Download - Suport Curs Tehnologia Materialelor
-
Universitatea Petrol - Gaze din Ploieti
Facultatea Ingineria Petrolului i Gazelor
Specializarea Inginerie de Petrol i Gaze (IFR)
Mihaela Mdlina CLARU
TEHNOLOGIA MATERIALELOR
EDITURA UNIVERSITII PETROL-GAZE DIN PLOIETI
2015
-
Introducere
Coninutul prezentei lucrri corespunde fiei disciplinei, aferent cursului
Tehnologia Materialelor din planul de nvmnt al facultii de Ingineria Petrolului i
Gazelor, Specializarea Inginerie de Petrol i Gaze, Anul I (IFR).
Cursul corespunde programei analitice a disciplinei i este structurat n 14 uniti
de nvare, astfel:
- studiul metalelor i aliajelor: unitatea 1 unitatea 6 (12 ore); - realizarea pieselor metalice prin turnare: unitatea 7 unitatea 8 (4 ore); - prelucrri prin deformare plastic: unitatea 9 unitatea 10 (4 ore); - sudarea materialelor metalice: unitatea 11 unitatea 12 (4 ore); - prelucrri prin achiere ale materialelor metalice: unitatea 13 unitatea 14
(4 ore).
Fiecare unitate de nvare este structurat la rndul ei n subuniti. Timpul
mediu necesar pentru parcurgerea unei uniti de nvare, indiferent de numrul de
subuniti coninute, este de 2 ore.
Pentru fixarea cunotinelor dobndite, dup fiecare subunitate, sunt prezentate
pe scurt ideile principale, sub form de rezumat. Pentru aprofundarea n detaliu a
noiunilor prezentate, respectiv pentru a cpta informaii suplimentare, studenii pot
utiliza resurse complementare, cum ar fi: cri de specialitate (prezentate dup fiecare
unitate) i pagini web.
Testarea abilitilor de nelegere a cunotinelor acumulate se realizeaz cu
ajutorul testelor de autoevaluare, dup parcurgerea ntregii unitii de nvare.
Evaluarea final a noiunilor dobndite la disciplina Tehnologia materialelor se va face
n scris, pe baza unei lucrri de control, care va conine subiecte formulate dup fiecare
unitate n parte, respectiv din tematica lucrrilor de laborator, la care studenii vor
participa n mod obligatoriu, condiionnd admiterea acestora la susinerea probei de
examen. Ponderea acestei lucrri la evaluarea final este de 70 % din nota maxim, iar
30 % este reprezentat de activitatea de la lucrrile de laborator.
Tehnologia materialelor este o tiin tehnic aplicativ, ce const n studiul
metodelor i procedeelor de prelucrare a materialelor, n vederea obinerii produselor
necesare societii, n condiii tehnico-economice optime. n acest sens, prezentul curs
urmrete s transmit studenilor cunotinele necesare pentru alegerea unui material, a
formei constructive, a procedeelor de prelucrare i control pentru anumite condiii de
solicitare i funcionare ale unei piese sau ansamblu.
Pentru aplicarea practic a noiunile teoretice incluse n prezentul material,
studenii vor participa n mod obligatoriu la cele 14 lucrri de laborator (fiecare avnd
alocat un numr de 2 ore), care vor suplimenta cunotinele dobndite cu: studiul
macroscopic al metalelor i aliajelor; ncercarea la duritate a materialelor metalice;
ncercarea la traciune; ncercarea la ncovoiere prin oc; diagrame de echilibru binare
(constitueni metalografici, legea fazelor); oeluri carbon (diagrama Fe-C); fonte albe,
cenuii, maleabile i nodulare; defectoscopia materialelor metalice i nemetalice;
tehnologia fabricrii pieselor turnate; tehnologia prelucrrii prin deformare plastic
-
(forjarea liber, laminarea, extrudarea, ambutisarea); sudarea prin topire cu arc electric
(cu electrozi nvelii, sub strat de flux i n mediu de gaz protector); sudarea i tierea cu
flacr oxiacetilenic; sudarea prin presiune; prelucrri pe strung i pe maina de gurit
(utilaje i accesorii); prelucrri pe maina de rabotat (utilaje i accesorii), prelucrri pe
maina de rectificat (utilaje i accesorii); prelucrri pe maina de frezat (utilaje i
accesorii).
Dup parcurgerea cursului la disciplina Tehnologia materialelor, studenii vor
dobndi att competene profesionale ct i competene transversale. Astfel, vor putea:
s identifice structura i proprietile materialelor metalice folosite n tehnic; s
coreleze structura, compoziia chimic i proprietile materialelor metalice; s neleag
modificrile de structur i proprieti care se produc ca urmare a prelucrrii
materialelor prin diverse procedee tehnologice; s menioneze ce se ntmpl, n
general, cu un material metalic supus unei solicitri mecanice; s aleag corect
materialele cu structura corespunztoare asigurrii proprietilor impuse de utilizarea lor
n diverse aplicaii tehnice; s aplice corect metodele de ncercri tehnologice efectuate
asupra materialelor, n vederea determinrii proprietilor tehnologice ale acestora; s
identifice i s explice n ce constau procesele, procedeele i tehnologiile de tratament
termic i termochimic aplicate materialelor metalice; s identifice i s explice n ce
constau procesele, procedeele i tehnologiile de realizare ale pieselor metalice prin
turnare; s identifice i s explice n ce constau procesele, procedeele i tehnologiile de
sudare ale materialelor metalice; s identifice i s explice n ce constau procesele,
procedeele i tehnologiile privind prelucrarea prin deformare plastic ale materialelor
metalice; s identifice i s explice n ce constau procesele, procedeele i tehnologiile de
prelucrare prin achiere ale materialelor metalice; s stabileasc aplicabilitatea practic
pentru fiecare procedeu de prelucrare, tratament termic sau termochimic studiat; s
selecteze i s aplice corect principalele procedee tehnologice de prelucrare primar:
turnare, deformare plastic, sudare, achiere; s aplice corect tehnicile de control
nedistructiv; s foloseasc corect aparatele i dispozitivele din laborator i s
interpreteze corect datele i rezultatele obinute n urma efecturii lucrrilor
experimentale; s identifice i s evalueze importana cunoaterii materialelor pentru
anumite condiii de solicitare i funcionare ale unei piese sau ansamblu; s identifice i
s evalueze importana cunoaterii procedeelor tehnologice de prelucrare primar ale
principalelor materiale metalice utilizate n tehnic; s demonstreze capacitate de
selectare a informaiilor; s discute, utiliznd un limbaj profesional, specific disciplinei
studiate.
Disciplina Tehnologia materialelor constituie baza teoretic i practic necesar
studenilor pentru: aprofundarea cunotinelor de specialitate din anii superiori de
studiu, formarea capacitii de selectare i sintetizare a informaiilor tiinifice i tehnice
n rezolvarea problemelor de specialitate din domeniu, formarea i dezvoltarea
aptitudinilor i deprinderilor practice.
-
Cuprins
Introducere 3
Unitatea 1. Studiul metalelor i aliajelor ... 9 1.1. Structura cristalin a metalelor 9
Rezumat.. 13 1.2. Imperfeciuni (defecte) n cristale 13
Rezumat......... 16 1.3. Generaliti privind comportarea materialelor metalice fa de solicitrile mecanice 16
Rezumat... 19 Teste de autoevaluare.. 19 Lucrare de control 19 Rspunsuri la testele de evaluare.. 19 Bibliografie. 20
Unitatea 2. Studiul metalelor i aliajelor 21 2.1. Deformarea plastic a materialelor metalice 21
Rezumat.. 24 2.2. Ruperea materialelor metalice. 24
Rezumat.. 27 2.3. Comportarea la oboseal a materialelor metalice 28
Rezumat 31 Teste de autoevaluare.. 32 Lucrare de control 32 Rspunsuri la testele de evaluare. 32 Bibliografie 32
Unitatea 3. Studiul metalelor i aliajelor 33 3.1. Alotropia metalelor (polimorfismul) 33
Rezumat.. 34 3.2. Solidificarea metalelor pure 35
Rezumat 36 3.3. Generaliti privind aliajele.. 36
Rezumat.. 38 3.4. Generaliti privind aliajele Fe-C 38
Rezumat.. 41 3.5. Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C.. 41
Rezumat.. 43 Teste de autoevaluare.. 44 Lucrare de control 44 Rspunsuri la testele de evaluare. 44 Bibliografie 44
Unitatea 4. Studiul metalelor i aliajelor.... 45 4.1. Diagrama de echilibru stabil a sistemului de aliaje Fe-Cgr 45
Rezumat 49 4.2. Generaliti privind tratamentele termice. Transformarea austenitei la rcire 50
Rezumat 54
-
4.3. Recoaceri fr schimbare de faz aplicate pieselor din oeluri 54 Rezumat 55 Teste de autoevaluare... 56 Lucrare de control 56 Rspunsuri la testele de evaluare.. 56 Bibliografie 56
Unitatea 5. Studiul metalelor i aliajelor ....... 57 5.1. Recoaceri cu schimbare de faz aplicate pieselor din oeluri .. 57
Rezumat.. 62 5.2. Clirea martensitic. 62
Rezumat.. 66 Teste de autoevaluare.. 67 Lucrare de control 67 Rspunsuri la testele de evaluare.. 68 Bibliografie. 68
Unitatea 6. Studiul metalelor i aliajelor 69 6.1. Revenirea i mbuntirea oelurilor. 69
Rezumat.. 70 6.2. Tratamente termochimice aplicate pieselor din oel.. 70
Rezumat.. 74 6.3. Oeluri aliate 74
Rezumat.. 77 Teste de autoevaluare. 77 Lucrare de control 78 Rspunsuri la testele de evaluare. 78 Bibliografie 78
Unitatea 7. Realizarea pieselor metalice prin turnare....... 79 7.1. Noiuni generale .. 79
Rezumat 81 7.2. Turnarea n forme temporare cu perei groi... 81
Rezumat 88 Teste de autoevaluare.. 89 Lucrare de control 90 Rspunsuri la testele de evaluare. 90 Bibliografie 90
Unitatea 8. Realizarea pieselor metalice prin turnare... 91 8.1. Turnarea n forme permanente (durabile) - cochilii 91
Rezumat 98 8.2. Defectele pieselor turnate. Metode de remaniere a defectelor. 98
Rezumat 99 Teste de autoevaluare... 99 Lucrare de control. 99 Rspunsuri la testele de evaluare.. 100 Bibliografie. 100
Unitatea 9. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastic.. 101
9.1. Noiuni generale .. 101
Rezumat... 105
9.2. Laminarea. 106
-
Rezumat... 108
9.3. Extrudarea 109
Rezumat.. 111
Teste de autoevaluare.. 111
Lucrare de control....... 112
Rspunsuri la testele de evaluare.. 112
Bibliografie 112
Unitatea 10. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastic 113
10.1. Tragerea i trefilarea .... 113
Rezumat.. 116
10.2. Forjarea.. 116
Rezumat...... 124
10.3. Defectele pieselor deformate plastic. Metode de remaniere a defectelor.. 125
Rezumat.. 125
Teste de autoevaluare.. 125
Lucrare de control 126
Rspunsuri la testele de evaluare.. 126
Bibliografie 126
Unitatea 11. Sudarea materialelor metalice 127
11.1. Noiuni generale 127
Rezumat... 128
11.2. Sudarea prin topire cu arc electric i electrozi nvelii... 129
Rezumat... 134
11.3. Sudarea prin topire cu arc electric n mediu de gaz protector 135
Rezumat... 138
Teste de autoevaluare...... 139
Lucrare de control 140
Rspunsuri la testele de evaluare...... 140
Bibliografie. 140
Unitatea 12. Sudarea materialelor metalice.... 141
12.1. Sudarea cu flacr oxiacetilenic ..... 141
Rezumat... 142
12.2. Sudarea prin presiune cap la cap, la rece 143
Rezumat... 144
12.3. Sudarea prin presiune cap la cap, cu nclzire electric prin rezisten. 144
Rezumat... 146
12.4. Sudarea n puncte 146
Rezumat 148
12.5. Sudarea n linie 148
Rezumat 149
12.6. Sudarea prin presiune, cu nclzire prin frecare..... 150
Rezumat 150
12.7. Defectele mbinrilor sudate. Metode de remaniere a defectelor... 150
Rezumat 151
Teste de autoevaluare.. 151
Lucrare de control. 152
Rspunsuri la testele de evaluare.. 152
Bibliografie. 152
-
Unitatea 13. Prelucrri prin achiere ale materialelor metalice 153
13.1. Noiuni generale . 153
Rezumat 156
13.2. Prelucrri prin achiere executate pe strung 156
Rezumat 161
Teste de autoevaluare... 161
Lucrare de control. 162
Rspunsuri la testele de evaluare... 162
Bibliografie. 162
Unitatea 14. Prelucrri prin achiere ale materialelor metalice 163
14.1. Prelucrri prin achiere executate pe maina de gurit... 163
Rezumat 166
14.2. Prelucrri prin achiere executate pe maina de frezat... 167
Rezumat 169
14.3. Prelucrri prin achiere executate pe maina de rectificat.. 169
Rezumat 171
14.4. Prelucrri prin achiere executate pe maina de rabotat..... 172
Rezumat 173
Teste de autoevaluare... 174
Lucrare de control.... 174
Rspunsuri la testele de evaluare... 174
Bibliografie. 174
Bibliografie. 175
-
Tehnologia Materialelor
-9-
Unitatea 1. Studiul metalelor i aliajelor
1.1. Structura cristalin a metalelor
1.2. Imperfeciuni (defecte) n cristale
1.3. Generaliti privind comportarea materialelor metalice fa de solicitrile
mecanice
Cunotine i deprinderi
La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei nelege:
- din ce sunt alctuite metalele i materialele metalice;
- care sunt defectele structurale ale materialelor metalice;
- ce se ntmpl, n general, cu un material metalic, n cursul unei solicitri mecanice.
La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei putea:
- s identifici structura metalelor i a materialelor metalice;
- s identifici defectele structurale ale materialelor metalice i s stabileti care sunt
proprietile sensibile i insensibile la aceste defecte;
- s identifici ce se ntmpl, n general, cu un material metalic, n cursul unei solicitri
mecanice.
1.1. Structura cristalin a metalelor
Metalele sunt alctuite dintr-o reea cristalin ordonat, format din ioni
pozitivi, numit matrice i dintr-un nor sau gaz electronic, ce circul liber printre ioni,
format din electroni de valen (electronii de pe ultimul strat ex.: Mg2+
).
Coeziunea (legtura) ntregului ansamblu este realizat pe seama atraciei
reciproce dintre ionii pozitivi i norul electronic, stabilindu-se astfel o legtur atomic
specific numit legtur metalic.
Ionii pozitivi (atomii) sunt amplasai n nodurile reelei cristaline sub forma unor
sfere, aa cum se observ n figura 1.1.
Fig. 1.1. Reea cristalin: a) reprezentare plan; b) reprezentare spaial;
r0 = distan de echilibru.
r 0z
r0x
r0y
a) b)
-
Mihaela Mdlina CLARU
-10-
Ordonarea reelei cristaline se refer la poziiile relative ale atomilor alturai i
la distanele dintre aceti atomi, ce sunt constante n cadrul fiecrei direcii spaiale,
astfel:
a) r0x = r0y = roz = ct.; sau b) r0x r0y r0z, dar
r0x = ct.;
r0y = ct.;
r0z = ct.
n metale acioneaz dou tipuri de fore:
- fora de atracie, Fa, de natur electrostatic, ntre ioni i electroni; - fora de respingere, Fr, ntre ioni sau ntre electroni. Rezultanta acestor fore este fora de legtur FL, dintre atomii metalului, aa
cum se observ n figura 1.2 (FL = Fr - Fa).
Fig. 1.2. Variaia cu distana a forei de legtur dintre atomi.
Aa cum se observ n figur, odat cu creterea distanei dintre atomi r, scade
att fora Fa, ct i fora Fr. ntr-un metal aflat n echilibru intern trebuie respectate dou condiii:
1) FL = 0 F r = Fa r = r0 (unde r0 = distan de echilibru). 2) Energia de interaciune E trebuie s fie minim n sistemul ioni-nor
electronic.
Studiul reelei cristaline se face cu ajutorul celulei elementare, prezentat n
figura 1.3.
Fig.1.3. Celul elementar.
Fr
FL
r = distana dintre atomi
Fa
r0
For
e re
acti
ve
atra
cie
re
spin
ger
e
a
x
x
z
y
b
c
-
Tehnologia Materialelor
-11-
Celula elementar este cel mai mic complex de atomi, prin a crui repetare n
spaiu se poate obine ntreaga reea cristalin.
n general, celula elementar are forma unei prisme, iar laturile ei se numesc
parametrii reelei (egali cu distanele interatomice).
Un sistem de cristalizare al unei reele este determinat de cei trei parametrii ai
reelei, a (r0x), b (r0y), c (r0z) i cele trei unghiuri dintre cele trei direcii spaiale, , , .
n funcie de valoarea unghiurilor , , i de relaiile dintre parametrii reelei a,
b i c, reelele cristaline se mpart n apte sisteme cristalografice (cubic, hexagonal,
romboedric, ptratic sau tetragonal, rombic, monoclinic i triclinic). La metale se
ntlnesc dou sisteme, i anume:
1) Sistemul cubic a) Sistem cubic cu volum centrat - CVC (fig. 1.4), caracterizat prin:
a = b = c
= = = 900
n fiecare col i n centrul reelei (cubului) se afl cte un atom.
n acest sistem cristalizeaz fierul (Fe), cromul (Cr), wolframul (W),
sodiul (Na), potasiul (K).
Fig. 1.4. Sistem cubic cu volum centrat.
b) Sistem cubic cu fee centrate - CFC (fig. 1.5), caracterizat prin: a = b= c
= = = 900
n fiecare col al reelei (cubului) i n centrul fiecrei fee se afl cte un
atom.
n acest sistem cristalizeaz fierul (Fe), cuprul (Cu), aluminiul (Al),
nichelul (Ni).
Fig. 1.5. Sistem cubic cu fee centrate.
a
a
a
a
a
a
-
Mihaela Mdlina CLARU
-12-
2) Sistemul hexagonal compact - HC (fig. 1.6), caracterizat prin: a = b c
= = 900, = 120
0
Celula elementar conine cte un atom n fiecare col al reelei (prismei),
cte unul n centrul fiecrei baze i 3 atomi n interiorul acesteia.
n acest sistem cristalizeaz magneziul (Mg) i zincul (Zn).
Fig. 1.6. Sistem hexagonal compact.
Aranjamentul regulat al atomilor n reeaua cristalin nu este perfect dect n
volume mici de metal, numite cristale sau gruni cristalini.
Materialele metalice sunt corpuri policristaline, deoarece conin o infinitate de
gruni cristalini, fiecare avnd reeaua cristalin orientat dup alt direcie (datorit
modului specific n care se produce cristalizarea, grunii cristalini, n timp ce cresc, se
stnjenesc reciproc i-i rotesc reeaua cristalin, aa cum se observ n fig. 1.7).
Fig. 1.7. Structura policristalin a materialelor metalice.
a
a
c
-
Tehnologia Materialelor
-13-
Rezumat:
- Metalele sunt alctuite dintr-o reea cristalin ordonat, format din ioni pozitivi, numit
matrice i dintr-un nor sau gaz electronic (format din electroni de valen), care circul liber
printre ioni. Ionii pozitivi (atomii) sunt amplasai n nodurile reelei cristaline sub forma unor
sfere. Ordonarea reelei cristaline se refer la poziiile relative ale atomilor alturai i la
distanele dintre aceti atomi, ce sunt constante n cadrul fiecrei direcii spaiale.
- Studiul reelei cristaline se face cu ajutorul celulei elementare. Celula elementar este cel
mai mic complex de atomi, prin a crui repetare n spaiu se poate obine ntreaga reea
cristalin. Celula elementar are forma unei prisme, iar laturile ei se numesc parametrii reelei
(egali cu distanele interatomice).
- Un sistem de cristalizare al unei reele este determinat de cei trei parametrii ai reelei,
a (r0x), b (r0y), c (r0z) i cele trei unghiuri dintre cele trei direcii spaiale, , , . n funcie
de valoarea unghiurilor , , i de relaiile dintre parametrii reelei a, b i c, reelele
cristaline se mpart n apte sisteme cristalografice (cubic, hexagonal, romboedric, ptratic
sau tetragonal, rombic, monoclinic i triclinic). Dintre acestea, la metale se ntlnesc: sistemul
cubic cu volum centrat - CVC (n fiecare col i n centrul reelei se afl cte un atom,
a = b = c, = = = 900), sistemul cubic cu fee centrate - CFC (n fiecare col i n centrul
fiecrei fee se afl cte un atom, a =b = c, = = = 900) i sistemul hexagonal compact -
HC (conine cte un atom n fiecare col al prismei, cte unul n centrul fiecrei baze i 3
atomi n interiorul prismei, a = b c, = = 900, = 120
0).
- Aranjamentul regulat al atomilor n reeaua cristalin nu este perfect dect n volume mici
de metal, numite cristale sau gruni cristalini.
- Materialele metalice sunt corpuri policristaline, deoarece conin o infinitate de gruni
cristalini, fiecare avnd reeaua cristalin orientat dup alt direcie (datorit modului
specific n care se produce cristalizarea, grunii cristalini, n timp ce cresc, se stnjenesc
reciproc i-i rotesc reeaua cristalin).
1.2. Imperfeciuni (defecte) n cristale
Cristalul ideal (perfect) are o structur regulat n toat masa sa, cu atomii
ocupnd toate nodurile n reeaua cristalin. Cristalul ideal nu exist ns n realitate.
Cristalele reale din care sunt alctuite metalele prezint o serie de defecte.
Defectul reprezint orice abatere de la aranjamentul regulat al atomilor n reea.
nsuirile (proprietile) materialelor metalice pot fi:
a) Insensibile la defectele structurale: - conductibilitatea electric; - permeabilitatea magnetic; - temperatura de topire; - temperatura de vaporizare; - elasticitatea; - rigiditatea; - culoarea. b) Sensibile la defectele structurale: - rezistenele mecanice; - plasticitatea; - duritatea; - fluajul (deformare lent i continu, n timp, sub aciunea unor solicitri
mecanice constante);
- tenacitatea.
-
Mihaela Mdlina CLARU
-14-
Defectele structurale se clasific n trei categorii: punctiforme, liniare i de
suprafa.
1) Defecte punctiforme a) Vacane (fig. 1.8) - sunt locuri goale n reea, neocupate de atomi; numrul
lor crete cu creterea temperaturii, prin iradiere cu neutroni, la rcirea
rapid de la temperaturi nalte.
Fig. 1.8. Vacane.
b) Atomi interstiiali (fig. 1.9) - sunt atomi strini sau proprii ai reelei care ocup poziii intermediare n cadrul reelei.
Fig. 1.9. Atomi interstiiali.
c) Atomi de substituie (fig. 1.10) - sunt atomi strini n reeaua cristalin, ce substituie atomii acesteia, n cadrul ei.
Fig. 1.10. Atomi de substituie.
a)
atom strin
atom strin
atom propriu al reelei
-
Tehnologia Materialelor
-15-
2) Defecte liniare Acestea apar n lungul unei linii n cadrul reelei cristaline i se numesc
dislocaii (linie de atomi care limiteaz n interiorul unui cristal un plan atomic
incomplet; ex.: dislocaie marginal sau de tip pan, reprezentat de planul cristalografic
B, mpnat ntre planele cristalografice A i C - fig. 1.11).
O proprietate important a dislocaiilor este aceea c, sub aciunea unor sarcini
exterioare, ele se pot deplasa n interiorul cristalului.
Fig. 1.11. Dislocaie marginal (pan).
3) Defecte de suprafa Defectele de suprafa au o alctuire bidimensional i sunt reprezentate de
planele cristalografice pe suprafaa cristalelor cu orientri diferite (fig. 1.12). Acestea
sunt specifice policristalelor.
Fig. 1.12. Defect de suprafa.
B A C
defect de suprafa limit dintre gruni
grunte cristalin (cristal)
grunte cristalin (cristal) cu alt orientare
dect cel vecin
-
Mihaela Mdlina CLARU
-16-
Rezumat:
- Cristalul ideal (perfect) are o structur regulat n toat masa sa, cu atomii ocupnd toate
nodurile n reeaua cristalin. Cristalul ideal nu exist n realitate. Cristalele reale din care
sunt alctuite metalele prezint o serie de defecte.
- Defectul reprezint orice abatere de la aranjamentul regulat al atomilor n reea. nsuirile
(proprietile) materialelor metalice pot fi: insensibile la defectele structurale
(ex: conductibilitatea electric, permeabilitatea magnetic, temperatura de topire, etc.) i
sensibile la defectele structurale (ex: rezistenele mecanice, duritatea, etc.). Defectele
structurale se clasific n trei categorii: defecte punctiforme (locuri goale n reea, neocupate
de atomi - vacane, atomi strini sau proprii ai reelei, care ocup poziii intermediare n
cadrul reelei - atomi interstiiali i atomi strini de reeaua cristalin, ce substituie atomii
acesteia, n cadrul ei - atomi de substituie); defecte liniare (apar n lungul unei linii n
cadrul reelei cristaline i se numesc dislocaii); defecte de suprafa (au o alctuire
bidimensional i sunt reprezentate de planele cristalografice de la suprafaa cristalelor cu
orientri diferite).
1.3. Generaliti privind comportarea materialelor metalice fa
de solicitrile mecanice
n cursul unei solicitri mecanice corespunztoare, un material metalic poate
parcurge trei stri distincte:
- starea elastic; - starea plastic; - ruperea.
Meniune.
Comportarea materialelor metalice fa de solicitrile mecanice se poate
caracteriza cu ajutorul diagramelor tensiune-deformare, determinate experimental prin
ncercri de traciune sau compresiune. n timpul ncercrii la traciune, pe direcia axei
longitudinale a epruvetei se aplic o for de traciune F, cresctoare ca intensitate, care
produce deformarea progresiv i, n final, ruperea epruvetei. Maina folosit pentru
realizarea ncercrii la traciune este prevzut cu dispozitivele necesare pentru a
msura i/sau nregistra intensitatea forei aplicate, F i deformaiile liniare (alungirile
sau extensiile) produse epruvetei, 0LLL (unde: L0 reprezint lungimea iniial
ntre dou repere trasate nainte de ncercare pe poriunea calibrat a epruvetei, iar L
reprezint lungimea ntre reperele epruvetei la aplicarea forei de traciune cu
intensitatea F). Prin msurarea secvenial sau nregistrarea continu a valorilor
mrimilor F i L , se poate construi curba dependenei F = g( L ), numit diagrama ncercrii la traciune (DIT). Reprezentnd n coordonate rectangulare variaia tensiunii
(convenionale) 0S
F (n N/m2) (unde: S0 reprezint aria seciunii transversale iniiale
a poriunii calibrate) n funcie de alungirea specific 0L
L sau n funcie de
alungirea procentual 1000
L
L (n %), se obine o curb = f(), numit curba
-
Tehnologia Materialelor
-17-
caracteristic convenional la traciune sau curba caracteristic tensiune - deformaie
specific a materialului cercetat.
n figura 1.13 se prezint curba caracteristic convenional la traciune (CCCT)
construit pe baza ncercrii la traciune, n cazul materialelor metalice.
Fig. 1.13. Curba caracteristic convenional la traciune.
Starea elastic se instaleaz la tensiuni mici i se caracterizeaz prin deformaii
reversibile (se anuleaz integral la ncetarea aciunii solicitrii).
Deformarea elastic este produs de tensiunea normal (ec. 1.1), dat de
raportul dintre fora de solicitare normal F i suprafaa S pe care aceasta acioneaz
(fig. 1.14).
Deformaia elastic se produce datorit modificrii distanelor dintre atomii
nvecinai, fr a se modifica poziiile lor relative.
Un corp deformat elastic respect legea lui Hooke (ec. 1.2):
unde: E reprezint modulul de elasticitate longitudinal al materialului;
= deformaia specific.
Materialele se gsesc n aceast stare n timpul exploatrii lor normale.
Deformare
plastic
Deformare
elastic
Deformare
uniform Gtuire Rupere
, [N/m2]
, [%]
-
Mihaela Mdlina CLARU
-18-
Fig. 1.14. Deformaie elastic.
Starea plastic se instaleaz dup depirea unei anumite limite a solicitrii i
se caracterizeaz prin apariia unor deformaii remanente (sunt ireversibile i nu dispar
la ncetarea aciunii solicitrii).
Deformaia plastic este produs de tensiunea tangenial (ec. 1.3), dat de
raportul dintre fora de solicitare tangent T i suprafaa S pe care aceasta acioneaz
(fig. 1.15):
Fig. 1.15. Deformaie plastic.
Legtur coezional
-
Tehnologia Materialelor
-19-
Deformaiile plastice coexist cu cele elastice i se produc datorit modificrii poziiilor relative ale atomilor, fr a se distruge legtura coezional (fora de legtur
interatomic) dintre acetia.
Materialele metalice se gsesc n aceast stare n timpul prelucrrii lor prin
deformare plastic, sau n situaii de excepie (n timpul exploatrii normale sau
accidental, cu ocazia unor suprasolicitri voite i controlate din timpul probelor de
recepie).
Ruperea apare la solicitri mari, cnd sunt nvinse legturile coezionale dintre
atomi. Se ntrerupe continuitatea metalic prin apariia unor noi suprafee de separaie.
Atomii marginali ai suprafeelor de separaie noi formate ies din sfera de atracie
reciproc.
Materialele metalice se gsesc n aceast stare accidental, cu ocazia exploatrii, sau n timpul unor ncercri mecanice distructive.
Rezumat:
n cursul unei solicitri mecanice corespunztoare, un material metalic poate parcurge trei
stri distincte:
- starea elastic (se instaleaz la tensiuni mici i se caracterizeaz prin deformaii reversibile,
care se anuleaz integral la ncetarea aciunii solicitrii);
- starea plastic (se instaleaz dup depirea unei anumite limite, a solicitrii i se
caracterizeaz prin apariia unor deformaii remanente, care sunt ireversibile i nu dispar la
ncetarea aciunii solicitrii);
- ruperea (apare la solicitri mari, cnd sunt nvinse legturile coezionale dintre atomi).
Teste de autoevaluare:
T1) Cel mai mic complex de atomi prin a crui repetare n spaiu se poate obine ntreaga
reea cristalin este denumit: a) vacan; b) dislocaie; c) celul elementar. Precizai varianta
corect.
T2) n mod obinuit, materialele metalice prezint n stare solid: a) o structur policristalin
(cu o infinitate de gruni cristalini); b) o structur monocristalin (alctuit dintr-un singur
cristal); c) o structur amorf. Care este varianta corect?
T3) Care din urmtoarele tipuri de reele cristaline sunt caracteristice majoritii metalelor
utilizate n tehnic: a) cubic cu volum centrat; b) cubic cu fee centrate; c) hexagonal
compact?
T4) Care din urmtoarele defecte aparin categoriei imperfeciunilor punctiforme ale
structurilor cristaline: a) atomi interstiiali; b) vacane; c) atomi de substituie?
T5) Care din urmtoarele afirmaii sunt adevrate pentru o solicitare mecanic a unui
material: a) starea plastic se instaleaz la tensiuni mici i se caracterizeaz prin deformaii
reversibile, care se anuleaz integral la ncetarea aciunii solicitrii; b) starea plastic se
instaleaz dup depirea unei anumite limite a solicitrii i se caracterizeaz prin apariia
unor deformaii remanente, care nu dispar la ncetarea aciunii solicitrii; c) starea elastic
apare la solicitri mari, cnd sunt nvinse legturile coezionale dintre atomi?
Lucrare de control:
1) Structura cristalin a metalelor (2 puncte).
2) Imperfeciuni (defecte) n cristale (2 puncte).
3) Comportarea materialelor metalice fa de solicitrile mecanice (2 puncte).
Rspunsuri la testele de autoevaluare:
T1) c); T2) a); T3) a), b), c); T4) a), b), c); T5) b).
-
Mihaela Mdlina CLARU
-20-
Bibliografie
1. Drghici Gh., Albert C., Minescu M., Ispas V., Tehnologia Materialelor - ndrumar de lucrri practice, UPG Ploieti, 1995.
2. Rdulescu M., Studiul metalelor, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.
3. Tudor I., Svulescu M.J., Zecheru Gh., Drghici Gh., Albert C., Talle M., Tehnologia materialelor, Editura I.P.G. Ploieti, 1992.
4. Tudor A, Studiul metalelor, Institutul de cercetare i proiectare aparataj pentru instalaii i utilaje pentru construcii, 1985.
5. Ulmanu V., Tehnologia materialelor, I.P.G., Ploieti, 1976. 6. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea I, Editura I.P.G. Ploieti, 1984. 7. Zecheru Gh., Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura
ILEX i Editura Universitii din Ploieti, 2001.
-
Tehnologia Materialelor
-21-
Unitatea 2. Studiul metalelor i aliajelor
2.1. Deformarea plastic a materialelor metalice
2.2. Ruperea materialelor metalice
2.3. Comportarea la oboseal a materialelor metalice
Cunotine i deprinderi
La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei nelege:
- care sunt mecanismele prin care se realizeaz deformarea plastic a materialelor metalice;
- ce fenomene nsoesc deformarea plastic a unui material metalic;
- ce nseamn ruperea ductil sau fragil a unui material metalic i care sunt factorii care
influeneaz comportarea la rupere;
- ce se ntmpl cu materialele metalice n timpul unei solicitri mecanice, variabile n timp;
- ce nseamn ciclu de solicitare variabil;
- care sunt factorii care influeneaz comportarea materialelor metalice n timpul unei
solicitri mecanice, variabile n timp.
La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei putea:
- s explici cum se realizeaz, la nivel microscopic, deformarea plastic a unui material
metalic;
- s descrii fenomenele care nsoesc deformarea plastic a unui material metalic;
- s identifici comportarea ductil sau fragil a materialului metalic;
- s explici fenomenul de oboseal ce survine n timpul unei solicitri mecanice, variabile n
timp, a materialelor metalice;
- s identifici natura ciclurilor de solicitare variabile;
- s identifici factorii care influeneaz rezistena la oboseal a materialelor metalice;
- s identifici natura solicitrilor mecanice care au condus la ruperea materialelor metalice
(solicitare la oboseal, solicitare la traciune).
2.1. Deformarea plastic a materialelor metalice
Aa cum s-a precizat n unitatea de nvare anterioar, materialele metalice sunt
corpuri policristaline, deoarece conin o infinitate de gruni cristalini, fiecare avnd
reeaua cristalin orientat dup alt direcie. Plecnd de la acest considerent,
deformarea plastic a unui material metalic se realizeaz prin deformarea plastic a
fiecrui monocristal n parte.
Deformarea plastic a monocristalelor se realizeaz prin dou mecanisme:
a) deformare plastic prin alunecare; b) deformare plastic prin maclare.
a) Deformarea plastic prin alunecare
Deformarea plastic prin alunecare se explic prin deplasarea dislocaiilor, sub
aciunea tensiunilor tangeniale , de-a lungul unor plane cu densitate maxim de atomi,
numite plane de alunecare (fig. 2.1).
-
Mihaela Mdlina CLARU
-22-
Fig. 2.1. Deformare plastic prin alunecare.
Deplasarea se face progresiv, pn la eliminarea dislocaiei sub form de treapt
la suprafaa cristalului, ceea ce modific ireversibil forma cristalului, sau pn la
blocarea dislocaiei de ctre obstacole. Obstacolele sunt rezultate ca urmare a
interaciunii dintre dou sau mai multe dislocaii ce se deplaseaz n plane de alunecare
concurente.
n absena dislocaiilor, eforturile de forfecare necesare pentru a deplasa o parte
a cristalului n raport cu alta sunt mari, deoarece este necesar ruperea simultan a
legturilor dintre toi atomii adiaceni planului de alunecare. Deplasarea prin cristal a
unei dislocaii marginale necesit eforturi mult mai reduse, deoarece implic numai
ruperea legturilor dintre atomii a dou iruri reticulare, adiacente planului de alunecare.
b) Deformarea plastic prin maclare
Const n modificarea orientrii unei pri a monocristalului, n raport cu un plan
de separaie numit plan de maclare, ntr-o nou poziie simetric cu cealalt parte (fig.
2.2).
Fig. 2.2. Deformarea plastic prin maclare.
Deformarea plastic prin maclare este mai rar ntlnit, pentru c necesit o energie mai mare.
Plan de
alunecare
Plane de maclare
Zo
n
mac
lat
-
Tehnologia Materialelor
-23-
Deformarea plastic a corpurilor policristaline se realizeaz prin deformarea
plastic a fiecrui monocristal n parte. Deformarea plastic ncepe n acele
monocristale care au reeaua cristalin orientat pe direcia de solicitare. Treptat, pe
msura avansrii procesului de deformare, apare fenomenul de ecruisare (materialul se
opune deformrii n continuare).
Ecruisarea este nsoit de modificarea proprietilor materialului metalic (crete
duritatea, crete rezistena mecanic, scade plasticitatea, etc.).
Cu creterea tensiunii de solicitare, noi gruni cristalini i vor orienta reeaua
cristalin pe direcia solicitrii (prin rotire) i vor ncepe i ei s se deformeze. Se
realizeaz astfel deformarea plastic global a corpului policristalin.
Un material metalic deformat plastic prezint un fibraj (structur
fibroas/textur), realizat prin orientarea tuturor blocurilor alunecate pe direcia de
aciune a forei (direcia de deformare) (fig. 2.3).
Fig. 2.3. Structura fibroas a materialului metalic deformat plastic.
n general, deformarea plastic produce o distorsiune a reelei cristaline,
sfrmarea cristalelor corpului policristalin i, ca urmare, acumularea unei importante
energii n material sub form de tensiuni interne, care l scot din starea de echilibru. El
tinde spre starea de echilibru, odat cu creterea temperaturii, astfel:
- la temperaturi mici, T = (0,2 0,3)Tt [K], cresc oscilaiile termice ale atomilor, sunt activate procesele de difuzie ale acestora, pe baza crora se
reduc distorsiunile reelei cristaline deformate, se redistribuie local i se
anuleaz reciproc defectele acesteia; ca urmare, se reface parial capacitatea
de deformare plastic a materialului metalic, procesul numindu-se restaurare;
- la temperaturi mai mari, peste T = (0,3 0,4)Tt [K], se intensific mult difuzia atomilor i se creeaz condiiile formrii, din grunii deformai, a
unor gruni noi, echiaxiali, de form poligonal; procesul se numete
recristalizare i determin dispariia ecruisrii (crete plasticitatea i scade
duritatea i rezistena mecanic), i prin urmare se reface capacitatea de
deformare plastic a materialului.
Tratamentul termic prin care un material metalic ecruisat se nclzete peste
temperatura de recristalizare (Tr 0,4Tt; unde: Tt = temperatura absolut de topire a
materialului), n scopul nmuierii, se numete recoacere de recristalizare.
Deformarea plastic a unui material metalic poate avea loc:
- la rece (T < Tr) - produce ecruisarea materialului i impune recristalizarea ulterioar a acestuia, pentru nlturarea efectelor ecruisrii;
- la cald (T > Tr) - nu produce ecruisarea materialului.
Gruni cristalini
nainte de
deformare
Textur (gruni
cristalini dup
deformare)
-
Mihaela Mdlina CLARU
-24-
Rezumat:
- Deformarea plastic a monocristalelor se realizeaz prin dou mecanisme: deformare
plastic prin alunecare (const n deplasarea dislocaiilor, sub aciunea tensiunilor tangeniale
, de-a lungul unor plane cu densitate maxim de atomi, numite plane de alunecare) sau
deformare plastic prin maclare (const n modificarea orientrii unei pri a monocristalului,
n raport cu un plan de separaie numit plan de maclare, ntr-o nou poziie simetric cu
cealalt parte).
- Deformarea plastic a corpurilor policristaline se realizeaz prin deformarea plastic a
fiecrui monocristal (grunte cristalin) n parte. Deformarea plastic ncepe n acele
monocristale (gruni cristalini) care au reeaua cristalin orientat pe direcia de solicitare.
Treptat, pe msura avansrii procesului de deformare, apare fenomenul de ecruisare (crete
duritatea, crete rezistena mecanic, scade plasticitatea, etc.).
- Deformarea plastic produce o distorsiune a reelei cristaline, sfrmarea cristalelor corpului
policristalin i, ca urmare, acumularea unei importante energii n material sub form de
tensiuni interne, care l scot din starea de echilibru. El tinde spre starea de echilibru odat cu
creterea temperaturii. Tratamentul termic prin care un material metalic ecruisat se nclzete
peste temperatura de recristalizare (Tr 0,4Tt), n scopul nmuierii, se numete recoacere de
recristalizare.
- Deformarea plastic a unui material metalic poate avea loc: la rece T < Tr (produce
ecruisarea materialului i impune recristalizarea ulterioar a lui, pentru nlturarea ecruisrii)
sau la cald T > Tr (nu produce ecruisarea materialului).
2.2. Ruperea materialelor metalice
Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui corp n dou sau mai multe pri
sub aciunea unei stri de tensiuni.
Clasificarea ruperilor se face dup mai multe criterii, i anume:
a) dup modul cristalografic n care se produce ruperea (dup tensiunea care produce ruperea):
- rupere prin smulgere (clivaj) (fig. 2.4) - produs de tensiunea normal = F/S, [N/m
2], dat de raportul dintre fora de solicitare normal F i
suprafaa S pe care aceasta acioneaz; se rup legturile dintre atomi, datorit
modificrii distanelor dintre acetia, fr a se modifica poziiile lor relative;
Fig. 2.4. Rupere prin smulgere.
-
Tehnologia Materialelor
-25-
- rupere prin alunecare (forfecare) (fig. 2.5) - produs de tensiunea tangenial = T/S, [N/m
2], dat de raportul dintre fora de solicitare tangent T i
suprafaa S pe care aceasta acioneaz; se rup legturile dintre atomi, datorit
modificrii poziiilor lor relative;
Fig. 2.5. Rupere prin forfecare.
b) dup aspectul ruperii: - rupere cu aspect cristalin strlucitor - produs prin smulgere; - rupere cu aspect fibros - produs prin forfecare. c) dup deformaiile plastice care preced ruperea: - ruperi fragile - nu sunt precedate de deformaii plastice, se produc cu vitez
mare, prin smulgere, se propag intercristalin i au aspect cristalin strlucitor
(fig. 2.6);
Fig. 2.6. Rupere fragil.
- ruperi ductile - sunt precedate de deformaii plastice, se produc prin
alunecare, se propag transcristalin (printre cristale) i au aspect fibros
(aspect caracteristic de cup-con) (fig. 2.7).
Fig. 2.7. Rupere ductil cup-con.
Propagare
intercristalin a ruperii
F F
Propagare
transcristalin
a ruperii
F F
con
cup
-
Mihaela Mdlina CLARU
-26-
Factorii de care depinde comportarea la rupere a materialelor metalice. Comportarea la rupere, ductil sau fragil, a unui material metalic nu este o
caracteristic intrinsec a acestuia, ci este influenat de o serie de factori:
a) natura materialului; b) temperatura - la toate metalele, limita de curgere, Re, crete cu scderea
temperaturii, n timp ce rezistena la smulgere (clivaj), Rs, rmne constant
(este insensibil la temperatur) (fig. 2.8); cea mai mic temperatur de
exploatare a materialului metalic trebuie s fie mai mare dect temperatura
lui de tranziie, ttr, pentru ca ruperea s nu fie fragil.
Fig. 2.8. Influena temperaturii asupra comportrii la rupere
a materialelor metalice.
c) prezena concentratorilor de tensiune (gradul de triaxialitate al solicitrii-al strii de tensiuni) (fig. 2.9) - acelai material are o comportare din ce n ce
mai puin tenace (mai fragil), pe msur ce se trece de la solicitarea
monoaxial, ctre o solicitare triaxial (gradul de triaxialitate a tensiunilor
3).
Fig. 2.9. Stare de tensiuni.
n care: 1, 2, 3 sunt tensiuni normale principale: 1 > 2 > 3;
1 0, 2 = 0, 3 = 0 - solicitare monoaxial;
1 0, 2 0, 3 0 - solicitare triaxial;
= grad de triaxialitate a tensiunilor;
cnd 1 2 3, K 3; este situaia cea mai nefavorabil, iar
fragilitatea materialului este maxim.
Re, Rs, [N/m2]
t, [0C]
Rs
Re
Fragil
Ductil
Domeniul comportrii ductile
Domeniul comportrii fragile
Domeniul de temperaturi de exploatare
ttr
z
x
y
3
2
1
-
Tehnologia Materialelor
-27-
Prezena unei crestturi pe suprafaa unei piese solicitat monoaxial determin
apariia strii triaxiale de tensiuni i creterea temperaturii de tranziie, deci micorarea
domeniului de temperaturi de exploatare a materialului fr riscul apariiei ruperii
fragile (fig. 2.10). Cu alte cuvinte, prezena concentratorilor de tensiune favorizeaz
creterea domeniului comportrii fragile.
Fig. 2.10. Influena concentratorilor de tensiune asupra comportrii
la rupere a materialelor metalice: A - epruvet fr concentrator de tensiune (cresttur); B - epruvet cu concentrator de tensiune
(cresttur); Re - limit de curgere; Rs - rezistena la smulgere.
d) viteza de solicitare - cu creterea vitezei de solicitare crete temperatura de
tranziie i domeniul comportrii fragile (domeniu nedorit) (fig. 2.11).
Fig. 2.11. Influena vitezei de solicitare asupra comportrii
la rupere a materialelor metalice: A - epruvet solicitat static; B - epruvet solicitat dinamic (ex.: la ncovoiere prin oc);
Re - limit de curgere; Rs - rezistena la smulgere.
Rezumat:
- Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui corp n dou sau mai multe pri sub
aciunea unei stri de tensiuni.
- Ruperile se clasific dup mai multe criterii: dup modul cristalografic n care se produce
ruperea (rupere prin smulgere, produs de tensiunea normal , dat de raportul dintre fora
de solicitare normal, F, i suprafaa, S, pe care aceasta acioneaz; rupere prin alunecare,
produs de tensiunea tangenial, , dat de raportul dintre fora de solicitare tangent, T, i
suprafaa, S pe care aceasta acioneaz); dup aspectul ruperii (rupere cu aspect cristalin
Re, Rs, [N/m2]
t, [0C]
Rs (A) (B)
Re (B)
Domeniul de temperaturi de exploatare
ttr(A)
Re (A)
Domeniul de temperaturi de exploatare
ttr(B)
Re, Rs, [N/m2]
t, [0C]
Rs (A) (B)
Re (B)
Domeniul de temperaturi de exploatare
ttr(A)
Re (A)
Domeniul de temperaturi de exploatare
ttr(B)
-
Mihaela Mdlina CLARU
-28-
strlucitor, produs prin smulgere; rupere cu aspect fibros, produs prin forfecare); dup
deformaiile plastice care preced ruperea (ruperi fragile, care nu sunt precedate de
deformaii plastice, se produc cu vitez mare, prin smulgere, se propag intercristalin i au
aspect cristalin strlucitor; ruperi ductile, care sunt precedate de deformaii plastice, se
produc prin alunecare, se propag transcristalin i au aspect fibros, caracteristic de cup-con).
- Comportarea la rupere, ductil sau fragil, a unui material metalic nu este o caracteristic
intrinsec a acestuia ci este influenat de o serie de factori: natura materialului, temperatura,
prezena concentratorilor de tensiune (gradul de triaxialitate al solicitrii-al strii de tensiuni),
viteza de solicitare.
2.3. Comportarea la oboseal a materialelor metalice
Sub aciunea unei sarcini variabile n timp (ca mrime i ca sens), rezistena i
tenacitatea (plasticitatea) materialelor metalice scad, iar ruperea are loc la tensiuni de
solicitare mai mici dect rezistena la rupere a materialului metalic. Fenomenul se
numete oboseal, iar ruperea produs astfel se numete rupere prin oboseal.
Solicitrile variabile au un caracter periodic i se pot caracteriza printr-un ciclu
de solicitare, care reprezint variaia valorilor tensiunii de solicitare v n timpul unei
perioade T.
Ciclurile de solicitare variabile pot fi:
a) ondulante - cnd tensiunile au acelai semn (fig. 2.12);
Fig. 2.12. Ciclul de solicitare ondulant.
b) alternante - cnd tensiunile i schimb semnul (ex.: oboseal rotativ de ncovoiere) (fig. 2.13).
Fig. 2.13. Ciclul de solicitare alternant.
, [h]
v, [N/m2]
T
, [h]
+v, [N/m2]
-v, [N/m2]
T
compresiune
ntindere (traciune)
-
Tehnologia Materialelor
-29-
n cazul unei solicitri alternante de ntindere-compresiune, se pot deosebi dou moduri de variaie a lui v cu numrul de cicluri de solicitare N pn la rupere, n
funcie de natura materialului metalic (fig. 2.14). Cu ct N este mai mic cu att v este
mai mare.
Fig. 2.14. Curbe tipice de durabilitate la oboseal a
materialelor metalice sau curbe Whler: Rm - rezistena la rupere a materialului metalic;
R0 - rezistena la oboseal a materialului metalic.
Curba I - este specific pentru unele materiale (ex.: aliaje de aluminiu), i arat
c, orict ar scdea tensiunea variabil v, ruperea tot se va produce dup un anumit
numr de cicluri de solicitare;
Curba II - este specific pentru unele materiale (ex.: Fe, aliaje Fe-C cu procent
sczut de carbon), i arat c, sub o anumit valoare caracteristic a tensiunii v, notat
R0 sau 0, numit rezisten la oboseal, ruperea nu se mai produce, orict de mult ar
crete numrul ciclurilor de solicitare, N.
Stadiile ruperii prin oboseal (fig. 2.15):
a) iniierea fisurii; b) propagarea lent a fisurii, ctre interiorul piesei, fr ruperea acesteia, pn
cnd seciunea portant (transversal nefisurat) a piesei devine prea mic
pentru a mai rezista sarcinilor aplicate;
c) ruperea final brusc.
Fig. 2.15. Stadiile ruperii prin oboseal.
Factorii de care depinde rezistena la oboseal a materialelor metalice.
1) Factori constructivi (adoptai la proiectarea piesei), cum ar fi: a) natura materialului - cu ct rezistena la rupere Rm este mai mic, cu att
rezistena la oboseal R0 crete;
b) forma i dimensiunile piesei - pentru a crete R0 se vor evita trecerile brute de seciune, concentratorii de tensiune (crestturi, guri) i
dimensiunile mari (piese supradimensionate).
Zona de rupere final brusc
(grunoas)
Zona de propagare lent a
fisurii (neted i lucioas)
Zona de iniiere a fisurii
N, [cicluri] - scar logaritmic
v, [N/m2]
Rm
R0 (0)
10610
7
I
II
-
Mihaela Mdlina CLARU
-30-
2) Factori tehnologici (adoptai la prelucrarea piesei), cum ar fi: a) granulaia materialului - cu ct este mai fin, cu att crete R0; b) calitatea suprafeei - cu ct rugozitatea suprafeei este mai mic
(suprafa mai fin), cu att crete R0;
c) prezena unei stri suplimentare de tensiuni n stratul piesei (realizat printr-un tratament termochimic de suprafa) favorizeaz creterea lui
R0.
3) Factori de exploatare (prevzui n timpul exploatrii piesei), cum ar fi: a) natura mediului - n medii agresive, corozive, R0 scade; b) temperatura de exploatare - cu creterea temperaturii, R0, scade; c) mrimea tensiunii variabile, v (v. fig.2.14) - cu ct v este mai mic, cu
att crete numrul de cicluri, N, de solicitare pn la rupere, pentru
curba I, iar pentru curba II, pentru v < R0, ruperea nu se mai produce;
d) prezena unei tensiuni statice, s (ex.: epruveta este solicitat la traciune prin tragerea ei de capete, n timp ce ea se rotete i se ncovoaie), care se
suprapune peste tensiunea variabil, dnd natere unei tensiuni
rezultante, , = v + s; prin compunerea celor dou tensiuni v i s,
ciclul de solicitare devine ondulant (fig. 2.16).
Fig. 2.16. Ciclul de solicitare rezultant (ondulant).
Considernd trei valori ale tensiunii statice, s1 > s2 > s3 se constat c, odat
cu creterea tensiunii statice trebuie s scad tensiunea variabil v (v1 < v2 < v3),
astfel nct ruperea s se produc dup acelai numr de cicluri de solicitare, Nr
(fig. 2.17).
Fig. 2.17. Variaia tensiunilor statice i variabile n funcie
de numrul de cicluri de solicitare.
+, [N/m2]
-, [N/m2]
v
s
=v+s
, [h] 0
N, [cicluri]
v, [N/m2]
s3
s2
s1
v3 v2 v1
Nr
-
Tehnologia Materialelor
-31-
e) prezena concentratorilor de tensiune (efectul de cresttur). La o bar ntins, prevzut cu o cresttur, efortul unitar nu mai este uniform
repartizat pe seciune, ca n cazul barei lise (fr cresttur), ci prezint vrfuri de
tensiune n dreptul fundului crestturii (fig. 2.18).
Fig. 2.18. Distribuia efortului unitar pe seciunea unei epruvete prevzut
cu concentrator de tensiune:
r - raza de curbur la fundul crestturii; S0 - seciunea barei lise pe poriunea fr cresttur);
Sp - seciunea portant (seciunea barei pe poriunea cu cresttur); = F/S0 = ct. (tensiunea pe
poriunea fr cresttur); n = F/Sp (tensiunea nominal pe poriunea cu cresttur).
La fundul crestturii apare o tensiune maxim, M, mult mai mare dect
tensiunea nominal, n: M > n.
Se noteaz cu
, coeficientul de concentrare al tensiunilor.
= f(r): cu ct raza de curbur r este mai mic, cu att este mai mare.
n cazul solicitrii la solicitri variabile, datorit efectului de cresttur pe care l
exercit fisura produs prin oboseal, precum i datorit micorrii progresive a
seciunii portante, solicitarea depete la un moment dat rezistena materialului,
producndu-se ruperea brusc a seciunii rmase.
Rezumat:
- Sub aciunea unei sarcini variabile n timp (ca mrime i ca sens), rezistena i tenacitatea
(plasticitatea) materialelor metalice scad, iar ruperea are loc la tensiuni de solicitare mai mici
dect rezistena la rupere a materialului metalic. Fenomenul se numete oboseal, iar ruperea
produs astfel se numete rupere prin oboseal.
- Solicitrile variabile au un caracter periodic i se pot caracteriza printr-un ciclu de
solicitare, care reprezint variaia valorilor tensiunii de solicitare, v n timpul unei perioade,
T. Ciclurile de solicitare variabile pot fi: ondulante (cnd tensiunile au acelai semn) sau
alternante (cnd tensiunile i schimb semnul).
- Ruperea prin oboseal cuprinde urmtoarele stadii: iniierea fisurii; propagarea lent a
fisurii, ctre interiorul piesei, fr ruperea acesteia, pn cnd seciunea portant (transversal
nefisurat) a piesei devine prea mic pentru a mai rezista sarcinilor aplicate; ruperea final
brusc.
- Rezistena la oboseal a materialelor metalice este influenat de o serie de factori, cum ar
fi: factori constructivi (adoptai la proiectarea piesei, ex.: natura materialului, forma i
dimensiunile piesei), factori tehnologici (adoptai la prelucrarea piesei; ex.: granulaia
materialului, calitatea suprafeei, prezena unei stri suplimentare de tensiuni n stratul piesei)
i factori de exploatare (prevzui n timpul exploatrii piesei, ex: natura mediului,
temperatura de exploatare, mrimea tensiunii variabile, v, prezena unei tensiuni statice, s,
care se suprapune peste tensiunea variabil, prezena concentratorilor de tensiune).
F F
r
S0 Sp
M
M
n
-
Mihaela Mdlina CLARU
-32-
Teste de autoevaluare:
T1) Deformarea plastic a cristalelor reale care alctuiesc structura pieselor metalice se
realizeaz prin: a) deplasarea dislocaiilor, sub aciunea tensiunilor tangeniale, de-a lungul
unor plane cu densitate maxim de atomi; b) deplasarea dislocaiilor, sub aciunea tensiunilor
normale, de-a lungul unor plane cu densitate maxim de atomi; c) modificarea orientrii unei
pri a monocristalului, n raport cu un plan de separaie, ntr-o nou poziie simetric cu
cealalt parte. Indicai varianta corect.
T2) Deformarea plastic realizat la o temperatur T < Tr este denumit: a) deformare
plastic la cald; b) deformare plastic la rece; c) deformare plastic la rece i la cald. Precizai
varianta corect.
T3) Care din urmtoarele fenomene se pot produce la nclzirea unui material metalic
ecruisat prin deformare plastic la rece: a) cristalizarea primar; b) recristalizarea;
c) cristalizarea secundar?
T4) Care din urmtoarele caracteristici corespund ruperilor fragile ale materialelor metalice:
a) sunt precedate de deformaii plastice; b) se produc cu vitez mare, prin smulgere;
c) se propag intercristalin i au aspect cristalin strlucitor?
T5) Care din urmtoarele caracteristici corespund ruperilor ductile ale materialelor metalice:
a) nu sunt precedate de deformaii plastice; b) se produc prin alunecare; c) se propag
transcristalin i au aspect fibros caracteristic de cup-con?
T6) Care din urmtoarele afirmaii, privind oboseala materialelor metalice, sunt adevrate:
a) procesul de degradare prin oboseal cuprinde trei stadii: iniierea fisurii, propagarea lent a
fisurii i ruperea final brusc; b) suprafaa de rupere la oboseal a materialelor metalice are
un aspect caracteristic de cup-con; c) fenomenul de oboseal survine sub aciunea unei
sarcini de solicitare constante n timp?
T7) Ciclul de solicitare la oboseal a materialelor metalice, n prezena unei tensiuni statice
care se suprapune peste tensiunea variabil, devine: a) ondulant; b) alternant; c) alternant -
ondulant. Indicai varianta corect.
Lucrare de control:
1) Deformarea plastic a materialelor metalice (2 puncte).
2) Ruperea materialelor metalice (2 puncte).
3) Comportarea la oboseal a materialelor metalice (2 puncte).
Rspunsuri la testele de autoevaluare:
T1) a), c); T2) b); T3) b); T4) b), c); T5) b), c); T6) a); T7) a).
Bibliografie
1. Drghici Gh., Albert C., Minescu M., Ispas V., Tehnologia Materialelor - ndrumar de lucrri practice, UPG Ploieti, 1995.
2. Rdulescu M., Studiul metalelor, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.
3. Tudor I., Svulescu M.J., Zecheru Gh., Drghici Gh., Albert C., Talle M., Tehnologia materialelor, Editura I.P.G. Ploieti, 1992.
4. Tudor A, Studiul metalelor, Institutul de cercetare i proiectare aparataj pentru instalaii i utilaje pentru construcii, 1985.
5. Ulmanu V., Tehnologia materialelor, I.P.G., Ploieti, 1976. 6. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea I, Editura I.P.G. Ploieti, 1984. 7. Zecheru Gh., Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura
ILEX i Editura Universitii din Ploieti, 2001.
-
Tehnologia Materialelor
-33-
Unitatea 3. Studiul metalelor i aliajelor
3.1. Alotropia metalelor (polimorfismul)
3.2. Solidificarea metalelor pure
3.3. Generaliti privind aliajele
3.4. Generaliti privind aliajele Fe-C
3.5. Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C
Cunotine i deprinderi
La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei nelege:
- ce nseamn alotropia metalelor i care sunt formele alotropice ale fierului;
- cum se realizeaz solidificarea metalelor pure;
- ce sunt aliajele i care sunt prile constitutive ale structurii unui material metalic;
- ce reprezint i cum se clasific sistemul de aliaje Fe-C;
- ce sunt oelurile carbon i fontele albe;
- ce aliaje sufer transformri structurale n conformitate cu diagrama de echilibru metastabil
a sistemului Fe-Fe3C .
La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei putea:
- s explici ce nseamn alotropia metalelor i n ce const transformarea alotropic a
acestora;
- s explici mecanismul prin care se realizeaz cristalizarea unui material metalic;
- s defineti aliajele i s identifici prile constitutive ale acestora;
- s explici ce nseamn aliajele Fe-C;
- s identifici oelurile carbon i fontele albe;
- s identifici transformrile structurale ale aliajelor care se produc n conformitate cu
diagrama de echilibru metastabil Fe-Fe3C .
3.1. Alotropia metalelor (polimorfismul)
Alotropia sau polimorfismul reprezint proprietatea unor metale (Fe, Si, Mn, Ti,
Co) de a-i schimba tipul reelei cristaline o dat cu schimbarea temperaturii, adoptnd
forme cristaline noi, numite forme alotropice sau modificaii proprii.
Aceast transformare are loc datorit tendinei metalului de a adopta, la
temperatura respectiv, forma cristalin cu energie liber, E, minim (stare de echilibru
stabil), n care (U = energia intern a sistemului, dat de energia cinetic i potenial a microparticulelor, T = temperatura, S = entropia care indic gradul de
dezordine din sistem).
Transformarea alotropic, numit i cristalizare secundar, este o transformare n
stare solid, care are loc la o temperatur numit punct critic de transformare
(temperatur critic). Aceast temperatur, specific fiecrui metal, se menine
constant n timpul transformrii.
Transformarea alotropic se produce cu absorbie de cldur, dac are loc n
timpul nclzirii, sau cu degajare de cldur, dac are loc n timpul rcirii metalului.
Fierul prezint trei stri alotropice: Fe, Fe, Fe.
-
Mihaela Mdlina CLARU
-34-
n figura 3.1. sunt prezentate curbele de variaie cu temperatura a energiei libere
pentru diferite sisteme de cristalizare ale fierului.
Fig. 3.1. Curbele de variaie cu temperatura a energiei libere pentru diferite
sisteme de cristalizare ale fierului: 1 - curba de variaie cu temperatura a energiei libere n reeaua CFC;
2 - curba de variaie cu temperatura a energiei libere n reeaua CVC.
Fe - cristalizeaz n sistem CVC i este stabil pn la 9100C;
Fe - cristalizeaz n sistem CFC i este stabil ntre (910 1392)0C;
Fe - cristalizeaz n sistem CVC i este stabil ntre (1392 1538)0C.
Fe i Fe au acelai tip de reea cristalin, dar atomii de fier au raze atomice
diferite.
Temperatura de topire a fierului este 15380C.
Formele alotropice ale unui material metalic au proprieti bine definite, diferite
de la o form alotropic la alta.
Rezumat:
- Alotropia sau polimorfismul reprezint proprietatea unor metale de a-i schimba tipul reelei
cristaline (datorit tendinei metalului respectiv de a adopta ntotdeauna starea cu energie
liber minim, stare de echilibru stabil) o dat cu schimbarea temperaturii, adoptnd forme
cristaline noi numite forme alotropice sau modificaii proprii.
- Fierul prezint trei stri alotropice: Fe, stabil pn la 9100C, Fe, stabil ntre (910 1392)
0C,
Fe, stabil ntre (1392 1538)0C..
- Transformarea alotropic, numit i cristalizare secundar, este o transformare n stare
solid, care are loc la o temperatur numit temperatur critic (este specific fiecrui metal i
se menine constant n timpul transformrii).
- Formele alotropice ale unui material metalic au proprieti bine definite, diferite de la o
form alotropic la alta.
Reea CFC Reea CVC
1
2
E, [J]
t, [0C]
Fe Fe Fe
910 1392 1538
-
Tehnologia Materialelor
-35-
3.2. Solidificarea metalelor pure
Trecerea unui metal din stare lichid n stare solid se numete cristalizare
primar. Ea are loc datorit tendinei metalului respectiv de a adopta ntotdeauna starea
cu energie liber minim (stare de echilibru stabil).
n figura 3.2. sunt prezentate curbele de variaie cu temperatura a energiei libere
pentru diferitele stri de agregare ale materialului metalic.
Fig. 3.2. Curbele de variaie cu temperatura a energiei libere pentru diferitele
stri de agregare ale materialului metalic: S - curba de variaie cu temperatura a energiei libere pentru faza (starea) solid;
L - curba de variaie cu temperatura a energiei libere pentru faza (starea) lichid;
E - energia liber; Dt - subrcire; tC - punct critic de temperatur; tS-L - temperatura de echilibru,
cnd exist simultan ambele faze (pentru c ele au aceeai energie liber).
Atunci cnd t < tS-L este stabil starea solid (faza solid are energie minim), iar
n situaia n care t > tS-L este stabil starea lichid (faza lichid are energie minim).
Pentru ca solidificarea s nceap, trebuie ca energia liber a fazei solide s fie
mai mic dect a fazei lichide. Acest lucru se realizeaz printr-o subrcire, cu valoarea
Dt, creia i corespunde o scdere a energiei libere a fazei solide cu valoarea DE. Din
acest moment, centrii de cristalizare nu se mai retopesc n masa de lichid i solidificarea
poate continua. Germenii (centrii) de cristalizare pot fi omogeni (cnd aparin metalului
respectiv) sau eterogeni (cnd sunt strini, ex.: impuriti i elemente introduse
intenionat, numite modificatori, pentru a mri numrul de cristale formate i a finisa
granulaia).
Studiul cristalizrii unui material metalic se face cu ajutorul curbei de rcire (fig. 3.3).
E, [J]
t, [0C]
S
L
S L
Dt D
E
tc tS-L
-
Mihaela Mdlina CLARU
-36-
Fig. 3.3. Curba de rcire a unui metal pur: tc - punct critic de temperatur.
Palierul de pe curba de rcire arat c, n timpul solidificrii, temperatura este
constant, dei metalul pierde continuu cldur. Pierderea de cldur este compensat
de cldura degajat n timpul solidificrii (numit cldur latent de solidificare) pentru
reducerea energiei libere a metalului.
Rezumat:
Trecerea unui metal din stare lichid n stare solid se numete cristalizare primar. Ea are loc
datorit tendinei metalului respectiv de a adopta ntotdeauna starea cu energie liber minim
(stare de echilibru stabil). Pentru ca solidificarea s nceap, trebuie ca energia liber a fazei
solide s fie mai mic dect a fazei lichide. Acest lucru se realizeaz printr-o subrcire, creia
i corespunde o scdere a energiei libere a fazei solide, moment n care centrii de cristalizare
nu se mai retopesc n masa de lichid i solidificarea poate continua. Germenii (centrii) de
cristalizare pot fi omogeni (cnd aparin metalului respectiv) sau eterogeni (cnd sunt strini,
ex.: impuriti i elemente introduse intenionat, numite modificatori, pentru a mri numrul
de cristale formate i a finisa granulaia).
Studiul cristalizrii unui material metalic se face cu ajutorul curbei de rcire.
3.3. Generaliti privind aliajele
Aliajele sunt materiale metalice, omogene macroscopic, obinute prin topirea i
solidificarea n comun a dou sau mai multe elemente chimice (n special metale).
Componenii sunt elementele chimice care compun aliajul. Aliajele conin un
component de baz (de obicei metalic) i unul sau mai muli componeni de aliere
(metalici sau nemetalici). Dup numrul de componeni, aliajele pot fi:
- binare (cu doi componeni, k = 2); - ternare (cu trei componeni, k = 3); - cuaternare (cu patru componeni, k = 4); - polinare (cu mai muli componeni). Sistemul de aliaje reprezint totalitatea aliajelor formate din aceiai componeni,
dar luai n proporii diferite.
Exemplu: sistemul de aliaje Ni-Cu 70% Ni 71% Ni
30% Cu 29% Cu
Constituenii metalografici sunt pri constitutive ale structurii unui material
metalic, formai din una sau mai multe faze.
t, [0C]
tS-L
tC
Dt
Palier
-
Tehnologia Materialelor
-37-
Faza este o parte omogen a unui sistem de aliaje, separat de restul sistemului
printr-o suprafa de separaie, la trecerea creia are loc o modificare n salturi a
proprietilor.
Dup numrul de faze pe care l conin, constituenii metalografici pot fi:
- constitueni monofazici (F = 1) - ex: metalul pur, soluia solid, compusul definit;
- constitueni multifazici (bifazici - cu F = 2, trifazici - cu F = 3, etc.) - ex: amestecuri mecanice.
Soluia solid este un constituent monofazic, cu reeaua cristalin format din
dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie ntmpltoare n reea. Se
noteaz cu , , .
Dup modul de formare, soluia solid poate fi:
- soluie solid de substituie - ex.: B(A) (fig. 3.4, a); - soluie solid interstiial - ex.: B(A) (fig. 3.4, b). Exemplu: ferita Fe(C), n cazul aliajelor din sistemul Fe-C, este o soluie
solid interstiial de C n Fe.
Fig. 3.4. Soluii solide: a) de substituie de A n B ( B(A)); b) interstiial de A n B ( B(A)).
Soluiile solide de substituie sau interstiiale pot fi i sub forma A(B).
Soluia solid se topete (respectiv solidific) ntr-un interval de temperatur.
Soluia solid poate fi:
- omogen - cu aspect poliedric (la microscop), obinut n condiii de echilibru (la rcirea cu vitez mic);
- neomogen (eterogen) - cu aspect arborescent (frunz de ferig), obinut n condiii de dezechilibru (la rcire cu vitez mare).
Compusul definit este un constituent monofazic, cu reeaua cristalin format din
dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie precis n reea. Are reea
cristalin proprie, proprieti bine definite i temperatur unic de topire (respectiv de
solidificare).
Exemplu: cementita, Fe3C, n cazul aliajelor din sistemul Fe-C, este un compus
definit ce conine 6,67% C.
Amestecul mecanic este un constituent metalografic format din dou sau mai
multe faze de acelai fel sau diferite, care se separ simultan din lichid (amestec
mecanic eutectic) sau dintr-o faz solid (amestec mecanic eutectoid), la o temperatur
i concentraie bine definite (numite eutectice, respectiv eutectoide). Amestecurile
mecanice pot fi:
- eutectice - cnd faza care se transform este lichid, la temperatura i concentraia eutectic;
A
A
B B
a) b)
-
Mihaela Mdlina CLARU
-38-
- eutectoide - cnd faza care se transform este solid, la temperatura i concentraia eutectoid.
Exemplu: n cazul aliajelor din sistemul Fe-C, perlita este un amestec mecanic
de tip eutectoid, iar ledeburita este un amestec mecanic de tip eutectic.
Rezumat:
- Aliajele sunt materiale metalice, omogene macroscopic, obinute prin topirea i solidificarea
n comun a dou sau mai multe elemente chimice (n special metale). Componenii sunt
elemente chimice care compun aliajul. Aliajele conin un component de baz (de obicei
metalic) i unul sau mai muli componeni de aliere (metalici sau nemetalici). Sistemul de
aliaje reprezint totalitatea aliajelor formate din aceiai componeni, dar luai n proporii
diferite. Constituenii metalografici sunt pri constitutive ale structurii unui material metalic,
formai din una sau mai multe faze. Faza este o parte omogen a unui sistem de aliaje,
separat de restul sistemului printr-o suprafa de separaie, la trecerea creia are loc o
modificare n salturi a proprietilor. Soluia solid este un constituent monofazic, cu reeaua
cristalin format din dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie ntmpltoare
n reea. Dup modul de formare, soluia solid poate fi: soluie solid de substituie sau
interstiial. Compusul definit este un constituent monofazic, cu reeaua cristalin format din
dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie precis n reea. Are reea cristalin
proprie, proprieti bine definite i temperatur unic de topire (respectiv de solidificare).
Amestecul mecanic este un constituent metalografic format din dou sau mai multe faze de
acelai fel sau diferite, care se separ simultan din lichid sau dintr-o faz solid, la o
temperatur i concentraie bine definite. Amestecurile mecanice pot fi: eutectice (faza care se
transform este lichid, la temperatura i concentraia eutectic) sau eutectoide (faza care se
transform este solid, la temperatura i concentraia eutectoid).
3.4. Generaliti privind aliajele Fe-C
Componentul de baz al aliajelor din sistemul Fe-C este Fe. Acesta prezint trei
stri (forme) alotropice sau modificaii proprii:
Fe - stabil pn la 9100C, cristalizeaz n sistem CVC;
Fe - stabil ntre 9100
13920C, cristalizeaz n sistem CFC;
Fe - stabil ntre 13920
15380C, cristalizeaz n sistem CVC
Temperatura de topire a fierului este 15380C. Fe prezint proprieti magnetice,
dar peste 7680C (punct Curie) i pierde aceste proprieti.
Componentul de aliere al aliajelor din sistemul Fe-C este carbonul. Acesta se
poate gsi n aliajele sistemului sub dou forme:
- legat, n compusul definit Fe3C numit cementit; - liber, sub form de C grafit (Cgr). Corespunztor celor dou forme ale carbonului, sistemul de aliaje Fe-C exist n
dou variante:
- sistemul metastabil Fe-Fe3C (se numete metastabil deoarece cementita, Fe3C, este o faz metastabil, la temperaturi nalte sau prezena siliciului
descompunndu-se n Fe i C grafit);
- sistemul stabil Fe-Cgr. Corespunztor celor dou sisteme de aliaje Fe-C, diagrama de echilibru exist n
dou variante (fig. 3.5 i 3.6).
- diagrama de echilibru metastabil (Fe-Fe3C) trasat cu linie continu; - diagrama de echilibru stabil (Fe-Cgr) trasat cu linie punctat.
-
Tehnologia Materialelor
-39-
Fig. 3.5. Diagrama de echilibru Fe-C (cu transformare peritectic - n punctul J).
Q +CgrIII
P
0,02 0,1 0,16 0,54 0,68 0,77 2,08 2,11 4,26 4,3
T, [0C]
15380
14950
13920
9100
7270
11480
12500
0
35400
11540
7380
Fe3C Cgr
A
B
C
D
E F G
H
J
N
S P S
E C
F
K
K
100 0
100
%Fe
%C 6,67
L
+L
+
+
+L L+Fe3C
I
(+Fe3C) Led Led+Fe3C
I +Led+
Fe3CII
+Cgr +CgrII
[Led]+Fe3CI [Led]
(P+Fe3C)
+Cgr
+
Fe3CII
P+[Led]+
Fe3CII
P + Fe3CII P
(+Fe3C) +P+Fe3C
III +
Fe3CIII
-
Mihaela Mdlina CLARU
-40-
Fig. 3.6. Diagrama de echilibru Fe-C simplificat (fr transformare peritectic).
+CgrIII Q
T, [0C]
15380
9100
7270
11480
12500
0
35400
11540
7380
Fe3C Cgr
A, B
C
D
E F G
S P S
E C
F
K
K
100 0
100
%Fe
%C 6,67
L
+
+L L+Fe3CI
(+Fe3C) Led Led+Fe3C
I +Led+
Fe3CII
+Cgr +CgrII
[Led]+Fe3CI
[Led]
(P+Fe3C)
+Cgr
+
Fe3CII
P+[Led]+
Fe3CII
P + Fe3CII P
(+Fe3C) +P+Fe3C
III +
Fe3CIII
P
0,02 0,68 0,77 2,08 2,11 4,26 4,3
-
Tehnologia Materialelor
-41-
Rezumat:
Componentul de baz al aliajelor din sistemul Fe-C este Fe. Acesta prezint trei stri (forme)
alotropice sau modificaii proprii: Fe, stabil pn la 9100C - cristalizeaz n sistem CVC; Fe,
stabil ntre (910 1392)0C - cristalizeaz n sistem CFC; Fe, stabil ntre (1392 1538)
0C -
cristalizeaz n sistem CVC. Componentul de aliere al aliajelor din sistemul Fe-C este
carbonul. Acesta se poate gsi sub dou forme: legat, n compusul definit Fe3C numit
cementit sau liber, sub form de C grafit (Cgr). Corespunztor celor dou forme ale
carbonului, respectiv celor dou sisteme de aliaje (sistemul metastabil Fe-Fe3C i sistemul
stabil Fe-Cgr), diagrama de echilibru exist n dou variante: diagrama de echilibru
metastabil (Fe-Fe3C) i diagrama de echilibru stabil (Fe-Cgr).
3.5. Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C
(v. fig. 3.5)
Constituenii metalografici ai aliajelor din sistemul metastabil Fe-Fe3C sunt:
a) monofazici: - soluia lichid, L;
- ferita, - soluie solid interstiial de carbon, C, n Fe ( Fe(C)); concentraia
maxim de C care se poate dizolva n Fe este de 0,02 % la 7270C; concentraia
de C n Fe scade la ta (unde: ta = temperatura mediului ambiant); excesul de C din
suprasaturat se separ sub form de cementit teriar, Fe3CIII
;
- ferita, - soluie solid interstiial de C n Fe ( Fe(C)); concentraia maxim de
C care se poate dizolva n Fe este de 0,1 % la 14950C;
- austenita, - soluie solid interstiial de C n Fe ( Fe(C)); concentraia maxim
de C care se poate dizolva n Fe este de 2,11 % la 11480C; concentraia de C n
Fe scade pn la 0,77 % la 7270C; excesul de C din suprasaturat se separ sub
form de cementit secundar, Fe3CII;
- cementita, Fe3C - compus definit cu 6,67 % C i temperatura de topire 12500C; este o
faz metastabil deoarece, prin meninere la temperaturi nalte sau n prezena
siliciului, se descompune: Fe3C 3Fe + C; are duritate mare (800HV), fiind
fragil; la temperatura ambiant este magnetic, iar la 2150C i pierde
magnetismul.
b) bifazici: - perlita, P - amestec mecanic eutectoid format din ferit, , i cementit eutectoid,
Fe3C, obinut prin descompunerea austenitei: ;
- ledeburita, Led - amestec mecanic eutectic format din austenit, , i cementit
eutectic, Fe3C, obinut prin solidificarea lichidului:
; la temperatura ambiant, ledeburita se numete ledeburit transformat, [Led], deoarece conine perlit n urma descompunerii eutectoide a austenitei; este
format deci din perlit i cementit eutectic (primar).
Transformri ale aliajelor din diagram:
- transformare eutectoid: ;
- transformare eutectic: ;
- transformare peritectic: .
-
Mihaela Mdlina CLARU
-42-
Liniile diagramei:
- linia ECF : este linia corespunztoare temperaturii transformrii eutectice;
- linia PSK: notat A1, este linia corespunztoare temperaturii transformrii eutectoide;
- curba GS: notat A3, este curba sub care din austenit ncepe s se separe ferit;
- curba SE: notat Acem, este curba de variaie cu temperatura a solubilitii C n Fe;
sub ea, din suprasaturat se separ carbonul n exces sub form de
cementit secundar, Fe3CII;
- curba PQ: este curba de variaie cu temperatura a solubilitii C n Fe; sub ea, din
suprasaturat se separ carbonul n exces sub form de cementit teriar,
Fe3CIII
.
Aliajele diagramei metastabile:
a) Fe tehnic: < 0,02% C;
b) Oeluri carbon: [0,02 2,11)% C
- Clasificare, n funcie de coninutul de C:
oel hipoeutectoid:
[0,02 0,77%) C; constitueni la ta: Fe3C
II + + P;
oel eutectoid:
0,77% C; constitueni la ta: P;
oel hipereutectoid:
(0,77 2,11%) C; constitueni la ta: Fe3C
II + P.
Oelurile carbon conin maxim 2,11% C. n afar de Fe i C, mai conin i
elemente nsoitoare permanente, cum ar fi: Si (max. 0,5 %), Mn (max. 0,7%), P (max.
0,05%), S (max. 0,05%). Si i Mn sunt dezoxidani (introdui voit) iar S i P sunt
impuriti introduse o dat cu minereurile de fier. Oelurile carbon prezint numai
transformarea eutectoid i se analizeaz dup diagrama metastabil. Se prelucreaz
prin deformare plastic la rece sau la cald, deoarece au tenacitate (plasticitate) ridicat.
Cu creterea coninutului de carbon, crete cantitatea de Fe3C, i prin urmare crete
duritatea, respectiv rezistena la rupere i scade plasticitatea.
c) Fonte albe: [2,11 6,67) % C
- Clasificare, n funcie de procentul de C:
font alb hipoeutectic:
[2,11 4,3) % C; constitueni la ta: Fe3C
II + [Led] + P;
font alb eutectic:
4,3% C; constitueni la ta:[Led];
font alb hipereutectic:
(4,3 6,67%) C; constitueni la ta: Fe3C
I + [Led].
-
Tehnologia Materialelor
-43-
Fontele albe conin ntre [2,11 6,67) % C. Se numesc albe deoarece n
sprtur au culoare argintie, datorit prezenei Fe3C. Se obin la rcirea cu vitez mare a
aliajului i/sau la coninuturi mici de elemente grafitizante (Si, P, Al, Ni, Cu - care
descompun cementita) i la coninuturi mari de elemente antigrafitizante (Mn, Cr, Mo,
V - care stabilizeaz cementita). Prezint ambele transformri (eutectic i eutectoid).
Se studiaz dup diagrama metastabil. Cu creterea coninutului de carbon, crete
cantitatea de Fe3C, fapt pentru care fontele albe sunt dure, fragile i casante i nu se
prelucreaz prin deformare plastic. Se achiaz foarte greu, deoarece au rezisten
mare la uzur. Piesele din font alb se obin prin turnare. Au utilizri restrnse, n
special la piesele de uzur (bile pentru mori, saboi de frn, flci de concasor) sau ca
materie prim pentru obinerea oelurilor, a fontelor cenuii i a fontelor maleabile. Meniuni.
Fonta alb sau fonta brut (de prim fuziune) are la baz urmtorul proces
tehnologic prin care se obine: Minereu de fier (util: parte a minereului din care se
extrag metalele + steril: parte a minereului care se ndeprteaz, constituind impuriti)
+ fondant (formeaz zgura: nglobeaz i ndeprteaz sterilul i cenua
combustibilului) + combustibil (prin ardere furnizeaz cldura necesar procesului)
Agregat de elaborare (furnal) fonta brut (de prim fuziune) sau fonta alb.
Exemple: minereu de fier - magnetit Fe3O4 (65% Fe), hematit Fe2O3 (30...60%) Fe, etc.,
fondani (se aleg n funcie de natura sterilului) - bazici (ex. MgCO3, CaO, MgO, etc.)
sau acizi (ex. nisip cuaros), combustibil - cocs metalurgic, mangal.
Oelurile carbon au la baz urmtorul proces tehnologic prin care se obin:
Fonta de prim fuziune n stare lichid (meninut la o temperatur bine determinat),
sau materie prim solid (fier vechi i feroaliaje), sau amestec solid-lichid (font de
prim fuziune topit n amestec cu fier vechi i feroaliaje) + fondani (calcar,var, florur
de calciu, bauxit) + materiale oxidante (minereu de fier, minereu de mangan, aer,
oxigen tehnic etc.) + combustibili (gaz metan, gaz de cocserie, pcur, cocs etc.)
Agregat de elaborare (convertizor, cuptor cu arc electric, cuptor Siemens-Martin, cuptor
electric cu inducie) oeluri. Etapele procesului de elaborare: afinarea (procesul prin
care sunt reduse parial carbonul i o serie de elemente nsoitoare din baia metalic: Si,
Mn, P etc.), se realizeaz prin oxidare - ex.: 2Fe + O2 = 2FeO; C + FeO Fe + CO);
dezoxidarea (procesul prin care se reduce coninutul de oxid de fier, se poate realiza
prin precipitare - ex.: FeO + Mn= Fe + MnO, prin difuzie - ex.: [FeOb.m]/[FeOzg] = ct.,
sau n vid - ex.: [C] + [FeO] [Fe] + {CO}); corectarea compoziiei chimice (se
efectueaz atunci cnd oelul ce trebuie elaborat trebuie s prezinte o anumit
compoziie chimic i se realizeaz prin introducerea n baia de metal topit a unor
elemente de aliere sub form de metale sau feroaliaje).
Rezumat:
- Constituenii metalografici ai aliajelor din sistemul metastabil Fe-Fe3C sunt: soluia lichid,
L; ferita, (soluie solid interstiial de max. 0,02 % C, la 7270C, n Fe); ferita, (soluie
solid interstiial de max.0,1 % C, la 14950C, n Fe); austenita, (soluie solid interstiial
de max. 2,11 % C, la 11480C, n Fe); cementita, Fe3C (compus definit care are 6,67 % C i
temperatura de topire 12500C); perlita, P (amestec mecanic eutectoid de i Fe3C eutectoid,
obinut prin descompunerea austenitei); ledeburita, Led (amestec mecanic eutectic de i
Fe3C eutectic, obinut prin solidificarea lichidului). Transformrile aliajelor: transformarea
eutectoid: ; transformarea eutectic:
; transformarea peritectic: .
-
Mihaela Mdlina CLARU
-44-
- Aliajele diagramei metastabile: Fe tehnic: < 0,02% C; Oeluri carbon: 0,02 2,11% C;
Fonte albe: 2,11 6,67% C.
Teste de autoevaluare:
T1) Proprietatea unor metale de a-i schimba tipul reelei cristaline o dat cu schimbarea
temperaturii, adoptnd forme cristaline noi, se numete: a) alotropie; b) plasticitate;
c) refractaritate. Indicai varianta corect.
T2) Formele alotropice ale fierului sunt: a) Fe stabil pn la 9100C, Fe stabil ntre (910
1392)0C, Fe stabil ntre (1392 1538)
0C; b) Fe stabil pn la 710
0C, Fe stabil ntre (710
1292)0C, Fe stabil ntre (1292 1400)
0C; c) Fe stabil pn la 900
0C, Fe stabil ntre (900
0
1500)0C, Fe stabil ntre (1500
0 1538)
0C. Care este varianta corect?
T3) Trecerea unui metal din stare lichid n stare solid se numete: a) cristalizare primar;
b) recristalizare; c) cristalizare secundar. Indicai varianta corect.
T4) Constituentul metalografic format din dou sau mai multe faze de acelai fel sau diferite,
care se separ simultan din lichid sau dintr-o faz solid, la o temperatur i concentraie bine
definite, se numete: a) faz; b) amestec mecanic; c) soluie solid. Indicai varianta corect.
T5) n sistemul de aliaje metastabil Fe-C, carbonul se gsete: a) liber, sub form de Cgr;
b) legat, n compusul definit Fe3C; c) legat, n diferii compui chimici. Precizai varianta
corect.
T6) Aliajele diagramei de echilibru metastabile sunt: a) Fe tehnic, oelurile carbon, fontele
albe; b) Fe tehnic, fontele maleabile, fontele albe; c) Fe tehnic, oelurile carbon, fontele
nodulare. Indicai varianta corect.
T7) Oelurile carbon au concentraia de carbon cuprins ntre: a) [0,02 2,11) % C; b) [2,11
6,67) % C; c) mai mare de 6,67 % C. Indicai varianta corect.
T8) Oelurile carbon prezint urmtoarele transformri: a) transformarea eutectoid;
b) transformarea eutectic; c) transformarea eutectic i eutectoid. Indicai varianta corect.
T9) Fontele albe au concentraia de carbon cuprins ntre: a) [0,02 2,11) % C; b) [2,11
6,67) % C; c) mai mare de 6,67 % C. Precizai varianta corect.
T10) Fontele albe prezint urmtoarele transformri: a) transformarea eutectoid;
b) transformarea eutectic; c) transformarea eutectic i eutectoid. Indicai varianta corect.
Lucrare de control:
1) Alotropia metalelor (2 puncte).
2) Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C (2 puncte).
Rspunsuri la testele de autoevaluare:
T1) a); T2) a); T3) a); T4) b); T5) b); T6) a); T7) a); T8) a); T9)
b); T10) c).
Bibliografie
1. Drghici Gh., Albert C., Minescu M., Ispas V., Tehnologia Materialelor - ndrumar de lucrri practice, UPG Ploieti, 1995.
2. Rdulescu M., Studiul metalelor, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.
3. Tudor I., Svulescu M.J., Zecheru Gh., Drghici Gh., Albert C., Talle M., Tehnologia materialelor, Editura I.P.G. Ploieti, 1992.
4. Ulmanu V., Tehnologia materialelor, I.P.G., Ploieti, 1976. 5. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea I, Editura I.P.G. Ploieti, 1984. 6. Zecheru Gh., Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura
ILEX i Editura Universitii din Ploieti, 2001.
-
Tehnologia Materialelor
-45-
Unitatea 4. St