Download - Studiul Si Tehnologia Materialelor

Teodor MACHEDON PISU

STUDIUL ŞI TEHNOLOGIA

MATERIALELOR

2009 – 2010

1

Introducere

Cursul de Ştiinţa şi Tehnologia Materialelor asigură cunoaşterea aliajelor

metalice, precum şi metode, procedee de obţinere a pieselor pentru industria

metalurgică şi constructoare de maşini. În finalul acestui curs studentul trebuie să

cunoască procedeele de elaborare, prelucrare prin turnare, prelucrare prin deformare

plastică, prelucrare termică, prelucrare mecanică şi îmbinare nedemontabilă (sudare)

a metalelor şi aliajelor metalice. Toate aceste noţiuni sunt necesare pentru disciplinele

de specialitate, ce vor fi studiate ulterior.

Obiectivele cursului

Cursul intitulat Ştiinţa şi Tehnologia Materialelor are ca

obiectiv principal prezentarea metalelor şi aliajelor utilizate în cadrul

sistemelor industriale, factorii care influenţează structura şi proprietăţile

acestora, metode de ridicare a performanţelor materialelor metalice.

Însusirea unor noţiuni de bază privind metalurgia extractivă, elaborarea

materialelor, prelucrarea primară, tehnologii de obţinere a semifabricatelor,

tehnologii de prelucrare., cursul se adresează Programului de studii

Autovehicole Rutiere, forma de învăţământ FR. În acest sens, la

sfârşitul acestui curs, studenţii vor fi capabili să:

cunoască si să utilizeze adecvat notiunile specifice disciplinei

(materiale,tehnici si metode de prelucrare)

explicarea si interpretarea proceselor de producere si prelucrare

termica a materialelor

intelegerea modului in care procesele tehnologice pot aduce

prejudicii mediului

intelegerea proprietatilor materialelor si a modului de

investigare a acestora

intelegerea modului de alegere si utilizare a materialelor

Competenţe conferite

Competenţe în selectarea, combinarea şi utilizarea cunoştinţelor,

principiilor, din domeniul ştiinţei şi tehnologiei materialelor pentru

rezolvarea problemelor specifice ingineriei în general şi ingineriei

autovehiculelor in special.

Resurse şi mijloace de lucru

– prezentarea cursului in unitaţi de învăţare in ppt;

2

– punerea pe platorma e -learning;

– instrumente utilizate în vederea înţelegerii aspectelor

teoretice şi a rezolvării elementelor de: probe din

materiale, epruvete, structuri , machete

Structura cursului

Cursul intitulat Ştiinţa şi Tehnologia Materialelor conţine:

– două parţi, prima parte Ştiinţa Materialelor compusă din 7

Unităţi de învăţare (UI) şi partea a doua Tehnologia

materialelor compusă din 4 Unităţi de învăţare (UI).

– numărul lucrarilor de laborator vor fi 7 pentru Ştiinţa

Materialelor şi 7 pentru Tehnologia materialelor

– lucrările de laborator se încărcă pe platforma eLearning.

Cerinţe preliminare

Necesită corelarea cu alte discipline cum sunt: matematica,

fizica, chimia, rezistenţa materialelor, desen industrial, programare,

discipline care asigură instrumentele fundamentale pentru predarea

noţiunilor şi înţelegerea fenomenelor.

Discipline deservite

Disciplina Ştiinţa şi Tehnologia Materialelor, prin bagajul de

cunoştinţe trebuie să dezvolte simţul practic şi gândirea tehnică logică

bazată pe o temeinică pregătire teoretică. Totodată gândirea tehnică

trebuie bine racordată cu gândirea economică, astfel încât orice

tehnologie trebuie înţeleasă ca posibilitate eficientă de realizare a

producţiei în condiţii optime şi de calitate.

Durata medie de studiu individual

Parcurgerea de către studenţi a unităţilor de învăţare ale cursului

de Ştiinţa şi Tehnologia Materialelor (atât aspectele teoretice cât şi

rezolvarea testelor practice şi a problemelor propuse) se poate face în

2-3 ore pentru fiecare unitate..

3

Evaluarea

La sfârşitul semestrului, fiecare student va primi o notă, care va

cuprinde: un test grilă, ce va conţine întrebări teoretice din materia

prezentată în cadrul acestui material, test de va deţine o pondere de

60% în nota finală şi notele aferente celor două teme practice de la

lucrarile de laborator, realizate pe parcursul semestrului, care vor

deţine o pondere de 20% fiecare.

Chestionar evaluare prerechizite

1.Structura materialelor metalice este:

a)amorfă

b)cristalină

c)vitroasă

2.Care este proprietatea tehnologică a unui material:

a)călibilitatea

b)fluajul

c)difuzivitatea

3. Efectul care stă la baza controlului cu ultrasunete este:

a) chimicoelectric;

b) piezoelectric;

c) termoelectric.

4. Radiaţiile x sunt:

a) de natură termomagnetică;

b) de natură termonucleară

c) de natură electromagnetică.

5. Difuzia atomilor în materiale are la bază:

a) variaţia energiei termice;

b) variaţia energiei mecanice

c) variaţia energiei electrice.

6. Solidificarea unui material metalic este însoţită de:

a) modificarea concentraţiei;

b) modificarea energiei libere

c) modificarea densităţii.

7. Proprietatea unui material de a avea mai multe forme cristaline se numeşte:

a) morfism;

b) izomorfism

c) polimorfism.

8. Oţelurile îmbunătăţite sunt:

a. oţeluri cu C mai mare de 0,25% călite şi revenite,

b. oţeluri cu C mai mic de 0,25% călite şi revenite,

c. oţeluri cu C de 0,25% călite şi revenite,

4

9. Oţelurile patinale sunt oţeluri C-Mn, aliate suplimentar cu:

a. Cr – Cu – Ni, Cr – Cu – V,

b. Cr – Cu – Ni, Cr – Cu – P,

c. Cr – Cu – P, Cr – Cu – V,

10. Rezistenţa la cald a oţelurilor este dată de:

a. crom,

b. molibden

c. nichel

5

Cuprins

Introducere................................ ................................ ................................ ................................ ...........1

Chestionar evaluare prerechizite ................................ ................................ ................................ ......... 3

Unitatea de învăţare 1. CLASE DE MATERIALE INGINERŞTI

1.1. Introducere........................................................................................ ................................ 8

1.2. Competenţe .......................................................................................................................8

U. 1.1. Materiale metalice........................................................ ..................................................9

U.1.2 Materiale ceramice..........................................................................................................9

U.1.3 Materiale polimerice......................................... ..............................................................10

U. 1.4. Materiale compozite......... ............................................................................................12

Unitatea de învăţare 2. STRUCTURA METALELOR

2.1. Introducere ......................................................................................................................14

2.2. Competenţe...................................................... ................................................................14

U. 2.1. Starea metalică .............................................................................................................15

U.2.2 Retele cristaline.............................................................................................................16

U.2.3 Compactitatea reţelei cristaline.......................................................................................17

U. 2.4. Alotropia metalelor ......... .............................................................................................18

Unitatea de învăţare 3. IMPERFECŢIUNI ÎN CRISTALE

3.1. Introducere........................................................................... ............................................20

3.2. Competenţe......................................................................................................................20

U. 3.1. Rezistenţele teoretice şi tehnice ale materialelor metalice...........................................21

U.3.2 Defecte punctiforme......................................................................................................22

U.3.3 Defecte de suprafaţă........................... .............................................................................25

Unitatea de învăţare 4. ALIAJE.

4.1. Introducere ......................................................................................................................28

4.2. Competenţe......................................................................................................................28

U. 4.1. Constituţia aliajelor .......................................................................................... ...........29

U.4.2 Constituenţi metalografici ...........................................................................................30

Unitatea de învăţare 5.DIAGRAMELE DE ECHILIBRU ALE ALIAJELOR BINARE.

5.1. Introducere...................................................................................................................... 35

5.2. Competenţe..................................................................................................................... .35

U. 5.1. Clasificarea sistemelor de aliaje binare.............................................................................36

U.5.2 Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi insolubili atât în stare lichidă cât şi

în stare solidă...........................................................................................................................36

U.5.3. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi parţial solubili în stare lichidă şi

insolubili în stare solidă.............. ......................................................................................................37

U.5.4 Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi complet solubili în stare lichidă .38

U.5.5. Sisteme binare cu componenţi solubili în stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă..43

6

Unitatea de învăţare 6. ALIAJE FIER CARBON.

6.1. Introducere...................................................................................................................... 48

6.2. Competenţe.....................................................................................................................48

U.6.1. Aspectul şi particularităţile diagramei Fe-C.................... .................... .................... ..49

U.6.2. Mecanismul formării structurilor în diagrama Fe-Fe3C..............................................50

U.6.3. Punctele critice din sistemul Fe-Fe3C......................................................................... 52

U.6.4. Constituenţii de echilibru ai aliajelor Fe-Fe3C............................................................ 52

Unitatea de învăţare 7. OŢELURI ŞI FONTE

7.1. Introducere .................................................................................................................... .57

7.2. Competenţe.....................................................................................................................57

U.7.1. Domeniul oţelurilor carbon şi al fontelor în diagrama Fe-C......................................58

U.7.2. Oţelurile carbon.........................................................................................................59

U.7.3. Clasificarea şi simbolizarea oţelurilor carbon ...........................................................61

U.7.4. Fonte........ ................................................................................................................... 63

Unitatea de învăţare 8. OBŢINEREA MATERIALELOR METALICE

8.1. Introducere............................................................ ...........................................................69

8.2. Competenţe......................................................................................................................69

U.8.1. Principalele materiale folosite în tehnică, minereurile şi prepararea lor, metode de

extragere a metalelor din minereuri........................................................................................70

U.8.2. Metalurgia fontei.........................................................................................................71

U.8.3. Metalurgia oţelului ..................... ................................................................................74

U.8.4. Turnarea continuă a lingourilor de oţel.. ..................................................................... 76

Unitatea de învăţare 9. TURNAREA PIESELOR METALICE

9.1. Introducere ......................................................................................................................79

9.2. Competenţe........... ...........................................................................................................79

U.9.1. Clasificarea metodelor şi procedeelor de turnare ........................................................ 80

U.9.2.Turnarea în forme nepermanente.................................................................................. 80

U.9.3. Turnarea formelor cu modele volatile.......................................................................... 85

U.9.4. Turnarea în forme permanente.....................................................................................87

Unitatea de învăţare 10. PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE PLASTICĂ

10.1. Introducere.................................................................................................................... 89

10.2. Competenţe................................................. ...................................................................89

U.10.1. Bazele teoretice ale prelucrării prin deformare plastică ............................................90

U.10.2. Încălzirea la prelucrarea prin deforamrea plastică.....................................................92

U.10.3. Legile deformării plastice..................................................... .....................................93

U.10.4. Procedee de deformare plastică..................................................................................96

U. 10.5. Laminarea metalelor şi aliajelor.............. ..................................................................97

U.10.6. Extruziunea...............................................................................................................101

Unitatea de învăţare 11. SUDAREA MATERIALELOR

11.1. Introducere ..................................................................................................................106

11.2. Competenţe................................................................................. .................................106

U.11.1. Sudarea metalelor, generalităţi................................................................................107

U.11.2. Sudabilitatea metalelor şi aliajelor........................................................................ 108

7

U.11.3. Sudarea prin topire................................................................................................ 110

Temă de control ................................ ................................ ................................ ................ 116

Bibliografie................................ ................................ ................................ ................................ ....... 121

8

Chestionar

Unitatea de învăţare 1. CLASE DE MATERIALE INGINERŞTI

Cuprins

1.1. Introducere........................................................................................................................ 8

1.2. Competenţe .......................................................................................................................8

U. 1.1. Materiale metalice..........................................................................................................9

U.1.2 Materiale ceramice................................................................................................ ..........9

U.1.3 Materiale polimerice.......................................................................................................10

U. 1.4. Materiale compozite............................................................................... .....................12

1.1. Introducere

Se prezintă principalele materiale inginereşti pentru studiul

corelaţiilor structură – proprietăţi, care ajută inginerii la utilizarea raţională a

materialelor şi la îmbunătăţirea proprietăţilor acestora, în vederea obţine rii unor

produse de calitate.

1.2. Competenţele unităţii de învăţare

Competenţe în caracterizarea principalelor clase de materiale care

permit înţelegerea comportării lor generale şi a posibilităţilor oferite, precum şi

recunoaşterea efectelor mediului şi a condiţiilor de lucru asupra performanţelor

atinse.

Durata medie de parcurgere a primei unităţi de învăţare este de 1 ora.

9

CLASE DE MATERIALE INGINERŞTI

De structura şi proprietăţile materialelor precum şi de legile modificării acestora în cursul

prelucrărilor termice, mecanice şi chimice se ocupă ştiinţa materialelor, o ştiinţă de bază pentru

ramurile tehnologii în construcţia de maşini.

Studiul corelaţiilor structură – proprietăţi, ajută inginerii la întocmirea la utilizarea raţională

a materialelor şi la îmbunătăţirea proprietăţilor acestora, în vederea obţinerii unor produse de

calitate.

Caracterizarea principalelor clase de materiale permite înţălegerea comportării lor generale

şi a posibilităţilor oferite, precum şi recunoaşterea efectelor mediului şi a condiţiilor de lucru asupra

performanţelor atinse.

În funcţie de strcutură şi proprietţi se disting următoarele clase de materiale (fig.1.1).

Figura 1.1. Clase de materiale

Fig. 1.1. Clase de materiale inginereşti

Metalele şi aliajele cunoscute sub denumirea de materiale metalice include:

- fierul , oţelurile şi fontele,

- aluminiul şi aliajele sale,

- cuprul şi aliajele sale,

- nichelul şi aliajele sale,

- titanul şi aliajele sale,

- magneziul, zincul şi aliajele lor, etc.

Ceramicele sunt materiale tehnologice de vârf. Există două categorii: ceramice structurale şi

ceramice funcţionale. Ceramicele sunt foarte rezistente la temperaturi înalte şi în anumite medii

corozive şi au proprietăţi optice şi electrice fiind folosite la fabricarea circuitelor integrate, a fibrei

optice şi a altor dispozitive cu senzori.

Polimerii include cauciucul, masele plastice şi adezivi. Se obţin printr-un proces numit

polimerizare care permite crearea unor structuri mari moleculare din molecule organice. Se

disting următoarele grupe:

MATERIALE METALICE

- legătură metalică

- structură cristalină

- bune conducătoare

- deformabile plastic

- slabă rezistenţă la coroziune

MATERIALE CERAMICE

- legătură ionică

- structură cristalină/amorfă

- slab conducătoare

- nedeformabile plastic

- bună rezistenţă la coroziune

MATERIALE

COMPOZITE

MATERIALE POLIMERICE

- legătură covalentă

- structură amorfă

- slab conducătoare


- bună rezistenţă la coroziune

10

- plastomeri sau termoplaste, la care lanţurile moleculare nu sunt legate rigid, ei sunt ductili şi

deformabili;

- elastomeri, lanţurile moleculare sunt legate rigid doar parţial,

- duromeri sau duroplastele, care sunt mai rezistenţi şi mai fragili deoarece lanţurile moleculare

sunt legate rigid.

Materialele compozite se obţin prin unirea a două sau mai multe masteriale în scopul obţinerii

de proprietăţi care nu pot fi atinse de nici unul dintre materialele singulare.

U.1.1.Clasificarea proprietăţilor materialelor.

În activitatea de proiectare alegerea corectă a unui material depinde de proprietăţile sale şi de

domeniul de utilizare. Clasificarea generală a proprietăţilor materialelor inginereşti este redată în

figura 1.2.

Proprietăţile tehnologice se referă la prelucrarea acestora pentru obţinerea unor produse utile şi

cuprind: capacitatea de turnare, de deformare plastică la cald şi la rece, comportarea metalurgică şi

tehnologică la sudare, prelucrabilitatea prin aşchiere şi călibilitatea. Toate aceste proprietăţi depind

atât de compoziţia chimică cât şi de structura microscopică. În tabelul 1.1. se prezintă metodele de

procesare a diferitelor clase materiale pentru a se obţine un produs util.

Proprietăţile de exploatare caracterizează comportarea unui material în serviciu, respectiv

integritatea şi durabilitatea sa în funcţionarea piesei sau sculei, la care este folosit.

Proprietăţile mecanice sunt acele însuşiri care determină comportarea materialului la eforturi

mecanice exterioare fără apariţia deformaţiilor sau ruperilor. În această grupă intră duritatea,

rezistenţa la rupere, limita de curgere, rezistenţa la oboseală. Proprietatea chimică de bază a

materialelor este rezistenţa la acţiunea corozivă a mediului de lucru ( coroziunea chimică).

Valorile numerice ale acestor proprietăţi se stabilesc prin încercări mecanice, diferenţiale prin

tipul deformaţiilor macroscopice generate (tracţiune, compresiune, răsucire, î ncovoiere, duritate,

etc.), modul de aplicare a sarcinii , temperatura de încercare.

11

Proprietăţi

tehnologice Turnabilitatea

Deformabilitatea

Prelucrări prin aşchiere

Sudabilitatea

Călibilitatea

Proprietăţi

mecanice

Caracteristici

de rezistenţă

Caracteristici

de ductilitate

Caracteristici

de tenacitate

Duritatea

Rezistenţa la rupere

Limita la curgere

Rezistenţa la oboseală

Rezistenţa la fluaj

Alungirea la ruperea

Gâtuirea la rupere

Rezilienţa

Energia de rupere

Proprietăţi

fizice

Termice

Căldură specifică

Conductibilitatea termică

Difuzivitatea

Coeficientul de

dilataţie

Optice

Emisia

Absorbţia

Reflexia

Transmisia

Difracţia Magnetice Permeablilitatea

Pierderi prin hysterezis

Câmpul coercitiv

Saturaţia magnetică

Electrice Rezistenţa electrică

Conductibilitatea electrică

Proprietăţi de

suprafaţă

Rezistenţa la coroziune

electrochimică

Rezistenţa la coroziune chimică Rezistenţă la uzare

Proprietăţi de

întrebuinţare

PROPRIETĂ

ŢI

Fig. 1.2. Proprietăţile generale ale materialelor

12

Tabelul 1.1. Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

MATERIALE METALICE

Turnarea: în nisip, în cochilie, în forme

permanente, turnarea continuă.

Metalul lichid este turnat sau injectat într-o formă

care poate avea configuraţia produsului final

obţinându-se o piesă turnată sau poate fi o

lingotieră când se obţine un lingou.

Deformarea plastică: forjarea,

tragerea, extrudarea, laminarea,

ambutisarea

Metalul solid este deformat sub o presiune

ridicată, la cald sau la rece, pentru a se obţine

produse utile.

Sudarea: cu arcul electric, prin

presiune, prin frecare, prin difuzie, cu

fascicul de electroni

Realizarea unei îmbinări nedemontabile a

materialelor utilizând încălzirea locală, presiunea

sau ambele , cu sau fără folosirea unui material de

adaos.

Prelucrarea prin aşchiere: strunjirea,

frezarea, găurirea

Îndepărtarea surplusului de material sub formă de

aşchii cu ajutorul unor scule în vederea obţinerii

formei, dimensiunilor şi rugozităţii suprafeţei unei

piese.

Metalurgia pulberilor Pulberile metalice sunt compactate la presiuni

înalte într-o formă utilă, iar ulterior sunt încălzite

la temeraturi ridicate care să permită legarea

particulelor.

MATERIALE CERAMICE

Turnarea Ceramice lichide sau noroaie de lichid plus

ceramică solidă sunt turnate într-o formă dorită.

Compactarea: extrudare, presare,

deformare izostatică

Solid sau noroaie vâscoase de lichid şi ceramică

solidă sunt compacte într-o formă dorită.

Sinterizarea Solide compacte sunt încălzite la temperaturi

înalte pentru a se produce legarea lor.

POLIMERI

Matriţarea: prin injecţie, prin transfer Polimerul încălzit sau chiar lichid este forţat să

pătrundă într-o matriţă; procesul este asemănător

cu cel de turnare

Deformarea: prin filare, extrudare în

vacuum

Polimerul încălzit este forţat să pătrundă printr-o

fantă sau în jurul unui model pentru a produce

forma dorită.

COMPOZITE

Turnarea: inclusiv infiltrarea Un lichid înconjoară unul dintre constituenţi

pentru a produce un compozit complet.

Deformarea Un constituent moale este forţat sub presiune să

se deformeze în jurul celui de-al doilea

constituent al compozitului

Îmbinarea: lipirea cu adezivi, prin

explozie, prin difuzie.

Cei doi constituenţi sunt îmbbinaţi prin lipire,

deformare sau prin presare la temperatură înaltă.

Compactare şi sinterizare Constituenţi sub formă de pulberi sunt presaţi în

forme, iar prin încălzire ulterioară se produce

legarea pulberilor.

13

Exemple

Proprietăţile de exploatare caracterizează comportarea unui material în

serviciu, respectiv integritatea şi durabilitatea sa în funcţionarea piesei sau sculei,

la care este folosit.

Ce materiale sunt caracterizate de:

- legătură metalică

- structură cristalină

- bune conducătoare


- slabă rezistenţă la coroziune

Să ne reamintim:

clase de materiale

proprietăţile generale ale materialelor

procese tehnologice de prelucrare a materialelor

Rezumat

Clase de materiale inginereşti: metalice, polimerice, ceramice, compozite,

Proprietatile materialelor: mecanice, tehnologice, de întrebuinţare şi de suprafaţă,

Procese tehnologice de prelucrare: turnare, deformare plastică, sudare

Test de evaluare a cunoştinţelor


a)amorfă

b)cristalină

c)vitroasă


a)călibilitatea

b)fluajul

c)difuzivitatea

3.Care este încercare de duritate:

a)Charpy

b)Rockwell

c)Wohler

Test de autoevaluare a cunoştinţelor

14

Unitatea de învăţare 2. STRUCTURA METALELOR

Cuprins

2.1. Introducere ......................................................................................................................14

2.2. Competenţe.......................................................................................... ............................14

U. 2.1. Starea metalică .............................................................................................................15

U.2.2 Retele cristaline................................... ..........................................................................16

U.2.3 Compactitatea reţelei cristaline.......................................................................................17

U. 2.4. Alotropia metalelor ......... ...................... .......................................................................18

2.1. Introducere

Se prezintă starea metalică şi principalele reţele cristaline şi

însuşirile unor elemente de a prezenta reţele cristaline diferite, în diferite intervale

de temperatură, poartă denumirea de polimorfism, iar stările respective se numesc

stări alotropice


Competenţe în caracterizarea stării metalice a metalelor şi

principalelor reţele cristaline care permit înţelegerea comportării metalelor.


15

STRUCTURA METALELOR

U.2.1. STAREA METALICA

Sunt cunoscute la ora actuală 104 elemente chimice, dintre care un număr de 82 de elemente

sunt considerate ca fiind elemente metalice.

Metalele pot fi descrise astfel:

a. metalele sunt acele elemente chimice, care posedă un coeficient pozitiv de variaţie a

rezistivităţii electrice în funcţie de temperatură, respectiv rezistivitatea lor electrică creşte odată cu

creşterea temperaturii.

b. se caracterizează şi prin: luciu metalic, plasticitate, conductibilitate electrică şi termică

ridicată.

Metalele pot fi clasificate în diverse categorii avându-se în vedere anumite proprietăţi specifice.

Metalele care prezintă o importanţă deosebită în tehnică sunt enumerate mai jos în ordine

alfabetică: aluminiul, aurul, argintul, beriliul, cadmiul, cobaltul, cromul, cuprul, fierul, mercurul,

magneziul, molibdenul, nichelul, plumbul, platina, staniul, tantalul, titanul, vanadiul, wolframul şi

zincul. În afara mercurului, toate celelalte metale se prezintă la temperatura ambiantă în stare solidă.

Greutatea specifică minimă o are litiul (0,53 daN/dm3 ), iar greutatea specifică maximă o are

osmiul (22,48 daN/dm3 ).

Proprietăţile fizice, chimice şi mecanice, specifice metalelor, îşi au originea în structura

electronică şi în specificul legăturii interatomice de tip metalic. In esenţă teoria electronică a

metalelor consideră metalele, respectiv aliajele, ca fiind constituite din ioni pozitivi printre care

circulă electronii de valenţă, formând aşa numitul nor electronic, sau gaz de electroni liberi.

Intr-un cristal metalic de mărime obişnuită sunt cuprinşi cca. 1016 atomi iar fiecare din aceştia

pune in comun toţi electronii lui de valenţă, astfel încât în jurul ionilor pozitivi ia naştere norul

electronilor de valenţă. Respingerea reciprocă dintre aceşti electroni de valenţă, datorită faptului că

aceştia au toţi sarcină negativă, determină repartizarea lor uniformă în interiorul corpurilor metalice.

Aceşti electroni uniform distribuiţi vor satisface valenţa atomilor vecini şi deci a tuturor atomilor,

realizându-se aşa numita legătură metalică.

Mişcarea electronilor în cadrul corpurilor metalice, precum şi energiile asociate acestor mişcări

pot fi explicate prin teoria zonelor de energie, iniţiată de Bloch în anul 1928. In cadrul acestei teorii

mişcarea electronilor se face după legile mecanicii cuantice, având drept cadru câmpul periodic

creat de aranjamentul spaţial al ionilor în reţelele cristaline.

Sub influenţa unei diferenţe de potenţial, electronii liberi, precum şi alţii excitaţi de pe nivelele

inferioare, se pun în mişcare dând naştere unui curent electric. In această mişcare apar însă forţe

care se opun trecerii curentului electric, cu alte cuvinte, metalele au rezistivitate electrică. In

mecanica ondulatorie o reţea periodică perfectă nu opune rezistenţă, deoarece în acest caz nu se

produce o dispersie a undelor electronice. Rezistivitatea este datorată dispersiei generale a undelor

care se produce în cazul în care ionii reţelei sunt plasaţi neregulat în spaţiu, astfel încât undele

individuale difuzate de fiecare atom nu pot să interfereze. Datorită agitaţiei termice a atomilor

(ionilor) se favorizează aşezarea dezordonată a acestora, fapt care explică relaţia ce există între

rezistivitate şi temperatură. Unele metale în situaţia în care au o puritate foarte ridicată şi sunt

detensionate la maximum posibil, la temperaturi situate aproape de zero absolut, prezintă fenomenul

de supraconductibilitate, adică rezistivitatea lor electrică este aproape zero. Odată cu creşterea

temperaturii, amplitudinea oscilaţiilor ionilor creşte şi implicit va creşte şi rezistivitatea metalelor.

Creşterea rezistivităţii este determinată şi de prezenţa unor impurităţi, imperfecţiuni sau deformaţii

ale reţelei.

16

U. 2.2. REŢELE CRISTALINE ALE METALELOR

Metalele şi aliajele sunt corpuri solide cristaline. Ele diferă de solidele amorfe în care atomii

sunt dispuşi dezordonat, prin faptul că distribuţia atomilor este ordonată, prezentând o periodicitate

în cele trei direcţii spaţiale.

Cristalele metalice cuprind un număr imens de ioni pozitivi plasaţi după un aranjament regulat.

Acest aranjament regulat poate fi divizat în paralelipipede elementare, egale între ele şi aflate în

contact. Laturile paralelipipedelor formează un sistem de drepte paralele orientate în cele trei

direcţii. Aceste direcţii putând fi ortogonale sau nu. Aceste paralelipipede sunt numite şi celule

elementare, iar ansamblul lor formează o reţea cristalină (fig.2.1).

Figura 2.1. Reţea cristalină reprezentată în spaţiu

Dacă în desen se prezintă şi atomii plasaţi în nodurile reţelei, va rezulta structura cristalină a

metalului (fig. 2.2).

Figura 2.2. Structură cristalină reprezentată în spaţiu

Un sistem cristalin este definit prin parametrii celulei elementare (fig.2.3) adică prin laturile şi

unghiurile paralelipipedului elementar. In funcţie de valoarea unghiurilor şi în funcţie de

relaţiile între parametrii reţelei a, b, c reţelele se împart în 7 sisteme cristaline, prezentând 14 tipuri

de reţele cristaline şi acestea cuprinzând 32 clase de simetrie, în care se pot forma 230 de reţele

posibile.

Figura 2.3. Celula elementară şi denumirea parametrilor reţelei cristaline

In cadrul reţelelor cristaline ionii ocupă poziţii în nodurile reţelei dar ei pot fi plasaţi şi în afara

nodurilor, în poziţii precise. In acest caz, reţelele compuse conţin mai mulţi atomi în celula

elementară, datorită amplasării suplimentare a atomilor în centrul celulei sau în centrele feţelor. Un

atom al reţelei din interiorul celulei aparţine complet celulei, un atom plasat pe centrul feţei este

17

comun Ia două celule, iar un atom din colţul celulei este comun la opt celule. Se constată că

metalele cristalizează într-un număr limitat de sisteme. Frecvent ele prezintă o reţea cubică cu feţe

centrate CFC (fig.2.4), reţea cubică cu volum centrat CVC (fig.2.5) sau o reţea hexagonal compactă

HC (fig.2.6).

Figura 2.4. Reţea cubică cu feţe centrate

Figura 2.5. Reţea cubică cu volum centrat

Figura 2.6. Reţea hexagonal compactă

Toate aceste reţele răspund exigenţelor de compactitate şi simetrie ridicată, rezultate din

caracterul nedirecţional al legăturii interatomice de tip metalic. Simetria sferică a câmpului de

potenţial al ionilor pozitivi din metale le permite ionilor să adopte aranjamente spaţiale ordonate pe

criteriul umplerii maxime a spaţiului, ionii putând fi asimilaţi cu un sistem de sfere rigide.

Modul de amplasare al ionilor în cadrul reţelei influenţează în mare măsură proprietăţile

metalelor. Metale care cristalizează în sistemul CVC sunt caracterizate printr-o rezistenţă mecanică

ridicată şi o plasticitate moderată (V, Cr, Fe, Nb, Mo, Ta, W). Toate metalele care cristalizează în

sistemul CFC se caracterizează printr-o ductilitate şi maleabilitate ridicată (Al, Cu, Ni, Ag, Ir, Pt,

Au, Pb, Fe). Metalele care cristalizează în sistemul HC au o plasticitate scăzută (Be, Mg, Zn, Cd,

Ti, Zr).

U.2.3. Compactitatea reţelei cristaline

In cadrul reţelelor cristaline atomii pot fi reprezentaţi prin sferele lor de influenţă, sfere ce se

ating între ele (fig.2.4, 2.5 şi 2.6). Se observă că aceste sfere nu reuşesc să umple întreg volumul

reţelei cristaline. Rămân spaţii libere între sferele aflate în contact, aceste spaţii reprezentând

interstiţiile reţelei cristaline.

Compactitatea unei reţele cristaline poate fi caracterizată prin coeficientul de compactitate.

Conform modelului sferelor rigide, coeficientul de compactitate (k) este definit ca fiind raportul

18

dintre volumul sferelor şi volumul total al reţelei. Astfel coeficientul de compactitate prezintă

întotdeauna valori subunitare, compactitatea fiind cu atât mai ridicată cu cât valoarea lui k se

apropie de unitate.

Compactitatea reţelei cristaline poate fi caracterizată şi prin numărul de coordinaţie. Numărul

de coordinaţie (c) reprezintă numărul atomilor vecini cu un atom din reţeaua cristalină (fig.2.7).

Figura 2.7. Determinarea numărului de coordinaţie

pe reţelele CVC, CFC şi HC

In spaţiile interstiţiale ale reţelei pot fi cuprinşi şi atomi străini cu raze atomice mici, fără ca

prezenţa acestora să producă deformaţii ale reţelei cristaline, sau determinând deformaţii reduse ale

acesteia; astfel de atomi străini pot fi de hidrogen, azot sau carbon. Se remarcă faptul că la reţeaua

CFC, deşi compactitatea este foarte mare şi volumul liber mic, modul de fragmentare al acestui

volum liber, este avantajos dizolvării interstiţiale a atomilor străini.

Această particularitate prezintă o importanţă deosebită în transformările de fază ce stau la baza

tratamentelor termice şi termochimice aplicate oţelurilor.

U.2.4. Alotropia metalelor

Unele elemente metalice dar şi unele nemetalice, prezintă mai multe tipuri de reţele cristaline.

Însuşirile unor elemente de a prezenta reţele cristaline diferite, în diferite intervale de temperatură,

poartă denumirea de polimorfism, iar stările respective se numesc stări alotropice.

Prezintă transformări alotropice câteva metale din grupele principale ale sistemului periodic

(Ca, Sr, Ga, In, Sn) dar majoritatea metalelor care prezintă transformări alotropice aparţin grupelor

secundare ale sistemului periodic respectiv metale de tranziţie, lantanide şi actinide (Mn, Fe, Co, Ti,

Ce, ş.a.)

Stările alotropice se notează cu litere greceşti : etc., aceste litere scriindu-se alături de

simbolul metalului care suferă transformări alotropice (Fe, Fe, Sn, Sn etc.).

Transformările alotropice ale metalelor prezintă o importanţă tehnică deosebită, deoarece

aliajele acestor metale sunt susceptibile la tratamente termice mai variate. Prin răcirea rapidă până

la temperatura ambiantă este posibilă păstrarea stării alotropice stabile la temperaturi ridicate sau

păstrarea distribuţiei elementelor de aliere în metalul de bază, distribuţie existentă la temperaturi

ridicate. Intr-o astfel de stare, aliajul se află în neechilibru şi poate prezenta unele proprietăţi fizico-

mecanice deosebite.

Transformările alotropice sunt însoţite de modificări ale volumului specific, aceasta ca urmare a

modificării compactităţii reţelei cristaline. Astfel la răcirea oţelului densitatea variază cu cca. 5%

prin transformarea Fe (CFC) în Fe (CVC). In cazul staniului, transformarea Sn (reţea

tetragonală) în Sn (reţea cubică) se face cu o creştere a volumului specific de 26%‚ tensiunile ce

apar determinând fărâmiţarea materialului.

Ca urmare a modificărilor compactităţii reţelei cristaline, se vor modifica şi dimensiunile

spaţiilor interstiţiale şi evident se va modifica şi capacitatea de dizolvare a atomilor străini. Astfel

dimensiunile relativ mari ale interstiţiilor din reţeaua Fe (CFC), permit dizolvarea atomilor de

carbon într-o proporţie mai mare decât în Fe (CVC), acesta din urmă având interstiţii mai

numeroase, dar de dimensiuni mai reduse. Multe din tratamentele termice aplicate oţelurilor şi

19

fontelor folosesc această însuşire a fierului în vederea modificării proprietăţilor prin intermediul

modificărilor structurale.

Exemple

Cristalele metalice cuprind un număr imens de ioni pozitivi plasaţi după

un aranjament regulat. Acest aranjament regulat poate fi divizat în paralelipipede

elementare, egale între ele şi aflate în contact. Compactitatea unei reţele cristaline

poate fi caracterizată prin coeficientul de compactitate. Conform modelului

sferelor rigide, coeficientul de compactitate (k) este definit ca fiind raportul dintre

volumul sferelor şi volumul total al reţelei. Astfel coeficientul de compactitate

prezintă întotdeauna valori subunitare, compactitatea fiind cu atât mai ridicată cu

cât valoarea lui k se apropie de unitate.

Ce este alotropia materialelor, care sunt principalele reţele cristaline.

Să ne reamintim:

Starea metalica

Reţele cristaline

Polimorfismul metalelor

Rezumat Sunt cunoscute la ora actuală 104 elemente chimice, dintre care un număr de 82

de elemente sunt considerate ca fiind elemente metalice. Proprietăţile fizice,

chimice şi mecanice, specifice metalelor, îşi au originea în structura electronică şi în

specificul legăturii interatomice de tip metalic. Transformările alotropice sunt

însoţite de modificări ale volumului specific, aceasta ca urmare a modificării

compactităţii reţelei cristaline. Astfel la răcirea oţelului densitatea variază cu cca. 5%

prin transformarea Fe (CFC) în Fe (CVC).


1. Proprietatea unui material de a avea mai multe forme cristaline se

numeşte:

a) morfism;

b) izomorfism

c) polimorfism.

2. Fe are structura :

a) CVC;

b) CFC

c) HCF


20

Unitatea de învăţare 3. IMPERFECŢIUNI ÎN CRISTALE

Cuprins

3.1. Introducere................................................................................ .......................................20

3.2. Competenţe......................................................................................................................20

U. 3.1. Rezistenţele teoretice şi tehnice ale materialelor metalice........... ................................21

U.3.2 Defecte punctiforme......................................................................................................22

U.3.3 Defecte de suprafaţă................................ ........................................................................25

3.1. Introducere

Se prezintă valoarea teoretică a rezistenţei de rupere care este cuprinsă între

10 şi 200 daN/mm2, adică de 25 - 500 de ori mai mici decât rezistenţa stabilită

teoretic. De fapt această situaţie nu există în realitate, cristalele reale prezentând

numeroase imperfecţiuni structurale, acestea determinând scăderea accentuată a

rezistenţei mecanice.


Competenţe în caracterizarea imperfecţiunilor structurale a

metalelor şi a principalelor defecte punctiforme şi de suprafaţă.

Durata medie de parcurgere a primei unităţi de învăţare este de1 ora.

21

IMPERFECŢIUNI ÎN CRISTALE

U.3.1. Rezistenţele teoretice şi tehnice ale materialelor metalice

Valoarea teoretică a rezistenţei de rupere prin smulgere a unui material metalic se poate deduce

prin calcul, ţinând seama de forţele de coeziune interatomice. Pentru determinarea rezistenţei

teoretice de rupere poate fi folosit modelul ionic din figura 2.8

Figura 2.8 Modelul atomic pentru calculul rezistenţei teoretice a metalelor

Considerând o solicitare la întindere într-o singură direcţie, provocată de forţele F, ruperea se

produce în planul AB. Într-o primă aproximaţie, forţa opusă de o pereche de ioni de semn contrar

situaţi de o parte şi de alta a planului AB va fi:

unde e este sarcina electrică a unui ion iar d - distanţa dintre ioni. Fiecare pereche de ioni îşi

exercită influenţa în planul de rupere pe o suprafaţă aproximativ egală cu d2 şi astfel poate fi

determinată rezistenţa teoretică de rupere RT:

Înlocuind valorile numerice rezultă:

În practică însă nu se înregistrează la nici un material metalic astfel de rezistenţe ridicate. În

mod normal materialele metalice utilizate în construcţia de maşini prezintă rezistenţe cuprinse între

10 şi 200 daN/mm2, adică de 25 - 500 de ori mai mici decât rezistenţa stabilită teoretic. Aceste

diferenţe se explică prin aceea că la calculul teoretic al rezistenţei materialului metalic se porneşte

de la modelul unui cristal ideal, cu o reţea cristalină perfectă. De fapt această situaţie nu există în

realitate, cristalele reale prezentând numeroase imperfecţiuni structurale, acestea determinând

scăderea accentuată a rezistenţei mecanice.

Cea mai pronunţată influenţă asupra rezistenţei o au fisurile interne sau superficiale, chiar dacă

acestea sunt de dimensiuni microscopice. Sub influenţa unor sarcini exterioare, la limitele acestor

fisuri se produce o concentrare a tensiunilor, cu atât mai accentuată cu cât dimensiunile fisurilor

sunt mai mari în raport cu secţiunea piesei. Deşi sarcinile aplicate piesei au valori specifice relativ

scăzute, se produce totuşi ruperea deoarece în locurile de concentrare a tensiunilor, rezistenţa

teoretică a fost deja depăşită.

22

Pe lângă aceste defecte mai există şi altele toate afectând proprietăţile mecanice ale materialelor

metalice. Din această cauză în ultimul timp se acordă o mare atenţie studiului defectelor

(imperfecţiunilor) reticulare, cu scopul obţinerii unor materiale cu proprietăţi cât mai ridicate.

In afara imperfecţiunilor, reţeaua cristalină poate prezenta şi distorsiuni elastice, din cauza

cărora parametrii reţelei se abat în zonele tensionate de Ia valorile ideale, influenţând deci şi

proprietăţile mecanice.

Un alt gen de abatere de la structura cristalină ideală, care consideră atomii ficşi în nodurile

reţelei, îl constituie vibraţiile atomilor din cristalele reale. Frecvenţa acestor vibraţii este dependentă

de natura legăturilor interatomice, iar amplitudinea oscilaţiilor este dependentă de temperatură,

crescând odată cu aceasta.

Clasificarea imperfecţiunilor (defectelor) reticulare

Vacante – defect schottky

Interstiţiali Atomi străini

De substituţie

Punctiforme

Conjugate – defect frencel

Marginale

Elicodale

Liniare

Mixte

Limite de grăunte De suprafaţă

Limite de sbgrăunte

Microscopice

Defecte

reticulare

De volum

Macroscopice

U.3.2.Defecte punctiforme

Aceste defecte apar frecvent în cristale şi au dimensiuni extrem de mici, afectând reţeaua

cristalină în microvolume cu un diametru de câţiva parametrii atomici. În figura 2.8 sunt prezentate

schematic aceste defecte punctiforme.

Vacanţele, respectiv nodurile neocupate ale reţelei reprezintă o caracteristică normală a

cristalelor reale. Datorită oscilaţiilor atomilor în nodurile reţelei, este posibil ca unii atomi să iasă

din poziţia ocupată în cadrul reţelei. Atomul care a părăsit poziţia sa, a lăsat în urmă o vacanţă şi

migrează (difuzează) ocupând într-un alt loc o altă poziţie de echilibru, corespunzătoare unei energii

libere mai scăzute.

Pentru ca atomul să poată ieşi din poziţia lui de echilibru (nodul reţelei), el are nevoie de o

energie suplimentară, numită energie de activare. Este normal astfel, ca odată cu creşterea

temperaturii corpului metalic numărul vacanţelor să crească, deoarece amplitudinea oscilaţiilor

atomilor din reţeaua cristalină creşte.

Trecerea atomilor din anumite poziţii de echilibru, în alte poziţii de echilibru, poartă numele de

autodifuzie. Vacanţele sunt în continuă mişcare în interiorul cristalului, această mişcare fiind

rezultatul agitaţiei termice şi se realizează printr-o serie întreagă de permutări între o vacanţă şi un

atom vecin. Sursele de vacanţe sunt regiunile din cristal unde densitatea atomică este mai redusă

(suprafaţa corpului metalic, limitele grăunţilor, dislocaţiile).

Dacă temperatura este suficient de înaltă este posibil ca un atom să-şi părăsească poziţia de

echilibru ocupând o poziţie interstiţială (defect Frenkel). Acest lucru este prezentat în figura 2.9d.

Vacanţele şi atomii interstiţiali constituie obstacole în calea deplasării electronilor sub influenţa

unui câmp electric şi astfel, odată cu creşterea concentraţiei acestor defecte creşte şi rezistivitatea

electrică a metalelor.

In figura 2.9 b şi c sunt prezentate defecte provocate de atomi străini care pot ocupa poziţii

interstiţiale sau în nodurile reţelei. Acest gen de defecte se întâlneşte în mod obişnuit la metalele

impure sau la aliaje. Toate defectele punctiforme determină deformarea reţelei cristaline,

influenţând astfel proprietăţile mecanice ale materialelor metalice.

23

A B

C D

Figura 2.9 Defecte punctiforme: a - vacanţă (defect Schottky);

b - atom interstiţial; c - atom străin de substituţie;

d - defecte conjugate (defect Frenkel)

Defecte liniare (dislocaţii) Aceste defecte pot fi puse în evidenţă şi studiate numai cu ajutorul microscoapelor electronice

de mare putere. Dislocaţiile pot fi considerate ca linii de demarcaţie între o porţiune din cristal, care

s-a deplasat pe un plan cristalografic în raport cu celălalt. Dislocaţiile au o întindere mare într-o

anumită direcţie de ordinul sutelor de mii de parametri ai reţelei şi provoacă deformaţii relativ mici

(de ordinul câtorva parametri ai reţelei) pe o direcţie perpendiculară.

Pentru caracterizarea dislocaţiilor se folosesc vectorii Burgers (B). Aceşti vectori ne indică

sensul şi mărimea dislocaţiei. Zona cristalului, mai puternic afectată se numeşte axa dislocaţiei. In

funcţie de poziţia vectorului Burgers faţă de axa dislocaţiei se vor putea deosebi dislocaţii marginale

şi dislocaţii elicoidale. La dislocaţiile marginale vectorul Burgers este perpendicular pe axa

dislocaţiei, iar la dislocaţiile elicoidale vectorul Burgers este paralel cu axa dislocaţiei.

Figura 2.10 Determinarea vectorului Burgers

a - cristal real care conţine o dislocaţie; b - cristal ideal care nu conţine dislocaţii

În figura 2.10 este prezentat modul în care se determină vectorul Burgers care caracterizează o

dislocaţie.

Pornind din punctul A se parcurg în sus şase distanţe interatomice (parametri ai reţelei), iar apoi

alte şase distanţe înspre stânga, ajungându-se în punctul C al reţelei. Similar se coboară, iar apoi se

parcurg alte şase distanţe până în punctul E. Se observă că poligonul nu se închide, acest lucru

datorându-se faptului că el include o dislocaţie. Segmentul AE reprezintă vectorul Burgers al

dislocaţiei. În cazul din figura 2.10 a dislocaţia are mărimea de un parametru al reţelei. Dislocaţia

24

apare în zona Q şi într-adevăr planul cristalin MN conţine un număr mai mic de atomi decât planul

imediat superior. Această dislocaţie este o dislocaţie marginală deoarece vectorul Burgers este

perpendicular pe axa dislocaţiei. O dislocaţie marginală este prezentată şi în figura 2.11

Figura 2.11 Reprezentarea unui cristal cu reţea cubică care conţine o dislocaţie marginală

Dislocaţia marginală poate fi considerată drept limită a unui semiplan atomic suplimentar

existent în porţiunea superioară a cristalului. In figura 2.10 axa dislocaţiei MN şi semiplanul PQMN

apar în spaţiu, reprezentarea fiind făcută în perspectivă. Abaterea de la perfecţiune a reţelei, nu se

limitează doar la prezenţa unui şir atomic MN cu un număr incoerent de vecini, ci ea se extinde într -

o regiune cilindrică cu axa DD’ şi raza de 3-4 diametre atomice (regiunea încercuită).

Zona dislocaţiei este o regiune de dezordine atomică unde în partea superioară a planului xy

apar tensiuni de compresiune, iar în partea inferioară tensiuni de întindere.

Dacă planul suplimentar de atomi apare deasupra planului de alunecare, dislocaţia se consideră

pozitivă () şi invers, dacă planul suplimentar de atomi apare sub planul de alunecare, dislocaţia

este negativă (T), fig.12.b.

Dislocaţiile marginale se deplasează de obicei în direcţia planului de alunecare prin alunecare

(fig.12.c). Ele se pot însă deplasa şi perpendicular pe planul de alunecare, proces ce este denumit

deplasare prin căţărare. Deplasarea prin căţărare devine posibilă când în timpul deformării au loc

şi procese de difuzie, deci când deformarea se face la temperaturi ridicate.

A

B

Figura 2.12 Poziţia atomilor de o parte şi alta a planului de alunecare:

A - dislocaţie marginală pozitivă; B - dislocaţie marginală negativă

Al doilea tip de dislocaţie, respectiv dislocaţia elicoidală este prezentată în fig.2.13. Această

dislocaţie rezultă printr-o forfecare a cristalului în plan vertical, axa dislocaţiei E-F delimitând zona

planului de forfecare. Deplasarea măsurată prin vectorul Burgers este în acest caz paralelă cu axa

dislocaţiei. Dislocaţiile elicoidale se pot forma şi deplasa doar prin alunecare.

25

a b

Figura 2.13. Reprezentarea unui cristal care conţine o dislocaţie elicoidală:

a - reprezentare în spaţiu; b - vedere în planul de forfecare

În general în cristale coexistă dislocaţii marginale şi elicoidale. Densitatea de dislocaţii,

exprimată ca lungime totală a dislocaţiilor în unitatea de volum, variază de la 104 - 106 cm/cm3 în

metalele recoapte şi poate să crească până la 1012 cm/cm3 în metalele deformate plastic la rece.

U.3.3. Defecte de suprafaţă Aceste defecte sunt numite şi imperfecţiuni bidimensionale deoarece au o întindere mare pe

două direcţii (de ordinul sutelor de mii de parametrii ai reţelei), iar pe cea de a treia direcţie,

perpendiculară pe primele, reţeaua este afectată doar pe o adâncime de câţiva parametrii. Acest tip

de defect reprezintă de fapt suprafeţe de separare între blocurile cristaline ce formează un cristal,

limite între faze sau grăunţi cristalini.

Un cristal real este format din numeroase blocuri cristaline de dimensiuni foarte mici (10-3

– 10-

6 cm

3). Aceste blocuri cristaline formează între ele unghiuri mici (q < 3°), iar ansamblul ce rezultă

poartă denumirea de structură în mozaic.

După cum rezultă din figura 2.14 la limitele dintre blocurile cristaline se formează şiruri întregi

de dislocaţii marginale care determină deformarea reţelei şi din această cauză tensiunile interne în

aceste zone vor fi şi ele mai mari. De asemenea limitele blocurilor cristaline cumulează pe lângă

numeroase dislocaţii şi numeroase defecte punctiforme ca de exemplu, vacanţe şi atomi străini,

acestea determinând şi ele, tensionarea reţelei.

Datorită stării de tensiune a reţelei la limitele dintre blocurile cristaline, atomii vor fi mai activi

din punct de vedere chimic şi deci aceste zone sunt mai sensibile la coroziune.

Figura 2.14 Structura în mozaic a cristalelor

26

Un alt tip de defect de suprafaţă îl constituie limitele dintre grăunţii cristalini. In cazul în care

unghiul q prezintă valori mai mari, perturbaţia reţelei reticulare se produce pe o adâncime mai mare

luând naştere suprafeţe ce delimitează grăunţii cristalini. Tranziţia de la un grăunte ia altul se face

printr-o zonă având o grosime de mai mulţi parametrii ai reţelei, în care aranjamentul atomilor nu

corespunde nici unuia din cristalele vecine, ci este un aranjament de tranziţie cu un grad pronunţat

de dezordine în care e prezentată o reţea complexă de dislocaţii şi vacanţe (fig.2.15.).

Figura 2.15 Schema asamblării reţelei cristaline la limitele dintre grăunţi

Reactivitatea chimică a atomilor plasaţi la limita grăunţilor este mai ridicată decât cea a

atomilor de Ia limitele blocurilor cristaline. Din această cauză este posibilă observarea acestor

limite, prin microscopie optică, după ce în prealabil s-a efectuat un atac al probei cu un reactiv

chimic adecvat.

Poziţiile de neechilibru ale atomilor de la limitele grăunţilor determină creşterea energiei libere.

Ca urmare limitele de grăunte sunt în echilibru termodinamic metastabil şi grăunţii au tendinţa să

crească. La temperaturi suficient de înalte limitele de grăunte se pot deplasa sub inf luenţa unor

forţe convenabile. Datorită surplusului de energie şi concentraţiei sporite de atomi străini,

limitele grăunţilor sunt sediul de iniţiere a transformărilor în stare solidă din materialele

metalice.

Suprafeţele interfazice sunt considerate şi ele ca fiind defecte de suprafaţă. Ele reprezintă

limitele de separare între grăunţi din faze diferite (fig.2.16).

Figura 2.16 Schema distribuţiei atomilor la limita grăunţilor din faze diferite

În partea de jos a figurii este prezentată variaţia energiei libere în lungul grăunţilor şi a limitei

dintre aceştia. Structura suprafeţei interfazice este mai complexă decât structura limitei de grăunte

dintr-un material monofazic, deoarece interfaţa reprezintă o tranziţie între grăunţi cu reţea cristalină

diferită. Interfeţele pot fi necoerente dacă nu există nici o continuitate între reţelele cristaline ale

celor două faze. O interfaţă necoerentă constă dintr-un aranjament complex de dislocaţii care

determină o deformare puternică a reţelei. Aceste interfeţe au o mobilitate redusă, ele putându-se

deplasa doar cu un consum foarte mare de energie.

.

27

Exemple

Cea mai pronunţată influenţă asupra rezistenţei o au fisurile interne sau

superficiale, chiar dacă acestea sunt de dimensiuni microscopice. Sub influenţa

unor sarcini exterioare, la limitele acestor fisuri se produce o concentrare a

tensiunilor, cu atât mai accentuată cu cât dimensiunile fisurilor sunt mai mari în

raport cu secţiunea piesei. Defectele liniare (dislocaţii) pot fi puse în evidenţă şi

studiate numai cu ajutorul microscoapelor electronice de mare putere. Defectele

de suprafaţă sunt numite şi imperfecţiuni bidimensionale deoarece au o întindere

mare pe două direcţii (de ordinul sutelor de mii de parametrii ai reţelei), iar pe

cea de a treia direcţie, perpendiculară pe primele, reţeaua este afectată doar pe o

adâncime de câţiva parametrii.

Cat este rezistenţa teoretica şi cea reala, care sunt defectele liniare şi de

suprafaţă..

Să ne reamintim:

Rezistenta teoretica şi reala

Defectele liniare

Defectele de suprafaţă

Rezumat În practică însă nu se înregistrează la nici un material metalic astfel de rezistenţe

ridicate. În mod normal materialele metalice utilizate în construcţia de maşini

prezintă rezistenţe cuprinse între 10 şi 200 daN/mm2, adică de 25 - 500 de ori mai

mici decât rezistenţa stabilită teoretic. Aceste diferenţe se explică prin aceea că la

calculul teoretic al rezistenţei materialului metalic se porneşte de la modelul unui

cristal ideal, cu o reţea cristalină perfectă. De fapt această situaţie nu există în

realitate, cristalele reale prezentând numeroase imperfecţiuni structurale, acestea

determinând scăderea accentuată a rezistenţei mecanice.


1. Care este defectul punctiform din structura cristalină :

a) discolcaţii;

b) blocuri în mozaic

c) vacanţă






28

Unitatea de învăţare 4. ALIAJE.

Cuprins

4.1. Introducere ......................................................................................................................28

4.2. Competenţe......................................................................................................................28

U. 4.1. Constituţia aliajelor ..................................................................................................... 29

U.4.2 Constituenţi metalografici .............................................................. ............................. 30

4.1. Introducere

Se prezintă aliajele metalice ca fiind materiale obţinute prin

amestecul intim, uneori la scară atomică, a unui metal de bază cu alte elemente

metalice sau nemetalice, aceste amestecuri realizându-se de cele mai multe ori prin

topire şi solidificare. La examinarea microscopică, fazele dintr-un material metalic

prezintă aspecte structurale caracteristice, numite constituenţi structurali sau

metalografici.


Competenţe în caracterizarea şi alcătuirea aliajelor metalice şi

cunoaşterea constituenţiilor metalografici ce pot fi grupaţi în patru categorii

distincte: metalul pur; soluţia solidă; compusul chimic; amestecul mecanic.

Durata medie de parcurgere a primei unităţi de învăţare este de1 ora.

29

ALIAJE. DIAGRAME DE ECHILIBRU

U.4.1. CONSTITUTIA ALIAJELOR

Prin sistem fizico-chimic se înţelege un corp sau un ansamblu de corpuri care se găsesc în

interacţiune şi care se izolează de mediul înconjurător, ca de exemplu topitura metalică dintr-un

creuzet, o bucată de metal sau aliaj etc. Sistemele fizico-chimice pot fi omogene dacă au aceleaşi

caracteristici fizico-chimice în toată masa lor, sau eterogene, dacă sunt formate din mai multe părţi

omogene fizic şi chimic. O parte omogenă a unui sistem eterogen se numeşte fază.

Materialele metalice se împart în metale şi aliaje. În cazul metalelor, existând o singură

specie de atomi, la solidificare se va forma o singură fază, respectiv metal pur.

Aliajele sunt materiale metalice obţinute prin amestecul intim, uneori la scară atomică, a

unui metal de bază cu alte elemente metalice sau nemetalice, aceste amestecuri realizându-se de

cele mai multe ori prin topire şi solidificare.

Totalitatea aliajelor alcătuite din aceiaşi componenţi, formează un sistem de aliaje. De

exemplu: totalitatea aliajelor formate din cupru şi nichel, care conţin cupru de la 0 - 100 % - restul

nichel, formează sistemul de aliaje cupru-nichel. După numărul componenţilor (speciilor atomice

din aliaj), aliajele pot fi binare, ternare, cuaternare sau polinare, respectiv pe lângă componentul de

bază mai sunt prezenţi unul, doi, trei sau mai mulţi alţi componenţi, numiţi şi componenţi de aliere

sau elemente de aliere. Componentul de bază este întotdeauna metalic, iar elementele de aliere pot

fi, fie metalice fie nemetalice.

În ansamblu, un aliaj este omogen Ia scară macroscopică, dar privit la scară microscopică el

este format din numeroşi grăunţi cristalini, care dacă sunt de aceiaşi natură, aliajul este monofazic,

iar dacă grăunţii sunt de natură diferită, aliajul este polifazic. Aliajele polifazice, deşi apar omogene

macroscopic, sunt eterogene la scară microscopică, fiind alcătuite din domenii de faze diferite.

Proprietăţile aliajelor sunt influenţate de natura, cantitatea, forma şi distribuţia fazelor.

Natura fazelor prezente într-un aliaj reprezintă constituţia fizico-chimică a aliajului. Aşa cum s-a

arătat, faza este definită ca o parte omogenă dintr-un sistem fizico-chimic, delimitată de alte faze

din sistem, prin suprafeţe de separare interfazică.

Din punct de vedere al constituţiei fizico-chimice, componenţii unui aliaj se pot asocia în

următoarele moduri:

- formează o combinaţie sau un compus chimic;

- formează cristale separate de metal pur;

- atomii elementelor de aliere se încorporează în reţeaua cristalină a metalului de bază formând

cristale de soluţie solidă. Există deci trei tipuri de faze în aliajele solide: metal pur, soluţie solidă,

compus chimic.

În condiţii de echilibru termodinamic, echilibru care în aliaje se realizează prin solidificare lentă sau

prin încălziri în stare solidă urmate de răcire lentă (recoaceri), constituţia fizico-chimică pe care o

adoptă aliajul (numărul, natura, proporţia fazelor) corespunde energiei libere minime.

La un aliaj binar, în care atomii celor doi componenţi sunt notaţi cu A şi B, apar în stare

topită două posibilităţi:

- atomii celor doi componenţi se separă după densităţile lor, respectiv componenţii A şi B sunt

insolubili în stare lichidă;

- atomii componenţilor A şi B se dizolvă unul într-altul formând o topitură omogenă numită soluţie

lichidă, în care atomii îşi pierd individualitatea, distribuindu-se dezordonat.

La solidificarea aliajelor cu componenţi insolubili în stare lichidă vor rezulta două faze

solide, adică metal pur A şi metal pur B.

În cazul solidificării aliajelor a căror componenţi sunt solubili în stare lichidă apar trei posibilităţi:

a) Atomii A şi B se resping ceea ce înseamnă că forţele de atracţie dintre atomii de acelaşi

fel sunt mai mari decât cele dintre atomii diferiţi, deci atomii fiecărui component se grupează,

rezultând un amestec de faze solide (metal pur A şi metal pur B). De exemplu, în această categorie

se încadrează aliajele din sistemul Pb-Sb; deşi atomii de plumb şi cei de stibiu formează un lichid

30

omogen, la solidificare se vor forma domenii alcătuite numai din atomi de plumb şi altele numai din

atomi de stibiu.

b) Atomii A şi B sunt indiferenţi, ceea ce înseamnă că forţele de atracţie dintre atomii de

acelaşi fel sunt de acelaşi ordin de mărime cu forţele de atracţie dintre atomii diferiţi. În acest caz

atomii componenţilor A şi B se vor repartiza la întâmplare formând o fază unică, respectiv o soluţie

solidă.

c) Atomii A şi B se atrag, ceea ce înseamnă că forţele de atracţie dintre atomii de acelaşi fel

sunt mai mici decât cele dintre atomii diferiţi. În acest caz fiecare atom A se va înconjura de un

anumit număr de atomi B formând în acel domeniu o fază unică, respectiv un compus chimic.

Caracteristic pentru compuşii chimici este faptul că posedă o structură cristalină deosebită de cea a

elementelor constituente.

U.4.2. CONSTITUENŢI METALOGRAFICI

La examinarea microscopică, fazele dintr-un material metalic prezintă aspecte structurale

caracteristice, numite constituenţi structurali sau metalografici.

Proprietăţile aliajelor sunt determinate de tipul fazelor prezente în aliaj, dar şi de modul în care sunt

distribuiţi constituenţii metalografici, de forma şi de raportul lor cantitativ. Deci, în timpul cercetării

microscopice, prin studierea tipului, formei, cantităţii şi distribuţiei constituenţilor metalografici, se

vor putea face aprecieri asupra proprietăţilor metalelor sau aliajelor.

Constituenţii metalografici pot fi grupaţi în patru categorii distincte:

- metalul pur;

- soluţia solidă;

- compusul chimic;

- amestecul mecanic.

1. Metalul pur În cazul examinării microscopice a unui eşantion de metal pur, dacă atacul suprafeţei supuse

cercetării a fost de scurtă durată, vor fi atacate doar limitele cristalelor, evidenţiindu-se deci grăunţi

de metal pur. În cazul în care atacul suprafeţei de cercetat a fost de mai lungă durată, grăunţii vor fi

ataşaţi în mod diferit, respectiv se vor colora diferit. Acest lucru este datorat anizotropiei grăunţilor

şi orientării diferite de la grăunte la grăunte a reţelei cristaline.

Metalul pur se caracterizează prin conductibilitate electrică şi termică ridicată, plasticitate

mare, dar cu duritate, limită de curgere şi rezistenţă la ruper e, scăzute.

În cadrul aliajelor, atunci când componenţii aliajului sunt insolubili în stare solidă, ei pot să apară ca

domenii distincte, respectiv grăunţi separaţi de metal pur.

2. Soluţia solidă Grăunţii de soluţie solidă sunt formaţi din atomi ai unor componenţi diferiţi care sunt

distribuiţi întâmplător în cadrul reţelei. Componentul care predomină este numit component de bază

sau solvent, iar în reţeaua sa cristalină vor fi înglobaţi atomii componentului de aliere, respectiv

componentului dizolvat.

După modul în care se încadrează atomii componenţilor dizolvaţi în reţeaua cristalină a

solventului, vor rezulta soluţii solide de substituţie, de interstiţie şi complexe. În soluţiile solide de

substituţie, atomii componentului de aliere înlocuiesc în nodurile reţelei cristaline o parte din atomii

metalului de bază. În soluţiile solide de interstiţie atomii componentului de aliere ocupă poziţii

interstiţiale ale reţelei metalului de bază. În soluţiile solide complexe apar atomi străini, atât în

nodurile reţelei, cât şi în spaţiile interstiţiale.

În figurile 3.1, 3.2 şi 3.3. sunt prezentate schematic principalele tipuri de soluţii solide,

respectiv soluţiile de substituţie, soluţiile solide de interstiţie şi soluţiile solide complexe.

31

Figura 3.1. Soluţie solidă de substituţie în sistemul Cu-Ni: a) reprezentare în spaţiu; b) reprezentare

în plan.

Figura 3.2. Soluţie solidă de interstiţie de carbon în Fegama: a) reprezentare în spaţiu; b)

reprezentare în plan.

Figura 3.3. Soluţie solidă complexă în aliajul polinar Fe-Cr-Ni-C: a) reprezentare în spaţiu; b)

reprezentare în plan.

Dacă metalele care formează soluţii solide sunt complet solubile în stare solidă, toţi atomii

componentului de bază pot fi substituiţi prin atomi ai componentului de aliere şi se pot forma astfel,

soluţii solide la orice concentraţie a elementului de aliere (de la 0 - 100 %).

Pentru a se putea forma soluţii solide cu solubilitate nelimitată (soluţii solide totale),

componenţii aliajului trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

a) să aibă acelaşi tip de reţea cristalină;

b) diferenţa dintre diametrele atomilor să nu fie mai mare de 8 %;

c) să ocupe poziţii apropiate în tabelul periodic al elementelor, adică să aibă un caracter

electrochimic asemănător;

d) să aibă temperaturi de topire apropiate.

Dacă componenţii aliajului nu îndeplinesc toate condiţiile enumerate mai sus, se vor putea

forma doar soluţii solide parţiale. Dacă diferenţa dintre diametrele atomilor componenţilor variază

în limitele 8 - 15 %, atunci solubilitatea este limitată, iar soluţii solide de substituţie se vor putea

forma numai în anumite intervale de concentraţie. Dacă diferenţa dintre diametrele atomilor

componenţilor este mai mare de 15 %, între componenţi nu se vor putea forma soluţii solide de

substituţie.

Soluţiile solide de interstiţie se formează prin dizolvarea într-un solvent metalic, a unor elemente cu

diametrul atomic foarte mic (hidrogen cu d = 0,92 Z, azot cu d = 1,42 Z, carbon cu d = 1,54 Z, bor

cu d = 1,94 Z). Ca solvent pentru soluţiile solide de interstiţie servesc de regulă metalele de tranziţie

(Fe, Mn, Cr) la care factorul electrochimic este favorabil. Soluţiile solide interstiţiale cu cea mai

mare importanţă tehnică, apar în aliajele fier-carbon.

32

Dimensiunile atomilor de C, H, B sunt mai mari decât cele ale spaţiilor interstiţiale ale

reţelei solventului metalic. Din această cauză, dizolvarea introduce deformări elastice considerabile

în reţeaua solventului, ceea ce limitează solubilitatea la valori reduse, aşa încât numai o proporţie

redusă din totalitatea interstiţiilor vor putea fi ocupate. Datorită deformării reţelei şi a tensiunilor

interne ce apar, proprietăţile mecanice ale soluţiilor solide de interstiţie sunt diferite de cele ale

metalului de bază, chiar dacă concentraţia elementelor dizolvate interstiţial este scăzută.

Soluţiile solide complexe sunt combinaţii între soluţiile solide de substituţie şi cele de

interstiţie, respectiv în reţeaua cristalină a metalului de bază apar atât atomi de substituţie cât şi

atomi interstiţiali.

În soluţiile solide legătura interatomică este de tip metalic, adică atomii tuturor

componenţilor (solvent şi elemente dizolvate, fie ele metalice sau nemetalice) sunt ionizaţi pozitiv

şi sunt legaţi împreună prin atracţia exercitată de mulţimea electronilor de valenţă colectivizaţi, care

circulă cvasi-liber prin scheletul ionic al reţelei.

Introducerea atomilor străini, produce distorsionarea reţelei cristaline a metalului de bază şi deci

proprietăţile soluţiei solide vor fi influenţate de distribuţia acestor atomi străini din reţea. În figura

3.4 sunt prezentate câteva situaţii de deformare a reţelei datorate prezenţei atomilor străini cu

diametre atomice diferite de cele ale metalului de bază. Se observă că în prezenţa atomilor

elementelor de aliere apar în reţea defecte punctiforme, precum şi dislocaţii. Cu cât conţinutul în

elemente de aliere va fi mai mare cu atât numărul de defecte pe unitatea de volum va fi şi el mai

ridicat şi deci duritatea şi rezistenţa la rupere vor fi mai mari, iar alungirea la rupere mai mică. În

figura 3.5 este prezentată variaţia rezistenţei la rupere şi a alungirii la rupere în funcţie de

compoziţia chimică, în cazul sistemului cu soluţie solidă totală Cu-Ni.

Comparând proprietăţile mecanice ale soluţiilor solide cu cele ale celorlalţi constituenţi, se poate

face afirmaţia că aceste proprietăţi sunt mai apropiate de cele ale metalelor pure, adică durităţile şi

rezistenţele Ia rupere sunt relativ scăzute, iar alungirea la rupere este ridicată.

Figura 3.4. Distorsiuni în reţeaua cris talină a soluţiilor solide.

Figura 3.5. Variaţia rezistenţei la rupere şi a alungirii la rupere în sistemul Cu -Ni

3. Compusul chimic În condiţiile în care între atomii metalului de bază şi atomii elementelor de aliere se stabilesc

legături chimice, iau naştere aşa numiţii compuşi chimici. Compusul chimic este un constituent

metalografic care prezintă o compoziţie chimică constantă şi bine definită, iar reţeaua sa cristalină

este diferită de cea a componenţilor.

33

Datorită legăturilor chimice complexe care apar între atomii componenţilor aliajelor,

compuşii chimici prezintă de regulă o duritate ridicată, dar şi o fragilitate mare. De asemeni

compuşii chimici prezintă de obicei temperaturi de topire mai mari decât elementele componente.

Astfel, prezenţa în aliaje a compuşilor chimici, va determina creşterea durităţii şi deci şi a

rezistenţei la uzare, creşterea fragilităţii şi ridicarea temperaturii de topire.

Se pot deosebi trei tipuri de compuşi chimici: compuşi electrochimici, compuşi chimici

electronici şi compuşi chimici interstiţiali.

4. Amestecul mecanic Amestecul mecanic este un constituent format din două sau mai multe faze solide, care s -au

separat fie dintr-o soluţie lichidă (amestec mecanic eutectic), fie dintr-o soluţie solidă

suprasaturată (amestec mecanic eutectoid).

În diverse aliaje se formează amestecuri mecanice între un metal pur şi o soluţie solidă, sau între un

metal pur şi un compus chimic, sau între un compus chimic şi o soluţie solidă etc. Fazele

constituente ale amestecurilor mecanice se pot prezenta ca lamele sau globule ale unei faze, în masa

celeilalte faze. Amestecurile mecanice eutectoide prezintă o dispersie mai ridicată a fazelor, ele sunt

deci mai fine decât amestecurile mecanice eutectice.

Proprietăţile amestecurilor mecanice sunt determinate de proprietăţile fazelor constituente,

respectiv proprietăţile sunt intermediare. De asemeni proprietăţile amestecurilor mecanice sunt

influenţate şi de dispersia fazelor, cu cât aceasta este mai avansată cu atât rezistenţa Ia rupere este

mai mare.

Exemple

Aliajele sunt materiale metalice obţinute prin amestecul intim, uneori la

scară atomică, a unui metal de bază cu alte elemente metalice sau nemetalice,

aceste amestecuri realizându-se de cele mai multe ori prin topire şi solidificare.

Totalitatea aliajelor alcătuite din aceiaşi componenţi, formează un sistem de

aliaje.

Soluţiile solide de interstiţie se formează prin dizolvarea într-un solvent metalic,

a unor elemente cu diametrul atomic foarte mic (hidrogen cu d = 0,92 Z, azot cu

d = 1,42 Z, carbon cu d = 1,54 Z, bor cu d = 1,94 Z). Ca solvent pentru soluţiile

solide de interstiţie servesc de regulă metalele de tranziţie (Fe, Mn, Cr) la care

factorul electrochimic este favorabil. Soluţiile solide interstiţiale cu cea mai mare

importanţă tehnică, apar în aliajele fier-carbon.

Cat este compusul chimic, soluţia solidă şi amestecul mecanic.

Să ne reamintim:

Sistemul binar

Compuşi metalografici

Aliajele metalice

34

Rezumat La un aliaj binar, în care atomii celor doi componenţi sunt notaţi cu A şi B,

apar în stare topită două posibilităţi:

- atomii celor doi componenţi se separă după densităţile lor, respectiv componenţii A

şi B sunt insolubili în stare lichidă;

- atomii componenţilor A şi B se dizolvă unul într-altul formând o topitură omogenă

numită soluţie lichidă, în care atomii îşi pierd individualitatea, distribuindu-se

dezordonat. În diverse aliaje se formează amestecuri mecanice între un metal pur şi o

soluţie solidă, sau între un metal pur şi un compus chimic, sau între un compus

chimic şi o soluţie solidă etc. Fazele constituente ale amestecurilor mecanice se pot

prezenta ca lamele sau globule ale unei faze, în masa celeilalte faze.


1. Care constituenti din diagrama Fe - C sunt soluţii solide

a.cementita,

b.ferita,

c. perlita

2. Care dintre constituenţi metalografici au plasticitatea ridicata:

a) soluţia solidă;

b) amestecul mecanic

c) metalul pur.


35

Unitatea de învăţare 5. DIAGRAMELE DE ECHILIBRU ALE ALIAJELOR

BINARE

Cuprins

5.1. Introducere............................................................. ......................................................... 35

5.2. Competenţe......................................................................................................................35

U. 5.1. Clasificarea sistemelor de aliaje binare........... ..................................................................36

U.5.2 Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi insolubili atât în stare lichidă cât şi

în stare solidă....................................................................... ....................................................36

U.5.3. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi parţial solubili în stare lichidă şi

insolubili în stare solidă............................................................................. .......................................37

U.5.4 Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi complet solubili în stare lichidă .38

U.5.5. Sisteme binare cu componenţi solubili în stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă ..43

5.1. Introducere

Se prezintă aspectul diagramelor de echilibru binare care este influenţat de

natura componenţilor sistemului, de solubilitatea componenţilor în stare lichidă şi

în stare solidă, precum şi de posibilitatea apariţiei unor transformări fazice în stare

solidă. Dispunând de aceste diagrame de echilibru, se vor putea stabili condiţiile

de elaborare ale oricărui aliaj, posibilitatea de aplicare a anumitor tratamente

termice, precum şi alegerea temperaturii optime pentru tratament termic, vor putea

fă determinate fazele constituente precum şi constituenţii metalografici ai aliajelor,

etc.


Competenţe în caracterizarea şi alcătuirea diagramelor de echilibru

binare. Cunosţerea principalelor transformări şi a punctelor de echilibru .


36

DIAGRAMELE DE ECHILIBRU ALE ALIAJELOR BINARE

Proprietăţile unui aliaj sunt determinate de constituţia sa fizico-chimică şi nu în mod direct

de compoziţia chimică. Limitele de stabilitate ale fazelor dintr-un sistem de aliaje sunt reprezentate

grafic în funcţie de temperatură şi concentraţie, rezultând aşa numitele diagrame de echilibru fazic

ale sistemelor. Pe aceste diagrame pot fi urmărite transformările de stare, transformările alotropice,

variaţiile solubilităţii etc., pentru toate aliajele din sistemul considerat.

Construirea diagramelor de echilibru se face experimental urmărindu-se transformările ce se

produc la încălzire şi răcire în condiţii de echilibru, ale unui mare număr de aliaje dintr-un sistem

dat. Temperaturile la care se produc diverse transformări (temperaturi critice) sunt puse în evidenţă

prin anomaliile ce apar pe curbele de variaţie cu temperatura a anumitor proprietăţi. În timpul

încălzirilor şi răcirilor lente, pot fi urmărite momentele în care pe curbele de răcire apar

discontinuităţi (analiza termică), sau se produc modificări ale compactităţii reţelei (analiza

dilatometrică) sau apar modificări bruşte ale rezistivităţii electrice (analiza electrică) sau ale

proprietăţilor magnetice (analiza magnetică).

Determinând punctele critice ale mai multor aliaje dintr-un sistem, transpunându-le în

coordonate temperatură - concentraţie şi unind familiile punctelor critice obţinute, vor rezulta

diagramele de echilibru ale sistemului considerat.

Dispunând de aceste diagrame de echilibru, se vor putea stabili condiţiile de elaborare ale

oricărui aliaj, posibilitatea de aplicare a anumitor tratamente termice, precum şi alegerea

temperaturii optime pentru tratament termic, vor putea fă determinate fazele constituente precum şi

constituenţii metalografici ai aliajelor, etc. Rezultă astfel importanţa practică deosebită pe care o au

aceste diagrame de echilibru.

U. 5.1. Clasificarea sistemelor de aliaje binare

Aspectul diagramelor de echilibru binare este influenţat de natura componenţilor sistemului, de

solubilitatea componenţilor în stare lichidă şi în stare solidă, precum şi de posibilitatea apariţiei

unor transformări fazice în stare solidă.

U. 5.2. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi insolubili atât în stare

lichidă cât şi în stare solidă

În condiţiile în care, atomii componenţilor unui aliaj aflat în stare lichidă, nu se pot dizolva,

ei se vor separa după densităţile lor, rezultând un lichid neomogen. Dacă curenţii de convecţie care

iau naştere în această topitură nu sunt suficient de puternici, sau dacă printr-o acţiune mecanică

(agitare, vibrare) nu se va proceda la amestecarea lichidelor metalice insolubile, metalul topit cu o

densitate mai mare, se va separa Ia fundul creuzetului. Situaţia se va păstra şi după solidificarea

aliajului, rezultând un material cu proprietăţi necorespunzătoare.

Pentru eliminarea acestei stratificări a metalelor topite insolubile, se poate proceda la

agitarea mecanică sau vibrarea topiturilor. atât în timpul elaborării cât şi în timpul solidificării

aliajului. O altă metodă de obţinere a pieselor din astfel de aliaje, este aceea a metalurgiei pulberilor

(amestecarea pulberilor metalice, presarea şi sinterizarea lor).

În figura 3.6. este prezentată diagrama de echilibru a unui sistem cu componenţi insolubili în stare

lichidă şi solidă, particularizându-se diagrama pentru sistemul Fe-Pb La temperaturi superioare

temperaturii TA , cele două lichide metalice nu sunt miscibile. La temperatura TA , se va solidifica

metalul A, păstrându-se metalul B în stare lichidă până la temperatura TB , când şi acesta se va

solidifica. În final se vor obţine cristale de metal pur A şi cristale de metal pur B.

37

Figura 3.6. Diagrama de echilibru a unui sistem cu componenţi insolubili în stare lichidă şi solidă.

U. 5.3. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi parţial solubili în stare

lichidă şi insolubili în stare solidă Un exemplu pentru un astfel de sistem este prezentat în figura 3.7, particularizându-se

diagrama pentru sistemul Pb-Zn.

În figură se observă că în anumite intervale de temperatură şi concentraţie, componenţii sunt

solubili în stare lichidă. La scăderea temperaturii în domeniul c-d-e-TB , se înregistrează o separare a

două lichide LA şi LB . Lichidul LA conţine într-o proporţie mai mică şi atomi ai componentului B,

iar lichidul LB , invers. Nu vor rezulta deci lichide de metal pur A şi de metal pur B, ceea ce

înseamnă că în stare lichidă componenţii sunt parţial solubili. Considerând aliajul M, la scăderea

temperaturii când este atinsă orizontala d-e, LA va avea compoziţia punctului d, iar LB , compoziţia

punctului e. Pe măsură ce scade temperatura, LA se va îmbogăţi în atomi ai componentului A, iar LB

în atomi de B. La temperatura de solidificare a componentului B, LA va avea concentraţia punctului

C, iar LB va avea concentraţia de 100 % B. La temperatura TB , se vor forma cristale de metal pur B,

iar odată cu scăderea în continuare a temperaturii, LA se va îmbogăţi mai mult în atomi ai

componentului A. La temperatura TA , LA va avea concentraţia de 100 % A şi va cristaliza, dând

naştere unor cristale de metal pur A. Rezultă deci în urma solidificării, un amestec mecanic de

metale pure A şi B.

Figura 3.7. Diagrama de echilibru a unui sistem cu componenţi parţial solubili în stare lichidă şi

insolubili în stare solidă.

Liniile d-c-TA şi e-TB se numesc linii de solubilitate în stare lichidă, iar LA şi LB se numesc

soluţii lichide conjugate. Linia TA-c-TB este linia lichidus a diagramei, linie peste care aliajele

sistemului sunt în stare lichidă. Linia TA-b-TB este linia solidus a sistemului, linie sub care toate

aliajele sistemului sunt solidificate.

Pentru reducerea segregaţiei gravitaţionale care se manifestă la aliajele din aceste sisteme, se

recomandă vibrarea topiturilor pe toată durata solidificării, precum şi aplicarea unor viteze mari de

răcire.

38

U. 5.4. Diagramele de echilibru ale sistemelor cu componenţi complet solubili în stare

lichidă

1. Sisteme binare cu componenţi complet solubili atât în stare lichidă cât şi în stare

solidă

Sistemele binare cu componenţi complet solubili în stare lichidă şi în stare solidă, se mai

numesc şi sisteme binare cu soluţie solidă totală, sau cu soluţie solidă izomorfă. Componenţii

aliajelor din aceste sisteme, se dizolvă reciproc în orice proporţie, rezultând după solidificare soluţii

solide de substituţie.

În figura 3.8. este prezentată diagrama de echilibru a unui sistem cu soluţie solidă totală

(izomorfă), particularizându-se diagrama pentru sistemul Cu-Ni. Considerând aliajul M, se observă

că la răcirea lichidului omogen L, sub linia lichidus se vor forma în topitură cristale de soluţie solidă

alfa acestea dezvoltându-se pe măsură ce scade temperatura. La atingerea curbei solidus, materialul

va fi complet solidificat, rezultând o structură formată din grăunţi de soluţie solidă alfa.

Analizând microstructura aliajului rezultat, se constată că grăunţii de soluţie solidă nu prezintă

omogenitate chimică pe secţiunea grăuntelui, adică se evidenţiază fenomenul de segregaţie

intracristalină. Pentru explicarea apariţiei acestei segregaţii, trebuie prezentată aşa numita regulă a

orizontalei, regulă utilizată în studiul diagramelor de echilibru.

Figura 3.8. Diagrama de echilibru a unui sistem cu soluţie solidă totală.

2. Regula orizontalei

Regula orizontalei se aplică în studiul diagramelor de echilibru binare, pentru determinarea

compoziţiei chimice a fazelor aflate în echilibru la o anumită temperatură.

Compoziţia chimică a fazelor în echilibru, este dată de abscisa punctelor de intersecţie a

orizontalei de temperatură cu curbele de transformare ale diagramei de echilibru. Orice modificare a

temperaturii în intervalul temperaturilor de solidificare (cuprins între curba lichidus şi curba

solidus) schimbă compoziţia fazelor aflate în echilibru. În intervalul de transformare, compoziţia

fazei lichide evoluează pe curba lichidus, iar cea a fazei solide, pe c urba solidus.

Fie aliajul M din sistemul binar cu soluţie solidă izomorfă (fig. 3.9), încălzit la o temperatură

superioară curbei lichidus. La scăderea temperaturii, în momentul când este atinsă temperatura T1,

în lichidul metalic vor lua naştere primii germeni de cristalizare. Trasând o orizontală Ia nivelul

temperaturii T1, aceasta va intersecta curbele lichidus şi solidus, pe fiecare într-un punct. Proiectând

pe axa concentraţiilor aceste puncte, vor rezulta punctele M şi alfa1 , punctul M va indica

compoziţia chimică a lichidului, iar punctul alfa1 - compoziţia chimică a germenilor de cristalizare.

Se observă că germenii de cristalizare sunt de soluţie solidă cu o concentraţie ridicată de atomi ai

componentului B.

Odată cu scăderea temperaturii germenii de cristalizare se vor dezvolta, modificându-se echilibrul

dintre faze. La temperatura T2 , orizontala va intersecta curbele lichidus şi solidus, proiecţia

punctelor de intersecţie fiind l2 şi alfa2 . Punctul l2 indică compoziţia chimică a fazei lichide, iar

punctul alfa2 indică compoziţia chimică a fazei solide (cristalelor de soluţie solidă), la temperatura

39

T2 . Se poate observa că pe măsură ce temperatura scade, concentraţia de component B din cristale

scade, iar concentraţia de component A din lichid creşte.

La temperatura T3 , este atinsă curba solidus. Orizontala trasată la această temperatură, indică faptul

că grăunţii au ajuns Ia compoziţia chimică M, iar ultimele părţi lichide ale aliajului care s-a

solidificat, au avut compoziţia chimică l3 . Presupunând deci că în timpul solidificării şi răcirii nu s-

au manifestat difuzii ai atomilor componenţilor A şi B, grăunţii vor prezenta în centrul lor

compoziţia chimică alfa1 , iar la suprafaţa lor compoziţia chimică l3 . În realitate, datorită condiţiilor

reale în care se desfăşoară procesul de solidificare şi răcire, atomii componenţilor aliajului au

posibilitatea de a difuza în sensul uniformizării compoziţiei chimice pe secţiunea grăunţilor, astfel

încât segregaţia intracristalină se diminuează. Cristalele astfel formate şi care prezintă o segregaţie

intracristalină poartă denumirea de cristale zonare. Prin tratamentul termic de recoacere de

omogenizare, segregaţiile cristalelor zonale pot fi diminuate substanţial.

Figura 3. 9. Regula orizontalei aplicate la o diagramă binară cu soluţie solidă izomorfă.

3. Regula pârghiei Pe lângă regula orizontalei, în studiul diagramelor de echilibru este utilizată şi regula

pârghiei. Cu ajutorul regulii pârghiei, este posibilă determinarea raportului cantitativ, care există

între fazele aflate în echilibru Ia o anumită temperatură.

Între curbele lichidus şi solidus, aliajele prezintă un amestec de două faze, respectiv una solidă şi

alta lichidă, raportul dintre cantitatea de solid şi cea de lichid variind cu temperatura. La temperaturi

apropiate de T1 (fig. 3.9), cantitatea de solid este foarte mică, iar cea de lichid foarte mare, iar la

temperaturi apropiate de T3 , cantitatea de fază solidă este foarte mare, pe când cea de lichid este

redusă. Cantitatea fazelor solide şi lichide, existente la o anumită temperatură, poate fi determinată

cu ajutorul regulii pârghiei.

Figura 3.10. Regula pârghiei aplicată la o diagramă binară cu soluţie solidă izomorfă.

Referindu-ne la figura 3.10, se presupune că dorim să determinăm cantitatea de lichid şi

solid a aliajului M, aflat la temperatura Tm . Notăm intersecţia dintre verticala concentraţiei M şi

orizontala temperaturii Tm , cu “m”. Orizontala trasată prin punctul “m”, intersectează curba

lichidus în punctul “l” ‚ iar curba solidus în “s”. Aliajul aflându-se în echilibru, punctul “m” poate fi

considerat ca punct de sprijin al pârghiei “ls”, pârghie aflată şi ea în echilibru sub acţiunea greutăţii

lichidului Gl şi a solidului Gs. Ecuaţia momentelor acestei pârghii este:

40

smGlmG sl .. de unde: Gl/Gs = sm/lm

Rezultă că greutatea fazei lichide este proporţională cu segmentul “sm”, iar greutatea fazei

solide cu segmentul “lm”. Dacă se împarte pârghia “ls” în 100 de diviziuni, respectiv 100 %,

segmentul “sm” va exprima procentual cantitatea de lichid, iar segmentul “lm”, cantitatea de solid.

Din acest motiv regula pârghiei mai poartă denumirea de regula segmentelor inverse.

4. Sisteme binare cu componenţi solubili în stare lichidă şi insolubili în stare solidă

a) Diagrama cu eutectic

Un exemplu pentru o diagramă cu eutectic, dintr-un sistem cu componenţi insolubili în stare

solidă şi solubili în stare lichidă, este prezentat în figura 3.11, particularizându-se diagrama pentru

sistemul Pb-Sb.

Feste curba lichidus TA-e-TB , aliajele se găsesc în stare lichidă, topiturile fiind omogene. Sub linia

solidus TA-a-e-b-TB , aliajele sistemului sunt complet solidificate, prezentând o structură formată

din două faze, respectiv metal pur A şi metal pur B, componenţii fiind insolubili în stare solidă. Se

va urmări în continuare procesul de solidificare al aliajului: M (67 % B, 33 % A). La scăderea

temperaturii, la atingerea curbei lichidus, în lichidul omogen L vor apare primii germeni de

cristalizare. Aplicând regula orizontalei în punctul acesta, se constată că germenii care s-au format

în topitură, sunt de metal pur B. Odată cu scăderea temperaturii, va continua separarea de cristale de

metal pur B din topitură şi astfel compoziţia chimică a lichidului metalic se va modifica continuu,

tinzând către concentraţia corespunzătoare punctului “e”.

Punctul “e” se numeşte punct eutectic, şi el este determinat de o temperatură eutectică şi o

concentraţie eutectică. Lichidul cu concentraţia eutectică se va solidifica la temperatură constantă,

dând naştere unui amestec mecanic eutectic. Fazele componente ale acestui amestec mecanic pot fi

determinate prin aplicarea regulii orizontalei în punctul eutectic “e”. Orizontala dusa în “e” atinge

în partea stângă ordonata metalului pur A, iar în dreapta, pe cea a metalului pur B, rezultă deci că

amestecul mecanic eutectic este format din cristale fine de metal pur A şi de metal pur B. În final

aliajul M va prezenta o structură formată din cristale de metal pur B (care s-au format la temperaturi

superioare temperaturii eutectice) şi eutectic E (format la temperatura eutectică).

Figura 3.11. Diagramă de echilibru cu eutectic pentru un sistem binar cu componenţi solubili în

stare lichidă şi insolubili în stare solidă

Cristalizarea lichidului cu concentraţie eutectică poate fi exprimată prin relaţia:

adică lichidul cu concentraţia “e” se transformă la răcire într-un amestec mecanic eutectic format

din cristale de A (cu concentraţia “a”) şi cristale de B (cu concentraţia “b”). La încălzire

transformarea este inversă.

Aliajele care cristalizează după o diagramă cu eutectic, pot fi clasificate în aliaje

hipoeutectice (în stânga punctului eutectic); eutectice şi hipereutectice (în dreapta punctului

eutectic). Aliajul M este deci un aliaj hipereutectic. Urmărind cristalizarea unui aliaj hipoeutectic se

41

constată că după solidificarea acestuia, structura rezultată va fi formată din cristale de metal pur A

şi eutectic B.

Pentru determinarea rapidă a raportului cantitativ dintre fazele constituente ale unui aliaj,

respectiv dintre constituenţii metalografici, sub diagramele de echilibru pot fi construite diagramele

de faze şi de constituenţi (fig. 3.12). În figură s-a prezentat pentru aliajul M, proporţiile fazelor A şi

B, precum şi proporţiile constituenţilor E şi B la temperatura ordinară.

Figura 3.12. Diagramele de faze şi de constituenţi într-un sistem binar cu eutectic.

Diagramele de faze sunt deosebit de utile pentru aprecierea proprietăţilor unui aliaj aflat în

stare de echilibru. Fiecărei faze îi sunt proprii anumite proprietăţi şi cunoscând raportul dintre fazele

constituente ale unui aliaj, precum şi proprietăţile fiecărei faze, pot fi apreciate proprietăţile

aliajului.

Cu ajutorul diagramelor de constituenţi poate fi determinată cu aproximaţie compoziţia

chimică a aliajelor aflate în stare de echilibru. În timpul cercetării microscopice se apreciază

suprafaţa ocupată de constituenţi şi considerând că densităţile constituenţilor sunt egale, pe

diagrama de constituenţi se va determina compoziţia chimică a aliajului.

b) Diagrama cu compus chimic stabil

Acest gen de diagrame de echilibru apar în sistemele în care la o anumită compoziţie

chimică se formează un compus chimic stabil AmBn , care nu se poate dizolva în componenţii A şi

B. În figura 3.13 este prezentat un exemplu pentru o astfel de diagramă.

Temperaturile de topire ale compuşilor chimici sunt în general superioare temperaturilor de topire a

celor doi componenţi. Compusul chimic are o concentraţie fixă şi se reprezintă în diagramă printr-o

verticală trasată în dreptul concentraţiei sale, limitată la partea superioară de temperatura sa de

topire. Această verticală împarte diagrama de echilibru în două diagrame simple cu eutectic.

42

Figura 3.13. Diagrama de echilibru cu compus chimic pentru un sistem binar cu componenţi solubili

în stare în stare lichidă şi insolubili în stare solidă.

În diagramă apar deci două transformări eutectice:

Câmpurile diagramei se completează, utilizând regula orizontalei aplicată în fiecare

domeniu. Sub diagrama de echilibru sunt prezentate şi diagramele de faze şi constituenţi.

c) Diagrame cu punct peritectic

O diagramă cu componenţi insolubili în stare solidă, care prezintă un punct peritectic este

prezentată în figura 3.14.

În această diagramă apare un compus chimic AmBn care este stabil Ia încălzire până Ia atingerea

temperaturii corespunzătoare orizontalei c-d-f. La temperaturi superioare acestei orizontal e,

compusul chimic se descompune în două faze, respectiv în lichid de concentraţie “c” şi cristale de

metal pur B. Această transformare este cunoscută sub denumirea de transformare peritectică şi ea se

produce la traversarea orizontalei peritectice c-d-f.

Punctul de inflexiune “c” care apare pe curba lichidus, la extremitatea orizontalei peritectice poartă

denumirea de punct peritectic.

Transformarea peritectică se produce astfel:

În diagrama prezentată se evidenţiază şi punctul eutectic “e”. Transformarea eutectică se produce

astfel:

Câmpurile diagramei precum şi diagramele de faze şi de constituenţi se completează prin metodele

arătate anterior, aplicând în fiecare câmp, regula orizontalei.

43

Figura 3.14. Diagrama de echilibru cu punct peritectic pentru un sistem binar cu componenţi

solubili în stare lichidă şi insolubili în stare solidă.

U.5.5. Sisteme binare cu componenţi solubili în stare lichidă şi parţial solubili în stare

solidă

În cazul în care diametrele atomilor componenţilor A şi B sunt apropiate ca mărime, iar

valenţele sunt egale sau apropiate, dar tipul reţelelor cristaline este diferit, este de aşteptat ca în stare

lichidă componenţii să se dizolve complet unul în altul, iar în stare solidă fiecare component să

dizolve o anumită cantitate a celuilalt component, solubilitatea în stare solidă rămânând însă

limitată. Iau naştere astfel, sistemele cu componenţi parţial solubili în stare solidă. Dintre aceste

sisteme fac parte acelea care formează diagrame cu eutectic, cu compus chimic şi cu peritectic.

a) Diagrame cu eutectic

În figura 3.15 sunt prezentate diagramele de echilibru cu eutectic ale sistemelor cu

componenţi complet solubili în stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă. În cazul “a”

solubilitatea componenţilor nu variază cu temperatura, iar în cazul “b” solubilitatea componenţilor

variază cu temperatura.

După cum se observă din diagrame, în anumite intervale ale concentraţiei se formează soluţii solide,

respectiv soluţia solidă alfa (solvent A, dizolvat B) şi soluţia solidă beta (solvent B, dizolvat A). În

intervalele A-c şi B-d, aliajele sunt monofazice, iar în intervalul de concentraţii c-d aliajele sunt

bifazice. În ambele diagrame transformarea eutectică se produce astfel:

44

Figura 3.15. Diagrame de echilibru cu eutectic pentru un sistem binar cu componenţi solubili în

stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă: a) solubilitatea componenţilor nu variază cu

temperatura; b) solubilitatea componenţilor variază cu temperatura.

Deci amestecul mecanic eutectic este constituit din două soluţii solide (alfa şi beta).

În cazul diagramei prezentate în figura 3.15.b, apar suplimentar două curbe a-c şi b-d, curbe

care indică solubilitatea variabilă a componenţilor în funcţie de temperatură. În lungul curbei a-c, la

scăderea temperaturii, din soluţia solidă alfa care devine suprasaturată, se separă faza beta”, iar în

lungul curbei b-d, din soluţia solidă beta suprasaturată, se va separa faza alfa”.

În figură, alături de diagrama de echilibru este prezentat modul de formare a structurii la

solidificare şi răcire, a aliajului hipereutectic M.

Soluţiile solide precipitate în stare solidă datorită variaţiei solubilităţii cu temperatura poartă

denumirea de soluţii solide secundare. Precipitarea acestor soluţii solide secundare vor influenţa

puternic proprietăţile aliajelor în sensul că prin mărirea tensiunilor interne este determinată creşterea

durităţii şi a rezistenţei la rupere, precum şi scăderea plasticităţii aliajelor. Cantitatea constituenţilor

secundari precipitaţi la răcirea lentă a unui aliaj, poate fi determinată pe diagramele de constituenţi.

b) Diagrame cu compus chimic

În figura 3.16. sunt prezentate două diagrame cu compus chimic cu componenţi solubili în

stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă. În stânga este prezentat cazul când solubilitatea nu

variază cu temperatura, iar în dreapta, cazul când solubilitatea variază cu temperatura.

Compusul chimic intermetalic care apare în aceste diagrame (AmBn ) are posibilitatea de a dizolva

atât component A cât şi component B. El este deci capabil să formeze soluţii solide, AmBn jucând

rolul de solvent, iar componenţii A şi B, de dizolvat. Această soluţie solidă a fost notată în

diagramele prezentate cu gama.

Diagramele de echilibru din figura 3.16 prezintă două puncte eutectice, transformările eutectice

fiind următoarele:

45

Figura 3.16. Diagrama de echilibru cu compus chimic pentru sisteme binare cu componenţi solubili

în stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă: a) solubilitatea componenţilor nu variază cu

temperatura; b) solubilitatea componenţilor variază cu temperatura.

În cazul în care solubilitatea componenţilor variază cu temperatura, din soluţiile solide suprasaturate

vor precipita la scăderea temperaturii constituenţii secundari (alfa”, beta”, gama”).

c) Diagrame cu punct peritectic

Caracteristic pentru acest tip de diagrame este faptul că aliajele situate într-un anumit

interval de concentraţie suferă o transformare peritectică. În figura 3.17 sunt prezentate două

diagrame cu punct peritectic, în cazul a) solubilitatea componenţilor nu variază cu temperatura, iar

în cazul b) solubilitatea variază cu temperatura.

Aliajele cu compoziţii chimice situate în stânga punctului “a” şi în dreapta punctului “c”,

cristalizează cu formarea de soluţii solide alfa şi beta. Aliajele cu compoziţii chimice cuprinse între

punctele “a” şi “c” vor suferi o transformare peritectică.

Se consideră aliajul M încălzit la o temperatură superioară curbei lichidus. În timpul răcirii, la

atingerea liniei lichidus, din lichid se vor separa cristale de soluţie solidă beta, care se vor dezvolta

pe măsură ce temperatura scade. În timpul răcirii compoziţia chimică a lichidului variază după

curba TB-a, iar compoziţia chimică a solidului, după curba TB-c. La atingerea temperaturii

corespunzătoare orizontalei peritectice se va produce transformarea peritectică:

Deci, din unirea celor două faze aflate la extremităţile orizontalei peritectice, a luat naştere o fază

nouă, respectiv soluţia solidă alfa. La transformarea peritectică, doar o parte a cristalelor de soluţie

solidă beta vor contribui la formarea soluţiei solide alfa, cele rămase în exces îşi vor păstra

individualitatea şi la temperaturi inferioare orizontalei peritectice. Astfel la o temperatură aflată

imediat sub orizontala peritectică, aliajul M prezintă o structură formată din cristale de s.s.alfa şi de

s.s.beta. În cazul în care solubilitatea componenţilor variază cu temperatura, în lungul curbelor d-b

şi e-c, vor precipita din soluţiile solide suprasaturate, constituenţii secundari beta” şi alfa”. La

temperatura ambiantă aliajul M va prezenta deci o structură formată din patru constituenţi: alfa,

alfa”, beta, beta”. Proporţia fazelor constituente poate fi determinată pe diagrama de faze, iar

proporţia constituenţilor pe diagrama de constituenţi.

46

Figura 3.17. Diagrame de echilibru cu punct peritectic pentru sisteme binare cu componenţi solubili

în stare lichidă şi parţial solubili în stare solidă: a) solubilitatea componenţilor nu variază cu

temperatura; b) solubilitatea variază cu temperatura.

Exemple

Fie aliajul M din sistemul binar cu soluţie solidă izomorfă (fig.

3.9), încălzit la o temperatură superioară curbei lichidus. La scăderea

temperaturii, în momentul când este atinsă temperatura T1, în lichidul metalic vor

lua naştere primii germeni de cristalizare. Trasând o orizontală Ia nivelul

temperaturii T1, aceasta va intersecta curbele lichidus şi solidus, pe fiecare într-un

punct. Proiectând pe axa concentraţiilor aceste puncte, vor rezulta punctele M şi

alfa1 , punctul M va indica compoziţia chimică a lichidului, iar punctul alfa1 -

compoziţia chimică a germenilor de cristalizare. Se observă că germenii de

cristalizare sunt de soluţie solidă cu o concentraţie ridicată de atomi ai

componentului B.

Ecuaţia momentelor acestei pârghii este:

smGlmG sl .. de unde: Gl/Gs = sm/lm

Rezultă că greutatea fazei lichide este proporţională cu segmentul “sm”,

iar greutatea fazei solide cu segmentul “lm”. Dacă se împarte pârghia “ls” în 100

de diviziuni, respectiv 100 %, segmentul “sm” va exprima procentual cantitatea

de lichid, iar segmentul “lm”, cantitatea de solid. Din acest motiv regula pârghiei

mai poartă denumirea de regula segmentelor inverse

Cat este ecuaţie eutectica, eutectoidă, peritectică.

47

Să ne reamintim:

Diagrama binară

Regula pârghiei

Regula orizontalei

Rezumat La un aliaj binar, în care atomii celor doi componenţi sunt notaţi cu A şi B,

apar în stare topită două posibilităţi:

- atomii celor doi componenţi se separă după densităţile lor, respectiv componenţii A

şi B sunt insolubili în stare lichidă;

- atomii componenţilor A şi B se dizolvă unul într-altul formând o topitură omogenă

numită soluţie lichidă, în care atomii îşi pierd individualitatea, distribuindu-se

dezordonat. În diverse aliaje se formează amestecuri mecanice între un metal pur şi o

soluţie solidă, sau între un metal pur şi un compus chimic, sau între un compus

chimic şi o soluţie solidă etc. Fazele constituente ale amestecurilor mecanice se pot

prezenta ca lamele sau globule ale unei faze, în masa celeilalte faze .


1. Aliajele Fe – C cu conţinutul de C între 2,14-4,3% sunt:

a.oţeluri hipoeutectice,

b.fonte hipoeutectoide,

c.fonte hipoeutectice,

2.Linia eutectoidă este:

a.linia ECF,

b. linia PSK,

c. linia HJB


48

Unitatea de învăţare 6. ALIAJE FIER CARBON

Cuprins

6.1. Introducere........................................................... ........................................................... 48

6.2. Competenţe.....................................................................................................................48

U.6.1. Aspectul şi particularităţile diagramei Fe-C.......................... .................... ................49

U.6.2. Mecanismul formării structurilor în diagrama Fe-Fe3C..............................................50

U.6.3. Punctele critice din sistemul Fe-Fe3C............................................. ............................ 52

U.6.4. Constituenţii de echilibru ai aliajelor Fe-Fe3C............................................................ 52

6.1. Introducere

Se prezintă aspectul diagramelor de echilibru binare care este influenţat de

natura componenţilor sistemului, de solubilitatea componenţilor în stare lichidă şi

în stare solidă, precum şi de posibilitatea apariţiei unor transformări fazice în stare

solidă. Dispunând de aceste diagrame de echilibru, se vor putea stabili condiţiile

de elaborare ale oricărui aliaj, posibilitatea de aplicare a anumitor tratamente

termice, precum şi alegerea temperaturii optime pentru tratament termic, vor putea

fă determinate fazele constituente precum şi constituenţii metalografici ai aliajelor,

etc.


Competenţe în caracterizarea şi alcătuirea diagramelor de echilibru

binare. Cunosţerea principalelor transformări şi a punctelor de echilibru .


49

ALIAJE FIER CARBON

În prezent aliajele cele mai utilizate în industria mondială sunt aliajele fierului cu carbonul,

adică fontele şi oţelurile. Aceste aliaje sunt cuprinse în diagrama Fe-C, diagramă care arată stările în

care se află acestea la diferite temperaturi, precum şi punctele critice la care în aceste aliaje se vor

produce transformări. La stabilirea aspectului acestei diagrame pe care o folosim astăzi au lucrat un

mare număr de cercetători timp de mai multe decenii.

U.6.1. ASPECTUL ŞI PARTICULARITĂŢILE DIAGRAMEI Fe-C

Aspectul diagramei Fe-C prezentat în figura 4.1.

Figura 4.1. Diagrama de echilibru Fe-C: —— sistemul nestabil (Fe-Fe3C), - - - - sistemul stabil (Fe-

grafit).

Analizând diagrama Fe-C constatăm că ea prezintă o serie de particularităţi şi anume:

a) diagrama este aparent complicată;

b) diagrama este incompletă, în ea fiind reprezentate numai aliajele cu conţinut de carbon de

până la 6,67 %;

c) diagrama prezintă două feluri de linii: linii continue şi linii întrerupte.

Studiind amănunţit particularităţile diagramei vom observa următoarele:

a) Într-adevăr, diagrama este doar aparent complicată. Ea prezintă transformări în stare

solidă care se datorează:

- transformărilor alotropice ale fierului şi

- variaţiei cu temperatura a solubilităţii carbonului în soluţiile solide alfa şi gama.

b) Diagrama este incompletă, adică este construită doar până la 6,67 % C şi nu până la 100

% C, deoarece aliajele conţinând mai mult de 6,67 % C sunt greu de obţinut şi sunt puţin utilizate.

50

c) Existenţa a două feluri de linii în diagramă este determinată de viteza de răcire la

solidificare şi de prezenţa în topitură a unor anumite elemente. Astfel, transformările pot avea loc

după liniile continue (sistemul Fe-C nestabil) sau după liniile întrerupte (sistemul Fe-C stabil).

Sistemul reprezentat prin linii continue, adică sistemul Fe-C nestabil sau metastabil, numit şi

sistemul Fe-Fe3C, este valabil în cazul când topitura este răcită cu o viteză mai. mare sau când în

lichid se găsesc în cantităţi ceva mai mari de elemente carburigene (Mn, Cr, V, Mo etc.), iar

carbonul se află în cantităţi mai reduse, separarea făcându-se sub formă de carbură de fier (Fe3C)

numită şi cementită.

Sistemul reprezentat prin linii întrerupte, adică sistemul Fe-C stabil, numit şi sistemul Fe-

grafit, este valabil în cazul când topitura este răcită cu o viteză mai mică şi când în lichid sunt

prezente în cantităţi mai mari elemente grafitizante (Si, Ni, Al etc.), iar carbonul se află în cantităţi

mai mari, separarea făcându-se sub formă de grafit.

U.6.2. Mecanismul formării structurilor în diagrama Fe-Fe3C

Aspectul diagramei Fe-Fe3C este prezentat în figura 4.2.

Figura 4.2. Diagrama Fe-Fe3C.

Linia ABCD este linia lichidus, deasupra căreia toate aliajele se vor afla în stare lichidă, iar linia

AHJECFD este linia solidus, dedesubtul căreia toate aliajele vor fi complet solidificate. Între cele

două linii se vor afla, în echilibru, soluţie lichidă şi cristale. Natura cristalelor care se vor separa

din lichid va fi diferită la diferite grupe de aliaje.

Conform regulii orizontalei:

- după linia AB se separă din topitură cristale de soluţie solidă delta;

- după linia BC, cristale de soluţie solidă gama (austenită), iar

- după linia CD, cristale de cementită primară.

În figura 4.3. este reprezentat la scară mărită colţul din stânga sus al diagramei Fe-Fe3C,

pentru a putea studia mai bine solidificarea şi transformările care au Ioc la aliajele din partea stângă

a diagramei. Astfel, conform regulii orizontalei, la solidificarea aliajelor cu un conţinut de carbon

sub 0,53 %, pe măsura coborârii temperaturii, în timpul solidificării, compoziţia chimică a soluţiei

solide delta variază după linia AH, iar compoziţia chimică a lichidului se schimbă după linia AB.

Soluţia solidă delta‚ la atingerea orizontalei HJB situată la temperatura de 1495 °C, atinge

concentraţia dată de punctul H, iar lichidul, concentraţia B.

Punctul B este un punct de inflexiune pe linia lichidus, fiind un punct peritectic, iar

orizontala HJB o orizontală peritectică. La traversarea acestei orizontale peritectice, în aliajele

situate în dreptul ei, se produce transformarea peritectică:

51

(4.1)

Odată cu scăderea temperaturii, la solidificarea aliajelor cu conţinut de carbon între 0,53 %

şi 4,3 %‚ are loc o îmbogăţire în carbon a soluţiei lichide după linia BC şi o îmbogăţire în carbon a

soluţiei solide delta după linia JE.

În timpul solidificării, la aliajele cu conţinut de carbon între 4,3 şi 6,67%, pe măsura scăderii

temperaturii, conţinutul de carbon scade după linia DC, în timp ce cristalele de cementită îşi menţin

compoziţia chimică neschimbată. Cementita, care se separă direct din lichid, a fost numită

cementită primară şi se notează cu Ce I .

Figura 4.3. Colţul din stânga sus al diagramei Fe-Fe3C.

Variaţia compoziţiei chimice a soluţiei lichide, la aliajele din dreapta şi din stânga punctului

C în timpul solidificării tinde spre valoarea dată de punctul C şi anume 4,3 % C.

Punctul C este punctul eutectic al diagramei Fe-Fe3C, iar orizontala ECF este orizontala

eutectică. La traversarea acestei orizontale eutectice, se produce transformarea eutectică:

(4.2)

adică soluţia lichidă (L) având compoziţia chimică dată de punctul “C” se transformă, la răcire în

amestecul mecanic numit ledeburită (Le) care este eutecticul diagramei Fe-Fe3C şi este format la

naşterea lui, din soluţia solidă gama cu concentraţia punctului “E” şi cementită de concentraţie “F”.

În continuare transformările care au loc sub linia solidus, se produc în aliaje deja solidificate

şi se numesc transformări în stare solidă şi ele sunt determinate şi de variaţia cu temperatura a

solubilităţii maxime a carbonului în soluţia solidă gama sau alfa.

Din diagrama Fe-Fe3C rezultă că la temperatura de 1148 °C, soluţia solidă gama conţine

procentajul maxim de carbon, dat de punctul E, respectiv 2,11 % C. Solubilitatea carbonului scade

însă pe măsura scăderii temperaturii conform liniei ES şi la temperatura de 727 °C, soluţia solidă

gama mai poate să dizolve doar maximum 0,77 % C (punctul S). Între 1148 °C şi 727 °C, în timpul

răcirii, diferenţa de carbon dizolvat în soluţia solidă gama (4,3 - 0,77) se separă sub formă de

cementită secundară, fiind notată cu Ce II .

Spre deosebire de transformarea:

(4.3)

care are loc la temperatura de 912 °C, transformarea soluţiei solide gama în soluţie alfa are loc într-

un interval de temperatură: linia GOS marcând începutul transformării, iar linia GPS, sfârşitul

transformării. În timpul acestei transformări, în timpul răcirii lente, soluţia solidă gama se

îmbogăţeşte în carbon, conform liniei GOS, iar la temperatura de 727 °C ajunge să conţină 0,77 %

C, corespunzător poziţiei punctului S.

52

Punctul S este punctul eutectoid al diagramei Fe-Fe3C iar orizontala PSKI este orizontala

eutectoidă. La temperatura acestei orizontale eutectoide se produce transformarea eutectoidă:

(4.4)

adică austenita de concentraţie eutectoidă (S) ajunsă la temperatura de 727 °C, se transformă la

răcire în perlită (Pe), care este un eutectoid, adică un amestec mecanic rezultat în urma transformării

unei soluţii solide. Perlita este formată din ferită şi cementită.

Soluţia solidă alfa (ferita), ocupă domeniul situat în stânga liniei GPQ. Conţinutul maxim de

carbon pe care îl poate dizolva ferita, este dat în punctul “P” din diagrama Fe-Fe3C, aflat la 0,0218

% C. Solubilitatea carbonului din ferită scade cu scăderea temperaturii, conform liniei PQ, iar la

temperatura ordinară, ferita poate să conţină maximum 0,002 % C (punctul Q). Diferenţa de carbon

dintre cel dizolvat la 727 °C (0,0218 % C) şi cel dizolvat la temperatura ordinară (0,002 % C) se

separă în timpul răcirii între aceste două temperaturi, sub formă de cementită. Această cementită

separată din soluţie solidă alfa, a primit denumirea de cementită terţiar ă fiind notată cu CeIII .

U.6.3. Punctele critice din sistemul Fe-Fe3C

Punctele critice reprezintă temperaturi la care în structura aliajelor fier-carbon au loc

transformări. Cunoaşterea acestor puncte este deosebit de importantă pentru tratamentele termice, în

vederea stabilirii parametrilor termici optimi.

În cazul în care ne referim la un anumit aliaj, transformarea are loc la o anumită temperatură,

reprezentată pe diagramă printr-un punct. Totalitatea punctelor, care reprezintă o anumită

transformare, pentru toate aliajele din diagramă, formează linii. Deci, în denumirea de puncte

critice, este vorba de puncte pentru aliaje bine determinate şi de linii, atunci când ne referim la

transformările respective în ansamblul diagramei.

Punctele critice la încălzire se notează Ac (în limba franceză: Arrět chauffage - oprire la

încălzire) iar cele la răcire se notează Ar (în limba franceză: Arrět refroidissement - oprire la răcire).

Sub formă de indice, după aceste litere mici se scrie o cifră care indică natura transformării din

punctul critic respectiv. Punctele critice la răcire (Ar) sunt mai coborâte decât la încălzire (Ac),

acest fenomen de întârziere Ia transformare fiind denumit histerezis termic.

În diagrama Fe-Fe3C, există şase puncte critice care sunt prezentate în figura 4.4.

Figura 4.4. Punctele critice ale diagramei Fe-Fe3C.

U.6.4. Constituenţii de echilibru ai aliajelor Fe-Fe3C

53

Constituenţii metalografici, prezentaţi în diagrama Fe-Fe3C, arată structura pe care o

prezintă diferitele aliaje cuprinse în acest sistem.

Proprietăţile diferitelor aliaje cuprinse în sistemul Fe-Fe3C depind de natura, ponderea şi

proprietăţile diferiţilor constituenţi, care vor forma structura lor. Proprietăţile unui anumit aliaj din

sistemul Fe-Fe3C sunt determinate de:

- natura constituenţilor prezenţi în aliaj,

- raportul cantitativ în care se află şi

- proprietăţile fiecărui constituent.

Constituenţii care apar în diagrama de echilibru Fe-Fe3C, sunt: ferita, austenita, cementita,

perlita şi ledeburita şi ei vor fi prezentaţi în continuare.

Ferita este o soluţie solidă de carbon în fierul alfa cu reţeaua cubică cu volum centrat, motiv pentru

care se mai numeşte şi soluţie solidă alfa. Deoarece fierul alfa dizolvă foarte puţin carbon (0,02 %

la temperatura de 727 °C şi 0,002 % la temperatura ordinară) această soluţie solidă este foarte

apropiată de fierul tehnic, motiv pentru care a primit denumirea de ferită.

Reţeaua fierului alfa, neavând spaţii interstiţiale suficient de mari, unde să se plaseze atomii de

carbon, aceştia, în cantităţi reduse, se plasează în locurile libere provocate de existenţa defectelor

reticulare, în special la limitele grăunţilor.

Figura 4.5. Influenţa conţinutului de carbon asupra aspectului la microscop al structurilor aliajelor

Fe-Fe3C.

În figura 4.5.A este prezentat aspectul la microscop al feritei care apare sub formă de grăunţi

aproximativ echiaxiali, de culoare deschisă alb-gălbuie de nuanţe diferite, în cazul atacului cu nital.

Compoziţia chimică a feritei este apropiată de cea a fierului pur, motiv pentru care

proprietăţile feritei sunt şi ele apropiate de cele ale fierului pur.

Proprietăţile feritei sunt însă influenţate de prezenţa elementelor însoţitoare din oţeluri,

unele din ele dizolvându-se în reţeaua fierului alfa (ex. manganul, siliciul. sulful, fosforul etc.)

precum şi de mărimea grăunţilor de ferită.

Din punct de vedere magnetic, ferita este feromagnetică până la temperatura de 770 °C (punctul

critic A2, cunoscut şi sub denumirea de punctul Curie).

Datorită faptului că ferita este un constituent moale şi plastic, prezenţa ei în structura

aliajelor Fe-C contribuie la obţinerea unei plasticităţi ridicate în aceste aliaje şi a unei durităţi şi

rezistenţe la rupere mai scăzute, motiv pentru care ferita este structura de bază a oţelurilor moi cu

structură feritică, folosite pe scară largă în industrie şi mai ales în construcţia de autovehicule,

supunându-se operaţiilor de deformare la rece.

Austenita este o soluţie solidă de întrepătrundere de carbon în fierul gama, cu reţeaua

cubică cu feţe centrate, motiv pentru care se numeşte şi soluţie solidă gama.

54

Austenita dizolvă carbon în cantităţi mai mari decât ferita, cantitatea maximă de carbon,

dizolvat în soluţia solidă gama, este dată de punctul E din diagrama Fe-C, care indică concentraţia

de 2,11 % C.

În oţelurile carbon, austenita este stabilă numai la temperaturi ridicate, peste 727 °C. În cazul în

care aliajul conţine însă elemente de aliere, care deplasează liniile de transformare din diagramă şi

lărgesc domeniul soluţiei solide gama, austenita poate să apară şi la temperatura ordinară.

Austenita fiind o soluţie solidă, este un constituent plastic, motiv pentru care oţelurile care

urmează a fi deformate plastic, se încălzesc la temperaturi ridicate, în domeniul austenitei, deoarece

în acest domeniu oţelurile sunt mai plastice şi se deformează uşor. Are greutatea specifică cea mai

mare, dintre constituenţii de echilibru ai aliajelor Fe-C. Din punct de vedere magnetic, austenita este

paramagnetică.

Cementita este un compus chimic respectiv o carbură de fier cu formula Fe3C, conţinând

6,67 % C, având o reţea ortorombică. Datorită acestei reţele cementita are posibilităţi reduse de

alunecare motiv pentru care are o duritate foarte ridicată şi o fragilitate foarte mare. S-a stabilit că

valoarea durităţii variază între 700-800 HB. Din cauza fragilităţii ridicate, cât şi din cauză că nu pot

fi obţinute epruvete exclusiv din cementită pentru încercarea la tracţiune, rezistenţa la rupere şi

alungirea la rupere nu pot fi determinate.

Din punct de vedere magnetic, cementita este feromagnetică sub temperatura de 210 °C

(notată cu A0 în diagrama Fe-C) şi paramagnetică, peste această temperatură.

La microscop cementita apare de culoare albă strălucitoare, în cazul în care developarea

structurii s-a făcut prin utilizarea reactivului obişnuit Nital (2-4 % acid azotic în alcool etilic), sau

de culoare brun roşcat, în cazul atacului cu picrat de sodiu în soluţie alcalină la cald. Prin acest din

urmă atac, cementita poate fi deosebită de ferită, care apare tot de culoare albă ca şi cementita, la

atacul cu Nital.

Din punct de vedere al formei sub care apare la microscop, se disting următoarele categorii

de cementită:

- cementita aciculară (sub formă de cristale primare în fontele albe hipereutectice);

- cementită sub formă de reţea (în oţelurile hipereutectoide);

- cementită globulară sau grăunţoasă (în oţelurile hipereutectoide, în care reţeaua a fost sfărâmată

prin forjare sau tratament termic sau în oţelurile eutectoide în perlită) şi

- cementită lamelară (în oţelurile eutectoide cu structură perlitică lamelară).

În structura aliajelor Fe-C, prezenţa acestui constituent, cu duritate ridicată şi fragilitate

mare, determină creşterea durităţii şi a rezistenţei şi coborârea tenacităţii.

Dintre aliajele Fe-C, fontele albe conţin cementită în cantităţi mari, motiv pentru care

fontele albe au secţiunea de rupere de culoare albă strălucitoare şi sunt foarte dure şi casante.

Perlita este eutectoidul diagramei Fe-Fe3C, fiind deci un amestec mecanic, care apare în

urma reacţiei eutectoide:

[4.5]

Perlita va avea proprietăţi intermediare între cele ale feritei, care este un constituent moale şi cele

ale cementitei, care este un constituent dur şi fragil. Este necesar să cunoaştem care este însă

ponderea în structura perlitei, a celor doi constituenţi care o formează, pentru a-i şti cât mai exact

proprietăţile.

Cu ajutorul legii pârghiei (legii segmentelor inverse) se determină raportul cantitativ dintre

fazele aflate în echilibrul. În cazul de faţă (figura 4.6), cantitatea de ferită va fi dată de segmentul

SK, (opus feritei), iar cantitatea de cementită, de segmentul PS, (opus cementitei). Raportul dintre

ferită şi cementită din structura perlitei va fi dat de relaţia:

[4.6]

55

Deci, structura perlitică conţine aproximativ 88 % ferită moale şi plastică şi 12 % cementită

dura şi fragilă. Ferita aflată în cantităţi destul de mari, contribuie la păstrarea unei tenacităţi bune,

iar cementita măreşte duritatea şi rezistenţa perlitei.

În structura perlitei, ferita şi cementita se află dispuse sub formă de lamele, de unde a rezultat şi

denumirea de perlită lamelară (figura 4.5.C).

Cu cât aceste lamele sunt mai fine, cu atât proprietăţile perlitei vor fi mai ridicate .Cei doi

constituenţi care formează perlita, mai pot să apară în anumite condiţii şi sub aspect globular,

cementita apărând sub formă de globule, pe fond de ferită (figura 4.7), amestecul numindu-se

perlită globulară.

La microscop, la măriri mai mici, la care nu se distinge aspectul lamelar sau globular, perlita apare

de culoare închisă.

Din punct de vedere magnetic perlita este feromagnetică deoarece conţine, în structura ei, ferită

feromagnetică.

Figura 4.6. Schemă pentru explicarea principiului de calcul al raportului cantitativ dintre

constituenţii aflaţi în structura perlitei şi ledeburitei.

Figura 4.7. Aspectul la microscop al perlitei globulare.

Ledeburita este eutecticul diagramei Fe-Fe3C, fiind şi ea un amestec mecanic ca şi perlita,

rezultând în urma reacţiei eutectice. La temperatura ordinară este formată din perlită şi cementită

(4.5.F).

Conform legii pârghiei, cantitatea de perlită este dată de segmentul opus perlitei, iar

cantitatea de cementită, de segmentul opus cementitei (figura 4.6). Raportul dintre cei doi

constituenţi va fi deci:

[5.7]

Din calcul rezultă că în ledeburită, cantitatea de cementită, constituent dur şi fragil, este

foarte mare (cca. 60 %), deci proprietăţile ledeburitei vor fi foarte apropiate de cele ale cementitei.

Din cauza aceasta, aliajele în care acest constituent se află în cantităţi mari (fontele albe) vor fi şi

ele foarte dure şi foarte fragile şi în general inutilizabile în construcţia de maşini.

Ledeburita apare la microscop sub un aspect pestriţ (figura 4.5.F) fiind formată din insule de

culoare închisă de perlită, pe fond de cementită de culoare deschisă.

Din punct de vedere magnetic, ledeburita este feromagnetică deoarece conţine perlită

feromagnetică.

56

Exemple

Linia ABCD din diagrama Fe –C este linia lichidus, deasupra căreia toate aliajele

se vor afla în stare lichidă, iar linia AHJECFD este linia solidus, dedesubtul

căreia toate aliajele vor fi complet solidificate. Între cele două linii se vor afla, în

echilibru, soluţie lichidă şi cristale. Natura cristalelor care se vor separa din lichid

va fi diferită la diferite grupe de aliaje. Conform regulii orizontalei:

- după linia AB se separă din topitură cristale de soluţie solidă delta;

- după linia BC, cristale de soluţie solidă gama (austenită), iar

- după linia CD, cristale de cementită primară.

Ce tipuri de constituenti metalografici sunt ferita, austenita, cementita, perlita,

ledeburita

Să ne reamintim:

Diagrama Fe –C

Puncte critice

Constituenţi de echilibru

Rezumat Analizând diagrama Fe-C constatăm că ea prezintă o serie de particularităţi şi

anume: a) diagrama este aparent complicată;

b) diagrama este incompletă, în ea fiind reprezentate numai aliajele cu

conţinut de carbon de până la 6,67 %.

Diagrama Fe-C prezintă transformări în stare solidă care se datorează:

- transformărilor alotropice ale fierului,

- variaţiei cu temperatura a solubilităţii carbonului în soluţiile solide alfa şi gama


1. Care constituenti din diagrama Fe - C sunt soluţii solide

a.cementita,

b.ferita,

c. perlita

2. Punctul eutectic este:

a.punctul S,

b.punctul C,

c. punctul J


57

Unitatea de învăţare 7. OŢELURI ŞI FONTE

Cuprins

7.1. Introducere .....................................................................................................................57

7.2. Competenţe.................................................................................................. ...................57

U.7.1. Domeniul oţelurilor carbon şi al fontelor în diagrama Fe-C......................................58

U.7.2. Oţelurile carbon......................................................................................................... 59

U.7.3. Clasificarea şi simbolizarea oţelurilor carbon ...........................................................61

U.7.4. Fonte.......... ................................................................................................................. 63

7.1. Introducere

Aliajele cu conţinut de carbon sub 2,11 % sunt oţelurile carbon. În timpul

procesului de elaborare a aliajelor metalice, în acestea rămân pe lângă componenţii

de bază şi cei de aliere, o serie de alte elemente. Unele dintre acestea po t influenţa

nefavorabil structura şi proprietăţile aliajelor, numindu-se impurităţi nocive, sau

altele pot influenţa favorabil numindu-se în acest caz, impurităţi neutre. Aceste

elemente au fost numite elemente însoţitoare deoarece sunt prezente în mod

obişnuit în aliaj. În categoria elementelor însoţitoare intră: manganul, siliciul,

sulful, oxigenul, fosforul, azotul şi hidrogenul.


Competenţe în caracterizarea şi simbolizarea oţelurilor şi fontelor.


58

OŢELURI ŞI FONTE

U.7.1. Domeniul oţelurilor carbon şi al fontelor în diagrama Fe-C

În figura 5.1 se observă că după conţinutul de carbon, aliajele se împart în două categorii:

Figura 5.1. Domeniul oţelurilor carbon şi al fontelor în diagrama Fe-C.

- oţeluri, care conţin până la 2,11 % C;

- fonte, cu un conţinut de carbon de la 2,11 până la 6,67 % C.

După conţinutul de carbon (poziţia în diagramă în raport cu punctul eutectoid S), oţelurile se

subîmpart în:

- oţeluri hipoeutectoide, care conţin până la 0,77 % C şi la temperatura ambiantă prezintă o

structură alcătuită din ferită şi perlită;

- oţeluri eutectoide, care conţin 0,77 % C şi au la temperatura ambiantă o structură perlitică;

- oţeluri hipereutectoide, care conţin între 0,77 şi 2,11 % C şi a căror structură, la temperatura

ambiantă este formată din perlită şi cementită secundară.

La rândul lor, după conţinutul de carbon (poziţia în diagramă în raport cu punctul eutectic C),

fontele se clasifică în:

- fonte hipoeutectice care conţin între 2,11 şi 4,3 % C şi a căror structură, la temperatura ambiantă,

este alcătuită din perlită, cementită secundară şi ledeburită;

- fonte eutectice, care conţin 4,3 % C şi a căror structură, la temperatura ambiantă, este formată

numai din ledeburită;

59

- fonte hipereutectice, care conţin între 4,3 şi 6,67 % C, având la temperatura ambiantă o structură

alcătuită din ledeburită şi cementită primară.

Fontele din sistemul Fe-Fe3C se numesc fonte albe datorită aspectului argintiu al rupturii,

determinat de prezenţa masivă a cementitei.

U.7.2. OTELURILE CARBON

Aşa după cum s-a arătat mai înainte, aliajele cu conţinut de carbon sub 2,11 % sunt oţelurile

carbon.

Influenţa elementelor însoţitoare asupra structurii şi proprietăţilor oţelurilor carbon

În timpul procesului de elaborare a aliajelor metalice, în acestea rămân pe lângă componenţii

de bază şi cei de aliere, o serie de alte elemente. Unele dintre aces tea pot influenţa nefavorabil

structura şi proprietăţile aliajelor, numindu-se impurităţi nocive, sau altele pot influenţa favorabil

numindu-se în acest caz, impurităţi neutre. Aceste elemente au fost numite elemente însoţitoare

deoarece sunt prezente în mod obişnuit în aliaj.

În categoria elementelor însoţitoare intră: manganul, siliciul, sulful, oxigenul, fosforul, azotul şi

hidrogenul.

Manganul provine în oţel din feromanganul introdus în timpul elaborării pentru dezoxidare

şi desulfurare. Manganul, parţial se dizolvă, parţial formează o serie de compuşi chimici în oţel. La

temperatura ordinară, fierul a dizolvă până la 10 % Mn. Dizolvându-se în ferită, manganul o

durifică îmbunătăţindu-se astfel proprietăţile mecanice.

De asemenea manganul formează cu carbonul, carbura de mangan Mn3C care contribuie la mărirea

durităţii şi rezistenţei la rupere a oţelului.

Deci observăm că manganul are o influenţă pozitivă asupra oţelurilor carbon, la aceasta adăugându-

se şi faptul că el contracarează influenţa negativă a sulfului. În timpul elaborării oţelului, deoarece

are o afinitate mai mare pentru sulf decât fierul, manganul leagă astfel sulful în sulfura de mangan

(MnS) care având o greutate specifică mai mică, se ridică la suprafaţa băii metalice şi se elimină

prin zgură. În cazul în care sulfura de mangan rămâne totuşi în oţel, ea are o influenţă mai puţin

dăunătoare decât sulfura de fier, deoarece are o temperatură de topire mai ridicată decât sulfura de

fier.

Manganul se mai poate găsi în oţel şi sub formă de incluziuni nemetalice cum sunt: MnO,

MnS, MnOSiO2 , (MnO)2Si2 , care se prezintă în mod obişnuit sub formă de incluziuni la limita

grăunţilor.

Conform standardelor, cantitatea de mangan în oţelurile carbon este de maximum 0,8 %. Dacă se

depăşeşte acest procentaj manganul nu mai este considerat element însoţitor, ci element de aliere şi

oţelul nu mai este oţel carbon, ci oţel aliat cu mangan.

Siliciul provine în oţel, parţial din fonta brută care a servit la elaborarea oţelului, parţial din

căptuşeala cuptorului de elaborare, din zgură şi din ferosiliciul utilizat pentru dezoxidare.

Deoarece la temperatura ordinară fierul alfa dizolvă până la 14 % Si, în cea mai mare parte

siliciul se dizolvă în ferită ridicându-i duritatea şi limita de elasticitate.

Datorită afinităţii mari faţă de oxigen siliciul apare în oţel sub formă de incluziuni

nemetalice de oxizi ca SiO2 (silice) sau silicaţi sau oxizi-silicaţi ca (FeO)2SiO2 ; (MnO)2SiO2 ; SiO2 ,

care în urma deformării plastice (laminării) primesc o formă alungită rezultând în oţeluri structura

fibroasă.

De obicei, siliciul se adaugă în oţelurile carbon la dezoxidare sub formă de ferosiliciu, în

scopul legării oxigenului şi reducerii oxidului feros (FeO). În oţelurile astfel dezoxidate incomplet

(semicalmate), conţinutul de siliciu este de 0,1 %. În oţelurile necalmate conţinutul de siliciu este

sub 0,02 % Si.

60

Dacă cantitatea de siliciu în aliaj depăşeşte 1 % atunci siliciul este considerat element de

aliere, iar aliajul se consideră oţel aliat cu siliciu. În oţelurile carbon de construcţie conţinutul admis

de siliciu este de maximum 0,5 %.

Sulful provine în oţel din fonta brută care a servit pentru elaborarea oţelului, iar în aceasta

ajunge din minereu şi mai ales din cocsul utilizat la elaborarea fontei. Nu se dizolvă în ferită ci

formează în oţel sulfuri, în special sulfură de fier (FeS) care formează la rândul ei cu fierul un

eutectic (Fe-FeS) care se plasează la limitele grăunţilor, topindu-se la temperatură relativ scăzută

(985 °C).

Acest eutectic, prin încălzirea oţelului pentru forjare, la temperaturi de 800-1200 °C se topeşte,

făcând materialul “fragil la cald”. Deci, sulful conferă oţelului “fragilitate la cald” sau “fragilitate la

roşu”, fenomen nedorit care poate fi prevenit prin limitarea conţinutului de sulf la max. 0,04 %.

După cum s-a arătat mai sus, efectul dăunător al sulfului este contracarat de mangan. Dacă

sulful se găseşte sub formă de sulfură de mangan de formă globulară, repartizată uniform în oţel,

atunci poate avea un efect pozitiv deoarece îmbunătăţeşte prelucrarea prin aşchiere a oţelului.

Tocmai pentru acest motiv se admite prezenţa sulfului în cantităţi mai mari şi anume de 0,15 -0,30

% S, în oţelurile pentru automate care trebuie să dea o aşchie fragilă care să se rupă în bucăţele.

Fosforul provine în oţel din fonta brută de furnal, iar în aceasta din urmă, din minereu.

Conţinutul de fosfor din oţel este în funcţie de procedeul prin care a fost elaborat oţelul. În oţelul

elaborat în convertizorul Bessemer, conţinutul de fosfor din fontă se păstrează în întregime

conţinând O0,07-0,12 % P. Prin aplicarea procedeelor bazice, fosforul este în mare parte îndepărtat,

astfel încât în oţelul Martin bazic, el rămâne doar în cantităţi de 0,02-0,04 %. Conţinutul de fosfor

în oţelul electric este sub 0,02 %. În oţel în cea mai mare parte fosforul se dizolvă în ferită, formând

cu aceasta o soluţie solidă de substituţie. Fosforul având un diametru atomic mare, deformează

reţeaua, ridicându-i feritei duritatea şi rezistenţa, dar coborându-i în acelaşi timp plasticitatea şi

tenacitatea. La 0,3 % P, de exemplu, rezilienţa devine aproape nulă. Se spune din această cauză că

fosforul conferă oţelului fragilitate la rece.

Cantităţile de fosfor admise în diferite oţeluri sunt funcţie de proprietăţile care se urmăresc

şi de destinaţia aliajelor respective. Astfel în oţelurile pentru automate, din care se execută în

general piese mai puţin solicitate şi de la care se cere în primul rând formarea unei aşchii fragile la

operaţiile de aşchiere, fragilitatea conferită de fosfor joacă un rol favorabil şi conţinutul admis de

fosfor în aceste oţeluri se ridică până la 0,1 - 0,15 % P.

Cantitatea de fosfor admisă în oţelurile destinate executării unor piese solicitate şi la şocuri, pentru a

se asigura o tenacitate corespunzătoare, este în valori de sutimi de procent, în funcţie de conţinutul

de carbon şi structura oţelului respectiv.

În oţelurile cu conţinut ridicat de carbon cum sunt de exemplu oţelurile de scule în care şi aşa

tenacitatea este mai redusă, conţinutul de fosfor este limitat la 0,03 % P. În oţelurile cu conţinut

scăzut de carbon, care au în general o plasticitate şi tenacitate mai bună, se admite un conţinut de

fosfor de maximum 0,04 % P.

În oţelurile destinate executării tablelor subţiri pentru ambutisări adânci, ce pot fi executate numai

din materiale cu o plasticitate foarte bună şi o limită de elasticitate redusă, conţinutul de fosfor

trebuie să fie la limita inferioară (0,02 - 0,03 % P).

Oxigenul provine în oţel, parţial din fontă în care ajunge din minereuri şi parţial din

contactul cu aerul în timpul elaborării oţelului. Oxigenul mai poate pătrunde în oţelul în stare solidă

în timpul încălzirii la temperatură ridicată, prin difuzia care are loc de -a lungul limitelor grăunţilor.

Oxigenul se găseşte în oţel, dizolvat în soluţie solidă alfa în cantitate foarte mică (sub 0,05 %), dar

mai ales sub formă de compuşi chimici numiţi oxizi. În timpul elaborării o parte din oxizi se ridică

la suprafaţa topiturii şi se elimină împreună cu zgura, iar o parte rămân în oţel sub formă de

incluziuni.

În oţel pot apărea următoarele tipuri de oxizi : oxidul feros (FeO), care atunci când are atomi de

oxigen în exces se numeşte wustită, oxidul feric (Fe203) numit şi hematită şi magnetită (Fe304).

Wustita, la răcire la 550 °C se descompune în fier şi magnetită iar hematita şi magnetita sunt stabile

până la temperatura mediului ambiant.

61

Pe lângă oxizii de fier, în structura aliajului mai apar şi compuşi ai oxigenului cu alte elemente cum

ar fi: Al203 , Si02 , Cr03 , Ti02 , Zr02 , (FeMn)O, FeOSiO2 , AI2O3FeO şi altele.

Conţinutul maxim de oxigen în oţelurile carbon este de 0,05 %.

Azotul provine în oţel din aerul cu care vine în contact la elaborare, motiv pentru care

conţinutul de azot din oţel este influenţat de procedeul prin care a fost elaborat oţelul, variind

funcţie de aceasta între 0,01 - 0,03 % N.

În oţelurile electrice, conţinutul de azot este mai ridicat decât în oţelurile Martin, iar în oţelurile

elaborate în convertizor, mai ridicat decât în oţelurile electrice.

Azotul se găseşte dizolvat în soluţie solidă alfa, la temperaturi peste 590 °C, unde se poate menţine

şi prin călire. De la această temperatură, solubilitatea azotului scade cu scăderea temperaturii şi la

răcire, ferita devine suprasaturată în azot, eliminând azotul în exces sub formă de nitrură de fier

(Fe4N). Această separare determină creşterea fragilităţii oţelului, deci micşorarea rezistenţei.

Deformarea plastică la rece favorizează separarea azotului din ferită suprasaturată şi deci apariţia

fenomenului de fragilizare.

Fragilizarea oţelului determinată de precipitarea azotului în exces, sub formă de nitruri sau a

carbonului în exces sub formă de cementită terţiară, poartă denumirea de îmbătrânire a oţelului. La

oţelurile deformate plastic, îmbătrânirea se produce la temperaturi inferioare temperaturii de

recristalizare şi ea apare în cursul a 15 -16 zile de la această deformare, la temperatura ordinară, iar

când temperatura este de 200 - 350 °C, apare în câteva minute. Ea este mai frecventă la aşa numitele

oţeluri moi, cu conţinut scăzut de carbon, care în mod obişnuit prezintă o plasticitate şi rezistenţă la

şocuri foarte bune.

Hidrogenul provine în oţel în timpul elaborării, fie din adaosurile care conţin hidrogen şi

care sunt introduse în oţel la elaborare (ferosiliciu, var), fie din căptuşeala cuptorului sau a oalei de

turnare. Hidrogenul mai poate fi absorbit de oţel şi prin difuzie, în timpul încălzirii aliajului solid.

În cazul decapării oţelurilor, hidrogenul pătrunde în acesta şi formează sufluri de decapare. În acest

caz limitarea pătrunderii hidrogenului deci formarea suflurilor se poate face prin adăugarea de

inhibitori în soluţia de decapare.

Hidrogenul se poate afla în oţel sub două forme de bază şi anume: în stare atomică, când formează

cu fierul o soluţie solidă de interstiţie şi în stare moleculară, când rămâne inclus la locul de formare,

creând presiuni asupra aliajului solidificat, presiuni ce pot da naştere la fisuri microscopice,

denumite fulgi. În general fulgii apar în oţelurile aliate deformate plastic la cald, în cazul în care

după aceasta, răcirea nu s-a făcut suficient de lent pentru ca hidrogenul în exces să se poată elimina

din oţel. Deci, pentru a evita apariţia fulgilor, răcirea după deformarea plastică la cald trebuie făcută

cu viteză mică.

Din cele de mai sus se observă că hidrogenul determină scăderea rezistenţei şi tenacităţii, făcând

oţelul fragil.

U.7.3. Clasificarea şi simbolizarea oţelurilor carbon

În momentul de faţă dispunem de mai multe tipuri de clasificări ale oţelurilor carbon, având

la bază criterii diferite de simbolizare.

Dacă se vor lua pe rând fiecare din clasificările prezentate, se pot arăta următoarele în legătură cu

mărcile cuprinse în clasificarea respectivă şi în legătură cu simbolizarea acestor mărci. Simbolurile

sunt grupe de litere şi cifre, care caută să redea, în mod sintetic, principalele caracteristici ale

oţelului respectiv.

În funcţie de principiul care a stat Ia baza simbolizării, simbolizările oţelurilor pot să dea indicaţii

privind compoziţia chimică a oţelului respectiv, caracteristicile lui mecanice, destinaţia oţelului sau

chiar procedeul prin care a fost elaborat.

În cazul clasificării după modul de prelucrare, în cadrul simbolurilor se face precizarea dacă oţelul a

fost turnat sau a fost deformat plastic (laminat, forjat, matriţat etc.). Această precizare este necesară

62

deoarece proprietăţile pieselor obţinute prin deformare plastică sunt mai bune decât a celor obţinute

prin turnare.

Când oţelul a fost obţinut prin turnare, în simbol apare litera “T”, iar când a fost obţinut prin

laminare, litera “L”.

Cea mai răspândită clasificare a oţelurilor carbon este cea după domeniul lor de utilizare,

subîmpărţindu-se în două mari clase:

- oţeluri de construcţie şi

- oţeluri de scule.

Oţelurile de construcţie sunt destinate a fi utilizate în:

- construcţiile metalice (poduri metalice, structuri metalice etc.) şi în

- construcţiile mecanice, adică executarea de piese pentru diferite maşini, instalaţii, utilaje,

maşini unelte, automobile etc.

Oţelurile de scule sunt destinate executării de scule pentru prelucrarea metalelor şi anume:

atât scule destinate prelucrării metalelor prin aşchiere (cuţite de strung, freze, burghie etc.) cât şi

scule pentru prelucrarea metalelor prin deformări plastice (matriţe, poansoane, filiere e tc.) şi scule

pentru efectuarea de măsurători (calibre).

Cea mai mare parte a oţelurilor carbon de construcţie o reprezintă oţelurile de construcţie cu

destinaţie generală, care pot fi de două feluri:

- oţeluri carbon obişnuite şi

- oţeluri carbon de calitate.

Oţelurile carbon obişnuite sunt folosite în mod curent pentru construcţii metalice sau piese

de maşini mai puţin solicitate, motiv pentru care, în mod obişnuit, nu se tratează termic. Deoarece

piesele confecţionate din aceste oţeluri vor avea caracteristicile mecanice cu care sunt livrate de

producătorul oţelului, în simbolurile oţelurilor carbon, se menţionează valoarea principalei

caracteristici mecanice, rezistenţa la rupere minimă (Rm ).

Simbolizarea acestor oţeluri se face prin două litere care indică: O - oţel; L - laminat (sau T -

turnat), urmat de două cifre, care indică rezistenţa la rupere prin tracţiune, minimă, exprimată în

daN/mm2 (ex. OL 32; OT 40).

Produsele laminate se livrează de obicei fără tratament termic sau cu tratament de

normalizare, care poate fi înlocuit, în unele cazuri, cu o răcire dirijată, în vederea obţinerii

caracteristicilor mecanice cerute. Produsele forjate se livrează în stare normalizată sau recoaptă.

Oţelurile carbon de calitate se deosebesc de oţelurile carbon obişnuite prin calitatea mai

bună pe care o au, calitate rezultată dintr-o elaborare mai îngrijită şi de un conţinut mai scăzut în

elemente dăunătoare (sulf şi fosfor). Datorită calităţii mai ridicate a acestor oţeluri, ele sunt folosite

pentru confecţionarea de piese de răspundere mai mare, supuse la solicitări mai importante inclusiv

Ia şocuri.

O altă deosebire între oţelurile carbon obişnuite şi cele de calitate, constă în faptul că dacă

primele nu se tratează termic în mod obişnuit, celelalte se tratează termic în mod curent pentru

ridicarea suplimentară a proprietăţilor.

Acest lucru influenţează simbolizarea oţelurilor carbon de calitate ce se face nu după proprietăţile

mecanice care se schimbă în cursul tratamentelor ci după compoziţia chimică (conţinutul de carbon)

care nu se schimbă în timpul operaţiilor de tratament termic. Compoziţia chimică este necesară a fi

cunoscută pentru stabilirea parametrilor de tratament termic.

Oţelurile carbon de calitate se supun următoarelor operaţii de tratament termic: cementare +

tratament termic final la oţelurile de cementare şi îmbunătăţire (călire + revenire înaltă) Ia oţelurile

de îmbunătăţire.

Simbolurile acestor oţeluri cuprind:

- grupul de litere OLC care indică oţel (O), laminat (L), de calitate (C);

- grupul de cifre (10 - 60) care indică conţinutul de carbon în sutimi de procente (0,1 - 0,6).

Oţelurile carbon de scule se subîmpart în: oţeluri carbon de scule cu destinaţie precisă şi oţeluri

carbon de scule cu destinaţie generală.

63

Oţeluri carbon de scule cu destinaţie generală se utilizează pentru executarea sculelor şi anume:

scule de aşchiere, scule folosite la deformări plastice (matriţe, poansoane) şi instrumente de măsură

(calibre etc.).

Proprietăţile pe care trebuie să le aibă oţelurile de scule pentru a asigura o funcţionare

corespunzătoare sculelor respective sunt:

- duritate ridicată (60 - 65 HRC), superioară celei a materialului de aşchiat;

- tenacitate suficientă, astfel încât tăişurile sculelor să nu se ştirbească sub apăsarea aşchiilor;

- rezistenţă la uzură ridicată, pentru a asigura păstrarea dimensiunii şi formei tăişului sculei timp

îndelungat;

- stabilitate la temperaturi ridicate, aşa încât materialul să-şi poată menţine duritatea şi proprietăţile

aşchietoare, chiar după încălziri repetate, ce au loc în timpul aşchierii, mai ales la viteze de aşchiere

mai mari;

- călibilitate bună.

Sunt situaţii în care ultimele două proprietăţi sunt deficitare Ia oţelurile carbon de scule şi în

această situaţie se utilizează oţeluri aliate de scule.

Oţelurile carbon de scule se tratează termic.

Principiul de simbolizare a oţelurilor carbon de scule are la bază compoziţia chimică, exprimată

prin procentajul de carbon.

Grupul de litere are următoarea semnificaţie: O - oţel; S - scule; C - carbon; M - un conţinut mai

ridicat de mangan iar cifra indică conţinutul mediu de carbon, în zecimi de procente.

În general oţelurile de scule au un conţinut de carbon variind între 0,6 şi 1,3 % C.

U.7.4. FONTE

Microstructura şi proprietăţile fontelor albe

Fontele albe au un conţinut de carbon mai mare de 2,11 % C, fiind situate în diagrama fier-

cementită în domeniul din dreapta punctului E (2,11 % C). Structura fontelor albe este indicată în

câmpurile diagramei Fe-Fe3C. În funcţie de poziţia lor faţă de punctul eutectic (C) se disting:

- fontele albe hipoeutectice, cu conţinut de carbon variind între 2,11 - 4,3 % şi cu structura formată

din perlită, cementită secundară şi ledeburită;

- fontele albe eutectice, conţinând 4,3 % C şi având o structură ledeburitică;

- fontele albe hipereutectice, cu un conţinut de carbon între 4,3 şi 6,67 % C cu structura formată din

ledeburită şi cementită primară.

În structura fontelor albe intră o cantitate mare de cementită. Datorită durităţii foarte ridicate

a cementitei (750 HB) şi a ledeburitei (700 HB), fontele albe sunt aliaje foarte dure dar şi foarte

fragile, motiv pentru care au o utilizare limitată în construcţia de maşini.

Sunt utilizate fontele albe hipoeutectice, în care nu apare cementita primară, iar ledeburita se

găseşte în cantităţi mai reduse şi fragilitatea ridicată este atenuată de prezenţa perlitei. Fontele albe

perlitice sunt folosite pentru executarea corpurilor de măcinare din morile de ciment pentru

măcinarea klinkerului.

În construcţia de maşini, din fonta albă se toarnă piese care sunt supuse ulterior operaţiei de

maleabilizare, prin care sunt obţinute în final piese din fontă maleabilă.

Fonte cu crustă dură Acestea au o utilizare ceva mai largă decât fontele albe. Caracteristica acestor fonte este că

ele au structuri diferite în miez şi Ia suprafaţă, datorită diferitelor viteze de răcire. Datorită unor

răciri mai lente în miez, transformările au loc parţial după diagrama fier-grafit, obţinându-se o

64

structură de fontă cenuşie, în timp ce la suprafaţă, viteza de răcire mai mare face ca transformările

să se producă după diagrama fier-cementită cu formarea unei structuri de fontă albă.

Grosimea stratului de fontă albă de la suprafaţă (crustă dură) este de 12-30 mm, având duritate mare

şi rezistenţă ridicată la uzură. El se obţine în general prin turnarea fontei respective în forme

metalice (cochile) care răcesc mai intens.

Din fonta cu crustă dură se toarnă piese care lucrează în condiţii de uzură foarte intensă cum sunt:

cilindrii de laminor pentru siderurgie, calandrii pentru industria chimică şi a hârtiei, axele cu came

pentru motoarele cu ardere internă, roţile pentru vagoane etc.

Fonte cenuşii

Explicarea formării structurii fontelor cenuşii, necesită utilizarea atât a diagramei fier-grafit

cât şi a diagramei fier-cementită, deoarece carbonul se poate separa în ambele forme: atât sub formă

de grafit cât şi sub formă de cementită. Această situaţie este determinată de valorile reciproce ale

energiilor libere pe care le au lichidul, cementita şi grafitul în diferite intervale de temperatură.

Microstructura fontelor cenuşii (figura 5.2) este formată din incluziuni de grafit înglobate într -o

masă metalică de bază.

Figura 5.2. Schema microstructurii fontei cenuşii, sc.: 100:1.

Clasificarea, simbolizarea, proprietăţile şi domeniile de utilizare ale fontelor cenuşii

Fonta cenuşie are masa metalică de bază formată din diferiţi constituenţi, în funcţie de

condiţiile concrete în care s-a format structura respectivă. Astfel, masa metalică de bază poate fi:

- feritică, în cazul în care carbonul a suferit o grafitizare totală, fonta numindu-se fontă cenuşie

feritică;

- ferito-perlitică, în cazul în care a avut loc o descompunere parţială a cementitei din eutectoid,

fonta numindu-se fontă cenuşie ferito-perlitică;

- perlitică, în cazul în care transformarea eutectoidă a avut loc după sistemul fier-cementită, fonta

numindu-se fontă cenuşie perlitică;

- perlito-cementitică, în cazul în care transformarea eutectoidă a avut loc după sistemul fier-

cementită, iar cementita secundară nu a suferit descompunere sau a suferit doar descompunere

parţială, fonta numindu-se fontă cenuşie perlito-cementitică.

Proprietăţile diferitelor tipuri de fontă cenuşie sunt determinate de constituenţii din structura lor.

Fonta cenuşie feritică, având în structură ferita, care este moale şi plastică, va prezenta o

rezistenţă mai redusă (Rm = 12 daN/mm2

) şi o tenacitate mai bună.

Fonta cenuşie ferito-perlitică având în structură pe lângă ferită şi constituentul mai dur şi

mai rezistent, care este perlita, va avea o rezistenţă (Rm = 12 - 18 daN/mm

2 ) şi o duritate mai

ridicată decât fonta cenuşie feritică.

Astfel, fontele feritice şi ferito-perlitice se folosesc în construcţia de maşini pentru confecţionarea

de piese puţin solicitate.

65

Fonta cenuşie perlitică, având o structură perlitică se caracterizează printr-o rezistenţă şi

mai bună (Rm = 24 daN/mm

2 ) din ea confecţionându-se: pistoane, cilindrii, corpuri de mecanisme

etc.

Cu cât perlita din structură este mai fină, cu atât proprietăţile mecanice sunt mai ridicate.

Fonta cenuşie perlito-cementitică, având în structură pe lângă perlită şi particule de

cementită care au o duritate şi mai ridicată şi în special o rezistenţă la uzură superioară, este utilizată

pentru confecţionarea de piese solicitate la uzură ca de exemplu segmenţi de piston.

Simbolizarea fontei cenuşii se face după proprietăţile ei mecanice respectiv după rezistenţa la

rupere la tracţiune. Simbolul se compune din literele Fc, care indică fontă (F) cenuşie (c), urmată de

trei cifre care indică rezistenţa minimă la rupere la tracţiune în N/mm2.

De exemplu, simbolul Fc 100 indică o fontă cenuşie cu rezistenţă la rupere Ia tracţiune

minimă de 100 N/mm2.

Ultimele două mărci (Fc 350 şi Fc 400) sunt fonte modificate şi se fabrică numai cu acordul

producătorului.

Proprietăţile mecanice ale fontelor cenuşii pot fi ridicate acţionând asupra structurii ei, adică

asupra masei metalice de bază şi a incluziunilor de grafit.

Asupra incluziunilor de grafit se va acţiona în sensul obţinerii acestor incluziuni: în cantităţi mai

mici, de dimensiuni mai reduse şi de forme cât mai convenabile. S -a constatat, că în ceea ce priveşte

forma incluziunilor, efectul cel mai nefavorabil îl exercită capetele ascuţite ale incluziunilor care

provoacă efectul de crestătură în masa fontei, iar mai convenabilă ar fi forma cu capetele rotunjite

sau forma globulară (nodulară). Se poate obţine grafit de forme mai convenabile în fontele

maleabile şi în fontele modificate.

Asupra masei metalice de bază se poate acţiona în vederea îmbunătăţirii proprietăţilor prin:

- alierea fontelor cenuşii şi obţinerea de fonte cenuşii aliate;

- tratament termic aplicat fontelor cenuşii.

Fonte maleabile

La aceste fonte grafitul se obţine sub formă de grafit în cuiburi sau grafit de recoacere,

(figura 5.3), în urma descompunerii cementitei .

Această reacţie are loc ca rezultat a supunerii fontei albe unei operaţii de tratament termic, numită

recoacere de maleabilizare.

Prin recoacere de maleabilizare care constă în încălzirea, menţinerea la anumite temperaturi

şi răcirea ulterioară cu anumite viteze de răcire a fontei albe, cementita din fonta albă se

descompune, după reacţia prezentată mai sus, rezultând carbonul sub formă de grafit în cuiburi.

Figura 5.3. Microstructura fontelor maleabile: albe (a), negre (b) şi perlitice (c), sc. 200: 1.

În figura 5.4 este prezentată ciclograma recoacerii de maleabilizare.

În ciclograma prezentată observăm două regimuri distincte de maleabilizare (a şi b),

diferenţa între ele constând în modul cum se face răcirea la traversarea punctului critic A1 , la care

are loc transformarea eutectoidă.

Dacă traversarea acestui punct se face cu o viteză mai mare (regimul a), reacţia eutectoidă se

produce după sistemul fier-cementită, obţinându-se eutectoidul cu cementită (perlită). În acest caz,

66

masa metalică a fontei maleabile va fi perlitică, cu secţiunea de rupere de culoare albă strălucitoare,

motiv pentru care fonta poartă denumirea de fontă maleabilă cu inimă albă (figura 5.3,a).

Dacă traversarea punctului critic A1 se face cu o viteză mai mică (regimul b), reacţia

eutectoidă se produce după sistemul Fe-Grafit şi austenita se va transforma în eutectoid cu grafit,

format din ferită + grafit. În acest caz, masa metalică a acestei fonte va fi feritică, iar cantitatea de

grafit din structură va fi mai mare, deci secţiunea de rupere va apare de culoare închisă, motiv

pentru care fonta poartă denumirea de fontă maleabilă cu inimă neagră (figura 5.3,b).

O altă categorie de fontă maleabilă este fonta maleabilă perlitică. Această fontă, după

maleabilizare se mai supune suplimentar unor operaţii de tratament termic care transformă masa

metalică de bază în structuri de neechilibru cu proprietăţi mecanice ridicate (sorbită, troostită,

bainită, martensită etc), structuri care se vor analiza în capitolul referitor la tratamente termice.

Figura 5.4. Ciclograma recoacerii de maleabilizare pentru obţinerea fontei maleabile cu inimă albă

(a) respectiv neagră (b).

Deoarece obţinerea fontelor maleabile este de lungă durată (100 - 120 ore), s-au căutat procedee

mai rapide de obţinere a lor.

Procesul de grafitizare poate fi accelerat prin:

- inocularea fontei lichide cu aluminiu;

- ridicarea temperaturii de încălzire, înainte de turnare;

- ridicarea temperaturii de încălzire de la recoacerea de maleabilizare;

- o încălzire la 350 - 400 °C timp de 7 - 8 ore înainte de maleabilizare, în scopul eliminării mai

complete a oxigenului şi azotului din fontă.

Aceste procedee micşorează stabilitatea cementitei, măresc viteza de difuzie a carbonului,

accelerând astfel procesul de grafitizare.

Cea mai eficace metodă constă în combinarea inoculării cu aluminiu cu degazarea prin încălzire la

350 - 400 °C înainte de maleabilizare.

Simbolizarea fontelor maleabile se face astfel: F - fontă, m - maleabilă; a - albă; n - neagră

sau p - perlitică, iar cifrele adăugate simbolului reprezintă rezistenţa la rupere prin tracţiune,

exprimată în N/mm2

.

Fontele maleabile, datorită proprietăţilor mecanice superioare, se folosesc pentru executarea unor

piese de mai mare răspundere, solicitate la sarcini statice apreciabile, precum şi la sarcini dinamice

şi vibratorii cum ar fi: punţi spate pentru autovehicule, cârlige, coliere, bucşi etc.

După cum s-a arătat, influenţarea formei grafitului prin maleabilizare prezintă dezavantajul unei

durate lungi care măreşte preţul de cost al pieselor turnate din fontă maleabilă, motiv pentru care se

utilizează un procedeu mai rapid şi mai ieftin şi anume modificarea fontelor cenuşii şi obţinerea

fontelor modificate.

Fonte modificate

Prin introducerea (inocularea) în fonta cenuşie topită a unor substanţe numite modificatori,

se obţine fonta modificată. Sunt utilizate următoarele categorii de fonte modificate:

67

- fonte modificate cu grafit lamelar;

- fonte modificate cu grafit vermicular;

- fonte modificate cu grafit nodular.

În figura 5.5. este prezentată forma grafitului din cele trei categorii de fonte modificate.

Figura 5.5. Principalele forme ale incluziunilor de grafit: A - grafit lamelar grosolan cucapete

ascuţite; B - grafit lamelar fin cu capete rotunjite; C - grafit vermicular; D - grafit punctiform; E -

grafit în cuiburi; F - grafit nodular.

Exemple

Principiul de simbolizare a oţelurilor carbon de scule are la bază compoziţia

chimică, exprimată prin procentajul de carbon.

Grupul de litere are următoarea semnificaţie: O - oţel; S - scule; C - carbon; M -

un conţinut mai ridicat de mangan iar cifra indică conţinutul mediu de carbon, în

zecimi de procente.

În general oţelurile de scule au un conţinut de carbon variind între 0,6 şi 1,3 % C.

Ce tipuri de oţeluri şi fonte utilizăm în industrie.

Să ne reamintim:

Diagrama Fe –C a oţelurilor

Oţeluri

Fonte

Rezumat După conţinutul de carbon (poziţia în diagramă în raport cu punctul eutectoid S),

oţelurile se subîmpart în:

- oţeluri hipoeutectoide, care conţin până la 0,77 % C şi la temperatura ambiantă

prezintă o structură alcătuită din ferită şi perlită;

- oţeluri eutectoide, care conţin 0,77 % C şi au la temperatura ambiantă o structură

perlitică;

- oţeluri hipereutectoide, care conţin între 0,77 şi 2,11 % C şi a căror structură, la

68

temperatura ambiantă este formată din perlită şi cementită secundară.

La rândul lor, după conţinutul de carbon (poziţia în diagramă în raport cu punctul

eutectic C), fontele se clasifică în:

- fonte hipoeutectice care conţin între 2,11 şi 4,3 % C şi a căror structură, la

temperatura ambiantă, este alcătuită din perlită, cementită secundară şi ledeburită;

- fonte eutectice, care conţin 4,3 % C şi a căror structură, la temperatura ambiantă,

este formată numai din ledeburită;

- fonte hipereutectice, care conţin între 4,3 şi 6,67 % C, având la temperatura

ambiantă o structură alcătuită din ledeburită şi cementită primară.

Fontele din sistemul Fe-Fe3C se numesc fonte albe datorită aspectului argintiu al

rupturii, determinat de prezenţa masivă a cementitei.



a. crom,

b. molibden

c. nichel

2. Oţelurile criogenice au ca element de aliere principal:

a. crom,

b. molibden

c. nichel

3. Oţelurile inoxidabile au:

a. peste 12% Cr.

b. peste 20% Cr.

c. sub 12% Cr.


69

Unitatea de învăţare 8. OBŢINEREA MATERIALELOR METALICE

Cuprins

8.1. Introducere..................................................................................................................... ..69

8.2. Competenţe......................................................................................................................69

U.8.1. Principalele materiale folosite în tehnică, minereurile şi prepararea lor, metode de

extragere a metalelor din minereuri........................................................................................70

U.8.2. Metalurgia fontei.........................................................................................................71

U.8.3. Metalurgia oţelului .............................................................................. .......................74

U.8.4. Turnarea continuă a lingourilor de oţel ....................................................................... 76

8.1. Introducere

În natură metalele se găsesc în diverse combinaţii chimice cu oxigenul,

sulful, carbonul etc., formând mineralele (ex. pirita Fe S, siderita Fe CO3).

Zăcămintele conţin pe lângă mineralale utile şi mineralele sterile (de exemplu:

calcar, argilă, nisip, etc.).

Metalele se obţin din minereuri, prin operaţii de preparare mecanică, urmate

de operaţii metalurgice.

Fonta se obţine ca produs primar prin reducerea oxizilor de fier din minereuri,

folosind ca reducător oxidul de carbon şi carbonul. Această fontă se numeşte fontă

de primă fuziune sau fontă brută. Oţelul se elaborează din fontă şi fier vechi.

Proporţia dintre aceste două materiale depinde de agregatul de elaborare, unele

folosind aproape în exclusivitate fierul vechi unele o proporţie foarte mare de fontă

lichidă şi altele proporţii variabile de fontă şi fier vechi (Cuptoarele Siemens-

Martin).


Competenţe în caracterizarea şi cunoasterea principalelor metode de

obţinere a fontelor şi a oţelui din minereuri de fier.


70

OBŢINEREA MATERIALELOR METALICE

U.8.1. Principalele materiale folosite în tehnică, minereurile şi prepararea lor , metode de

extragere a metalelor din minereuri

Aliajele fier-carbon au ponderea cea mai mare în industrie: oţelul cu un conţinut de carbon până

la 2,11 % şi fonta cu un conţinut cuprins între 2,11 şi 6,67 % (practic între 2,3 şi 4 %). Fierul şi

carbonul se pot afla în aceste aliaje sub formă de amestec între ele, de combinaţie chimică (Fe3C -

cementită), de amestec între fier şi combinaţia lor chimică şi sub forme mai complexe. Celelalte

elemente care pot exista (Si, Mn, S, P, Al, Cr, Ni, Ca, Ni, Va, Ti, etc.) pot influenţa proprietăţile

acestor aliaje, atât prin cantitatea în care sunt prezente cât şi forma în care sunt aliate cu Fe şi C.

Plasticitatea şi sudabilitatea oţelurilor sunt mai pronunţate la oţelurile cu conţinut de carbon sub

0,5 %. Până la acest conţinut de carbon oţelurile sunt practic necălibile, se toarnă foarte greu, au

temperatura de topire ridicată. Oţelurile cu conţinutul de carbon mai mare sunt călibile, se toarnă

mai uşor, dar cu o plasticitate mai scăzută. Conţinutul mic de carbon (sub 0,05 %)m, precum şi

depăşirea conţinutului de carbon peste 1,2 % fac ca oţelurile să nu fie folosite decât în cazuri

speciale.

Proprietăţi bune de turnare are fonta nefiind însă plastică.

Cuprul, se utilizează în tehnică datorită în special conductivităţii ridicate. Se folosesc în special

sub aliajelor şi anume: bronzul, (aliaj Cu cu Sn), cu proprietăţi bune pentru turnare, proprietăţi de

antifiricţiune şi rezistenţă la coroziune şi alama, aliaj Cu cu Zn este maleabilă cu proprietăţi de

antifricţiune şi cu rezistenţă la coroziune. Proprietăţile de turnare ale alamei sunt scăzute.

Aluminiul şi magneziul sunt aliaje uşoare, maleabile, se toarnă (trebuie ferite de oxidare în stare

lichidă).

Minereurile şi prepararea lor În natură metalele se găsesc în stare nativă. De obicei ele se găsesc în diverse combinaţii

chimice cu oxigenul, sulful, carbonul etc., formând mineralele (ex. pirita Fe S, siderita Fe CO3).

Zăcămintele conţin pe lângă mineralale utile şi mineralele sterile (de exemplu: calcar, argilă, nisip,

etc.).

Miezul este un ameste intim dintre minerale utile şi neutile (sterile).

Metalele se obţin din minereuri, prin operaţii de preparare mecanică, urmate de operaţii

metalurgice.

1. Sfărâmarea

Sfărâmarea este procesul de divizare a unor particule mai mari în unele mai mici sub acţiunea

unor forţe mecanice.

Mărimea suprafeţei de sfărâmare este determinată de dimensiunea iniţială a particulei D şi de

cea finală d, deci gradul de sfărâmare “n”.

(6.1)

Sfârmarea se realizaeză prin presare sau lovire, forţele care determină ruperea particulei sunt în

funcţie de treapta de sfărâmare şi tipul de utilaj folosit.

Dimensiunile minereurile până la 20...30 mm se obţin prin folosirea concasoarelor cu fălci,

până la câţiva mm întrebuinţânsu-se cilindrii de sfărâmare sau concasoare conice, iar dimensiunile

sub 0,3...0,5 mm se obţin utilizând diverse tipuri de mori în care minereul este sfărâmat prin lovire

şi frecare cu ajutorul unor roţi de moară, a unor bile sau unor vergele rezistente la uzură.

2. Clasarea

Clasarea este operaţia de separare a materialelor pe clase granulometrice. Fiind vorba de

granule din acelaşi material, separarea pe dimensiuni se poate face după volum (clasarea

volumetrică), sau după greutate (clasarea gravimetrică).

71

Clasificarea volumetrică se realizează prin cernere sau ciuruire cu grătare, ciururi sau site, care

folosesc minereuri în bucăţi mai mari de 0,5 mm. La clasarea gravimetrică se folosesc bucăţi sub

0,5 mm, se utilizează fie curent de apă, fie curent de aer. Clasarea se bazează pe faptul că bucăţile

de minereu cad mai repede sau mai încet în funcţie de mărimea acestora şi greutatea lor specifică.

3. Sortarea (separarea) şi concentrarea

Sortarera şi concentrarea minereului pe specii minerale, după compoziţia chimică se face după

operaţia de clasare. Metodele cele mai importante sunt: alegerea manuală, sortarea hidrodinamică,

flotaţia, concentrarea magnetică.

Sortarea hidrodinamică se face cu ajutorul maşinilor de zeţaj şi a meselor de spălare, bazându-

se pe faptul că minereurile fiind mai grele cad la fundul vasului, iar sterilul se separă la suprafaţă.

Flotaţia minereurilor este operaţia prin care granulele minerale utile plutesc la suprafaţa apei,

ceea ce se realizează prin aderarea acestora la suprafaţa unor bule de aer. Sterilul cade la fundul

vasului.

Spuma decantată şi filtrată formează concentratul care se supune în continuarea operaţiilor de

desecare prin îngroşatori, filtre rotative sau uscătorii termice pentru îndepărtarea lichidului şi a

ultimelor cantităţi de umezeală.

Separarea mai poate fi realizată: magnetic (utilizându-se proprietatea magnetică diferită a

materialelor) şi electrostatic (atunci când se bazează pe proprietatea diferită privind conductivitatea

electrică a materialelor în special minereu şi steril).

U.8.2. Metalurgia fontei

Fonta este un aliaj fier carbon cu conţinut de carbon mai mare de 2,11 % având în compoziţie

cantităţi variabile de mangan, siliciu, fosfor şi sulf. Uneori fontele conţin şi alte elemente, în

proporţii, mici cum ar fi: cupru, nichel, crom, vanadiu, etc.

Fonta se obţine ca produs primar prin reducerea oxizilor de fier din minereuri, folosind ca

reducător oxidul de carbon şi carbonul. Această fontă se numeşte fontă de primă fuziune sau fontă

brută.

1. Minereurile de fier utilizate pentru elaborarea fontei

Pentru elaborarea fontei în furnal se folosec următoarele materiale: minereuri de fier şi mangan,

combustibili, fondanţi şi unele deşeuri pentru recuperarea fierului din ele.

Cele mai importante minereuri de fier sunt: magnetita (Fe3O4), care conţinte 45 - 70 % Fe, se

găseşte la noi în ţară la Băuţari şi Ocna de fier; hematita (Fe2O3), este un oxid feric deshidratat, cu

până la 65 % Fe (se găseşte la Ocna de Fier şi Teliuc); limonita (2 Fe2O3 . 3 H2O), este un oxid de

fier hidratat cu până la 60 % Fe (Ghelari şi Teliuc); siderita (Fe CO3) cu până la 40 % Fe (Ghelari,

Teliuc, Poiana Ruscă); pirita (Fe S2) cu 48 - 50 % Fe.

2. Obţinerea fontei în furnal

Construcţia şi funcţionarea furnalului

Furnalul (fig. 6.1.) se compune din două părţi tronconice, cuva 5 şi etlajul 3, între care se află o

porţiune cilindrică denumită pântece 4. Sub etalaj se află bazinul sau creuzetul 2. Cuva se sprijină

pe o serie de coloane. furnalul este construit din zidărie refractară. La exterior furnalul este zidit

într-un blindaj metalic din tablă de oţel răcită cu apă.

72

Fig. 6.1. Furnalul

1- orificiul pentru evacuarea fontei;2- creuzet;3 - etalaj;4 - pîntece;5 - cuvă; 6 - gură de

încărcare; 7 -aparat de încărcar; 8 - strat de zgură; 9 - orificiu pentru evacuarea zgurei; 10 - fontă de

primă fuziune în stare lichidă

Furnalul funcţionează pe principiul contracurentului.

În partea superioară a furnalului este dispus aparatul pentru încărcarea materialelor (7) cu

ajutorul acestuia se repartizează uniform materialele, iar gazele nu scapă în momentul încărcării.

Pentru arderea combustibilului în furnal sunt necesare cantităţi mari de aer (2 - 4 m3 aer la un

kg de fontă elaborată), realizat în turbosuflante.

Încălzirea aerului înainte de a se introduce în furnal se face cu ajutorul regeneratorului Cowper

Furnalele moderne pot funcţiona de la pornire până la oprire mai mulţi ani (10 ani - campania

furnalului).

Cantitatea de fontă produsă în 24 ore pe fiecare m3 volumul util exprimată în t/m3 × zi,

reprezintă productivitatea furnalului.

Cel mai mare furnal în ţara noastră este la combinatul Siderurgic Galaţi cu un volum util de 3

500 m3.

Procesele din furnal

Elaborarea fontei se produce în urma acţiunii reciproce a doi curenţi: curentul descedent realizat

de minereuri cocs, fondanţi şi curentul ascendent din gaze.

73

Temperaturile din diverse zone influneţează procesele din furnal.

În furnal au loc procese fizico-chimice deosebit de complexe ca: arderea combustibilului într-o

zonă a furnalului în care are loc şi procesul de terminare a formării fontei şi zgurii, descompunerii

de carbonaţi în zona în care au loc şi procese de reducere de gaze, reducere de oxizi în zone în care

au loc şi procese de carburare a fierului şi de formare a fontei şi a zgurei. Toate aceste procese au

loc flux continuu. (fig. 6.2.)

Fig. 6.2. Zonele de reacţie din furnal în raport cu profilul acesteia

Procesele fizico-chimice au următoarea ordine:

1. Zona de preîncălzire în care se produce evaporarea apei din metalele umede, care începe

imediat după încărcare (la temperatura de 100...2000 C). Evaporarea apei legată chimic, de

exemplu, din limonită (Fe2O3 - H2O) se face la temperaturi mai ridicate, de 200 - 3000 C,

descompunerea carbonaţilor în jur de 4000 C.

2. Zona reducătoare în care se produce: reducerea sau topirea reducătoare şi se bazează pe

proprietăţile carbonului şi a oxidului de carbon de a reduce la temperatura înaltă oxizii de fier în fier

metalic. Reducerea minereurilor de fier se face pe două căi: reducere indirectă cu CO şi reducere

directă cu C incandescent.

Reducerea indirectă are loc la temperaturi de 400...7500 C însoţită de reacţii exoterme, pe când

reducerea directă are loc la temperaturi de peste 9500 C şi reacţiile sunt endoterme. Reducerea

indirectă se desfăşoară astfel:

3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 + Q1 (6.10)

Fe3O4 + CO = 3 Fe O + CO2 - Q2 (6.11)

Fe O + CO = Fe + CO2 + Q3 (6.12)

Q1 + Q3 > Q2 rezultă că reacţiile sunt exoterme.

Peste 9500 C reducerea Fe O se face direct.

Fe O + C Fe + CO (6.13)

La furnale reducerea se obţine princele două metode în proporţii aproximativ egale.

3. Zona de carburare, în care se produce carburarea fierului metalic. Fierul metalic obţinut prin

reducere are proprietatea de a dizolva la temperaturi înalte o anumită cantitate de carbon, formându-

se astfel un aliaj din aceste două elemente.

Fierul şi carbonul formează împreună un compus chimic Fe3C (carbura de fier sau cementită)

care se dizolvă în fier, coborând temperatura de topire a acestuia.

Carburarea se produce astfel:

2 CO = CO2 + Cactiv (6.14)

Cactiv + 3 Fe = Fe3 C (6.15)

74

Carburarea începe la cca. 6000 C şi se accelerează cu creşterea temperaturii ajungând maximiul

la 1 000 - 1 1000 C.

4. Zona de topire şi formare a zgurii . Zgura din furnal provine din interacţiunea dintre ganga din

minereu, fondantul din încărcătură şi cenuşa combustibilului. Formarea zgurii trebuie să înceapă

numai după ce fonta în stare lichidă se scurge în jos, astfel nu se produce carburarea fierului. După

compoziţia lor chimică, zgurile din furnal pot fi bazice sau acide în funcţie de valoarea rapotului

între:

(6.16)

în care: M este modulul de bazicitate a zgurii.

Dacă M > 1 zgura este bazică, dacă M < 1, zgura este acidă.

5. Zona de oxidare sau ardere a carbonului din combustibil, se produce în dreptul gurilor de

vânt. Din procesul de ardere rezultă atât cantitatea de căldură necesată încălzirii şi topirii

încărcăturii cât şi gazele reducătoare necesare reacţiilor chimice:

C + O2 = CO2 + 409.642 J/mol (6.17)

CO2 + C = 2 CO - 156724 J/mol - Carbonul este incandescent (6.18)

Tot în zona gurilor de vânt are loc o reducere Mn O şi Si O2 datorită faptului că necesită

cantităţi mari de căldură.

Mn O + C = Mn + CO - 838246 6.19)

Si O2 + 2 C = Si + 2 CO - 619.151 J/mol (6.20)

Mn şi Si obţinut trec în fontă înbunătăţind proprietăţile mecanice ale acesteia.

În furnal se mai reduc în afară de Mn O şi Si O2 şi fosforul şi sulful

F2O5 + 5 C = 2 P + 5 CO - 921.548 J/mol 6.21)

Fe S + Ca O = Fe O + Ca (622)

În zona gurilor de vânt, cenuşa rezultată din arderea cocsului se dizolvă în zgură. Zgura şi fonta

formată se strâng în creuzetele furnalului în două straturi suprapuse, datorită diferenţei de greutate

specifică şi nemiscibilităţii. Evacuarea fontei se face la intervale de cca. 4 ore iar a zgurei la

intervalul de cca. 2 ore.

Furnalul electric

În furnalul electric căldura necesară pentru elaborarea fontei se obţine nu prin arderea cocsului,

ci prin transformarea energiei electrice în energie calorică.

Furnalele electrice sunt de două tipuri: înalte şi cu cuvă scundă.

Procedee moderne de elaborarea a fontei

Faptul că în lume cantităţiile de minereu de fier şi în special cele bogate în fier, sunt limitate, a

făcut necesar ca să se cerceteze posibilitatea folosirii minereurilor sărace în fier şi a cărbunilor

necocsificabili. Rezultatele pe această linie sunt încă în stadiu experimental. Se poate menţiona:

cuptorul cu cuvă scundă şi cuptoarele rotative orizontale.

U.8.3. Metalurgia oţelului

Oţelul este unul dintre cele mai importante materiale ale epocii noastre din oţel creându-se

partea activă a fondurilor fixe ale economiei, uneltele de producţie.

Procesele de elaborare a oţelului

Oţelul se elaborează din fontă şi fier vechi. Proporţia dintre aceste două materiale depinde de

agregatul de elaborare, unele folosind aproape în exclusivitate fierul vechi (cuptoarele electrice cu

75

arc şi cu inducţie) unele o proporţie foarte mare de fontă lichidă (convertizoarele) şi altele proporţii

variabile de fontă şi fier vechi (Cuptoarele Siemens-Martin).

Procesele de oxidare sunt principalele procese în elaborarea oţelului. Nu se cunoaşte până în

prezent forma sub care se află oxigenul dizolvat în oţelul lichid. Se obişnuieşte însă ca în reacţii să

se folosească FeO. Solubilitatea oxigenului în fier creşte, cu creşterea temperaturii. Factorii care

înfluenţează solubilitatea oxigenului în fierul lichid sunt: presiunea oxigenului în atmosferă

ambiantă; prezenţa elementelor însoţitoare (Si, O, etc.) în compoziţia zgurii.

Spre sfârşitul elaborării, conţinutul oxigenului este necesar să fie cât mai mic, deoarece acesta

în fierul solid este foarte puţin solubil, iar la solidificare se dupune la limitele grăunţilor cristalini

sub formă de oxizi. Cantitatea acestor oxizi creşte cu concentraţia [0] % de la sfârşitul elaborării.

În ceea ce priveşte eliminarea hidrogenului şi azotului, acestea se realizează cu ajutorul CO,

(gaz insolubil în fier şi care se formează prin oxidarea carbonului) care le antrenează în timpul

elaborării. În timpul elaborării se vor oxida şi Si, Mn, P.

Se numeşte afinarea procesului de oxidare a elementelor însoţitoare (Si, Mn, S, C) şi

îndepărtarea produselor de oxidare din baia metalică.

Procesele de dezoxidare, au loc la sfârşitul afinării şi constau din eliminarea oxigenului care

mai rămâme dizolvat în baia metalică a unor elemente care au entalpia liberă de formare a oxizilor

mai mare decât fierul. Dezoxidarea mai poate fi realizată şi cu formarea vidului deasupra băii

metalice.

Corectarea compoziţiei se face prin adăugarea de fero-aliaje sau a metalelor pure în timpul

elaborării oţelului deoarece compoziţia chimică prescrisă a oţelului nu s-a putut obţine numai prin

afinare şi dezoxidare.

Zgura, fiind în contact direct cu oţelul influenţează procesele de elaborare a oţelului, ea având

rolul de a primi şi reţine produselor de elaborare, alimentarea băii metalice cu oxigen. Zgura

transmite căldura de la flacără la baia metalică, în cuptoarele Martin, protejează baia metalică de

acţiunea dăunătoare a atmosferei gazoase şi contribuie la desulfurarea şi defosforarea băii metalice.

Zgura ia naştere prin introducerea în cuptor a materialelor pentru formarea zgurei, cum ar fi: var,

minereuri de fier, fluorină, la care se adaugă produsele de reacţie prin procesul de afinare.

Caracterul acid sau bazic al zgurei este exprimat prin coeficientul de bazicitate a zgurii p:

(6.21)

Procesele de afinare. Oxidarea elementelor însoţitoare se face de obicei prin intermediul

oxidului feros (FeO). Deoarece zgura şi baia metalică sunt în contact, cocentraţia oxidului face din

baia metalică depinde de concentraţia acestuia în zgură şi de temperatură.

Oxidarea elementelor însoţitoare se face cu ajutorul Fe O, prin reacţii exoterme.

Oxidarea siliciului din baia metalică, are loc după următorul mecanism:

2 Fe O + Si =2 Fe + Si O2 (6.22)

Siliciul se oxidează cu atât mai repede cu cât temperatura este mai scăzută. De aceea, la

sfârşitul elaborării, când temperatura este scăzută, siliciul este aproape total oxidat.

Oxidarea manganului

Fe O + Mn = Fe + Mn O (6.23)

Oxidarea carbonului. Reacţia principală la elaborarea oţelului este oxidarea carbonului care

produce “fierberea” băii meralice şi a zgurii, cu această ocazie se elimină gazele (ca hidrogen, azot),

se uşurează ridicarea în zgură a particulelor metalice solide din baie şi se reglează conţinutul de

oxigen din baie:

Fe O + C = Fe + CO (6.24)

Deoarece oxidul de carbon este un gaz insolubil în baia metalică, se degajă în atmosfera

cuptorului şi ca urmare reacţia rezultată nu poate fi reversibilă.

Defosforarea (oxidarea fosforului) se face după următorul mecanism:

5 Fe O + 2 Fe2P + 4 Ca O « (CaO)4P2O5 + 9 Fe (6.25)

Desulfurarea. Sulful se elimină din oţel deoarece este dăunător mărindu -i fragilitatea.

76

Fe S + Mn = Mn S + Fe (6.26)

Trecerea în zgură a Mn S se face deoarece aceasta este insolubilă în oţelul lichid, antrenând cu

această ocazie şi o parte din Fe S. În zgură se găsesc Ca O, iar reacţia este:

Fe S + Ca O = Ca S + Fe O (6.27)

Procesele de dezoxidare. Sfârşitul afinării se consideră atunci când în baia metalică s-a ajuns la

conţinutul de carbon dorit, moment numit punct de oprire. Dezoxidarea se poate face prin

precipitare sau prin difuzie.

Turnarea lingourilor de oţel

Oţelul indiferent în care agregat a fost elaborat, este finisat (i se termină dezoxidarea şi i se

definitivează compoziţia) în oala în care este prelucrat pentru a fi turnat.

Metode de turnare (clasice) a lingourilor de oţel

Metodele clasice de turnare a lingourilor de oţel se clasifică după modul cum pătrunde oţelul

lichid în ligotieră astfel: turnarea de sus (fig. 6.6. a) în care oţelul curge din oala de turnare aflată

deasupra lingotierei direct sau prin pâlnia intermediară şi turnarea în sifon (fig. 6.6. b) în care oţelul

curge din oala de turnare într-o pâlnie care conduce oţelul la nişte canale din şamotă, canale care

conduc oţelul la piciorul lingotierei, oţelul intrând în lingotieră de jos în sus.

Fig. 6.6. Schema metodelor de turnare

Turnarea de sus prezintă avantajul că oţelul conţine puţine incluziuni nemetalice, deoarece se

toarnă cu temperatură mai scăzută. Metoda prezintă dezavantajul că nu se pot turna lingouri mici

din cuptoare mari, deoarece ar trebuie deschis orificiul de turnare al oalei de prea multe ori.

Turnarea în sifon necesită utilaje suplimentare de transport (poduri, pâlnii), dar prezintă

avantajul că permite turnarea simultană a mai multor lingouri. Lingoruile au suprafaţă curată, dar

oţelul este mai impur, deoarece până în lingotieră trece prin mai multe canale de materiale refractare

şi poate antrena particole de impurtăţi.

U.8.4. Turnarea continuă a lingourilor de oţel

Deficienţa turnării clasice, atât de oridin economic (scoaterea mică de produse laminate sau

forjate, consum mare de utilaje de turnătorie şi de manoperă) cât şi cele de ordin metalurgic

(structură şi compoziţia neuniformă) sunt înlăturate prin turnare continuă a lingourilor (fig. 6.7.).

Instalaţia are ca părţi principale cristalizatorul (3) din cupru cromat dur cu pereţi dublii prin

care circulă apă, instalaţia de tragere (6) şi instalaţia de tăiere (7). La începutul turnării

77

cristalizatorului este prevăzut cu un fund fals (10) format dintr-un semifabricat de oţel cu secţiunea

semifabricatului care se toarnă. Aceasta are un dublu rol: să închidă lingotiera la fund la începutul

turnării şi să dea posibilitatea tragerii lingoului turnat.

Instalaţiile acestea au până la 30 m înălţime, de aceea se construiesc, fie în turn fie în sol. În

ambele cazuri exploatarea este foarte dificilă. Pentru micşorarea înălţimii instalaţiilor de turnare

continuă se utilizează instalaţia cu fir curb sau cu lingotieră curbă.

Fig. 6.7. Tipuri de instalaţii de turnare.

Instalaţiile de turnare continuă au capacitatea de turnare determinată de mărimea lingoului şi de

numărul de fire (bare) care se toarnă concomitent.

Metoda aceasta de turnare prezintă avantajul că se pretează la automatizare, ecomoniseşte

manoperă, are scoaterea mare de semifabricate bune deoarece retasura se formează numai la

sfârşitul turnării. Din punct de vedere metalurgic structura şi compoziţia semifabricatelor sunt

omogene şi au granulaţie fină, datorită solidificării rapide.

Exemple

Reducerea indirectă are loc la temperaturi de 400...7500 C însoţită de reacţii

exoterme, pe când reducerea directă are loc la temperaturi de peste 9500 C şi

reacţiile sunt endoterme. Reducerea indirectă se desfăşoară astfel:

3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 + Q1

Fe3O4 + CO = 3 Fe O + CO2 - Q2

Fe O + CO = Fe + CO2 + Q3

În furnal se mai reduc în afară de Mn O şi Si O2 şi fosforul şi sulful

F2O5 + 5 C = 2 P + 5 CO - 921.548 J/mol

Fe S + Ca O = Fe O + Ca

Ce procesele fizico-chimice şi care sunt zonele de reacţie din furnal.

Să ne reamintim:

Minereurile şi prepararea lor

Obţinere fontei

Obţinere oţelului

78

Rezumat Oţelul este unul dintre cele mai importante materiale ale epocii noastre din oţel

creându-se partea activă a fondurilor fixe ale economiei, uneltele de producţie.

Plasticitatea şi sudabilitatea oţelurilor sunt mai pronunţate la oţelurile cu conţinut de

carbon sub 0,5 %. Până la acest conţinut de carbon oţelurile sunt practic necălibile,

se toarnă foarte greu, au temperatura de topire ridicată. Oţelurile cu conţinutul de

carbon mai mare sunt călibile, se toarnă mai uşor, dar cu o plasticitate mai scăzută.

Conţinutul mic de carbon (sub 0,05 %)m, precum şi depăşirea conţinutului de carbon

peste 1,2 % fac ca oţelurile să nu fie folosite decât în cazuri speciale.


1.Care este ordinea corectă a operaţiilor de prelucrare a minereurilor ?

a. Concentrarea, sfărâmarea, clasarea, prelucrarea termică.

b. Prelucrarea termică, concentrarea, clasarea, sfărâmarea.

c. Sfărâmarea, clasarea, concentrarea, prelucrarea termică.

2.Care este ordinea corectă a zonelor caracteristice la elaborarea fontei

brute de prima fuziune în furnal (începând de la gura de încărcare spre

creuzet) ?

a.Zona de preâncălzire, zona reducătoare, zona de carburare, zona de topire şi de

formare a zgurei.

b.Zona de preâncălzire, zona de topire şi de formare a zgurei, zona reducătoare,

zona de carburare.

c.Zona reducătoare, zona de carburare, zona de preâncălzire, zona de topire şi de

formare a zgurei.


79

Unitatea de învăţare 9. TURNAREA PIESELOR METALICE

Cuprins

9.1. Introducere ......... .............................................................................................................79

9.2. Competenţe......................................................................................................................79

U.9.1. Clasificarea metodelor şi procedeelor de turnare........................................................ 80

U.9.2.Turnarea în forme nepermanente.................................................................................. 80

U.9.3. Turnarea formelor cu modele volatile .......................................................................... 85

U.9.4. Turnarea în forme permanente.....................................................................................87

9.1. Introducere

Se prezintă tehnologia de prelucrare prin turnare a semifabricatelor. Prin

turnare se obţin astăzi piese cu o configuraţie complicată având greutatea pornind

de la câteva grame şi până la câteva sute de tone. În practică pot fi întâlnite uneori

situaţii când turnarea este singurul procedeu prin care se poate realiza o anumită

categorie de piese, iar dacă comparativ cu alte procedee avem în vedere şi

economia de material, se poate spune că procesul de turnare a pieselor este şi unul

din cele mai economice.


Competenţe în caracterizarea şi cunoasterea principalelor probleme

care apar la turnarea pieselor metalice .

Durata medie de parcurgere a primei unităţi de învăţare este de 2 ore.

80

TURNAREA PIESELOR METALICE

Aspecte generale

Tehnica modernă pune la dispoziţia industriei o gamă largă şi variată de procedee prin care se

pot realiza astăzi piesele şi subansamblele care intră în compunerea maşinilor şi instalaţiilor.

Producţia de piese turnate ocupă în cadrul industriei constructoare de maşini un loc important,

aproximativ 15 - 20 % din producţia de fontă brută (de primă fuziune), se transformă în piese

turnate.

Prin turnare se obţin astăzi piese cu o configuraţie complicată având greutatea pornind de la

câteva grame şi până la câteva sute de tone. În practică pot fi întâlnite uneori situaţii când turnarea

este singurul procedeu prin care se poate realiza o anumită categorie de piese, iar dacă comparativ

cu alte procedee avem în vedere şi economia de material, se poate spune că procesul de turnare a

pieselor este şi unul din cele mai economice.

Prin piesă turnată se înţelege obiectul mecanic obţinut prin turnarea metalului lichid într-o

formă (cavitate) închisă sau deschisă care cuprinde în corpul ei o serie de spaţii goale reprezentând

configuraţia exterioară şi interioară a piesei turnate. Distanţa între pereţii spaţiilor goale reprezintă

grosimea pereţilor piesei turnate.

Forma de turnare este ansamblul nemetalic sau metalic care cuprinde unul sau mai multe spaţii

goale, care prin umplere cu metal lichid şi solidificare va da una, sau mai multe piese turnate.

Pereţii exteriori şi cavităţi reprezintă configuraţia exterioară a piesei, iar miezurile reprezintă

configuraţia interioară. Miezurile se aşează în forme cu ajutorul unor prelungiri cunoscute sub

denumirea de mărci. Formele sunt prevăzute cu reţele de turnare.

Reţeaua de turnare este alcătuită dintr-un ansamblu de elemente pentru întroducerea metalului

lichid în formă, umplerea formei, evacuarea gazelor şi asigurarea solidificării fără defecte de

turnare.

U.9.1. Clasificarea metodelor şi procedeelor de turnare

Alegerea metodei de turnare este condiţionată de natura producţiei, de dimensiunile şi greutatea

pieselor.

Prin natura producţiei se înţelege numărul de piese care urmează a fi turnate. În mod

convenţional se pot deosebi următoarele categorii de producţii: individuală (de unicate, sub 100

bucăţi), serie mică (100...500 bucăţi), serie mijlocie (500...5 000 bucăţi), serie mare (5 000... 20 000

bucăţi) şi producţie în masă (peste 20 000 bucăţi).

Din puncte de vedere al dimensiunilor şi greutăţi, se pot deosebi în mod convenţional

următoarele categorii de piese: mici (sub 100 kg.), mijlocii (100...500 kg.), mari (500...5 000 kg.) şi

foarte mari (peste 5 000 kg.).

În prezent producţia cea mai mare de piese turnate se obţine prin turnarea în forme temporare şi

anume în forme crude (neuscate) executate din amestec de formare cu ajutorul modelelor

nepermanente.

U.9.2.Turnarea în forme nepermanente

Procesul tehnologic de obţinere a pieselor turnate în forme temporare

Metode de turnare în forme temporare cuprinde o serie de operaţii care în ansamblu constituie

procesul tehnologic respectiv.

În figura 7.1 se prezintă obţinerea pieselor turnate.

81

Fig. 7.1. Obţinerea unei piese turnate

Materiale de formare Formele temporare se compun dintr-un material de bază granular (nisip), cu refractaritate

ridicată, căruia i se adaugă diferiţi lianţi şi materiale de adaos. Produsul obţinut prin dozarea şi

omogenizarea acestor materiale în proporţii dorite se numeşte amestec de formare.

Constituenţii principali ai nisipului folosit în turnătorie sunt silica (SiO2) şi argila. În cazuri

speciale, la piese mari din oţel, se recomandă utilizarea unor amestecuri pe bază de zirconiu.

În vederea obţinerii miezurilor se foloseşte, în principiul, acelaşi amestec de formare, cu

excepţia celui care conţine lianţi organici (ulei de in, etc.).

Amestecul de formare pentru a putea fi folosit în turnătorie trebuie să îndeplinească anumite

condiţii funcţie de natura pieselor care se toarnă.

Proprietăţile mai importante ale amestecurilor de formare sunt:

- permeabilitatea: exprimă capacitatea amestecurilor de formare de a permite trecerea gazelor

prin spaţiile intergranulare;

- rezistenţa mecanică la solicitări de compresiune, forfecare, tracţiune, încovoiere, etc. ca

urmare a acţiunii aliajului lichid;

- plasticitatea: exprimă proprietatea amestecului de formare de a se deforma sub acţiunea unei

forţe exterioare fără a se produce crăpături şi de a -şi păstra forma după încetarea eforturilor;

- durabilitate: exprimă proprietatea amestecului de a-şi păstra caracteristicile fizice la folosiri

repetate.

- refracteriatea: exprimă proprietatea amestecului de a rezista la temperatura de turnare a

aliajului fără a se vitrifica şi fără a intra în reacţie cu al iajul sau oxizii acestuia.

Aceste proprietăţi depind de umiditatea conţinutului de liant (argilă sau betonită) granulaţie şi

gradul de îndesare al amestecului de formare.

Execuţia formelor Cea mai simplă şi cea mai veche metodă de formare este formarea manuală care aplică şi astăzi

în cazul pieselor mari sau a unor piese foarte simple.

Formarea mecanizată Pentru producţia de serie se adoptă procedeul de formare mecanizată, semiautomată sau

automată. În aceste condiţii se utilizează maşini de formare, care produc îndeasă prin scuturare sau

prin scuturare şi presare.

Maşinile de îndesat prin scuturare (vibrare) (fig. 7.2) realizează indesarea ca urmare a ridicării

mesei cu placa model la 30 - 80 mm şi a căderii acesteia la loc. Numărul căderilor este destul de

mare şi depinde de tipul maşinii.

82

Fig. 7.2. Maşina de format prin scuturare: a) principiul de funcţionare; 1 - placa de model; 2 -

modelul; 3 - ramă de formare; 4 - ramă de umplere; 5 - piston; 6 - sistem de supare cu sertar; 7 -

tijă; b) vairaţia gradului de îndsare a amestecului pe înălţimea ramei

Prima maşină realizează o formă mai puţin densă şi uniformă faţă de a doua.

Maşinile cu îndesarea prin scuturare-presare (fig. 7.3) se utilizează când se produc piese mari şi

de serie.

Fig. 7.3. Principiul maşinii de format prin scuturare şi presare: a) principiul de funcţionare; b)

gradul de îndesare a amestecului pe înălţimea formei; 1 - pistonul de scuturare: 2, 3 - cilindrii; 4 -

supapă; 5 - placă de model; 6 - model; 7 - rama de umplere; 8 - sabot.

Cu ajutorul aerului comprimat se realizează ridicarea şi coborârea pistonului 1 (scuturarea)

mesei, ramei şi plăcii de model. Supapa 4 este comandată de tija legată de masa maşinii. Cilindrul 2

în care lucrează pistonul de scuturarea este în acelaşi timp şi pistonul de presare. Funcţionarea se

face în două etape succesive. După ce s-a terminat scuturarea se acţionează asupra pistonului de

presare care ridică masa cu rama şi placa de model presând-o în sabotul 8.

Formarea în amestec de formare prezintă multe avantaje, dintre care se amintesc: flexibilitatea

mare, simplă şi economică putând fi utilizată la producerea unei game largi de piese de la câteva

grame la zeci de tone. Pe de altă parte formarea în amestec de formare prezintă unele dezavantaje:

nu poate fi folosită pentru obţinerea unor piese cu pereţi foarte subţiri: precizia dimensională şi

aspectul suprafeţelor fiind mai puţin corespunzătoare.

Forme executate din amestecuri de ciment

În vederea creşterii calităţii pieselor turnate în forme de amestec de formare s-au adus o serie de

îmbunătăţiri procedeului şi anume:

83

Formele executate din amestecuri de ciment conţin aproximativ 10% ciment amestecat cu nisip

şi 5 % apă. Acest amestec este utilizat pentru obţinerea suprafeţei în contact cu modelul sau placa

de metal. În rest forma se execută din amestec de formare obişnuit.

După formare formele sunt lăsate 1...2 zile pentru întărire. Suprafeţa formei obţinute este foarte

rezistentă.

Forme executate din amestecuri de formare cu liant, silicat de so diu, întărite cu CO2

La aceste forme după îndesare se insuflă timp de cca. 30 secunde CO 2 în interiorul formei.

Sub acţiunea CO2 silicatul de sodiu reacţionează conform reacţiei:

Na2O·nSiO2 + CO2+ m·H2O = nSiO2·pH2O + Na2CO3 (m - p)H2O

sticlă solubilă silicagel carbonat de soidiu

În figura 7.4 se prezintă modul de insuflare a CO 2 în formă.

Fig. 7.4. Insuflarea bioxidului de carbon la o semiformă: 1 - tub; 2 - canale executate în placa model

şi model

Forme executate din amestecuri autoîntăritoare

Când un liant reactiv împreună cu un catalizator se amestecă cu nisipul înainte de operaţia de

formare se obţin forme din amestecuri autoîntăritoare. Întărirea amestecului de formare are loc într-

un timp limită. Ca urmare au apărut amestecuri continue care alimentează direct maşinile de

formare.

În funcţie de combinaţia dintre liant şi catalizator au apărut mai multe variante:

1. Forme pe bază de amestecuri lichide cu silicat de sodiu şi silicat bicalcic;

2. Forme pe bază de amestecuri fluide cu răşini furanice în care are loc polimerizarea furanului

cu un catalizator pe bază de acid fosforic;

3. Forme pe bază de amestecuri fluide cu silicat de etil ca liant (procedeul Shaw), când nisip de

zirconiu, şamotă măcinată sau praf de cuarţ se amestecă cu silicat de etil ca liant.

Forme coji cu răşini termoreactive

Formele coji cu liant termoreactiv se execută numai pe cale mecanizată şi numai cu plăci de

model metalic. Procesul tehnologic de obţinere a formelor coji constă în următoarele (fig. 7.5):

- introducerea nisipului peliculizat în cutia de meiz preîncălzită la 250...300 0 C;

- menţinerea timp de un minut pe placa de model sau cutia de miez cald pentru polimerizare;

- extragerea formelor şi a miezurilor de pe placa de model, respectiv cutia de miez;

- încălzirea miezului într-un cuptor separat pentru terminarea polimerizării;

- asamblarea şi consolidarea formelor şi a miezurilor pentru terminarea polimerizării.

84

Fig. 7.5. Fazele procesului tehnologic de obţinere a formelor coji.

Grosimea unei forme coji poate fi între 3...15 mm. Prezintă dezavantajul că nu au rezistenţă

mare, ceea ce limitează greutatea pieselor turnate la maximul 50 kg.

Se utilizează pentru turnarea de piese de oţel, fontă şi metale neferoase uşoare. Piesele turnate

au mare precizie dimensională şi suprafaţă fină.

În funcţie de liantul utilizat se pot executa forme coji cu lianţi organici, cu argilă sau betonită,

cu sticlă solubilă şi întărire chimică cu CO2.

Forme coji cu modele uşor fuzibile

Spre deosebire de formele cu liant termoreactiv, care au suprafaţa de separaţie, formele coji cu

modele uşor fuzibile sunt fără plan de separaţie.

Procesul tehnologic de obţinere a pieselor în forme coji cu modele uşor fuzibile cuprinde

următoarele faze (fig. 7.6.):

Fig. 7.6. Procesul tehnologic de obţinere a pieselor în forme coji

85

- confecţionarea modelului fuzibil dintr-un amestec de 50 % parafină + 50 % stearină, mase

plastice sau aliaje uşor fuzibile.

- realizarea formei coajă propriu-zisă prin scufundarea ciorchinelui bine degresat cu apă şi

săpun, într-un ameste de praf de cuarţ şi silicat de etil hidrolizat sau silicat sodiu în raportul 1 : 1 în

continuare se presară ciorchinele cu nisip curţos, care aderă la stratul de silicat de etil şi praf de

cuarţ şi se introduce pentru întărire în soluţie de clorură de amoniu 25 %.

Stratul de material refractare are o grosime de 1...2 mm. După o repetarea de 3...6 ori se obţine

forma coajă;

- îndepărtarea modelului fuzibil din forma coajă prin scufundarea acestuia în apă caldă sau prin

încălzire cu aer cald. Materialul care rezultă se colectează şi se refoloseşte;

- uscarea formelor coji cu scopul creşterii rezistenţei mecanice;

- împachetarea formelor coji în cutii de oţel în care se indroduc nisip până la umplerea cutiei;

- calcinarea formelor coji la 1 000...10500 C;

- turnarea aliajului lichid în formă caldă la cel puţin 7000 C;

- dezbaterea formelor şi curăţirea pe cale chimică a pieselor.

Ca urmare a unei precizii dimensionale deosebite, se elimină aproape complet prelucrarea.

Metoda se utilizează în cazul turnării unor piese mici pentru automobile, maşini de cusut, etc. Se

utilizează cu succes la turnarea aliajelor greu prelucrabile sau neprelucrabile de tipul stelit, aliajelor

dure, etc.

Formarea în vid

Este o metodă nouă pentru execuţia formelor temporare. Diferenţa dintre formarea clasică în

amestec de formare şi formarea în vid este aceea că materialul de formare constă numai din nisip,

fără adaos de liant. Forţele de legătură dintre granulele de nisip se asigură prin aceea că fiecare

semiformă este acoperită pe ambele feţe cu o foaie de material (0,1 mm) plastic şi că în fiecare

semiformă se crează o depresiune.

Metoda se aplică în cazul turnării unor piese de serie mică.

Se obţine piese cu suprafeţe foarte curate ceea ce uşurează munca de curăţire şi se prezează la o

mecanizare şi automatizare avansată a procesului tehnologic.

U.9.3. Turnarea formelor cu modele volatile

Este o metodă de turnare şi presupune execuţia unui model din poliesteren (fig. 7.7) care se

volatilizează la 275 - 2900 C. După execuţia formei, modelul nu se mai extrage din formă, ceea ce

are avantajul că piesele obţinute au o precizie dimensională mare şi nu prezintă bavuri.

Fig. 7.7. Turnarea în forme cu modele volatile. 1 - ramă de formare; 2 - model de polistiren

Metoda se aplică cu succes în cazul turnării unor piese mari şi de serie foarte mică (unicate). O

variantă a procedeului este cea a turnării pieselor în forme realizate din alice de fontă stabilizate

magnetic.

Aceasta presupune, că se execută modelul din polistiren, după care forma sau modelul acoperit

cu alice se trece pe un transportor magnetic, al cărui câmp magnetic asigură stabilitatea alicelor

până la solidificarea aliajului.

86

Extragerea modelului din formele temporare

După modul de scoatere a modelului din formele temporare, maşinile cele mai folosite sunt: cu

ridicarea ramei, cu extragerea modelului, cu placă rabatabilă.

Maşini de format cu ridicarea ramei

Principiul de funcţionare (fig. 7.8) constă în ridicarea ramei de pe placa de model cu ajutorul

unor ghidaje antrenate cu aer comprimat, care trec prin orificii speciale, executate în placa model şi

care se aşează în colţurile ramei. Pe masă rămâne placa de model cu modelul.

Fig. 7.8. Demularea cu mecanisme cu ghidaje. a - poziţia iniţială; b - după ridicarea ramei; 1 -

ghidaje; 2 - placă de model; 3 - model.

Metoda aceasta se foloseşte în cazul modelelor de înălţime mică şi simple. În cazul scoaterii

modelului prin ridicarea ramei, a pieselor cu contururi complicate, există posibilitatea ca modelul să

antreneze şi o parte a amestecului de formare. Pentru piese mari, unde există pericolul ca la

scoaterea modelului să se rupă şi forma se folosesc pentru scos modelul maşini cu pieptene (fig.

7.9.).

Fig. 7.9. Demularea cu placă pieptene. a - poziţia iniţială; b - după ridicarea ramei; 1 - placă

pieptene; 2 - placă de model; 3 - mecanism cu tije.

Funcţionarea maşinii este următoarea: rama 1 se aşează pe placa pieptene 2, iar ridicarea

semiformei de pe placa model 3 se face cu ajutorul mecanismului cu tija 4.

Maşini de format cu extragerea modelului

La aceste maşini, extragerea modelului se face prin coborârea plăcii de model în timp ce rama

rămâne pe loc (fig. 7.10). Aceste maşini pot fi folosite pentru extragerea modelelor din ramele

superioare. Pentru a se extrage modelele din ramele inferioare cu astfel de maşini ar trebui

răsturnată rama inferioară cu 1800 ceea ce este destul de incomod şi de aceea nici nu se aplică.

Fig. 7.10. Principiul maşinii de format cu extragerea modelului

Maşini de format cu placă rabatabilă

87

Aceste maşini se folosesc la scoaterea modelelor din ramele inferioare. Rama inferioară prinsă

solidar de placa de model are posibilitatea de a se roti cu 1800. După îndesarea amestecului de

formare se basculează rama cu tot cu placa de model cu 1800 şi se aşează pe o masă de primire (2)

după care rama se desprinde fie lăsându-se în jos, fie ridicând modelul. Maşinile se folosescîn cazul

formelor mari cu părţi centrale masive şi înalte.

În figura 7.11 se prezintă principiul de funcţionare al maşinii de scos modele cu masă

rabatabilă.

Fig. 7.11. Demularea cu mecanism cu masă rabatabilă. 1 - placă de mode; 2 - masă de primire.

U.9.4. Turnarea în forme permanente

Formele care se pot folosi la mai multe turnări succesive, fără reparaţii poartă denumirea de

forme permanente. Se folosesc în general la turnarea pieselor în serie mare, care nu au o

configuraţie complicată.

Formele permanente se pot clasifica după natura materialului din care se execută acestea şi

după modul de umplere cu aliaj lichid.

După natura materialului din care sunt confecţionate se întâlnesc forme executate din fontă

cenuşie, oţel carbon, aluminiu cu siliciu, molibden grafitat.

După modul de umplere cu metal sau aliaj lichid formele permanente pot fi pentru turnarea

statică, sub presiune, centrifugă, continuă, prin aspiraţie.

Din punct de vedere a calităţii pieselor turnate, are importanţă deosebită ultima clasificare a

formelor permanente. În continuare se vor prezenta pe scurt principalele tehnologii de obţinere a

pieselor în forme permanente.

Turnarea statică

Turnarea statică în forme permanente (turnare în cochilă) se utilizează în special la turnarea

aliajelor de aluminiu şi fontelor cenuşii. În figura 7.12 se prezintă turnarea unui piston din aluminu

în formă metalică. Formele permanente se preîncălzesc înainte de umplere şi se vopsesc cu vopsea

refrectară de protecţie. În timpul lucrului, dacă temperatura lor creşte, se impune răcirea lor c u apă.

Fig. 7.12. Turnarea unui piston din aluminiu în formă metalică: 1 - forma; 2 - pistonul turnat; 3 -

miezuri.

88

Exemple

Forme executate din amestecuri de formare cu liant, silicat de sodiu, întărite cu

CO2. La aceste forme după îndesare se insuflă timp de cca. 30 secunde CO2 în

interiorul formei.

Sub acţiunea CO2 silicatul de sodiu reacţionează conform reacţiei:

Na2O·nSiO2 + CO2+ m·H2O = nSiO2·pH2O + Na2CO3 (m - p)H2O

sticlă solubilă silicagel carbonat de soidiu

Care sunt fazele procesului tehnologic de obţinere a formelor coji.

Să ne reamintim:

Turnarea în forme coji cu modele uşor fuzibile

Formarea în vid

Turnarea statică

Rezumat Alegerea metodei de turnare este condiţionată de natura producţiei, de

dimensiunile şi greutatea pieselor. Tehnica modernă pune la dispoziţia industriei o

gamă largă şi variată de procedee prin care se pot realiza astăzi piesele şi

subansamblele care intră în compunerea maşinilor şi instalaţiilor.

Producţia de piese turnate ocupă în cadrul industriei constructoare de maşini un

loc important, aproximativ 15 - 20 % din producţia de fontă brută (de primă

fuziune), se transformă în piese turnate. Prin piesă turnată se înţelege obiectul

mecanic obţinut prin turnarea metalului lichid într-o formă (cavitate) închisă sau

deschisă care cuprinde în corpul ei o serie de spaţii goale reprezentând configuraţia

exterioară şi interioară a piesei turnate. Distanţa între pereţii spaţiilor goale

reprezintă grosimea pereţilor piesei turnate.


1.Care este fluxul tehnologic pentru obţinerea pieselor turnate în forme

temporare ?

a.Executarea formelor, turnarea metalului l ichid în cavitatea formei, dezbaterea

piesei, eliminarea bavurilor şi curăţirea piesei.

b.Executarea formelor, dezbaterea piesei, turnarea metalului lichid în cavitatea

formei, eliminarea bavurilor şi curăţirea piesei.

c.Executarea formelor, dezbaterea piesei, eliminarea bavurilor şi curăţirea piesei,

turnarea metalului lichid în cavitatea formei.

2. Dintre metodele de turnare enumerate în continuare care este aceea care

se execută în forme permanente ?

a.Turnarea în forme coji cu modele uşor fuzibile (turnarea de precizie).

b.Turnarea în forme vidate (procedeul V).

c.Turnarea sub presiune.

89

Unitatea de învăţare 10. PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE PLASTICĂ

Cuprins

10.1. Introducere.................................................................................................................... 89

10.2. Competenţe.............................................................................................................. ......89

U.10.1. Bazele teoretice ale prelucrării prin deformare plastică ............................................90

U.10.2. Încălzirea la prelucrarea prin deforamrea plastică .......... ...........................................92

U.10.3. Legile deformării plastice..........................................................................................93

U.10.4. Procedee de deformare plastică..................................................................................96

U. 10.5. Laminarea metalelor şi aliajelor........................................................................... .....97

U.10.6. Extruziunea...............................................................................................................101

10.1. Introducere

Se prezintă bazele teoretice ale prelucrării prin deformare plastică şi

principalele procedee de deformare plastică. Deformarea plastică este metoda de

prelucrare fără aşchiere prin care, în scopul obţinerii unor semifabricate sau

produse finite, se realizează deformarea permanentă a materialelor fără fisurare

prin aplicarea forţelor exterioare. Deformaţiile se pot clasifica în: elastice şi

permanente, cele permanente la rândul lor pot fi plastice, adică fără fisuri sau

ruperi de metale (stare plastică) şi cu fisuri, cu ruperi de metal (stare casantă).


Competenţe în caracterizarea şi cunoaşterea bazelor teoretice ale

prelucrării prin deformare plastica, a legilor deformării plastice şi a principalelor

procedee de deformare plastică.

Durata medie de parcurgere a primei unităţi de învăţare este de 2 ore.

90

PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE PLASTICĂ

Deformarea plastică este metoda de prelucrare fără aşchiere prin care, în scopul obţinerii unor

semifabricate sau produse finite, se realizează deformarea permanentă a materialelor fără fisurare

prin aplicarea forţelor exterioare.

U.10.1. Bazele teoretice ale prelucrării prin deformare plastică

Deformări elastice şi deformări plastice

Deformările sunt posibile datorită schimbării echilibrului dintre forţele interne ale materialului

sub acţiunea forţelor exterioare materialului.

Deformările sunt condiţionate de repartizarea forţelor, din direcţia în care se manifestă acestea,

felul solicitării şi de viteza cu care se exercită forţele exterioare.

Deformaţiile se pot clasifica în: elastice şi permanente, cele permanente la rândul lor pot fi

plastice, adică fără fisuri sau ruperi de metale (stare plastică) şi cu fisuri, cu ruperi de metal (stare

casantă).

Deformarea elastică are loc prin deplasarea atomilor din poziţia lor de echilibru, mărimea

deplasării nedepăşind ordinul de mărimi al distanţei dintre atomi. Deformarea nu produce

modificări în structura internă a metalului. Se montează unele proprietăţi fizice şi chimice, cum ar fi

conductivitatea electrică, culoare, etc.

Deformarea plastică se realizează prin deplasarea relativă a atomilor în poziţii noi de echilibru

la distanţe mult mai mari decât distanţele dintre atomi, în reţeaua cristalină. Metalul suferă

modificări importante în structura sa, deformarea produsă nu mai respectă legea lui Hooke.

În timpul prelucrării materialelor metalice prin deformare plastică este necesar ca forţele ce

acţionează să aibă efortul unitar de prelucrare (), mai mare decât limita de curgere (c) şi mai

mică decât rezistenţa la rupere (r).

De aceea pentru o deformare plastică este necesar de a aduce c la o valoare cât mai mică, prin

diferite metode (temperatură, etc.), iar valoarea lui r să fie cât mai mare.

Deformarea plastică la rece

Se consideră că avem deformare plastică la rece, atunci când aceasta are loc la o temperatură:

(1) în care: Tt este temperatura de topire a amestecului.

Deformarea plastică se poate produce prin alunecare, prin maclare şi prin alunecare şi maclare.

Deformarea plastică prin alunecare a policristalelor. Materialele metalice tehnice sunt corpuri

policristaline, a căror deformare plastică se compune din deformarea intracristalină (a cristalelor) şi

deformarea intercristalină (a substanţei intercristaline).

Deformarea intracristalină este cu atât mai dificilă cu cât grăunţii care compn cristalele sunt mai

mici.

La început se deformează plastică numai cristalele cu orientare favorabilă a planelor de

alunecare iar ceilalţi grăunţi suferă o deformare elastică.

Deformarea intercristalină se produce datorită faptului că în timpul deformării plastice a

policristalului tot mai mulţi grăunţi se rotesc. Deformarea plastică a policristalului nu se produce

uniform în toţi grăunţii. Unii grăunţi, cu orientare favorabilă (fig. 8.1) acţiunii efortului se

deformează puternic, în timp ce ceilalţi grăunţi nu s -au deformat deloc sau foarte puţin.

91

Deformarea plastică prin maclare. Acest fenomen are loc atunci când o parte a reţelei cristaline

se roteşte în jurul nodurilor sale când cele două părţi ajung într-o poziţie simetrică una faţă de

cealaltă (fig. 8.2). Prin maclare o parte din cristal se reorientează în raport cu restul de-a lungul unui

anumit plan, numit plan de maclare. Partea rotită deformată a cristalului se numeşte maclă.

Fig. 8.1. Fig. 8.2

Influenţa deformării plastice la rece asupra proprietăţii metalelor. Prelucrarea prin deformare

plastică la rece provoacă ecruisarea (întărirea) metalului, aceasta reprezintă ansamblul fenomenelor

legate de modificarea proprietăţilor mecanice, fizice şi chimice în procesul de deformare plastică la

rece (fig. 8.3).

Fig. 8.3.

Deformarea plastică la cald

Deformarea plastică la cald se realizează prin alunecare sau prin maclare. Prin încălzire, datorită

creşterii mobilităţii atomilor în reţea, dispar tensiunile interne.

Revenirea este procesul de mărire a plasticităţii materialului care se realizează la temperaturi

cuprinse intre o,2d Tt şi 0,4 Tt (din temperatura de topire), înlăturându-se astfel deformaţia reţelei.

La aceste temperaturi nu se produce nici o modificare a microstructuii.

Recristalizarea este fenomenul care începe la temperaturi superioare temperaturii de revenire.

Atomii ajungând la o mobilitate suficientă, se măreşte procesul de difuzie şi începe procesul de

refacere a structurii prin apariţia unor noi centri de cristalizare iar în final dispar complet tensiunile

interne.

Recristalizarea influenţează nu numai asupra reţelei cirstaline, dar şi asupra formei şi

dimensiunile grăunţilor.

Formele deformărilor plastice

Cunoscând fenomenele. se poate face o împărţire a procedeelor de prelucrare plastică după

domeniul de temperatură în:

92

- deformarea plastică la rece, cănd se lucrează sub temperatura de restaurare, obţinându-se o

structură ecruisată Td < 0,25 Tt.

- deformarea plastică incompletă la rece, când se lucrează în domeniul temperaturii de

regenerare se obţine o structură cu tensiuni interne reduse în urma regenerării grăunţilor cristalini.

Aceştia îşi păstrează însă forma texturată alungită, proprietăţile fiind puţin ameliorate faţă de

structura ecruisată.

Td = (0,25 - 0,35) Tt

- deformarea plastică incompletă la cald, când se lucrează la temperatura de recristalizare, fără a

depăşi aceasta.

Structura se compune în parte din grăunţi recristalizaţi şi în parte din grăunţi regeneraţi, această

structură fiind neomogenă înrăutăţeşte proprietăţile obţinute, deci nu se prea recomandă.

- deformarea plastică la cald, când se lucrează deasupra teperaturii de recristalizare, omogenă cu

capacitate de deformaţie constantă, permanetă; deci este deformarea cea mai indicată pentru

deformări cu un grad de deformare ridicat. Se menţionează însă că temperatura de recristalizare este

şi ea influenţată de gradul de deformare, iar structura obţinută în urma recristalizării depinde şi de

temperatura de recristalizare şi de viteza de deformare.

Cu cât temperatura de recristalizare este mai ridicată cu atât se vor obţine grăunţi mai mari.

U.10.2. Încălzirea la prelucrarea prin deforamrea plastică

Aspecte generale

Reuşita unei bune prelucrări prin deformare plastică la cald depinde în mare măsură de

încălzirea corectă a materialului supus deformării, de temperatura de început şi de sfârşit de

prelucrare.

Procesul de încălzire-răcire este prezentat în figura 8.4.

Încălzirea până în momentul deformării (t1) se face în două etape şi anume o etapă până la

atingerea temperaturii de început de deformare şi o a doua etapă de menţinere la această

temperatură.

Durata de încălzire se poate calcula cu ajutorul formulei empirice

(2)

în care: d este diametrul semifabricatului sau grosimea lui; K1 - coeficient cuprins între 10 şi 20 în

funcţie de calitatea oţelului (aliat sau nealiat) şi mărimea piesei; K2 - coeficent cuprin între 1 şi 4 în

funcţie de aşezarea semifabricatelor în cuptor. În literatura de specialitate se găsesc tabele pentru

valorile K1 şi K2.

În timpul deformării propriu-zise (t2) temperatura scade de la valoarea Tid la Tsd.

Temperaturile de început şi de sfârşit de deformare se aleg în funcţie de procentul de carbon.

Aceasta se face în jurul punctelor critice A3 + (30...500) şi A4 + (150...2000). Stadiul de răcire

constituie răcirea materialului de la temperatura de deformare până la temperatura ambiantă şi

93

depinde de mediul de răcire ales. De fapt timpul de răcire al piesei se compune din timpul de răcire

în cursul deformării t2 şi din timpul de răcire de după deformare t3.

Dincele expuse rezultă că plasitcitatea metalelor depinde de temperatură şi că în general ea

creşte cu creşterea temperaturii.

Instalaţii de încălzire Instalaţiile folosite pentru încălzirea semifabricatelor în vederea deformării plastice trebuie să

îndeplinească următoarele condiţii: să asigure o încălzire uniformă şi pătrunsă, să permită reglarea

pentru un anumit regim de încălzire, să permită controlul procesului de încălzire, să aibă un

randament ridicat.

Randamentul unei instalaţii de încălzire se exprimă prin relaţia :

în care: Qp este căldura acumulată de piesă şi Qa - căldura realizată prin arderea combustibilului.

Cuptoarele de încălzire se clasifică (fig. 8.5.) după cum urmează:

În figura 8.6 este prezentat cuptorul cu vatră rotativă tip carusel. Aceste cuptoare sunt folosite

pentru încălzirea semifabricatelor de formă variată: ţevi, roţi, bandaje, etc. Productivitatea acestor

cuptoare variază între 20 şi 100 t/h.

U.10.3. Legile deformării plastice

În urma studiilor teoretice şi a datelor experimentale s-a ajuns să se precizeze anumite legi cu

privire la comportarea metalelor şi aliajelor în timpul deformării plastice. La baza deformării

plastice a unui metal stau următoarele legi:

1 - legea volumului constant;

2 - legea prezenţei deformărilor elastice în timpul deformării plastice;

3 - legea rezistenţei minime;

4 - legea apariţiei şi echilibrului eforturilor interioare suplimentare;

5 - legea similitudinii.

Legea volumului constant. Făcând abstracţie de micile variaţii de volum prin îndesare sau

pierderi în oxizi se poate considera că deformarea are loc la volum constant. Dacă l0, b0, h0 sunt

dimensiunile unui corp înainte de deformare şi l1, b1, h1 după deformare (fig. 8.8) se poate scrie că:

V = l0, b0, h0 = l1, b1, h1 = constant (3)

sau:

Prin logaritmare rezultă:

(4)

94

şi dacă notăm:

se obţine: (5)

adică suma gradelor de deformare logaritmice după cele trei direcţii este nulă. Una din gradele de

deformare care are semn diferit de celelalte două va avea mărimea absolută egală cu a celorlalte

două.

Gradele de deformare se mai pot exprima şi sub forma:

(6)

în care: - sunt gradele de deformare de ordinul întâi;

- gradele de deformare de ordinul al doilea.

Cum gradul de deformare logaritmic deformării elementare relative la un moment dat se poate

scrie că:

(7)

rezultă că:

(8)

Interpretând tehnologic această lege se poate spune că dacă: deformarea se produce după toate

trei direcţiile. Dacă: deformarea se produce numai după două direcţii.

Dacă prima ecuaţie a sistemului (8) se înmulţeşte cu V, rezultă:

(9)

Cum produsul dintre volum şi gradul de deformare reprezintă volumul deplasat în direcţia

corespunzătoare axelor x, y, z se poate afirma că şi suma volumelor deplasate în trei direcţii

perpendiculare între ele este egală cu zero.

Legea prezenţei deformărilor elastice în timpul defromării plastice. Esenţa legii constă în faptul

că deformarea plastică este întotdeauna însoţită de o deformare elastică, legea se poate exprima sub

forma:

(10)

în care: e este deformarea totală suferită de corp; ee - mărimea deformării elastice; ep - mărimea

deformării plastice. De această lege se ţine cont mai ales la prelucrarea la rece când ponderea

deformării elastice este destul de mare şi materialul are tendinţa de mărire a volumu lui după

deformare.

Legea rezistenţei minime. Această lege are mai multe formulări:

- orice formă a secţiunii transversale a unui corp supus deformării plastice prin refulare în

prezenţa frecării pe suprafaţa de contact tinde să ia forma care are perimetrul minim la suprafaţa

dată; la limită se tindecătre un cerc;

95

- deplasarea punctelor corpului pe suprafaţa perpendiculară pe direcţia forţelor exterioare are

loc după normala cea mai scurtă dusă la perimetrul secţiunii, ceea de înseamnă că în cazul

posibilităţii deplasării punctului corpului deformat în diferite direcţii fiecare punct se va deplasa în

direcţia rezistenţei minime.

Deformarea maximă se va produce în acea direcţie în care se va deplasa cea mai mare cantitate

de material.

Dacă se consideră pentru deformarea unui semifabricat de formă paralelipipedică, conform

principiului deplasării punctulelor după normala cea mai scurtă la perimetru, dreptunghiul se poate

împărţii în două trapeze şi două triunghuiri (fig. 8.9). Se observă tendinţa transformării formei

dreptunghiulare a secţiunii iniţiale în elipsă, respectiv cerc. Materialul deplasându-se mai ales după

direcţia y. Legea rezistenţei minime trebuie luată în considerare în cazul matriţării cu bavură. Pentru

a asigura umplerea completă a cavităţii formei trebuie ca în acea direcţie să se opună curgerii

materialului o rezistenţă minimă.

Pentru a asigura aceste condiţii se prevede în jurul cavităţii un canal de bavură. Prin formarea

bavurii se crează în mod artificial o rezistenţă sporită la curgerea materialului afară din cavitate şi

astfel se asigură umplerea cavităţii matriţei.

Legea apariţiei şi echilibrului eforturilor interioare suplimentare .

La orice schimbare a formei unui corp policristalin aflat în stare plastică apar in interiorul

materialul eforturi suplimentare ce se opun deformării relative şi care tind să se echilibreze reciproc.

Eforturile suplimentare apar datorită frecării de contact dintre sculă şi semifabricat, repartiţiei

uniforme a temperaturii în semifabricat, neomogenităţii compoziţiei chimice şi a proprietăţilor

mecanice ale materialului, tendinţei de frânare a dislocaţiilor în timpul deformării plastice etc.

Eforturile interioare produse şi rămase în piesa prelucrată se pot adăuga eforturile interioare ce

apar în timpul funcţionării ceea ce poate duce la apariţia de fisuri, chiar la eforturi mici. Pe de altă

parte ele micşorează plasticitatea şi elasticitatea chimică a materialului. Spre exemplu în cazul

tragerii sârmelor, apar eforturi suplimentare între straturile de material centrale cu tendinţa de

lungire mare şi straturile superficiale împiedicate în tendinţa lor de deformare prin întindere de către

forţele de frecare în contact cu filiera.

În consecinţă în straturile superficiale apar eforturi suplimentare de întindere iar în cele

interioare eforturi suplimentare de compresiune.

Pentru evitarea apariţiei eforturilor suplimentare se vor reduce pe cât posibil frecările între

suprafaţa materialului ce se deformează şi suprafaţa sculei de lucru, iar forma semifabricatului se va

alege cât mai apropiată de cea a piesei finite.

Legea similitudinilor. Pentru aceleaşi condiţii de deformare a două corpuri geometrice

asemenea care au mărimi diferite presiunile specifice de deformare sunt egale între ele, raportul

forţelor de deformare este egal cu pătratul raportului mărimilor liniare, iar raportul mărimilor ale

corpului deformat:

(11)

Legea este valabilă în condiţiile când ambele corpuri au aceleaşi faze structurale aceeaşi stare

chimică şi aceleaşi caracteristici mecanice, iar temperatura corpului la începutul şi în timpul

deformării este aceeaşi. Rezultatele obţinute pe model nu mai corespund decât cu corecţii la piesele

96

mari întrucât condiţiile impuse sunt greu de respectat iar în timpul prelucrării intervin o serie de

factori care influenţează rezultatele.

U.10.4. Procedee de deformare plastică

Clasificarea procedeelor de deformare plastică

Procedeele de deformare plastică a materialelor metalice se pot clasifica după următoarele

criterii:

- după temperatura la care are loc deformaera (la rece, incomplet la rece, semicald şi cald);

- după viteza de deplasare a sculei (cu viteze mici de deformare v < 10 m/s; cu viteza mari de

deformare v > 10 m/s);

- după calitatea suprafeţei realizate: (eboşarea);

- după natura operaţiilor aplicate la deforarea plastică (degroşare, finisare);

- după complexitatea procedeelor întrebuinţate (procedee intrinseci, procedee complexe) .

Procesele de deformare plastică mai pot fi clasificate şi pe baza tipului de forţe care se aplică

piesei atunci când este prelucrată prin deformare.

Astfel avem:

- procese bazate pe compreaiune directă;

- procese bazate pe compresiune indirectă;

- procese bazate pe tracţiune;

- procese bazate pe încovoiere;

- procese bazate pe forfecare.

În cazul proceselor bazate pe compresiune directă, forţa se aplică pe suprafaţa piesei de

prelucrat şi metalul curge pe direcţii ce formează unghiuri drepte cu direcţia pe care aplică forţa de

compresiune. Principalele exemple de astfel de proces de acest tip sunt forjarea şi laminarea (fig.

8.11. a,b ).

Procesele bazate pe compresiune indirectă cuprind tragerea sârmelor şi ţevilor, extruziunea şi

ambutisarea adâncă a unui pahar. Forţele primare aplicate asupra peisei sunt adeseori forţe de

tracţiune, dar forţele indirecte cel puţina una dintre direcţiile principale (fig. 8.11. c,d,e).

Cel mai bun exemplu de proces de prelucrare prin deformare bazat pe tracţiune îl constituie

întinderea prin forjare, în care metalul este silit să se deformeze după conturul unei matriţe, prin

aplicarea unei forţe de întindere (fig. 8.11. f).

Procesele bazate pe încovoiere sunt legate de aplicarea unui moment încovoietor (fig. 8.11. g)

în timp ce cele bazate pe forfecare reprezintă cazuri de aplicare a unor forţe de forfecare de mărime

suficientă pentru a produce ruperea metalului în planul de forfecare. În figura 8.11 se ilustrează

acest proces în mod cu totul simplificat.

Fig. 8.11

97

U. 10.5. Laminarea metalelor şi aliajelor

Produse obţinute prin laminare

Procesul de deformare plastică a unui metal, realizat prin trecerea acetuia între doi cilindri, se

numeşte laminare. El reprezintă cel mai larg şi răspândit proces de prelucrare a metalelor prin

deformare, deoarece se pretează la o producţie de masă şi la un control final riguros al produsului.

Prin deformarea metalului între cilindrii laminorului piesa este supusă la o tensiune tangenţială

superficială, ca urmare a frecării dintre cilindri şi metal. Forţele de frecare sunt, de asemenea, cauza

reducerii metalului care se produce între cilindri.

Laminarea lingoului în blumuri, brame, tagle şi alte produse semifabricate se realizează, în

general la cald. Această primă fază este urmată de o a doua laminare la cald pentru a obţine table

groase, table subţiri, bare, ţevi şine şi alte produse finite. În prezent, laminarea la rece a metalelor a

căpătat în industrie un loc de importanţă majoră. Prin laminarea la rece se produc table groase,

benzi şi table subţiri, având o bună finisare a suprafeţei şi o rezistenţă mecanică sporită, putându-se

menţine în timpul procesului de prelucrare un control riguros al dimensiunilor produsului.

Terminologia utilizată pentru a defini produsele laminate este destul de largă şi nu se pot face

delimitări stricte în ce priveşte denumirile diferitelor produse în funcţie de dimensiunile lor. Blumul

este produsul obţinut din prima laminare a lingoului. O nouă reducere a dimensiunilor transversale

prin laminare la cald conduce la obţinerea unei ţagle.

O bramă reprezintă un produs laminat dintr-un lingou având aria secţiunii transversale mai

mare decât 100 cm2 şi cu o lăţime care să fie cel puţin de două ori mai mare decât grosimea.

Blumurile, ţaglele şi bramele sunt cunoscute sub denumirea de produse semifabricate deoarece ele

urmează a fi apoi transformate în alte produse prin laminare sau forjare.

Benzile laminate se împart funcţie de lăţime, în trei grupe: benzi înguste având lăţimea mai

mică de 100 mm, mijlocii având lăţimea de 100...600 mm şi late având lăţimea mai mare de 600

mm. Benzile se înfăşoară în colaci sau se livrează în formă de fâşii.

Profilele laminate sunt multiple după formă şi mărime. Profilele convenţionale în formă de I, U,

T, cornier etc. sunt grele, când au dimensiunile maxime peste 80 mm şi uşoare sub această valoare.

Sârma se numeşte acel produs laminat, care se înfăşoară în colaci, având secţiuni de forme

diferite. Dimensiunea minimă ce se poate obţine prin laminare este de 5 mm.

Ţevile laminate sunt produse care se obţin prin procedee speciale, cu diametre şi grosimi

diferite de pereţi.

Utilajul de laminare

Un laminor constă în esenţă din cilindrii de laminare, lagăre, o cajă în care se montează aceste

elemente şi un grup de antrenare pentru aplicarea puterii necesare laminării şi pentru a controla

viteza de laminare. Forţele ce iau naştere în timpul laminării pot să atingă cu uşurinţă zeci de

milioane de newtoni. Sunt prin urmare, necesare construcţii foarte rigide şi motoare puternice

pentru a furniza puterea necesară.

Laminoarele pot fi clasificate în funcţie de numărul de cilindrii de laminare şi de aranjarea

acestora (fig. 8.12).

Pentru a realiza un produs sunt necesare de obicei mai multe treceri.

Fig. 8.12

98

Bazele teoretice ale laminării

Prin procesul de laminare, adică trecerea forţată a semifabricatului printre cilindrii de laminare,

se obţine un produs cu o secţiune mult micşorată faţă de aceea a semifabricatului şi cu o lungime

mult mai mare decât aceea a semifabricatului iniţial.

Această reducere a secţiunii şi alungire pronunţată se obţine în urma acţiunii unor forţe de

compresiune directe, exercitate de cilindrii laminorului asupra materialului de prelucrat. Pentru a

putea studia teoretic procesul de laminare simplu, se fac câteva ipoteze şi anume: materialul este

omogen; în timpul laminării se produce o lăţire uniformă a secţiunii laminate; cilindrii nu alunecă

pe suprafaţa materialului şi viteza de trecere printre cilindrii de laminare într-o anumită secţiune

dată este constantă.

În punctul A din figura 8.13 asupra metalului acţionează două forţe: forţa radială Fr şi forţa

tangenţială de frecare F. Componenta verticală a forţei Fr, se numeşte forţă de laminare P. Forţa de

laminare este aceea forţă cu care cilindrii presează metalul. Presiunea de laminare p este egală cu

raportul dintre forţa de laminare şi suprafaţa de contact. Suprafaţa de contact dintre metal şi cilindrii

este egală cu produsul dintre lăţimea tablei b şi lungimea proiectată Lp a arcului de contac.

În cazul limită forţa normală pe un element de suprafaţă are valoarea:

(12)

unde: Kdm este rezistenţa medie opusă la deformare a metalului; b - lăţimea semifabricatului în

locul considerat; R - raza cilindrului.

Integrând în limitele unghiului corespunzător arcului de contact se obţine:

(13)

Dacă se consideră că lăţimea medie în zona de deformare este constantă şi se notează lungimea

arcului de contact cu Lac rezultă:

(14)

Lungimea proiectată Lp a arcului de contact se poate calcula cu relaţia:

(15)

Prin urmare, presiunea de laminare este dată de relaţia:

(16)

O urmare firească a existenţei diferenţelor de viteză între metal şi suprafaţa cilinrilor este faptul

că ia naştere o forţă de frecare F. Admiţând că frecarea între cilindru şi metal este caracterizată prin

coeficentul de frecare m, forţa de frecare pe un element de suprafaţă se poate exprima cu relaţia:

(17)

sau după integrare:

99

(18)

Unghiul a dintre planul de intrare şi linia ce trece prin centrul cilindrilor se numşte unghi de

contact sau unghi de prindere. Metalul nu pate fi prins între cilindrii dacă tga depăşeşte coeficientul

de frecare dintre cilindrii şi metalul prelucrat.

Pentru ca semifabricatul să fie antrenat între cilindrii trebuie îndeplinită condiţia:

H = 2 (H1 - H2) > 0 (19)

adică să existe o forţă orizontală îndirecţia de laminare. Cele două componente orizontale care iau

naştere pot fi uşor deduse, (fig. 8.14).

Pentru ca H > 0 trebuie ca H1 > H2 adică:

Prcos > Prsin (20)

se poate deduce că:

(21)

Unghiul de contact determină raportul dintre diametrul cilindrului şi reducerea realizată la o

trecere. Din figura 8.14 se observă că:

sau

h0 - h1 = 2R(1 - cos)

Diferenţa h0 - h1 = Dh reprezintă reducerea pe înălţime iar 2R = D, diametrul cilindrului. Se

obţine în final relaţia:

(22)

Fig. 8.13

În practică valoarea unghiului de prindere se alege la cilindrul vitezei = 22...240 şi la cilindrii

striaţi = 30...320.

Din relaţia 22 se poate trage concluzia: nu este posibil să se realizeze la o singură trecere o

reducere nelimitat de mare. S-a vâzut însă, că produsele laminate finite au secţiunea mult mai mică

decât semifabricatul. Acest lucru se poate realiza numai, trecând semifabricatul respectiv de mai

multe ori printre cilindri, laminând deci în mai multe treceri.

100

Pentru a obţine prin urmare dintr-un semifabricat cu o secţiune iniţială S0 o secţiune finală S a

produsului finit este necesar să se calculeze numărul necesar să se calculeze numărul necesar de

treceri printre cilindri de laminor.

Deformarea la laminare se exprimă prin următoarele caracteristici:

gradul de laminare (23)

şi

coeficient de reducere (24)

Între gradul de laminare şi coeficientul de reducere există următoarea relaţie:

H = (1 - a)×100 [%] (25)

Pentru a deforma omogen semifabricatul se caută, ca la fiecare trecere coeficientul de reducere

să fie acelaşi. La prima trecere se va obţine deci: S1 = a×S0, la a doua S2 = a×S1 = a2×S0, la a treia

S3 = a×S2 = a3×S0, ş.a.m.d. până la ultima trecere S = a×Sn -1 = an×S0. Dacă se logaritmează

ultima expresie se obţine:

log S =n×log a + log S0

de unde:

(26)

găsind astfel numărul necesar de treceri al semifabricatului între cilindrii de laminare, pentru a

reduce acţiunea S0 la secţiunea S.

Laminarea la cald a semifabricatelor intermediare

Laminara blumurilor şi bramelor este foarte importantă, deoarece toată producţia de oţel care

după elaborare nu este prelucrată prin turnare directă în piese sau prin alte procedee, este

transformată la început, din lingouri, în blumuri sau brame (cca. 90 % din producţia de oţel).

Blumurile şi bramele se obţin de obicei pe laminoare simple, cu caje duo reversibile, sau

universale. Laminoarele pe care se laminează blumuri se numesc bluminguri (numite şi laminoare

degrosisoare) iar cele pe care se obţin breme se numesc slebinguri.

Laminarea produselor finite la cald

Laminarea tablei groase la cald se face din bame, cu o masă până la 38 t .

Lamonoarele care asigură randamentul maxim la laminarea tablelor groase, precum şi precizia

şi uniformitatea maximă în grosime, sunt laminoare cvarto reversibile.

Laminarea tablelor subţiri se face din platine. După laminare se aplică tablelor un tratament de

recoacere. Pentru protecţia împotriva oxidării se folosesc cuptoare cu atmosferă neutră sau

controlată, sau se pun tablele în cutii închise ermetic.

Tabla simplă recoaptă se numeşte tablă neagră. Dacă se aplică după recoacere o decaprare,

adică o îndepărtare a oxizilor de pe suprafaţă în băi de acid sulfuric, se obţine tabla simplă decapată.

În cazul în care se face o decapare înaintea laminării, adică a platinei, sau în timpul procesului de

laminare, se obţine tabla dublu decapată.

101

Laminarea benzilor. Laminarea la cald a benzilor se efectuează pe laminoare tandem continue.

Laminarea barelor şi profilelor. Se deosebeşte esenţial de laminarea tablelor şi a produselor

intermediare. Barele de secţiune circulară sau hexagonală şi profilele laminate cum sunt profilele I,

U, cornierele sau şinele de cale ferată sunt produse în cantitate mare prin laminare la cald pe caje

sau cilindri profilaţi.

Laminarea la rece

Laminarea la rece este utilizată pentru a produce table subţiri şi benzi, cu o finisare mai bună a

suprafeţei şi cu teleranţe mai strânse decât se pot obţine prin laminare la cald. În plus ecruisarea ce

rezultă în urma reducerii la rece a dimensiunilor transversale poate fi utilizată pentru mărirea

rezistenţei. Materialul de la care porneşte laminarea la rece a oţelului se prezintă sub forma de role

de bandă decapată, obţinută prin laminare la cald pe un laminor continuu.

Se finisează prin laminare la rece un procent mai mare de metale neferoase decât produse din

oţel.

Laminoarele utilizate pentru laminarea la rece pot fi laminoare simple cu caje cuarto reversibile,

la care se poate executa un număr dorit de treceri.

U.10.6. Extruziunea

Clasificarea proceselor de extruziune

Extruziunea este un proces prin care secţiunea unui bloc de metal sau aliaj este redusă forţând

metalul să treacă prin orificiul unei matriţe prin aplicarea de presiuni ridicate. În general

extruziunea se utilizează pentru fabricarea barelor cilindrice şi a ţevilor, dar se pot produce şi profile

cu secţiuni transversale neregulate din metale ce se pot extruda uşor cum este de exemplu aluminiul.

Din cauza forţelor mari necesitate de procesul de extruziune, majoritatea metalelor se extrudează la

cald, în condiţii în care rezistenţa la deformare a metalului este mai redusă. Este însă posibilă

extrudarea la rece a metalelor, extruziunea în aceste condiţii a căpătat o importanţă din ce în ce mai

mare în industrie.

Reacţiunea dintre semifabricatul supus extrudării şi recipient respectiv matriţa conduce la

tensiuni de compresiune foarte ridicate care acţionează în sensul reducerii fisurării materialelor în

perioada primei deformări a lingoului. Acesa este unul din motivele importante care justifică

utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a extruziunii prin prelucrarea metalelor ce prezintă

probleme atunci când sunt deformate, cum sunt oţelurile inoxidabile, aliajele pe bază de nichel şi

respectiv molibden.

Există două tipuri fundamentale de extruziune a barelor, profilelor şi ţevilor: extruziunea directă

şi extruziunea indirectă (fig. 8.15. a,b).

Fig. 8. 15

În figura 8.16 se arată mai multe tipuri de extrudare utilizate pentru fabricarea unro piese pline

sau găurite de lungime mică.

Extruziunea ca procedeu tehnologic îşi găseşte o aplicare economică în următoarele cazuri:

102

- dacă este necesară prelucrarea prin deformare plastică a unor metale care nu se pot deforma

prin alte procedee. În acest sens de exemplu sunt extrudate bare în vederea mării plasticităţii, a unor

lingouri cu proprietăţi insuficiente de deformabilitate.

La oţeluri înalt aliate se realizează în acest scop un coroiaj de C 4.

- Profilele care au secţiune ce nu poate fi laminată se execută exclusiv prin ex truziune.

Fig. 8. 16.

- Este necesar a se produce o cantitate de semifabricate intermediare, cu secţiunea plină sau

goală, pentru care reglarea unui laminor sau chiar calibrarea unor cilindri de laminor este

neeconomică, se aplică extruziunea.

- Justificată este extruziunea şi în cazul producerii unor profile pentru executarea cărora s-ar

produce pierderi mari prin aşchiere.

În figura 8.17 se arată câteva tipuri de profile care pot fi obţinute prin extrudare.

Fig. 8. 17

Factorii ce influenţează procesul de extruziune

Principalii factori care influenţează mărirea forţei necesare pentru a produce extrziunea sunt:

tipul extruziunii (directă, inversă, sau combinată), gradul de extruziune, temperatura de lucru, viteza

de deformare şi frecarea cu matriţă şi pereţii recipientului (containerului).

În figura 8.18 s-a prezentat variaţia presiunii de extruziune în funcţie de cursa împingătorului,

pentru extruziunea directă şi inversă.

103

Presiunea de extruziune este raportul dintre forţa de extruziune şi aria secţiunii transversale a

ţaglei.

Gradul de extruziune este raportul dintre aria secţiunii transversale iniţiale şi aria secţiunii

transversale după extruziune, .

Presiunea de extruziune este o funcţie aproximativ liniară de logaritmul natural al gradului de

extruziune. Prin urmare forţa de extruziune P este dată de relaţia:

(27)

În relaţia (27) c este tensiunea de curgere pentru starea de tensiune liniară în condiţiile de

temperatură şi viteză de deformare utilizate în decursul operaţiei de extruziune. Această relaţie va

da o forţă de extruziune mai mică decât forţa de extruziune reală. Aceasta se datoreşte faptului că

ecuaţia (27) nu ţine seama de unii factori cum sunt: deformarea neomogenă a ţaglei (care cere

consumarea unui lucru mecanic suplimentar), frecarea în matriţă, frecarea între metal şi recipient

(pentru extruziunea directă).

Utilajul şi sculele pentru extruziune

Cea mai mare parte a operaţiilor de extruziune se efectuează pe prese hidraulice. Presele

hidraulice de extruziune se împart în verticale şi orizontale în fucţie de direcţia de deplasare a

poansonului.

Presele de extruziune orizonatale sunt utilizate pentru fabricarea barelor şi tuburilor.

Matriţele şi sculele utilizate la extruziune trebuie să lucreze în condiţii grele de solicitare,

datorită tensiunilor ridicate, a şocului termic şi oxidării. Se utilizează oţeluri înalt aliate pentru

fabricarea de matriţe şi scule tenace, care să aibă o rezistenţă corespunzătoare la temperaturi înalte.

Exemple

Legea volumului constant. Făcând abstracţie de micile variaţii de volum prin

îndesare sau pierderi în oxizi se poate considera că deformarea are loc la volum

constant. Dacă l0, b0, h0 sunt dimensiunile unui corp înainte de deformare şi l1,

b1, h1 după deformare (fig. 8.8) se poate scrie că:

V = l0, b0, h0 = l1, b1, h1 = constant

sau:

Prin logaritmare rezultă:

104

şi dacă notăm:

se obţine:

Care sunt legile deformării plastice şi ce tipuri de deformări plastice utilizăm în

practică.

Să ne reamintim:

Legea volumului constant

Laminarea la cald

Tipuri de extruziune

Rezumat Cunoscând fenomenele. se poate face o împărţire a procedeelor de prelucrare

plastică după domeniul de temperatură în:

- deformarea plastică la rece, cănd se lucrează sub temperatura de restaurare,

obţinându-se o structură ecruisată Td < 0,25 Tt.

- deformarea plastică incompletă la rece, când se lucrează în domeniul

temperaturii de regenerare se obţine o structură cu tensiuni interne reduse în urma

regenerării grăunţilor cristalini.

Procesul de deformare plastică a unui metal, realizat prin trecerea acetuia între

doi cilindri, se numeşte laminare. El reprezintă cel mai larg şi răspândit proces de

prelucrare a metalelor prin deformare, deoarece se pretează la o producţie de masă şi

la un control final riguros al produsului.

Extruziunea este un proces prin care secţiunea unui bloc de metal sau aliaj este

redusă forţând metalul să treacă prin orificiul unei matriţe prin aplicarea de presiuni

ridicate.


1.Care sunt legile de bază ale deformării plastice ?

a.Legea volumului constant; legea prezenţei deformaţiilor elastice concomitent

cu deformaţiile plastice; legea Joule-Lenz; legea deformaţiilor neuniforme şi a

apariţiei tensiunilor secundare în structura pieselor; legea similitudinii.

b.Legea conservării energiei; legea prezenţei deformaţiilor elastice concomitent

cu deformaţiile plastice; legea rezistenţei minime; legea deformaţiilor neuniforme

şi a apariţiei tensiunilor secundare în structura pieselor; legea similitudinii.

c.Legea volumului constant; legea prezenţei deformaţiilor elastice concomitent

cu deformaţiile plastice; legea rezistenţei minime; legea deformaţiilor neuniforme

şi a apariţiei tensiunilor secundare în structura pieselor; legea similitudinii.

2.Dintre cuptoarele de încălzire a semifabricatelor enumerate mai jos, care

este cu funcţionare continuă ?

105

a.Cuptorul cu vatră rotativă.

b.Cuptorul cu muflă.

c.Cuptorul adânc.

3.Care sunt operaţiile de bază ale forjării libere ? a.Refularea, întinderea, trefilarea, tăierea, găurirea, răsucirea.

b.Refularea, întinderea, tăierea, găurirea, îndoirea, răsucirea.

c.Refularea, extrudarea, întinderea, găurirea, îndoirea, răsucirea.


106

Unitatea de învăţare 11. SUDAREA MATERIALELOR

Cuprins

11.1. Introducere ..................................................................................................................106

11.2. Competenţe....................... ...........................................................................................106

U.11.1. Sudarea metalelor, generalităţi................................................................................107

U.11.2. Sudabilitatea metalelor şi aliajelor........................................................................ 108

U.11.3. Sudarea prin topire................................................................................................ 110

11.1. Introducere

Sudarea este un procedeu tehnologic prin care se realizează îmbinarea

nedemontabilă a două corpuri solide, prin stabilirea, în anumite condiţii de

temperatură şi presiune, a unor forţe de legătură între atomii marginali, aparţinând

celor două corpuri de îmbinare.

În funcţie de calitatea materialului, de forma şi dimensiunile pieselor care

urmează să fie îmbinate, precum şi de destinaţia acestora, se alege procedeul de

sudare. Sudabilitatea metalelor şi aliajelor este însuşirea acestora ce determină

capacitatea lor de a realiza îmbinări nedemontabile corespunzătoare condiţiilor de

exploatare. Se consideră că un material este sudabil dacă prin aplicarea unei

anumite tehnologii este potrivit pentru realizarea unei îmbinări care să corespundă

condiţiilor de exploatare date.


Competenţe în caracterizarea şi cunoaşterea bazelor teoretice ale

procesului de sudare, a sudabilităţii materialelor şi a principalelor procedee de

sudare.


107

SUDAREA MATERIALELOR

U.11.1. Sudarea metalelor, generalităţi

Sudarea este un procedeu tehnologic prin care se realizează îmbinarea nedemontabilă a două

corpuri solide, prin stabilirea, în anumite condiţii de temperatură şi presiune, a unor forţe de

legătură între atomii marginali, aparţinând celor două corpuri de îmbinare.

În funcţie de calitatea materialului, de forma şi dimensiunile pieselor care urmează să fie

îmbinate, precum şi de destinaţia acestora, se alege procedeul de sudare.

Clasificarea procedeelor de sudare

Pentru clasificarea procedeelor de sudare până în prezent nu există un criteriu unic, unanim

acceptat. Din acest motiv, pentru a se realiza o clasificare unitară, se porneşte de la cele două

considerente fundamentale care stau la baza oricărei îmbinări sudate şi anume: introducerea de

energie sub formă localizată în sistem şi apropierea atomilor marginali. În cazul în care se foloseşte

temperatura, o măsură a acesteia o constituie temperatura la locul de contact dintre componente

(Tc0). Apropierea atomilor marginali se realizează prin apăsarea componentelor după o prelucrare

corespunzătoare a suprafeţelor ce vin în contact, apăsarea a cărei măsură este presiunea la locul de

contact (p).

Reprezentând funcţia Tc0 = f(p), pentru fiecare metal sau aliaj metalic există o

Fig. 9.1.

linie ce împarte planul diagramei (fig. 9.1) în două regiuni: o regiune în care comonentele nu se

sudează şi alta în care componentele se sudează. Pentru a se realiza îmbinarea este necesar ca

valorile temperaturii şi presiunii să se situeze deasupra curbei Tc0 = f(p). Procesul combinat de

încălzire şi compresiune determină apropierea necesară formării grăunţilor cristalini comuni celor

două componente.

Urmărind diagrama prezentată se constată două cazuri extreme:

a. cazul în careTc0 Tt şi p = 0 (unde Tt este temperatura de topire) corespunzător situaţiei în

care componentele se topesc şi formează o baie metalică lichidă; procesul de sudare corespunzător

acestui procedeu se numeşte sudare prin topire.

b. cazul în care Tc0 < Tt şi p 0, corespunzător faptului că nu are loc topirea locală a

componentelor şi sudarea se realizează prin deformarea plastică locală; procesul de sudare

corespunzător se numeşte se numeşte sudare prin presiune. Un ceas particular al sudării prin

presiune este sudarea prin presiune la rece sau sudarea prin deformarea plastică fără încălzire, care

corespund condiţiilor Tco = Tma p ³ p0 (unde Tmy este temperatura mediului ambiant). Se face

menţiunea că numai aluminiul, cuprul şi aliajel lor pot fi sudate prin acest procedu.

108

Bazele teoretice ale sudării

Apariţia forţelor de legătură între cele două corpuri metalice diferite este posibilă datorită

faptului că atomii dispuşi la supfaraţa unui corp au legături libere şi pot intra în acţiune cu atomii de

la suprafaţa altui corp. Prin cele două modalizăţi, topire şi presiune se realizează pe de o parte,

încălzirea, care are rolul de a stabili forţele de legătură între atomi, de a le mări solubilitatea şi în

final, de a mări plasticitatea metalului, iar pe de altă parte, presiunea exercitată asupra părţilor de

îmbinat duce la deformaţii plastice, care determină curgerea materialului de-a lungul suprafeţelor de

contact ce mediul înconjurător şi care se prind reciproc cu mai multă uşurinţă. Dacă încălzirea este

destul de mare, materialul lichid formează o baie comună între cele două componente, iar prin

solidificare se obţine sudura.

Procese fizico-chimice de bază ale îmbinărilor sudate

Apariţia forţelor de legătură între componentele ce urmează a fi sudate este dependentă de

starea de agregare în care se găsesc acestea, adică solidă-solidă; lichidă-lichidă; şi în cazuri

deosebite, solidă-lichidă.

La sudarea în fază lichidă stabilirea legăturilor depinde de solubilitatea reciprocă a celor două

materiale, mărimea tensiunii supreficiale, densitate şi alte proprietăţi fizice specifice. Procesul

începe cu interacţiunea picăturilor topite în baia comună şi se continuă în procesul de cristalizare a

cusăturii sudate.

Sudarea obţinută prin topire are o structură şi compoziţie chimică proprie. Cusătura este

rezultatul amestecului materialului de bază (aparţinând pieselor de sudat) cu materialul de adaos

(aparţinând sârmei din electrod) şi eventual cu substanţe metalice din înveliş, flux, sau cu elemente

din mediul de gaz protector cu care baia de sudură intră în reacţii chimide. Concomitent baia lichidă

poate pierde elemenet (Si, Mn, C, Cr, etc.) prin reacţii de oxidare, poate primi elemente de aliere

sau poate îngloba prin absorbţie O2, H2, N2. În afară de forma gazoasă în care se pot genera sulfuri.

Aceste gaze pot forma compuşi chimici sau soluţii solide. Oxigenul va genera în incluziuni (oxizi),

hidrogenul se dizolvă (facilitează apariţia fisurilor), iar azotul poate forma nitruri de fier care reduc

plasticitatea sudurii. După solificare la locul îmbinării apar structuri caracteristice (fig. 9.2).

Fig. 9.2. Zonele unei îmbinări sudate: 1 - cusătură; 2 - zonă de trecere; 3 - zonă influenţată

termic; 4 - metalul de bază.

Datorită transmiterii căldurii în jurul cusăturii, pe o anumită proţiune numită zona influenţată

termic ZIT, se produc modificări structurale ale cristalelor metelice, urmate de schimbarea

proprietăţilor metalului.

Limita dintre cusătură şi zona influenţată termic ZIT se numeşte zonă de trecere ZT şi împreună

cu ZIT are un rol extrem de important în comportarea ulterioară a îmbinării sudate în exploatare.

La sudarea în stare solidă stabilirea legăturilor se realizaeză prin apropierea mecanică a atomilor

pe suprafeţele de contact ale celor două piese, apropierea care este necesară să fie de ordinul

parametrilor reţelei cristaline între toţi atomii dispuşi pe suprafaţa de îmbinare.

U.11.2. Sudabilitatea metalelor şi aliajelor

Sudabilitatea metalelor şi aliajelor este însuşirea acestora ce determină capacitatea lor de a

realiza îmbinări nedemontabile corespunzătoare condiţiilor de exploatare. Se consideră că un

material este sudabil dacă prin aplicarea unei anumite tehnologii este potrivit pentru realizarea unei

îmbinări care să corespundă condiţiilor de exploatare date. Noţiunea de sudabilitate este legată atât

109

de proprietăţile metalului, cât şi de modul în care se realizează sudarea şi reprezintă o proprietate de

bază în ceea ce priveşte alegerea materialului şi tehnologiei corespunzătoare.

Sudabilitatea nu este până în prezent stabilită într-o metodă cantitativă ştiinţifică, în schimb,

pentru fiecare categorie de materiale metalice există prescripţii şi criterii de apreciere care diferă de

la ţară la ţară.

Oţelurile, din punct de vedere al sudabilităţii sunt clasificate în trei mari grupe. Grupa I are

două subgrupe: oţelurile cu sudabilitate bună, nedcondiţionată, bună condiţionată; Grupa a II-a:

sudabilitate posibilă şi grupa a III-a sudabilitate necorespunzătoare. Sudabilitatea oţelurilor depinde

de viteza critică de călire a acestora care la rândul ei este funcţie de compoziţia chimică a oţelurilor.

Fig. 9.3. Dependenţa sudabilităţii în funcţie de carbonul echivalent

La determinarea sudabilităţii oţelurilor după compoziţia chimică se foloseşte drept indice de

sudabilitate aşa numitul conţinut de carbon echivalent (fig. 9.3) definit ca procentul în carbon al

unui oţel nealiat care are aceeaşi sudabilitate cu a oţelului aliat utilizat (STAS 7194). Carbonul

echivalent se calculează cu următoarea relaţie:

(1)

în care: g este grosimea materialului [mm]

Dintre fonte, numai fontele cenuşii sunt sudabile şi acest lucru numai dacă se iau măsuri ca

viteza de răcire să fie redusă şi în baia de sudură să se introducă elemente grafitizante, altfel

existând pericolul ca după răcire este necesară şi pentru reducerea tensiunilor remanente.

Cuprul se consideră sudabil dacă conţinutul de O2 este sub 0,4 %. Se menţionează că se iau

măsuri pentru a evita pierderile mari de căldură datorate conductivităţii termice ridicate.

Alama, din cauza Zn, care se oxidează uşor, se sudează mai greu decât cuprul. La fel bronzul se

sudează greu din cauza segregaţiei puternice.

Aluminiul şi aliajele sale ridică probleme la sudare din cauza conductivităţii termice ridicate şi

a oxidului de aluminiu ce se formează pe suprafaţa pieselor ce urmează a fi îmbinate. Pentru a

înlătura aceste neajunsuri la sudare se folosesc surse termice concentrate.

Nichelul se consideră sudabil prin orice procedeu dacă conţinutul de sulf este sub 0,02 %.

Materialele de adaos la sudare

Sudarea poate fi executată fără material de adaos, când cusătura este formată din materiale

provenite din componentele de îmbinat, sau cu material de adaos când în cusătură se introduce

material din afară.

Se vor considera următoarele categorii de material de ados pentru procedeele de sudare prin

topire: sârma de sudură, electrozi înveliţi, fluxuri şi fondanţi. Gazele protectoare (hidrogen, argon,

bioxid de carbon) nu sunt considerate de adaos.

Sârmele de sudură, neînvelite, sub formă de colaci sau vergele, au diametre cuprinse între

0,5...12,5 mm şi se folosesc pentru sudarea cu flacără oxiacetilienică sau cu arc în baia de zgură sau

110

medii protectoare. Aceste sârme pot fi aliate sau nealiate. Compoziţia chimică a sârmei este diferită

şi este simbolizată conform STAS 1126.

Electrozii înveliţi pentru sudare sunt, în general, destinaţi sudării manuale cu arc. Prin noţiunea

de electrod în tehnica sudării se înţelege orice corp metalic legat la unul din polii sursei electrice de

sudare, dacă acel corp nu este însăşi obiectul prelucrat. Electrozii pot fi fuzibili când pe lângă rolul

electric au şi rolul de a participa ca material de adaos şi nufuzibili când participă doar la realizarea

sursei termice.

Învelişul electrozilor are un rol foarte important, îndeplinind mai multe funcţii în procesul de

sudare. În structura învelişului poate intra o mare vairetate de materiale: ionizanţi, zgurifianţi,

fluidizanţi, gazeificaţi, lianţi şi componenţi de adaos.

Învelirea electrozilor se face prin presare, imersionare, extrudare, învelire sau combinaţii ale

acestora.

Fluxurile sunt materiale compuse din amestecuri de minerale, de formă granulară şi care au rol

de a proteja baia de metal topit, de a contribui cu elemente de aliere şi dezoxidante la formarea

cusăturii, de a elimina gazele, de a micşora viteza de răcire şi de stabilizator al arcului.

Fluxurile din punct de vedere chimic sunt caracterizate de raportul:

(2)

Ele se numesc acide când B < 1; neutre pentru B = 1 şi bazice pentru B > 1.

U.11.3. Sudarea prin topire

Procedeele de sudare prin topire se caracterizează prin încălzirea şi topirea locală a marginilor

pieselor ce trebuie îmbinate, cu sau fără topirea unui metal de adaos şi fără exercitarea unei presiuni

mecanice asupra pieselor. Topirea poate fi făcută cu energia electrică, chimică sau de radiaţie.

Sudarea prin topire cu energie electrică

Majoritatea procedeelor de sudare prin topire utilizează, pentru obţinerea temperaturii de topire

dată, energia electrică. Se remarcă ca surse electrice de căldură utilizate la sudare: descărcările

electrice în medii gazoase şi efectul Joule dezvoltat de curentul electric în conductori în stare lichidă

sau solidă.

Componenţa şi structura arcului electric de sudare

Arcul electric este o descărcare electrică autonomă în gaze şi vapori metalici, caracterizată

printr-o densitate mare a curentului de descărcare, stabilită pentru valori mici ale tensiunii pe arc.

Descărcarea sub formă de arc electric este determinată de natura gazului în care are loc descărcarea,

starea gazului, starea electrică, corpurile între care se formează descărcarea temperatura mediului

ambiant, tensiunea de alimentare a descărcării în arc şi lungimea intervalului între cei doi electrozi.

Considerând că sursa de alimentare a arcului este o sursă de curent continuu, polaritatea (-) a

sursei se leagă la electrodul de sudare formând catodul, iar polaritatea (+) la piesa de sudat formând

anodul. Urmărind procesul de formare a arcului, se remarcă cele două zone în stare lichidă care vor

apare, datorită transportul de ioni. la anod sub formă de crater, iar la catod sub formă de con.

Spaţiul arcului este delimitat schematic în trei zone caracteristice ale descărcării în arc: zona

catodică; coloana arcului şi zona anodică (fig. 9.4).

111

Fig. 9.4. Zonele caracteristice ale descărcării în arc: 1 - pata catodică; 2 - zona catodică; 3 -

coloana arcului; 4 - pata anodică: 5 - zona anodică. Zona catodică este sursa de electroni care ionizează gazul din spaţiul arcului, având o lungime

foarte mică de mărimea drumului liber, mijlociu, al electrodului în gazul ce înconjoară catodul (10-

4...10-6 cm). Concentraţia de ioni în această zonă este mult mai mare decât concentraţia de

electroni, deoarece sub acţiunea câmpului electric foarte intens (104...109 V/m), electrozii au viteză

mult mai mare decât ionii pozitivi, datorită diferenţei mari între masele lor. Zona catodică se

caracterizează printr-o căderea de tensiune mare numită cătere de tensiune catodică.

Repartizarea curentului nu se face uniform pe suprafaţa catodului, ci se concentrează pe o

porţiune mică numită pată catodică care are o temperatură ridicată şi este generatoarea cea mai

importantă a electronilor necesari menţinerii arcului electric.

Zona anodică este zona în care electronii acceleraţi de tensiunea anodică vin din coloana arcului

şi intră în metal. Prin ciocnire ei cedează atât energia cinetică acumulată, cât şi cea dobândită la

ieşirea lor din materialul catodului. Acest lucru se întâmplă deoarece la anod nuare loc emisie de

electroni. Densitatea de curent în pata anodică ramâne constă, iar suprafaţa ei creşte odată cu

creşterea curentului de sudare.

Coloana arcului este regiunea în care au loc ionizări, excitări şi recombinări. Acest spaţiu

umplut cu gaze are temperatura ridicată şi de aceea, în coloana arcului o importanţă deosebită o are

ionizarea termică care se produce atât datorită ciocnirilor neelastice ale electronilor cu atomii, cât şi

ca urmare a ciocnirii atomilor între ei. Atmosfera arcului reprezintă un ameste ce electroni, ioni

pozitivi şi unele cazuri negativi, precum şi de atomi neutrii. Coloana arcului este neutră din punct de

vedere electric, suma sarcinilor particulelor negative fiind egală cu suma sarcinilor particulare

pozitive.

Întrucât numărul electronilor în unitatea de volum în coloana arcului este mult mai mare decât

cel al electronilor emişi în catod, conductivitatea electrică a coloanei arcului este mult mai mare

decât a zonei catodice. Ca urmare câmpul electric este mult mai mic.

Parametrii ce determină comportarea arcului la sudare sunt: curentul care trece prin prin arc Is,

tensiunea arcului U şi lungimea arcului ls. Relaţia generală de dependenţă între aceşti parametrii

poate fi scrisă:

I (3)

şi se numeşte caracteristica arcului electric. Obişnuit caracteristica arcului se reprezintă sub forma

unei familii de curbe Us = f(Is), luând drept parametru variabil lungimea arcului l s. Această

dependenţă poartă denumirea de caracteristica statică a arcului şi este caracteristica de bază

deoarece determină dependenţa între valorile stabilizate ale curentului şi tensiunii arcului la

lungimea lui constantă.

În curent alternativ condiţiile de întreţinere a desărcării în arc sunt mai grele deoarece catodul şi

anodul alternează de la un electrod la celălalt, în timpul unei perioade curentul trecând de două ori

prin valoarea zero, ceea ce face ca arcul să se stingă şi să se reaprindă periodic în funcţie de

frecvenţa curentului. Din această cauză, se iau măsuri speciale pentru ca mediul gazos să aibă un

potenţial de ionizare mai scăzut şi să se realizeze un defazaj între tensiunea de alimentare

112

sinusoidală şi tensiunea pe arc astfel încât la trecerea prin zero tensiunea pe arc să fie mai mare

decât tensiunea de alimentare.

Cantitatea de căldură dezvoltată în arc face din el principala sursă utilizată în prezent în sudarea

prin topire. Căldura totală dezvoltată în arc este dată de expresia:

I

în care: t este timpul de funcţionare.

Sudarea cu arc electric descoperit

Sudarea cu arc electric descoperit este cel mai des întâlnit procedeu de îmbinare prin sudare.

Principal (fig. 9.5) acest procedeu constă în aceea că arcul electric topeşte prin acţiune directă o

parte din materiale de bază (1) şi din cel de adaos (2), formând baia comună de metal lichid (3) care

odată cu deplasarea electrodului se răceşte formând crusta sudată (4). Simultan cu topirea

materialului de adaos se topeşte şi învelişul (5) electrodului, formând o baie de zgură (7). Învelişul

se vaporizează parţial, dând naştere în jurul descărcării unei atmosfere izo late protectoare.

Fig. 9.5. Principiul sudării cu arc electric descoperit: 1 - materialul de bază; 2 - materialul de

adaos; 3 - baie metalică; 4 - cusătură; 5 - învelişul electrodului; 6 - baie de zgură protectoare; 7 -

crustă de zgură

Sudarea electrică cu arc descoperit se poate executa printr-o serie întreagă de variante

funcţionale cum ar fi:

Sudarea sub flux magnetic constă în înlocuirea învelişului electrodului cu un flux

metaloceramic cu proprietatea de a se magnetiza şi de a fi atras de sârma neînvelită sub acţiunea

câmpului magnetic generat de curentul de sudare. Granulele de flux magnetizate se lipesc de sârma

electrod formând un înveliş a cărui grosime este determinată de mărimea orificiului de ieşire din

rezervorul de flux. De asemenea, este prevăzut un magnet care are rolul de a împiedica să cadă

fluxul când sârma nu este parcursă de curent. Productivitatea procedeului este cu 50 % mai mare

faţă de sudarea manuală, datorită pulberii de fier care se introduce pentru magnetizarea fluxului.

Avansul sârmei se realizează cu dispozitive specifice sudării automate.

Sudarea cu arc electric acoperit sub flux

La acest procedeu de sudare, căldura necesară îmbinării se obţine de la arcul electric format

între electrod şi piese de sudat (fig. 9.6). Descărcarea sub formă de arc are loc sub un strat de zgură

solidă care protejează funcţionarea arcului şi formarea cusăturii. Prin topirea materialului de adaos

şi a unei părţi din materialul de bază se formează baia de lichid.

113

Fig. 9.6

Sudarea sub strat de flux a fost perfecţionată în timp dând naştere la o serie întreagă de variante:

Sudarea automată cu mai multe arce care pot lucra în timp dând naştere la o serie întreagă de

variante:

Sudarea automată cu mai multe arce care poate lucra: cu arce separate în cavităţi diferite (fig.

9.7. a) fiecare arc fiind alimentat de la o sursă proprie printr-un cap de sudare invidual, cu arce

separate în aceeaşi cavitate (fig. 9.7. b) primul arc realizând pătrunderea şi încălzirea materialului

de bază, iar cel de-al doilea dând formă definitivă cusăturii şi sudarea cu arce gemene (fig. 9.7. c) în

aceeaşi cavitate şi alimentate de la aceeaşi sursă, prin plasarea corespunzătoare a electrozilor,

putându-se obţine lăţimi mai mari ale cusăturii decât la sudarea cu un singur arc.

Fig. 9.7.

Sudarea în mediu de gaze

114

Necesitatea ridicării productivităţii sudării a impus şi promovat introducerea procedeelor de

sudare în mediu de gaze protectoare. La sudarea cu aceste procedee, arcul electric şi zona de

formare a cusăturii se găsesc înconjurate de un gaz care le izolează faţă de aerul atmosferic.

În unele cazuri , gazul pe lângă protecţie, participă la sudare prin anumite reacţii chimice şi

termice.

Procedeele de sudare în mediu de gaze protectoare se împart după natura electrodului în două

mari clase: cu electrozi nefuzibili şi cu electrozi fuzibili neînveliţi.

La sudarea în mediu de gaze inerte cu electrod nefuzibil arcul electric se stabileşte între

electrodul nefuzibil şi piesa de sudat (fig. 9.8). Electrodul se confecţionează din volfram pur sau

aliat, iar ca gaze de protecţie se întrebuinţează argonul sau heliul, care sunt gaze inerte. Procedeul

este cunoscut în tehnica mondială sub iniţiale WIG (wolfram-inert-gaz) sau TIG (Tungsten-inert-

gaz) şi poate fi aplicat manual sau automat. Procedeul este aplicabil în special pentru sudarea

aluminiului şi aliajelor sale, a magneziului, a cuprului şi aliajelor sale, a nichelului şi aliajelor sale, a

oţelurilor înalt aliate cu compoziţii diferite, precum şi a titanului.

Sudarea cu electrozi fuzibili înveliţi în mediu de gaze protectoare se clasifică după natura

gazului:

a. sudarea cu electrozi fuzibili înveliţi în mediu de gaze inerte (argon, heliu), procedeu cunoscut

sub iniţiale MIG (metal-inert-gaz) figura 9.9. Tehnologia sudarii prin acest procedeu este

asemănătoare cu cea a sudării cu arc electric obişnuit. Se foloseşte pentru sudarea aluminiului şi

aliajele sale, a cuprului şi aliajelor sale, a nichelului şi aliajelor sale, a oţelurilor cu crom nichel şi a

oţelurilor obişnuite.

b. sudarea în mediu de bioxid de carbon (gaze active), cunoscut şi sub numele de procedeul

MAG (metal-activ-gaz) care gazul în afara rolului de protecţie are şi unul activ de a participa prin

relaţii chimice la procesul de ardere. Gazul activ este bioxidul de carbon (CO2) care se scurge

printr-un spaţiu inelar în jurul electrod.

Fig. 9.8 Fig. 9.9.

Exemple

La determinarea sudabilităţii oţelurilor după compoziţia chimică se foloseşte

drept indice de sudabilitate aşa numitul conţinut de carbon echivalent (fig. 9.3)

definit ca procentul în carbon al unui oţel nealiat care are aceeaşi sudabilitate cu a

oţelului aliat utilizat. Carbonul echivalent se calculează cu următoarea relaţie:

(1)

în care: g este grosimea materialului [mm].

Fluxurile din punct de vedere chimic sunt caracterizate de raportul:

115

(2)

Ele se numesc acide când B < 1; neutre pentru B = 1 şi bazice pentru B > 1.

Ce factori influenţează sudabilitatea materialelor şi care sunt zonele unei

îmbinării sudate.

Să ne reamintim:

Sudabilitatea materialelor

Sudarea cu arc electric

Sudarea în mediu de gaze

Rezumat Sudarea este un procedeu tehnologic prin care se realizează îmbinarea

nedemontabilă a două corpuri solide, prin stabilirea, în anumite condiţii de

temperatură şi presiune, a unor forţe de legătură între atomii marginali, aparţinând

celor două corpuri de îmbinare.

Procedeele de sudare prin topire se caracterizează prin încălzirea şi topirea

locală a marginilor pieselor ce trebuie îmbinate, cu sau fără topirea unui metal de

adaos şi fără exercitarea unei presiuni mecanice asupra pieselor. Topirea poate fi

făcută cu energia electrică, chimică sau de radiaţie.


1. Dintre procedeele de sudare în medii protectoare de gaze enumerate mai

jos, la care se utilizează electrod fuzibil şi gaz activ ? a.Procedeul de sudare arc-atom (cu hidrogen atomic).

b.Procedeul de sudare WIG.

c.Procedeul de sudare MAG-CO2.

2.Ce raport de combustie βo (βo = [O2 ]/ [C2H2] ) are o flacără normală la

sudarea oxi-gaz ? a) βo = {0,7….1}.

b) βo = {1,1….1,2}.

c) βo = {1,2….1,5}.


116

Temă de control

CHESTIONAR


a)amorfă

b)cristalină

c)vitroasă


a)călibilitatea

b)fluajul

c)difuzivitatea

3.Care este încercare de duritate:

a)Charpy

b)Rockwell

c)Wohler

4. Efectul care stă la baza controlului cu ultrasunete este:

a) chimicoelectric;

b) piezoelectric;

c) termoelectric.

5. Radiaţiile x sunt:

a) de natură termomagnetică;

b) de natură termonucleară

c) de natură electromagnetică.

6. Care este defectul punctiform din structura cristalină :

a) discolcaţii;

b) blocuri în mozaic

c) vacanţă





8. Solidificarea unui material metalic este însoţită de:

a) modificarea concentraţiei;

b) modificarea energiei libere

c) modificarea densităţii.

9. Proprietatea unui material de a avea mai multe forme cristaline se

numeşte:

a) morfism;

b) izomorfism

c) polimorfism.

10. Oţelurile nealiate cu C peste 0,22% au o tendinţă de:

a. durificare prin precipitate,

b. durificare prin călire,

c. durificare prin călire şi revenire

11. Oţelurile nealiate cu C sub 0,22% au o structură:

a. feritică cu cantităţi mici de perlită,

b. feritică cu cantităţi mari de perlită,

c. perlitică cu cantităţi mici de ferită,

12. Oţelurile sensibile la durificare prin tratament termic sunt:

a. criogenice, nonQT, PH,

b QT, nonQT, PH

c. NQT, nonQT, PH,

13. Oţelurile îmbunătăţite sunt:

117

a. oţeluri cu C mai mare de 0,25% călite şi revenite,

b. oţeluri cu C mai mic de 0,25% călite şi revenite,

c. oţeluri cu C de 0,25% călite şi revenite,

14. Oţelurile patinale sunt oţeluri C-Mn, aliate suplimentar cu:

a. Cr – Cu – Ni, Cr – Cu – V,

b. Cr – Cu – Ni, Cr – Cu – P,

c. Cr – Cu – P, Cr – Cu – V,


a. crom,

b. molibden

c. nichel

16. Oţelurile criogenice au ca element de aliere principal:

a. crom,

b. molibden

c. nichel

17. Ce garantează clasa de calitate 4.

a. rezilienţa la -400C,

b. rezilienţa la -200C,

c. rezilienţa la -300C

18. Oţelurile inoxidabile au:

a. peste 12% Cr.

b. peste 20% Cr.

c. sub 12% Cr.

19. După forma grafitului fontele pot fi:

a. cu grafit lamelar, nodular, în cuiburi

b. albe, cenuşii, pestriţe

c. albe, cu grafit nodular, maleabile

20. Aluminiul are o rezistenţă mare la coroziune datorită:

a. fenomenului de pasivare,

b. fenomenului de carburare

c. fenomenului de nitrurare

21. Alama este un aliaj.

a. Cu – Pb,

b. Cu – Zn,

c. Cu – Sn

22.Transformarea perlitei în austenită este determinată de:

a. variaţia energiei libere,

b. variaţia compoziţiei chimice,

c. variaţia densităţii

23. Oţelurile cu grăunte ereditat mic sunt:

a. dezoxidate cu feromangan,

b. dezoxidate cu ferosiliciu

c. dezoxidate în plus cu aluminiu

24. Transformările la răcire pot fi:

a. cu difuzie, fără difuzie, intermitente

b. intermediare, fără difuzie, intermitente

c. cu difuzie, fără difuzie, intermediare

25. Sub punctul Ms se află:

a. bainită şi martensită,

b. martensită şi austenită reziduală,

c. numai martensită

118

26. Transformarea fără difuzie este:

a. bainitică,

b. martensitică

c. perlitică

27. Sulful şi fosforul dintr-un oţel:

a. îmbunătăţesc proprietăţile oţelului,

b. dezoxidează şi calmează oţelul,

c. sunt impurităţi cu influenţe dăunătoare

28. Cât este temperatura la detensionare:

a. 850 – 900 oC,

b. 600 – 650 oC,

c. 250 – 300 oC

33. Hidrogenul din oţel:

a. nu influenţează proprietăţile oţelului,

b. provoacă fisuri,

c. are influenţă pozitivă asupra oţelului

34. Recoacerea de omogenizare se face la.

a. 850 – 900 oC,

b. 600 – 650 oC,

c. 1000 – 1050 oC

35. Care este ordinea corectă a operaţiilor de prelucrare a minereurilor ?

d. Concentrarea, sfărâmarea, clasarea, prelucrarea termică.

e. Prelucrarea termică, concentrarea, clasarea, sfărâmarea.

f. Sfărâmarea, clasarea, concentrarea, prelucrarea termică.

36. Care este ordinea corectă a zonelor caracteristice la elaborarea fontei brute

de prima fuziune în furnal (începând de la gura de încărcare spre creuzet)

?

a) Zona de preâncălzire, zona reducătoare, zona de carburare, zona de

topire şi de formare a zgurei.

b) Zona de preâncălzire, zona de topire şi de formare a zgurei, zona

reducătoare, zona de carburare.

c) Zona reducătoare, zona de carburare, zona de preâncălzire, zona de

topire şi de formare a zgurei.

37. Care este tehnologia de elaborare a oţelurilor din fontă brut ă de prima

fuziune care nu necesită aport de energie din exterior ?

a) Elaborarea oţelurilor în cuptorul Siemens-Martin.

b) Elaborarea oţelurilor în cuptorul electric cu arc.

c) Elaborarea oţelurilor în convertizoare.

38. Care este fluxul tehnologic pentru obţinerea pieselor turnate în forme

temporare ?

a) Executarea formelor, turnarea metalului lichid în cavitatea formei,

dezbaterea piesei, eliminarea bavurilor şi curăţirea piesei.

b) Executarea formelor, dezbaterea piesei, turnarea metalului lichid în

cavitatea formei, eliminarea bavurilor şi curăţirea piesei.

c) Executarea formelor, dezbaterea piesei, eliminarea bavurilor şi

curăţirea piesei, turnarea metalului lichid în cavitatea formei.

39. Dintre metodele de turnare enumerate în continuare care este aceea care

se execută în forme permanente ?

a) Turnarea în forme coji cu modele uşor fuzibile (turnarea de

precizie).

b) Turnarea în forme vidate (procedeul V).

119

c) Turnarea sub presiune.

40. Care sunt legile de bază ale deformării plastice ?

a) Legea volumului constant; legea prezenţei deformaţiilor elastice

concomitent cu deformaţiile plastice; legea Joule-Lenz; legea

deformaţiilor neuniforme şi a apariţiei tensiunilor secundare în

structura pieselor; legea similitudinii.

b) Legea conservării energiei; legea prezenţei deformaţiilor elastice

concomitent cu deformaţiile plastice; legea rezistenţei minime; legea



c) Legea volumului constant; legea prezenţei deformaţiilor elastice

concomitent cu deformaţiile plastice; legea rezistenţei minime; legea



41. Dintre cuptoarele de încălzire a semifabricatelor enumerate mai jos, care

este cu funcţionare continuă ?

a) Cuptorul cu vatră rotativă.

b) Cuptorul cu muflă.

c) Cuptorul adânc.

42. Care sunt operaţiile de bază ale forjării libere ?

a) Refularea, întinderea, trefilarea, tăierea, găurirea, răsucirea.

b) Refularea, întinderea, tăierea, găurirea, îndoirea, r ăsucirea.

c) Refularea, extrudarea, întinderea, găurirea, îndoirea, răsucirea.

43. Dintre procedeele de sudare în medii protectoare de gaze enumerate mai

jos, la care se utilizează electrod fuzibil şi gaz activ ?

a) Procedeul de sudare arc-atom (cu hidrogen atomic).

b) Procedeul de sudare WIG.

c) Procedeul de sudare MAG-CO2.

44. Ce raport de combustie βo (βo = [O2 ]/ [C2H2] ) are o flacără normală la

sudarea oxi-gaz ?

d) βo = {0,7….1}.

e) βo = {1,1….1,2}.

f) βo = {1,2….1,5}.

.

120

Test de evaluare

Completaţi în mod corespunzător spatiile goale si notatiile in diagrama Fe-Fe3C:

Alegeti raspunsul corect prin incercuirea punctului corespunzator:

1. Aliajele Fe-Fe3C cu continutul de carbon cuprins intre 2,14-4,3 % se numesc: a)

oteluri hipoeutectice; b) fonte hipoeutectoide; c) fonte hipoeutectice.

2. Aliajele Fe-Fe3C cu continutul de carbon cuprins intre 0,01-0,77 % se numesc: a)

oteluri hipoeutectice; b) oteluri hipoeutectoide; c) oteluri hipereutectiode.

3. Care constiutenti structurali din diagrama sunt solutii solide: a) cementita; b) ferita;

c) austenita; d) ledeburita; e) perlita.

4. Care constiutenti structurali din diagrama sunt amestecuri mecanice: a) cementita; b)

ferita; c) austenita; d) ledeburita; e) perlita.

5. Linia eutectoida este; a) linia ECF; b) linia PSK; c)linia HJB.

6. Linia eutectica este; a) linia ECF; b) linia PSK; c) linia HJB; d) linia MO.

7. Punctul eutectoid este: a) punctul C; b) punctul S; c) punctul J.

8. Punctul eutectic este: a) punctul C; b) punctul S; c) punctul J; d) punctul E.

9. Urmatorii constituenti structurali sunt cu plasticitate mare: a) ferita; b) perlita; c)

austenita; d) cementita; e) ledeburita.

10. Cine cristalizeaza in cvc (cub cu volum centrat): a) Fe α; b) Fe γ; c) Fe δ.

11. Minereurile de fier contin intre: a) 20-30% Fe; b) 30-60% Fe.

12. Cocsul metalurgic are urmatoarele functii: a) furnizeaza caldura necesara topirii; b)

carbureaza o parte dintre oxizii de fier; c) reduce o parte dintre oxizii de fier.

13. Fonta obtinuta in furnal se numeste: a) fonta de prima fuziune; b) fonta bruta.

14. Blumurile, taglele, sleburile si platinele sunt: a) semifabricate; b) produse laminate

finite; c) piese profilate.

15. Culoarea fontelor cenusii este data de prezenta: a) cementita; b) perlita; c) grafitul.

16. Culoarea fontelor albe este data de : a) cementita; b) perlita; c) grafit; d) ledeburita.

17. Otelurile sunt aliaje Fe-C cu continutul de carbon cuprins intre: a) 2,11-4,3% C; b)

0,01-2,11% C; c) 0,77-2,115 C.

18. Fontele sunt aliaje Fe-C cu continutul de carbon cuprins intre: a) 2,11-4,3% C; b)

0,01-2,11% C; c) 0,77-2,115 C; d) 2,11-6,67% C.

19. Care aliaje prezinta capacitate de deformare plastica mare: a) fontele; b) otelurile.

121

Bibliografie.

1. CĂTANĂ, D. – Procesarea materialelor avansate, Ed. Lux Libris, Braşov, 2004

2. DINESCU R. – Ceramica din oxid de aluminiu, Ed. Tehnică Bucureşti, 1979

3. DOMŞA Al. ş. a. – Materiale inginereşti speciale avansate, Ed. Casa Cărţii de Ştiinţă,

Cluj –Napoca, 2002

4. POPESCU R. – Tehnologia materialelor, Ed. Lux Libris, Braşov, 2005MACHEDON

T., . - Materiale şi tehnologii primare, curs, Univ. "Transilvania" Braşov, 2002.

5. MACHEDON T.MACHEDON E., - Materiale şi tehnologii primare, Îndrumar, Univ.

"Transilvania" Braşov, 2002

6. ŞERBAN, C.,. – Ştiinţa materialelor metalice, Ed. Lux Libris Braşov, 2000.

7. EFTIMIE, L., ş.a. - Tehnologia Materialelor (Tehnologii Secundare), Ed. Lux Libris

Braşov, 1998.

8. JAKAB E., ş.a. – Tehnologia Materialelor - Univ. "Transilvania" Braşov, 1989.

9. Murgulescu I. G. s.a., Teoria molecular cinetica a materiei, Editura

Academiei, Bucuresti, 1979.

10. Nanu A., Tehnologia materialelor, Editura Didactica si Pedagogica,

Bucuresti, 1972.

11. Gadea Suzana si Petrescu Maria, Metalurgie fizica si studiul metalelor, vol.

12. I, II si III, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1979.

13. Geru N., Metalurgie fizica, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti,

1981.

14. *** Metals Handbook, vol. 7 si 8, Ohio, 1983.

15. Sternberg S. s.a., Chimie fizica, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti,1981.

16. Georgescu L. s.a, Fizica starii lichide, Editura Didactica si Pedagogica,Bucuresti,

1983.

17. Stefanescu F., Compozite metalice, Editura Matrix Rom, Bucuresti, 1996.

18. Dumitrescu C., Saban R., Metalurigie fizica tratamente termice, Editura FairParteners

2001.

19. Cosmeleata G, Suciu V. Materiale si tehnologii pentru ingineri economisti, Editura

Man-Dely 2004.

Download - Studiul Si Tehnologia Materialelor

Top Related