneGrupa rezisten Perfect rezistent Foarte rezistent de Indice coroziune,mm/an 0,001 0,001-0,005 0,005-0,010 Pierdere de greutate, mm/an Grupa Oel carbon, Cu font aliaje 1 2 3 0,0009 0,00090,0045 0,00450,009 0,001 i Ni i Al i aliaje aliaje 0,001 0,00012 0,00030,0015 0,00150,003 0,0030,015 0,0150,031 0,0310,154 Mg aliaje 0,0003 0,00020,001 0,0010,002 0,0020,010 0,010,02 0,020,10 i

0,01-0,05 0,05-0,10 4 Rezistent 0,05-0,10 Rezisten sczut 0,10-0,5 5 6

0,0010,0051 0,00510,01 0,010,009-0,045 0,051 0,0510,045-0,09 0,10 0,09- 0,45 42

0,0010,005 0,0050,001 0,010,05 0,050,10 0,100,10-0,51 0,50


0,5-1 15 Puin rezistent 5 10 Nerezistent 10

7 8 9 10

0,45 0,9 0,9-4,5 4,5-9 9,1

0,51-1,02 0,5-1,0 1,02-5,1 5,1-10,2 10,2 15 5 10 10

0,1540,310 0,311,54 1,543,10 3

0,1 0,2 0,2 1 12 2

n ultimul timp, s-a emis propunerea ca la aprecierea deteriorrilor cauzate de coroziune, s se in seama, pe lng pierderile de mas i de modificarea proprietilor fizico-chimice ale metalelor. Indicele de coroziune, R , se exprim prin relaia: R = Pinit P (3)

unde: Pini proprietatea materialului n stare iniial; P - aceiai proprietate dup coroziunea n decursul timpului . Astfel indicele R prezint avantajul de a exprima coroziunea independent de mecanismele acesteia. Cu ajutorul acestui criteriu se pot caracteriza toate tipurile de coroziune. Determinndu-l pe R pentru valori egale de timp se pot compara ntre ele diferite tipuri de coroziuni. Folosirea acestui criteriu a permis compararea coroziunii diferitelor metale n condiiile aciunii concomitente a tensiunilor statice i ciclice, precum i a hidrogenrii, de difuziune s se determine aciunea distructiv a tensiunilor i a mediului i s se aprecieze interaciunea acestora.5.3. Coroziunea electrochimic

La elicele navale aflate n apa de mare, principalul mod de coroziune este cea electrochimic. n contact cu un electrolit, metalele se corodeaz printr-un proces complex de oxidare i dizolvare numit coroziune electrochimic. Recunoaterea faptului c distrugerea metalelor prin coroziune de ctre faza lichid este un proces mixt, de oxidare anodic a metalului i simultan un proces de reducere catodic, este esenial pentru nelegerea problemei. Metalul prezint o suprafa echipotenial unde pot exista zone care constituie sedii ale proceselor anodice i catodice care se desfoar la acelai potenial. Ca mecanism unanim acceptat, coroziunea electrochimic se produce astfel: prin contactul nemijlocit al metalului cu soluia de electrolit, o parte a ionilor din reeaua43


metalic trece n soluie, iar la suprafaa metalului se formeaz un strat dublu electric n care metalul se ncarc negativ. Din cauza interaciunii cinetice dintre soluie i ptura de ioni din stratul dublu, o parte a acestora se pot schimba cu ali cationi din soluie. Descrcarea aceasta este nsoit de o dizolvare a unei noi poriuni de metal pentru a se reface echilibrul n stratul dublu electric. Cel mai simplu sistem electrochimic, format dintr-un conductor electronic (metal) cufundat ntr-un conductor ionic (soluie de electrolit) poart numele de electrod. Metalul elibereaz electroni, iar ionii si pozitivi intr n soluie, rezultnd o diferen de potenial ntre electrod i electrolit. Potenialul de electrod exprim diferena de energie a electronilor, n fazele electrod-electrolit i se poate defini prin energia consumat cu transportul unitii de sarcin dintr-o faz n cealalt. Potenialul de electrod nu poate fi msurat ca atare ci numai ca diferen de potenial fa de un electrod de referin. Electrodul standard de referin este cel de hidrogen al crui potenial n condiii normale este zero la toate temperaturile. n funcie de valoarea potenialelor de electrod s-a stabilit seria potenialelor a electrochimice a metalelor Tabelul 5. Tabelul 5 Seria electrochimic (poteniale de reducere n raport cu electrodul normal de hidrogen).Elemente Reacia de electrod Litiu Rubidiu Potasiu Calciu Sodiu Magneziu Beriliu Aluminiu Titan Li Li + e Rb Rb+ + eK K+ + eCa Ca2+ + 2eNa Na+ + eMg Mg2+ + 2eBe Be2 + 2eAl Al3+ + 3eTi Ti2+ + 2eZn Zn2+ + 2eZinc Cr Cr2+ + 2eCrom Cr Cr3+ + 3eFier Fe Fe2+ + 2eCadmiu Cd Cd2+ + 2eNichel Ni Ni2+ + 2eStaniu Sn Sn2+ + 2ePlumb Pb Pb2+ + 2eFier Fe Fe3+ + 3eHidrogen H2(g) (H+ + e-) 44+ -

Potenialul de electrod [V] - 2,959 - 2,925 - 2,924 - 2,763 -2,714 -2,37 -1,85 -1,69 - 1,63 - 0,761 - 0,71 - 0,50 - 0,44 - 0,42 - 0,23 - 0,14 - 0,13 - 0,045 0,000 referin


Aur

Au Au3+ + 3e-

+ 1,50

Metalele situate naintea hidrogenului n seria electrochimic au o tendin de oxidare (de a trece n soluie sub form de ioni pozitivi) mai mare dect hidrogenul i ca urmare deplaseaz hidrogenul din soluie. Metalele situate dup hidrogen (metalele nobile) au tendina de oxidare mai mic dect hidrogenul i ca urmare nu-i pot deplasa ionii din soluie. Deci, un metal poate deplasa din soluie un alt metal, dac primul se afl naintea celui de al doilea n seria electrolitic. Diferenele de potenial ntr-un mediu n care se produce coroziunea electrochimic pot fi generate de o varietate de cauze care produc eterogenitatea metalului sau a electrolitului i care pot fi grupate n trei categorii i anume: - diferene de compoziie chimic ntre anod i catod; - diferene n starea de tensiuni mecanice (aplicate sau remanente) din materialul metalic; - diferene n compoziia electrolitului n regiunea anodic i catodic. Conform acestui criteriu, celulele galvanice n care se produce coroziunea sunt de trei tipuri: celule de compoziie, celule de distorsiune, celule de concentraie. a. Celulele de compoziie iau natere atunci cnd o soluie apoas vine n contact cu dou materiale metalice diferite prin natura lor (cazul navelor din oel cu elice din cunial). n aceste cazuri, metalul cu valoare negativ mai mare a potenialului de electrod, acioneaz ca anod i se corodeaz. b. Celulele de distorsiune elastic. O diferen de potenial se poate stabili i ntr-un material monofazic omogen dac acesta prezint zone de distorsiune elastic la nivelul reelei cristaline. Energia intern din zona distorsionat este mai mare i o astfel de zon va funciona ca anod. Se pot crea zone anodice prin introducerea de macrotensiuni prin deformri plastice neuniforme, cnd gruntele cristalin i modific forma i dimensiunile, la limita dintre grunii modificai crendu-se o zon anodic. Aceast

45

elemente nobile

Cupru Oxigen Cupru Argint Mercur Platin Oxigen

Cu Cu2+ + 2eO2 + 2H2O +4e- 4OHCu Cu+ + eAg Ag+ + eHg Hg2+ + 2ePt Pt2+ + 2eO2 + 4H+ + 4e- 2H2O

+ 0,337 + 0,401 + 0,522 + 0,797 + 0,798 + 1,20 + 1,229


situaie se ntlnete la montarea presat a elicei, cnd tensiunile introduse la montare au valori foarte mari la suprafeele frontale ale butucului. c. Celule de compoziie . Diferena de potenial n acest caz se stabilete ntre extremitile aceleiai buci de metal care vine n contact cu un electrolit cu concentraie diferit a ionilor metalici. Acest tip de coroziune electrochimic se ntlnete frecvent la echipamentul pentru industria chimic i foarte rar n alte domenii.5.3. Coroziunea sub tensiune

Tensiunile mecanice statice (aplicate sau remanente) accelereaz procesele de coroziune provocnd o deteriorare a metalului denumit coroziune sub tensiune. Sub aciunea tensiunilor statice se produce o deteriorare specific numit fragilizare prin hidrogen. Aceasta este o deteriorare a materialului metalic solicitat mecanic la temperatura ambiant, aflat sub aciunea chimic sau electrochimic a unui mediu capabil s conduc la degajarea de hidrogen pe suprafaa metalului. Fisura este rezultatul aciunii combinate a efortului mecanic i a fragilizrii metalului provocat de penetraia hidrogenului. Fisura se propag ntr-un plan perpendicular pe direcia tensiunilor mecanice (Fig.37). Hidrogenul atomic degajat la suprafaa metalului difuzeaz n metal i se acumuleaz sub form de hidrogen molecular n zonele cu defecte de reea. La o acumulare suficient de hidrogen, incapabil s difuzeze n reeaua cristalin a metalului, se dezvolt presiuni ce produc fisuri locale. Fisurile provocate de presiunea intern a gazelor se propag sub aciunea tensiunilor mecanice aplicate sau existente ca tensiuni remanente.

Fig.37 Mecanismul fisurrii la fragilizarea cu hidrogen. Coroziunea sub tensiune se produce ntotdeauna n prezena combinat a mediului chimic difuziune i a unor tensiuni mecanice. Necesitatea existenei aciunii46


simultane este dovedit de faptul c fisurarea poate fi prevenit sau oprit prin eliminarea unui singur factor dintre acetia. Majoritatea aliajelor sunt susceptibile la coroziune sub tensiune atunci cnd sunt expuse unor medii chimice specifice (Tabelul 6). Tabelul 6 Exemple de coroziune sub tensiune la aliaje importante tehnic.Aliaj Mediu difuziune

Soluie de NaCl Soluie de NaCl + H2O2 1 Aliaje de aluminiu (aliaje de mare Ap de mare rezisten cu Zn) Aer Vapori de ap Aliaje de magneziu Alame (fragilitate sezonier) Soluie de NaCl i K2CrO4 Atmosfer marin Vapori de NH3 i soluii amoniacale Soluii de sruri de Hg Amine Ap Soluie de NaOH (fragilitate caustic) Soluie de NaOH Na2SiO3 Soluie de nitrai: Ca(NO3)2, NaNO3 Hidrogen sulfurat (H2S) Ap de mare Soluie de NaCl + H2O2 Ap de mare i slcie Soluie de H2S + NaOH Soluii caustice Amestec de acizi (HNO3 + H2SO4) Soluii de cloruri metalice (MgCl2, ZnCl2, NaCl etc.) Soluii caustice Ap de mare i slcie Soluie de NaCl + H2O2 Soluii concentrate de NaOH, KOH Alcalii topite Soluie de HF Soluie de H2SiF6 Soluii de sruri de Hg Soluie de acetat de plumb Amestec de cloruri topite Soluie de HCl i metanol HNO3 i fumans Compui cu clor ai hidrocarburilor

Oel carbon moale

Oeluri oxidabile nalt aliate cu crom

Oeluri inoxidabile austenitice

Nichel Metal Monel (aliaj Cu Ni) Plumb Aliajede titan

Metale pure sunt relativ imune la acest fenomen. Cazurile de coroziune fisurant cu frecven m

cercetĂri fundamentale Şi aplicative privind

Documents