Studiul Materialelor Vol 2

Download Studiul Materialelor Vol 2

Post on 26-Oct-2015

127 views

Category:

Documents

14 download

TRANSCRIPT

  • UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIESTI

    Prof.dr.ing. Gh. Zecheru

    Conf. dr.ing. Gh. Drghici

    ELEMENTE DE STIINTA SIINGINERIA MATERIALELOR

    Volumul 2

    Editura ILEX i Editura Universitii din Ploiesti2002

  • iCUVNT NAINTEDESPRE GRANTUL C.N.F.I.S. 39691 MODEL DE

    SOFTWARE INTEGRAT DE TIP MULTIMEDIA PENTRUNVARE INTERACTIV GENERAT LA UNIVERSITATEAPETROL GAZE DIN PLOIESTI

    Obiectivul fundamental al grantului (C.N.F.I.S 39691) este crearea unuiinstrument software de tip multimedia care s ofere fiecrui cadru didactic unmodel de construire i prezentare a cursurilor , seminariilor i laboratoarelor ntr-omanier modern, utiliznd facilitile puse la dispoziie de tehnica avansat.

    Grantul se adreseaz n egal msur i studenilor care vor putea saudieze cursurile / seminariile / laboratoarele n condiii comparabile cu cele dinrile dezvoltate.

    Grantul C.N.F.I.S 39691 este structurat pe trei componente: CURS,LABORATOR, EVALUARE (vezi figura 1*).

    Componenta CURS ofer utilizatorilor de tip CADRU DIDACTICposibilitatea de a realiza coninutul cursului ntr-o manier flexibil, putnd folosiinformaii de tip text, imagine, animaie, prezentare video, slide show.

    Utilizatorul de tip STUDENT va avea acces la toate aceste tipuri deprezentare.

    n urma activrii acestei componente, se poate obine cursul pe suport dehrtie, pe suport magnetic sau se poate realiza introducerea n pagina de WEB aconinutului acestuia.

    Componenta LABORATOR acoper activitatea de seminar / laborator.Ea ofer posibilitatea cursantului (utilizatorul de tip STUDENT) de a avea acces latextul de prezentare a temei propuse, la instrumente de tip instructor (tutorial), ntoate cele cinci tipuri de prezentare de la curs, precum i la modele alefenomenelor / conceptelor prezentate. De asemenea, se pot realiza conexiuni cuanumite cursuri sau seminarii / laboratoare. Utilizatorul de tip CADRU DIDACTICva avea posibilitatea s-i descrie tema propus folosind faciliti de tip text,imagine, animaie, prezentare video, slide show i aplicaii software specializate.El poate uza de ele pentru a realiza instrumente de tip instructor, precum i modeleale fenomenului / conceptului prezentat sau conexiuni cu noiuni nrudite. Caurmare a activrii acestei componente, se pot obine comparaii ntre obiectivelepropuse i rezultatele obinute, exemple de rezolvare a problemelor propuse, datenecesare efecturii lucrrii, precum i chestionare de tip ablon. * Documentaie Grant C.N.F.I.S. 39691 (1999,2000,2001), Runda a II-a, Director Grant Liviu Dumitracu

  • ii

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

    Componenta EVALUARE i propune s ofere posibilitateaevalurilor efectuate de ctre utilizatorii de tip CADRU DIDACTIC asuprautilizatorilor de tip STUDENT, precum i autoevalurilor realizate de utilizatorulde tip student, la cerere. Evaluarea se poate realiza fie pe baza unor formulare detip bilet de examen, fie de tip chestionar (generat de un software specializat). Incazul autoevalurii, utilizatorul STUDENT poate beneficia de acces direct la

  • iii

    cursul aferent sau la un ciclu de tip ntrebare rspuns, posibilitate implementatcu ajutorul serviciului de pot electronic. Serviciul de pot electronic va fisusinut de un server de WEB propriu programului.

    REMARCI:

    Grantul MODEL DE SOFTWARE INTEGRAT DE TIPMULTIMEDIA PENTRU NVARE INTERACTIV GENERAT LAUNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIESTI se realizeaz n treietape:

    ETAPA I (proiectul de iniiere program) Realizare prototip SAL DECURS (anul 1999);

    ETAPA a II-a Imbuntirea prototipului SAL DE CURS, realizareprototipuri SAL DE LABORATOR, SAL DE EVALUARE (anul2000);

    ETAPA a III-a Realizarea integral a modelului de nvare interactiv(anul 2001).

    Domeniul de interes al acestui program se nscrie n aria preocuprilorspecialitilor din nvmnt i din domenii conexe acestuia, din EUROPA i dinAMERICA.

    Rezultatele obinute n urma aplicrii unui software integrat de tipmultimedia pentru nvare interactiv pentru disciplinele predate n cadrul uneiuniversiti (precum i pentru planurile de nvmnt) pot fi folosite ca punct deplecare n vederea constituirii unui server de WEB, baz pentru nvmntul ladistan, pentru cursuri intensive de scurt durat, alternativ dinamic pentrustudiul individual la bibliotec. Implementarea unui astfel de mecanism creeazpremise pentru posibilitatea evalurii interactive a studenilor, precum i pentrurealizarea unui ciclu de tip ntrebare-rspuns (cu ajutorul serviciului de potelectronic).

    Un ctig important const n posibilitatea de a face cunoscutUNIVERSITATEA, att n ar ct i n lume, nu numai la nivelul unor informaiigenerale, ct mai ales la nivelul a ceea ce constituie una din componentele saleesenia : cea de NVMNT.

    La baza generrii cursurilor interactive de nvare / instruire realizateintegral / parial n cadrul grantului a stat Metodologia de proiectare acursurilor multimedia i hipermedia ce cuprinde urmtoarele etape: Analizacerinelor de instruire, Proiectarea preliminar a aplicaiei (cursului),Dezvoltarea aplicaiei (cursului), Implementarea aplicaiei (cursului), Evaluareai ntreinerea aplicaiei (cursului).

    Pentru prezentarea tuturor cursurilor realizate n cadrul grantului a fostgenerat seria Cursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S 39691 n care aparelucrarea Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura ILEX i EdituraUniversitii PETROL GAZE din Ploiesti.

  • iv

    REMARCI:

    Toate lucrrile din seria Cursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S 39691se afl pe site-ul Universitii PETROL GAZE din Ploiesti i sunt disponibile peCD-ROM.

    Autorii lucrrilor sunt cadre didactice ale Universitii, de lacatedrele: Informatic, Tehnologia Construciei de Utilaj Petrolier, ForajulSondelor, Chimie, Filologie.

    mi exprim convingerea c prin realizarea acestui proiect se va reui oconcordan a procesului de nvmnt din Universitatea PETROL GAZE dinPloiesti cu tendinele internaionale.

    DESPRE CARTE

    Lucrarea Elemente de ingineria i tiina materialelor cuprindeinformaiile eseniale privind structura i proprietile principalelor categorii demateriale folosite n tehnic i poate constitui un ghid valoros pentru alegerearaional a materialelor necesare diferitelor aplicaii industriale.

    Lucrarea este structurat n dou volume. Primul volum conine noiunilefundamentale privind structura si proprietile mecanice ale metalelor i aliajelor iinformaiile principale privind structura, proprietile i tratamentele termice alematerialelor metalice cu cea mai mare pondere de utilizare industrial: fontele ioelurile. Cel de-al doilea volum al lucrrii cuprinde informaiile principaleprivind structura, proprietile i domeniile de utilizare ale altor categorii demateriale: metalele i aliajele neferoase, sticlele i materialele ceramice,plastomerii i elastomerii, materialele compozite i materialele sinterizate.

    Fiecare capitol al lucrrii este prevzut cu teste de autoevaluare i aplicaii,care permit utilizatorilor s-i autoaprecieze nivelul de pregtire i nivelul decompeten n folosirea independent i corect a cunotinelor dobndite lasoluionarea unor probleme concrete.

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

  • vCUVNTUL AUTORILOR

    Lucrarea Elemente de stiina i ingineria materialelor a fost conceput astfelnct s constituie un instrument util i eficient pentru pregtirea individual la disciplinaStudiul materialelor, prevzut n planul de nvmnt al studenilor anului I,specializrile Utilaj Tehnologic Petrolier i Utilaj Tehnologic pentru Transportul iDepozitarea Hidrocarburilor, de la Facultatea de Inginerie Mecanic si Electric dincadrul Universitii Petrol Gaze din Ploiesti. Ea poate fi utilizat cu bune rezultate i destudenii care se pregtesc n alte specializri inginereti, precum i de tehnicienii iinginerii care doresc s-i aprofundeze sau s-i reactualizeze cunotinele n domeniulmaterialelor.

    Lucrarea are ca obiect prezentarea structurii si proprietilor materialelor folositen tehnic, precizarea legturilor (corelaiilor) dintre compoziia chimic, structura siproprietile acestor materiale i evidenierea modificrilor de structur i proprieti carese produc ca urmare a prelucrrii materialelor prin diverse procedee tehnologice, scopulprincipal urmrit fiind nsuirea principiilor, legitilor i mecanismelor care stau la bazaobinerii materialelor cu structura corespunztoare asigurrii proprietilor impuse deutilizarea lor n diverse aplicaii tehnice.

    Deoarece principalele aplicaii tehnice avute n vedere sunt cele din domeniulmainilor, utilajelor i echipamentelor petroliere, materialele care au n prezent i nviitorul apropiat cea mai mare pondere de utilizare sunt materialele metalice (metalele ialiajele) i ca urmare partea din lucrare destinat studierii acestor materiale este cea maiconsistent. Sunt studiate ns n lucrare i celelate categorii de materiale folosite ntehnic: sticlele i materialele ceramice, materialele pe baz de substanemacromoleculare (plastomerii i elastomerii), materialele obinute prin agregare depulberi i materiale compozite durificate cu fibre.

    Volumul de fa, cel de-al doilea al lucrrii, conine capitolele: Oelurile ifontele aliate; Oelurile i fontele comerciale; Structurile i proprietile aliajelorneferoase; Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor; Structurile iproprietile polimerilor; Structurile i proprietile materialelor compozite; Structurile iproprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi; Alegerea materialelor pentruaplicaiile tehnice.

    Adresm cele mai calde mulumiri celui care a fcut posibil publicarea acesteilucrri (prof. dr. ing. Liviu Dumitracu ) i colegilor care au realizat recenzia stiinific alucrrii (prof.dr.ing. Vlad Ulmanu i prof. dr. ing. Ioan Tudor).

    Urm utilizatorilor succes n nsuirea cunotinelor privind structurile iproprietile materialelor i ateptm cu deosebit interes sugestiile lor pentrumbuntirea ediiei viitoare a lucrrii.

    Autorii

    Ploieti 30 iulie 2002

  • vi

    SeriaCursuri multimedia. Grant C.N.F.I.S. 39691

    Liviu Dumitracu i colectiv(Borland) PASCAL n 13 conversaii

    Stelian GuuTehnologiile informaiei i comunicaiiilor. Mijloacemultimedia

    Gheorghe Zecheru i Gheorghe DrghiciElemente de tiina i ingineria materialelor. Volumul 1

    Ana Maria Burlan i Andreea NegulescuCompendiu de gramatic francez cu exerciii

    Mihai HotinceanuProbleme i lucrri de laborator de electromagnetism

    Gabriel MarcuClase Java pentru metode numerice

    Vlad UlmanuTehnologia fabricrii i reparrii utilajului petrolier

    Mihai Pascu ColojaCercetarea sondelor n pompaj cu ajutorul metodeloracustice

    Mihail Minesccu i Ion NaeTehnologii i utilaje n construcia de maini

    Alexandra chiopescu, Maria Moraru, Anca Sterry, Ana Dinc, Ileana CameniChimie general. Aplicaii numerice

    Octav Pntea, Stelian Neagoe, Dorina Matei, Eva Trmbiau, Daniela PopoviciBazele chimiei analitice calitative i cantitative. Probleme intrebri

    erban Vasilescu, Virgiliu Talle, Dorin BdoiuRezistena materialelor. Tehnici de calcul i proiectare

    Constantin Ionescu , Liviu Bloiu i colectivIntroducere n problematica mediului nconjurtor

  • 1CUPRINSVolumul 1

    1. NOTIUNI GENERALE DESPRE METALE2. NOIUNI GENERALE DESPRE ALIAJE3. PROPRIETILE MECANICE ALE MATERIALELOR METALICE4. STUDIUL ALIAJELOR DIN SISTEMUL FIER-CARBON5. TRANSFORMRILE STRUCTURALE N STARE SOLID LA OELURI I FONTE6. TRATAMENTELE TERMICE LA OELURI I FONTE

    Volumul 2

    Cuvnt nainte . iCuvntul autorilor ... v

    7. OELURILE I FONTELE ALIATE .... 5 7.1. Introducere ... 5 7.2. Interaciunea elementelor de aliere cu fierul ... 7 7.3. Interaciunea elementelor de aliere cu carbonul .. 14 7.4. Influenele elementelor de aliere asupra trnsformrilor structurale n stare solid ale oelurilor i fontelor.... 16 7.5. Clasele structurale de oeluri i fonte aliate .... 23 Cuvinte cheie .. 34 Bibliografie . 35 Teste de autoevaluare . 35 Aplicaii .............. 38

    8. OELURILE I FONTELE COMERCIALE ... 53 8.1. Introducere ....... 53 8.2. Clasificarea i simbolizarea oelurilor comerciale ...... 55 8.2.1. Clasificarea oelurilor comerciale 55 8.2.2. Simbolizarea oelurilor comerciale .. 59 8.3. Oelurile carbon cu destinaie general ... 64 8.3.1. Oelurile carbon de uz general . 64 8.3.2. Oelurile carbon de calitate ... 65 8.4. Oelurile aliate pentru construcia de maini ... 66 8.5. Oelurile pentru construcii sudate ...... 69 8.5.1. Particularitile realizrii construciilor sudate ..... 69 8.5.2. Formarea CUS la sudarea prin topire a oelurilor .... 71

  • 2 8.5.3. Transformrile structurale n ZIT la sudarea prin topire a oelurilor .... 73 8.5.4. Oelurile nealiate pentru construcii sudate ...... 75 8.5.5. Oelurile cu granulaie fin pentru construcii sudate ...... 76 8.5.6. Oelurile pentru aparate i recipiente sub presiune ...... 77 8.5.7. Oelurile slab aliate cu rezisten mecanic ridicat .... 80 8.6. Oelurile rezistente la coroziune ...... 86 8.6.1. Oelurile inoxidabile i refractare ..... 86 8.6.2. Oelurile patinabile ... 98 8.7. Oelurile pentru scule ...... 99 8.7.1. Oelurile carbon pentru scule ....... 100 8.7.2. Oelurile aliate pentru scule ..... 102 8.8. Alte oeluri cu destinaii sau caracteristici speciale .... 105 8.8.1. Oelurile pentru piese turnate ....... 105 8.8.2. Oelurile pentru arcuri ...... 107 8.8.3. Oelurile pentru rulmeni ...... 108 8.8.4. Oelurile rezistente la uzare i tenace ... 109 8.8.5. Oelurile cu rezisten mecanic foarte ridicat ... 110 8.8.6. Oelurile cu coeficient de dilatare termic controlat .... 112 8.9. Fontele comerciale ..... 113 8.9.1. Simbolizarea fontelor comerciale ..... 113 8.9.2. Fontele cu destinaie general ...... 114 8.9.3. Fontele cu destinaie precizat ..... 118 Cuvinte cheie .. 120 Bibliografie 121 Teste de autoevaluare . 122 Aplicaii .. 125

    9. STRUCTURILE I PROPRIETILE METALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE ..................... 131 9.1. Introducere ... 131 9.2. Modificarea aliajelor neferoase ... 136 9.3. Tratamentele termice la aliajele neferoase .... 137 9.4. Simbolizarea metalelor i aliajelor neferoase comerciale ... 142 9.5. Cuprul i aliajele pe baz de cupru .. 147 9.5.1. Alamele .... 148 9.5.2. Aliajele Cu Ni ... 152 9.5.3. Bronzurile ..... 154 9.6. Aluminiul i aliajele pe baz de aluminiu ...... 162 9.6.1. Aliajele Al Cu ... 163 9.6.2. Aliajele Al Mg ...... 168 9.6.3. Aliajele Al Zn ....... 170 9.6.4. Aliajele Al Si ..... 170

  • 3 9.7. Titanul i aliajele pe baz de titan ... 172 9.8. Alte metale i aliaje neferoase ..... 177 9.8.1. Aliajele antifriciune ..... 177 9.8.2. Aliajele pentru lipire ..... 180 9.8.3. Aliajele superplastice ... 182 9.8.4. Aliajele cu memoria formei .. 184 Cuvinte cheie .. 186 Bibliografie . 187 Teste de autoevaluare . 187 Aplicaii ...... 192

    10. STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR CERAMICE I STICLELOR ............................ 197 10.1. Introducere . 197 10.2. Structura ceramicelor i sticlelor ... 198 10.3. Principalele proprieti ale ceramicelor i sticlelor ...... 202 10.4. Materialele ceramice ..... 207 10.4.1. Materialele ceramice silicatice ...... 207 10.4.2. Materialele ceramice oxidice .... 210 10.4.3. Materialele refractare .... 211 10.4.4. Materialele ceramice neoxidice 214 10.5. Sticlele ... 215 10.6. Materialele vitroceramice ...... 219 10.7. Cimentul 219 Cuvinte cheie .. 220 Bibliografie 221 Teste de autoevaluare . 222 Aplicaii .. 225

    11. STRUCTURILE I PROPRIETILE POLIMERILOR .... 229 11.1. Introducere 229 11.2. Reaciile de sintez a polimerilor ...... 231 11.3. Structura polimerilor . 233 11.4. Proprietile polimerilor 236 11.4.1. Caracterizarea general a polimerilor .... 236 11.4.2. Proprietile mecanice ale polimerilor ...... 238 11.5. Principalele tipuri de materiale polimerice ...... 250 11.5.1. Aditivii materialelor polimerice .... 250 11.5.2. Materialele termoplaste ..... 251 11.5.3. Materialele termorigide ..... 254 11.5.4. Materialele elastomerice (cauciucurile) .... 255 Cuvinte cheie ...... 257

  • 4 Bibliografie . 258 Teste de autoevaluare . 259 Aplicaii .. 263

    12. STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR COMPOZITE ......................................... 267 12.1. Introducere 267 12.2. Estimarea caracteristicilor fizico-mecanice ale materialelor compozite ...... 268 12.3. Lemnul material compozit natural ..... 274 12.4. Materiale compozite durificate cu fibre 284 Cuvinte cheie .. 291 Bibliografie . 292 Teste de autoevaluare . 292 Aplicaii .. 295

    13. STRUCTURILE I PROPRIETILE MATERIALELOR REALIZATE PRIN AGREGARE DE PULBERI .......... 301 13.1. Introducere .... 301 13.2. Obinerea i caracterizarea pulberilor ... 302 13.3. Transformrile structurale la presarea i sinterizarea pulberilor ... 307 13.4. Structurile i proprietile produselor sinterizate ...... 312 Cuvinte cheie .. 314 Bibliografie . 315 Teste de autoevaluare . 315 Aplicaii .. 317

    14. ALEGEREA MATERIALELOR PENTRU APLICAIILE TEHNICE .... 321 14.1. Introducere .... 321 14.2. Criteriile i metodele de selecie a materialelor ... 322 14.3. Un studiu de caz privind alegerea materialelor ..... 334 Cuvinte cheie ...... 341 Bibliografie .... 341 Teste de autoevaluare ..... 342 Aplicaii ...... 343

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

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    5

    Capitolul 7

    OELURILE I FONTELE ALIATE

    7.1. Introducere

    Oelurile aliate sunt acele oeluri care conin, pe lng componentelespecifice (fierul componentul de baz i carbonul componentul de aliereprincipal), elementele nsoitoare (manganul, siliciul etc.) i impuritile tipice(sulful, fosforul etc.) oelurilor carbon, i alte componente (denumite genericelemente de aliere EA), introduse n mod intenionat i n cantitate suficient laelaborare, cu scopul de a conferi acestor aliaje anumite structuri i proprieti.n contextul acestei definiii, un component al unui oel este considerat element dealiere, dac concentraia n care a fost introdus la elaborarea oelului depeteconcentraia pn la care acest component se ncadreaz n categoria elementelornsoitoare sau concentraia maxim admis cnd componentul are efectele uneiimpuriti a oelului. Astfel, avnd n vedere datele prezentate n scap. 4.3, oelurilese consider aliate cu mangan, dac %Mnm > 0,8 %, cu siliciu, dac %Sim > 0,5 %, cufosfor, dac %Pm > 0,06 % etc., n timp ce alte componente, cum ar fi cromul,nichelul, molibdenul, vanadiul, titanul, niobiul, wolframul, borul etc., care nu suntspecifice compoziiei oelurilor carbon industriale, capt statutul de elemente de aliereoricare ar fi concentraia n care au fost introduse (intenionat) la elaborarea oelurilor.

    n practic, pentru a exprima gradul de aliere al unui oel se utilizeaz caindicator suma concentraiilor masice ale elementelor de aliere (exceptnd

    carbonul) coninute de acesta Sa ( ==

    n

    jmja EAS

    1% , EAj, j = 1 n, fiind elementele

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    6

    n mod similar, fontele aliate (denumite i fonte speciale) sunt acele fontecare conin, pe lng componentele specifice, elementele nsoitoare iimpuritile tipice fontelor albe (fr grafit n structur), cenuii sau modificate(cu grafit n structur), i alte componente (numite generic elemente de aliere),introduse n mod intenionat i n cantitate suficient la elaborare, cu scopul dea conferi acestor aliaje anumite structuri i proprieti. n contextul acesteidefiniii, printr-un raionament similar celui utilizat n cazul oelurilor, sulful, nconcentraii %Sm < 0,15 % i fosforul, n concentraii %Pm < 0,6 %, considerateimpuriti, manganul, n concentraii %Mnm < 1,5 %, siliciul, n concentraii%Sim < 0,51,0 % la fontele albe sau %Sim < 3,54,5 % la fontele cenuii saumodificate i componentele introduse (n concentraii mici) n cursul operaiilor demodificare i postmodificare (magneziu, ceriu, calciu, bariu, titan, zirconiu,aluminiu), considerate elemente nsoitoare, nu reprezint elemente de aliere alefontelor; aceste componente, introduse la elaborarea fontelor n concentraii maimari dect cele pn la care se consider impuriti sau elemente nsoitoare,constituie elemente de aliere ale fontelor, iar componentele care nu sunt specificecompoziiei fontelor albe, cenuii sau modificate industriale, cum ar fi cromul,nichelul, molibdenul, vanadiul etc., au statutul de elemente de aliere oricare ar ficoncentraia n care au fost introduse (intenionat) la elaborarea fontelor.

    Pentru a exprima gradul de aliere al unei fonte se poate utiliza, ca i laoeluri, indicatorul Sa, iar fontele aliate se clasific n: fonte slab aliate, avndSa< 5 %, fonte mediu aliate, avnd 5 % Sa < 10 % i fonte nalt (bogat) aliate,avnd Sa 10 %.

    Elementele de aliere se pot gsi n structurile oelurilor i fontelor, n funciede caracteristicile lor fizico chimice (raza atomic, valena, electronegativitatea,tipul structurii cristaline, afinitatea chimic fa de fier, carbon, elemente nsoitoarei impuriti) i de concentraiile n care sunt introduse la elaborarea acestor aliaje,n urmtoarele forme: a) dizolvate (prin substituie sau interstiial) n soluiile solidespecifice structurii aliajelor fier carbon, soluii denumite n acest caz ferit aliati austenit aliat; b) dizolvate n structura cristalin a cementitei, denumit n acestcaz cementit aliat; c) legate sub form de carburi proprii; d) combinate chimic cufierul sub form de compui intermetalici; e) legate sub form de incluziuninemetalice (oxizi, sulfuri, silicai) sau libere sub form de cristale de metal pur.Primele trei forme de existen a elementelor de aliere sunt cele care corespundfrecvent structurii oelurilor i fontelor aliate. Formele de existen d) i e) sunt rarntlnite, deoarece:

    * fierul formeaz compui intermetalici cu unele elemente de aliere numaidac concentraiile acestora sunt ridicate (de exemplu, fierul cu cromul formeazcompusul, de tip faz sigma, FeCr, caracterizat printr-o valoare de baz aconcentraiei cromului %Crm 45 %, cu vanadiul compusul, de tip faz sigma,

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    7

    FeV, avnd %Vm 48 %, cu molibdenul - compuii Fe3Mo2, avnd %Mom 53 %i FeMo, avnd %Mom 66 %, cu wolframul compusul, de tip faz Laves,Fe2W, avnd %Wm 63 % i compusul Fe3W2, avnd %Wm 68 %, cu titanul compusul FeTi, avnd %Tim 52 %, iar cu niobiul compusul, de tip faz Laves,Fe2Nb, avnd %Nbm 52 %); ca urmare, existena unor astfel de compui estecaracteristic exclusiv oelurilor i fontelor nalt aliate cu astfel de elemente;

    * incluziunile nemetalice sunt (n mod obinuit, datorit efectelor negativepe care le are prezena acestora - v. scap. 4.3.2 i 4.3.3) faze nedorite ale structuriioelurilor i fontelor i, ca urmare, legarea elementelor de aliere sub form deincluziuni se realizeaz numai accidental, de obicei cnd nu se alege corectmomentul introducerii acestor elemente n procesul tehnologic de elaborare; deexemplu, titanul, care are afinitatea chimic fa de oxigen (puterea dedezoxidare) mai mare dect a siliciului i aluminiului, introdus ntr-un oel lichidnainte de finalizarea proceselor de dezoxidare (v. scap. 4.3.2) particip intens larealizarea acestor procese i se va gsi n structura oelului legat sub form deincluziuni oxidice, diminundu-i astfel activitatea ca element de aliere.

    7.2. Interaciunea elementelor de aliere cu fierul

    Majoritatea elementelor de aliere sunt solubile n fier, formnd cu acestasoluii solide (n care, evident, fierul este solventul, iar elementele de aliere suntcomponentele solut). Prezena elementelor de aliere dizolvate (mpreun cucarbonul) n structura cristalin a fierului determin modificarea valorilorpunctelor critice de transformare n stare solid a acestuia.

    Unele elemente de aliere, cum ar fi cromul, siliciul, molibdenul,woframul, vanadiul, niobiul, avnd structura cristalin de tip CVC, suntizomorfe cu Fe (i Fe), au o bun solubilitate n aceast modificaie a fieruluii determin extinderea domeniilor de stabilitate a feritei (i feritei delta) irestrngerea domeniilor de stabilitate a austenitei, mrind temperaturapunctului critic corespunztor realizrii transformrii Fe Fe (punctul critictc1 A3) i micornd temperatura punctului critic corespunztor realizriitransformrii Fe Fe (punctul critic tc2 A4). Elementele avnd influenelemenionate anterior sunt denumite elemente de aliere alfagene sau elementede aliere feritizante (notate generic EA). Aa cum se observ n figura 7.1 a,care prezint configuraia general a diagramelor de echilibru ale sistemelorbinare Fe EA, prezena elementelor de aliere alfagene determin domenii deexisten a fazei Fe(EA) foarte nguste i domenii foarte extinse destabilitate a fazei Fe(EA); la aliajele unui astfel de sistem, caracterizate

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    8

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

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

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

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    9

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

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

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    10

    Elementele avnd influenele menionate anterior sunt denumite elemente dealiere gamagene sau elemente de aliere austenitizante (notate generic EA).Aa cum se observ n figura 7.1 b, care prezint configuraia general adiagramelor de echilibru ale sistemelor binare Fe EA, prezena elementelorde aliere gamagene determin domenii de existen a fazei Fe(EA) foartenguste i domenii foarte extinse de stabilitate a fazei Fe(EA); la aliajeleunui astfel de sistem, caracterizate prin %EA b%, structura la oricetemperatur corespunztoare strii solide este alctuit numai din cristalelefazei Fe(EA), fiind suprimat posibilitatea realizrii transformriloralotropice de tipul Fe Fe i eliminat astfel posibilitatea desfurriitransformrilor de faz n stare solid (de tipul ).

    Efectele anterior menionate ale elementelor de aliere alfagene se menini n cazul aliajelor ternare Fe C EA (oeluri i fonte aliate cu elementegamagene), n structura crora faza Fe(C, EA) este ferita aliat, iar faza Fe(C, EA) este austenita aliat; aa cum se observ n figura 7.3, careprezint diagramele pseudobinare corespunztoare la trei concentraii masice(constante) de Mn EA; n aliajele ternare Fe C Mn EA , cretereaconcentraiei Mn EA determin ngustarea progresiv a domeniilor cu feritaliat, lrgirea substanial a domeniilor cu austenit aliat i, ca o consecin,coborrea substanial a punctului critic A1 (micorarea temperaturii la care sepoate realiza, n condiii de echilibru, transformarea eutectoid + Fe3C).Evident, cnd concentraia de elemente de aliere gamagene %EA b %, la oricetemperatur corespunztoare strii solide, oelurile aliate au o structurmonofazic austenitic, iar fontele aliate au o structur alctuit din austeniti grafit, fiind suprimat posibilitatea desfurrii transformrilor de faz nstare solid (care presupun existena posibilitii de realizare a transformriloralotropice de tipul Fe Fe); oelurile sau fontele aliate care prezint acesteparticulariti structurale sunt denumite oeluri aliate austenitice sau fontealiate austenitice.

    Considernd (n mod schematic, simplificat) c influenele elementelorde aliere se manifest prin modificarea poziiilor liniilor i punctelorcaracteristice ale diagramei de echilibru Fe Fe3C, aa cum se prezint nfigura 7.4, aspectele anterior prezentatate se pot sintetiza astfel:

    elementele de aliere alfagene (cromul, siliciul, molibdenul etc.)determin extinderea domeniilor de existen a feritei i restrngerea domeniilorde stabilitate a austenitei (v. fig. 7.4 a); la concentraii mari de elemente alfageneposibilitatea realizrii transformrii alotropice Fe Fe este suprimat i seobin oeluri sau fonte aliate feritice, care nu prezint transformri de faz n staresolid de tipul ;

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    11

    elementele de aliere gamagene (manganul, nichelul etc.) determinextinderea domeniilor de existen a austenitei i restrngerea domeniilor destabilitate a feritei (v. fig. 7.4 b); la concentraii mari de elemente gamageneposibilitatea realizrii transformrii alotropice Fe Fe este anulat i se obinoeluri sau fonte aliate austenitice, care nu prezint transformri de faz nstare solid de tipul ;

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    12

    elementele de aliere modific poziia punctului critic de transformare nstare solid tPSK A1 i deplaseaz punctul S (avnd, aa cum s-a specificat nscap. 4.2, abscisa %Cm = 0,77 %, corespunztoare concentraiei carbonului nperlit) spre concentraii ale carbonului mai reduse (v. fig.7.4 i 7.5);

    elementele de aliere deplaseaz punctul E (avnd, aa cum s-aspecificat n scap. 4.2, abscisa %Cm = 2,11 %) spre concentraii ale carbonuluimai sczute i, ca urmare, la unele oeluri aliate (aliaje caracterizate princoncentraii masice de carbon %Cm 2,11 %) devine posibil producereatransformrii eutectice i apariia n structura lor de echilibru a unor micicantitti de ledeburit (constituent specific structurii fontelor albe); oelurilealiate care prezint aceste particulariti structurale sunt denumite oelurialiate ledeburitice.

    Fig. 7.4. Schema modificrii liniilor i punctelor caracteristiceale diagramei de echilibru Fe-Fe3C de ctre:

    a elementele de aliere alfagene; b elementele de aliere gamagene

    Elementele de aliere dizolvate n ferit sau austenit influeneazproprietile fizico mecanice ale acestor faze. n figura 7.6 sunt prezentatediagramele de variaie a principalelor caracteristici mecanice ale feritei(rezistena la traciune Rm, alungirea procentual dup rupere A, duritateaBrinell HBS i energia de rupere la ncercarea la ncovoiere prin oc KV) nfuncie de concentraiile masice ale diverselor elemente de aliere dizolvate naceasta; influene similare (creterea rezistenei mecanice i duritii,meninerea constant sau diminuarea plasticitii etc.) au i elementele dealiere dizolvate n austenit.

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    13

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

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    14

    7.3. Interaciunea elementelor de aliere cu carbonul

    Elementele de aliere introduse la elaborarea oelurilor i fontelor se potclasifica, n funcie de modul n care interacioneaz cu carbonul, astfel:

    elemente grafitizante, care mpiedic formarea carburilor sau producdescompunerea carburilor existente i asigur apariia grafitului (carbonului liber)ca faz structural a fontelor i (uneori) a oelurilor (v. scap. 4.4); principaleleelemente de aliere care fac parte din aceast categorie sunt siliciul, nichelul,aluminiul i cuprul;

    elemente care reacioneaz cu carbonul, dar carburile pe care leformeaz au stabilitate redus; din aceast categorie fac parte, de exemplu,nichelul i cobaltul, ale cror carburi (Ni3C, Co3C) nu apar n mod obinuit nstructurile oelurilor sau fontelor aliate;

    elemente carburigene, care formeaz carburi stabile, ce pot exista cafaze distincte n structurile oelurilor i fontelor aliate; din aceast categorie facparte metalele de tranziie situate n tabloul periodic al elementelor la stngafierului (v. tabelul 1.1), elemente ce pot fi ierarhizate, n funcie de afinitatea lorfa de carbon (cresctoare odat cu mrirea deficitului de electroni nsubstraturile atomice d, aa cum se poate observa n fig. 7.7), astfel:

    Fe; Mn; Cr; Mo; W; Ta; Nb; V; Zr; TiComponentul de

    baz al oelurilor ifontelor CRETE AFINITATEA FA DE CARBON

    Elementul dealiere cel mai

    carburigen

    n cazul elementelor de aliere carburigene, interaciunea cu carbonuldepinde nu numai de afinitatea lor faa de acest element, dar i de concentraiile ncare se gsesc acestea n oeluri i fonte i de solubilitatea lor n ferit i austenit.Ca urmare, se pot defini urmtoarele tipuri de situaii privind existenaelementelor de aliere carburigene n structurile oelurilor i fontelor:

    a) elementele de aliere sunt dizolvate n cementit prin substituirea pariala atomilor de fier din structura cristalin a acesteia; n aceast situaie se pot aflaelementele de aliere cu afinitate fa de carbon apropiat de cea corespunztoarefierului (manganul, cromul, molibdenul, wolframul), care formeaz cementitaliat, cu formula general (Fe,EA)3C, ce are caracteristicile unei faze bertholide,n structura creia atomii elementelor de aliere nlocuiesc n diverse proporii atomiide fier (de exemplu, cementita aliat cu mangan poate avea %Mnat 100 %,cementita aliat cu crom poate avea %Crat 25 %, cementita aliat cu molibdenpoate avea %Moat 3 %, iar cementita aliat cu wolfram poate avea %Wat 1 %);

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    15

    Ti

    [Ar]3d24s2

    V

    [Ar]3d34s2

    Cr

    [Ar]3d54s1

    Mn

    [Ar]3d54s2

    Fe

    [Ar]3d64s2

    Co

    [Ar]3d74s2

    Ni

    [Ar]3d84s2

    Cu

    [Ar]3d104s1

    Zr

    [Kr]4d25s2

    Nb

    [Kr]4d45s1

    Mo

    [Kr]4d55s1

    [Ar] 1s22s22p63s23p6

    [Kr] [Ar] 3d104s24p6

    [Xe] [Kr] 4d105s25p6

    Ta

    [Xe]5d36s2

    W

    [Xe]5d46s2

    elementul chimic

    configuraia electronic !

    Elemente carburigene Elemente care formeazcarburi instabile

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

    b) elementele de aliere sunt dizolvate n cementit, dar formeaz i carburiproprii (mai ales cnd se afl n cantitti ce depsesc solubilitatea lor ncementit); n aceast situaie se pot ncadra cromul, molibdenul i wolframul,care se dizolv n cementit (n concentraiile anterior precizate) i pot forma icarburi proprii de tipul EA7C3, EA23C6 sau EA6C, cu structur cristalincomplex, care se dizolv relativ uor n austenit (la nclzirea oelurilor saufontelor aliate) i de tipul EAC, cu structura cristalin cubic sau EA2C, custructura cristalin de tip hexagonal, care sunt insolubile n austenit;

    c) elementele de aliere nu se dizolv n cementit i formeaz (oricare ar ficoncentraia n care au fost introduse n oeluri sau fonte) carburi proprii greufuzibile, cu duritate i stabilitate foarte ridicate; aceast situaie este tipicelementelor puternic carburigene (tantalul, niobiul, vanadiul, zirconiul i titanul),care formeaz carburi primare (insolubile n austenit) de tipul EAC, cu structuracristalin cubic sau EA2C, cu structura cristalin de tip hexagonal.

    Carburile elementelor de aliere au duritatea mai mare i fragilitatea mairedus dect cele corespunztoare cementitei. Deoarece carburile sunt de obiceiprezente ca faze minoritare (cu coninuturi procentuale sczute) n structuraoelurilor sau fontelor aliate, influenelor pe care le au asupra proprietilormecanice ale acestor aliaje depind n msur important de forma, modul dedistribuie i gradul lor de dispersie n structur (v. scap. 3.11); carburile primare(ca faze individuale sau n alctuirea amestecului eutectic) dispuse sub form dereea la limitele cristalelor masei metalice de baz a structurii mresc rezistenamecanic i duritatea, dar diminueaz considerabil plasticitatea i tenacitateaoelurilor sau fontelor, n timp ce carburile globulare fine, uniform distribuite nmatricea structural asigur oelurilor i fontelor o combinaie favorabil decaracteristici mecanice (cu valori ridicate att ale caracteristicilor de rezistenmecanic i duritate, ct i ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate).

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    16

    7.4. Influenele elementelor de aliere asupratransformrilor structurale n stare solid

    ale oelurilor i fontelor

    Elementele de aliere prezente n compoziia oelurilor i fontelor pot influenadesfurarea i efectele producerii transformrilor structurale n stare solid tipiceacestor aliaje: transformarea la nclzire a perlitei n austenit, transforma la rcire aaustenitei i transformarea la nclzire a martensitei (v. cap. 5).

    A. Influenele privind transformarea la nclzire a perlitei n austenit sepot sintetiza astfel:

    elementele de aliere care sunt solubile n cementit i/sau formeazcarburi stabile (cromul, molibdenul, wolframul, vanadiul etc.) diminueaz vitezelede desfsurare a etapelor de dizolvare a cementitei i/sau carburilor n austeniti de omogenizare a austenitei, deplasnd spre dreapta curbele c i d ale diagrameiTTT la nclzire (v. fig. 5.1); datorit acestei influene, la nclzirea pieselor dinoeluri sau fonte aliate cu astfel de elemente n vederea aplicrii de TT, obinereastructurilor cu austenit omogen presupune utilizarea unor valori ale parametrilor deregim ti, m mai mari dect cele corespunztoare cazului cnd piesele suntconfecionate din oeluri carbon sau fonte nealiate, iar la proiectarea pieselor careurmeaz a fi supuse clirii CIF nu se vor alege ca materiale astfel de oeluri sau fontealiate, deoarece la nclzirea lor prin inducie cu cureni de nalt frecven se producetransformarea perlitei n austenit prin mecanismul fr difuzie (v. scap. 6.4.3.6) irezult o structur cu austenit neomogen i carburi nedizolvate, improprie pentruobinerea unor structuri i proprieti mecanice convenabile dup clirea martensitic;

    elementele de aliere carburigene (molibdenul, niobiul, vanadiul,zirconul, titanul etc.), chiar i n concentraii foarte reduse (corespunztoare uneimicroalieri), reduc tendina de cretere a cristalelor de austenit la nclzire iconfer oelurilor i fontelor ereditate granular fin, deoarece formeaz compui(carburi sau carbonitruri), distribuii sub form de reele peliculare intercristaline,care blocheaz creterea cristalelor de austenit pn la temperaturi ridicate(v. scap. 5.1.2), efecte similare avnd i alierea cu aluminiu, dac concentraiamasic a acestui element este %Alm 0,1 % i se asigur formarea unor reelepeliculare submicroscopice de nitruri sau oxizi, care constituie bariereeficiente pentru creterea granulaiei austenitei pn la temperaturi ridicate(dac %Alm > 0,1 %, nitrurile sau oxizii de aluminiu se distribuie n structur subform de particule izolate i efectul de blocare a creterii granulaiei austeniteieste anulat); singurul element de aliere care favorizeaz creterea granulaiei

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    17

    austenitei este manganul (element solubil n Fe i care nu formeaz carburiproprii) i, ca urmare, n compoziia oelurilor i fontelor aliate cu acest element,destinate confecionrii semifabricatelor i pieselor care se supun prelucrrii prindeformare plastic la cald sau aplicrii unor TT, trebuie introduse (n cantiticonvenabile) i elemente de aliere (din gama precizat mai nainte) care s anihilezetendina spre obinerea unei granulaii grosolane indus de prezena manganului.

    B. Principalele influene ale elementelor de aliere asupratransformrii la rcire a austenitei sunt urmtoarele:

    elementele de aliere (cu excepia cobaltului), fiind (n marea lormajoritate) solubile n Fe, mresc stabilitatea austenitei n domeniultransformrilor la rcire prin mecanismele cu difuzie i intermediar i deplaseazspre dreapta (spre durate mai lungi) curbele diagramelor de transformareizoterm i termocinetic a austenitei, micornd astfel viteza de rcire critic vrc(v. scap. 5.2.4); aceste influene importante ale prezenei elementelor de aliere noeluri sau fonte sunt prezentate schematic de diagramele din figura 7.8 i suntilustrate i atestate de diagramele TTT din figurile 7.9 i 7.10, corespunztoareunor oeluri i fonte industriale;

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

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    18

    bainitic (v. fig. 7.11 c); aceste influene ale elementelor de aliere care formeazcarburi (sugerate schematic de diagramele din figura 7.11) sunt ilustrate i atestateconvingtor de diagramele TTT din figurile 7.12, 7.13 i 7.14, corespunztoareunor oeluri i fonte aliate industriale;

    Fig. 7.9. Prezentarea comparativ a diagramelor de transformare(izoterm i termocinetic) a austenitei pentru dou oeluri industriale:

    a oel carbon (%Cm = 0,44 %); b oel aliat cu Ni (%Cm = 0,44 %, %Nim = 5 %)

    elementele de aliere (cu excepia cobaltului i aluminiului) coboartemperaturile punctelor Ms i Mf, caracteristice pentru transformarea austeniteiprin mecanismul fr difuzie (transformarea martensitic) i, ca urmare,determin creterea coninuturilor procentuale de austenit rezidual dinstructurile la ta ale oelurilor sau fontelor clite martensitic; aceste influene suntilustrate sintetic de diagramele din figura 7.15.

    Influenele elementelor de aliere asupra transformrii la rcire a austenitei(prezentate anterior) au cteva implicaii practice foarte importante:

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    19

    Fig. 7.10. Prezentarea comparativ a diagramelor de transformare (termocinetic) a austeniteipentru dou fonte industriale:

    a font nodular nealiat (%Cm = 3,4 %; %Sim = 2,6 %);b font nodular aliat cu Mo (%Cm = 3,4 %; %Sim = 2,6 %; %Mom = 0,75 %)

    Fig. 7.11. Prezentarea schematic a infleunelor elementelor de aliere asupra configuraieicurbelor caracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei:

    a diagram cu dou puncte de maxim cinetic; b diagram cu transformarea perliticsuprimat; c diagram cu transformarea baintic suprimat

    micorarea vrc, produs de prezena elementelor de aliere, determincreterea substanial a clibilitii oelurilor (v. scap. 6.4.2) i, ca urmare, pieseleconfecionate din oeluri aliate se pot cli pe adncimi mari i/sau se pot supuneclirii martensitice n medii care rcesc mai lent dect mediile de clire tradiionale(ap, ulei), ceea ce asigur niveluri mai sczute ale tensiunilor mecanice rezidualegenerate de clire i reduce considerabil riscul deformrii excesive sau fisurriiacestor piese (chiar i n cazul cnd acestea prezint forme complicate sau detaliiconstructive cu puternice efecte de concentrare a tensiunilor);

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    20

    Fig. 7. 12. Diagramele de transformare (izoterm) a austenitei (cu dou puncte de maxim cinetic) pentru:

    a un oel aliat (%Cm = 0,4 %; %Nim = 1 %; %Crm = 0,5 %; %Mom = 0,2 %); b o font aliat (%Cm = 3 %; %Sim = 2 %; %Nim = 0,6 %; %Crm = 0,3 %)

    Fig. 7.13. Diagrama de transformare(izoterm) a austenitei (cu transformareaperlitic suprimat) pentru un oel aliat

    (%Cm = 0,35 %; %Crm = 2,5 %; %Nim = 1,8 %)

    Fig. 7.14. Diagrama de transformare(izoterm) a austenitei (cu transformareabainitic suprimat) pentru un oel aliat

    (%Cm = 0,1 %; %Crm = 12 %; %Nim = 0,2 %)

    micorarea vrc, produs de prezena elementelor de aliere, permite cala unele oeluri i fonte aliate s se realizeze transformarea austenitei nmartensit chiar i la rcirea (clirea) n aer; oelurile sau fontele aliate careprezint acest particularitate structural sunt denumite oeluri aliatemartensitice (autoclibile) sau fonte aliate martensitice (autoclibile);

    coborrea punctului martensitic superior Ms, produs de prezenaelementelor de aliere, determin la unele oeluri i fonte aliate nerealizareatransformrii martensitice prin clirea (rcirea austenitei cu o vitez vr vrc) pn lata i meninerea unor structuri cu masa de baz austenitic dup o astfel de clire.

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    21

    Fig. 7. 15. Influenele elementelor de aliere asupra:a temperaturii Ms; b coninutului procentual de austenit rezidual

    din structurile la ta ale oelurilor sau fontelor clite martensiticC. Influenele elementelor de aliere asupra transformrii la nclzire

    a martensitei (transformrii la revenire a structurilor obinute prin clireamartensitic a oelurilor sau fontelor) sunt urmtoarele:

    elementelor de aliere prezente n oeluri i fonte produc fenomenul destabilitate la revenire a structurilor obinute prin clirea martensitic, fenomence const n frnarea proceselor care au loc la revenire (datorit diminuriisubstaniale a vitezei de difuzie a carbonului n fier n prezena elementelor dealiere) i deplasarea acestora spre temperaturi mai ridicate i/sau durate mai mari(v. scap. 5.3); datorit acestui fenomen, aa cum se poate observa din examinareadiagramei prezentate n figura 7.16 (curbele a i b), efectul obinut prin revenire estediminuat, duritatea structurilor realizate prin revenirea cu un anumit regim(ti, m v. scap. 6.5) a oelurilor sau fontelor aliate fiind mai mare dect astructurilor care rezult tratnd n acelai fel (cu acelai regim) oelurile carbonsau fontele nealiate echivalente (avnd aceleai coninuturi de carbon, elementensoitoare i impuritti ca i oelurile sau fontele aliate);

    la oelurile (cu coninuturi ridicate de carbon) i fontele aliate cuelemente care produc coborrea punctului Ms (la care, aa cum s-a artat anterior,se obin prin clirea pna la ta structuri cu masa de baz austenitic), revenireapoate determina apariia unui fenomen numit durificare secundar, care seproduce deoarece la nclzirea austenitei rezultate la clire (stabil la ta datoritconinutului mare de elemente de aliere dizolvate) procesele de difuzie acarbonului i elementelor de aliere sunt activate, se separ particule fine de carburiale elementelor de aliere, stabilitatea austenitei se micoreaz, aceasta setransform n martensit cubic i rezult astfel o structur (alctuit din

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    22

    martensit i carburi) cu duritatea ridicat, care se poate transforma, dac se mrescti i/sau m, ntr-o structur (de tip sorbit de revenire v. scap. 6.5) cu duritatea maisczut, dar cu caracteristicile de tenacitate mai bune; efectele descrise mai naintese pot observa examinnd configuraia curbei c din figura 7.16;

    la oelurile aliate cu crom, cu crom i nichel, cu mangan etc. se manifestfenomenul numit fragilitate de revenire, care poate determina, aa cum aratdiagrama din figura 7.17, apariia a dou anomalii privind nivelul tenacitii(exprimat prin valoarea energiei de rupere KV) structurilor obinute la revenire (carear trebui s creasc continuu o dat cu ridicarea temperaturii de revenire imicorarea duritii):

    a) oelurile revenite la ti = 200400 oC prezint un nivel sczut alenergiei de rupere KV (devin fragile), fenomen care dispare dac se face orevenire la o temperatur mai mare de 400 oC i nu mai apare dac se repetrevenirea la o temperatur situat ntre 200 oC i 400 oC (dect dac revenirease aplic dup o nou operaie de clire martensitic); fragilitatea produs derevenirea la ti = 200400 oC este denumit fragilitate ireversibil, iarapariia ei este determinat de starea de tensiuni reziduale generat deproducerea nesimultan n toat masa structurii a transformrii martensitei declire i austenitei reziduale n martensit de revenire;

    Fig. 7.16. Duritatea structurilor obinute prinrevenirea unor oeluri clite:

    a oel carbon (%Cm = 0,45 %); b oel aliat(%Cm = 0,45 %;%Crm = 1,2 %; %Mom = 0,3 %) ;

    c oel aliat (%Cm = 1 %; %Crm = 12 % )

    Fig. 7.17. Diagrama variaiei tenacitii nfuncie de temperatura de revenire la un oel

    aliat care prezint fenomenul defragilitate la revenire

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

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    23

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

    7.5. Clasele structurale de oeluri i fonte aliate

    Influenele principalelor elemente de aliere asupra structurii i propriettiloroelurilor i fontelor sunt sintetizate n tabelul 7.1. Datele din acest tabel i aspecteleexpuse mai nainte evideniaz complexitatea influenelor elementelor de aliere imotiveaz modul anterior de prezentare i comentare a acestora, care a presupusmprirea lor pe tipuri de influene i gruparea elementelor de aliere pe clase saucategorii n funcie de modul de aciune i de efectele prezenei lor n oeluri saufonte. De exemplu, dac un oel este aliat cu crom, se pot preciza cu un grad mare desiguran influenele prezenei acestui element de aliere (alfagen, carburigen, carefiniseaz granulaia, mrete clibilitatea, crete rezistena mecanic i duritatea etc.).n mod similar, dac oelul este aliat cu nichel, se pot estima cu o bun precizieinfluenele prezenei acestui element de aliere (gamagen, care mrete clibilitatea,ridic rezistena mecanic i duritatea, mbuntete tenacitatea etc.). Dac nsoelul este aliat cu crom i nichel, elemente care au i unele influene similare(mresc clibilitatea, ridic rezistena mecanic i duritatea etc.), dar i multeinfluene contradictorii (cromul este feritizant, n timp ce nichelul este austenitizant,cromul este carburigen, n timp ce nichelul nu formeaz carburi stabile i poate aveaefect grafitizant etc.), este dificil de apreciat care sunt influenele cumulate aleprezenei celor dou elemente de aliere n compoziia oelului, influena dominant(rezultant) nefiind ntotdeauna n corelaie direct cu valorile concentraiilor acestora(de exemplu, oelul cu %Cm = 0,1 % i %Crm = 18 % aparine clasei oelurilor aliateferitice, n timp ce, dac se adaug n compoziia acestui oel i %Nim = 8 %, acestadevine un oel aliat austenitic).

  • Tabelul 7.1. Influenele principalelor elemente de aliere ale oelurilor i fontelorInfluena exercitat prin carburiSolubilitatea n stare solidElementul

    de alieren Fe n Fe

    Influena asupraferitei

    Influena asupraaustenitei Tendina de formare a

    carburilorEfectul n timpul

    reveniriiAluminiu 1,1 % (crete cuconinutul de C) 30 % Durific considerabil

    In stare dizolvat reduceviteza critic

    Mic ;efect grafitizant

    Crom 12,8 % (20 % noeluri cu 0,5% C) NelimitatDurific puin; crete

    rezistena la coroziune

    Reduce viteza de racirecritic vrc n aceeai msur

    cu manganul

    Mai mare dect a Mn, darmai mic dect a W;efect antigrafitizant

    Rezisten moderat lanmuiere

    Cobalt Nelimitat 80 % Durific considerabil Crete viteza critic La fel cu a Fe Menine duritatea

    Mangan Nelimitat 15 18 %Durific apreciabil,reduce ntructva

    plasticitatea

    Reduce vrc n aceeai msurcu cromul

    Mai mare dect a Fe, dar maimic dect a Cr;

    efect antigrafitizant

    Foarte redus, nprocentele uzuale

    Molibden3 % (8% n

    oeluri cu 0,3% C)

    32 % (se reduce cuscderea

    temperaturii)

    Produce durificarea prinprecipitare n aliajele

    Mo-Fe

    Reduce vrc mai puternicdect cromul

    Puternic - mai mare dect acromului;

    efect antigrafitizant

    Stabilitate la revenireImpiedic nmuierea prin

    durificare secundar

    Nichel Nelimitat25 % (n funcie de

    coninutul decarbon)

    Crete rezistena itenacitatea

    Reduce moderat vrc , darstabilizeaz austenita

    rezidual n oelurile cuconinut ridicat de carbon

    Mai mic dect a Fe;efect grafitizant Foarte redus

    Fosfor 0,5 %2,5 % (n funcie de

    coninutul decarbon)

    Durific puternic Reduce vrc n aceeai msurcu manganulNul;

    efect grafitizant

    Siliciu 2,0 % (9 % noeluri cu 0,3% C)18,5 % (nu depinde

    mult de carbon)Durific i scade

    plasticitateaReduce vrc mai mult dect

    nichelulMai mic dect a Fe;

    efect grafitizantMenine duritatea prin

    dizolvare n soluie

    Titan 0,75 % (1% noeluri cu 0,2% C)6 % (se reduce cu

    scdereatemperaturii)

    Produce durificarea prinprecipitare n aliajele

    Ti-Fe

    Are tendin puternic deformare a carburilor imrete viteza critic

    Cea mai mare (2% Ti faceneclibil un oel cu 0,5% Cprin legarea carbonului n

    carburi stabile)

    Carburile stabile nuafecteaz revenirea,

    producndu-se totui ooarecare durificare

    secundar

    Wolfram 6 % (11 % noeluri cu 0,2% C)32 % (se reduce cu

    scdereatemperaturii)

    Produce durificarea prinprecipitare n aliajele

    W-FeIn cantiti mici, reduce vrc Puternic

    Impiedic nmuierea prindurificare secundar

    Vanadiu 1,5% (4%noeluri cu 0,2% C) NelimitatDurificare moderat prin

    soluia solidIn stare dizolvat, reduce

    foarte mult vrc

    Foarte puternic(mai mic dect a Ti sau Nb);

    efect antigrafitizant

    Durificare secundarmaxim

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    25

    innd seama de aceste observaii, s-a ajuns la concluzia c, pentru adefini i preciza cu o bun fidelitate efectele elementelor de aliere asupraoelurilor, este necesar, pe lng clasificarea oelurilor n funcie de gradul dealiere (prezentat n scap. 7.1) i mprirea lor n clase structurale, n funcie deconstituenii din structura de echilibru stabil sau metastabil pe care o prezint lata, dup rcirea lent sau n aer de la temperaturi nalte. Principalele clasestructurale de oeluri aliate sunt prezentate n continuare.

    A. Oelurile aliate perlitice sunt oeluri slab sau mediu aliate la care seproduc, la nclzire sau rcire, aceleai transformri structurale ca i la oelurilecarbon. Elementele de aliere prezente n compoziia acestor oeluri pot aveainfluene multiple (se dizolv n ferit, austenit sau cementit, pot forma carburiproprii, modific poziiile punctelor critice A1 i A3, reduc concentraia carbonuluin perlit, se pot separa din austenit sub form de carburi secundare, influeneazdesfurarea transformrilor n stare solid etc.), dar structurile de echilibru la taale oelurilor sunt similare celor corespunztoare oelurilor carbon, constituentulomniprezent fiind perlita; astfel, oelurile aliate perlitice au structura de echilibrula ta alctuit din ferit (aliat) i perlit, dac sunt oeluri hipoeutectoide, numaidin perlit, dac sunt oeluri eutectoide sau din perlit i carburi (cementit aliatsau carburi secundare), dac sunt oeluri hipereutectoide, iar microstructurile acestoroeluri sunt similare celor corespunztoare oelurilor carbon (v. tabelul 4.2).Semifabricatele i piesele confecionate din oeluri aliate perlitice pot fi tratatetermic sau termochimic, categoriile i tipurile de tratamente care se pot aplicafiind aceleai ca i n cazul semifabricatelor i pieselor realizate din oeluri carbon(recoacerile fr schimbare de faz, recoacerile cu schimbare de faz, clireamartensitic i revenirea, tratamentele termochimice); evident, la proiectarearegimurilor i estimarea efectelor tratamentelor termice sau termochimice care seaplic semifabricatelor sau pieselor din oeluri aliate perlitice se va ine seama deinfluenele specifice prezenei elementelor de aliere: modificarea poziieipunctelor critice A1, A3, Ms (v. relaiile (6.4)(6.6)), reducerea concentraieicarbonului n perlit, finisarea granulaiei, mrirea clibilitii, producereafenomenului de stabilitate la revenire etc.

    Pentru oelurile aliate perlitice, utilizate n mod obinuit la realizareapieselor pentru maini i utilaje, avnd compoziia chimic caracterizat prin%Cm 0,6 %; 0,5 % %Sim 2,0 %; 0,8 % %Mnm 2,0 %; %Crm 3 %;%Nim 3 %; %Mom 0,5 %; %Vm 0,1, duritatea structurii care se obine larcirea din domeniul austenitic (ti = A3 + 3050 oC), cu o anumit vitez vr(exprimat n oC/s), se poate estima cu relaia: HVST = (%,P)HV,P + (%B)HVB + (%M)HVM , (7.1)n care (%,P), (%B) i (%M) sunt coninuturile procentuale de formaiuni ferito-perlitice, bainitice i martensitice din structur, iar HV,P, HVB i HVM sunt

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    26

    duritile celor trei tipuri de formaiuni structurale, date de relaii de forma: +++= rmEAmEAST vEAbbEAaaHV lg]%[% 00 , (7.2)coeficienii a0, aEA, b0, bEA avnd valorile (stabilite experimental) precizate n tabelul 7.2.

    Tabelul 7.2 Valorile coeficienilor din relaiilede estimarea duritii oelurilor aliate perlitice

    Tipulstructurii ST a0 aC aSi aMn aCr aNi aMo aV

    Ferit +perlit ,P 77,6 223 -14,6 30,0 35,5 27,2 19,0 462

    Bainit B -6,5 377 134 74,8 72,9 29,4 73,6 0

    Martensit M 202 949 27,0 11,0 16,0 8,0 0 0

    Tipulstructurii ST b0 bC bSi bMn bCr bNi bMo bVFerit +perlit ,P 10,0 0 -19,0 0 8,0 4,0 0 130

    Bainit B 89,0 54,0 -55,0 -22,0 -20,0 -10,0 -33,0 0

    Martensit M 21,0 0 0 0 0 0 0 0

    De asemenea, dac oelurilor aliate perlitice destinate realizrii pieselorpentru maini i utilaje (avnd caracteristicile de compoziie chimic n limiteleanterior precizate) li se aplic TT de mbuntire (clire martensitic + revenirenalt, v. scap. 6.5), parametrii ti i m ai ciclului de revenire se stabilesc inndseama de intervenia fenomenului de stabilitate la revenire. Astfel, aa cum s-aconstatat experimental, pentru un regim de revenire caracterizat printr-o valoaredat a parametrului PHJ = Ti[18 + lg(m)], cu Ti = ti + 273 n K i m n ore (v. scap.6.5), exist urmtoarea corelaie ntre duritatea OArHV , corespunztoare structuriiobinute dup revenirea unui oel aliat i duritatea OCrHV , corespunztoarestructurii rezultate dup revenirea oelului carbon echivalent (care are aceeaiconcentraie masic de carbon ca i oelul aliat):

    OCr

    OAr HVHV = +30(%Sim+%Mnm)+55%Crm+6%Nim+100%Mom+150%Vm, (7.3)

    iar regimurile de revenire se pot proiecta fr dificultate, avnd n vedere c:

    OCrmmHJ HVCCP )%132,33(%405021900 += , (7.4)

    dac OCrHV se situeaz n intervalul de valori [150 ; 300] i

    OCrmHJ HVCP 8,21%795017670 += , (7.5)

    dac OCrHV > 300.

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    27

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

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

    monofazic alctuit din cristale de ferit aliat cu siliciuC. Oelurile aliate austenitice sunt oeluri ce au n compoziie

    concentraii mari de elemente gamagene (Ni, Mn etc.), care le confer, la oricetemperatur corespunztoare strii solide, o structur alctuit din austenit aliat(i, eventual, mici cantiti de cementit aliat sau carburi ale elementelor dealiere). Cele mai utilizate tipuri de oeluri din aceast clasa sunt oelurileaustenitice manganoase, la care structura austenitic este conferit de alierea cu

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    28

    mangan, oelurile austenitice cu nichel i oelurile austenitice crom nichel, lacare structura austenitic este conferit de alierea cu nichel i, uneori, de aliereasuplimentar cu mangan i/sau azot, care asigur formarea structurii austenitice laconcentraii mai mici ale nichelului (face oelurile mai ieftine, deoarece resurselemondiale de nichel sunt limitate i acest element este scump) i meninerea acesteistructuri pn la temperaturi sczute (stabilizarea structurii austenitice).Microstructurile tipice ale oelurilor din aceast clas structural sunt prezentate nfigura 7.19. Deoarece aceste oeluri nu prezint transformri de faz n stare solid(elementele de aliere elimin posibilitatea realizrii transformrilor de tipulFe Fe i ), la piesele i semifabricatele confecionate din astfel deoeluri nu se pot aplica tratamentele termice cu schimbare de faz (recoacerilecu schimbare de faz, clirea martensitic i revenirea), fiind posibil numaiaplicarea tratamentelor termice fr schimbare de faz: recoacerea deomogenizare (pentru omogenizarea chimic a structurilor dendritice primareale pieselor i semifabricatelor obinute prin turnare), recoacerea derecristalizare far schimbare de faz (pentru refacerea plasticitii pieselor isemifabricatelor prelucrate prin deformare plastic la rece) i recoacerea dedetensionare (pentru diminuarea nivelului tensiunilor reziduale din piesele isemifabricatele prelucrate prin diverse procedee tehnologice); ca i n cazuloelurilor aliate feritice, singura modalitate de modificare (ntre anumite limite) agranulaiei i caracteristicilor mecanice ale pieselor i semifabricatelor din oelurialiate austenitice const din aplicarea unor operaii de deformare plastic la rece(ecruisare), urmate de recoaceri de recristalizare fr schimbare de faz (curegimul ales corespunztor asigurrii caracteristicilor dorite).

    D. Oelurile aliate martensitice (autoclibile) sunt oeluri la careconcentraiile de carbon i de elemente de aliere sunt alese astfel nct s nusuprime posibilitile de realizare a transformrilor de faz n stare solid i sasigure o diminuarea a vitezei de rcire critice care s permit obinerea uneistructuri martensitice la rcirea n aer din domeniul austenitic. Deoarece, aacum s-a precizat anterior, toate elementele de aliere (n afar de cobalt) aucapacitatea de a micora vrc, gama oelurilor martensitice ar trebui s aib omare extindere; gama oelurilor aliate martensitice utilizate n aplicaii tehniceeste ns destul de restrns, deoarece oelurile martensitice aliate cu elementegamagene (Ni sau Mn), fiind caracterizate printr-o mare fragilitate, se folosescfoarte rar i singurele oelurile martensitice cu o frecven mai mare deutilizare sunt oelurile nalt aliate cu crom, cu diferite reete de compoziie:a) %Cm < 0,15 % i %Crm = 1214 %; b) %Cm = 0,20,4 % i%Crm = 1315 %; c) %Cm = 0,61,0 %; %Crm = 1618 %;d) %Cm = 0,10,2 %; %Crm = 1618 %; %Nim = 24 %. Microstructuriletipice ale oelurilor aliate martensitice (autoclibile) sunt prezentate n figura 7.20.

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    29

    Fig. 7. 19. Microstructurile tipice ale oelurilor aliate austenitice:a oel austenitic aliat cu mangan (%Cm = 1,2 %; %Mnm = 12 %);

    b - oel austenitic aliat cu nichel (%Cm = 0,08 %; %Nim = 12 %);c - oel austenitic aliat cu crom i nichel (%Cm = 0,05 %; %Crm = 18 %; %Nim = 8 %; );d - oel austenitic aliat cu crom i nichel (%Cm = 0,4 %; %Crm = 25 %; %Nim = 30 %; )

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

    b - oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 0,22 %; %Crm = 14 %);

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    30

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

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

    b - oel martensitic aliat cu crom (%Cm = 1,35 %; %Crm = 12 %);

    Clasa structural creia aparine un oel aliat depinde de concentraiacarbonului, precum i de tipul i concentraiile elementelor de aliere coninute deacesta. Pentru estimarea clasei structurale a oelurilor aliate se folosescdiagramele structurale ale oelurilor aliate, construite experimental pentru celemai utilizate categorii de astfel de oeluri. Diagramele structurale din figura 7.22,corespunztoare unor oeluri aliate cu elemente alfagene (Cr, Si, W etc.) i dinfigura 7.23, corespunztoare unor oeluri aliate cu elemente gamagene (Ni, Mnetc.) sunt realizate n coordonate %Cm; %EAm. Pentru estimarea clasei structuralea oelurilor aliate complex, avnd n compoziie att elemente alfagene, ct ielemente gamagene, se utilizeaz diagrama structural A. Schaeffler, prezentatn figura 7.24, avnd n abscis concentraia de crom echivalent %Cre, iar nordonat concentraia de nichel echivalent %Nie. Fiecare din cele dou mrimicare definesc sistemul de coordonate al diagramei structurale A. Schaeffler

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    31

    grupeaz cte o categorie de componente de aliere ale oelurilor: concentraiilemasice ale elementelor de aliere alfagene (feritizante) sunt considerate (fiecare cucte un factor de multiplicare stabilit experimental) pentru definirea mrimii%Cre, iar concentraiile masice ale elementelor de aliere gamagene(austenitizante) sunt considerate (fiecare cu cte un factor de multiplicare stabilitexperimental) pentru definirea mrimii %Nie. Pentru definirea mrimilor %Cre i%Nie se utilizeaz relaiile:

    %Cre = %Crm + %Mom +1,5%Sim +0,5%Nbm, (7.6) %Nie = %Nim + 0,5%Mnm +30%Cm , (7.7)care se completeaz uneori, adugnd 2%Tim + %Vm + 0,5%Tam + %Wm + %Almla determinarea %Cre i 0,5%Com +30(%Nm Xc) la determinarea Nie, termenul decorecie Xc lundu-se nenul, dac %Crm 18 % (Xc = 0,06, dac 18 %Crm

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    32

    corespunznd PCN ale unor oeluri aliate cu caracterizare structural complex:austenito feritice, austenito martensitice, ferito martensitice etc.;

    * pe diagramele structurale sunt precizate i unele informaii conexe,deosebit de utile la utilizarea diagramelor pentru soluionarea unor problemetehnice; de exemplu, pe diagrama structural a oelurilor aliate cu mangan esteprecizat subdomeniul oelurilor austenitice recomandate pentru aplicaii practice,iar pe diagrama structural A. Schaeffler sunt marcate domeniile caracteristice dinpunctul de vedere al problemelor (pericolelor) care apar la utilizarea diverselortipuri de oeluri aliate: domeniul I pericol maxim de fragilizare prin apariiafazei sigma (compusul intermetalic FeCr); domeniul II pericol maxim defragilizare (fisurare) la cald; domeniul III - pericol maxim de fragilizare(fisurare) la rece; domeniul IV pericol maxim de fragilizare datorit creteriiintense a granulaiei la nclzire.

    Fig. 7. 23. Diagramele structurale (la rcirea n aer de la temperaturi nalte) ale:a oelurilor aliate cu nichel; b oelurilor aliate cu mangan

    Ca i n cazul oelurilor, pentru a defini i preciza cu o bun fidelitateefectele elementelor de aliere asupra fontelor, este util, pe lng clasificarea lorn funcie de gradul de aliere (prezentat n scap. 7.1) i ncadrarea fontelor nclase structurale. Criteriile care se utilizeaz n acest scop sunt:

    forma de existen a carbonului; conform acestui criteriu fontele aliatepot fi ncadrate n categoria fontelor cu grafit (carbon liber) n structur(denumite, ca i fontele nealiate, n funcie de modul de asigurare a prezeneigrafitului i de configuraia, dimensiunile, modul de distribuie i gradul dedispersie ale formaiunilor de grafit din structur: fonte pestrie, fonte cenuii,fonte maleabile, fonte nodulare etc.) sau n categoria fontelor fr grafit nstructur (la care tot carbonul din compoziia fontelor este dizolvat n soluiileavnd ca solvent fierul sau este legat sub form de carburi, iar structurile suntasemntoare celor corespunztoare fontelor albe);

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    33

    Fig. 7. 24. Diagrama structural A. Schaeffler

    constituenii din structura de echilibru stabil sau metastabil pe care oprezint masa metalic de baz a fontei la ta, dup rcirea sa lent sau n aer de latemperaturi nalte; conform acestui criteriu fontele aliate pot fi ncadrate (aplicndaceleai principii ca i n cazul oelurilor aliate) n urmtoarele clase structurale:fonte aliate perlitice, fonte aliate feritice, fonte aliate austenitice, fonte aliatemartensitice.

    Fig. 7. 25. Diagrama structural a fonteloraliate cu aluminiu

    Fig. 7. 26. Diagrama structural a fontelor cugrafit nodular aliate cu nichel i molibden

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    34

    De exemplu, fontele nalt aliate cu nichel (element gamagen, cu aciunegrafitizant) aparin clasei structurale a fontelor austenitice cu grafit (lamelar saunodular), fontele nalt aliate cu siliciu (element alfagen, cu aciune grafitizant)sunt fonte feritice cu grafit (lamelar sau nodular), iar fontele nalt aliate cu crom(element alfagen, carburigen i antigrafitizant) se ncadreaz n categoria fonteloralbe feritice, avnd structura de echilibru alctuit din carburi primare, eutectice isecundare distribuite ntr-o mas de ferit aliat cu crom (la rcirea din starelichid a acestor fonte transformarea eutectic conduce la formarea unei structuride tip ledeburitic, alctuit din austenit i carburi, iar transformarea eutectoid,ce are loc dup separarea de carburi secundare din austenit, const dindescompunerea austenitei n ferit i carburi).

    Pentru estimarea clasei structurale a fontelor aliate se pot folosidiagramele structurale ale fontelor aliate, construite experimental pentru celemai utilizate categorii de astfel de fonte. De exemplu, n figura 7.25 esteprezentat diagrama structural a fontelor aliate cu aluminiu (element alfagen), iarn figura 7.26 diagrama structural a fontelor cu grafit nodular slab aliate cu nichel(element gamagen) i molibden (element alfagen), construcia i modalitile deutilizare ale acestor diagrame fiind similare celor corespunztoare diagramelorstructurale ale oelurilor aliate.

    Cuvinte cheie

    austenit aliat, 6carbur proprie, 6cementit aliat, 6clas structural, 25diagram structural, 30diagram structural A. Schaeffler, 32durificare secundar, 21element carburigen, 14element de aliere, 5element de aliere alfagen (feritizant), 7element de aliere gamagen (austenitizant), 10element grafitizant, 14faz sigma, 6ferit aliat, 6font mediu aliat, 6font aliat (special), 6font aliat austenitic, 10

    font aliat feritic, 9font aliat martensitic, 20font nalt (bogat) aliat, 6font slab aliat, 6fragilitate de revenire

    ireversibil, reversibil, 22oel aliat, 5oel aliat perlitic, 25oel aliat austenitic, 10, 27oel aliat feritic, 9, 27oel aliat ledeburitic, 30oel aliat martensitic (autoclibil), 20, 28oel bogat aliat, 5oel mediu aliat, 5oel slab aliat, 5punct caracteristic nominal PCN, 31stabilitate la revenire, 21

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    35

    Bibliografie

    1. Colan H. .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic,Bucureti, 1983

    2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II.,Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981

    3. Geru N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 19824. Mantea St. .a., Metalurgie fizic, Editura Tehnic, Bucureti, 19705. Lakhtine I., Mtallographie et traitements thermiques des mtaux,

    Moscova, Mir, 19786. Popov A.A. i Popova L.E., Izotermiceskie i termodinamoceskie diagram

    raspada pereohladjenovo austenita. Moscova, Metallurghia, 19657. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i

    Pedagogic, Bucuresti, 19838. Sofroni I., Stefnescu D.M., Fonte speciale, Editura Tehnic, Bucureto, 19749. Truculescu M., Ieremia A., Oeluri inoxidabile i refractare, Editura

    Facla, Timioara, 198310. Vacu S., .a., Elaborarea oelurilor aliate, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 198011. * * * Austenite Transformation Kinetics of Ferrous Alloys. II Cast Irons

    and Steels, Climax Molibdenum Company, Greenwich, 198812. Cias W.W., Austenite Transformation Kinetics of Ferrous Alloys, Climax

    Molibdenum Company, Greenwich, 1985

    Teste de autoevaluare

    T.7.1. Care dintre afirmaile urmtoare sunt adevrate: a) oelul cu%Cm = 0,3 %, %Sim=0,3 %, %Mnm = 0,5 %, %Sm = 0,02 % i %Pm = 0,02 % esteun oel carbon; b) oelul cu %Cm = 0,45 %, %Sim=0,3 %, %Mnm = 0,5 %,%Sm = 0,02 %, %Pm = 0,02 % i %Crm = 1,0 % este un oel aliat cu crom;c) oelul cu %Cm = 1,0 %, %Sim=0,3 %, %Mnm = 0,4 %, %Sm = 0,02 % , %Pm = 0,02 %,%Crm = 1,5 % i %Mom = 0,3 % este un oel aliat numai cu crom; d) oelul cu%Cm = 0,15 %, %Sim=0,3 %, %Mnm = 0,7 %, %Sm = 0,15 % i %Pm = 0,1 % esteun oel aliat cu sulf i fosfor?

    T.7.2. Care dintre urmtoarele fonte se ncadreaz n categoria fonteloraliate: a) fonta cu %Cm = 3,0 %, %Sim = 1,0 %, %Mnm = 1,0 %, %Sm = 0,06 %,%Pm = 0,06 %; b) fonta cu %Cm = 3,5 %, %Sim = 2,0 %, %Mnm = 0,9 %,

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    36

    %Sm = 0,06 %, %Pm = 0,06 %, %Crm = 1,0 %; c) fonta cu %Cm = 2,5 %,%Sim=1,5 %, %Mnm = 0,8 %, %Sm = 0,03 %, %Pm = 0,06 %, %Alm = 20 %; d)fonta cu %Cm = 3,0 %, %Sim=2,5 %, %Mnm = 6,0 %, %Sm = 0,06 %, %Pm = 0,06%, %Nim = 13 %?

    T.7.3. Care dintre urmtoarele componente ale oelurilor sau fontelor suntelemente de aliere alfagene (feritizante): a) manganul; b) siliciul; c) cromul;d) vanadiul ?

    T.7.4. Care dintre urmtoarele componente ale oelurilor sau fontelor suntelemente de aliere gamagene (austenitizante): a) manganul; b) siliciul; c) cromul;d) vanadiul?

    T.7.5. Care dintre urmtoarele tipuri de tratamente se pot aplica la pieselesau semifabricatele din oeluri aliate austenitice: a) recoacerea de detensionare;b) recoacerea de omogenizare; c) clirea martensitic; d) recoacerea complet?

    T.7.6. Care dintre urmtoarele tipuri de tratamente se pot aplica la pieselesau semifabricatele din oeluri aliate feritice: a) recoacerea de recristalizare frschimbare de faz; b) recoacerea de detensionare; c) normalizarea; d) clireamartensitic?

    T.7.7. Elementele de aliere se pot gsi n structurile oelurilor i fontelor:a) dizolvate n ferit sau austenit; b) dizolvate n cementit; c) legate sub formde carburi proprii; d) combinate cu fierul sub form de compui intermetalici ? .

    T.7.8. Care dintre urmtoarele forme de existen a elementelor de aliere nstructurile oelurilor i fontelor sunt, n general, nedorite: a) soluiile solide aleelementelor de aliere cu fierul: b) carburile elementelor de aliere; c) incluziunilenemetalice; d) compuii intermetalici?

    T.7.9. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fonteloraparin categoriei elementelor alfagene: a) cromul; b) molibdenul; c) nichelul;d) wolframul?

    T.7.10. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fonteloraparin categoriei elementelor gamagene: a) wolframul; b) titanul; c) manganul;d) nichelul ?

    T.7.11. Care dintre urmtoarele elemente de aliere produc mrireatemperaturii corespunztoare punctului critic A1 al oelurilor i fontelor:a) nichelul; b) manganul; c) cromul; d) siliciul?

    T.7.12. Care dintre urmtoarele elemente de aliere coboar temperaturacorespunztoare punctului critic A1 al oelurilor i fontelor: a) molibdenul;b) manganul; c) cromul; d) nichelul?

    T.7.13. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fontelordetermin reducerea concentraiei carbonului n perlit: a) nichelul; b) cromul;c) manganul; d) siliciul?

    T.7.14. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fontelor

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    37

    pot avea aciune grafitizant: a) siliciul; b) nichelul; c) cromul; d) aluminiul?T.7.15. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fontelor

    are cea mai puternic aciune carburigen: a) manganul; b) cromul; c) tantalul;d) titanul?

    T.7.16. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fontelorare cea mai bun solubilitate n cementit: a) siliciul; b) cromul; c) manganul;d) vanadiul?

    T.7.17. Care dintre urmtoarele elemente de aliere diminueaz temperaturacorespunztoare punctului Ms al oelurilor i fontelor : a) cromul; b) nichelul;c) manganul; d) cobaltul?

    T.7.18. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale oelurilor i fontelordeplaseaz spre dreapta curbele diagramelor de transformare la rcire a austenitei:a) cromul; b) cobaltul; c) nichelul; d) manganul?

    T.7.19. Care dintre urmtoarele elemente de aliere determin micorareavitezei de rcire critice i creterea clibilitii oelurilor i fontelor: a) cromul;b) nichelul; c) siliciul; d) manganul?

    T.7.20. Care dintre urmtoarele elemente de aliere pot modificaconfiguraia obinuit (tipic oelurilor carbon sau fontelor nealiate) a curbelorcaracteristice ale diagramelor de transformare izoterm a austenitei: a) cromul;b) nichelul; c) manganul; d) molibdenul?

    T.7.21. Pentru a finisa granulaia oelurilor se poate utiliza microalierea cu:a) niobiu; b) vanadiu; c) zirconiu; d) aluminiu?

    T.7.22. Care dintre urmtoarele oeluri aliate pot avea n structura lor la taconstituentul structural tipic fontelor albe: a) oelurile martensitice; b) oelurileledeburitice; c) oelurile perlitice; d) oelurile feritice?

    T.7.23. Care dintre urmtoarele oeluri aliate capt o structur de clire larcirea n aer din domeniul austenitic: a) oelurile austenitice; b) oelurilemartensitice; c) oelurile feritice; d) oelurile autoclibile?

    T.7.24. Care dintre urmtoarele oeluri aliate va avea duritatea mai maredup clirea martensitic i revenirea la ti = 500 oC, o durat m = 0,5 ore: a) oelulcarbon cu %Cm = 0,6 %; b) oelul carbon cu %Cm = 0,45 %; c) oelul aliat avnd%Cm = 0,6 % i %Crm = 1,0 %; d) oelul aliat avnd %Cm = 0,2 % i %Crm = 1,0 %?

    T.7.25. Cum se poate diminua pericolul fragilitii reversibile de revenire aunui oel aliat: a) prin alierea suplimentar cu molibden n concentraie de %Mom= 0,20,3 %; b) prin revenirea la ti >500 oC; c) prin rcirea rapid n ap sau uleila revenire; d) prin alierea suplimentar cu mangan?

    T.7.26. Pentru stabilirea clasei structurale a unui oel aliat, avndcompoziia caracterizat prin %Cm = 0,05 %, %Mn = 2,0 %, %Sim = 0,8 %,%Crm = 17 % i %Nim = 10 % se folosete diagrama structural A. Schaeffler.Care sunt coordonatele PCN corespunztor acestui oel: a) %Cre = 18,2 %;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    38

    %Nie = 11,5 %; b) %Cre = 18,2 %; %Nie = 12,5 %; c) %Cre = 12,5 %;%Nie = 18,2 %; d) %Cre = 20,5 %; %Nie = 12,5 %?

    T.7.27. Crei clase structurale aparine oelul cu %Cm = 0,08 %, aliat cu%Crm = 17 %: a) clasa oelurilor feritice; b) clasa oelurilor martensitice; c) clasaoelurilor ledeburitice; d) clasa oelurilor austenitice?

    T.7.28. Crei clase structurale aparine oelul cu %Cm = 0,03 %, %Mn = 1,2 %,%Sim = 0,6 %, %Crm = 25 % i %Nim = 0,5 %: a) clasa oelurilor feritice; b) clasaoelurilor martensitice; c) clasa oelurilor ledeburitice; d) clasa oelurilor austenitice?

    T.7.29. Care dintre urmtoarele probleme poate s apar la utilizareaoelului cu %Cm = 0,02 %, %Mn = 1,2 %, %Sim = 0,6 %, %Crm = 20,5 % i%Nim = 10 %: a) fragilizarea prin apariia fazei sigma; b) fragilizarea (fisurarea)la cald; c) fragilizarea (fisurarea) la rece; d) fragilizarea datorit creterii intense agranulaiei la nclzire?

    T.7.30. Care din urmtoarele tipuri de fonte aliate au grafit n structur:a) fontele aliate cu siliciu; b) fontele nalt aliate cu crom; c) fontele aliate cuvanadiu; d) fontele nalt aliate cu nichel?

    Aplicaii

    A.7.1. n figura 7.27 se prezint diagramele de transformare termocinetica austenitei pentru un oel slab aliat, avnd compoziia chimic definit prin%Cm = 0,44 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Sm = 0,030 %; %Pm = 0,025 %;%Crm = 1,05 %; %Nim = 0,26 %; %Mom = 0,04 %; %Vm = 0,01 % i pentru oelulcarbon echivalent (cu compozia chimic definit prin %Cm = 0,44 %;%Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Sm = 0,030 %; %Pm = 0,025 %). Folosinddatele din aceste diagrame i aplicnd relaiile (7.1) i (7.2) s se estimeze valorileduritii structurilor care rezult la rcirea celor dou oeluri, din domeniulaustenitic i pn la ta, cu diferite viteze vr.

    RezolvareAa cum se poate observa examinnd figura 7.27, pe fiecare din

    diagramele de transformare a austenitei sunt trasate cte n curbe de rcire, fiecreicurbe de rcire corespunzndu-i o vitez de rcire vrj, j = 1n i o anumitalctuire a structurii care rezult prin rcirea austenitei cu aceast vitez.Coninuturile procentuale de formaiuni ferito-perlitice (%,P)j, bainitice (%B)j imartensitice (%M)j n structurile care rezult prin rcirea austenitei dup curbelede rcire j = 1n sunt precizate pe diagramele din figura 7.27, iar valorilevitezelor de rcire corespunztoare acestor curbe se determin, folosind procedeuldescris la rezolvarea aplicaiei A.5.3, cu ajutorul relaiei (5.10); datele care seobin pe aceast cale sunt prezentate n tabelul 7.3.

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    39

    a.

    b.Fig 7.27. Diagramele transformrii termocinetice a austenitei pentru dou oeluri cu %Cm = 0,44 %:

    a oel slab aliat cu Cr, Ni,Mo i V; b oel carbon

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    40

    Tabelul 7.3. Vitezele de rcire i alctuirea structurilor corespunztoarecurbelor de rcire din diagramele prezentate n figura 7.27

    Alctuirea structuriiCurba dercire j

    1j,s

    t1j,oC

    2j,s

    t2j,oC

    vrj,oC/s (%,P)j (%B)j (%M)j

    OTEL ALIAT1 12300 750 40000 650 3,610-3 100 - -2 1000 750 3500 650 4,010-2 100 - -3 150 750 500 650 2,910-1 100 - -4 60 750 160 650 1,0 100 - -5 25 750 100 650 1,3 56 25 196 9 750 56 650 2,1 7 60 337 7 750 24 650 5,9 2 70 288 5 750 17 650 8,3 - 60 409 3 750 10 650 14,3 - 5 9510 1 750 4 650 33,3 - 3 9711 0,8 750 3 650 45,5 - - 100

    OTEL CARBON1 4150 750 16100 650 8,410-3 100 - -2 100 750 360 650 3,810-1 100 - -3 3 750 20 650 5,9 100 - -4 0,9 750 5 650 24,4 100 - -5 0,5 750 2 650 66,7 90 5 56 0,5 721 1,5 650 71,0 73 17 107 0,5 706 1,2 650 80,0 13 20 678 0,5 693 0,7 650 215,0 - 2 98

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

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

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    41

    Tabelul 7.4. Duritile structurilor obinute la rcirea austenitei dup curbele de rcirereprezentate pe diagramele din figura 7.27

    Duritileformaiunilor structuraleCurbade

    rcire j

    vrj,oC/s HV,P HVB HVM

    Duritatea structuriiHVST

    OTEL ALIAT1 3,610-3 206 - - 2062 4,010-2 223 - - 2233 2,910-1 237 - - 2374 1,0 246 - - 2465 1,3 248 342 656 3496 2,1 251 354 660 4487 5,9 259 380 669 4598 8,3 - 389 672 5029 14,3 - 402 677 66410 33,3 - 424 685 67711 45,5 - - 688 688

    OTEL CARBON1 8,410-3 184 - - 1842 3,810-1 194 - - 1943 5,9 201 - - 2014 24,4 205 - - 2055 66,7 207 400 673 2406 71,0 207 402 673 2877 80,0 208 407 674 5608 215,0 - 442 683 678

    ObservaieRezultatele aplicaiei evideniaz cteva aspecte practice importante

    privind oelurile aliate hipoeutectoide din clasa perlitic, utilizate cu precdere lafabricarea pieselor pentru maini i utilaje:

    structurile de echilibru (ferito perlitice) ale acestor oeluri au duritisimilare celor corespunztoare structurilor de echilibru ale oelurilor carbonechivalente; ca urmare, punerea n valoare a prezenei elementelor de aliereconinute de aceste oeluri este posibil numai prin aplicarea de TT capabile sasigure realizarea unor structuri cu coninuturi procentuale mari de formaiunibainitice i/sau martensitice, care confer oelurilor caracteristici ridicate derezisten mecanic i duritate;

    la aceste oeluri, structurile cu caracteristici ridicate de rezistenmecanic i duritate se pot obine i la rcirea austenitei cu viteze mult mai micidect cele necesare pentru realizarea acelorai efecte la oelurile carbon

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    42

    echivalente; de exemplu, aa cum se poate observa examinnd graficele din figura7.28, pentru obinerea structurii complet martensitice la oelul aliat sunt necesareviteze de rcire vr 45 oC/s (asigurate de clirea n ulei, v. fig.5.17), n timp cepentru realizarea aceleiai structuri la oelul carbon echivalent trebuie folositeviteze de rcire vr > 200 oC/s (asigurate numai de rcirea n ap, v. fig. 5.17), caredetermin creterea nsemnat a nivelului tensiunilor reziduale induse n pieseleclite i apariia pericolului fisurrii acestora.

    A.7.2. Pentru realizarea unor piese de tip arbore sunt disponibilesemifabricate confecionate din dou sortimente de oel: a) oel aliat, cucompoziia chimic definit prin %Cm = 0,45 %; %Sim = 0,3 %; %Mnm = 0,6 %;%Crm = 1,2 %; %Mom = 0,3 % i b) oel carbon, cu compoziia chimic definitprin %Cm = 0,45 %; %Sim = 0,3 %; %Mnm = 0,6 %. S se stabileasc i s secompare regimurile TT de mbuntire care asigur pieselor de tip arboreconfecionate din cele dou oeluri un nivel al duritii finale de 280 HV.

    RezolvareAa cum este cunoscut din scap. 6.5, TT de mbuntire const dintr-un

    ciclu primar de clire martensitic i un ciclu final de revenire nalt.Conform indicaiilor din scap. 6.4, clirea martensitic a oelurilor

    (carbon sau aliate perlitice) hipoeutectoide trebuie realizat cu urmtorul regim:ti = A3 + 30 50 oC, vi < vad, m = 5 10 min i rcirea n ap sau ulei. Aplicndrelaia (6.4), rezult c pentru oelurile cu compoziiile chimice precizate n enun,valorile punctului critic A3 sunt: A3 823 oC, pentru oelul aliat i A3 810 oC,pentru oelul carbon i, ca urmare, regimurile TT de clire martensiticpentru piesele confecionate din cele dou sortimente de oel vor fiasemntoare: ti = 850870 oC, m = 510 min i rcirea n ap sau ulei; inndseama de influenele elementelor de aliere, la realizarea TT de clire la piesele dinoel aliat se recomand utilizarea unor valori ale ti i m ctre limitele superioareale intervalelor de valori prescrise (deoarece prezena elementelor de alierefrneaz procesele de obinere a austenitei omogene) i rcirea n ulei (deoareceelementele de aliere reduc vrc i mresc clibilitatea oelului), iar la aplicarea TTde clire la piesele din oel carbon se vor alege ti i m ctre limitele inferioare aleintervalelor de valori prescrise i se va face rcirea n ap (pentru a se asiguraformarea unei structuri martensitice).

    Dup clire, duritatea pieselor confecionate din cele dou sortimente deoel va fi aproximativ identic (deoarece duritatea martensitei depinde esenial deconcentraia carbonului n oel, v. scap. 5.2.2), apropiat de valoarea dat derelaia (6.8), HM 58 HRC (660 HV).

    Pentru proiectarea regimului de revenire nalt a pieselor din oelcarbon, se stabilete valoarea necesar a parametrului PHJ = Ti[18 +lg(m)],

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    43

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

    8165lg18

    15255=

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

    confer pieselor din oel carbon nivelul impus al duritii finale are paremetrii:ti 540 oC; m = 5 ore i rcirea n aer (rcirea nu influeneaz calitateapieselor din oel carbon supuse revenirii).

    Dac se folosete acelai regim la revenirea pieselor din oel aliat,va rezulta, n conformitate cu relaia (7.3), un nivel al duritii finale

    OArHV = 280 + 551,2 + 1000,3 = 376. Interpretnd corespunztor relaiile

    (7.3) i (7.4), rezult c, pentru a realiza pe piesele din oel aliat un nivel alduritii dup revenire OArHV = 280, este necesar s se utilizeze un regim derevenire care asigur la piesele din oel carbon un nivel al duritii

    OCrHV = 280 551,2 1000,3 = 184; utiliznd relaia (7.4), rezult c,

    pentru satisfacerea acestei condiii, trebuie ca valoarea parametrului PHJ sfie: PHJ = 21090 + 40500,45 (33,2 130,45)184 = 17880. Dac se adopt odurat de meninere la revenire m = 5 ore, rezult c temperatura la caretrebuie efectuat revenirea pentru a asigurarea acestui nivel al PHJeste: 956

    5lg1817880

    =+i

    T K sau ti 680 oC. Ca urmare, un regim de revenire care

    confer pieselor din oel aliat nivelul impus al duritii finale are parametrii:ti 680 oC; m = 5 ore i rcirea n aer (deoarece oelul este aliat cu Mo i nuexist pericolul de a se manifesta fragilitatea reversibil la revenire).

    Observaii Rezolvarea aplicaiei evideniaz efectele fenomenului de stabilitate

    la revenire, indus de prezena elementelor de aliere dintr-un oel. Aceste efectepot fi mai sugestiv ilustrate, dac se construiesc, pentru oelul aliat i pentruoelul carbon echivalent, graficele dependenelor HVr = f(ti), corespunztoareunei durate de meninere la revenire m = ct; coordonatele punctelor acestorgrafice se obin cu ajutorul relaiilor (7.3), (7.4) i (7.5). n figura 7.29 suntprezentate graficele construite pentru oelurile precizate n enunul aplicaiei,considernd o durat de revenire m = 5 ore.

    Rezultatele aplicaiei nu trebuie s conduc la concluzia c, ngeneral, TT de revenire a pieselor din oel aliat este mai costisitor dect celaplicat pieselor diun oel carbon (datorit necesitii utilizrii unortemperaturi de nclzire i/sau unor durate de meninere mai mari). n mod

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    44

    obinuit, atunci nd se utilizeaz oeluri aliate se prescriu i niveluri mairidicate ale rezistenei mecanice i duritii, pentru a valorifica corespunztorcheltuielile suplimentare datorit alierii i se pot utiliza regimuri de revenireasemntoare celor aplicabile la oelurile carbon echivalente. De exemplu,aa cum a rezultat la rezolvarea aplicaiei, dac la piesele din oel carbon seprescrie ca duritate dup mbuntire s fie OCrHV = 280 (corespunztoareunei rezistene la traciune Rm 900 N/mm2), iar la piesele din oel aliat seprescrie ca duritatea dup mbuntire s fie OArHV 370 (corespunztoareunei rezistene la traciune Rm 1200 N/mm2), regimurile TT de revenire,impuse de realizarea acestor caracteristici vor fi identice.

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

    A.7.3. Stiind c viteza asigurat la rcirea n aer linitit a pieselor dinoeluri este vr = 0,25 1 oC/s, s se analizeze dac oelul aliat, cu compoziiachimic definit prin: %Cm = 0,8 %; %Sim = 0,22 %; %Mnm = 0,7 %; %Crm = 6 %;%Mom = 1 %, avnd diagrama de transformare termocinetic a austeniteiprezentat n figura 7.30, poate fi ncadrat n clasa structural a oelurilor aliatemartensitice.

    RezolvareFolosind procedura descris la rezolvarea aplicaiei A.5.4, s-au stabilit

    coordonatele punctelor ce descriu curbele de rcire cu vitezele vr1 = 0,25 oC/s ivr2 = 1 oC/s i s-au trasat aceste curbe pe diagrama de transformare termocinetic aaustenitei (v. fig. 7.30). Se observ astfel c rcirea n aer a austenitei conduce laobinerea unei structuri complet martensitice i, deci, oelul avnd compoziiachimic precizat n enunul aplicaiei aparine clasei structurale a oelurilor aliatemartensitice.

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    45

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

    ObservaieOtelul considerat n aceast aplicaie este aliat numai cu elemente

    alfagene, n concentraiile %Crm = 6 %; %Mom = 1 %. Dac se folosete relaia (7.6),se obine %Cre = 7 %. Poziionnd pe diagrama structural din figura 7.22 b punctulcaracteristic nominal al oelului, avnd coordonatele (%Cm = 0,8 %; %Cre = 7 %),rezult i pe aceast cale c oelul analizat aparine clasei structurale a oeluriloraliate martensitice.

    A.7.4. Pentru elaborarea unei arje de 100 kg de oel aliat se topesc,ntr-un cuptor electric cu inducie, deeuri de oel, cu compoziiile chimice i ncantitile indicate n tabelul 7.5. S se estimeze compoziia chimic i clasastructural corespunztoare oelului elaborat, considernd c, la elaborareaoelului n cuptorul electric cu inducie, modificrile compoziiei chimice amateriilor prime sunt neglijabile.

    RezolvarePentru a da caracter general algoritmului de soluionare a problemei, se

    considr c sunt disponibile n sortimente de deeuri de oel, n cantitile mj,

    j = 1...n ( ==

    n

    jjmM

    1) i avnd compoziiile chimice, exprimate prin concentraiile

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    46

    masice ale elementelor de aliere (inclusiv carbonul) %EAmj (%Cmj; %Simj; %Mnmj,%Crmj; %Nimj; %Momj), j = 1...n, cunoscute.

    Utiliznd relaiile (7.3) i (7.4), se calculeaz, pentru toate sortimentele dedeeuri (materii prime), valorile parametrilor %Crej i %Niej, j = 1...n i ponderea

    fiecruia din ele n ncrctura utilizat la elaborarea arjei Mm

    jjc = , j = 1...n.

    Folosind rezultatele obinute, se calculeaz valorile parametrilor %Cre i%Nie, corespunztoare arjei de oel aliat elaborate, cu relaiile:

    ==

    n

    jejje CrcCr

    1;%% =

    =

    n

    jejjej NicNi

    1%% .

    Punctul O, avnd coordonatele (%Cre; %Nie), reprezint n diagramastructural A. Schaeffler punctul caracteristic nominal al arjei de oel aliatelaborate (O PCN), pozia sa permind precizarea clasei structurale a oelului.

    Evident, compoziia chimic a oelului elaborat se poate estima cu ajutorulunor relaii de forma:

    ==

    n

    jmjjm EAcEA

    1%% ,

    n care EA se consider, pe rnd, a fi C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo.Tabelul 7.5. Compoziiile chimice ale materiilor prime disponibile pentru

    elaborarea unei arje de oel aliatConcentraiile masice ale componentelor de aliereMateria

    prim,j = %Cm %Sim %Mnm %Crm %Nim %Mom

    Cantitatea mj,kg

    1 0,02 0,6 2,0 19,0 12,5 - 502 0,02 0,4 1,2 25,0 10,0 3,8 253 0,03 0,6 0,6 18,5 0,20 1,5 15

    n = 4 0,18 0,8 0,8 12,0 0,30 1,0 10

    Aplicnd procedura descris anterior pentru datele precizate n enun, seobin rezultatele redate n tabelul 7.6. Compoziia chimic a arjei de oel aliatelaborate este: %Cm = 0,0375 %; %Sim = 0,570 %; %Mnm = 1,470 %;%Crm = 19,725 %; %Nim = 8,810 %; %Mom = 1,275 %, iar poziia punctuluicaracteristic nominal O(%Cre; %Nie) n diagrama din figura 7.31 indicapartenena acestui oel la clasa structural a oelurilor aliate austenito feritice.

    ObservaiePentru rezolvarea problemei se poate utiliza i o procedur grafic

    recursiv, care evideniaz modalitatea uzual de lucru pe diagrama structural A.Schaeffler la soluionarea aplicaiilor practice. Aceast procedur conineurmtoarea succesiune de etape:

    se determin, cu relaiile (7.2) i (7.3), pentru fiecare sortiment dedeeuri valorile parametrilor %Crej i %Niej i se reprezint pe diagrama

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    47

    structural A. Schaeffler punctele caracteristice nominale corespunztoareacestora Oj(%Crej; %Niej), j = 1n;

    Tabelul 7.6. Rezultatele aplicaiei A.7.4.

    Materiaprim, j = %Cre %Nie Clasa structural cj

    1 19,9 14,1 Austenitic 0,502 29,4 11,2 Austenito feritic 0,253 20,9 1,4 Feritic 0,15

    n = 4 14,2 6,1 Ferito martensitic 0,10

    OTELULELABORAT 21,855 10,670 Austenito feritic

    Fig. 7. 31. Reprezentarea pe diagrama structural A. Schaeffler a rezultatelor aplicaiei A.7.4 se consider c arja de oel aliat rezult prin topirea succesiv a cte

    unei perechi de materii prime MP i rezult:* punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind

    mpreun masele m1 i m2 de deeuri din primele dou sortimente, notat O1,2,este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1O2 n dou priproporionale cu ponderile participrii acestor dou sortimente de materie

    prim (c1 = 1 c2;

    =

    =

    2

    1

    22

    jjm

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

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    48

    * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topindmpreun masele m1,2 = m1 + m2 i m3 de deeuri din sortimentele (1,2) i 3, notatO1,3, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,2O3 n dou priproporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de materie prim

    (c1,2 = 1 c3;

    =

    =

    3

    1

    33

    jjm

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

    %Nie1,3 = c1,2%Nie1,2 + c3%Nie3; * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine topind

    mpreun masele ==

    k

    jjk mm

    1,1 i mk+1 de deeuri din sortimentele (1,k) i k+1,

    notat O1,k+1, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,kOk+1 ndou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de

    materie prim (c1,k = 1 ck+1;

    =+

    =

    ++

    1

    1

    11

    k

    jj

    km

    kmc ) i are coordonatele

    %Cre1,k+1 = c1,k%Cre1,k + ck+1%Crek+1 i %Nie1,k+1 = c1,k%Nie1,k + ck+1%Niek+1; * punctul caracteristic nominal al oelului care se obine

    topind mpreun masele =

    =

    1

    11,1

    n

    jjn mm i mn de deeuri din sortimentele

    (1,n-1) i n, notat O, este cel care mparte segmentul (dreapta) de diluie O1,n-1Onn dou pri proporionale cu ponderile participrii celor dou sortimente de

    materie prim (c1,n-1 = 1 cn; Mm

    m

    nm nn

    jj

    nc =

    =

    =1

    ) i are coordonatele

    %Cre = c1,n-1%Cre1,n-1 + cn%Cren i %Nie = c1,n-1%Nie1,n-1 + cn%Nien.Folosind aceast procedur n cazul precizat n enunul aplicaiei se

    obin rezultatele redate n tabelul 7.7 i pe diagrama din figura 7.31.Rezolvarea aplicaiei prin procedura grafic recursiv arat c (datorit

    sumrii erorilor din ntreaga succesiune de etape parcurs) aceasta asigur oprecizie a rezultatelor mai mic dect procedura utilizat anterior, dar este maisugestiv i permite evidenierea unor concluzii cu caracter general; astfel, dinreprezentrile grafice corespunztoare parcurgerii etapelor acestei proceduri,rezult (v. fig. 7.31):

    punctul caracteristic nominal al oelului elaborat prin topirea a dou

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    49

    sortimente de deeuri de oel se afl pe segmentul O1O2, care unete punctelecaracteristice nominale O1 i O2 ale celor dou materii prime utilizate;

    punctul caracteristic nominal al oelului elaborat prin topirea a nsortimente de deeuri de oel se afl n interiorul poligonuluiO1O2OkOnO1, avnd vrfurile n punctele caracteristice nominale O1,O2,,Ok,,On ale celor n materii prime utilizate.

    Tabelul 7.7. Datele obinute la rezolvarea aplicaiei A.7.4 prin procedeul graficMP1

    m1 = 50 kgc1 = 0,667

    %Cre1 = 19,9 %%Nie1 = 14,1 %

    PCN O1

    MP2m2 = 25 kgc2 = 0,333

    %Cre2 = 19,9 %%Nie2 = 11,2 %

    PCN O2MP1,2

    m1,2 = 75 kgc1,2 = 0,833

    %Cre1,2 = 23,067 %%Nie1,2 = 13,133 %

    PCN O1,2

    MP3m3 = 15 kgc3 = 0,167

    %Cre3 = 20,9 %%Nie3 = 1,4 %

    PCN O3MP1,3

    m1,3 = 90 kgc1,3 = 0,900

    %Cre1,3 = 22,705 %%Nie1,2 = 11,174 %

    PCN O1,2

    MP4m4 = 15 kgc4 = 0,167

    %Cre4 = 14,2 %%Nie4 = 6,1 %

    PCN O4MP1,4 OTELUL ELABORAT

    m1,4 = M = 90 kgc1,4 = 1,000

    %Cre1,4 = 21,855 %%Nie1,4 = 10,670 %

    PCN O

    A.7.5. Pentru elaborarea unei arje de oel aliat, cu masa M = 100 kg, setopesc, ntr-un cuptor electric cu inducie, patru sortimente de deeuri de oel, cucompoziiile chimice indicate n tabelul 7.5. Considernd c, la elaborarea oeluluin cuptorul electric cu inducie, modificrile compoziiei chimice a materiilorprime sunt neglijabile, s se determine ce cantiti (mase) din aceste materiiprime trebuie utilizate pentru obinerea unui oel aliat austenito feritic, cu unconinut procentual de ferit n structura % = 50 %.

    RezolvareSe consider notaiile i principiile utilizate n cele dou proceduri

    concepute pentru rezolvarea aplicaiei A.7.4, necunoscutele problemei fiindparticiprile (ponderile) materiilor prime folosite pentru elaborarea arjei de oel

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    50

    aliat Mm

    Mm

    Mm

    Mm cccc 44

    33

    22

    11 ;;; ==== , care, evident, trebuie s respecte

    condiiile 0c11; 0c21; 0c3 1; 0c41 i =

    4

    1jjc = 1. n aceste circumstane,

    coordonatele punctului O (punctul caracteristic nominal al oelului elaborat) sunt:

    ==

    4

    1%%

    jejje CrcCr i =

    =

    4

    1%%

    jejje NicNi .

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

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

  • Capitolul 7 Oelurile i fontele aliate

    51

    %Nie 0,617%Cre + 6,133 = 0;%Nie + 0,305%Cre + 20,175 0;

    %Nie + 0,792%Cre 25,500 0;nlocuind expresiile scrise anterior ale parametrilor %Cre i %Nie, sistemul devine:

    c1 0,954c2 1,971c3 + 0,774 = 0; c1 + c2 + 0,595c3 1 0;

    c1 + 1,369c2 + 0,049c3 0,652 0;0 c1 1; 0 c2 1; 0 c3 1; 0 c4 1 i c4 = 1 c1 c2 c3.

    Pentru gsirea soluiilor acestui sistem, se procedeaz ladescompunerea acestuia n dou grupri de condiii:

    a) c1 = 0,954c2 + 1,971c3 0,774 [0; 1]; c4 = -1,954c2 2,971c3 + 1,774 [0; 1];

    b) 1,954c2 + 2,566c3 1,744 0 c2 + 1,313c3 0,908 0; 2,323c2 + 2,020c3 1,423 0 c2 +0,870c3 0,613 0;

    0 c1 1; 0 c2 1.Sistemul de inegaliti din gruparea b) se poate rezolva uor prin metoda

    grafic, aa cum se arat n figura 7.33 i are ca soluii coordonatele (c2; c3) alepunctelor situate n domeniul haurat pe aceast figur.

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

    n aceste circumstane, rezult urmtoarea strategie de cutare asoluiilor problemei:

    se alege o valoare a ponderii c3 n intervalul [0; 0,666];

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    52

    Tabelul 7.8. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.7.5

    Masele materiilor prime,kgc3

    Domeniulponderii c2

    c2 c4 c1 Concluziam1 m2 m3 m4

    0,700 0,406 -0,106 Incorect - - - -

    0,800 0,211 -0,011 Incorect - - - -

    0,850 0,113 0,037 SOLUTIE 3,7 85,0 0 11,30 [0,61;0,91]

    0,900 0,015 0,085 SOLUTIE 8,5 90.0 0 1,5

    0,500 0,500 -0,100 Incorect - - - -

    0,600 0,305 -0,005 Incorect - - - -

    0,700 0,109 0,091 SOLUTIE 9,1 70,0 10 10,90,100 [0,53; 0,78]

    0,750 0,011 0,139 SOLUTIE 13,9 75,0 10,0 1,1

    0,450 0,300 0,050 SOLUTIE 5,0 45,0 20,0 30,0

    0,500 0,203 0,097 SOLUTIE 9,7 50,0 20,0 20,3

    0,550 0,105 0,145 SOLUTIE 14,5 55,0 20,0 10,50,200 [0,44; 0,64]

    0,600 0,007 0,193 SOLUTIE 19,3 60,0 20,0 0,7

    0,400 0,101 0,199 SOLUTIE 19,9 40,0 30,0 10,1

    0,450 0,003 0,247 SOLUTIE 24,7 45,0 30,0 0,30,300 [0,35; 0,51]

    0,500 -0,094 0,294 Incorect - - - -

    0,270 0,058 0,272 SOLUTIE 27,2 27,0 40,0 5,8

    0,300 -0,001 0,301 Incorect - - - -0,400 [0,27; 0,38]

    0,350 -0,098 0,348 Incorect - - - -

    0,200 -0,102 0,402 Incorect - - - -0,500 [0,18; 0,25]

    0,250 -0,200 0,450 Incorect - - - -

    0,600 [0,09; 0,12] 0,100 -0,204 0,504 Incorect - - - -

    0,650 0,05 0,050 -0,255 0,555 Incorect - - - -

    se alege o valoare a ponderii c2 n intervalul [-0,870c3 + 0,613;-1,313c3 + 0,908];

    se stabilete dac ponderile c1 i c4, date de expresiile din gruparea decondiii a) satisfac condiiile 0 c1 1; 0 c4 1.

    Cteva din soluiile posibile ale problemei analizate, obinute prinaplicarea acestei strategii de cutare, sunt prezentate n tabelul 7.8.

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    53

    Capitolul 8

    OELURILE I FONTELE COMERCIALE

    8.1. Introducere

    Oelurile i fontele utilizate n tehnic sunt produse industriale de mareimportan, care se elaboreaz, se transform n semifabricate i se utilizeaz ndiverse aplicaii conform unor reglementri stricte, a cror cunoatere i respectarea impus, ca i n cazul altor produse, standardizarea acestora (cuprinderea lor nstandarde).

    Standardizarea este activitatea specific prin care se stabilesc, pentruprobleme reale sau poteniale, prevederi destinate unei utilizri comune irepetate, urmrind obinerea unui grad optim de ordine ntr-un context dat.Obiectivele generale ale standardizrii sunt: asigurarea i ridicarea calitiiproduselor i serviciilor, tipizarea produselor (stabilirea unei game sortimentaleraionale i economice de produse), facilitarea schimburilor de mrfuri i deinformaii pe piaa intern i internaional.

    Standardul este un document stabilit prin consens i aprobat de unorganism recunoscut, care stabilete reguli, prescripii sau caracteristici pentruactiviti sau rezultatul acestora, n scopul obinerii unui grad optim de ordinentr-un context dat. Standardele se pot clasifica folosind trei criterii:

    A. n funcie de domeniul la care se refer, standardele pot fi standardepentru industrie, standarde pentru agricultur, standarde pentru comer,standarde privind protecia vieii, bunurilor i mediului nconjurtor etc.

    B. n funcie de coninutul lor, standardele pot fi: standarde generale, care cuprind generaliti sau principii: terminologie,

    clasificri, simbolizri, metodologii de prelevare a probelor i de realizare ancercrilor sau determinrilor privind caracteristicile de calitate ale produselor etc.

    standarde de produs, care pot fi complete sau pariale; standardelecomplete cuprind toate elementele care permit asigurarea calitii unui produs:tipurile, sortimentele, clasele de calitate, condiiile tehnice i caracteristicile de

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    54

    calitate, regulile i metodele de verificare a calitii, de marcare, de livrare etc., ntimp ce standardele pariale se refer numai la unele din elementele definitorii(enumerate mai nainte) pentru calitatea unui produs.

    C. n funcie de nivelul de aplicare, standardele pot fi: standarde de firm, cu aplicabilitate la nivelul regiilor autonome,

    societilor comerciale sau altor persoane juridice care le-au elaborat; standarde naionale, elaborate sau adoptate de un organism naional

    de standardizare (de exemplu, n ara noastr organismul de standardizare esteAsociaia de Standardizare din Romnia, ASRO) i puse la dispoziia publicului,aceste standarde putnd fi standarde obligatorii (cu putere de lege cu caractergeneral), sau standarde cu caracter de recomandare (a cror aplicare estevoluntar, facultativ); au caracter obligatoriu numai standardele romnereferitoare la protecia vieii, protecia sntii, securitii muncii i proteciamediului nconjurtor, celelalte standarde fiind facultative;

    standarde regionale, care sunt adoptate de ctre o organizaieregional cu activitate de standardizare i care sunt puse la dispoziia publicului(de exemplu, standardele europene, elaborate de Comitetul European deStandardizare CEN);

    standarde internaionale care sunt adoptate de organisme sauorganizaii internaionale cu activitate de standardizare i care sunt puse ladispoziia publicului (de exemplu, standardele elaborate de OrganizaiaInternnaional de Standardizare ISO).

    Standardele naionale romne sunt clasificate pe baza SistemuluiInternaional de Clasificare numeric a Standardelor (ICS), adoptatat de ASROncepnd cu anul 2001; ICS cuprinde trei niveluri ierarhice de clasificare:

    - nivelul 1, care conine 40 de sectoare (domenii) ale activitilor standardizate,simbolizate prin dou cifre; de exemplu 77 corespunde domeniului metalurgie;

    - nivelul 2, n care domeniile sunt mprite n 389 de grupe, notate cusimbolul domeniului, urmat de un punct i un grup de trei cifre; de exemplu grupa77.140 corespunde produselor metalurgice realizate din oeluri i fonte;

    - nivelul 3, n care o parte a grupelor sunt mprite n subgrupe, notareaacestora fcndu-se cu simbolulu grupei, urmat de un punct i un grup de doucifre; de exemplu, subgrupa 77.140.10 cuprinde oelurile pentru tratamente termice.

    Notarea standardelor romne se realizeaz prin folosirea unui indicativformat pe baza urmtoarelor reguli:

    pentru standardele aprobate nainte de 28 august 1992 notarea se facecu sigla STAS, urmat de numrul standardului i de ultimele dou cifre aleanului ediiei; de exemplu, STAS 791-88;

    pentru standardele aprobate dup 28 august 1992 notarea se face cu

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    55

    sigla SR (Standard Romn), urmat de numrul acordat standardului de ASRO ide anul ediiei; de exemplu, SR 13172:1993;

    pentru standardele romne identice cu cele internaionale se folosetesigla SR ISO, iar pentru cele identice cu standardele europene sigla SR EN,numerele acestor standarde fiind identice cu cele ale standardelor internaionalesau europene adoptate; de exemplu, SR ISO 9477:1992, SR EN 10207:1995.

    Diversitatea extrem de mare a oelurilor i fontelor i complexitateaactivitilor de obinere a produselor din aceste materiale, a impus reglementareaproducerii lor prin standarde naionale (care pot fi i de tipul SR ISO sau SR EN).

    Criteriul de identificare a unui oel sau a unei fonte este marca, prinstandardizarea creia se realizeaz o uniformizare planificat a compoziiei chimicei/sau a caracteristicilor principale, ceea ce nltur barierele tehnice din caleacomercializrii produselor din aceste materiale i face posibil cooperareatehnologic naional i internaional. Simbolurile cu ajutorul crora se noteazmrcile i clasele de calitate din cadrul unei mrci de oel sau de font sunt iruri delitere i cifre (simbolizare alfanumeric) sau numai cifre (simbolizare numeric),care conin informaii privind: caracteristicile mecanice principale, compoziiachimic, destinaia, metodele de obinere a semifabricatelor, gradul de dezoxidarela elaborare etc., sau pot fi convenionale, servind la identificarea mrcii, fr a dans vreo informaie despre caracteristicile de calitate ale materialului.

    La noi n ar, simbolizarea oelurilor i fontelor era reglementat pentrufiecare marc prin standardul dup care se producea materialul respectiv; nprezent, deoarece procesul de preluare a standardelor europene sau internaionaleca standarde naionale nu este finalizat, este operaional i vechiul sistem desimbolizare i sunt valabile toate standardele (nc nenlocuite sau anulate) privindoelurile, fontele i semifabricatele sau produsele realizate din aceste materiale.

    8.2. Clasificarea i simbolizarea oelurilor comerciale

    8.2.1. Clasificarea oelurilor comerciale

    Definirea i clasificarea mrcilor de oel este fcut conformSR EN 10020, n funcie de compoziia chimic determinat pe oelul lichid,considernd mprirea oelurilor n: oeluri nealiate i oeluri aliate.

    Conform standardului SR EN 10020, oelurile nealiate sunt cele la careconcentraiile masice ale elementelor determinate pe oelul lichid sau peprodusele realizate din acesta nu depesc valoarile limit prezentate n tabelul8.1, iar oelurile aliate sunt cele la care concentraia masic (determinat pe oelullichid sau pe produsele realizate din acesta) a cel puin unui element atinge sau

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    56

    depete valoarea limit precizat n tabelul 8.1.Att oelurile nealiate ct i oelurile aliate se mpart n clase principale

    de calitate, n funcie de gradul de puritate, de tehnologia de elaborare i denivelul prescripiilor pentru anumite caracteristici, aa cum se arat n schema dinfigura 8.1; n cadrul fiecrei clase principale exist subclase constituite n specialdup caracteristicile principale de utilizare ale oelurilor.

    Tabelul 8.1. Valorile limit (maxime) ale concentraiilor componentelor oelurilor nealiate

    Elementul Valoarea limit,% EAm,lim, %Elementul Valoarea limit,% EAm,lim, %

    Aluminiu 0,10 (0,30**) Plumb 0,40Bor 0,0008 Seleniu 0,10Bismut 0,10 Siliciu 0,50 (0,60**)Cobalt 0,10 (0,30**) Telur 0,10Crom* 0,30 Titan * 0,05Cupru* 0,40 Vanadiu* 0,10Mangan 1,65 Wolfram 0,10 (0,30**)Molibden* 0,08 Zirconiu 0,05Niobiu * 0,06 Altele 0,05 (0,10**)Nichel* 0,30

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

    Fig. 8.1. Schema de clasificare a oelurilor comercialeClasele principale de calitate sunt caracterizate n standardul

    SR EN 10020 astfel:A. Oelurile nealiate de uz general sunt oeluri ale cror caracteristici

    corespund prescripiilor prezentate n tabelul 8.2, nu necesit aplicarea detratamente termice pentru obinerea acestor caracteristici, nu au impuse condiiispeciale pentru nici un element component (cu excepia manganului i siliciului),nu au prescris nici o alt condiie de calitate i sunt obinute prin procedeetehnologice de elaborare obinuite.

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    57

    B. Oelurile nealiate speciale sunt oeluri cu caracteristici superioare celorcorespunztoare oelurilor de uz general, asigurate n special prin controlul rigurosal compoziiei chimice, puritii, proceselor tehnologice de elaborare i prinaplicarea tratamentelor termice de clire i revenire sau de durificare superficial.O marc de oel este inclus n categoria oelurilor nealiate speciale dacndeplinete una sau mai multe dintre urmtoarele condiii:

    are prescris energia de rupere KV n starea C + r (obinut prin cliremartensitic i revenire);

    are prescris adncimea de clire sau duritatea superficial n una dinstrile C, C + r sau Cs (obinut prin clire superficial);

    are coninut sczut de incluziuni nemetalice; are coninuturile de impurii %Pm, % Sm 0,025 %; are prescris o energia de rupere (determinat pe epruvete prelevate

    longitudinal din semifabricate sau produse) KV > 27 J la 50 oC,; este destinat durificrii prin precipitare, are %Cm 0,25 % , conine

    unul sau mai multe elemente de microaliere (Nb, V etc.) n concentraii caremenin oelul n categoria oelurilor nealiate, are structura ferito-perlitic, iardurificarea prin precipitare se realizeaz prin rcire controlat de la temperatura deprelucrare prin deformare la cald;

    are rezistivitatea electric < 0,11 m .Tabelul 8.2. Prescripiile privind caracteristicile oelurilor nealiate de uz general

    Caracteristica prescrisGrosimea

    produsului s,mm

    Prescripia

    Rezistena la traciune minim s 16 Rm,min 690 N/mm2Limita de curgere minim s 16 Re,min 360 N/mm2Alungirea procentual dup rupere minim s 16 Amin 26 %Energia de rupere minim, la +20 oC, peepruvete prelevate longitudinal din produse 10 s 16 KVmin 27 J

    Concentraia masic de carbon maxim %Cm,max 0,10 %

    Concentraia masic de fosfor maxim %Pm,max 0,045 %

    Concentraia masic de sulf maxim %Sm,max 0,045 %

    C. Oelurile nealiate de calitate sunt oeluri la care prescripiile privindcalitatea sunt mai severe dect la oelurile nealiate de uz general, fr s li seimpun condiii privind comportarea la TT sau gradul de puritate; n aceastcategorie sunt incluse oelurile nealiate care nu se ncadreaz n clasele A sau B.

    D. Oelurile aliate de calitate sunt oeluri destinate utilizrii n aplicaiisimilare celor corespunztoare oelurilor nealiate de calitate, care nu sunt destinateaplicrii de TT i care, pentru a realiza caracteristicile prescrise, necesit adaosuride elemente de aliere n concentraii ce depsesc nivelurile limit date n tabelul

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    58

    8.1; n categoria oelurilor aliate de calitate se ncadreaz:a) oelurile de construcie cu granulaie fin sudabile, oelurile pentru

    recipiente sub presiune i oelurile pentru evi, care ndeplinesc (simultan)condiiile:

    - au concentraii ale elementelor de aliere mai mici dect valorile limitprezentate n tabelul 8.3;

    - au limita de curgere minim (determinat pe produse cu s 10 mm)Rp0,2 < 380 N/mm2;

    - au energia de rupere (determinat pe epruvete prelevate longitudinal dinproduse) KV 27 J la 50 oC;

    b) oelurile pentru electrotehnic, care conin ca elemente de aliere numaisiliciul sau siliciul i aluminiul, introduse n scopul satisfacerii unor prescripiireferitoare la caracteristicile magnetice:

    c) oelurile pentru produse la care se fac prelucrri severe (cu grade maride deformare) prin deformare plastic la rece i care conin elemente ce asigurfinisarea granulaiei;

    d) oelurile bifazice (dualphase steel), care au (datorit TT aplicate) ostructur alctuit dintr-o matrice feritic i 1035 % formaiuni martensiticefine, uniform dispersate n matrice;

    e) oelurile la care singurul element de aliere prescris este cuprul.Tabelul 8.3. Limitele compoziiei chimice a oelurilor aliate de calitate

    cu granulaie fin, sudabile

    Elementul Valoarea limit, %EAm,lim, %Elementul Valoarea limit, %EAm,lim, %

    Crom* 0,50 Niobiu** 0,08Cupru* 0,50 Nichel* 0,50Lantanide ( fiecare) 0,06 Titan** 0,12Mangan 1,80 Vanadiu** 0,12Molibden* 0,10 Zirconiu** 0,12 Dac elementele marcate * i ** sunt prescrise n combinaie, valoarea limit a sumeiconcentraiilor lor se consider 0,7 lim,mEA ; pentru alte elemente se folosete tabelul 8.1.

    E. Oelurile aliate speciale sunt oeluri la care se impun condiii stricteprivind compoziia chimic, condiiile de elaborare i metodele de control alcalitii pentru a li se asigura caracteristici ridicate, prescrise cu abateri mici; naceast categorie se ncadreaz oelurile speciale de construcie, oelurile pentrupiesele destinate construciei de maini, oelurile pentru rulmeni, oelurileinoxidabile, oelurile refractare, oelurile pentru scule i oelurile cu proprietifizice speciale.

    n funcie de condiiile specifice de utilizare, pentru acelai tip de aplicaietehnic pot fi utilizate oeluri din mai multe clase (oeluri nealiate i/sau aliate).

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    59

    8.2.2. Simbolizarea oelurilor comerciale

    Simbolizarea alfanumeric a oelurilor este reglementat de standardulSR EN 10027-1, completat cu SR CR 10260, iar prescripiile privind simbolizareanumeric sunt cuprinse n standardul SR EN 10027-2.

    Conform SR EN 10027-1 simbolizarea alfanumeric cuprinde trei grupede simboluri (care se scriu fr spaii ntre ele): simboluri principale, careconstau din grupe de litere i cifre, simboluri suplimentare pentru oel, formatedin caractere alfanumerice scrise dup simbolurile principale i simbolurisuplimentare pentru produse, formate din caractere alfanumerice, separate desimbolurile oelului prin semnul + i care codific condiiile speciale impuseproduselor, tipul de acoperire a produselor sau o anumit stare de tratament aacestora.

    n funcie de semnificaiile simbolurilor principale, oelurile se mpart ndou categorii: oeluri simbolizate n funcie de utilizare i caracteristicimecanice sau fizice i oeluri simbolizate dup compoziia chimic.

    Structura i coninutul simbolurilor n funcie de utilizare i caracteristicipentru cele mai folosite categorii de oeluri sunt prezentate n tabelul 8.4; structurai coninutul simbolurilor dup compoziia chimic pentru cele mai utilizatecategorii de oeluri la care se folosete aceast modalitate de simbolizare suntredate, de asemenea, n tabelul 8.4.

    Simbolizarea numeric a mrcilor de oel este complementar simbolizriialfanumerice i se utilizeaz numai pentru oelurile care fac obiectul unor operaiicomerciale, acest tip de simbolizare fiind mai potrivit prelucrrii automate adatelor; simbolul const dintr-un numr fix de cifre i se aloc de ctre autoritateanaional sau european de standardizare, n urma unei cereri formulate deproductorul de oeluri.

    Pn la nlocuirea tuturor standardelor de oeluri aprobate nainte de 1992(standarde marcate cu sigla STAS) se menine (mpreun cu prescripiile desimbolizare anterior prezentate) i posibilitatea simbolizrii oelurilor conformacestor standarde, ce cuprind urmtoarele reguli:

    oelurile carbon (nealiate) pot fi (n funcie de calitate n care suntrealizate): oeluri de uz general, de calitate (cu compoziia chimic mai precisdelimitat i coninuturile de impuritti mai mici dect la oelurile de uz general)sau superioare (cu compoziia chimic mai precis delimitat i coninuturile deimpuritti mai mici dect la oelurile de calitate), iar oelurile aliate pot fiobinuite (de calitate) sau superioare;

    oelurile nealiate de uz general, oelurile microaliate i slab aliate cu

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    60

    granulaie fin i rezisten mecanic ridicat, oelurile nealiate pentru turnare npiese etc. se simbolizeaz n funcie de utilizare i caracteristici mecanice,simbolul fiind alctuit din o liter sau un grup de litere (OL n cazul oelurilorcarbon pentru construcii metalice i mecanice, R n cazul oelurilor pentru cazane irecipiente sub presiune ce funcioneaz la temperatur ambiant sau sczut, K ncazul oelurilor pentru cazane i recipiente sub presiune ce funcioneaz latemperatur ambiant sau ridicat, OCS n cazul oelurilor cu granulaie fin pentruconstrucii sudate, OLT n cazul oelurilor nealiate pentru evi etc.) i un numr carearat valoarea minim a Rm n N/mm2; de exemplu, OL 370 este un oel carbon de uzgeneral pentru construcii metalice i mecanice cu Rm 370 N/mm2 , iar OCS 510este un oel pentru construcii sudate cu Rm 510 N/mm2; simbolurile acestoroeluri pot fi completate cu litere sau cifre care indic gradul de dezoxidare, clasade calitate sau varianta tehnologic de elaborare ale oelului;

    oelurile nealiate i aliate, de calitate sau superioare, se simbolizeazdup compozia chimic, simbolul fiind alctuit astfel:

    n cazul oelurilor nealiate: un grup de litere (OLC n cazul oelurilorprelucrate prin deformare plastic pentru construcia de maini, OSC n cazuloelurilor carbon pentru scule, OSP n cazul oelurilor pentru pile, AUT ncazul oelurilor pentru prelucrarea pe maini unelte automate etc.), un numregal cu 100%Cm (sau cu 10%Cm n cazul oelurilor carbon pentru scule), %Cmfiind concentraia masic medie de carbon a mrcii de oel (valoarea mediearitmetic a limitelor intervalului prescris de standard pentru concentraiamasic a carbonului) i litera X, dac oelul este superior; de exemplu,OLC 45 este un oel carbon de calitate cu %Cm = 0,45 %, OLC 15 X este unoel carbon superior cu %Cm = 0,15 %, AUT 30 este un oel pentru prelucrareape maini unelte automate cu %Cm = 0,30 %, iar OSC 10 este un oel carbonpentru scule cu %Cm = 1 %;

    n cazul oelurilor aliate: litera T, dac oelul este destinat realizriipieselor turnate, un numr egal cu 100%Cm (%Cm avnd aceeai semnificaieca la oelurile nealiate), simbolurile chimice ale elementelor de aliere, scrise nordinea cresctoare a importanei lor (sau n ordinea cresctoare a concentraieilor masice), un numr egal cu 10%EAp, %EAp fiind concentraia masic mediea elementului de aliere principal (scris ultimul n structura simbolului) i delitera X, dac otelul este superior; de exmplu, T 15MoNiCr180 este un oelpentru turnare n piese cu %Cm = 0,15 %, aliat cu Mo, Ni i Cr, elementul dealiere principal fiind cromul, aflat n concentraia %Crm = 18 %, iar 42MoCr11 Xeste un oel superior (destinat realizrii de semifabricate prelucrate prin deformareplastic la cald pentru construcia de maini) cu %Cm = 0,42 %, aliat cu Mo i Cr,elementul de aliere principal fiind cromul, aflat n concentraia %Crm = 1,1 %.

  • Tabelul 8.4. Principalele date privind simbolizarea oelurilor comercialeA. Oeluri simbolizate n funcie de caracteristici

    Categoria oelurilor Exemplu

    KV, J27 40 60

    Simbolizare

    T,oC

    JR KR LR 20J0 K0 L0 0J2 K2 L2 20J3 K3 L3 30J4 K4 L4 40J5 K5 L5 50J6 K6 L6 60

    Oeluri pentruconstrucii S

    nnn Re sau Rp02min., n N/mm2,

    pentru cele mai micigrosimi

    C formare la receE emailareF forjareL temperat. sczutN normalizatO platforme marineQ clit i revenitS construcii navaleT eviW rezistent la coroziune

    atmosfericG alte caracteristici (grad

    de dezoxidare etc..)

    S235J2G3- oel cu Re 235N/mm2,

    la care se garanteazKV = 27 J la 20 oC,calmat complet (G3);

    - simbolizare veche:OL 370.4.k

    Oteluri pentrurecipiente sub

    presiuneP

    nnn Re sau Rp02min., n N/mm2,

    pentru cele mai micigrosimi

    B recipiente de gazM laminat termomec.N normalizatQ clit i revenitS pentru recip. simpleT pentru eviG alte caracteristici

    H temperat. ridicatL temperat. sczutR temperat. ambiantX temperatur ridicat i

    temperatur sczut

    P265GH- oel pentru recipiente

    sub presiune cuRe = 265 N/mm2 i

    caracteristici specificatela temperaturi ridicate

    - simbolizare veche :K 410

    Oeluri pentru evidestinate

    conductelorL

    nnn Re sau Rp02 min.,n N/mm2, pentru

    cele mai mici grosimi

    M laminat termomec.N normalizatQ clit i revenitG alte caracteristici

    L360Q- oel pentru evi cuRp02 360 N/mm2,

    n stare clit i revenit

  • Tabelul 8.4. Principalele date privind simbolizarea oelurilor comerciale continuare

    Oeluri pentru piesedestinate construciei

    de mainiE

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

    mai mici grosimi

    G alte caracteristici(grad de dezoxidare etc.) C destinat tragerii la rece

    E335- oel cu Re 335

    N/mm2

    - simbolizare vecheOL 60

    Oeluri pentru inede cale ferat R

    nnn Rm min., nN/mm2

    Mn coninut ridicat demangan

    G alte caracteristiciQ clit i revenit

    R0900Mn- oel cu Rm 900

    N/mm2, cu coninut demangan precizat

    Oeluri pentruproduse plate

    destinate ambutisriiD

    Cnn laminat la receDnn laminat la caldpentru formare direct

    la rece(cifrele desemneaz

    caliti diferite)

    EK pentru emailare la rece convenionalED pentru emailare directan simbolul chimic al elementului precizat urmat

    eventual de o cifr care reprezint de 10 x mediaintervalului precizat al acestui element

    DC04EK- oel laminat la rece

    pentru emailareconvenional

    B. Oeluri simbolizate n funcie de compoziia chimicB1. Oeluri nealiate cu %Mnm < 1%

    Categoria oelurilor Exemplu

    Oeluri nealiate cu%Mnm < 1%

    (cu excepia celorpentru automate)

    C nnn 100 %Cm

    E cu un conninut maximde sulf precizat;

    D pentru trefilarea srmei;C pentru formarea la rece;S pentru arcuri;U pentru scule;W pentru srme electrozi;G alte caracteristici

    an EA[10%EAm]

    C35E4- oel carbon cu

    %Cm = 0,35 % i coninutprecizat de sulf;

    - simbolizare veche:OLC 35 X

  • Tabelul 8.4. Principalele date privind simbolizarea oelurilor comerciale continuareB2. Oeluri nealiate cu %Mnm 1% i oeluri aliate

    Categoria oelurilor Exemplu

    nnk1%EAm1kj%EAmj

    kn%EAmn

    Element FactorulkjCr,Co,Mn,Ni,Si,W 4

    Al,Be,Cu, Mo,Nb,Pb,Ta,Ti,V, Zr; 10

    Ce, N, P, S; 100

    Oeluri nealiate cu%Mnm 1%, oeluri

    nealiate pentruautomate i oeluri

    aliate cu %EAmj < 5 %,j = 1n

    nnn 100 %Cm

    a EA1EAjEAn

    concentraiaB 1000

    13CrMo45- oel cu

    %Cm 0,13%,%Crm 1,0%,%Mom 0,5%

    - simbolizare veche14MoCr10

    Oeluri aliate cu%EAmj 5 %, j = 1...n(cu excepia oelurilor

    rapide)

    X nnn 100 %Cm a EA1EAjEAn

    concentraia

    nnk1%EAm1kj%EAmj

    kn%EAmn

    X6CrNiTi1810- oel cu %Cm = 0,06%,

    %Crm = 18%, %Nim = 10%,stabilizat cu Ti ;

    - simbolizare veche:10TiNiCr180

    Oeluri rapide HS nnnn %Wm%Mom%Vm%Com

    HS2-9-1-8- oel rapid cu%Wm = 2%,

    %Mom = 9%,%Vm =1%,

    %Com = 8%

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    64

    8.3. Oelurile carbon cu destinaie general

    8.3.1. Oelurile carbon de uz general

    n aceast categorie sunt incluse oelurile (hipoeutectoide) livrate subform de semifabricate prelucrate prin deformare plastic la cald (laminare,forjare), destinate realizrii structurilor metalice (construcii civile, poduri,instalaii de ridicat i transportat, construcii metalice pentru utilajul petrolier,petrochimic i de rafinrii, stlpi, piloni etc.) sau mecanice (piese pentruconstrucia de maini) cu solicitri mici sau moderate n exploatare.

    Produsele laminate din astfel de oeluri se livreaz de regul netratatetermic sau n starea obinut dup normalizare, iar produsele obinute prin forjarese livreaz n starea obinut dup TT de normalizare sau de recoacere complet.

    Aceste oeluri nu sunt destinate aplicrii tratamentelor termice sautermochimice, astfel c produsele realizate din astfel de materiale aucaracteristicile mecanice ale semifabricatelor n stare de livrare. Caracteristicileimpuse de o anumit aplicaie se pot asigura alegnd corespunztor concentraiade carbon i tehnologia de elaborare, n special, gradul de dezoxidare, din acestpunct de vedere existnd dou tipuri de oeluri: oeluri calmate (dezoxidatecomplet la elaborare cu siliciu, mangan i aluminiu) i oeluri necalmate(nedezoxidate complet la elaborare); oelurile calmate au o structur omogen,prezint rezisten mecanic bun (datorit efectului de durificare pe care l auincluziunile nemetalice uniform distribuite n structura oelului), darprelucrabilitatea lor prin deformare plastic la rece este relativ redus, n timp ceoelurile necalmate sunt mai ieftine, se prelucreaz mai bine prin deformareplastic la rece, dar prezint pericolul fragilizrii prin mbtrnire (v. scap. 4.3.2)i de aceea nu se recomand a fi utilizate pentru realizarea de construcii sudate.

    Oelurile carbon de uz general se produc conform STAS 500, care prevedemprirea acestor oeluri dup garaniile date la livrare n patru clase de calitate:clasa 1 cu garanii privind compoziia chimic i caracteristicile mecanice latraciune i ndoire la rece, clasa 2 cu garanii suplimentare (fa de clasa 1)privind energia de rupere la 20 oC, clasa 3 cu garanii suplimentare privindenergia de rupere la 0 oC i clasa 4 cu garanii suplimentare privind energia derupere la 20 oC. De exemplu, marca de oel simbolizat (conform STAS 500)OL 370.4k, corespunde unui oel nealiat cu Rm 370 N/mm2, elaborat n clasa decalitate 2 i calmat (indicaie dat de litera k din simbol); conform noului sistemde simbolizare, aceast marc de oel (care are limita de curgere Re 235 N/mm2)se simbolizeaz S235J2G3 (v. tabelul 8.4).

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    65

    8.3.2. Oelurile carbon de calitate

    Aceste oeluri carbon sunt utilizate sub form de semifabricate realizateprin deformare plastic, au tehnologiile de elaborare mai complexe dect celefolosite la oelurile de uz general i sunt destinate fabricrii pieselor care setrateaz termic i/sau termochimic pentru obinerea caracteristicilor mecaniceimpuse de condiiile lor de utilizare.

    Oelurile din aceast categorie sunt hipoeutectoide (cu structura deechilibru la ta alctuit din ferit i perlit) i se pot clasifica, n funcie de TTfinal care asigur cele mai bune caracteristici de utilizare produselor, n: oeluripentru carburare (cementare), care au %Cm 0,25 % i oeluri pentrumbuntire (clire martensitic + revenire nalt v. scap. 6.5), care auconcentraia masic de carbon 0,25% < %Cm 0,6%.

    Conform STAS 880, care reglementeaz la noi n ar producerea oelurilorcarbon de calitate, acestea pot fi elaborate i ca oeluri superioare (marcate culitera X dup simbolul recomandat de STAS 880), pentru care se prevd condiiisuplimentare privind puritatea i caracteristicile tehnologice sau ca oeluri cuconinut controlat de sulf (marcate cu litera S dup simbolul recomandat deSTAS 880), la care %Sm = 0,0200,040 %.

    Oelurile carbon de calitate se utilizeaz sub form de produse plate iprofile laminate la cald, semifabricate pentru forjare, srme laminate i trase,produse tubulare, destinate fabricrii pieselor cu solicitri mici i moderate nexploatare; oelurile pentru cementare se utilizeaz la confecionarea pieselorsupuse la uzare, oboseal i/sau solicitri cu oc, deoarece dup tratamentulcomplet de cementare (v. scap. 6.6.2) se obin piese cu stratul superficialmbogit n carbon (cu structur martensitic) dur i rezistent la uzare i lafisurare prin oboseal i cu miezul rezistent i tenace (datorit coninutului sczutde carbon al oelului), iar oelurile pentru mbuntire se folosesc pentrufabricarea pieselor supuse n exploatare la solicitri mecanice medii sau chiarridicate. La alegerea oelurilor din aceast categorie trebuie s se in seama c auclibilitatea redus (v. scap. 6.4.2 i 7.4.), ceea ce permite utilizarea lor n specialla piesele cu seciuni mici.

    Deoarece alegerea TT ce trebuie aplicat pieselor fabricate din aceste oelurieste dependent de coninutul lor de carbon, oelurile din aceast categorie sesimbolizeaz dup compoziia chimic; de exemplu, marca simbolizat (conformSTAS 880) OLC 15 sau (conform SR EN 100271) C15 corespunde unui oelpentru cementare cu %Cm = 0,15 %, iar marca simbolizat (conform STAS 880)OLC 45 sau (conform SR EN 100271) C45 corespunde unui oel pentrumbuntire cu %Cm = 0,45 %.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    66

    8.4. Oelurile aliate pentru construcia de maini

    Oelurile din aceast categorie sunt oeluri slab i mediu aliate, care facparte (conform SR EN 10020) din categoria oelurilor aliate speciale i seutilizeaz pentru realizarea elementelor (pieselor) puternic solicitate n exploatareale construciilor mecanice (maini i utilaje). Combinaia optim acaracteristicilor de utilizare (care asigur valori ridicate pentu rezistena latraciune, limita de curgere, alungirea procentual dup rupere, energia de rupere,rezistena la oboseal, rezistena la uzare etc., realiznd o valorificare maxim aprezenei elementelor de aliere) se obine la produsele confecionate din astfel deoeluri numai dup aplicarea unor tratamentelor termice sau termochimice finaleadecvate; ca urmare, oelurile aliate pentru construcia de maini se pot clasifica,n funcie de tratamentul final care trebuie aplicat (obligatoriu) produselorrealizate din aceste materiale, n: oeluri pentru carburare (cementare) saucarbonitrurare, care au %Cm 0,25 % i oeluri pentru mbuntire (cliremartensitic + revenire nalt v. scap. 6.5), care au concentraia masic decarbon 0,25% < %Cm 0,6%.

    Producerea oelurilor aliate pentru semifabricatele prelucrate prindeformare plastic destinate realizrii pieselor pentru construcia de maini estereglementat la noi n ar de STAS 791, care prevede elaborarea lor att caoeluri aliate obinuite, pentru care se impune ca %Smax, %Pmax 0,035 %, ct ica oeluri aliate superioare, la care se prescrie un nivel mai sczut al coninuturilorde impuriti (%Smax, %Pmax 0,025 %). Producerea i comercializareasemifabricatelor deformate plastic la cald din oeluri aliate superioare pentrumbuntire este reglementat n prezent i de standardul SR EN 100831:1997,care conine reglementri mai stricte (dect STAS 791) privind caracteristicilemecanice i condiiile de livrare.

    Oelurile aliate pentru construcia de maini fac parte din clasa structural aoelurilor perlitice (v. scap. 7.5). Datorit influenei elementelor de aliere asupravitezei de rcire critice vrc, clibilitatea acestor oeluri este mai mare dect ceacorespunztoare oelurilor carbon i este posibil (de exemplu) ca, n cazulfolosirii oelurilor pentru cementare, tratamentul de clire s aib efect i asupramiezului pieselor (determinnd obinerea unor structuri de tip martensitic saubainitic, cu coninuturi reduse de carbon i caracteristici ridicate de rezistenmecanic i tenacitate), ceea ce d posibilitatea realizrii unor produse cucaracteristici mecanice superioare celor asigurate la produsele confecionate dinoeluri carbon; pentru a valorifica corespunztor aceste proprietti tehnologice aleoelurilor aliate, att STAS 791, ct i SR EN 10083 includ i benzile de

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    67

    clibilitate pentru cele mai utilizate oeluri (v. scap 6.4.2), fiind prescrisncadrarea ntr-o banda normal (extins) a oelurilor obinuite i ncadrarea ntr-obanda ngust a oelurilor cu clibilitate garantat.

    Oelurile aliate pentru construcia de maini pot fi grupate, n funcie deelementul principal de aliere EAp, n urmtoarele tipuri.

    a) Oelurile avnd ca element de aliere principal cromul. Cromulintrodus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediualiate) contribuie la creterea rezistenei mecanice, fr s afecteze substanialtenacitatea (creterea cu un procent a %Crm mrete Rm cu 80100 N/mm2 idetermin o scdere a A cu numai 1,5 %) i mrete clibilitatea. Deoarecemanganul are aproape aceleai efecte asupra clibilitii, dar este mult mai ieftin,n practic se utilizeaz i oeluri Cr Mn, (%Crm = 0,81,3 %;%Mnm = 0,81,4 %); manganul favorizeaz ns creterea excesiv a granulaieila nclzire, astfel c oelurile de tipul Cr Mn se aliaz suplimentar cutitan (%Tim = 0,0300,090 %) sau vanadiu (%Vm = 0,100,20 %).

    Cromul i manganul favorizeaz apariia fenomenului de fragilitate reversibilla revenire (v. scap 7.4), ce nu se produce dac oelurile sunt aliate suplimentar cumolibden (%Mom = 0,150,30 %); oelurile Cr Mo sau Cr Mn Mo suntpreferate n multe aplicaii tehnice, datorit proprietilor lor tehnologice (nuprezint fragilitate la revenire) i efectelor favorabile pe care le are alierea cu Moasupra proprietilor de utilizare ale acestora (creterea rezistenei mecanice, arezistenei la uzare i a rezistenei la oboseal).

    STAS 791 cuprinde mai multe mrci de oeluri avnd cromul ca EAp, dincare mrcile 15Cr08, 17MnCr10, 20TiMnCr12, 19MoCr11 (simbolizate conformSR EN 100271: 15Cr3, 17CrMn44, 20CrMnTi441, 19CrMo42) corespundunor oeluri pentru cementare, iar mrcile 40Cr10, 34MoCr11, 42MoCr11,51VMnCr11 (simbolizate conform SR EN 100271: 40Cr4, 34CrMo42,42CrMo42, 51CrMnV441) unor oeluri pentru mbuntire.

    b) Oelurile avnd ca element de aliere principal nichelul. Nichelulintrodus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediualiate) trece complet n masa lor structural de baz (are solubilitate bun n Fe v. tabelul 7.1), mrind rezistena mecanic i tenacitatea i mbuntindclibilitatea oelurilor. De asemenea, nichelul micoreaz sensibilitatea lasupranclzire i finiseaz granulaia oelurilor. Deoarece este un metal scump,pentru piesele destinate construciei de maini nu se folosesc de obicei oelurialiate numai cu nichel, recurgndu-se la reete de aliere complexe, de tipul:Ni Cr, Ni Mo, Ni Cr Mo, att n cazul oelurilor pentru cementare saucarbonitrurare, din care STAS 791 cuprinde mrcile 17CrNi16, 20MoNi35,17MoCrNi14 (simbolizate conform SR EN 100271: 17NiCr64, 20NiMo142,

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    68

    17NiCrMo642), ct i n cazul oelurilor pentru mbuntire, din careSTAS 791 cuprinde mrcile 40CrNi12, 30MoCrNi20, 34MoCrNi16 (simbolizateconform SR EN 100271: 40NiCr54, 30NiCrMo882, 34CrNiMo662).

    c) Oelurile avnd ca element de aliere principal manganul. Manganulintrodus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediualiate) contribuie la creterea caracteristicilor de rezisten mecanic (Rm i Rp0,2),micornd numai puin caracteristicile de plasticitate (A sau Z). Aa cum s-aartat anterior, manganul mrete clibilitatea oelurilor n aceeai msur ca icromul i este un element de aliere ieftin. Oelurile aliate cu mangan suntsensibile la supranclzire (granulaia acestora crete mult dac sunt nclzite latemperaturi ridicate sau sunt meninute timp ndelungat n domeniul austenitic)i prezint fenomenul de fragilizare la revenire, iar la piesele realizate prindeformare plastic la cald din astfel de oeluri se obine o structur n benzi(alctuit din iruri alternante de ferit i perlit, orientate n direcia dedeformare plastic), care confer acestor piese o anizotropie avansat aproprietilor mecanice (raportul dintre energia de rupere determinat peepruvete prelevate longitudinal i cea determinat pe epruvete prelevatetransversal pe direcia de deformare poate ajunge la 4:1); aceast din urmparticularitate face ca oelurile cu mangan s se utilizeze n special pentrurealizarea de semifabricate turnate sau pentru obinerea semifabricatelorprelucrate prin deformare plastic la cald destinate pieselor solicitate uniaxial nexploatare (bare de traciune, tije pentru pompe etc.). Evitarea fragilizrii larevenire i reducerea sensibilitii la supranclzire se realizeaz la aceste oeluriprin alierea suplimentar cu Mo, V sau Ti.

    STAS 791 cuprinde urmtoarele mrci de oeluri din aceast categorie:31VMn12, 35Mn14, 43MoMn16, 35VMoMn14 (simbolizate conformSR EN 100271: 35Mn6, 43MnMo62, 35MnMoV621).

    d) Oelurile avnd ca element de aliere principal aluminiul. Acesteoeluri sunt destinate pieselor la care se aplic tratamentul termochimic de nitruraren vederea obinerii unei rezistene ridicate la uzare (v. scap. 6.6.3). Compoziiachimic de baz a unui astfel de oel este cea corespunztoare oelurilor dembuntire Cr Mo, la care se adaug %Alm = 0,61,1 %; de exemplu, marcade oel 38MoAlCr15 cuprins n STAS 791 (simbolizat conform SR EN 10027138AlCrMo1061) are compoziia caracterizat de %Cm = 0,36...0,40 %,%Crm = 1,351,65 %; %Alm = 0,701,1 % i %Mom = 0,150,25 %.

    e) Oelurile avnd ca element de aliere principal siliciul. Siliciulintrodus n oeluri (n concentraiile corespunztoare oelurilor slab i mediualiate) contribuie la creterea limitei de elasticitate, a rezistenei la uzare, arezistivitii electrice i a permeabilitii magnetice i micoreaz sensibilitateaacestora la supranclzire. Pentru a conferi pieselor pentru construcia de maini

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    69

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

    8.5. Oelurile pentru construcii sudate

    8.5.1. Particularitile realizrii construciilor sudate

    Prin sintagma construcii sudate se denumesc n cadrul acestuisubcapitol structurile mecanice obinute din mai multe elemente metalice mbinatentre ele cu ajutorul unui procedeu de sudare prin topire. Sudarea printr-un astfelde procedeu este rezultatul unei activri termice importante, care determinnclzirea local (cu ajutorul unei surse termice adecvate) a materialului pieselorsupuse sudrii (numit material de baz MB) la temperaturi superioaretemperaturii lui ts; prin topirea marginilor pieselor i, eventual, a unui materialde adaos MA, se formeaz ntre piese o baie de material metalic topit BMT,care se transform prin solidificare ntr-o custur sudat CUS.

    Fig. 8.2. Elemntele caracteristice realizrii mbinrilor sudate prin topireRealizarea mbinrilor sudate prin topire presupune prelucrarea prealabil a

    marginilor pieselor care trebuie mbinate n scopul obinerii unui rost de sudare,avnd, aa cum se arat n figura 8.2, configuraia definit de urmtorii parametrigeometrici: deschiderea b, unghiul , rdcina c, lungimea L i, eventual, limea

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    70

    l i raza r. n funcie de grosimea pieselor care se mbin prin sudare, CUS poatefi realizat din unul sau mai multe rnduri, un rnd fiind partea din CUSrealizat la o singur deplasare a sursei termice de sudare n lungul rostului desudare, iar rndurile situate la acelai nivel alctuiesc straturile CUS; rnduriledepuse prin sudare i custurile sudate se caracterizeaz prin urmtorii parametriigeometrici: ptrundera p, limea lc i supranlarea h. Pentru a defini gradul departicipare a MB i MA la formarea unei CUS se definesc parametrii pMB (numitparticiparea MB) i pMA (numit participarea MA), cu relaiile:

    ;MAMB

    MBMB SS

    Sp+

    = MAMB

    MAMA SS

    Sp+

    = , (8.1)

    n care SMB i SMA sunt ariile precizate n figura 8.2.O parte din energia sursei termice utilizate la sudarea prin topire

    produce nclzirea (cu o vitez vi) la ti < ts a unei zone din MB adiacente loculuide formare a CUS; prin deplasarea sursei termice n direcia de sudare, odat curcirea bii de metal topit formate n rostul dintre piese i realizarea CUS, are loci rcirea acestei zone din MB cu o vitez medie vr. Ca urmare a acestui proces, ntimpul sudrii orice punct situat n zona din MB adiacent CUS este supus unuiciclu termic caracterizat de parametrii vi, ti < ts i vr , iar ansamblul tuturorciclurilor termice din aceast zon este denumit cmp termic de sudare.Aciunea ciclurilor termice care alctuiesc cmpul termic la sudare determin, nfuncie de valorile parametrilor ce le caracterizeaz, modificarea structurii iproprietilor mecanice ale materialului pieselor supuse sudrii i generarea unuicmp de tensiuni mecanice reziduale, motiv pentru care zona adiacent CUSafectat de aciunea ciclurilor termice este denumit zon influenat termic(sau zon influenat termomecanic) ZIT.

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

    Pe baza celor prezentate rezult c mbinrile sudate prin topire dinalctuirea construciilor sudate prezint trei zone caracteristice: CUS, ZIT iMB, care se pot evidenia clar i pe imaginile macrostructurilor mbinrilorsudate, de tipul celor prezentate n figura 8.3.

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    71

    8.5.2. Formarea CUS la sudarea prin topire a oelurilor

    Aa cum s-a precizat anterior, CUS se formeaz prin solidificarea BMT,ce se realizeaz, n rostul dintre piesele care trebuie mbinate, prin topireamarginilor pieselor i a unui MA (sub form de electrozi nvelii, vergele, srmeetc.).

    BMT se afl de obicei n contact cu un strat de zgur lichid (realizat printopirea nveliului electrozilor sau unui flux de sudare) i cu atmosfera(protectoare) din jurul sursei termice utilizate la sudare; datorit interaciunii cuaceste dou medii, BMT sufer transformri de natur metalurgic (chimic):mbogire n gaze (O2, H2, N2), dezoxidare, desulfurare, defosforare, aliere etc.Deoarece are volum redus i este supranclzit i agitat sub aciuneaconcentrat a sursei termice, BMT are compoziia chimic omogen, iarconcentraia n BMT i n CUS care se obine prin solidificarea acesteia a oricruicomponent %EAm,CUS se poate estima cu relaia:

    mMAmMAMBmMBCUSm EAEApEApEA %%%% ,,, += , (8.2)n care %EAm,MB este concentraia masic a componentului n MB,%EAm,MA concentraia masic a componentului n MA, iar %EAm pierderile() sau aporturile (+) de component datorit interaiunii BMT cu zgura iatmosfera din jurul sursei termice.

    Aspectele prezentate conduc la concluzia c att BMT, ct i CUS care seformeaz prin solidificarea acesteia, au (n general) o compoziie chimic diferit deale MB i MA; deoarece structura i proprietile mecanice ale materialelor metalicedepind esenial de compoziia lor chimic, rezult c asigurarea unei compoziiichimice favorabile a BMT, prin alegerea judicioas a cuplului MB MA , anveliului electrozilor, a fluxurilor de sudare, a gazelor de protecie etc. i prinrealizarea unor valori adecvate ale pMB i pMA, este unul din mijloacele cele maieficiente prin care se poate aciona n vederea obinerii unei CUS de calitate.

    Structura CUS reflect direct particularitile cristalizrii primare a BMT(v. fig. 8.4):

    cristalizarea BMT este dirijat; ntre materialul de la suprafaa bii, aflatsub aciunea sursei termice concentrate i materialul mai rece situat n zona decontact dintre BMT i MB (care constituie suportul BMT) se creaz gradienitermici pe direcia crora se deplaseaz frontul de solidificare i se dezvoltcristalele CUS de form columnar;

    cristalizarea este intermitent; dup fiecare secven de cristalizare,datorit eliberrii de energie termic, materialul metalic din BMT este nclzit icristalizarea sa este ntrerupt pn cnd transferul de cldur spre MB asigur

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    72

    realizarea subrcirii necesare continurii solidificrii; cristalizarea se realizeaz cu un numr redus de germeni cristalini; n

    mod obinuit germinarea cristalelor CUS se produce pe cristalele MB aflate ncontact cu BMT (pe linia de fuziune);

    viteza de cretere a cristalelor CUS este mare, iar forma acestor cristaleeste celular dendritic (dendrite dezvoltate din cristalele MB pe care s-auformat germenii cristalelor CUS).

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

    n morfologia CUS se evideniaz efectele combinate ale cristalizriiprimare a BMT n condiiile precizate mai nainte; CUS prezint, aa cum se poateobserva n figura 8.4, o alctuire n straturi, datorit solidificrii intermitente,combinat cu o alctuire columnar, datorit creterii dirijate a formaiunilorcristaline pe direcia gradientului maxim de temperatur (variabil n timp).

    Structura primar (forma i dimensiunile cristalelor, modul de distribuire aincluziunilor nemetalice etc.) influeneaz esenial caracteristicile mecanice aleCUS. Dac aliajul (oelul) ce corespunde compoziiei chimice a CUS prezinttransformri de faz n stare solid, CUS va suferi i un proces de cristalizaresecundar i n urma desfurrii acestuia structura CUS se modific; influenastructurii primare asupra proprietilor CUS se menine ns, deoarece unelecaracteristici ale acesteia (granulaia, distribuia incluziunilor nemetalice etc.) nusunt eliminate ci numai estompate (mascate) de cristalizarea secundar.

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    73

    8.5.3. Transformrile structurale n ZIT la sudareaprin topire a oelurilor

    Existena cmpului termic n ZIT poate determina desfurarea unortransformri structurale importante n aceast zon, caracterul acestor transformridepinznd de compoziia chimic a MB i de parametrii ciclurilor termice. Pentrua evidenia principalele aspecte legate de transformrile structurale n ZIT, seconsider cazul sudrii oelurilor cu coninut sczut de carbon; folosinddiagramele prezentate n figura 8.5 i considernd c ti i vr sunt parametriiprincipali ce caracterizeaz posibilitile de transformare structural a MB subaciunea unui ciclu termic, ZIT poate fi mprit n urmtoarele zubzone (fii):

    fia I (de supranclzire) conine punctele n care tcg ti < ts(tcg temperatura deasupra creia se produce creterea excesiv a cristalelor deaustenit, iar ts temperatura de solidificare topire a MB); la rcirea austenitei(supranclzite, cu gruni grosolani) din aceast fie este favorizat formareastructurilor n afar de echilibru (martensit, bainit), cu rezisten mecanic iduritate ridicate, dar cu tenacitate i rezisten la fisurare sczute;

    fia II (de normalizare) conine punctele n care A3 ti < tcg; n aceastfie se obine la nclzire austenit cu granulaie fin, care se transform larcire, n funcie de mrimea vitezei de rcire vr, n structuri perlitice,asemntoare celor obinute prin aplicarea TT de normalizare sau n structuri declire, care au ns proprieti de plasticitate mai bune dect cele corespunztoarestructurilor din fia de supranclzire;

    fia III ( de austenitizare incomplet) conine punctele n care A1 ti < A3;n aceast fie se obine la nclzire o structur bifazic format din austenit iferit, care se transform la rcire n structuri feritoperlitice, asemntoare celorcare se obin prin aplicarea TT de recoacere incomplet sau, dac vr este mare, nstructuri alctuite din martensit i ferit, asemntoare celor care se obin princlirea incomplet;

    - fia IV (neaustenitizat ) conine punctele n care tr ti < A1; n aceastfie se produc modificri de structur numai dac MB a fost ecruisat anterior prindeformare plastic la rece i ciclurile termice de sudare produc recristalizareaprimar a materialului (prin care se elimin ecruisarea i textura de deformare) saudac MB a fost supus anterior unui TT de clire i revenire, cu temperatura derevenire inferioar ti i ciclurile termice de sudare continu transformrile larevenire nefinalizate n timpul aplicrii TT.

    Parametrii ciclurilor termice de sudare i, ca urmare, structurile n ZIT potfi modificate acionnd asupra regimului de sudare sau folosind prenclzirea MB

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    74

    n zona de sudare (pentru micorarea gradienilor termici ntre CUS i MB imicorarea vr a ciclurilor termice). Structurile ZIT i CUS i strile de tensiunireziduale din mbinrile sudate pot fi modificate, de asemenea, aplicndconstruciilor sudate diverse TT postsudare: recoacerea de detensionare,recoacerea complet, normalizarea, mbuntirea etc.

    Din cele prezentate rezult c sudarea influeneaz complex structura icaracteristicile materialului din ZIT, ceea ce impune ca oelurile destinaterealizrii construciilor sudate s aib nsuirile tehnologice nglobate de noiuneade sudabilitate, definit ca fiind aptitudinea unui oel ca printr-un anumitprocedeu i pentru un anumit scop s asigure n mbinrile sudate caracteristicilelocale i generale prescrise pentru o construcie sudat.

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

    Factorul principal de apreciere a sudabilitii este comportarea metalurgicla sudare, care exprim modul cum reacioneaz un oel fa de aciunea unuianumit proces de sudare, aciune localizat n principal n ZIT. Apreciereasudabilitii unui oel pe baza comportrii metalurgice la sudare se faceconsidernd drept criteriu principal compoziia chimic a oelului. Deoarece seurmrete obinerea n ZIT a unor structuri ct mai aproape de echilibru, cucaracteristici de tenacitate ridicate, oelurile destinate construciilor sudate trebuies aib compoziia chimic stabilit astfel nct vrc s fie ct mai mare (pentru a fi

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    75

    favorizate transformrile cu difuzie la rcirea austenitei), condiie ce estendeplinit dac se impune ca oelurile s aib coninuturi reduse de carbon i deelemente de aliere; pentru a aprecia comportarea metalurgic la sudare a oelurilor(din clasa structural a oelurilor perlitice) s-a definit (pe baza rezultatelor unorcercetri experimentale riguroase) mrimea numit carbon echivalent %Ce:

    15

    %%5

    %%%6

    %%% mmmmmmme

    NiCuMoVCrMnCC ++++++= (8.3)

    i s-a stabilit c oelurile cu sudabilitate bun (care se pot suda uor, cu procedeelede sudare cele mai economice i fr msuri tehnologice speciale la sudare:prenclzire, TT postsudare etc.) sunt oelurile care ndeplinesc simultan criteriile:%Cm < 0,200,22 % i %Ce < 0,400,45 %.

    8.5.4. Oelurile nealiate pentru construcii sudate

    n aceast categorie sunt incluse oeluri nealiate de uz general i de calitate(conform SR EN 10020 - v. scap 8.2) destinate fabricrii de elemente pentruconstrucii sudate exploatate la ta.

    Producerea acestor oeluri este reglementat la noi n ar de standardulSR EN 10025+A1, mrcile de oel destinate construciilor sudate fiind: S185,S235, S275 i S335; mrcile S235, S275 i S335 se pot livra n clasele de calitateJR, J0, J2, pentru S335 prevzndu-se i posibilitatea livrrii n clasa de calitateK2 (v. tabelul 8.4).

    Pentru asigurarea sudabilitii, toate mrcile de oel au concentraia decarbon limitat %Cm c0 [0,19 %; 0,27 %], valoarea maxim c0 fiind precizatn funcie de marca oelului i de grosimea pieselor care se sudeaz, iar obinereacaracteristicilor mecanice prescrise fiind asigurat prin creterea concentraieimanganului la %Mnm = 1,501,70 %; pentru fiecare marc de oel sudabilitateacrete de la clasa JR la clasa K2 i se poate aprecia cu ajutorul %Ce, determinat curelaia (8.3), valoarile maxime admise ale acestui parametru fiind date n standard,n funcie de clasa de calitate i de grosimea pieselor care se sudeaz.

    n funcie de gradul de dezoxidare oelurile pot fi necalmate sau calmatecu diferite grade de dezoxidare, n stare necalmat putndu-se livra numaiprodusele cu grosimi mai mici de 25 mm din oelurile S185 sau S235.

    Oelurile din aceast categorie nu sunt destinate aplicrii de TT pentruobinerea caracteristicilor mecanice; excepie fac produsele realizate prin laminarenormalizant, la care deformarea plastic final se face ntr-un interval detemperaturi prescris, astfel nct la rcire se realizeaz n material structuracorespunztoare aplicrii unui TT de normalizare. De asemenea, deoarece sudareaeste o metod tehnologic care introduce tensiuni reziduale de valori ridicate,

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    76

    construciile sudate realizate din astfel de oeluri se pot supune (postsudare) unuiTT de recoacere de detensionare.

    Oelurile nealiate pentru construcii sudate se regsesc printre oelurileproduse conform STAS 500 (mrcile OL370, OL440, OL510), dar standardulSR EN 10025+A1 reglementeaz mai strict i mai riguros condiiile tehnice deproducere i livrare a acestor materiale.

    8.5.5. Oelurile cu granulaie fin pentru construcii sudate

    n aceast categorie sunt incluse oelurile nealiate de calitate sau aliatespeciale, cu coninut sczut de carbon (%Cm = 0,130,20 %), cu limita decurgere Rp0,2 = 275460 N/mm2, destinate realizrii elementelor puternicsolicitate ale unor structuri sudate (poduri, ecluze, rezervoare de stocare,rezervoare de ap etc.) care lucreaz la temperatur ambiant sau sczut.

    Aceste oeluri se utilizeaz sub form de semifabricate sau produselaminate la cald, livrate n starea obinut dup aplicarea TT de normalizare saudup prelucrarea prin laminare termomecanic (sau laminare controlat),aceasta denumind procedeul de laminare la care se controleaz riguros toiparametrii de lucru, deformarea plastic final efectundu-se ntr-un interval detemperaturi riguros respectat, cu grade de deformare judicios alese i cu viteze dercire bine stabilite, astfel nct materialul prelucrat s prezinte caracteristicimecanice ridicate (ce nu pot fi obinute numai prin aplicarea de TT).

    Producerea oelurilor cu granulaie fin pentru construcii sudate estereglementat prin SR EN 10113, care mparte aceste materiale n: oelurinormalizate, simbolizate SxxxN sau SxxxNL i oeluri laminate termomecanic,simbolizate cu SxxxM sau SxxxML , grupul de cifre xxx indicnd nivelul minimgarantat al limitei de curgere Rp0,2 (n N/mm2); mrcile simbolizate SxxxN sauSxxxM au tenacitatea garantat (sub forma unei valori minime prescrise a KV)pn la 20 oC, iar mrcile simbolizate SxxxNL i SxxxML au tenacitateagarantat pn la 50 oC.

    Compoziia chimic a acestor oeluri este complex, fiind utilizatmicroalierea cu elemente care s asigure granulaia fin (Al, V, Ti, Nb, nconcentraii masice de 0,030,1 %) i prezena unor elemente care s asigureobinerea valorilor prescrise ale caracteristicilor de rezisten mecanic itenacitate (Mn, Ni, Cr, Mo, Cu, n concentraiile corespunztoare unor oeluri slabaliate). Tenacitatea la temperaturi sczute este asigurat de alierea cu mangan(%Mnm = 1,51,7 %) i cu nichel (%Nim = 0,300,80 %) i prin respectareaunor corelaii ntre concentraiilor diverselor elemente de aliere prezente ncompoziie (de exemplu, %Crm + %Mom + %Cum < 0,60 %). Pentru evitarea

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    77

    fragilizrii la albastru (v. scap. 4.3.2), care poate s apar dup aplicarearecoacerii de detensionare la structurile sudate realizate din aceste oeluri, selimiteaz concentraia de azot (%Nm 0,0150,025 %) i se impune ca%Alm 0,020 % (pentru legarea azotului sub form de nitruri de aluminiu stabile).

    Sudabilitatea acestor oeluri se asigur prin prescrierea unor valori limitateale carbonului echivalent %Ce ce0 [0,34 %; 0,52 %], valoarea maxim ce0fiind precizat n funcie de marca oelului, de clasa de calitate i de grosimeasemifabricatelor livrate.

    8.5.6. Oelurile pentru aparate i recipiente sub presiune

    Construciile sudate de tipul aparatelor i recipientelor sub presiune trebuies funcioneze n condiii de siguran maxim, distrugerea integritii saupierderea etaneitii unui astfel de echipament putnd avea urmri catastrofale,datorit nivelului ridicat al energiei totale de deformare ce se acumuleaz nperetele metalic al corpului sub presiune al aparatului sau recipientului. Caurmare, pentru aparatele i recipientele sub presiune se impun exigene sporiteprivind calitatea i la proiectarea, fabricarea, instalarea, exploatarea, repararea iverificarea lor trebuie riguros respectate prescripiile tehnice elaborate de oautoritate naional n domeniu, care n ara noastr este Inspecia pentru Cazane,Recipiente sub Presiune i Instalaii de Ridicat ISCIR.

    n funcie de nivelul solicitrilor mecanice, de temperaturile (minim imaxim) de exploatare i de caracteristicile mediului de lucru (toxicitate,inflamabilitate, corozivitate etc.), recipientele sub presiune se confecioneaz dinoeluri carbon sau din oeluri aliate de calitate sau speciale (v. scap 8.2.1),elaborate n convertizoare bazice cu oxigen sau n cuptoare electrice i calmate.Deoarece domeniul temperaturilor de lucru al recipientelor sub presiune estefoarte extins (200 oC la +650 oC), la realizarea lor trebuie s se utilizeze oelurilivrate n clase de calitate diferite, pentru fiecare clas garantndu-se acelecaracteristici mecanice care asigur funcionarea acestora n deplin siguran latemperaturile de exploatare. Astfel, pentru recipientele care lucreaz latemperaturi ridicate se folosesc oeluri la care se garanteaz limita de curgere latemperatura maxim de exploatare sau caracteristicile de comportare la fluaj laaceast temperatur, iar pentru recipientele care funcioneaz la temperaturisczute se utilizeaz oeluri la care se garanteaz caracteristicile de tenacitate (deobicei, energia de rupere KV) la o temperatur de referin, care se stabilete nfuncie de grosimea peretelui, de starea defectologic prognozat pentru MB imbinrile sudate, de intensitatea i caracterul solicitrilor mecanice i detemperatura minim de exploatare ale recipientelor sub presiune.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    78

    Producerea i livrarea semifabricatelor plate (table, platbande etc., cugrosimi s 150 mm) din aceste oeluri este reglementat prin standardulSR EN 10028, care grupeaz oelurile pentru recipiente sub presiune duptemperatura la care se garanteaz caracteristicile mecanice n: oeluri aliate inealiate cu caracteristici specificate la temperaturi ridicate, oeluri cu granulaiefin normalizate, i oeluri aliate cu nichel cu caracteristici specificate latemperaturi sczute; pn la prima revizuire a acestui standard se menin nvigoare i prevederile (similare) din STAS 2883.

    8.5.6.1. Oelurile cu caracteristici specificate la temperaturi ridicate(SR EN 100282) cuprind dou grupe: oelurile nealiate de calitate (conformcriteriilor din SR EN 10020), simbolizate PxxxGH (grupul de cifre xxxindicnd nivelul minim garantat al limitei de curgere Rp0,2, n N/mm2), careconin %Mnm = 0,401,70 % i mici adaosuri de Mo, V, Nb, Ti, Cu,Cr, Ni (sub valorile limit date n tabelul 8.1 i cu respectarea condiiei%Crm + %Cum + %Mom + %Nim < 0,70 %) i oelurile aliate Cr Mo.

    n tabelul 8.5 se prezint mrcile de oeluri din aceeast categorie conformSR EN 100282, simbolurile mrcilor echivalente din STAS 2883 i limiteleprincipalelor caracteristici mecanice (valorile maxime ale caracteristicilorcorespund grosimilor minime ale semifabricatelor livrate).

    Tabelul 8.5. Oelurile pentru recipiente sub presiune cu caracteristicispecificate la temperaturi ridicate

    Simbolul oelului Limita de curgere, N/mm2

    SR EN 10028 STAS 2883 tmax, oC Re, la 20 oC Rp02 la tmax

    Rm, N/mm2 A5, %

    P235GH

    400 185235 100110 360480 24...25P265GH K410 400 200265 120130 410530 22...23P295GH K460 400 235295 135155 460570 21...22P355GH K510 400 295355 155180 510650 20...2116Mo3 16Mo3 500 220275 140230 420570 19...24

    13CrMo45 14MoCr10 500 185275 155165 350600 19...2010CrMo910 12MoCr22 500 250310 180195 460630 17...18

    Oelurile PxxxGH, se livreaz n stare normalizat i au limita de curgeregarantat pn la temperatura de 400 oC; comportarea bun la temperaturi ridicate esteasigurat prin microalierea cu V, Mo, Nb i Ti, care finiseaz granulaia oelurilor.

    Oelurile Cr Mo au %Crm = 0,70.2,50 % i %Mom = 0,401,10 %,se livreaz n starea obinut prin aplicarea unui TT de normalizare + revenire saude clire + revenire i au limita de curgere garantat pn la 500 oC, fiind numitei oeluri termorezistente. Alierea cu molibden asigur acestor oeluri o bunreziten la fluaj, granulaie fin i insensibilitate la supranclzire, iar alierea cucrom asigur o bun rezisten la oxidare i mpiedic precipitarea la nclzire agrafitului (favorizat de prezena molibdenului).

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    79

    8.5.6.2. Oelurile cu granulaie fin normalizate sunt oeluri nealiate decalitate sau speciale i oeluri aliate speciale, cu indicele convenional algranulaiei G 6, care au caracteristicile mecanice garantate n domeniul detemperaturi (50 oC ; 400 oC. Producerea i livrarea semifabricatelor plate (table,platbande etc., cu grosimi s 150 mm) din aceste oeluri este reglementat prinSR EN 100283, care mparte aceste oeluri n patru grupe:

    - grupa de baz cuprinde oelurile simbolizate PxxxN, destinate s lucrezela temperaturi cuprinse ntre 20 oC i +20 oC

    - grupa oelurilor rezistente la temperaturi ridicate cuprinde oelurilesimbolizate PxxxNH, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre 20 oC i+400 oC, n condiiile n care solicitrile mecanice la temperaturi ridicate sunt descurt durat i nu determin declanarea fenomenului de fluaj;

    - grupa oelurilor rezistente la temperaturi joase cuprinde oelurilesimbolizate PxxxNL1, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre50 oC i +20 oC;

    - grupa special a oelurilor rezistente la temperaturi joase cuprindeoelurile simbolizate PxxxNL2, destinate s lucreze la temperaturi cuprinse ntre50 oC i +20 oC, nivelul minim garantat al energiei de rupere KV la 50 oC fiindmai mare dect la oelurile din grupa precedent.

    Mrcile de oeluri din aceast categorie au prescris limita de curgereminim la ta, determinat pe produse n stare normalizat, cu grosimea s 16 mm,xxx

    {275 N/mm2, 355 N/mm2, 460 N/mm2}; de asemenea, SR EN 100283prescrie pentru toate oelurile din aceeast categorie valorile minime ale energieide rupere KV, ce trebuie obinute prin ncercarea la ncovoiere prin oc, la diferitetemperaturi din intervalul de utilizare garantat, a epruvetelor prelevate transversali longitudinal din produse.

    Din punctul de vedere al compoziiei chimice aceste oeluri suntasemntoare oelurilor cu granulaie fin pentru construcii sudate (v. scap 8.5.5),cu precizarea c trebuie respectate corelaiile: %Crm + %Cum + %Mom < 0,45 % i%Nbm + %Tim + %Vm < a0 [0,05 %; 0,22 %], valoarea maxim a0 fiind precizatn funcie de nivelul minim prescris al limitei de curgere. Sudabilitatea acestor oelurieste asigurat prin limitarea concentraiei carbonului la %Cm 0.160,20 % igarantarea unor valori ale carbonului echivalent %Ce = 0,400,45 %.

    Oelurile PxxxNL sunt echivalente oelurilor reglementate de STAS 2883,simbolizate Rxxxn, numrul xxx indicnd valoarea minim garantat arezistenei la rupere, n N/mm2, iar cifra n (n = 2, 3,,7) clasa de calitate ncare se ncadreaz oelul; la oelurile livrate n clasele de calitate 2 i 3 segaranteaz aceleai caracteristici ca la oelurile carbon de uz general (v. scap.8.3.1), iar la cele livrate n clasele 4, 5, 6 i 7 se garanteaz energia de rupere KVla temperatura minim (n oC) t = (20 10n); de exemplu, marca de oel

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    80

    simbolizat R5105 are garantate rezistena la traciune Rm 510 N/mm2 itenacitatea la 30 C.

    8.5.6.3. Oelurile aliate cu nichel cu caracteristici specificate latemperaturi sczute, numite i oeluri criogenice, sunt oeluri aliate speciale,destinate realizrii aparatelor i recipientelor sub presiune care lucreaz ndomeniul de temperaturi 60 oC200 oC. Tenacitatea la temperaturi sczute esteasigurat la aceste oeluri prin limitarea concentraiei carbonului la nivelul%Cm 0.100,18 %, prin diminuarea drastic a coninuturilor de impuriti(concentraiile maxime acceptate sunt %Pm = 0,015...0,025 % i%Sm = 0,005...0,015 %) i prin alierea cu nichel i mangan (n cazul oelurilor cutenacitatea garantat la temperaturi cuprinse ntre 60 oC i 80 oC) sau numai cunichel (n cazul oelurilor cu tenacitatea garantat la temperaturi cuprinse ntre80 oC i 200 oC). Producerea i livrarea semifabricatelor plate (table, platbandeetc., cu grosimi s 50 mm) din aceste oeluri este reglementat de SR EN 100284,mrcile de oeluri fiind cele prezentate n tabelul 8.6; semifabricatele din astfel deoeluri se livraz n starea obinut prin aplicarea unui TT de normalizare, normalizare+ revenire sau clire + revenire.

    Tabelul 8.6. Oelurile cu tenacitate garantat la temperaturi sczute

    KV la tmin, JSimboluloelului

    % Nim(%Mnm)

    Rp0,2, N/mm2

    Rm, N/mm2

    tmin, oC Long. Trans.

    12MnNi53 0,30..0,80(0,701,50) 235275 420530 60 40 27

    13MnNi63 0,300,85(0,851,70) 345355 490610 60 40 27

    15NiMn6 1,301,70(0,851,70) 345355 490640 80 40 27

    12Ni14 3,253,75 345365 490640 100 40 2712Ni19 4,755,25 380390 530710 120 40 27X8Ni9 8,5010,0 480575 640820 196 70 50X7Ni9 8,5010,0 575585 680820 196 100 80

    8.5.7. Oelurile slab aliate cu rezisten mecanic ridicat

    Oelurile slab aliate sau microaliate cu rezisten mecanic ridicat, numitei oeluri HSLA (HighStrength Low Alloy) sunt oeluri cu coninut sczut decarbon %Cm = 0,030,2 %, aliate cu mangan (%Mnm = 1,01,7 %) i cu micicantiti de alte elemente: Nb, V, Ti, Mo etc.; semifabricatele din astfel de oelurise realizeaz n mod obinuit prin laminare termomecanic i prezintcaracteristici mecanice ridicate i o bun sudabilitate (datorit menineriiconcentraiei carbonului la un nivel sczut, limitrii drastice a coninuturilor de

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    81

    impuriti, asigurrii unor structuri cu granulaie fin etc.). Oelurile HSLA se potclasifica n funcie de compoziie, structur i proprieti n urmtoarele tipuri(multe din reetele privind compoziia chimic i prelucrarea tehnologic a acestortipuri regsindu-se printre cele corespunztoare unora din oelurile anteriorprezentate: oelurile pentru construcii sudate, oelurile pentru recipiente subpresiune etc.):

    8.5.7.1. Oelurile microaliate feritoperlitice au n compoziie cantittimici de Nb, V i/sau Ti, concentraia masic a fiecruia din aceste elementenedepind 0,1 %. Semifabricatele i produsele din astfel de oeluri se obin prinlaminare termomecanic, combinat uneori cu TT postlaminare, efectele aplicriiunor astfel de tehnologii fiind finisarea granulaiei (determinat i de microaliere,aa cum arat diagramele din fig. 8.6), obinerea unor caracteristici ridicate derezisten mecanic (determinat i de posibilitatea durificrii structurii acestoroeluri prin precipitarea dispers a unor compui chimici de tipul carburilor,nitrurilor i/sau carbonitrurilor elementelor de microaliere) i asigurarea unei bunesudabiliti (datorit meninerii la un nivel sczut a concentraiei carbonului). nfuncie de reeta de microaliere utilizat oelurile de acest tip pot fi:

    Oeluri microaliate cu vanadiu, cu %Vm 0,1 %, utilizate sub form deproduse obinute prin laminare normalizant sau prin laminare controlat;vanadiul contribuie la durificarea acestor oeluri prin formarea unor precipitatefine (cu diametrul de 5...10 nm) de carbonitrur de V (uniform distribuite n masade ferit a oelurilor) n timpul rcirii oelurilor dup laminare, efectul durificriiputnd fi cuantificat prin creterea caracteristicilor de rezisten mecanic (limita decurgere i rezistena la rupere) cu 5...15 N/mm2 pentru fiecare cretere cu 0,01 % a%Vm; efectul de durificare este dependent de viteza de rcire dup laminare, vitezacare asigur durificarea maxim fiind de aproximativ 3,3 oC/s (dac viteza dercire este mai mic, rezult precipitate grosolane, cu efect minim de durificare,iar dac viteza de rcire este mai mare, rezult o cantitate mic de precipitate iefectul de durificare este sczut). Caracteristicile oelurilor microaliate cu vanadiudepind esenial i de mrimea granulaiei oelurilor, cnd se dorete obinerea unorcaracteristici ridicate de rezisten mecanic, combinat cu atingerea unor niveluriridicate ale caracteristicilor de tenacitate, se practic laminarea controlat imicroalierea suplimentar cu Ti (care formeaz pelicule intercristaline de TiN ceconstituie bariere pentru creterea cristalelor de austenit).

    Oeluri microaliate cu niobiu, cu %Nbm = 0,02...0,04 %, la care seobin caracteristici ridicate de rezisten mecanic datorit precipitrii n structura carburilor sau carbonitrurilor de Nb (cu diametrul de 1,0...1,5 nm).Semifabricatele din oeluri microaliate cu Nb, microaliate uneori i cu Ti, pentruobinerea unui efect suplimentar de finisare a granulaiei i unui efect sporit dedurificare (deoarece titanul mrete eficiena microalierii cu Nb, micornd

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    82

    solubilitatea acestuia n austenit i crend astfel condiiile mririi cantitii decarburi sau carbonitruri de Nb care precipit n structur) sunt realizate prinlaminare controlat, cu rcire accelerat la sfritul procesului (clire direct);dac oelurile sunt aliate suplimentar i cu mici cantiti de V sau Mo,semifabricatele obinute prin laminare controlat pot avea caracteristici derezisten mecanic foarte ridicate (de exemplu, Rp0,2 sau Rt0,5 > 700 N/mm2).

    Oeluri microaliate cu vanadiu i niobiu, cu coninut sczut de carbon(%Cm < 0,1 %), care se pot prelucra sub form de semifabricate i produse fie prinlaminare obinuit (caz n care acestea prezint caracteristici de rezistenmecanic bune, dar au tenacitatea sczut i temperatura de tranziie ductil-fragilridicat), fie prin laminare controlat (care asigur creterea tenacitii imicorarea temperaturii de tranziie ductil-fragil, datorit finisrii intense agranulaiei); deoarece au coninut sczut de carbon, oelurile de acest fel au nstructur un coninut procentual de perlit foarte mic (sunt denumite i oeluri cuconinut redus de perlit) i se caracterizeaz printr-o bun sudabilitate.

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

    Fig 8.7. Configuraia diagramelor TTT laoelurile cu structur bainitic dup

    laminarea controlat Oeluri microaliate cu niobiu i molibden, cu %Nbm < 0,05 % i

    %Mom = 0,20...0,27 %, care pot avea microstructura alctuit din ferit i perlitsau din ferit acicular (bainit cu coninut sczut de carbon), deoarecemolibdenul determin formarea bainitei superioare n locul perlitei la rcireaaustenitei. Alierea cu Mo determin creterea important a caracteristicilormecanice ale acestor oeluri (fiecare cretere cu 0,1 % a %Mom conduce lasporirea cu 20...30 N/mm2 a rezistenei la traciune i limitei de curgere), acestefect de durificare nedatorndu-se formrii bainitei superioare n locul perlitei(deoarece oelurile au coninut sczut de carbon i, n acest caz, bainita superioari perlita au caracteristici mecanice apropiate), ci creterii cantitii de carbonitruride Nb care precipit n structur n prezena molibdenului (alierea cu Momicoreaz concentraia carbonului n perlit i asigur astfel un surplus de

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    83

    carbon pentru formarea precipitatelor de carbonitruri de Nb); aceste influene,mpreun cu folosirea laminrii controlate (pentru finisarea granulaiei), permit ase realiza din aceste oeluri semifabricate laminate cu caracteristici de rezistenmecanic foarte ridicate (de exemplu, cu Rp0,2 sau Rt0,5 > 500 N/mm2) i tenacitatefoarte bun.

    Oeluri microaliate cu vanadiu i azot, cu %Vm < 0,1 % i%Nm = 0,018...0,022 %, care prezint caracteristici ridicate de rezistenmecanic (de exemplu, Rp0,2 sau Rt0,5 > 550 N/mm2), datorit existenei nstructur a unor precipitate de nitrur de V. Laminarea controlat i meninerea laun nivel sczut a concentraiei carbonului (%Cm < 0,1 %) permit a se obine dinaceste oeluri semifabricate care prezint att rezisten mecanic ridicat, ct i obun tenacitate; sudabilitatea acestor oeluri nu este ns satisfctoare, deoareceau tendina spre formarea unor structuri fragile n ZIT.

    8.5.7.2. Oelurile slab aliate cu structur feritic acicular au coninutsczut de carbon (%Cm 0,08 %) i sunt aliate cu mici cantiti de Mn, Mo i/sauB, la care se adug uneori i Nb. Datorit reetei de aliere utilizate, diagrameleTTT la rcirea austenitei acestor oeluri au configuraia prezentat n figura 8.7,ceea ce permite ca prin rcirea controlat la sfritul laminrii semifabricatelor (cujeturi de ap sau de aer comprimat) s se obin structur cu ferit acicular(bainit cu coninut sczut de carbon); acest tip de structur, care, aa cum sepoate observa pe micrografiile prezentate n figura 8.8, difer esenial de structuraferito-perlitic (cu cristale poliedrice de ferit) ce rezult dac se aplic laminareaobinuit, mpreun cu efectele de finisare a granulaiei i de durificare prinprecipitare induse de laminarea controlat i de alegerea judicioas aconcentraiilor elementelor de aliere, asigur obinerea de semifabricate cucaracteristici ridicate de rezisten mecanic (Rp0,2 sau Rt0.5 > 500 N/mm2) i detenacitate (KV > 130 J la ta i temperatura de tranziie t50% < 20 oC).

    Fig. 8.8. Microstructurile unui oel cu %Cm = 0,06 %, %Mnm =1,8 %,%Mom = 0,3 %, %Nbm = 0,04 % obinute prin:

    a laminare obinuit (structur cu ferit poliedric i perlit dispuse n benzi);b laminare controlat (structur cu ferit acicular)

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    84

    Oelurile microaliate ferito-perlitice i oelurile slab aliate cu feritacicular au fost concepute n vederea utilizrii la realizarea semifabricatelorlaminate (de tip platband) pentru evile sudate destinate conductelor petroliere(amplasate subteran sau submarin) i pentru construciile sudate ale instalaiilormarine de foraj i exploatare petrolier.

    8.5.7.3. Oelurile bifazice (dual phase steel) sunt oeluri cu coninutsczut de carbon (%Cm < 0,16 %), slab aliate cu mangan (%Mnm = 1,5...1,8 %) imicroaliate cu elemente care s le confere granulaie fin, care se utilizeaz subform de semifabricate sau produse avnd structura alctuit dintr-o matrice feriticn care se afl dispersate uniform insule de martensit (care ocup, aa cum se poateobserva pe micrografiile prezentate n fig. 8.9, 10...20 % din structur).

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

    O prim metod de obinere a structurii bifazice feritomartensitice lasemifabricatele laminate din astfel de oeluri o reprezint aplicarea unui TTintercritic constnd din: a) nclzirea semifabricatelor la o temperaturti (A1;A3) i meninerea lor o durat m la aceast temperatur; alegndconvenabil parametrii ti i m, se obine o structur bifazic ferito-austenitic ncare concentraia carbonului n austenit este suficient de ridicat pentru a-iasigura o bun capacitate de clire, iar ponderea formaiunilor de austenit este lanivelul dorit al ponderii formaiunilor martensitice n structura final; b) rcirearapid (n ap) a semifabricatelor, pentru transformarea austenitei n martensit iobinerea structurii bifazice feritomartensitice. O alt metod de obinere asemifabricatelor cu structur bifazic ferito-martensitic const din laminareacontrolat intercritic a oelurilor, condus dup una din diagramele prezentate nfigura 8.10. Semifabricatele din astfel de oeluri sunt ieftine i prezint caracteristicimecanice ridicate (Rp0,2 = 320...420 N/mm2, Rm = 600...800 N/mm2 i A = 15...30 %),putnd fi utilizate la confecionarea construciilor metalice i mecanice la care nu suntimpuse condiii deosebite privind tenacitatea materialelor.

    8.5.7.4. Oelurile cu forma incluziunilor nemetalice controlat sefolosesc pentru obinerea de semifabricate laminate cu anizotropie minim acaracteristicilor de rezisten mecanic i (mai ales) de tenacitate, necesare la

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    85

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

    Fig. 8.10. Diagramele de laminare controlatintercritic pentru obinerea semifabricatelor cu

    structur bifazic feritomartensitic

    Fig. 8.11. Diagrama pentru alegereareetei de microaliere la elaborareaoelurilor cu forma incluziunilor

    nemetalice controlat

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    86

    8.6. Oelurile rezistente la coroziune

    Oelurile rezistente la coroziune (oelurile anticorosive) pot fi clasificate, nfuncie de principalul factor care le asigur rezistena la aciunea mediilor de lucruagresive, n dou categorii: oelurile inoxidabile, a cror rezisten la coroziuneeste determinat de compoziia chimic i de structura acestora i oelurilepatinabile, care interacioneaz cu mediile corosive i se acoper cu peliculecompacte, formate din produi de coroziune, ce ntrerup contactul lor cu mediileagresive i le protejeaz astfel de aciunea distructiv a acestora.

    Oelurile inoxidabile care, n condiii de temperatur ridicat, prezintcaracteristici bune de rezisten la oxidare i la coroziune n gaze i aucapacitatea de a asigura caracteristici mecanice convenabile sunt denumiteoeluri refractare.

    8.6.1. Oelurile inoxidabile i refractare

    Oelurile capt proprietatea de a fi inoxidabile (de a prezenta orezisten ridicat la aciunea mediilor agresive cu care vin n contact), dac suntnalt aliate cu crom, concentraia masic minim a cromului n astfel de oelurifiind %Crm = 10,5...12,0 %; aceast prescripie este cuprins i n SR EN 10020,care precizeaz c oelurile inoxidabile trebuie s aib %Cm < 1,20 % i%Crm > 10,5 %. Trebuie precizat c, deoarece cromul este un element carburigen(v. scap. 7.3), la calificarea unui oel ca oel inoxidabil sau refractar se ia nconsiderare numai concentraia cromului dizolvat n soluiile solide pe baz de fier(ferit, austenit, martensit) existente n structura acestuia.

    n funcie de reeta de aliere utilizat la elaborare, oelurile inoxidabile potfi clasificate n: oeluri aliate cu crom i oeluri aliate cu crom i nichel.Oelurile inoxidabile comerciale, livrate sub form de semifabricate prelucrateprin deformare plastic (table, benzi, bare, srme, profile pentru utilizri generaleetc.), au caracteristicile de calitate reglementate prin standardele SR EN 10088 iSTAS 3583 (care este nc n vigoare); conform acestor standarde oelurileinoxidabile sunt mprite n clasele structurale prezentate n continuare, iarsimbolurile principalelor mrci standardizate din fiecare clas sunt redate ntabelul 8.7.

    8.6.1.1. Oelurile inoxidabile feritice fac parte din categoria oeluriloraliate cu crom i au compoziia caracterizat prin %Cm 0,08 %, coninuturifoarte sczute de impuriti (%Sm 0,015 %; %Pm 0,04 %) i concentraia

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    87

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

    Tabelul 8.7. Principalele mrci de oeluri inoxidabileMarca de oel conform:

    SR EN 10088 STAS 3583Clasa structural

    X6Cr13 7Cr130 FeriticX6Cr17 8Cr170 Feritic

    X3CrTi17 8TiCr170 FeriticX2CrMoTi182 2TiMoCr180 Feritic

    X6CrAl13 7AlCr130 FeriticX12Cr13 10Cr130 Ferito - martensiticX20Cr13 20Cr130 MartensiticX30Cr13 30Cr130 MartensiticX39Cr13 40Cr130 Martensitic

    X50CrMoV15 45VMoCr145 Martensitic

    X2CrNi189 2NiCr185 Austenitic

    X5CrNi1810 5NiCr180 Austenitic

    X6CrNiTi1810 10TiNiCr180 Austenitic

    X2CrMnNi1775 - Austenitic

    X2CrMnNiN1895 - Austenitic

    X2CrNiMo17133 2MoNiCr175 Austenitic

    X1NiCrMoCu25205 2CuMoCrNi250 Austenitic

    X6CrNiMoTi17122 10TiMoNiCr175 Austenitic

    X2CrNiMoCuN2563 - Austenito - feritic

    X2CrNiMoCuWN2574 - Austenito - feritic

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    88

    Aceste oeluri prezint, la orice temperatur n stare solid, o structurmonofazic feritic (eventual, cu foarte mici cantiti de carburi globulare uniformdistribuite n matricea feritic) i, ca urmare, caracteristicile de utilizare aleacestor oeluri nu pot fi modificate prin aplicarea de TT cu schimbare de faz;singura modalitate tehnologic de a le influena caracteristicile de rezistenmecanic i plasticitate const n ecruisarea lor prin deformare plastic la rece,urmat de aplicarea unui TT de recoacere de recristalizare fr schimbare de faz(cu regimul adecvat obinerii caracteristicilor dorite).

    Oelurile inoxidabile feritice au o sudabilitate relativ bun. Principaleleprobleme care pot s apar la realizarea construciilor sudate din astfel de oelurisunt legate (v. fig. 7.24) de sensibiltatea lor ridicat la supranclzire (cretereapronunat a granulaie n cazul nclzirii i meninerii lor la temperaturi mai maride 900 oC) i de tendina acestora spre fragilizare i fisurare (att datorit creteriigranulaiei, ct i datorit interveniei altor fenomene, cum ar fi apariia fazei ncazul meninerilor ndelungate n intervalul de temperaturi 550...700 oC); acesteprobleme se pot rezolva prin alegerea corespunztoare a MA pentru sudare, prinfolosirea unor tehnologii de sudare adecvate i prin aplicarea unor TT postsudare,locale (la mbinrile sudate) sau globale (la ntreaga construcie sudat), constnddin nclzirea la ti = 750...850 oC (temperaturile mai mari fiind recomandate laconstruciile sudate din oeluri feritice cu concentraii ridicate de crom),meninerea la aceste temperaturi o durata m = 30...40 min i rcirea n aer.

    8.6.1.2. Oelurile inoxidabile martensitice i ferito-martensitice facparte din categoria oelurilor aliate cu crom i au compoziia caracterizat prin%Cm = 0,08...1,0 %, coninuturi foarte sczute de impuriti (%Sm 0,015 %;%Pm 0,04 %) i concentraia masic de crom ncadrat n una din urmtoarelereete: %Crm = 11...13 %; %Crm = 17...18 %; n compoziia acestor oeluri se potaduga n diverse concentraii i alte elemente: siliciu (%Sim 1 %), aluminiu(%Alm 1,5 %), molibden (%Mom = 0,6...3,0 %), nichel (%Nim = 1...8 %), cupru(%Cum = 1...5 %), niobiu (%Nbm = 0,3...0,6 %) i/sau vanadiu (%Vm = 0,1...0,2 %)pentru creterea refractaritii i comportrii la fluaj (Al, Si, Mo), pentrumbunirea tenacitii i prelucrabilitii prin deformare plastic (Ni), pentrumbunirea rezistenei la coroziune n anumite medii (Al, Cu), pentru finisareagranulaiei, mrirea clibilitii i durificarea prin precipitare a acestor oeluri (Ni,Cu, Nb, V) sau pentru evitarea apariiei fenomenelor de fragilitate la revenire(Mo). Mrcile de oeluri comerciale din aceste clase structurale corespund integralprescripiilor prezentate mai nainte, aa cum rezult din urmtoarele exemple:X12Cr13; X20Cr13; X46Cr13; X50CrMoV15; X70CrMo15; X90CrMoV18;X105CrMo17; X5CrNiMo134; X4CrNiMo1651; X5CrNiCuNb164;X7CrNiAl177; X8CrNiMoAl1572.

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    89

    Aceste oeluri au concentraia de crom suficient de sczut n corelaie cuconcentraia de carbon, nct transformarea alotropic Fe Fe nu estesuprimat i aceste oeluri prezint transformri de faz n stare solid (n condiiide echilibru termodinamic sunt posibile transformrile de tipul austenit ferit)i se clesc n aer (sunt oeluri autoclibile), cptnd o structur martensitic sauferito martensitic; la oelurile cu concentraii mari de carbon (%Cm > 0,2 %)aceste condiii sunt uor de ntrunit, n timp ce la oelurile cu coninut sczut decarbon (%Cm < 0,1 %) pentru asigurarea structurilor martensitice la rcirea n aerse impune alierea lor suplimentar cu nichel i, uneori, cu cupru. n majoritateacazurilor oelurile din aceste clase structurale se utilizeaz n starea metalurgicconferit prin aplicarea unui TT de clire + revenire. Procesele care au loc larevenirea structurilor de clire ale acestor oeluri (bogat aliate cu crom i alteelemente de aliere) difer de procesele care au loc la revenirea structurilor declire ale oelurilor nealiate (v. scap. 5.3), datorit interveniei fenomenelor destabilitate la revenire i de durificare secundar (separararea unor carburi de cromfin dispersate, care mresc duritatea structurilor de revenire), iar caracteristicilemecanice ale structurilor de revenire pot indica prezena fenomenelor defragilitate la revenire (v. scap. 7.4).

    Oelurile cu coninuturi sczute de carbon (%Cm < 0,08 %) iconinuturi ridicate de crom (%Crm = 15...17 %), aliate suplimentar cu nichel(%Nim = 3...8 %), cupru (%Cum = 1...5 %), aluminiu (%Alm = 0,7...1,5 %),molibden (%Mom = 0,6...3,0 %) i/sau niobiu (%Nbm = 0,3...0,6 %), careprezint o capacitate particular de cretere a caracteristicilor de rezistenmecanic prin aplicarea de TT, alctuiesc o subdiviziune special a oelurilorinoxidabile martensitice (avnd ca mrci reprezentative X4CrNiMo1651;X5CrNiCuNb164; X7CrNiAl177; X8CrNiMoAl1572) i sunt denumiteoeluri cu durificare prin precipitare (oeluri PH preciptation hardening).

    Oelurile PH cu %Nim = 3...5 % au Ms > ta i prezint dup clire (n aersau ulei, de la ti = 1025...1050 oC) o structur martensitic cu coninut sczut decarbon, caracterizat prin rezisten mecanic redus i plasticitate ridicat; prinaplicarea unui TT de revenire (la ti = 470...630 oC i m = 1...3 ore), n structuramartensitic apar precipitate ale compuilor intermetalici pe care i formeazelementele de aliere suplimentare (de tipul MoNi3, NbNi3 etc.) i se produce un efect dedurificare (mbtrnire) important, caracteristicile de rezisten mecanic nregistrndcreteri semnificative (Rp0,2 = 800...1200 N/mm2 i Rm = 1000...1300 N/mm2), frafectarea inadmisibil a caracteristicilor de tenacitate (energia de rupere semenine la niveluri KV = 40...60 J) i de rezisten la coroziune.

    Oelurile PH cu %Nim = 6...8 % au Ms

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    90

    plasticitate ridicat) prin aplicarea unui TT de clire la temperaturi sczute(constnd din rcirea oelurilor, cu vr = 70...80 oC/or, la tco = 70...80 oC,meninerea la tco o durat m = 7...8 ore i apoi renclzirea la ta) sau prin aplicareaunui TT de destabilizare a austenitei (constnd din renclzirea oelurilor lati = 750...850 oC, meninerea la aceast temperatur o durat m = 0,5...1,5 ore,pentru micorarea stabiltii austenitei prin separarea unor particule de carburi decrom i alte elemente de aliere i apoi rcirea n ap); prin aplicarea ulterioar aunui TT de revenire (la ti = 500...520 oC i m = 1...1,5 ore) se obin efecte dedurificare prin precipitare similare celor tipice oelurile PH cu %Nim = 3...5 %clite i mbtrnite.

    Oelurile inoxidabile martensitice i ferito martensitice cu %Cm < 0,4 %sunt sudabile; deoarece, conform indicaiilor diagramei din figura 7.24, acesteoeluri au tendina de fragilizare la rece, la realizarea construciilor sudate dinastfel de oeluri trebuie utilizate MA cu concentraii sczute de carbon iconinuturi minime de impuriti (S, P, N i, mai ales H, care au efecte negativemajore asupra tenacitii), BMT trebuie bine protejat n timpul sudrii fa deaciunea nociv a atmosferei nconjurtoare (prin utilizarea procedeelor de sudaren mediu de gaz inert), iar dup sudare trebuie aplicate TT care s conferembinrilor sudate structuri asemntoare cu cea corespunztoare MB, fiindrecomandat TT de revenire la ti = 600...750 oC sau, dac este posibil, un TTcomplet, alctuit din clire martensitic i revenire.

    Oelurile inoxidabile martensitice cu %Cm > 0,4 % sunt destinateconfecionrii sculelor (cuite, instrumente chirurgicale etc.) i instrumentelor demsurare i nu se utilizeaz la realizarea construciilor sudate.

    8.6.1.3. Oelurile inoxidabile austenitice fac parte din categoria oeluriloraliate cu crom i nichel i reprezint[ o clas structural de oeluri cu proprietideosebite: rezisten mare la coroziune n aer, n ap i n foarte muli agenichimici, tenacitate i rezisten mecanic ridicate la temperaturi sczute (pn la270 oC), plasticitate mare, comportare paramagnetic i o bun sudabilitate;structura austenitic se ecruiseaz puternic prin deformare plastic la rece i, caurmare, aceste oeluri ridic probleme tehnologice la prelucrarea prin achieresau prin deformare plastic.

    Compoziia chimic a acestor oeluri poate fi caracterizat astfel: concentraia masic de carbon este sczut; n mod obinuit, %Cm 0,15 %,

    dar oelurile moderne au %Cm 0,02...0,04 %; reeta de aliere de baz a acestor oeluri prevede concentraii masice de

    crom %Crm = 18...20 % (corespunztoare oelurilor inoxidabile) i concentraiimasice de nichel %Nim = 8...10 %, motiv pentru care oelurile sunt denumite ioeluri austenitice tip 188, aceast reet fiind modificat la oelurile pentru

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    91

    aplicaii speciale (caracterizate prin condiii severe de lucru: solicitri mecanice cuintensiti mari i/sau aplicate dinamic, temperaturi ridicate, medii foarte agresiveetc.), care se realizeaz cu %Crm = 15...25 % i %Nim = 15... 45 % (i suntdenumite oeluri tip 1535, 2025, 2535 etc.); cromul este elementul de alierecare confer acestor oeluri rezisten la coroziune i la oxidare, %Crm = 12...15 %asigurndu-le o bun rezisten la oxidare n medii uscate, la temperaturi nalte,iar %Crm >15 % conferind oelurilor rezisten la coroziunea (de tip elecrochimic)produs de mediile active apoase; efectele favorabile ale cromului se diminueazodat cu creterea coninutului de carbon al oelurilor (care favorizeaz apariiacarburilor n structura acestora); nichelul acioneaz favorabil asupra rezistenei lacoroziune i mbuntete caracteristicile mecanice la temperaturi nalte aleoelurilor, fiind elementul de aliere care le confer structura austenitic i asigur(n cazul cnd %Nim > 8 %) meninerea unei astfel de structuri pn latemperatura ambiant (prin modificarea substanial a poziiei punctelor critice detransformare n stare solid A1 i A3);

    majoritatea oelurilor austenitice crom-nichel au n compoziie i alteelemente de aliere dect carbonul, cromul i nichelul (elementele reetei de alierede baz): siliciul (%Sim 1...3 %), manganul (%Mnm = 2...10 %), azotul(%Nm = 0,1...0,25 %), molibdenul (%Mom = 2...7 %), cuprul (%Cum = 0,5...4 %),niobiul (%Nbm = 0,8...1 %) sau titanul (%Tim = 0,4...0,7 %), pentru creterearefractaritii i comportrii la fluaj (Si, Mo), pentru mbunirea rezistenei lacoroziune (Mo, Cu, Nb, Ti) sau pentru stabilizarea structurii austenitice inlocuirea parial a nichelului (Mn, N).

    Mrcile de oeluri comerciale din aceast clas structural corespundintegral prescripiilor prezentate mai nainte, aa cum rezult din urmtoareleexemple: X10CrNi188; X2CrNi189; X2CrNiMo17122; X3CrNiCu1894;X12CrMnNiN1895; X6CrNiTi1810; X6CrNiMoNb17122.

    Deoarece nu prezint transformri n stare solid, caracteristicile deutilizare ale acestor oeluri nu pot fi modificate prin aplicarea de TT cu schimbarede faz; singura modalitate tehnologic de a le influena caracteristicile derezisten mecanic i plasticitate const n ecruisarea lor prin deformare plasticla rece, urmat de aplicarea unui TT de recoacere de recristalizare fr schimbarede faz (cu regimul adecvat obinerii caracteristicilor dorite).

    Oelurile cu coninuturi reduse de carbon (%Cm 0,04 %) au structura deechilibru la ta complet austenitic, solubilitatea carbonului n austenit la aceasttemperatur fiind mai mare dect concentraia carbonului existent n aceste oelurii, ca urmare, prezint cea mai bun comportare n prezena mediilor agresive delucru, deoarece probabilitatea declanrii proceselor de corodare electrochimic astructurii monofazice austenitice (cu %Crm = 10,5...12,0 %) n astfel de medii esteaproape nul.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    92

    Oelurile cu coninuturi de carbon mai mari (%Cm = 0,04... 0,15 %) austructura de echilibru la ta alctuit din austenit i carburi de crom, aceaststructur bifazic putnd favoriza declanarea proceselor de corodare a oelurilorn prezena mediilor agresive. Pentru a le conferi o structur monofazicaustenitic rezistent la coroziune, se aplic TT de clire de punere n soluie (acarburilor), constnd n nclzirea oelurilor la ti = 1000...1100 oC, pentrudizolvarea carburilor n austenit i rcirea lor rapid (n ap), pentru meninereastructurii monofazice austenitice (pn la ta); structura monofazic astfel obinuteste alctuit din austenit suprasaturat n carbon, instabil termodinamic i, caurmare, dac semifabricatele sau piesele confecionate dintr-un oel cu aceaststructur sunt supuse nclzirii (n procesul de prelucrare sau n cursul utilizrii),se produce separarea din austenit a carbonului n exces sub form de carburi decrom, proces care prezint urmtoarele particulariti:

    separarea carburilor apare numai n cazul nclzirii ntr-un interval criticde temperaturi (450 oC; 850 oC), sub 450 oC difuzia elementelor care formeazcarburile nefiind posibil, iar peste 850 oC austenita are capacitate ridicat de adizolva carbon i separarea carburilor nu mai este justificat termodinamic;

    viteza de difuzie a carbonului n austenit este mai mare dect ceacorespunztoare cromului i, ca urmare, carbonul ajunge mai repede la marginilecristalelor de austenit i formeaz carburile cu cromul din austenita situat nzonele adiacente acestor margini; separarea intercristalin a carburilor de crom iscderea concentraiei de crom de la marginile cristalelor de austenit diminueazrezistena la coroziune a oelului, astfel c, atunci cnd piesele realizate dintr-unastfel de oel vin n contact cu un mediu agresiv de lucru, marginile (srcite ncrom) ale cristalelor de austenit sunt atacate, aa cum se poate observa nimaginile prezentate n figura 8.12, fenomen numit coroziune intercristalin;

    aa cum se poate deduce examinnd diagrama din figura 8.13, pentrufiecare temperatur situat n intervalul critic de temperaturi exist un intervalcritic al duratei de meninere, pentru care intensitatea sensibilizrii la coroziuneintercristalin a oelului este maxim; dac durata meninerii este sub limitainferioar a intervalului critic, cantitatea de carburi precipitate este redus,marginile cristalelor de austenit i diminueaz puin concentraia de crom idiminuarea rezistenei la coroziune a oelului este mic, iar dac durata menineriieste mai mare dect limita superioar a intervalului critic, dup precipitareaintercristalin a carburilor de crom, se produce uniformizarea prin difuzie aconcentraiei cromului n cristalele de austenit, crete concentraia n crom amarginilor acestor cristale, srcirea n crom a acestor margini este parialcompensat i rezistena la coroziune a oelului este puin afectat.

    Aspectele prezentate sugereaz i principalele ci de aciune pentrudiminuarea susceptibilitii oelurilor inoxidabile austenitice fa de coroziunea

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    93

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

    Fig. 8.12. Microfotografia unei zone afectatede coroziunea intercristalin la o pies dinoel inoxidabil austenitic X10CrNi188

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

    Oelurile inoxidabile austenitice au o bun sudabilitate. Dac se analizeazdiagrama structural prezentat n figura 7.24, se observ c principaleleprobleme care pot afecta sudabilitatea oelurilor austenitice crom-nichel sunt:fisurarea la cald i fragilizarea indus de formarea fazei .

    Fisurarea la cald a CUS realizate prin sudare se produce la temperaturiridicate (peste 1200 oC), n timpul solidificrii CUS, fisurile formate la cald avndcaracter interdendritic i fiind cauzate de prezena unor faze uor fuzibile nzonele intercristaline ale structurii primare a CUS; apariia fenomenului esteinfluenat de urmtorii factori:

    compoziia chimic a BMT din care rezult prin solidificare CUS(dependent de compoziia i puritatea MB i MA); carbonul, siliciul, sulful ifosforul favorizeaz apariia fisurrii la cald, deoarece formeaz cu elementele dealiere tipice oelurilor inoxidabile austenitice (nichel, titan, niobiu) compui(sulfura de nichel, carburi de titan i niobiu, silicai) care sunt faze uor fuzibilesau care formeaz cu fierul sau cu elementele de aliere eutectice uor fuzibile, n

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    94

    timp ce manganul, wolframul, vanadiul i molibdenul mpiedic fisurara la cald,fixnd elementele nocive (sulful, carbonul etc.) sub form de compui greufuzibili sau care formeaz cu fierul sau cu elementele de aliere eutectice greufuzibile;

    prezena feritei n structura CUS (ntr-un coninut procentual de 3...4 %)mpiedic fisurarea la cald, prin realizarea urmtoarelor efecte: finisarea structurii(ferita cristalizeaz naintea austenitei i mpiedic formarea structurilor dendriticegrosolane), relaxarea tensiunilor mecanice care apar n timpul cristalizrii primarea CUS (la temperaturi nalte, ferita are rezistena la deformare mai mic dectaustenita i, ca urmare, ferita este faza care se deformeaz uor i ajut ladiminuarea nivelului energetic al cmpului de tensiuni care apare datorit sudrii)i dizolvarea elementelor nocive (sulf, fosfor, siliciu) i diminuarea pericolului deformare a eutecticelor uor fuzibile;

    Fragilizarea prin faza se produce atunci cnd n mbinrile sudate aparefaza , compus intermetalic FeCr caracterizat prin duritate ridicat i fragilitateaccentuat; dac MB sau CUS au structura complet austenitic, faza apare (maigreu) dup sudare, n zonele nclzite la 600...900 oC, direct din austenit , prinrealizarea urmtoarelor etape: + + + + , iar dac structurilesunt austenito feritice, faza apare (mai uor) n aceleai zone, prin realizareaurmtoarelor etape: + + + + ; apariia fazei (sigmatarea) ifragilizarea care o nsoete sunt favorizate de prezena unor elemente de aliere caMo, Si, Nb, Ti i de procesele de deformare plastic la rece i pot fi nlturateaplicnd dup sudare (sau dup operaiile de prelucrare prin deformare plastic larece) un tratament termic constnd din nclzirea zonei sigmatate la ti 1000 oC,meninerea la aceast temperatur o durat m = 2...4 ore i rcirea n aer.

    8.6.1.4. Oelurile inoxidabile austenito feritice sau ferito austenitice,denumite i oeluri duplex, fac parte din categoria oelurilor aliate cu crom i nicheli reprezint o clas structural de oeluri utilizat relativ recent (cu toate cprimele oeluri duplex au aprut nc din 1930) la fabricarea aparaturii tehnologicede presiune i a construciilor sudate. Aceste oeluri combin bunele proprietiale oelurilor inoxidabile feritice i austenitice, prezena n structur a feriteiasigurndu-le niveluri ridicate ale rezistenei mecanice i rezistenei la coroziune,iar prezena austenitei conferindu-le o bun ductilitate i tenacitate; raportulpreferat al coninuturilor procentuale de ferit i austenit n structura oelurilor deacest tip este cel unitar (% 50 % i % 50 %).

    Primele oeluri duplex realizate au avut compoziia: %Cm 0,04 %;%Crm = 22...24; %Nim = 4...5 %; %Mom = 1...2 % i %Cum 2 %; la realizareaconstruciilor sudate din astfel de oeluri s-a constatat c structurile realizate nCUS i ZIT nu mai prezint raportul unitar al coninuturilor procentuale de ferit

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    95

    i austenit, iar caracteristicile de rezisten la coroziune ale mbinrior sudatesunt nesatisfctoare. A doua generaie de oeluri duplex a avut compoziiachimic caracterizat prin %Cm 0,04 %; %Crm = 24...26 %; %Nim = 6...8 %;%Mom = 3...4 % , %Cum 2,5 % i %Nm = 0,15...0,30 % (unele coninnd i%Wm = 0,5...1,0 %); azotul a fost utilizat pentru nlocuirea parial a nichelului caelement austenitizant, constatndu-se c el mbuntete rezistena mecanic irezitena la coroziune i contribuie la formarea austenitei din ferit la temperaturiridicate, asigurnd meninerea raportului unitar al coninuturilor procentuale deferit i austenit n zonele caracteristice ale mbinrilor sudate ale echipamentelortrehnologice sau construciilor realizate din astfel de materiale. Rezistena lacoroziune a oelurilor duplex din generaia a doua este mai bun dect a oelurilorinoxidabile austenitice, iar rezistena la traciune i limita de curgere suntaproximativ de dou ori mai mari dect ale oelurilor inoxidabile austenitice;tenacitatea oelurilor duplex are nivelul situat ntre nivelurile corespunztoareoelurilor inoxidabile austenitice i feritice, oelurile duplex putnd fi utilizatepentru confecionarea pieselor, construciilor i echipamentelor care funcioneazla temperaturi superioare temperaturii de 50 oC (n condiii de frig climatic sauindustrial), dar nefiind recomandate pentru echipamentele i aparatele tehnologicedestinate aplicaiilor criogenice.

    Mrcile de oeluri comerciale din aceast clas structural corespund integralprescripiilor prezentate mai nainte, aa cum rezult din urmtoarele exemple:X2CrNiN234;X2CrNiMoN2253;X3CrNiMoN2752;X2CrNiMoCuN2563;X2CrNiMoN2574; X2CrNiMoCuWN2574.

    Pentru realizarea unor mbinri sudate de calitate la realizarea aparatelortehnologice sau construciilor metalice din oeluri duplex se recomand a se avean vedere urmtoarele aspecte:

    pentru a obine CUS cu caracteristici corespunztoare, este necesar ca MAutilizate la sudare s fie supraaliate cu nichel (MA trebuie s aib %Nim 9 %, spredeosebire de MB, care au n mod obinuit %Nim = 5,5...7,5 %), respectarea acesteiprescripii asigurnd formarea i meninerea cantitii corespunztoare deaustenit n structura CUS; MA cu compoziie apropiat de a MB se utilizeaznumai n cazul cnd se efectueaz TT postsudare pentru rectificarea structurilordin CUS i ZIT, iar sudarea fr MA sau cu pMA sczute (valori mari ale pMB) nueste recomandat (trebuie evitat), mai ales dac nu este posibil aplicarea de TTpostsudare;

    n procesul de sudare se produc fenomene metalurgice de precipitare nCUS i ZIT a unor faze dure (faze , de tipul unor compui intermetalici cuconinuturi ridicate de crom i molibden sau nitruri de fier i/sau de elemente dealiere) care fragilizeaz structura i micoreaz rezistena la coroziune a acesteia;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    96

    fenomenele de precipitare se produc n principal n zonele feritice ale structuriiCUS i ZIT, deoarece elementele de aliere difuzeaz mai uor n aceast faz, iarsolubilitatea azotului n ferit este mai sczut dect n austenit; s-a constatat capariia fazelor este determinat de meninerile ndelungate la temperaturiridicate, iar precipitarea nitrurilor se produce mai intens dac MB nu are unconinut suficient de azot (care s determine formarea i stabilizarea austenitei)sau dac nu se folosesc MA supraaliate cu nichel.

    8.6.1.5. Oelurile refractare (termorezistente) pot aparine, n funcie decompoziia lor chimic, uneia din clasele structurale anterior prezentate: feritic,martensitic sau austenitic; deoarece, aa cum s-a artat anterior, rezistena laoxidare este conferit oelurilor de alierea cu crom i este mbuntit de aliereasuplimentar cu siliciu i aluminiu (elemente care asigur formarea pe suprafetelepieselor realizate din astfel de oeluri i exploatate la temperaturi ridicate a unuistrat compact i aderent de oxizi, de tipul Cr2O3, Al2O3, SiO2, ce protejeazmaterialul mpotriva oxidrii n profunzime), iar rezistena mecanic latemperaturi ridicate se asigur oelurilor prin alierea cu crom, molibden, nichel,wolfram, vanadiu (care durific oelurile prin formarea de carburi stabile,micoreaz tendia de fragilizare la cald a acestora i/sau le mresc temperatura derecristalizare primar, peste care se manifest cu intensitate mare fenomenul defluaj), oelurile inoxidabile prezint i o bun refractaritate (mai ales, dacaplicaiile n care sunt utilizate se caracterizeaz prin temperaturi de lucru nu preamari, n general sub 550 oC).

    Pentru aplicaiile tehnice la care temperaturile de lucru sunt foarte ridicate(550...1100 oC) se utilizeaz oelurile refractare (termorezistente) speciale,destinate fabricrii produselor prin deformare plastic la cald, semifabricatelorlaminate finite (profile pline i fasonate, table, benzi, srme etc.) i barelor forjate,avnd calitatea reglementat de STAS 11523; principalele mrci de astfel deoeluri (simbolizate n acelai mod ca i oelurile aliate pentru construcia demaini cuprinse n STAS 791) sunt: 10AlCr70, 10AlCr180, 10AlCr240(aparinnd clasei structurale a oelurilor aliate feritice), 20VNiMnCr120,20VNiWMoCr120 (aparinnd clasei structurale a oelurilor aliate martensitice),12TiNiCr180, 12NiCr250, 15SiNiCr200, 15SiNiCr250, 40SiNiCr250,12SiNiCr360 i 10TiAlCrNi320 (aparinnd clasei structurale a oelurilor aliateaustenitice).

    O aplicaie n care alegerea oelurilor termorezistente ridic problemeinteresante o constituie fabricare evilor pentru cuptoarele instalaiilor de pirolizdin combinatele petrochimice, evi prin care circul hidrocarburi i care audomeniul temperaturilor de lucru [700 oC; 900 oC]. Pentru aceast aplicaiesingurele oeluri care dau rezultate bune sunt oelurile austenitice crom nicheltip 1535, 2025 sau 2535, cu coninuturile de carbon %Cm = 0,35...0,45 %,

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    97

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

    Fig. 8.14. Dependena dintre viteza de fluaj iconcentraia de carbon la oelurile austenitice

    crom nichel tip 1535

    Fig. 8.15. Dependenele dintre rezistena tehnicde durat i concentraia de carbon la oelurileaustenitice crom nichel tip 1535 i 2520

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    98

    Tabel 8.8. Compoziiile chimice de baz ale unor superaliaje refractareCompoziia chimic, %Denumirea

    comercial %Nim %Crm %Mom %Com Alte elementeINCONEL 625 min. 58 2023 8,01

    0max.1 0

    %Nbm = 34 %;%Sim =1,51,8%

    INCONEL X750

    min. 70 1417 - max.1 0

    %Fem = 59 % ;%Tim = 23 %HASTELLOYC

    5565 1519 1517 0,61,0

    %Wm = 45 %; %Fem = 34%

    HASTELLOYX

    4550 2023 8,010

    1,02,0

    %Fem = 1720 %;%Sim =1 1 3%

    WASPALLOY 5055 1821 3.55.0

    1215 %Tim = 23 %; %Alm =1 2 1 6%

    NIMONIC 901 4243 1214 5,66,1

    0,81,2

    %Fem = 3033 %;%Tim = 23%

    NIMONIC 105 5055 1415 4,55,5

    1822 %Tim = 11,5 %; %Alm = 45%

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

    8.6.2. Oelurile patinabile

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

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    99

    n alt stare dect cea calmat, concentraia fosforului fiind mrit la unele oeluri(la nivelul %Pm = 0,06...0,15 %), deoarece acesta poate participa ca elementactiv la formarea peliculelor de pasivare.

    Semifabricatele din astfel de oeluri se livreaz fie n starea obinut prinlaminare normalizant, fie n starea realizat prin laminare obinuit (cu sau frTT de normalizare aplicat ulterior laminrii), iar produsele realizate din acestea nuse trateaz termic.

    Deoarece coninuturile de carbon i alte elemente de aliere sunt sczute, iarconinuturile de impuriti sunt limitate, oelurile din aceast categorie prezint obun sudabilitate; dac carbonul echivalent, determinat cu relaia (8.3),ndeplinete condiia %Ce 0,44 %, realizarea construciilor sudate din astfel deoeluri nu ridic probleme tehnologice deosebite, iar dac condiia nu estendeplinit se recomand sudarea cu prenclzire i, eventual, aplicarea recoaceriide detensionare ca TT postsudare.

    Caracteristicile fizico mecanice i tehnologice ale oelurilor din aceastcategorie sunt similare celor ale oelurilor de uz general echivalente din punctulde vedere al mrcii i clasei de calitate. Standardul SR EN 10155 prevedemrcile S235W i S355W, iar STAS 500/3 care reglementeaz acelai domeniu,nefiind nc abrogat, prevede mrcile RCA 370 i RCB 510, semnificaiilesimbolurilor fiind cele precizate n scap. 8.2.2.; oelurile SxxxW se pot livra nclasele de calitate J0, J2 i K2, iar S355W se poate livra i n varianta S355WP, cuconinut ridicat de fosfor (%Pm = 0,060,15 %).

    Principalele aplicaii tehnice n care se utilizeaz semifabricatele sub formde table, benzi sau profile laminate din astfel de oeluri sunt construciile metalicei mecanice (supuse n exploatare la coroziune atmosferic la temperaturaambiant), cum ar fi: stlpii pentru reelele electrice de nalt tensiune, vagoanelede cale ferat, macaralele, structurile portante i de nchidere ale halelorindustriale i unele recipiente sub presiune.

    8.7. Oelurile pentru scule

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    100

    punctatoare, scule de tragere la rece a materialelor metalice etc.), pentru fabricareaunor unelte i instrumente de lucru (urubelnie, chei fixe, ferstraie pentru lemn,ace de trasare, vrfuri de centrare pentru maini unelte, instrumente chirurgicaleetc.), pentru fabricarea unor piese rezistente la uzare (de la mainile textile,mainile agricole etc.) i pentru realizarea elementelor active (care trebuie sprezinte durabilitate ridicat) ale instrumentelor de msurare i verificare adimensiunilor pieselor (rigle, ublere, micrometre, calibre etc.).

    n corelaie cu destinaia lor, oelurile din aceast clas trebuie scorespund mai multor condiii generale, care pot fi formulate astfel:

    oelurile trebuie s prezinte duritate ridicat (mai mare dect duritateamaterialelor semifabricatelor sau pieselor care se se prelucreaz cu sculeleconfecionate din ele) i tenacitate suficient (pentru ca tiurile i corpul sculelors poat prelua solicitrile mecanice la care sunt supuse n timpul utilizrii lorpentru prelucrarea semifabricatelor sau pieselor, fr apariia unor fenomenenedorite de fisurare sau rupere fragil); duritatea ridicat se asigur prin aplicareaunui TT final de clire martensitic a sculelor, ceea ce impune ca, innd seama cduritatea martensitei crete odat cu concentraia de carbon a oelului supus clirii(v. scap. 5.2.2), oelurile pentru scule s fie (de obicei) hipereutectoide;

    oelurile trebuie s-i menin duritatea ridicat i n urma nclzirii lordatorit frecrilor ce apar ntre scule i semifabricatele sau piesele supuseprelucrii; deoarece nclzirile sculelor clite martensitic au efectele unor reveniri,se impune ca oelurile s prezinte o bun stabilitate la revenire i/sau s fie aliatecu elemente care s le asigure durificarea secundar (v. scap. 7.4);

    oelurile trebuie s aib o bun clibilitate, astfel ca zona de la suprafaasculelor durificat prin clire s fie suficient de extins (adnc) i s permitascuirea repetat a acestora, fr ca duritatea tiurilor s se micorezeinadmisibil;

    oelurile trebuie s prezinte sensibilitate redus la deformare i/saufisurare prin clire i s aib tendin mic de decarburare superficial n timpulprelucrrilor i TT la care sunt supuse n procesul tehnologic de realizare asculelor (deoarece micorarea concentraiei carbonului n stratul superficialdiminueaz clibilitatea i capacitatea de clire v. scap. 5.2.2).

    8.7.1. Oelurile carbon pentru scule

    Oelurile din aceast categorie au concentraia de carbon ridicat(%Cm = 0,65...1,25 %) i coninuturile de impuriti limitate la nivelurilecorespunztoare oelurilor de calitate. Fiind n marea majoritate oelurihipereutectoide, structura lor de echilibru la ta este alctuit din perlit i

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    101

    cementit secundar (dispus sub form de reea la marginea formaiunilorperlitice v. tabelul 4.2). Semifabricatele din astfel de oeluri se realizeaz prindeformare plastic la cald i se livreaz n starea structural (cu perlit globular)conferit de aplicarea unui TT de recoacere de globulizare a cementitei (numit irecoacere de nmuiere). Pentru ndeplinirea condiiilor generale anteriorformulate, n procesul tehnologic de realizare a sculelor din astfel de oeluri se potinclude urmtoarele TT:

    normalizarea (v. scap. 6.3.5), pentru finisarea granulaiei i obinereaunei structuri cvasieutectoide (fr reea de cementit secundar);

    recoacerea de globulizare a cementitei (v. scap. 6.3.3), pentru obinereaunei structuri cu perlit globular, care confer oelurilor o bun prelucrabilitateprin deformare plastic i prin achiere.

    Dup aducerea la configuraia dorit, sculele realizate din astfel de oelurise supun unui TT final alctuit din:

    clire martensitic, pentru creterea duritii i, eventual, clire latemperaturi sczute, pentru obinerea unei structuri martensitice cu coninuturiminime de austenit rezidual;

    revenire joas (la ti = 150...200 oC), pentru obinerea unei structuri cumartensit de revenire (v. scap. 6.5), bine detensionat i cu duritate ridicat(55...60 HRC).

    Oelurile din aceast categorie au calitatea reglementat prin STAS 1700;principalele mrci de oeluri sunt: OSC7; OSC8, OSC9, OSC10, OSC11 iOSC12, semnificaia simbolurilor fiind cea precizat n scap. 8.2.2 (de exemplu,simbolul OSC10 corespunde unui oel carbon pentru scule avnd concentraiamasic medie de carbon %Cm = 1,0 %). Deoarece creterea concentraiei masicede carbon i aplicarea de TT sunt singurele ci de aciune pentru asigurareacaracteristicilor de utilizare ale acestor oeluri, ncadrarea lor n condiiile generaleanterior formulate se prezint astfel:

    oelurile prezint sensibilitate ridicat la decarburarea superficial i lafisurarea prin clire;

    sculele realizate din astfel de oeluri au duritatea (dup TT final)55...60 HRC, care se menine numai dac acestea nu se nclzesc (n timpulutilizrii) la temperaturi mai mari de 150...200 oC;

    clibilitatea acestor oeluri corespunde unui indice J 5 55/60.Gradul moderat de ndeplinire a condiiilor limiteaz utilizarea acestor

    oeluri la fabricarea sculelor cu forme simple i dimensiuni caracteristice nu preamari i impune o serie de restricii privind regimurile tehnologice de lucru cusculele confecionate din astfel de oeluri (de exemplu, limitarea vitezelor deachiere i/sau rcirea sculelor n cursul utilizrii lor pentru diverse prelucrri).

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    102

    8.7.2. Oelurile aliate pentru scule

    Oelurile din aceast categorie au compoziia chimic corelat cu destinaiai caracteristicile de utilizare ale sculelor care se confecioneaz din ele,putndu-se distinge tipurile prezentate n continuare.

    8.7.2.1. Oelurile aliate pentru scule achietoare, scule (rezistente i foarterezistente la uzare) de prelucrare prin deformare plastic la rece i instrumente demsurare sau verificare au concentraiile de carbon ridicate (%Cm = 0,8...2,00 %),coninuturile de impuriti limitate la nivelul %Pm, %Sm 0,03 % i sunt slab, mediusau nalt aliate cu diverse elemente, cum ar fi cromul (%Crm = 1,0...12,0 %),wolframul (%Wm = 0,8...2,2 %), vanadiul (%Vm = 0,1...1,1 %), molibdenul(%Mom = 0,6...1,3 %) i manganul (%Mnm = 0,8...2,2 %). Calitatea acestor oelurieste reglementat de STAS 3611, care recomand o simbolizare similar celeiutilizate de STAS 791 pentru oelurile aliate destinate pieselor pentru construciade maini, principalele mrci fiind: 90VMn20; 90VCrMn20; 100VMoCr52;105MnCrW11; 105CrW20 i 117VCr6, ce corespund unor oeluri aliate(hipereutectoide) din clasa structural perlitic (cu structura de echilibru la taalctuit din perlit i carburi secundare) i 155MoVCr115; 165VWMoCr115 i200Cr115, ce corespund unor oeluri aliate din clasa structural ledeburitic (custructura de echilibru la ta alctuit din perlit i carburi primare i secundare).

    Semifabricatele din aceste oeluri sunt realizate prin deformare plastic lacald i sunt livrate n starea structural (cu perlit globular) obinut prinaplicarea unei recoaceri de nmuiere. TT final la care sunt supuse sculeleconfecionate din astfel de oeluri este alctuit (ca i n cazul sculelor din oeluricarbon) din clire martensitic (urmat uneori de clire la temperaturi sczute,pentru diminuarea coninutului de austenit rezidual din structur) i revenirejoas (la ti = 150...200 oC), pentru obinerea unei structuri cu martensit derevenire, bine detensionat i cu duritate ridicat (58...65 HRC).

    8.7.2.2. Oelurile aliate pentru scule rezistente la oc, unelte de mni scule de prelucrare prin deformare plastic la cald au concentraiile decarbon %Cm = 0,25...0,60 %, coninuturile de impuriti limitate la nivelul%Pm, %Sm 0,03 % i sunt slab sau mediu aliate cu elemente ca wolframul(%Wm = 1,2...2,0 %), cromul (%Crm = 0,4...2,8 %), molibdenul (%Mom = 0,5...2,0 %);vanadiul (%Vm = 0,15...1,0 %), nichelul (%Nim = 1,4...1,8 %), siliciul%Sim = 0,4...1,2 %) i manganul (%Mnm = 0,8...1,2 %). Ca i a oelurile de tipulprecedent, calitatea i simbolizarea acestor oeluri sunt reglementate deSTAS 3611, care cuprinde ca principale mrci: 30VCrW85; 31VCr8;31VMoCr29; 36VSiWMnCr53; 55MoCrNi10 i 55VMoCrNi17; oelurile de acest

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    103

    tip aparin clasei structurale a oelurilor aliate (hipoeutectoide) perlitice (custructura de echilibru la ta alctuit din perlit i ferit). Utilizarea unorconcentraii relativ mici de carbon (ca i alierea cu unele elemente, cum ar finichelul i manganul) este dictat la oelurile de acest tip de necesitatea obineriiunor scule cu tenacitate ridicat (rezistente la ocuri mecanice sau termicerepetate) i care s nu se decarbureze uor n cazul utilizrii lor (la temperaturiridicate) pentru prelucrarea prin deformare plastic la cald a materialelor metalice.

    Sculele confecionate din acest tip de oeluri se supun unui TT final dembuntire (clire martensitic urmat de revenire nalt, la ti = 500...550 oC),pentru obinerea unei structuri (apropiat de echilibru) cu sorbit de revenire iduritatea 40...50 HRC (meninut la acest nivel ridicat, deoarece la aceste oelurialiate se manifest fenomenele de stabilitate la revenire i de durificaresecundar); la sculele confecionate din astfel de oeluri nu se recomand aplicareaTT de clire martensitic + revenire joas, deoarece se obine o structur (cumartensit de revenire) instabil, iar nclzirile la care sunt supuse sculele ntimpul utilizrii (pentru deformarea plastic la cald a materialelor metalice)echivaleaz cu aplicarea unor reveniri nalte, ce produc transformri structurale(trecerea martensitei de revenire n sorbit de revenire) nsoite de modificridimensionale (nepermise) i de micorarea duritii.

    8.7.2.3. Oelurile rapide sunt destinate n principal confecionriisculelor achietoare care permit prelucrarea cu viteze mari de achiere amaterialelor metalice, deoarece structurile obinute prin TT final aplicatacestor scule i menin duritatea ridicat (60...65 HRC) pn la temperaturi de600...650 oC. Oelurile de acest tip au calitatea reglementat de STAS 7382 ise simbolizeaz folosind grupul de litere Rp, urmat de un numr convenional(fr semnificaie privind compoziia sau caracteristicile oelurilor),principalele mrci fiind Rp1, Rp2, Rp3, Rp4, Rp5, Rp9, Rp10 i Rp11.

    Compoziia chimic de baz a oelurilor rapide corespunde mrcii Rp3:%Cm = 0,70...0,78 %; %Wm = 17...18 %; %Crm = 3,5...4,5 % i %Vm = 1,0...1,2 %.Pornind de la aceast reet s-au dezvoltat toate variantele de oeluri rapideutilizate n tehnic:

    oelurile economice, cu concentraii mai ridicate de carbon, concentraiiminime de wolfram i aliate suplimentar cu molibden (care suplinete lipsawolframului), marca reprezentativ fiind Rp9, cu urmtoarea compoziie:%Cm = 0,95...1,05 %; %Wm = 2,0...2,5 %; %Crm = 3,5...4,5 %, %Vm = 2,0...2,5 %i %Mom = 2,5...3,5 %;

    oelurile aliate suplimentar cu molibden (pentru a nlocui parialwolframul, element de aliere scump), marca reprezentativ fiind Rp11, cucompoziia: %Cm = 0,95...1,05 %; %Wm = 1,5...2,0 %; %Crm = 3,5...4,5 %,%Vm = 1,8...2,2 % i %Mom = 8...9 %;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    104

    oelurile aliate suplimentar cu cobalt (element care mrete vrc itemperaturile caracteristice Ms i Mf ale oelurilor i permite simplificarea TT finalal sculelor), marca reprezentativ fiind Rp1, cu compoziia: %Cm = 0,9...1,0 %;%Wm = 9...10 %; %Crm = 3,5...4,5 %, %Vm = 2,0...2,5 % i %Com = 5...6 %.

    Oelurile rapide aparin clasei structurale a oelurilor aliate ledeburitice,structura de echilibru la ta a lingourilor turnate din astfel de oeluri i rcite foartelent fiind alctuit din perlit sorbitic, carburi secundare i un schelet ledeburitic(v. scap. 7.5). Lingourile obinute n condiii industriale (rcite rapid lasolidificare) prezint la ta, deoarece oelurile rapide au temeratura Ms

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    105

    Diagrama TT final al sculelor din oeluri rapide este prezentat n figura8.18, iar modul n care ti la revenire influeneaz duritatea sculelor este descris dediagrama din figura 8.19.

    Fig. 8.18 . Diagrama TT final al sculelor realizatedin oeluri rapide

    Fig. 8. 19. Influena temperaturii derevenire asupra duritii sculelor din oeluri

    rapide n legtur cu TT final al sculelor din oeluri rapide trebuie evideniate i

    urmtoarele aspecte: tratamentul poate fi simplificat, mai ales la sculele realizate din oeluri

    rapide aliate suplimentar cu cobalt, dac, dup ciclul primar de clire, se face oclire la temperaturi sczute (la tco < 70 oC), pentru transformarea austenitei nmartensit i se aplic apoi un singur ciclu de revenire;

    tratamentul de revenire se face n mod frecvent prin nclzirea sculelorn bi de sruri topite, caz n care se poate realiza simultan i un tratamenttermochimic de cianurare (v. scap 6.6.4.), pentru durificarea superficialsuplimentar a acestora.

    8.8. Alte oeluri cu destinaii sau caracteristici speciale

    8.8.1. Oelurile pentru piese turnate

    Piesele turnate din oel se obin mai greu dect cele din font, deoareceoelurile au proprieti de turnare mai slabe dect fontele (temperatur ts ridicat,interval mare de solidificare, fluiditate sczut etc.). Cu toate acestea, pentrumulte aplicaii tehnice (piese cu configuraii complicate, piese cu dimensiuni imase mari etc.) utilizarea semifabricatelor turnate din oel rmne soluia agreati n prezent aproape 20 % din totalul semifabricatelor folosite pentru obinereadiverselor produse sunt realizate prin turnare din diferite mrci de oeluri.

    Oelurile destinate pieselor turnate trabuie s prezinte proprieti de

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    106

    turnare acceptabile i s asigure caracteristicile mecanice impuse de condiiile desolicitare ale acestor piese. n principiu, orice oel poate fi utilizat i pentruobinerea pieselor turnate i, ca urmare, noul sistem de simbolizare reglementatprin SR EN 10027 prevede la fiecare marc de oel posibilitatea de a fi utilizat ica oel pentru piese (semifabricate) turnate, caz n care simbolul mrcii are ataatla nceput litera G (v. tabelele 8.4 i 8.5).

    Principala condiie care se impune oelurilor pentru piese turnate oconstituie asigurarea caracteristicilor mecanice cerute de aplicaia n care suntutilizate i, ca urmare, n prezent simbolizarea oelurilor de uz general pentrupiese turnate se face cu ajutorul a dou numere, reprezentnd valorile minime alelimitei de curgere Re i rezistenei la traciune Rm (de exemplu, oelul G 230450este un oel pentru piese turnate cu Re 230 N/mm2 i Rm 450 N/mm2).

    Oelurile de uz general pentru piese turnate sunt de dou tipuri: oelurile nealiate pentru construcii au calitatea reglementat de

    SR ISO 3775; aceste oeluri au caracteristicile minime de rezisten mecanicncadrate n limitele Re = 200...340 N/mm2 i Rm = 400...550 N/mm2, auplasticitatea i tenacitatea garantate prin prescrierea unor valori minime pentrucoeficientul de gtuire Z sau energia de rupere KV, se utilizeaz netratate termic ipot fi elaborate cu sau fr asigurarea sudabilitii, la oelurile sudabileprescriindu-se %Cm 0,25 % i adugndu-se litera W la simbolul mrcii (deexemplu, marca G 200400W corespunde unui oel nealiat sudabil, cuRe 200 N/mm2 i Rm 400 N/mm2);

    oelurile de nalt rezisten pentru construcii mecanice i metaliceau calitatea reglementat de SR ISO 9477 i sunt oeluri carbon sau aliate destinaterealizrii semifabricatelor turnate care se supun TT de normalizare + revenire sau declire + revenire nalt (mbuntire) n vederea asigurrii unor caracteristicimecanice ridicate: Re sau Rp0,2 = 410840 N/mm2 i Rm = 6201030 N/mm2;deoarece principala condiie impus se refer la asigurarea caracteristicilormecanice, aceste oeluri se simbolizeaz la fel ca i oelurile nealiate turnate i aucompoziia chimic stabilit de productor astfel nct s fie satisfcute cerineleprivind caracteristicile mecanice (de exemplu, se utilizeaz oeluri slab aliate cuMn, Cr-Mn, Cr-Mn-Si, Cr-Mo, Cr-Ni-Mo, cu coninuturile de impuriti limitatela nivelul %Pm, %Sm 0,035 %).

    Pe lng oelurile de uz general, se folosesc n practic i oeluri pentrupiese (semifabricate) turnare cu destinaie precis:

    oelurile turnate pentru armturi (robinete); sunt oeluri cu%Cm 0,25 %, slab sau mediu aliate, cu calitatea reglementat de STAS 9277 isimbolizate cu grupul de litere OTA, urmat de simbolul (alctuit conformprescripiilor din STAS 791) oelului aliat respectiv (de exemplu, OTA17MoCr13

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    107

    este un oel turnat pentru armturi, cu concentraia masic medie de carbon%Cm = 0,17 %, aliat cu Mo i Cr, concentraia masic medie a cromului,elementul de aliere principal, fiind %Crm = 1,3 %);

    oelurile inoxidabile turnate n piese sunt oeluri nalt aliateferitomartensitice sau austenitice de tipul celor prezentate n scap 8.6; acesteoeluri au calitatea reglementat de STAS 10718 i se simbolizeaz la fel caoelurile inoxidabile livrate sub form de semifabricate prelucrate prin deformareplastic, cu meniunea c n faa simbolului se scrie litera T (de exemplu,T15NiCr180 este un oel inoxidabil austenitic de tip 188 pentru piese turnate);

    oelurile turnate n piese rezistente la temperaturi sczute suntoeluri cu %Cm 0,35 %, slab aliate cu Mn, Ni, Cr, Mo, la care se garanteaz oanumit valoare a energiei de rupere KV la 60 oC; aceste oeluri au calitateareglementat de STAS 12403 i se simbolizeaz la fel ca oelurile de tipulprecedent, adugndu-se la sfritul simbolului litera R (de exemplu,T9MoCrNi30R este un oel pentru piese turnate destinate s lucreze la temperaturisczute, cu %Cm = 0,09 % i aliat cu Mo, Cr i Ni, concentraia masic medie anichelului fiind %Nim = 3,0 %);

    oelurile turnate n piese destinate s lucreze la temperaturi ridicatesunt oeluri cu %Cm 0,25 %, nealiate sau aliate cu Cr, Mo, V (elemente carembuntesc comportarea la fluaj); aceste oeluri au calitatea reglemntat deSTAS 12404, sunt destinate realizrii semifabricatelor turnate pentru piesele carelucreaz la temperaturi ridicate (sub 575 oC) i se simbolizeaz similar oelurilorde tipurile precedente (de exemplu, T21 este un oel nealiat cu %Cm 0,21 %, iarT17VMoCr14 este un oel cu %Cm 0,17 %, aliat cu V, Mo i Cr, cromul fiindelementul de aliere principal, avnd concentraia masic medie %Crm = 1,4 %).

    8.8.2. Oelurile pentru arcuri

    Aceste oeluri sunt destinate realizrii arcurilor i elementelor elasticeutilizate n construcia de maini, dispozitive i aparate. Pentru a corespundedestinaiei oelurile din aceast categorie trebuie s prezinte limit de elasticitate(curgere) ridicat (v.scap. 3.4), stabilitate n timp a caracteristicilor mecanice ncondiiile de temperatur i mediu de lucru specifice aplicaiilor n care suntutilizate, rezisten mare la oboseal i sensibilitate redus la fisurare n prezenaconcentratorilor de tensiuni i o bun prelucrabilitate prin deformare plastic.

    Cele mai utilizate oeluri din aceast categorie sunt oelurilehipoeutectoide cu %Cm > 0,45 %, nealiate sau slab aliate cu siliciu, crom, vanadiu,mangan i, uneori, cu wolfram i nichel. Arcurile i elementele elasticeconfecionate din aceste oeluri se supun unui TT final alctuit din clire

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    108

    martensitic, urmat de revenire medie (la ti = 370500 oC v. scap. 6.5).Influena cea mai puternic asupra elasticitii acestor oeluri o are siliciul(dizolvat n ferit); oelurile cu siliciu au ns tendin mare de decarburare i deformare a unor defecte superficiale n timpul prelucrrii prin deformare plastic lacald, motiv pentru care, n prezent, exist tendina nlocuirii acestora cu oelurileslab aliate CrV sau CrMn.

    Oelurile pentru arcuri au calitatea reglementat de STAS 795, simbolulmrcilor de oel utilizate pentru confecionarea arcurilor sau elementelor elasticefiind urmat de litera A; de exemplu, OLC65A este un oel nealiat de calitatepentru arcuri, cu concentraia masic medie de carbon %Cm = 0,65 %, iar60Si15A este un oel aliat pentru arcuri, cu concentraia masic medie aelementelor de aliere %Cm = 0,60 % i %Sim = 1,5 %.

    Pentru confecionarea arcurilor i elementelor elastice care lucreaz nmedii corosive se utilizeaz oelurile inoxidabile (v. scap. 8.6.1), iar dactemperaturile de lucru sunt ridicate, arcurile i elementele elastice seconfecioneaz din oeluri refractare sau din oeluri rapide pentru scule.

    8.8.3. Oelurile pentru rulmeni

    Oelurile din aceast categorie sunt utilizate la confecionarea elementeloractive (inele, bile, role etc.) ale rulmenilor. Datorit destinaiei, aceste oeluritrebuie s asigure caracteristici ridicate de rezisten mecanic i tenacitate, obun rezisten la uzare i o bun rezisten la oboseala de contact (produs desolicitrile variabile datorate contactului intermitent al inelelor cu bilele sau rolelerulmenilor).

    Oelurile pentru rulmeni utilizate curent au %Cm = 0,95...1,10 %, auconinuturile de impuriti drastic limitate (%Sm 0,020 % i %Pm 0,027 %) isunt slab aliate cu crom (%Crm = 1,20...1,65 %); pentru cretera clibilitii(impus de realizarea componentelor rulmenilor de mari dimensiuni) se poateapela la alierea suplimentar cu mangan (%Mnm = 0,90...1,35 %) i molibden(%Mom = 0,45...0,80 %), iar pentru mbuntirea puritii se poate utiliza tratarean vid a oelurilor la elaborare.

    Oelurile din aceast categorie au calitatea reglementat de STAS 1456/1 iSTAS 11250, simbolizarea lor cuprinznd grupul de litere RUL, urmat de unnumr convenional (fr semnificaie precizat) i, eventual, de litera V, dacoelurile sunt tratate n vid la elaborare; principalele mrci de oeluri pentrurulmeni sunt RUL1, RUL1V, RUL2, RUL2V i RUL3V, a cror compoziiechimic (ncadrat n prescripiile prezentate anterior) este difereniat pentruasigurarea urmtoarelor caracteristici de clibilitate (v. scap. 6.4.2): J 6 61/62 la

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    109

    mrcile RUL1 i RUL1V, J 13,5 61/62 la mrcile RUL2 i RUL2V iJ19 61/62 sau J 31 61/62 la marca RUL3V.

    Oelurile pentru rulmeni se ncadreaz n clasa structural a oeluriloraliate perlitice (hipereutectoide), avnd structura de echilibru la ta alctuit dinperlit i cementit secundar (dispus sub form de reea la margineaformaiunilor perlitice). Semifabricatele utilizate la confecionarea elementelor(pieselor) componente ale rulmenilor se realizeaz prin deformare plastic lacald, n procesele tehnologice de fabricare a acestor componente incluzndu-seaceleai TT ca i la sculele din oeluri carbon i aliate (hipereutectoide):normalizarea (pentru finisarea granulaiei i obinerea unei structuricvasieutectoide) i recoacerea de globulizare a cementitei (pentru asigurarea uneistructuri cu perlit globular), ca TT aplicate n cursul fabricrii, i clireamartensitic (pentru durificarea elementelor componente ale rulmenilor), urmatde clirea la temperaturi sczute (pentru eliminarea austenitei reziduale iasigurarea stabilitii dimensionale a elementelor rulmenilor) i de revenirea joas(pentru obinerea unei structuri cu martensit de revenire, bine detensionat i cuduritate ridicat), ca TT finale.

    Pentru confecionarea inelelor rulmenilor de mari dimensiuni, cucapaciti mari de ncrcare i supuse la ocuri mecanice n cursul exploatrii, seutilizeaz n prezent oelurile aliate Cr Ni sau Cr Mo pentru cementare; laaceste piese se asigur durificarea superficial prin aplicarea unui TT final decarburare (v. scap. 6.6.2). De asemenea, pentru confecionarea inelelor rulmenilorde mari dimensiuni, cu capaciti mari de ncrcare, funcionare intermitent icondiii necorespunztoare de ungere, se utilizeaz n prezent oelurile (nealiatesau slab aliate) pentru mbuntire; la aceste piese se asigur durificarea prinaplicarea unui TT final de clire superficial (clire CIF v. scap. 6.4.3).

    8.8.4. Oelurile rezistente la uzare i tenace

    Oelurile din aceast categorie se utilizeaz la confecionarea unor piese(lame pentru buldozere, dini pentru cupele excavatoarelor, enile pentru tractoare,elemente active pentru concasoare i utilaje miniere etc.) supuse n exploatareunor procese intense de uzare, produse prin aciunea unor solicitri dinamice(ocuri) de contact, de mare intensitate i repetate; pentru astfel de aplicaiifolosirea oelurilor durificate prin calire martensitic nu d rezultatecorespunztoare, datorit lipsei de tenacitate ce le caracterizeaz.

    Oelurile din aceast categorie, denumite i oeluri Hadfield (dup numelemetalurgului englez care le-a conceput n 1882), sunt oeluri austenitice naltaliate cu mangan, cu compoziia chimic caracterizat de %Cm = 0,91,3 % i

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    110

    %Mnm = 1114 %, la care se pot aduga, pentru mbuntirea unor proprietide utilizare, diverse cantiti de nichel, crom, molibden etc.

    Structura de echilibru la ta a acestor oeluri este alctuit din austenitaliat cu mangan i carburi de tipul (Fe, Mn)3C. Piesele confecionate din astfel deoeluri se supun unui TT de clire de punere n soluie, constnd din nclzirea imeninerea la ti = 1050...1100 oC, pentru dizolvarea carburilor n austenit,urmat de rcirea rapid, pentru meninerea structurii monofazice austenitice (cuplasticitate i tenacitate ridicate) pn la ta. n cursul utilizrii pieselorconfecionate din aceste oeluri, datorit deformrii plastice superficiale provocatede solicitrile mecanice de contact la care sunt supuse, austenita este ecruisat,stabilitatea sa se micoreaz i se produce transformarea ei n martenst, nsoitde creterea duritii i rezistenei la uzare a pieselor (aceste oeluri se comport canite materiale inteligente, care i autoadapteaz proprietile n funcie decondiiile de utilizare).

    Piesele din astfel de oeluri se obin numai prin turnare i se pot, eventual,prelucra sau fasona cu scule abrazive, prelucrarea lor prin achiere cu sculemetalice nefiind posibil, datorit ecruisrii superficiale puternice pe care le-oproduce aciunea unor astfel de scule.

    Calitatea oelurilor din aceast categorie este reglementat de STAS 3718,simbolizarea lor fcndu-se la fel ca la oelurile aliate pentru piese turnate;principalele mrci de oeluri din aceast categorie sunt: T105Mn120,T130Mn135, T100NiMn130, T120CrMn130 , T100MoMn130 i T130MoMn135.

    8.8.5. Oelurile cu rezisten mecanic foarte ridicat

    Aceste oeluri aparin clasei structurale a oelurilor aliate martensitice i secaracterizeaz prin capacitatea de a realiza caracteristici mecanice ridicate, caurmare a producerii unor fenomene de descompunere a soluiilor solidesuprasaturate prezente n structura acestora, cu formarea unor precipitate dispersecu mare efect de durificare structural. n aceast categorie se ncadreaz oelurileinoxidabile martensitice cu durificare prin precipitare (oelurile PH preciptation hardening), prezentate n scap. 8.6.1.2 i oelurile cu mbtrniremartensitic (oelurile maraging), avnd caracteristicile de compoziie chimicprezentate n tabelul 8.9.

    Starea structural corespunztoare realizrii caracteristicilor mecaniceprecizate n tabelul 8.9 se realizeaz la oelurile maraging prin aplicareaurmtoarelor TT:

    clirea de la o temperatur ti superioar temperaturii de 732 oC, la carestructura acestor oeluri devine complet austenitic; prin clire (rcire rapid de la ti),

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    111

    austenita sufer o transformare fr difuzie (transformare martensitic), structuracare rezult fiind o martensit (soluie solid suprasaturat avnd ca solvent Fe)cu coninut sczut de carbon, suprasaturat n elemente de aliere, care prezintcaracteristici bune de plasticitate i tenacitate; transformarea martensitic a acestoroeluri este reversibil i se caracterizeaz printr-un decalaj important ntrevalorile temperaturii caracteristice Ms la realizarea transformrii directe (la rcire)i inverse (la nclzire): la rcire, austenita martensit la traversareatemperaturii Ms Msr 240 oC, iar la nclzire, martensita austenit ladepirea temperaturii Ms Msi 600 oC; n starea structural realizat prin clire,semifabricatele, piesele i componentele de aparatur tehnologic realizate dinastfel de oeluri pot fi supuse prelucrrilor prin deformare plastic, achiere i/sausudare;

    durificarea prin precipitare (mbtrnire), la o temperaturti = 480...485 oC, o durat de meninere aleas convenabil pentru precipitarea nstructura martensitic a fazelor durificatoare dorite; n mod obinuit se activeazprecipitare compuilor intermetalici MoNi3 i TiNi3 (cu efect durificator maxim)i se limiteaz duratele de mbtrnire pentru a se evita apariia precipitatelor detip Fe2Mo (fr nichel), care determin creteri locale ale concentraiei de Ni,transformri locale ale martensitei n austenit i micorarea duritii icaracteristicilor de rezisten mecanic ale oelurilor (nmuierea oelurilor prinsuprambtrnire).

    Tabelul 8.9. Compoziia chimic i caracteristicile mecanice ale oelurilor maragingCompoziia chimic Caracteristicile mecaniceMarca

    oelului %Nim %Com %Mom %Tim %AlmRm,

    N/mm2Rp0,2,

    N/mm2A,%

    Z,%

    18Ni200 18,0 8,5 3,2 0,2 0,1 1480 1410 12 5518Ni250 18,0 8,0 4,8 0,4 0,1 1700 1620 6 3518Ni300 18,5 8,7 5,0 0,6 0,1 1970 1930 6 3018Ni350 17,5 12,5 3,8 1,7 0,1 2500 2460 5 2518Ni350 18,0 11,8 4,6 1,3 0,1 2500 2460 5 2517Ni 17,0 10,2 4,6 0,3 0,1 1700 1620 6 30

    1253 12,0 5,0* 3,0 0,2 0,4 1340 1260 14 60La toate oelurile %Cm < 0,03 %; %Mnm < 0,1%; %Sim < 0,1%; %Sm , %Pm < 0,01 %* Coninutul de Cr (care, la aceast marc de oel, nlocuiete Co).Sudabilitatea oelurilor maraging este bun, deoarece n timpul rcirii CUS

    i ZIT dup sudare, austenita se transform n martensit plastic, cu tendinredus de fisurare. Principalele probleme care apar la sudare, mai ales dacoperaia de sudare este efectuat dup realizarea TT de clire i mbtrnire laconstrucia sudat, sunt:

    nmuierea ZIT; se realizeaz n fiile n care ciclurile termice de sudarese caracterizeaz prin temperaturi care asigur apariia n structur a austenitei

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    112

    (fiile din ZIT n care temperatura depete 732 oC i se obine o structurcomplet austenitic i fiile din ZIT n care temperatura este situat n intervalul480...732 oC i martensita se transform parial n austenit); austenita din acestefii se transform la rcirea mbinrilor sudate n martensit moale i plastic,nedurificat prin precipitare;

    formarea n structura CUS a unor compui intermetalici, careinflueneaz negativ caracteristicile de rezisten mecanic i (mai ales) detenacitate ale acestei zone a mbinrilor sudate; se datoreaz nencadrrii MB ncaracteristicile de compoziie chimic recomandate (v.tabelul 8.9) i alegeriinecorespunztoare a MA; de exemplu, excesul de carbon determin apariia nstructura CUS a carburilor de titan i molibden, iar impurificarea excesiv cu sulfdetermin formarea n structura CUS a sulfurii de titan (uor fuzibil, care poatedetermina scderea tenacitii i creterea tendinei de fisurare);

    formarea porilor n CUS; este determinat de absorbia de gaze (O2, N2,H2) din mediul nconjurtor sau din materialele utilizate la sudare.

    Aceste probleme se pot rezolva prin: verificarea atent a calitii MB aleconstruciilor sudate, alegerea judicioas a MA i proiectarea corect a regimurilorde sudare.

    8.8.6. Oelurile cu coeficient de dilatare termic controlat

    Oelurile din aceast categorie sunt nalt aliate cu nichel sau cu crom inichel i se caracterizeaz prin valori ale coeficientului de dilatare termic redusei care variaz foarte puin cu temperatura. Principalele oeluri (aliaje) comercialedin aceast categorie sunt:

    Invarul este un oel cu %Cm 0,3 % i %Nim = 3537 %, care are uncoeficient de dilatare ce rmne practic neschimbat pn la 100 oC i este de optori mai mic dect al fierului; acest aliaj se utilizeaz pentru fabricarea etaloanelorde lungime, intr n construcia tuburilor catodice utilizate pentru monitoarele demare rezoluie ale calculatoarelor electronice etc.;

    Elinvarul este un aliaj cu %Cm = 0,3...0,4 %, %Nim = 3537 %,%Crm = 8,012,5 % i restul Fe, care are un coeficient de dilatare termic redusi un modul de elasticitate ce rmne aproximativ constant pn la 100 oC; acestaliaj este recomandat pentru fabricarea elementelor elastice de precizie (orologeriemecanic, elemente de acionare n automatizri, traductoare de precizie etc.);

    Platinitul este un aliaj cu %Cm 0,4 %, %Nim = 4248 % i restul Fe,care are coeficientul de dilatare egal cu al sticlei i platinei; este utilizat ca aliajnlocuitor al platinei n construcia aparatelor la care exist piese metalicenglobate n sticl (lmpi electrice, tuburi electronice, aparatur de laborator etc.).

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    113

    8.9. Fontele comerciale

    8.9.1. Simbolizarea fontelor comerciale

    Simbolizarea alfanumeric i numeric a fontelor este reglementat destandardul SR EN 1560 conform cruia, simbolizarea alfanumeric se poateutiliza pentru orice categorie de font (standardizat sau nu), iar simbolizareanumeric se utilizeaz numai pentru fontele standardizate.

    Ca i n cazul oelurilor, simbolizarea alfanumeric se poate face fie nfuncie de caracteristici, fie n funcie de compoziia chimic. Structura iconinutul simbolurilor pentru cele dou criterii de simbolizare sunt prezentate ntabelul 8.10. Se poate observa c simbolizarea fontelor prezint urmtoareleparticulariti:

    prezena sau absena simbolului EN arat c fonta este inclus ntr-unstandard european sau nu ;

    literele GJ sunt prezente n simbolul oricrei mrci de font, litera Jindicnd c materialul simbolizat este o font, iar litera G c aceasta seutilizeaz n stare turnat;

    simbolul alfanumeric d informaii despre conformaia grafitului idespre structura sau starea de tratament termic a masei metalice de baz a fontei;

    simbolizarea dup caracteristici prevede posibilitatea de a indica fierezitena la rupere Rm , n N/mm2 (i eventual alungirea procentual dup rupere A,n % sau caracteristica de novoiere prin oc KV, n J), fie duritatea Brinell (nmod uzual), Vickers sau Rockwell; n cazul n care simbolul cuprinde valoareaKV, se specific dac ncercarea de ncovoiere prin oc, necesar pentu verificareaacestei caracteristici, se efectueaz la temperatur ambiant (literele RT) sau latemperatur sczut (literele LT) i se indic n simbol modul de obinere aepruvetelor (v. tabelul 8.10);

    simbolizarea dup compoziia chimic se realizeaz cu sau fr indicareaconinutului de carbon, aplicnd aceleai principii ca n cazul oelurilor aliate.

    Simbolizarea numeric a mrcilor de fonte conform SR EN 1560 estecomplementar simbolizrii alfanumerice, iar simbolurile au structura prezentatn figura 8.20. Prin aceast simbolizare se atribuie fiecrei mrci de font cte unnumr de dou cifre nscris n pozitiile 7 i 8; cifra din poziia 5 a simbolului este1 pentru cazul n care simbolul alfanumeric al fontei indic rezistena la traciune,2 cnd se indic duritatea i 3 cnd simbolizarea se face dup compoziia chimic,iar la poziia 9 se nscrie o cifr (09), n funcie de condiiile specifice impuse

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    114

    fiecrei mrci, dup cum urmeaz: 0 pentru fontele fr condiii specifice,1 pentru fontele ale cror caracteristici se verific pe probe turnate separat,2 pentru fontele ale cror caracteristici se verific pe probe ataate la piese,3 pentru fontele ale cror caracteristici se verific pe probe prelevate din pieseleturnate, 4 pentru fontele la care se face ncercarea la ncovoiere prin oc latemperatur ambiant, 5 pentru fontele la care se face ncercarea la ncovoiereprin oc la temperatur sczut, 6 pentru fontele cu sudabilitate specificat,7 pentru piesele n stare brut de turnare, 8 pentru piesele tratate termic,9 pentru condiii suplimentare specificate n comanda beneficiarului.

    Fig. 8.20. Structura simbolizrii numerice a fontelor conform SR EN 1560Pn la nlocuirea tuturor standardelor de fonte aprobate nainte de 1992

    (standarde marcate cu sigla STAS) se menine (mpreun cu prescripiile desimbolizare anterior prezentate) i posibilitatea simbolizrii fontelor conformacestor standarde.

    8.9.2. Fontele cu destinaie general

    Din aceast categorie fac parte fontele cu grafit lamelar, fontelemaleabile i fontele cu grafit nodular.

    Fontele cu grafit lamelar (fontele cenuii) au utilizarea cea mai mare,reprezentnd 70 % din totalul materialelor metalice turnate n piese. Acestealiaje au compoziia chimic de baz caracterizat astfel: %Cm =2,53,5 %,%Sim = 1,52,5 %, %Mnm = 0,51,0 %, %Pm = 0,10,65 % i%Sm = 0,030,15 %. Caracteristica mecanic principal care se garanteaz laaceste materiale este rezistena la rupere Rm, cuprins n mod obinuit n intervalul[100 N/mm2 ; 350 N/mm2]; obinerea unor rezistene Rm > 250 N/mm2 se realizeazprin aliere: %Crm = 0,150,8 %, %Nim = 0,22 %, %Cum = 0,51,5 %,%Mom = 0,10,5 %. Aa cum s-a prezentat n scap 4.4, structura acestor fonte esteformat dint-o mas metalic de baz feritic (la fontele cu Rm < 200 N/mm2),

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    115

    ferito-perlitic (la fontele cu Rm [200 N/mm2; 300 N/mm2]) sau perlitic (lafontele cu Rm > 300 N/mm2) i formaiuni de grafit lamelar izolate sau subform de aglomerri, principalele tipuri de separri de grafit fiind prezentate nfigura 8.21. Formele de grafit A, B, D se pot forma la aceeai vitez de rcire,n funcie de capacitatea de germinare a topiturii; formele de grafit D i E aparn cazul fontelor hipoeutectice supranclzite, cnd lamelele de grafit se aeazntre ramurile dendritelor sub form neordonat (grafit D) sau sub formordonat (grafit E). Din punctul de vedere al influenei asupra caracteristicilormecanice de rezisten cea mai convenabil form a grafitului corespundetipului A.

    Grafitul lamelar ntrerupe continuitatea masei metalice i constituieconcentratori puternici de tensiuni, ceea ce explic rezistena mecanic sczut,lipsa de plasticitate i rezistena la oboseal redus a acestor materiale. Prezenagrafitului confer ns fontelor i unele caracteristici favorabile, cum ar ficapacitatea mare de amortizare a vibraiilor mecanice i o bun comportare la uzare,datorit efectelor de ungere produse de grafit.

    Utilizarea lor deosebit de larg se datoreaz costului redus, proprietilorfoarte bune de turnare (fluiditate ridicat, contracie la solidificare redus) i deprelucrare prin achiere (lamelele de grafit fragmenteaz achiile). Se pot turnapiese cu forme complicate i de orice dimensiune (masa pieselor poate fi0,110000 kg), care nu pot fi realizate prin alte procedee tehnologice.

    Fig. 8.21. Formele separrilor de grafit lamelarCaracteristicile fontelor cu grafit lamelar sunt reglementate de standardul

    SR EN 1561, care caracterizeaz fontele pe baza rezistenei la traciune sau pe bazaduritii Brinell, astfel c simbolurile utilizate sunt ENGJLxxx, xxx reprezentndrezistena minm la traciune n N/mm2, sau ENGJLHBxxx, xxx fiind duritateaBrinell; de exemplu, ENGJL300 este o font cenuie cu Rm 300 N/mm2, iarENGJLHB235 este o font cenuie cu duritatea HB 235 HBS

    ntre duritatea Brinell i rezistena la traciune a acestor materiale existurmtoarea corelaie, precizat i n standardul SR EN 1561:

    ( )mRRHHB 44,0100 += , (8.4)

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    116

    n care RH este un coeficient stabilit experimental pentru o anumit tehnologie deelaborare i de turnare ai cror parametri pot fi meninui constani (de obicei,RH = 0,81,2). Relaia (8.4) este important deoarece permite evaluarea rezisteneila traciune pentru fiecare pies n parte, utiliznd valorile determinrilor de duritateBrinell, care este o ncercare nedistructiv i poate fi realizat cu aparate portabile.

    Fontele maleabile se caracterizeaz prin existena grafitului sub form deaglomerri sau cuiburi de grafit; aa cum s-a prezentat n scap.4.5, produsele dinastfel de materiale se obin aplicnd tratamentele termice de recoacere demaleabilizare a semifabricatelor turnate din fonte albe hipoeutectice (cu%Cm = 2,23,2 %, %Sim = 0,81,5 %, %Mnm = 0,30,8 %); aceste materiale aurezistena la traciune Rm = 350800 N/mm2 i alungirea la rupere A = 112 %i se utilizeaz n special pentru fabricarea pieselor de legtur pentru instalaii(denumite fitinguri), deoarece acestea sunt piese cu perei subiri i se pot turnabine din fonte albe, iar dimensiunile lor sunt relativ mici i tratamentul demaleabilizare (a crui durat depinde de masa pieselor supuse tratrii) se poateaplica n condiii economice.

    Calitatea fontelor maleabile este reglementat de standardul SR EN 1562care prevede dou tipuri de fonte:

    fontele maleabile cu miez alb, simbolizate ENGJMWxxxx, numrulxxx reprezentnd rezistena la traciune Rm, n N/mm2, iar al doilea numrul xalungirea la rupere A3,4 n % (ncercarea la traciune se realizeaz utiliznd oepruvet cu 00 4,3 SL = , ceea ce pentru o epruvet circular corespunde uneilungimi iniiale a poriunii calibrate L0 = 3d0); de exemplu, ENGJMW4005 esteo font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A3,4 5 %;

    fontele maleabile cu miez negru, simbolizate ENGJMBxxxx, numereleavnd aceleai semnificaii ca mai nainte; de exemplu, ENGJMB6502 este ofont maleabil cu Rm 650 N/mm2 i A3,4 2 %.

    De menionat c n cazul fontelor maleabile, ncercarea la traciune seexecut utiliznd epruvete turnate separat i neprelucrate mecanic, TT aplicatacestor epruvete trebuind s fie acelai cu al pieselor pe care le reprezint.

    Fontele cu grafit nodular numite i fonte ductile se obin din fontecenuii prin procedeele de modificare prezentate n scap. 4.6. Sferoidizareagrafitului la modificare poate fi mpiedicat de prezena unor impuriti cum ar fi:As, Sn, Al, Ti, Pb, Bi, ceea ce impune limitarea concentraiilor acestor acestorcomponente la niveluri foarte sczute.

    Comportarea la turnare a fontelor cu grafit nodular prezint ctevaparticulariti generate de compoziia lor chimic apropiat de cea eutectic:fluiditate ridicat, valori mari ale tensiunii superficiale i valori ridicate aledilatrii iniiale (care impun utilizarea formelor de turnare cu maselote).

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    117

    Tabelul 8.10 Structura simbolurilor pentru fonte conform SR EN 1560

    Caracteristici mecanice sau compozitie chimicStructuragrafitului

    Structuramasei

    metaliceCaracteristici mecanice Compozitie

    chimic

    Condiiisuplimentare

    L lamelar;S nodular (sferoidal);M grafit n cuiburi;V vermicular;N fr grafit.

    A- austenit;F ferit;P perlitM martensitL ledeburit;Q clit;QT calit i

    revenit;B miez negru**;W miez alb **;

    a) -nnn-nn Rm minim, n N/mm2, urmat dup cratim de A n %;b) modul de obinere a probei:S prob turnat separat;U prob ataat piesei;C prob prelevat din piesc) duritatea*:HBnnn Brinell;HVnnn Vickers;HRnn Rockwell;d) ncercarea la ncovoiere prin oc:RT la temperatur ambiant;LT la temepratur sczut

    a) litera X pentru a indicasimbolizarea dup comp.chimic;b) %Cm x 100,numai n cazurile n careconcetraiacarbonului este important;c)simbolurilechimice

    ale elementelor de aliere;d) concentraiile

    masice aleelementelor dealiere %EAm

    separate princratim

    D stare brut de turnare;H pies tratat termic;W sudabilitatepentru mbinareprin sudare;Z alte condiiispecificate ncomand

    * n cazul simbolizrii n funcie de duritate nu se mai indic Rm i A;** Simboluri folosite numai la fonte maleabileExemple de simbolizare:

    ENGJL150S font standardizat cenuie cu grafit lamelar cu Rm = 150 N/mm2,determinat pe prob turnat separat;

    ENGJS35022C font standardizat cu grafit nodular cu Rm = 350 N/mm2 i A = 22%,determinate pe probe prelevate din pies;

    ENGJMW4507U font standardizat maleabil cu miez alb cu Rm = 450 N/mm2 iA = 7%, determinate pe probe ataate piesei;

    GJ400CZ font cenuie nestandardizat cu Rm = 400 N/mm2 la care se prevdanumite condiii n comand;

    ENGJSHB230 font nodular cu duritatea Brinell HBS = 230;ENGJLXNiMn137 font cenuie aliat cu %Nim = 13% i %Mnm = 7%;ENGJNX320CrNiSi952 font ledeburitic la care se impune %Cm = 3,2 %, aliat

    cu %Crm = 9 %, %Nim = 5 % i %Sim = 2 %.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    118

    Caracteristicile mecanice ale acestor fonte depind n mare msur destructura masei metalice de baz: fontele nodulare feritice au rezisten mecanicsczut i plasticitate bun, alungirea la rupere fiind comparabil cu a oelurilorhipoeutectoide; fontele nodulare perlitice, au rezisten mecanic ridicatRm = 500800 N/mm2, dar plasticitatea lor este redus; la aceeai structur a

    masei metalic de baz, raportul m

    p

    RR 02 este mai mare n cazul fontelor nodulare

    dect n cazul oelurilor. Forma rotunjit a grafitului diminueaz efectul deconcentrare a tensiunilor, astfel c se pot atinge valori ale rezistenei la obosealO = 200280 N/mm2. Datorit acestor caracteristici, fontele nodulare seutilizeaz cu precdere n construcia de motoare, tinznd s nlocuiasc oelurilela realizarea arborilor cotii i n industria metalurgic, la fabricarea pieselor dedimensiuni mari, puternic solicitate n exploatare, cum sunt cilindrii de laminor.

    Pentru obinerea unor caracteristici mecanice mai bune, fontele nodularese supun TT de clire izoterm bainitic, n urma cruia se pot obine rezistenela traciune Rm = 8001400 N/mm2.

    Caracteristicile fontelor cu grafit nodular netratate termic sunt stabiliteprin SR EN 1563, iar caracteristicile celor tratate termic prin SR EN 1564.Simbolul acestor fonte are structura ENGJSxxxx, numerele avnd aceeaisemnificaie ca n cazul fontelor maleabile, cu precizarea c ncercarea la traciunese efectueaz pe epruvete prelucrate la care 00 65,5 SL = , ceea ce pentru oepruvet circular corespunde la L0 = 5d0, adic epruvet normal); de exemplu,ENGJS40015 este o font nodular cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %.

    Standardul SR EN 1563 prevede pentru fontele nodulare feritice iposibilitatea garantrii unei anumite energii de rupere KV, determinat fie latemperatur ambiant fie la temperaturi sczute (pn la 40 oC); mrcilerespective se recunosc dup literele RT sau LT scrise la sfritul simbolului; deexemplu, ENGJS35022LT este o font nodular cu Rm 350 N/mm2,A 22 % la care se garanteaz KV 12 J la 40 oC, iar ENGJS22RT aceeaifont, la care se garanteaz KV 17 J la 20 oC.

    Compoziia chimic a fontelor cu destinaie general este lsat la alegereaproductorului, cu condiia obinerii caracteristicilor mecanice impuse.

    8.9.2. Fontele cu destinaie precizat

    n aceast categorie sunt incluse fonte nealiate sau aliate, elaborate astfelnct au anumite caracteristici specifice aplicaiilor crora le sunt destinate. Dinacest punct de vedere, principalele categorii sunt: fontele refractare, fontele

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    119

    rezistente la temperaturi sczute, fontele rezistente la coroziune i fontelerezistente la uzare.

    Fontele refractare sunt fonte aliate care au o bun comportare la aciuneafenomenelor de oxidare, cretere de volum, oc termic i fluaj, care se manifestla temperaturi ridicate. Caracteristicile lor sunt stabilite prin STAS 6706,conform cruia se produc patru tipuri de fonte: fonte cu coninut ridicat de crom,fonte cu coninut ridicat de siliciu, fonte cu coninut ridicat de aluminiu i fontecu coninut ridicat de crom i siliciu. Fontele din aceast categorie sunt fie fontecu masa de baz perlitic, n care se gsesc nglobate carburi i grafit lamelar, fiecu masa de baz feritic, n care se gsesc carburi, grafit lamelar sau grafitnodular. Aceste fonte prezint rezisten la oxidare la t < 1100 C i au o bunrezisten la cretere, fenomen ce se produce (la temperaturi nalte) datoritdescompunerii cementitei (cu formare de grafit) i oxidrii interne produse degazele ce ptrund de-a lungul filamentelor de grafit i are ca efecte cretereavolumului i pierderea coeziunii materialui. Cromul, siliciul i aluminiul conferacestor fonte rezisten la oxidare prin acelai mecanism ca n cazul oelurilorrefractare (formarea unei pelicule compacte i aderente de oxizi care protejeazmaterialul fa de oxidarea n profunzime).

    Fontele refractare se simbolizeaz cu literele Fr, dac grafitul este lamelari Frgn, dac grafitul este nodular, urmate de simbolul elementului principal dealiere i de un numr care arat concentraia masic medie a acestui element; deexemplu FrCr16 este o font refractar cu grafit lamelar, cu %Crm = 16 %, iarFrgnAl 22 este o font refractar cu grafit nodular, cu %Alm = 22 %.

    n cazul pieselor solicitate la ocuri termice, se utilizeaz fonte austeniticecu grafit nodular, care sunt fonte alite dup una din reetele NiMn(%Nim = 10...12 %, %Mnm = 58 %) sau Ni SiMnCu (%Nim =1020 %,%Sim = 46 %, %Mnm = 48 % , i %Cum = 24 %).

    Fontele rezistente la temperaturi sczute sunt fonte nodulare aliate cunichel (%Nim = 20...26 %) sau cu mangan ( %Mnm = 3,54,5 %), care le conferstructur austenitic. n condiiile asigurrii structurii de echilibru (binedetensionat) aceste fonte au o bun rezistena la ocuri mecanice, energia lor derupere KV rmnnd practic neschimbat de la ta pn la 150 oC.

    Fontele rezistente la coroziune sunt fonte cu sau fr grafit n structur,aliate n principal cu crom, siliciu, nichel, aluminiu, i, n cantiti mai mici,molibden sau stibiu. Rezistena lor la coroziune este puternic influenat de formagrafitului, cea mai bun comportare avnd-o fontele cu grafit fin dispersat n masametalic de baz a structurii. Tipurile de fonte rezistente la coroziune mai frecventutilizate sunt prezentate n continuare.

    Fontele nalt aliate cu siliciu (%Sim = 1218 %) au un coninut sczut decarbon (%Cm = 0,3...0,4 %), au structura masei metalice feritic i sunt rezistente

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    120

    la aciunea acizilor azotic i sulfuric, iar dac sunt aliate suplimentar cu molibden(%Mom = 24 %) devin rezistente i la cloruri.

    Fontele nalt aliate cu crom (%Crm = 25...35 %) au structura tipicfontelor albe (datorit efectului antigrafitizant al cromului); sunt rezistente laaciunea acizilor i apei de mare.

    Fontele nalt aliate cu nichel (%Nim = 1335 %) au structura maseimetalice austenitic, iar grafitul poate fi lamelar sau nodular; sunt rezistente laaciunea mediilor alcaline, iar prin adaosuri de crom, siliciu i/sau cupru, devinrezistente i la aciunea acizilor oxidani sau organici.

    Fonte complex aliate cu nichel, cupru, siliciu i aluminiu au rezistenbun la aciunea acizilor sulfuric i acetic.

    Fontele rezistente la uzare cuprind dou tipuri: fontele antifriciune ifontele de friciune.

    Fontele antifriciune sunt fonte care trebuie s asigure un coeficient defrecare ct mai mic, fiind folosite pentru confecionarea componentelor lagrelorde alunecare. Sunt fonte cenuii, maleabile i nodulare, slab aliate cu Cr, Ni, Cu,Ti, Si, Pb, P, cu structura masei metalice perlitic, sau nalt aliate cu Mn(%Mnm = 7,512,5 %), cu structura masei metalice austenitic. n structuraacestor fonte nu se admite prezena cementitei libere, dar toate conin eutecticfosforos ternar (numit steadit), care le mbuntete rezistena la uzare.

    Fontele de friciune sunt fonte care trebuie s realizeze coeficieni defrecare ct mai mari, fiind utilizate pentru confecionarea tamburilor de frn de laautovehicule. Au structur perlito-sorbitic, fiind fonte nealiate sau aliate cu %Nim= 1,21,5 % i %Crm = 0,250,65 % sau %Mom 0,25 %. n cazul pieselorsupuse la solicitri severe se folosesc fontele cu %Nim = 3,56,0 %, structuramasei metalice de baz a acestora fiind martensitic.

    Cuvinte cheie

    band de clibilitatenormal, ngust, 67

    cmp termic de sudare, 70carbon echivalent %Ce, 75clase de calitate, 56comportare metalurgic la sudare,, 74construcie sudat, 69coroziune intercristalin, 92custur sudat (CUS)

    rnduri, straturi, 69elinvar, 112fii ZIT, 73

    fisurare la cald a CUS, 93font comercial, 113font refractar, 119font rezistent la coroziune, 119font rezistent la uzare

    antifriciune, de friciune, 120fragilizare prin faza , 94hardenit, 104invar, 112laminare normalizant, 75laminare termomecanic (controlat), 76material de adaos (MA), 69

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    121

    material de baz (MB), 69oel

    necalmat, calmat, 64oel bifazic (dual-phase), 84oel carbon de calitate, 65oel criogenic, 80oel cu granulatie fin, 76oel cu granulaie fin, 79oel duplex, 94oel durificabil prin precipitare (PH), 89oel Hadfield, 109oel HSLA, 80oel inoxidabil stabilizat, 93oel maraging, 110oel pentru carburare, 66otel pentru construcii sudate, 75oel pentru mbuntire, 66oel pentru rulmeni, 108oel rapid, 103

    oel refractar (termorezistent), 96oel turnat, 105oeli inoxidabil

    cu crom, cu crom i nichel, 86oeluri patinabile, 98oeluri pentru recipiente, 78oteluri pentru scule, 100oeluri termorezistente, 78platinit, 112rost de sudare, 69simbolizare

    alfanumeric, numeric, 59standard

    general, de produs, 53structur feritic acicular, 83sudabilitate, 74superaliaj, 97temperatur de referin, 77zon influenat termic (ZIT), 70

    Bibliografie

    1. Colan H. .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic,Bucureti, 1983

    2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II.,Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981

    3. Geru N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 19824. Mitelea I., Lugsheider E., Tillmann W. Stiina materialelor n construcia

    de maini, Editura Sudura, Timioara 19995. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic i

    Pedagogic, Bucuresti, 19956. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic i

    Pedagogic, Bucuresti, 19837. Truculescu M., Ieremia A., Oeluri inoxidabile i refractare, Editura

    Facla, Timioara, 19838. Vacu S., .a., Elaborarea oelurilor aliate, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 19809. * * * Culegere de standarde comentate Oeluri. Mrci i condiii tehnice

    de calitate, O.I.D.I.C.M., Bucureti, 199410. * * * Culegere de standarde comentate Supliment. Oeluri. Mrci,

    O.I.D.I.C.M., Bucureti, 199911. * * * Culegere de standarde comentate Fonte i oeluri turnate.,

    O.I.D.I.C.M., Bucureti, 1996

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    122

    Teste de autoevaluare

    T.8.1. Activitatea specific prin care se stabilesc, pentru probleme realesau poteniale, prevederi destinate unei utilizri comune i repetate, urmrindobinerea unui grad optim de ordine ntr-un context dat, este denumit:a) normalizare; b) ordonare; c) standardizare; d) clasificare?

    T.8.2. Documentul stabilit prin consens i aprobat de un organismrecunoscut, care stabilete reguli, prescripii sau caracteristici pentru activiti saurezultatul acestora, n scopul obinerii unui grad optim de ordine ntr-un contextdat este denumit: a) standard; b) normativ; c) lege; d) convenie?

    T.8.3. n funcie de nivelul de aplicare, standardele pot fi: a) standarde defirm; b) standarde naionale; c) standarde regionale; d) standarde de produs?

    T.8.4. Clasele principale de calitate prevzute n standardul SR EN 10020pentru oelurile nealiate sunt: a) oeluri de uz general: b) oeluri excepionale;c) oeluri de calitatea; d) oeluri speciale?

    T.8.5. Respectarea crora dintre urmtoarele condiii determin ncadrareaunui oel nealiat n clasa oelurilor speciale: a) oelul are prescris energia de rupereKV n starea C + r; b) oelul are concentraiile de impuriti %Pm, %Sm 0,025 %;c) oelul are prescris o energia de rupere (determinat pe epruvete prelevatelongitudinal din semifabricate sau produse) KV > 27 J la 50 oC; d) oelul nunecesit aplicarea de TT pentru obinerea caracteristicilor prescrise?

    T.8.6. Care dintre urmtoarele oeluri aliate se ncadreaz n clasaoelurilor de calitate: a) oelurile pentru recipiente sub presiune care au limita decurgere Rp0,2 > 400 N/mm2; b) oelurile pentru electrotehnic; c) oelurile bifazice;d) oelurile la care singurul element de aliere (n far de carbon) este niobiul?

    T.8.7. Care dintre urmtoarele condiii sunt respectate de marca de oelnealiat simbolizat OL370.4.k conform STAS 500 i, respectiv, S235J2G3conform SR EN 10027-1: a) otelul are rezistena la traciune Rm 370 N/mm2;oelul are limita de curgere Re 235 N/mm2; c) oelul are limita de curgereRe 370 N/mm2; d) oelul este calmat?

    T.8.8. Care dintre urmtoarele condiii sunt respectate de marca de oelnealiat simbolizat OLC15 conform STAS 880 i, respectiv, C15 conformSR EN 100271: a) oelul are concentraia masic medie de carbon%Cm = 0,15 %; b) oelul are concentraia masic medie de carbon%Cm = 15 %; c) oelul se utilizeaz pentru piesele care se supun carburrii;d) oelul este destinat fabricrii pieselor la care TT final este mbuntirea?

    T.8.9. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construcia de

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    123

    maini (simbolizate conform STAS 791) aparin categoriei oelurilor pentrumbuntire: a) 15Cr08; b) 42MoCr11; c) 17CrNi16; d) 34MoCrNi16?

    T.8.10. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construciade maini (simbolizate conform SR EN 100271) aparin categoriei oelurilorpentru mbuntire: a) 43MnMo62; b) 38AlCrMo1061; c) 34CrNiMo662;d) 17CrMn44?

    T.8.11. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construciade maini (simbolizate conform STAS 791) aparin categoriei oelurilor pentrucarburare (cementare): a) 15Cr08; b) 42MoCr11; c) 17CrNi16; d) 34MoCrNi16?

    T.8.12. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri aliate pentru construciade maini (simbolizate conform SR EN 100271) aparin categoriei oelurilorpentru carburare (cementare): a) 34CrMo42; b) 51CrMnV44-1; c) 15Cr3;d) 17CrMn44?

    T.8.13. Care sunt zonele caracteristice ale unei mbinri sudate:a) materialul de baz MB; b) zona influenat termic ZIT; c) materialul de adaosMA; d) custura sudat CUS?

    T.8.14. Care dintre fiile ZIT a unei mbinri sudate dintre dou piese dinoel (nealiat) cu coninut sczut de carbon are cele mai slabe caracteristici detenacitate: a) fia de supranclzire; b) fia de normalizare; c) fia deaustenitizare incomplet; d) fia neaustenitizat?

    T.8.15. Aptitudinea unui oel ca printr-un anumit procedeu i pentru unanumit scop s asigure n mbinrile sudate caracteristicile locale i generaleprescrise pentru o construcie sudat este denumit: a) clibilitate; b) plasticitate;c) sudabilitate; d) elasticitate?

    T.8.16. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri cu granulaiefin pentru construcii sudate: a) S335K2; b) S235NL; c) P355NH; d) P235NL1?

    T.8.17. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri cucaracteristici de tenacitate garantate la temperaturi sczute (sub 60 oC):a) P235NL1; b) 12MnNi153; c) P460NL2; d) X8Ni9?

    T.8.18. Ce structur prezint semifabricatele realizate din oeluri bifazice(dualphase steel): a) ferit i perlit; b) ferit acicular; c) ferit i insule demartensit; d) bainit cu coninut sczut e carbon?

    T.8.19. Prezena crui element de aliere confer oelurilor calitatea de a fiinoxidabile: a) nichelul, dac %Nim > 8 %; b) cromul, dac %Crm 12,0 %;c) carbonul, dac %Cm < 0,2 %; d) manganul, dac %Mnm 12 %?

    T.8.20. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabileferitice: a) X50CrMoV15; b) X2CrMoTi171; c) X6CrNi171;d) X6CrMoNb171?

    T.8.21. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabile

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    124

    martensitice: a) X50CrMoV15; b) X2CrMoTi171; c) X70CrMo15;d) X90CrMoV18?

    T.8.22. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabileaustenitice: a) X50CrMoV15; b) X6CrMoNb171; c) X2CrNi189;d) X2CrNiMo17122?

    T.8.23. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabilemartensitice cu durificare prin precipitare: a) 12MnNi153; b) S235NL;c) 10AlCr240; d) X7CrNiAl177?

    T.8.24. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri inoxidabilede tip duplex: a) X2CrNiMoN2253; b) 12MnNi153; c) X3CrNiMoN2752;d) X50CrMoV15

    T.8.25. Care dintre urmtoarele elemente confer oelurilor rezisten laoxidare la temperaturi ridicate, fiind elemente de aliere tipice pentru oelurilerefractare: a) cromul; b) nichelul; c) siliciul; d) aluminiul?

    T.8.26. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri refractare:a) 10AlCr180; b) 10AlCr240; c) OLC45; d) 15SiNiCr200?

    T.8.27. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri patinabile:a) S235W; b) S355W; c) RCA 370; d) S335K2?

    T.8.28. Care este TT final ce se aplic sculelor confecionate din oelulOSC10: a) clire martensitic + revenire joas; b) mbuntire; d) normalizare +recoacere de globulizare a cementitei; d) clire de punere n soluie + mbtrnire?

    T.8.29. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri pot fi utilizate pentruconfecionarea matrielor de deformare plastic la cald a oelurilor: a) 105CrW20;b) 117VCr6; c) 30VCrW85; d) 31VCr8?

    T.8.30. Care din urmtoarele probleme pot s apar la sudarea oelurilorinoxidabile austenitice: a) fisurarea la cald a CUS; b) creterea excesiv agranulaiei; c) apariia fazei ; d) transformarea perlitei n austenit?

    T.8.31. Care din urmtoarele probleme pot s apar la sudarea oelurilorinoxidabile feritice: a) fisurarea la cald a CUS; b) transformarea perlitei naustenit; c) creterea excesiv a granulaiei; d) apariia fazei ?

    T.8.32. Care este TT final ce se aplic matrielor confecionate din oelul30VCrW85: a) clire martensitic + revenire joas; b) normalizare + recoacere deglobulizare a cementitei; c) clire martensitic + revenire nalt (mbuntire);d) clire de punere n soluie + mbtrnire?

    T.8.33. Care este TT final ce se aplic arcurilor confecionate din oelul60Si15A: a) clire martensitic + revenire joas; b) normalizare + recoacere deglobulizare a cementitei; c) clire martensitic + revenire nalt (mbuntire);d) clire martensitic + revenire medie?

    T.8.34. Care dintre urmtoarele mrci corespund unor oeluri Hadfield:

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    125

    a) 105CrW20; b) T100NiMn130; c) 117VCr6; d) T120CrMn130?T.8.35. Care dintre urmtoarele mrci de oeluri sunt destinate realizrii de

    semifabricate sau piese turnate: a) G 230450; b) T120CrMn130;c) G 200400W; d) T9MoCrNi30R?

    T.8.36. Care din urmtoarele probleme pot s apar la sudarea oelurilormaraging: a) nmuierea ZIT; b) formarea n structura CUS a unor compuiintermetalici care influeneaz negativ caracteristicile de tenacitate; c) fisurarea lacald a CUS; d) formarea porilor n CUS?

    T.8.37. Ce semnificaie are grupul de litere EN din simbolul unei mrci defont: a) fonta este cenuie; b) fonta corespunde unui standard european; c) fontanu are grafit n structur; d) fonta este netratat termic?

    T.8.38. Care dintre urmtoarele tipuri de fonte aparin categoriei fonteloraliate rezistente la uzare: a) fontele rezistente la temperaturi sczute; b) fonteleantifriciune; c) fontele refractare; d) fontele de friciune?

    T.8.39. Care din urmtoarele variante corespunde mrcii de font cusimbolul ENGJS40015: a) font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %;b) font nodular cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %; c) font cu grafit lamelar cuRm 400 N/mm2 i A 15 %; d) font alb cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %?

    T.8.40. Care din urmtoarele variante corespunde mrcii de font cusimbolul ENGJMW4005: a) font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A 5 %;b) font maleabil cu Rm 400 N/mm2 i A 15 %; c) font cu grafit lamelar cuRm 400 N/mm2 i A 5 %; d) font nodular cu Rm 400 N/mm2 i A 5 %?

    Aplicaii

    A.8.1. Semifabricatele confecionate dintr-un oel carbon cu %Cm = 0,1 %sunt supuse unui TT intercritic, constnd din nclzirea la ti (A1; A3), meninereao durat scurt la aceast temperatur i rcirea n ap, pentru a le conferistructura corespunztoare unui oel bifazic. a) tiind c pentru oelurile carbonhipoeutectoide punctele critice de transformare n stare solid sunt A1 = 727 oC i

    mCA %2089103 = , s se stabileasc la ce temperatur ti trebuie efectuat TTpentru ca semifabricatele s prezinte la ta o structur ferito martensitic cu unconinut procentual de martensit %M 15 %; b) tiind c duritatea feritei esteH = 80 HV, iar duritatea martensitei este HM = 305 + 802%Cm, s se determinecare este duritatea semifabricatelor dup aplicarea TT intercritic.

    Rezolvarea) Prin nclzirea semifabricatelor la ti (A1; A3) se obine o structur

    alctuit din ferit i austenit, aa cum se poate observa pe diagrama din

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    126

    figura 8.22 Aplicnd regula izotermei (v. scap. 2.5.1), rezult c la ti (A1; A3)ferita existent n structura oelului din care sunt confecionate semifabricatele areconcentraia de carbon corespunztoare abscisei punctului X, iar austenita areconcentraia de carbon corespunztoare abscisei punctului Y, coninuturileprocentuale ale celor dou faze n structura semifabricatelor fiind date de relaiile(care se obin aplicnd regula segmentelor inverse v. scap. 2.5.2):

    100)(%)(%

    %)(%%

    mm

    mm

    CCCC

    = i

    %100100)(%)(%

    )(%%% =

    =

    mm

    mm

    CCCC

    ,

    (%Cm) fiind abscisa punctului X, iar (%Cm) abscisa punctului Y.

    Fig. 8.22. Diagrama de stabilire a regimurilorTT pentru obinerea oelurilor bifazice

    Fig. 8.23. Diagrama de selectare a soluiilorn cazul aplicaiei A.8.4

    Considernd c austenita obinut la ti se transform integral n martensitla rcirea n ap a semifabricatelor, rezult: %M = %. Deoarece linia GP adiagramei de echilibru Fe Fe3C este o dreapt, rezult c abscisa punctului Xeste (%Cm) = 0,1 1,110-4ti. Abscisa punctului Y corespunde concentriei

    masice de carbon a oelului care are A3 ti i este 2)208910

    ()(% imtC = .

    nlocuind expresiile (%Cm) i (%Cm) n condiia pus n enunul aplicaiei, scrissub forma % = %M 15 %, se obine o ecuaie cu necunoscuta ti, care aresoluia ti 750 oC; aceastei valori a temperaturii ti i corespund valorile(%Cm) = 0,0175 % i (%Cm) = 0,59 %.

    b) Dup aplicarea TT intercritic cu ti 750 oC, semifabricatele vor avea structuraalctuit dintr-o matrice feritic cu duritatea H = 80 HV i insule de martensit (uniformdistribuite n aceasta) cu duritatea HM = 305 + 802(%Cm) 778 HV; ca urmare,

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    127

    duritatea semifabricatelor tratate termic va fi 100%

    100%

    HMHH Ms += 180 HV

    (care corespunde unei rezistene la traciune Rm 630 N/mm2).A.8.2. Semifabricatele confecionate dintr-un oel carbon cu %Cm = 0,08 %

    sunt supuse unui TT intercritic, constnd din nclzirea la ti = 760 oC (A1; A3),meninerea o durat scurt la aceast temperatur i rcirea n ap, pentru a leconferi structura corespunztoare unui oel bifazic. a) tiind c pentru oelurilecarbon hipoeutectoide punctele critice de transformare n stare solid suntA1 = 727 oC i mCA %2089103 = , s se determine coninut procentual demartensit %M din structura semifabricatelor tratate termic; b) tiind c duritateaferitei este H = 80 HV, iar duritatea martensitei este HM = 305 + 802%Cm, s sedetermine care este duritatea semifabricatelor dup aplicarea TT intercritic.

    Rezolvarea) Folosind notaiile i raionamentul prezentate la rezolvarea aplicaiei

    A.8.1, se obin urmtoarele rezultate: (%Cm) = 0,1 1,110-4760 = 0,0164 %,

    =

    =2)

    208760910()(% mC 0,52 % i % = %M = =

    1000164,052,00164,008,0 12,6 %;

    b) Dup aplicarea TT intercritic cu ti = 760 oC, semifabricatele vor avea structuraalctuit dintr-o matrice feritic cu duritatea H = 80 HV i insule de martensit (uniformdistribuite n aceasta) cu duritatea HM = 305 + 8020,52 722 HV; ca urmare, duritatea

    semifabricatelor tratate termic va fi100

    6,1210080100

    6,12722 +=sH 160 HV (care

    corespunde unei rezistene la traciune Rm 560 N/mm2).A.8.3. Pentru realizarea unei bare de traciune cilindrice cu diametrul d = 15 mm,

    exist posibilitatea utilizrii oelului carbon de calitate OLC35 - STAS 880(C35 - SR EN 10027-1) sau a oelului aliat 34MoCrNi16 - STAS 791(34NiCrMo6-6-2 - SR EN 10027-1), cu carateristicile de compoziie chimicprezentate n tabelul 8.11. S se determine i s se compare intensitile forei detraciune F la care rezist bara n urmtoarele circumstane: a) bara esteconfecionat din oelul carbon n stare recoapt (de echilibru); b) bara esteconfecionat din oelul aliat n stare recoapt (de echilibru); c) bara esteconfecionat din oelul carbon n stare mbuntit (clire + revenire la ti = 650oC i m = 5 ore); d) bara este confecionat din oelul aliat n stare mbuntit(clire + revenire la ti = 650 oC i m = 5 ore).

    RezolvareIntensitatea forei F la care rezist bara de traciune este dat de relaia

    mRdF4

    2= .

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    128

    a) Dac bara este confecionat din oelul OLC35 n stare recoapt, custructura ferito-perlitic, duritatea sa se poate estima cu relaia (7.2) considerndcoeficienii adecvai din tabelul 7.2 i o vitez de rcire din domeniul austeniticcare s conduc la o astfel de structur; adoptnd vr = 0,4 oC/s (v. A.7.3), rezult:

    +++++= mmmmmOC

    P NiCrMnSiCHV %2,27%5,35%30%6,14%2236,77,[ ] 179lg%4%8%0,1910 +=+ rmmm vNiCrSi HV. Deoarece HV HB i

    considernd relaia Rm = 3,5HB (v. scap. 3.10), rezult c bara are

    Rm = 3,5179 626 N/mm2 i 52

    1010,16264

    15==

    F N.

    Tabelul 8.11. Compoziiile chimice ale oelurilor considerate n aplicaia A.8.3

    Concentraiile masice ale componentelor de aliere, %Marcaoelului %Cm %Mnm %Sim %Crm %Nim %MomOLC35 0,35 0,6 0,3 0,2 0,2 -

    34MoCrNi16 0,35 0,6 0,3 1,6 1,6 0,25

    b) Dac bara este confecionat din oelul slab aliat 34MoCrNi16 n starerecoapt, cu structura ferito-perlitic, duritatea sa se poate estima n acelai modca n cazul precedent i rezult ,265, HVHV

    OAP Rm = 3,5265 927 N/mm

    2 i

    52

    1064,19274

    15==

    F N.

    c) Dac bara este confecionat din oelul OLC35 clit i revenit la ti = 650 oCi m = 5 ore, duritatea structurii de revenire pe care o prezint bara poate fi estimat curelaia (7.2), n care PHJ = Ti(18+lgm) = (650 +273)(18 + lg5) 17259; pe aceast cale

    se obine HVC

    PCHV

    m

    HJmOCr 211%132,33

    %405021900

    += , Rm = 3,5211 740 N/mm2

    i F = 1,31105 N. Se poate observa c fora de traciune la care rezist bara estecu aproximativ 19 % mai mare ca cea corespunztoare situaiei n care bara esteconfecionat din acelai oel n stare recoapt.

    d) Dac bara este confecionat din oelul slab aliat 34MoCrNi16 clit irevenit la ti = 650 oC i m = 5 ore, duritatea structurii cu sorbit de revenire pecare o prezint bara poate fi estimat cu relaia (7.3) n care 211=OCrHV HV, aacum s-a obinut n cazul precedent (pentru oelul cu %Cm = 0,35 %); rezult:

    361%100%6%55)%(%30 +++++= mmmmmOC

    rOA

    r MoNiCrMnSiHVHV HV,Rm = 3,5361 1265 N/mm2 i F = 2,23105 N. Se poate observa c fora detraciune la care rezist bara este cu aproximativ 36 % mai mare dect ceacorespunztoare situaiei n care bara este confecionat din acelai oel n starerecoapt.

  • Capitolul 8 Oelurile i fontele comerciale

    129

    ObservaieAceast aplicaie are ca scop justificarea i nelegerea prescripiilor

    privind utilizarea oelurilor pentru construcia de maini. Este evideniat faptul c,pentru oelurile carbon de calitate utilizarea n stare tratat termic este facultativ(s-a observat din rezolvarea aplicaiei c oelul OLC35 are caracteristici derezisten mecanic comparabile n stare recoapt i n stare mbuntit), n timpce pentru oelurile aliate valorificarea prezenei elementelor de aliere impuneutilizarea lor numai n stare tratat termic (s-a observat din rezolvarea aplicaiei coelul 34MoCrNi16 n stare mbuntit are rezistena mecanic cu aproape 36 %mai mare dect atunci cnd este utilizat n starea structural de echilibru).

    Se recomand cititorilor s conceap i alte aplicaii similare, care s lepermit consultarea, nelegerea i utilizarea prescripiilor standardelor n vigoare.

    A.8.4. O construcie sudat trebuie realizat din semifabricate de tip tabldin oel inoxidabil austenitic X2CrNi1911, acest MB i MA disponibile pentrusudarea lui avnd caracteristicile de compoziie chimic prezentate n tabelul 8.11.Procedeul de sudare care se utilizeaz i configuraia rosturile de sudare pregtitentre piesele ce urmeaz a fi sudate asigur pMA = 70 %. S se determine caredintre MA disponibile asigur realizarea unor CUS avnd n structur, pe lngaustenit, 3...5 % ferit, pentru evitarea fisurrii la cald.

    Tabelul 8.11. Compoziiile chimice ale MB i MA considerate n aplicaia A.8.3.Concentraiile masice ale principalelor componente, %Materialul %Cm %Mnm %Sim %Crm %Nim %Nbm %Mom

    MB 10TiNiCr180 0,08 1,5 0,8 18 10 - -MA D308 0,08 ,0 0,8 20 11 - 0,50

    MA D308L 0,04 2,0 0,9 20 10 - 0,30MA D309 0,10 1,5 1,0 23 14 - 0,50

    MA D309L 0,03 2,0 0,8 24 12 - 0,50MA D310 0,12 2,5 1,0 27 20 - 0,75MA D312 0,10 2,0 0,9 30 9 - 0,60MA D316 0,08 1,8 0,9 19 13 - 2,00

    MA D316L 0,03 2,0 0,8 17 13 - 2,50MA D19.9Nb 0,08 2,0 0,9 20 10 0,80 -

    MA D18.8Mn6 0,10 6,5 1,2 20 11 - -* Toate mrcile de MA sunt realizate n RomniaRezolvareConsidernd caracteristicile de compoziie chimic ale MB i folosind

    relaiile (7,6) i (7.7) se calculeaz valorile mrimilor %Cre i %Nie, carereprezint coordonatele punctului caracteristic nominal al MB pe diagramastructural A. Schaeffler (v. scap. 7.5 i fig. 7.24).

    Procednd n acelai mod, se determin coordonatele (%Cre;%Nie),corespunztoare punctelor caracteristice nominale ale materialelor depuse prin

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    130

    sudare cu MA disponibile.Folosind relaia (8.2), n condiiile neglijrii termenului %EAm, se

    determin coordonatele (%Cre,CUS ; %Nie,CUS), corespunztoare punctelorcaracteristice nominale ale CUS realizate cu MA disponibile pentru sudare.

    Rezultatele parcurgerii etapelor descrise anterior sunt prezentate ntabelul 8.12. Un MA disponibil este apt pentru sudarea MB (ndeplinete condiiapus n enunul aplicaiei, de a asigura realizarea unei CUS cu un coninutprocentual de ferit % [3%;5%]), dac punctul caracteristic nominal al CUSrealizate cu acesta este poziionat n diagrama structural A. Schaeffler n domeniul + , ntre dreptele corespunztoare coninuturilor de ferit % = 3 % i % = 5 %;analiznd diagrama din figura 7.24, se poate aprecia c dreapta de izoferit % = 3 %trece prin punctele de coordonate (%Cre = 28 %;%Nie = 21,5 %) i(%Cre = 14 %;%Nie = 6,8 %) i, ca urmare, are ecuaia %Nie = 1,05%Cre 7,5, iardreapta de izoferit % = 5 % trece prin punctele de coordonate(%Cre = 28 %;%Nie = 20,5 %) i (%Cre = 14 %;%Nie = 6,5 %) i corespundeecuaiei %Nie = %Cre 7,5.

    Tabelul 8.13. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei 8.4Caracteristicile materialului Caracteristicile CUS

    Materialul %Cre, %

    %Nie,%

    %Cre,CUS,%

    %Nie,CUS,%

    Punctul pediagramadin fig. 8.

    MB 19,20 13,15

    MA D308 21,70 14,40 21,078 14,63 1MA D308L 21,65 12,20 21,04 12,44 2MA D309 25,00 17,75 23,55 16,60 3

    MA D309L 25,70 13,90 24,08 13,71 4MA D310 29,25 24,85 26,74 21,93 5MA D312 31,95 13,00 28,76 13,04 6MA D316 22,35 16,30 21,56 15,51 7

    MA D316L 20,70 14,90 20,33 14,46 8MA D19.9Nb 21,75 13,40 21,11 13,34 9

    MA D18.8Mn6 21,80 17,25 21,15 16,23 10

    Reprezentnd pe aceiai diagram, aa cum se observ n figura 8.25, attdreptele de izoferit % = 3 % i % = 5 %, ct i punctele cu coordonatele(%Cre,CUS ; %Nie,CUS), rezult c MA capabile s asigure sudarea MB (precizat nenunul aplicaiei) fr apariia fenomenului de fisurare la cald a CUS sunt D308i D309 (pentru care punctele caracteristice nominale ale CUS realizate sesitueaz ntre cele dou drepte de izoferit).

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    131

    Capitolul 9

    STRUCTURA I PROPRIETILEMETALELOR I ALIAJELOR NEFEROASE

    9.1. Introducere

    Metalele i aliajele neferoase dein n prezent n aplicaiile tehnice opondere de aproape 20 de ori mai mic dect cea corespunztoare aliajelorferoase (fonte i oeluri). Motivele utilizrii preponderente n tehnic afontelor i oelurilor sunt numeroase: resursele de materii prime necesareelaborrii acestor aliaje sunt uor accesibile i destul de uniform distribuitepe glob, tehnologiile de elaborare i de realizare a semifabricatelor ipieselor din astfel de aliaje sunt bine fundamentate tiinific i asiguratelogistic, proprietile (caracteristicile) lor mecanice sunt ridicate i pot firelativ uor modificate i adaptate condiiilor de utilizare prin aplicarea detratamente termice i termochimice, produsele confecionate din acestemateriale sunt reciclabile i ecologice, costurile implicate de elaborareaunor astfel de aliaje i de transformarea lor n produse se coreleazfavorabil cu performanele tehnice pe care aceste produse le asigur etc. Cutoate acestea, metalele i aliajele neferoase reprezint i vor reprezenta in viitor o categorie de materiale de mare importan tehnic, datorit unorproprieti pe care acestea le prezint (i care nu sunt asigurate de aliajeleferoase sau se obin mai greu la aceste materiale, cu cheltuieli inadmisibilde mari): rezisten ridicat la coroziune (n prezena mediilor de lucruchimic active), conductibilitate termic i electric mare, capacitate bun deprelucrare prin turnare, deformare plastic sau achiere, tenacitate bun latemperaturi sczute, valori ridicate (mai mari dect cele asigurate de fontei oeluri) ale raportului dintre rezistena mecanic i masa specific(densitate), capacitate foarte bun de a conferi produselor caracteristiciestetice deosebite etc.

  • Tabelul 9.1. Caracteristicile fizice ale principalelor componente de baz ale aliajelor neferoase

    Metalul Simbolulchimic

    Temperaturade

    solidificare topire ts,

    0C

    Densitatea la ta,kg/m3

    Clduraspecific Cs

    la ta, J/(kgK)

    Clduralatent detopire qs,

    kJ/kg

    Coeficientul dedilatare termic

    liniar t(ntre ta i 100 0C),

    m/(mK)

    Coeficientul deconductivitatetermic la ta,

    W/(mK)

    Rezistivitateaelectric ,

    la ta,nm

    Aluminiu Al 660 2700 900 397 23,6 247 26,5Cupru

    (Aram) Cu 1083 8930 386 205 16,5 401 16,7

    Titan Ti 1660 4510 512 440 8,4 19 420Nichel Ni 1453 8910 471 309 13,3 83 68,5Staniu

    (Cositor) Sn 232 7290 222 59 21,5 63 110

    Stibiu(Antimoniu) Sb 631 6690 207 163 11,0 26 370

    Zinc Zn 420 7130 382 101 39,7 113 59,2Plumb Pb 327 11340 129 23,2 29,3 34 206

    Cadmiu Cd 321 8650 230 55 31,3 97 72,7Beriliu Be 1278 1850 1886 1300 11,6 210 40,0

    Magneziu Mg 649 1740 1025 368 25,2 163 44,5Aur Au 1064 19280 128 63 14,2 317 23,5

    Argint Ag 962 10500 235 104 19,0 428 14,6Platin Pt 1772 21440 132 113 9,1 72 106

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    133

    Deoarece proprietile aliajelor neferoase sunt determinate n msurimportant de proprietile componentului lor principal (metalic), n tabelul 9.1 suntprezentate metalele folosite frecvent drept componente de baz ale acestor aliaje isunt precizate o serie de caracteristici care, mpreun cu cele redate n tabelul 1.2,definesc cantitativ proprietile lor fizice, n tabelul 9.2 sunt precizate clasele depuritate industrial n care pot fi obinute aceste metale, impuritile ce au influene(negative) majore asupra proprietilor lor i cele mai utilizate tipuri de aliaje binaren care fiecare din aceste metale este componentul de baz (principal), iar n tabelul9.3 sunt expuse valorile celor mai importante caracteristici mecanice ale metalelorcare constituie componentele de baz ale aliajelor neferoase.

    Tabelul 9.2. Clasele de puritate ale componente de baz ale aliajelor neferoase

    Metalul Mrcile industriale * Principaleleimpuriti

    Principalele clasede aliaje binare

    folosite n tehnic

    AlSTAS 7607: Al 99,99; Al 99,97; Al 99,95;

    Al 99,90;Al 99,8; Al 99,75;Al 99,7;Al 99,6; Al 99,5; Al 99,3; Al 99

    Fe, Bi, Sn,Pb,As, Sb

    Al-Cu, Al-Si,Al-Mg, Al-Zn

    Cu STAS 270/1:Cu 99,99; Cu 99,98; Cu 99,97;Cu 99,95; Cu 99,9; Cu 99,5Sn, Pb, Bi,

    S, PCu-Zn, Cu-Sn, Cu-Al, Cu-Be

    Ti Ti 99,5; Ti 99,4; Ti 99,3 Pb, Si, Fe Ti-Al; Ti-Ni

    Ni STAS 10502: Ni 99,99; Ni 99,95; Ni 99,8;Ni 99,5; Ni 98,6; Ni 97,6S, O, P,C,Pb,Bi,Cd

    Ni-Cu, Ni-Cr,Ni-Mo, Ni-Fe

    Cr STAS 7386: Cr 99; Cr 98,5; Cr 98; Cr 97 C, Si, S, P,Al, Fe, CuCr-Ni; Cr-W;Cr-Ti; Cr-Mo

    Sn STAS 10309: Sn 99,9; Sn 99,565; Sn 99;Sn 98,4; Sn 96,35As, Fe, Cu,

    Pb, Bi, Sb, SSn-Pb; Sn-Zn;Sn-Sb; Sn-Hg

    Sb STAS 10262: Sb 99,99; Sb 99,9; Sb 99,6;Sb 99,5; Sb 99; Sb 98,3; Sb 97,5Pb, As, Fe,S, Cu, Bi Sb-Sn; Sb-Pb

    Zn STAS 646: Zn 99,99; Zn 99,985; Zn 98,6;Zn 98,5; Zn 97,5Pb, Cd, Fe,Cu, As, Sn

    Zn-Al; Zn-Cu;Zn-Cd; Zn-Mn

    Pb STAS 663: Pb 99,995; Pb 99,99: Pb 99,98;Pb 99,96; Pb 99,94; Pb 99,85Ag, As, Bi,Cu, Fe, Zn

    Pb-Sb; Pb-Sn;Pb-Ag; Pb-Ca

    Cd STAS 8615: Cd 99,98; Cd 99,95; Cd 99,85;Cd 99,65Pb, Zn, Cu,

    FeCd-Ag; Cd-Ni;

    Cd-Sn

    Mg STAS 10273:Mg 99,96; Mg 99,95; Mg 99,9 Fe, Si, Ni,Cu, Al, MnMg-Si; Mg-Mn;Mg-Al; Mg-Zn

    Au STAS 4389: Au 999,6; (Au 995,0) - Au-Ag, Au-Cu,Au-Ni, Au-Pt

    Ag STAS 3321: Ag 999,6 Pb, Fe, Sb,Bi, Cu, ZnAg-Cu, Ag-Ni,Ag-Cd; Ag-Hg

    Pt STAS 10560: Pt 99,93; Pt 99,9; Pt 99,8 Pb, Fe, Si Pt-Rh, Pt-Ir,Pt-Ni, Pt-W* cifrele de dup simbolul chimic indic valoarea minim a concentraiei masice a

    metalului industrial (n %, cu excepia Au i Ag, pentru care concentraia este n %o).

  • Tabelul 9.3. Caracteristicile mecanice la ta ale principalelor componente de baz ale aliajelor neferoase

    Metalul StareaRezistenala rupere 2),

    N/mm2

    Limita decurgere 2) ,

    N/mm2

    Alungireaprocentual

    dup rupere 3) ,%

    Modulul deelasticitate

    longitudinal,N/mm2

    Modulul deelasticitate

    transversal,N/mm2

    Duritatea 2)

    recopt (stare de echilibru) 40 70 15 30 50 70 140 220 HVAl

    ecruisat 1) 120 140 100 120 8 1262000 25000

    recopt (stare de echilibru) 170 220 50 70 45 60 35 40 HBSCu

    ecruisat 1) 420 450 320 330 10 15115000 42800

    95 110 HBS

    Ti recopt (stare de echilibru) 220 250 130 150 50 60 105000 - 90 120 HBS

    Ni recopt (stare de echilibru) 310 330 50 60 30 40 207000 79000 60 65 HV

    Sn recopt (stare de echilibru) 12 14 10 11 80 90 44000 16500 5 6 HBS

    Sb recopt (stare de echilibru) 10 13 77800 19000 30 60 HBS

    Zn recopt (stare de echilibru) 70 100 50 55 40 50 105000 38000 20 35 HBS

    Pb recopt (stare de echilibru) 11 13 4 5 60 70 3 5 HBS

    Cd recopt (stare de echilibru) 69 83 17 25 55000 20600 16 24 HBS

    Be sinterizat (stare de echilibru) 380 480 260 310 300000 140000 75 85 HRB

    recopt (stare de echilibru) 160 195 90 105 3 15 37 39 HREMg

    ecruisat 1) 180 220 115 140 2 1043000

    48 54 HRE

    Au recopt (stare de echilibru) 100 120 40 50 78000 18 20 HBS

    Ag recopt (stare de echilibru) 120 145 48 50 76000 27500 25 30 HV

    Pt recopt (stare de echilibru) 150 165 170000 - 38 45 HV1) deformat plastic la rece cu GD = 70 90 %; 2) crete odat cu coninutul de impuriti al metalului; 3) scade odat cu

    coninutul de impuriti;

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    135

    Aliajele neferoase se pot clasifica folosind o multitudine de criterii; astfel: n funcie de numrul componentelor, aliajele neferoase pot fi: binare,

    ternare sau complexe; cele mai multe tipuri de aliaje utilizate n prezent ntehnic sunt complexe, dar, pentru a facilita studierea structurii i proprietilorfiecrui tip de astfel de aliaje, se ia ca baz cte un aliaj binar reprezentativ i seconsider c restul componentelor sunt elemente suplimentare de aliere (deexemplu, aliajele denumite n tehnic duraluminuri au ca baz aliaje Al Cu, ncare sunt introduse suplimentar, n diverse concentraii i alte elemente de alieredect cuprul: Mg, Mn etc., iar aliajele denumite n tehnic alame au ca bazaliaje Cu Zn, n care sunt introduse frecvent, n diverse concentraii i alteelemente de aliere dect zincul: Si, Al, Sn, Pb, Fe, Mn, Ni etc.);

    n funcie de constituia structural de echilibru (la ta), aliajeleneferoase se ncadreaz n urmtoarele categorii:

    aliaje monofazice, care prezint n stare solid, la oricetemperatur, o structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid avndca solvent componentul de baz;

    aliaje cu structur monofazic dup solidificare, n care precipitla rcirea ulterioar particule de faze secundare (de obicei, compui intermetalici);

    aliaje care conin n structur constitueni eterogeni (de tipulamestecurilor mecanice eutectice sau eutectoide);

    n funcie de posibilitile tehnologice de transpunere n produse i deprelucrare a acestora, aliajele neferoase pot fi: aliaje de turnare i aliajedeformabile plastic, iar n funcie de aptitudinile de a-i mri rezistena mecanic nurma aplicrii de TT, aliajele neferoase se clasific n: aliaje durificabile structuralprin tratamente termice i aliaje nedurificabile prin tratamente termice.

    Aliajele neferoase (ca i fontele i oelurile) se pot clasifica i pe bazadenumirii proprietii sau caracteristicii care le definete primordial utilitateatehnic; de exemplu, se practic ncadrarea aliajelor neferoase n categorii ca: aliajeuoare (caracterizate prin densiti 4000 kg/m3), aliaje antifriciune, aliaje curezistena mecanic ridicat (dure), aliaje criogenice (cu tenacitate ridicat latemperaturi sczute), aliaje anticorosive (cu rezisten ridicat la aciunea mediiloragresive de lucru), aliaje uor fuzibile (cu temperaturi ts coborte) etc.

    Toate criteriile de clasificare anterior precizate se folosesc ns drept criteriisecundare, pentru denumirea diverselor aliaje neferoase i sistematizarea studieriistructurii i proprietilor lor, preferndu-se clasificarea acestora n funcie decomponentul de baz i ncadrarea lor n categorii de tipul: aliajele cuprului (aliajepe baz de cupru), aliajele aluminiului (aliaje pe baz de aluminiu), aliajeletitanului (aliaje pe baz de titan), aliajele nichelului (aliaje pe baz de nichel),aliajele metalelor preioase (aliaje pe baz de metale preioase: Ag, Au, Pt etc.) etc.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    136

    9.2. Modificarea aliajelor neferoase

    La marea majoritate a aliajelor neferoase folosite n tehnic componentelede baz nu prezint transformri alotropice i, ca urmare, la aceste aliaje nu seproduc, n decursul rcirii dup solidificare, fenomene de cristalizare secundar(recristalizare n stare solid, v. scap. 1.6), care s determine transformareastructurii dendritice primare ntr-o structur secundar favorabil (din punctul devedere al mrimii granulaiei i gradului de dispersie a fazelor) obinerii unorcaracteristici mecanice ridicate i/sau asigurrii unei bune comportri laprelucrarea prin deformare plastic sau la aplicarea de TT.

    Modalitatea actual cea mai eficient de influenare a caracteristicilorstructurii primare a aliajelor neferoase o reprezint modificarea, constnd dininocularea n aliajele lichide a unor cantiti mici de substane chimice (numitemodificatori, v. scap. 4.6), care pot schimba mecanismele obinuite alegerminrii i/sau creterii cristalelor la solidificare. n funcie de efectele pe carele produce asupra structurii primare a aliajelor neferoase, modificarea poate fi:

    modificare de tipul I, care are ca efect principal finisarea (micorareadimensiunilor) cristalelor dendritice primare; acest tip de modificare este eficientla aliajele neferoase care prezint dup cristalizarea primar o structurmonofazic (cu cristale de soluie solid);

    modificarea de tipul II, care determin accentuarea ramificrii isubierea ramurilor (axelor) cristalelor dendritice primare i influeneaz favorabildistribuia fazelor secundare la aliajele n care (n timpul rcirii dup solidificare)precipit particule ale unor astfel de faze;

    modificare de tipul III, care are ca efect mbuntirea fineei i graduluide dispersie a fazelor componente ale amestecurile mecanice eutectice care seformeaz la solidificarea unor aliaje neferoase.

    La alegerea modificatorilor i realizarea modificrii aliajelor neferoasetrebuie avute n vedere urmtoarele aspecte eseniale:

    modificatorii introdui n aliajele neferoase lichide acioneaz n unuldin urmtoarele moduri:

    formeaz (individual sau prin combinare cu componentele aliajelor)particule greu fuzibile i insolubile n aliajele topite, care, distribuite sub form desuspensie fin, constituie baze pentru germinarea eterogen la solidificarea aliajelor(v. scap. 1.4.2); modificatorii care acioneaz n acest mod (borul i unele metale detranziie cu reactivitate chimic mare: Ti, Zr, Ta, Mo), asigurnd solidificarea cu unnumr mare de germeni cristalini i formarea unor structuri primare fine, se utilizeazcu predilecie pentru realizarea modificrilor de tipurile I i III;

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    137

    formeaz pelicule de adsorbie pe suprafeele germenilor cristalini, caremicoreaz viteza de cretere a germenilor i limiteaz dezvoltarea n grosime aramurilor cristalelor dendritice primare; modificatorii care acioneaz n acestmod (metalele uor fuzibile: Li, Na, Ca, Sb, Pb) se folosesc mai ales pentruasigurarea modificrilor de tipul II;

    modificatorii trebuie introdui n aliajele neferoase ntr-o cantitate(concentraie) optim (care asigur nivelul maxim al efectelor pozitive produse demodificare); de exemplu, n cazul modificatorilor care au rolul de a formaparticule greu fuzibile i insolubile n aliajele topite, dac concentraia acestoraeste mic, particulele nu se formeaz sau se formeaz n numr insuficientasigurrii unei structuri primare fine, dac concentraia acestora este la niveluloptim se formeaz o suspensie fin, cu un numr mare de particule care activeazgerminarea eterogen i rezult structura primar cu granulaia cea mai fin, iardac concentraia acestora depete nivelul optim, efectele pozitive alemodificrii se micoreaz, deoarece particulele care se formeaz sunt grosolane in numr insuficient realizrii unei structuri primare fine.

    9.3. Tratamentele termice la aliajele neferoase

    Tratamentele termice (TT) care se aplic semifabricatelor i pieselor dinaliaje neferoase se definesc i se clasific la fel ca i tratamentele destinatesemifabricatelor i pieselor din oeluri i fonte (v. scap. 6.1).

    Principalele tipuri de recoaceri fr schimbare de faz care se pot aplicasemifabricatelor i pieselor din aliaje neferoase sunt:

    Recoacerea de omogenizare (RO) este recomandat pentru diminuareaneomogenitilor chimice ale structurilor dendritice primare ale semifabricatelor ipieselor turnate; deoarece omogenizarea se realizeaz prin difuzie,ti corespunztoare acestui TT se alege ct mai ridicat (ti + 273 = Ti = kOTs, n careTs, n K, este temperatura de solidificare topire a aliajului din care suntconfecionate piesele supuse RO, definit ca fiind temperatura la care verticalaaliajului intersecteaz linia sau suprafaa solidus a diagramei de echilibru fazic asistemului de aliaje cruia aparine acesta, iar coeficientul kO se ia, n modobinuit, kO = 0,80,9, dar poate avea i valori kO = 0,950,98, pentruomogenizarea pieselor turnate din aliaje n care procesele de difuzie se defoarfoarte lent, cum sunt aliajele uoare, pe baz de Al sau Mg, avnd ts = 500600 oC),iar m trebuie s fie mari (de obicei, m = 224 ore), n unele cazuri (de exemplula semifabricatele i piesele turnate din aliaje pe baz de Cu) impunndu-se

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    138

    aplicarea de TT ulterioare, pentru finisarea granulaiei structurii grosolanerezultate dup RO.

    Recoacerea de recristalizare fr schimbare de faz (RRN) esteutilizat pentru refacerea plasticitii semifabricatelor i pieselor ecruisate prindeformare plastic la rece. Regimul RRN se alege astfel nct s se produc n pieselesupuse tratamentului procesele de restaurare i recristalizare primar i s nu aparefectele defavorabile ale desfurrii fenomenelor de cretere a granulaiei i derecristalizare secundar (v. scap. 3.5 i 6.2.2); n mod obinuit, RRN a semifabricatelori pieselor din aliaje neferoase se realizeaz cu ti = trp + 100200 oC (trp fiindtemperatura de recristalizare primar a aliajului din care sunt confecionate pieselesupuse TT, trp + 273 = Trp 0,4Ts), i + m = 14 ore i rcirea n aer linitit.

    Recoacerea de detensionare (RD) se aplic semifabricatelor i pieselordin aliaje neferoase n scopul diminurii intensitii i redistribuirii tensiunilormecanice reziduale existente n acestea; mecanismele detensionrii termice iprincipiile stabilirii regimului RD sunt cele prezentate n scap. 6.2.3.

    Recoacerile cu schimbare de faz (de tipul recoacerii complete saunormalizrii, v. scap. 6.3) se pot aplica semifabricatelor i pieselor din aliajeneferoase care prezint transformri fazice n stare solid (determinate devariaiile cu temperatura ale solubilitii componentelor n fazele din structuraaliajelor, de producerea transformrilor alotropice ale unor componente, derealizarea unor transformri eutectoide etc.); ca i n cazul aplicrii la piesele dinaliaje feroase, recoacerile cu schimbare de faz se efectueaz la produseleconfecionate din astfel de aliaje neferoase (cum sunt aliajele Cu Zn, aliajeleCu Al, unele aliaje pe baz de Ti) pentru obinerea strilor structurale deechilibru, finisarea granulaiei, mbuntirea prelucrabilitii prin deformareplastic sau prin achiere etc. Modul de conducere a unui astfel de TT este simplu:piesele se nclzesc la o temperatur ti situat desupra unuia din punctele detransformare n stare solid ale aliajului neferos din care sunt confecionate, semenin la ti o durat m (pentru uniformizarea temperaturii n masa pieslor ipentru omogenizarea structurii) i se rcesc lent (o dat cu cuptorul, n cazulrecoacerii sau n aer linitit, n cazul normalizrii), pentru obinerea la ta a uneistri de echilibru structural.

    La semifabricatele i piesele confecionate din aliaje neferoase se potefectua dou tipuri (principial diferite) de clire:

    Clirea martensitic se poate aplica pieselor din aliaje neferoase caresufer transformri eutectoide (la fel ca oelurile i fontele): +racire

    incal ., fiind

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

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    139

    martensitic const din nclzirea lor la o temperatur ti situat n domeniul destabilitate al fazei (domeniul austenitic), meninerea la aceast temperatur odurat m (pentru obinerea unei structuri cu austenit omogen) i rcirea rapid(cu o vitez vr mai mare dect o vitez critic vrc), pentru ca transformarea (printr-un mecanism bazat pe difuzia componentelor) + s nu fie posibil i sse realizeze o transformare de tip martensitic (printr-un mecanism care nupresupune difuzia componentelor) M, M (denumit martensit, ca i fazacorespondent din structura aliajelor Fe C clite) fiind o soluie solidsuprasaturat n elemente de aliere, cu structura cristalin diferit de ceacorespunztoare fazei (austenitei) din care s-a format. Clirea martensitic sepoate aplica la produsele realizate din unele aliaje ale sistemelor Cu Al,Cu Be, Cu Ti, Ti Mo, Ti Ni, Ti Al etc., care ndeplinesc criteriilestructurale menionate mai nainte.

    Revenirea structurilor (metastabile) obinute prin clirea martensitic aaliajelor neferoase poate conduce la efecte similare celor care se produc prinrevenirea oelurilor sau fontelor clite martensitic i care constau n obinerea(prin transformri structurale bazate pe difuzie) unor structuri apropiate deechilibru i bine detensionate.

    Clirea de punere n soluie se poate aplica la piesele din aliajeneferoase n a cror structur apare ca faz principal o soluie solid care are casolvent componentul de baz al aliajelor i prezint o variaie important cutemperatura a capacitii de a dizolva componentele de aliere (solubilitateacomponentelor de aliere n aceast faz scade puternic cnd se micoreaztemperatura). La piesele din astfel de aliaje, care aparin unor sisteme ale crordiagrame de echilibru sunt de tipul celei prezentate n figura 9.1, TT de clire depunere n soluie const din nclzirea i meninerea o scurt durat la otemperatur tic (tso; ts), pentru obinerea unei structuri monofazice, alctuit dincristale de soluie solid B(A) omogen, urmat de rcirea rapid (de obicei,n ap) pentru meninerea structurii monofazice pn la ta. Analiznd modul deefectuare a acestui TT (v. fig. 9.1), rezult c prin rcirea rapid de la tic astructurii monofazice se mpiedic separarea din aceasta (prin procese bazate pedifuzie) a fazei (bogat n elemente de aliere) i se obine la ta o structurmonofazic, alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n elemente dealiere (faz metastabil); deoarece realizeaz punerea (dizolvarea la nclzire imeninerea la rcire) n soluia solid a fazei , acest TT a fost denumit clire depunere n soluie (a fazei ). Spre deosebire de structurile (dure i fragile) realizateprin clirea martensitic, structurile (monofazice, cu cristale de soluie solid)obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelor neferoase prezint o buncomportare la prelucrarea prin deformare plastic.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    140

    Revenirea structurilor obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelorneferoase, constnd din nclzirea i meninerea acestora la o temperaturtii [ta; tso), determin separarea din soluia solid suprasaturat (metastabil) aunor precipitate care durific structura; datorit efectelor de durificare pe care leproduce, TT de revenire aplicat structurilor obinute prin clirea de punere nsoluie este denumit mbtrnire i poate fi mbtrnire natural, dac tii = tasau mbtrnire artificial, dac ta < tii < tso.

    Natura fazic i caracteristicile structurale ale precipitatelor care seformeaz la mbtrnire depind de mrimile parametrilor ti i m, deoarece acesteprecipitate se formeaz prin procese de germinare i cretere, avnd la bazmecanisme ce presupun difuzia componentelor aliajului supus TT. Cercetrilentreprinse pn n prezent au evideniat c, n funcie de temperatura i duratambtrnirii aliajelor neferoase clite, n structura matricei se pot formaurmtoarele tipuri de precipitate:

    zonele GP (notate n acest mod dup numele cercettorilor Guinier iPreston care le-au detectat pentru prima oar prin tehnici de difracie cu raze X)apar la temperaturi i durate mici ale procesului de mbtrnire i sunt asocieriprefereniale de atomi ai componentelor de aliere din aliajul tratat; n modobinuit, zonele GP au forma unor discuri cu diametrul de 5...8 nm i grosimea de0,3...0,6 nm i se formeaz uniform n matruicea , prin procese de germinareomogen, ajungnd la frecvene de 10131015 zone/mm3;

    precipitatele sunt faze metastabile care se formeaz la durate mai lungii/sau la temperaturi mai nalte de mbtrnire dect cele corespunztoare formriizonelor GP i sunt faze distincte (cu structuri cristaline diferite de structura fazeistabile ), cu configuraie platiform (cu diametrul de 25...30 nm i grosimea de1,5...2,0 nm), care pot fi evideniate n structur numai prin examinarea lamicroscopul electronic; precipitatele germineaz relativ uniform n matricea isunt legate prin interfee coerente cu structura cristalin a acestei matrice;

    precipitatele sunt tot faze metastabile, cu dimensiuni suficient demari pentru a putea fi observate prin examinarea structurilor la microscopuloptic i care apar dac duratele i/sau temperaturile de mbtrnire sunt maimari dect cele corespunztoare formrii precipitatelor ; precipitatele seformeaz prin germinare eterogen pe anumite defecte ale structurii cristaline amatricei (de exemplu, pe dislocaiile elicoidale) i sunt semicoerente custructura cristalin a acestei matrice;

    precipitatele sunt faze stabile (de echilibru), care germineazeterogen pe limitele grunilor cristalini ai matricei i sunt necoerente cuaceast matrice, putnd fi uor evideniate n structur prin examinarea lamicroscopul optic.

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    141

    n privina filiaiei diverselor tipuri de precipitate, cercetrile experimentalentreprinse pn n prezent au artat c orice precipitat se formeaz direct dinmatricea i nu prin transformarea precipitatelor existente anterior n structuraaliajului supus mbtrnirii; astfel, la ridicarea temperaturii de mbtrnire de la ti la

    /it > ti, precipitatul specific temperaturii ti se dizolv n matricea i apoi din

    matricea se separ un nou precipitat, corespunztor temperaturii /t > ti. Acesteparticulariti ale formrii precipitatelor n timpul mbtrnirii aliajelor neferoaseclite sunt valorificate practic la realizarea procesului de reversiune, care const dinsupranclzirea de scurt durat a aliajelor mbtrnite, pentru reconstituirea striistructurale monofazice pe care aliajele o aveau dup clirea de punere n soluie(supranclzirea de scurt durat asigur dizolvarea n matricea a precipitatelorformate prin mbtrnire, dar nu ofer timpul necesar separrii precipitatelorspecifice temperaturii la care s-a supranclzit aliajul).

    Fig. 9.1. Configuraia diagramei de echilibru a

    sistemelor crora aparin aliajele neferoasela care se pot aplica TT de clire

    de punere n soluie

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

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

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    142

    figura 9.2., efectul de durificare al mbtrnirii crete n cursul formrii precipitatelorsemicoerente (zonele GP i precipitatele ) i scade odat cu apariia precipitatelorsemicoerente () i necoerente (); se ajunge astfel la ideea (confirmat princercetri experimentale) c efectul de durificare este o consecin a interaciunii dintredislocaiile matricei aliajului mbtrnit i precipitatele coerente, acest efectdiminundu-i intensitatea odat cu distrugerea coerenei dintre matricea structural aaliajului i precipitatele formate la mbtrnire.

    Desfurarea proceselor de precipitare la mbtrnire i efectele dedurificare produse de acestea pot fi influenate substanial dac, ntre clirea depunere n soluie i mbtrnire, semifabricatele sau piesele din aliaje neferoase sesupun unor operaii de deformare plastic la rece.

    9.4. Simbolizarea metalelor i aliajelorneferoase comerciale

    n prezent nu exist un sistem de simbolizare a mrcilor de metale ialiajele neferoase unanim recunoscut i aplicat la ntocmirea documentelor tehniceaferente conceperii, proiectrii, fabricrii, verificrii i comercializriisemifabricatelor i pieselor din astfel de materiale. Cele mai utilizate sisteme desimbolizare a mrcilor de metale i aliaje neferoase, recomandate de diverseasociaii profesionale i/sau organisme de standardizare (naionale, regionale sauinternaionale), cum ar fi ASM (American Society for Metals), AA (AluminumAssociation), CEN (Comit European de Normalisation) sau ISO (InternationalOrganization for Standardization), sunt:

    sistemul de simbolizare numeric, conform cruia mrcile de metalei aliaje neferoase din diverse categorii (aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu,cupru i aliaje pe baz de cupru etc.) sunt simbolizate printr-un numr (n modobinuit, fr nici o semnificaie legat de compoziia i proprietile mrcii)acordat de asociaia sau de organismul (naional, regional sau internaional) caregestioneaz sistemul; principalele variante ale acestui sistem, avnd la bazprincipiile prezentate n tabelele 9.4 i 9.5, sunt: varianta UNS (UnifiedNumbering System), aplicat la aliajele aluminiului, la aliajele cuprului, la aliajelemagneziului, la aliajele titanului, la aliajele zincului etc. i varianta propus deAA (Aluminum Association), aplicat la aluminiu i aliajele pe baz de aluminiui recomandat de standardele elaborate de ISO i CEN pentru mrcile dealuminiu i aliaje de aluminiu deformabile;

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    143

    sistemul de simbolizare alfanumeric (sistemul de simbolizare dupcompoziie), conform cruia mrcile de metale neferoase se simbolizeaz aa cumse arat n tabelul 9.2, iar simbolurile mrcilor de aliaje neferoase sunt alctuitedin simbolul chimic al componentului de baz, urmat de simbolurile chimice aleelementelor de aliere, scrise n ordinea descresctoare a importanei lor,simbolurile chimice ale elementelor de aliere pentru care %EAm este n jur de 1 %sau mai mare fiind nsoite de numere (de preferin ntregi) care indicconcentraiiile masice nominale (medii) ale acestor componente; simbolurilealiajelor de turnare sunt precedate de litera G, urmat (eventual) de o liter carecodific procedeul tehnologic de turnare recomandat la realizarea semifabricatelorsau pieselor din aceste aliaje (litera S pentru turnarea n forme din nisip, litera Mpentru turnarea n forme metalice, litera Z pentru turnarea centrifugal, litera Cpentru turnarea continu, litera P pentru turnarea sub presiune etc.).

    Tabelul 9.4. Date privind simbolizarea mrcilor de aluminiu i aliaje pe baz de aluminiuMrcile de aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu pentru turnare

    Structura simbolului n varianta UNS: AX0X1X2X3X4*

    Structura simbolului n varianta AA: X1X2X3.X4*

    Seria (grupa) de aliaje X1 Exemple de mrci1. Aluminiu i aliaje cu %Alm 99 % 1 A01001 / 100.1 G Al 99,02. Aliaje avnd Cu ca EAP** 2 A02040 / 204.0 G AlCu4MgTi3. Aliaje avnd Si ca EAP + Cu i Mn 3 A13190 / A319.0 G AlSi5Cu34. Aliaje avnd Si ca EAP 4 A24430 / B443.1 G AlSi55. Aliaje avnd Mg ca EAP 5 A05200 / 520.0 G AlMg106. Grup de aliaje neutilizat 6

    7. Aliaje avnd Zn ca EAP 7 A07120 / 712.0 G AlZn6MgCr8. Aliaje avnd Sn ca EAP 8 A08510 / 851.1 G AlSn6Cu1Ni19. Aliaje avnd alte EAP 9

    Mrcile de aluminiu i aliaje pe baz de aluminiu deformabileStructura simbolului n varianta UNS: A9X1X2X3X4

    Structura simbolului n varianta AA: X1X2X3X4Seria (grupa) de aliaje X1 Exemple de mrci

    1. Aluminiu i aliaje cu %Alm 99 % 1 A91080 / 1080 Al 99,82. Aliaje avnd Cu ca EAP 2 A92001 / 2001 AlCu5,5MgMn3. Aliaje avnd Mn ca EAP 3 A93003 / 3003 AlMn1Cu4. Aliaje avnd Si ca EAP 4 A94343 / 4343 AlSi7,55. Aliaje avnd Mg ca EAP 5 A95052 / 5052 AlMg2,56. Aliaje avnd Si i Mg ca EAP 6 A96106 / 6106 AlMgSiMn7. Aliaje avnd Zn ca EAP 7 A97149 / 7149 AlZn8MgCu8. Aliaje avnd alte EAP 8 A98016 / 8016 AlFe1Mn

    * X0 = 0 pentru aliajele corespunztoare unei reete originale ; X0 = 1,2 ... 6 pentru aliajelerezultate prin modificri aduse unei reete originale; dac X0 = 0, simbolul nu conine litera , dacX0 = 1 A; X0 = 2 B; ... X0 = 6 F; X4 = 0 la aliajele pentru turnare n piese i X4 = 1sau 2 la aliajele pentru turnare n lingouri. ** EAP element de aliere principal

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    144

    Tabelul 9.5. Date privind simbolizarea mrcilor de cupru i aliaje pe baz de cupruMrcile de cupru i aliaje pe baz de cupru pentru turnare

    Structura simbolului n varianta UNS: C8X1X2X3X4 ...C9 X1X2X3X4Seria (grupa) de aliaje UNS Exemple de mrci

    1. Cupru cu %Cum 99,5 C80100 ... C81100 C80100 G Cu 99,952. Aliaje cu %EAm < 5 % C81300 ... C82800 C82100 G CuBe0,5Ni3. Alame roii (simple sau cu Pb) Alame semiroii (simple/cu Pb) Alame galbene (simple/cu Pb) Alame speciale

    C83300 ... C83800C84200 ... C84800C85200 ... C85800C86100 .... C86800

    C83400C84500C85400C86300

    G CuZn10G CuZn12Pb7Sn2G CuZn29Pb3SnG CuZn25Al6Mn

    4. Bronzuri i alame cu Si C87200 ... C87900 C87200C87500

    G CuSi4G CuZn14Si4

    5. Bronzuri obinuite (Cu Sn) Bronzuri aliate cu Pb

    Bronzuri aliate cu Ni

    C90200 ... C91700C92200 ... C94500

    C94700 ... C94900

    C90700C92700C94300C94800

    G CuSn11G CuSn10Pb2G CuSn5Pb25G CuSn5Ni5

    6. Bronzuri cu Al (%Alm

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    145

    simbolurile strilor de livrare ale semifabricatelor sau produselor realizate dinaceste materiale. Simbolul strii unui metal sau aliaj neferos este alctuit dintr-oliter de codificare a strii de baz (care definete modul principial de atingere astrii n care se afl materialul), urmat, eventual, de litere sau cifre care indicsubdiviziunea corespunztoare strii de baz (modul particular n care se realizeazstarea de livrare a materialului, adic particularitile privind succesiunea iconinutul operaiilor tehnologice ce trebuie aplicate pentru atingerea strii delivrare a produselor) i/sau valorile anumitor caracteristici definitorii ale calitiiproduselor care se livreaz. Principalele date (cuprinse n standardele SR EN 515 iSR ISO 1190/2) privind simbolizarea strilor de baz ale produselor realizate dinprincipalele categorii de metale i aliaje neferoase industriale sunt prezentate ntabelul 9.6, iar n tabelul 9.7 sunt definite subdiviziunile strii TRATAT TERMICcorespunztoare produselor realizate din aceste materiale.

    Tabelul 9.6. Definirea i simbolizarea strilor de baz ale produselor realizatedin principalele categorii de metale i aliaje neferoase industriale

    Simbolul strii

    Definirea strii de baz pentru Al ialiajele pebaz de Al

    pentru Cu ialiajele pebaz de Cu

    1. Brut de fabricaie (starea obinut din operaiile deprelucrare la cald, n cursul crora nu se efectueaz nici overificare privind regimul termic sau gradul de deformare)

    F M

    2. Recopt (starea obinut la produsele deformate plasticn urma aplicrii unei recoaceri complete n scopulasigurrii valorilor minime ale caracteristicilor derezisten mecanic sau starea obinut la produseleturnate dup o recoacere destinat reducerii segregaiilordendritice, finisrii granulaiei, mbuntirii ductilitiisau stabilizrii caracteristicilor mecanice)

    O O

    3. Ecruisat (starea obinut la produsele care, duprecoacere sau deformare plastic la cald, sunt supuse unoroperaii de deformare plastic la rece sau unor combinaiide operaii de deformare plastic la rece i RRN, nscopul obinerii unor caracteristici mecanice prescrise)

    H * H *

    4. Pus n soluie (starea instabil obinut la produselesupuse unei cliri de punere n suluie i mbtrnitespontan la ta)

    W **

    5. Tratat termic, cu sau fr ecruisare suplimentar, pentruobinerea unor stri stabile diferite de strile 1, 2 sau 3 T T

    * cifrele sau literele care urmeaz acestui simbol codific succesiunea de operaiitehnologice care se aplic pentru atingerea strii, gradul de ecruisare realizat etc. ** cifrele careurmeaz acestui simbol indic durata (n ore) a procesului de mbtrnire natural spontan.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    146

    Tabelul 9.7. Definirea i simbolizarea subdiviziunilor strii TRATAT TERMIC a produselorrealizate din principalele categorii de metale i aliaje neferoase industriale

    Simbolul strii

    Definirea subdiviziunii strii de baz pentru Al ialiajele pebaz de Al

    pentru Cu ialiajele pebaz de Cu

    5.1. Rcit dup prelucrare la cald i mbtrnit natural(starea stabil obinut la produsele care, dup prelucrarea latemperaturi ridicate, sunt rcite la ta i mbtrnite natural)

    T1 TA

    5.2. Rcit dup prelucrare la cald, deformat plastic la rece imbtrnit natural (starea stabil obinut la produsele care,dup prelucrarea la temperaturi ridicate, sunt rcite la ta, suntecruisate prin deformare plastic la rece i mbtrnite natural)

    T2 TC

    5.3. Pus n soluie, deformat plastic la rece i mbtrnitnatural (starea stabil obinut la produsele care sunt supuseunei cliri de punere n soluie, urmat de ecruisarea prindeformare plastic la rece i mbtrnirea natural)

    T3 TD

    5.4. Pus n soluie i mbtrnit natural (starea stabil obinutla produsele care sunt supuse unei cliri de punere n soluie,urmat de o mbtrnire natural)

    T4 TB

    5.5. Rcit dup prelucrare la cald i mbtrnit artificial(starea obinut la produsele care, dup prelucrarea latemperaturi ridicate i rcirea la ta , sunt mbtrnite artificial)

    T5 TE

    5.6. Pus n soluie i mbtrnit artificial (starea obinut laprodusele care sunt supuse unei cliri de punere n soluie,urmat de o mbtrnire artificial)

    T6 TF

    5.7. Pus n soluie i suprambtrnit/stabilizat (stareaobinut la produsele care sunt supuse unei cliri de punere nsoluie, urmat de o mbtrnire artificial al crei scopprincipal nu este obinerea unui efect de durificare prescris, cirealizarea unor caracteristici speciale, cum ar fi, de exemplu,rezistena maxim la aciunea unor medii corosive)

    T7

    5.8. Rcit dup prelucrare la cald, deformat plastic la rece imbtrnit artificial (starea obinut la produsele care, dupprelucrarea la temperaturi ridicate, sunt rcite la ta, suntecruisate prin deformare plastic la rece i mbtrnite artificial)

    TG

    5.9. Pus n soluie, deformat plastic la rece i mbtrnitartificial (starea obinut la produsele care sunt supuse uneicliri de punere n soluie, urmat de ecruisarea prin deformareplastic la rece i mbtrnirea artificial)

    T8 TH

    5.10. Rcit dup prelucrare la cald, mbtrnit artificial ideformat plastic la rece (starea obinut la produsele care,dup atingerea strii definite la 5.5, sunt ecruisate prindeformare plastic la rece)

    TK

    5.11. Pus n soluie, mbtrnit artificial i deformat plasticla rece (starea obinut la produsele care, dup atingerea striidefinite la 5.6, sunt ecruisate prin deformare plastic la rece)

    T9 TL

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    147

    9.5. Cuprul i aliajele pe baz de cupru

    Sub form de metal pur sau sub form de component de baz al unoraliaje, cuprul este utilizat din timpuri strvechi pentru realizarea de produse.Principalele proprieti fizico chimice i mecanice i clasele de puritate tehnicale cuprului sunt descrise complet de caracteristicile redate n tabelele 1.2, 9.1, 9.2i 9.3. Principalele impuriti ale cuprului tehnic se pot clasifica n urmtoarelecategorii:

    impuriti solubile n cuprul solid (Ag, Au, Zn, Sn, Fe, Pt, Cd, Ni, Mn,Mg, Cr, As, Sb); efectele prezenei n concentraii masice mici (sub 0,5 %) aacestor impuriti (care formeaz soluii solide de substituie cu cuprul), constndn creterea rezistenei mecanice i duritii, micorarea plasticitii i tenacitii,reducerea conductibilitii termice i electrice etc., sunt, de obicei, acceptabile;

    impuriti insolubile n cuprul solid (Pb, Bi); aceste impuriti formeazcu cuprul eutectice uor fuzibile (Pb i Cu formeaz un eutectic care conine%Cum = 0,06 % i are ts 320 oC, iar Bi i Cu formeaz un eutectic care conine%Cum = 0,2 % i are ts 270 oC), care se dispun la limitele cristalelor de cupru ii influeneaz negativ prelucrabilitatea prin deformare plastic la cald (genereazfenomene de fragilitate sau fisurare la cald);

    impuriti care formeaz cu cuprul compui chimici fragili (O, S, P, Se,Te); compuii (cu topire congruent) pe care i formeaz cu cuprul acesteimpuriti se dispun intercristalin n structura cuprului, sub form de incluziuninemetalice, diminundu-i substanial plasticitatea i tenacitatea i micorndu-iconsiderabil conductibilitatea termic i electric; prezena incluziunilorintercristaline de CuO2 n structura cuprului (nedezoxidat corespunztor laelaborare) poate determina i fenomenul numit boala de hidrogen, care sedeclaneaz prin reacia Cu2O + H2 2Cu + H2O i conduce la formarea devapori de ap a cror presiune crete (deoarece nu se pot elimina), producndfisurarea intercristalin a produselor din cupru.

    Cuprul are o bun rezisten la coroziune n multe medii de lucru:atmosfere poluate, ape reziduale i ape srate, vapori de ap supranclzii, soluiislabe, neaerate de sulfai, azotai, cloruri i acizi anorganici (sulfuric, clorhidric,azotic), substane organice (benzin, motorin, benzol, glicerin etc.). Cuprul esteatacat (se corodeaz) n medii care conin hidrogen, sulf, hidrogen sulfurat,amoniac, soluii concentrate de acizi anorganici, anilin i acid acetic etc.

    Cuprul formeaz un numr impresionant de aliaje, principalele aliaje pebaz de cupru folosite n tehnic fiind prezentate n continuare.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    148

    9.5.1. Alamele

    Aliajel pe baz de cupru, avnd drept component de aliere principal zinculsunt denumite n tehnic alame. Structura alamelor se poate analiza apelnd ladiagrama de echilibru fazic a sistemului Cu Zn, prezentat n figura 9.3,punctele caracteristice ale acestei diagrame avnd coordonatele precizate ntabelul 9.8. Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii:

    L este soluia lichid a componentelor Cu i Zn; este soluia solid de substituie avnd ca solvent cuprul i ca solut

    zincul ( Cu(Zn)); deoarece prezint, ca i solventul su, structur cristalin detip CFC, soluia solid se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fideformat plastic uor, att la cald, ct i la rece;

    este o soluie solid pe baz de compus chimic (faz bertholid), careprezint structur cristalin de tip CVC; la temperaturi ridicate, arecaracteristicile unei soluii solide neordonate, prezentnd tenacitate i plasticitatebune, iar sub temperatura tCK 450 oC (temperatura Curie Kurnakov a fazei ,v. scap. 2.2.1) sufer un proces de ordonare (atomii de Cu se distribuie n nodurilesituate n vrfurile celulelor elementare, iar atomii de Zn se poziioneaz nnodurile aflate n centrele celulelor elementare) i soluia solid ordonat (fazaKurnakov), notat , capt caracteristicile tipice compuilor intermetalici(duritate ridicat i fragilitate accentuat).

    Fig. 9.3. Diagrama de echilibru asistemului de aliaje Cu - Zn

    Fig. 9.4. Variaia caracteristicilor mecanice alealamelor n funcie de %Znm

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    149

    Tabelul 9.8. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramei de echilibru Cu Zn

    Punctul A B C D M N P QAbscisa, %Znm 0 41 32 38 39 46 46 32Ordonata, oC 1083 905 905 905 450 450 ta tan funcie de structura de echilibru i de caracteristicile mecanice pe care le

    prezint n aceast stare (v. fig. 9.4), care definesc procedeul tehnologic recomandatpentru realizarea semifabricatelor i pieselor, alamele se pot clasifica astfel:

    A. Alamele monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristale desoluie solid ) au %Znm 39 % i sunt alame deformabile (care se prelucreazbine att prin deformare plastic la cald, ct i prin deformare plastic la rece);alamele monofazice , cu %Znm 25 % sunt denumite n tehnic tombacuri.Dup turnare i rcire la ta, semifabricatele sau lingourile din astfel de alame prezinto structur monofazic, alctuit din cristale dendritice de soluie solid neomogen, aa cum se observ n figura 9.5; dac semifabricatele sau lingourileturnate sunt supuse unei recoaceri de omogenizare (la ti = 800 ... 850 oC, m = 2...5 ore)sau sunt deformate plastic i supuse apoi recoacerii, structura lor la ta va fialctuit din cristale poliedrice de soluie solida omogen, aa cum se poateobserva n figura 9.6. Alamele monofazice se comport foarte bine ladeformarea plastic la rece i au o comportare mai slab la deformarea plastic lacald, mai ales n prezenta impuritilor insolubile n cupru (Pb, Bi) care determinapariia unor fenomene de fragilitate sau fisurare la cald.

    B. Alamele bifazice, cu structura la ta alctuit din cristalele fazelor i, au %Znm (39 %; 46 %) i sunt utilizate de obicei ca alame de turnare,duritatea i fragilitatea acestora crescnd pe msur ce se mrete coninutulprocentual al fazei n structur; structura la ta a semifabricatelor i pieselorturnate din astfel de alame are aspectul prezentat n figura 9.7, cristalele acesteistructuri devenind poliedrice (echiaxiale), aa cum se observ n figura 9.8, dacse aplic un TT de recoacere. n unele cazuri, piesele din alame bifazice cu coninutridicat de zinc se supun unui TT de clire n ap (de la o temperatur ti la carematerialul prezint o structur monofazic , pentru obinerea structurii prezentate nfig. 9.9) i, eventual, unei reveniri, la o temperatur ti < tCK, pentru ca n structur sapar cristale de faz , n cantitatea i cu dispunerea corespunztoare obinerii unorcaracteristici ridicate de rezisten mecanic i tenacitate.

    C. Alamele monofazice , cu structura la ta alctuit numai din cristalede faz (v. fig. 9. 10), au %Znm (46 %; 50 %] i se pot utiliza att ca alamede turnare, ct i ca alame deformabile la cald (la o temperatur de deformaresituat deasupra punctului tCK 450 oC, la care aceste alame prezint o structurmonofazic , cu plasticitate bun).

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    150

    Fig. 9.5. Structura la ta a alamelormonofazice turnate

    Fig. 9.6. Structura la ta, dup recoacerea deomogenizare, a alamelor monofazice

    n tehnic se utilizeaz nu numai alamele binare (aliajele Cu Zn) ci ialamele complexe (speciale), care au n compoziie (pe lng zinc) i alteelemente de aliere; orice alam special poate fi ncadrat n categoriile structuraleanterior precizate pentru alamele binare, dac se calculeaz titlul fictiv al alamei%Cume, adic concentraia masic a cuprului n alama binar echivalent dinpunctul de vedere al microstructurii, cu relaa:

    100%%%

    %%

    1=

    ++

    = n

    jmjeEAmm

    mme

    EAkZnCu

    CuCu

    j

    , (9.1)

    n care %EAmj, j = 1... n, sunt concentraiile masice ale elementelor suplimentarede aliere existente n compoziia alamei speciale, iar

    jeEAk , j = 1... n, sunt

    coeficienii de echivalare n zinc a elementelor de aliere suplimentare(introducerea unui element de aliere suplimentar n concentraia %EAmj esteechivalent, din punctul de vedere al efectelor asupra structurii, cu suplimentareacu mjeEA EAk j %% a concentraie de zinc a alamei).

    Principalele elemente de aliere folosite la elaborarea alamelor speciale auurmtoarele efecte asupra structurii i proprietilor acestor aliaje: Aluminiul, introdus n concentraii %Alm 3,5 %, determin creterearezistenei mecanice i duritii alamelor, fr a le diminua caracteristicile deplasticitate i tenacitate i mbuntete rezistena lor la aciunea mediilorcorosive. Deoarece are keAl = 6, aluminiul determin micorarea sensibil aconinutului procentual de faz al structurii alamelor.

    Fierul, introdus n concentraii %Fem 1,5 %, finiseaz granulaia imarete tenacitatea alamelor. Fierul are keFe = 0,9, iar la concentraii masice mai

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    151

    mari de 0,4 % determin apariia n structur a compusului FeZn7, care induce unefect suplimentar de finisare a granulaiei i asigur sfrmarea achiilor laprelucrarea prin achiere a alamelor; datorit efectelor fierului asupramicrostructurii, piesele i semifabricatele din alame aliate suplimentar cu acestelement se pot supune TT de clire de punere n soluie (rcire n ap de lati = 800 ... 820 oC) i mbtrnire (revenire la ti = 400 ... 420 oC), care determin ocretere cu 30 ... 40 % a caracteristicilor de rezisten mecanic i duritate.

    Fig. 9.7. Structura la ta a alamelorbifazice turnate

    Fig. 9.8. Structura la ta a alamelor bifazicerecoapte dup turnare

    Fig. 9.9. Structura la ta a alamelorbifazice clite si revenite

    Fig. 9. 10. Structura la ta a alamelormonofazice

    Manganul, introdus n concentraii %Mnm 5 %, mrete rezistenamecanic i plasticitatea alamelor i mbuntete comportarea alamelor n mediicorosive cum sunt apa de mare, aburul supranclzit i soluiile de cloruri;manganul este un bun dezoxidant, iar efectele sale asupra microstructurii se potaprecia considernd keMn = 0,5.

    Staniul, introdus n concentraii %Snm 1 %, mrete rezistena lacoroziune a alamelor n apa de mare; efectele staniului asupra microstructuriialamelor se pot estima cu uurin, avnd n vedere c keSn = 2.

    Plumbul (care, aa cum s-a precizat anterior, este insolubil n cupru,fiind considerat o impuritate a acestuia) se folosete ca element de aliere al

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    152

    alamelor din care se confecioneaz produse destinate prelucrrii prin achiere,deoarece particulele de plumb uniform distribuite n structura alamelor asigursfrmarea achiilor i mbuntesc prelucrabilitatea prin achire a acestor aliaje;prezena plumbului nrutete comportarea la prelucrarea prin deformareplastic a alamelor, deoarece poate determina apariia fenomenelor de fragilitatesau fisuare la cald. Plumbul se introduce n concentraii %Pbm 3 %, iar influenasa asupra microstructurii alamelor se poate estima considernd kePb = 1.

    Nichelul, introdus n concentraii %Nim 3 %, determin cretereaplasticitii i tenacitii alamelor, mrirea rezistenei mecanice i duritii (maiales ale fazei ) i mbuntirea rezistenei la coroziune (mai ales n prezenamediilor active calde). Deoarece nichelul nlocuiete n structura alamelor atomiide cupru (are asupra microstructurii alamelor efectul corespunztor scderiiconcentraiei de zinc), coeficientul su de echivalare este keNi = 1,3.

    Siliciul, introdus n concentraii %Sim 1 %, este un bun dezoxidant,mrete fluiditatea i proprietile de turnare ale alamelor topite i determinmbuntirea comportrii n medii corosive a produselor confecionate din alamespeciale; efectele sale asupra microstructurii alamelor sunt importante, deoareceare keSi = 10.

    Mrcile de alame comerciale corespund prescripiilor anterior formulate;de exemplu, CuZn10; CuZn15; CuZn20; CuZn30; CuZn36 sunt mrci de alamemonofazice (alame binare deformabile), CuZn31Si; CuZn36Pb1; CuZn39Ni3sunt mrci de alame speciale monofazice (alame speciale deformabile),G CuZn40Pb; G CuZn40PbSn; G CuZn38Pb2Mn2; G CuZn30Al5Fe3Mn2 suntmrci de alame bifazice (alame pentru turnare), iar CuZn42Mn3Al2 iG CuZn30Al5Fe3Mn2 sunt mrci de alame monofazice .

    9.5.2. Aliajele Cu Ni

    Cuprul i nichelul, fiind metale izomorfe (cu structur cristalin de tip CFC) iprezentnd dimensiuni atomice apropiate, au solubilitate total n stare solid.Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Ni, prezentat n figura 9.11,evideniaz faptul c toate aliajele acestui sistem au la ta o structur monofazic,alctuit din cristale de soluie solid de substituie Cu(Ni) Ni(Cu), aa cum sepoate observa n figura 9.12. Ca urmare, curbele ce descriu dependenele dintrecaracteristicile fizico mecanice ale aliajelor Cu Ni i compoziia lor chimiccorespund configuraiei redate n diagrama din figura 3.27, punctul de maximlocal al curbei rezistenei mecanice (cu ordonata la Rm = 600...800 N/mm2) ipunctele de minim local ale curbelor alungirii procentuale dup rupere(cu ordonata la A = 40 ... 45 %) i coeficientului de gtuire (cu ordonata la

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    153

    Z = 55...60 %) avnd abscisa situat la %Nim 65 %, iar curba care reddependena dintre rezistivitatea electric i compoziia acestor aliaje prezentndun punct de maxim local cu abscisa %Nim 50 %.

    Fig. 9. 11. Diagrama de echilibru asistemului de aliaje Cu Ni

    Fig. 9. 12. Microstructura la ta a aliajuluiCu Ni, cu %Nim = 20 %

    Datorit structurii monofazice i proprietilor fizico mecanice pe care leprezint, aliajele Cu Ni se prelucreaz bine prin deformare plastic (la rece saula cald) sau prin achiere, prezint o bun rezisten la coroziune (n ap de marei n soluii saline, n acizi organici, n vapori de ap etc.) i se pot utiliza lafabricarea rezistorilor electrici.

    Principalele reete de aliaje Cu Ni utilizate n tehnic sunt: aliajele Kunial, cu %Nim = 5...15% i adaosuri de Al (%Alm = 1 ... 3%),

    folosite pentru a confeciona (prin deformare plastic la rece sau la cald)elemente elastice (arcuri sau lamele) i piese rezistente la coroziune;

    aliaje Melchior (Maillechort), cu %Nim = 18 ... 20 % i adaosuri de Fe(%Fem = 0,6 ... 1,0 %) i Mn (%Mnm = 0,8 ... 1,3 %), folosite n aplicaiile careimpun materiale anticorosive;

    aliajele Alpaca (Neusilber, Argentan), cu %Nim = 15 ... 20 % i%Znm = 20...30 % (corespunztor mrcilor comerciale CuNi18Zn20, CuNi18Zn27sau CuNi15Zn21), folosite (ca aliaje deformabile sau pentru turnare) pentruconfecionarea pieselor rezistente la coroziune, instrumentelor de msurare,pieselor de mecanic fin, rezistorilor electrici, tacmurilor i obiectelor de artsau podoab etc.;

    aliajele Constantan, cu %Nim = 40...50 % i aliajele Nichelin, cu%Nim = 30...35 % i adaosuri de Mn (%Mnm = 3...4 %), folosite ca materialeelectrotehnice (n special pentru confecionarea rezistorilor);

    aliaje Monel, cu %Nim = 65...70 % i adaosuri de Fe, Mn i Si, folosite(ca aliaje deformabile, dar i ca aliaje pentru turnare) n aplicaiile care necesitmateriale rezistente la coroziune.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    154

    9.5.3. Bronzurile

    Aliajele pe baz de cupru al cror component de aliere principal este unalt element dect zincul sau nichelul sunt denumite bronzuri. Principalele tipuride bronzuri folosite pentru realizarea pieselor din construcia de maini i pentrufabricare construciilor mecanice sunt: bronzurile cu staniu (denumite i bronzuriclasice), bronzurile cu aluminiu, bronzurile cu siliciu, bronzurile cu beriliu ibronzurile cu plumb.

    9.5.3.1. Bronzurile cu staniu folosite n tehnic au %Cum 20 % iprezint, n funcie de concentraia masic a staniului, structurile indicate dediagramele de echilibru (stabil sau metastabil) redate n figura 9.13, punctelecaracteristice ale acestor diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.9.Fazele care apar pe diagramele de echilibru din figura 9.13 au urmtoarelesemnificaii:

    L este soluia lichid a componentelor Cu i Sn; este soluia solid de substituie avnd ca solvent cuprul i ca solut

    sataniul ( Cu(Sn)); deoarece prezint, ca i solventul su, structur cristalin de tipCFC, faza se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformatplastic uor, att la cald, ct i la rece;

    este o soluie solid pa baza compusului chimic Cu5Sn (fazbertholid), cu structur cristalin de tip CVC, care apara (la rcirea bronzurilortopite) prin defurarea transformrii peritectice (la t 800 oC): L + ; estestabil numai pn la temperatura t = 586 oC, la care se descompune eutectoid: + ;

    este (ca i ) o soluie solid pe baza compusului chimic Cu5Sn (fazbertholid), cu structur cristalin de tip CVC; faza este stabil numai pntemperatura la t = 520 oC, la care se descompune eutectoid: + ;

    este o soluie solid pe baza compusului chimic Cu31Sn8 (fazbertholid), cu structur cristalin complex; faza este stabil numai pn latemperatura t = 320 oC, la care, n condiii de echilibru (care presupun meninerindelungate), se descompune eutectoid: + ;

    este compusul intermetalic Cu3Sn; datorit vitezei extrem de reduse cucare se realizeaz transformarea + , aa cum rezult examinnddiagramele din figura 9.13, faza nu apare n structura semifabricatelor i pieselordin bronzuri industriale livrate n strile M sau O.

    n funcie de structura pe care o prezint (la ta) n starea M, decaracteristicile mecanice asigurate (redate sintetic, n funcie de concentraia

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    155

    masic a staniului, n diagramele din fig. 9.14) i de procedeul tehnologicrecomandat pentru realizarea semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu staniu sepot clasifica astfel:

    Fig. 9.13. Diagramele de echilibru ale sistemului de aliaje Cu Sn pentru diferite stri:a. starea de echilibru stabil; b. starea metastabil obinut prin recoacere (starea O);

    c. starea metastabil obinut prin turnare (strarea F)

    Tabelul 9.9. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramelor de echilibru Cu Sn

    C E HPunctul A B

    CD

    EF G

    HJ K Q

    13,5 16,0 16,0Abscisa,%Snm 0 25,59,0

    22,08,0

    24,0 26,08,0

    27,0 11,0 0,2

    Ordonata, oC 1083 800 800 800 586 586 586 520 520 350 ta

    A. Bronzurile monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristalede soluie solid ) au %Snm 8 ... 9 % i sunt bronzuri deformabile (care se potprelucra att prin deformare plastic la cald, ct i prin deformare plastic la rece);structura de turnare a acestor bronzuri, alctuit din cristale dendritice de soluiesolid neomogen, aa cum se observ pe micrografia din figura 9.15, se poatetransforma prin recoacere (precedat sau nu de o operaie de prelucrare prindeformare plastic) ntr-o structur cu cristale poliedrice de soluie solid omogen, aa cum se poate vedea pe migrografia prezentat n figura 9.16.

    B. Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile bifazice) au %Snm = 10...20 %i se folosesc ca bronzuri de turnare; n starea M, structurile la ta alesemifabricatelor i pieselor realizate din astfel de bronzuri conin (aa cum sepoate observa n fig. 9.17) fazele i i, respectiv, constituenii (preeutectoid)

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    156

    i amestecul eutectoid ( + ), duritatea i fragilitatea acestor structuri crescnd pemsur ce se mrete coninutul lor procentual de eutectoid ( + ).

    Fig. 9.14. Variaia caracteristicilor mecaniceale bronzurilor cu staniu n funcie de %Snm

    Fig. 9.15. Structura la ta a bronzurilormonofazice turnate

    Fig. 9.16. Structura la ta a bronzurilormonofazice recoapte

    Fig. 9.17. Structura la ta a bronzurilorhipoeutectoide turnate

    Bronzurile cu staniu se pot alia suplimentar la elaborare i cu alte elemente,care produc urmtoarele efecte asupra structurii i proprietilor acestor aliaje:

    fosforul, introdus n concentraii %Pm < 0,3 %, asigur o bundezoxidare (mpiedic apariia incluziunilor dure i fragile de SnO2) i mretefluiditatea bronzurilor topite (confer bune proprieti de turnare), iar nconcentraii %Pm = 0,3...0,6 % determin formarea n structur a unor micicantiti de compus Cu3P, ce influeneaz pozitiv caracteristicile de antifriciune irezistena la uzare a bronzurilor;

    plumbul, introdus n concentraii %Pbm 2 %, mbunteteprelucrabilitatea prin achiere a bronzurilor (deoarece particulele de Pb, separateintercristalin n structur, favorizeaz sfrmarea achiilor) i rezistena lor la

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    157

    coroziune, iar n concentraii mai mari (%Pbm = 4...12 %) le asigur proprietibune de antifriciune (deoarece particulele de plumb, separate intercristalin nstructura bronzurilor, au un substanial efect lubrifiant);

    zincul, n concentraii %Znm = 5...10 %, influeneaz pozitivproprietile de turnare ale bronzurilor (mrete fluiditatea, micoreaz intervalultemperaturilor de solidificare, evit apariia incluziunilor de gaze n lingourile ipiesele turnate) i nu produce modificri structurale (deoarece se dizolv integraln soluia solid ).

    Mrcile de bronzuri cu staniu comerciale corespund prescripiiloranterior formulate; de exemplu, CuSn6; CuSn8 i CuSn4Pb4Zn4 sunt mrcide bronzuri monofazice (bronzuri deformabile), iar GCuSn14; GCuSn12Ni2i GCuSn10Zn2 sunt mrci de bronzuri bifazice (bronzuri de turnare).

    9.5.3.2. Bronzurile cu aluminiu folosite n tehnic au %Alm 15 % iprezint, n funcie de concentraia masic a aluminiului, structurile indicate dediagrama de echilibru redat n figura 9.18, punctele caracteristice ale acesteidiagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.10. Fazele care apar pediagrama de echilibru din figura 9.18 au urmtoarele semnificaii:

    L este soluia lichid a componentelor Cu i Al; este soluia solid de substituie Cu(Al), cu structur cristalin de tip

    CFC, care poate fi deformat plastic uor, att la cald, ct i la rece; este o faz bertholid pe baza compusului chimic Cu3Al, cu structur

    cristalin de tip CVC; aa cum se poate observa pe diagrama de echilibru, faza poate s apar n structura bronzurilor cu aluminiu, n funcie de concentraiaaluminiului n aceste aliaje, ca faz separat preeutectoid (la cristalizarea primara bronzurilor cu %Alm > 8,3 %) i/sau ca faz separat la transformarea eutectic(la t 1035 oC) L + i este stabil numai pn la temperatura t = 565 oC, lacare se descompune eutectoid: + 2;

    este (ca i ) o faz bertholid; prezint dou modificaii (formealotropice): 1, stabil deasupra temperaturii t = 785 oC, corespunztoarecompusului Cu9Al4, cu structur cristalin cubic i 2, stabil sub temperaturat = 785 oC, corespunztoare compusului Cu32Al19, cu structur cubic complex,duritate ridicat i fragilitate accentuat.

    Aa cum se poate observa examinnd diagrama de echilibru din figura 9.18,bronzurile cu aluminiu (spre deosebire de bronzurile clasice) au un interval desolidificare restrns (10...15 oC); ca urmare, aceste aliaje au proprieti de turnarefoarte bune (fluiditate ridicat, aptitudine de a realiza piese turnate compacte, curetasura de contracie concentrat). Bronzurile cu aluminiu prezint ns, lasolidificarea dup turnare, tendina de a forma cristale dendritice lungi (columnare),care nrutesc comportarea la deformare plastic (mresc nclinaia spre fisurare) a

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    158

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

    Fig. 9. 18. Diagrama de echilibru asistemului de aliaje Cu Al

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

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

    Punctul A B C F G K M P QAbscisa, %Snm 0 8,3 11,2 7,4 9,0 9,4 12,0 13,6 9,4Ordonata, oC 1083 1035 1048 1035 1035 565 565 785 ta

    n funcie de structura pe care o prezint (la ta) n strile M sau O, decaracteristicile mecanice asigurate (redate sintetic, n funcie de concentraiamasic a aluminiului, n diagramele din fig. 9.19) i de procedeul tehnologicrecomandat pentru realizarea semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu aluminiuse pot clasifica astfel:

    A. Bronzurile monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristalede soluie solid ) au %Alm < 9 % i sunt bronzuri deformabile;

    B. Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile bifazice) au %Alm 9 % i sefolosesc n mod obinuit ca bronzuri de turnare; structura la ta a semifabricatelori pieselor realizate din astfel de bronzuri conine fazele i 2 i, respectiv,constituenii (preeutectoid) i amestecul eutectoid ( + 2), duritatea ifragilitatea acestei structuri crescnd pe msur ce se mrete coninutulprocentual de eutectoid ( + 2). Bronzurile bifazice cu %Alm = 9,5...10,5 % se potprelucra i prin deformare plastic la cald, dac temperatura la care se facedeformarea este situat n domeniul n care aceste aliaje prezint structurmonofazic (structur care se poate menine i la ta, dac se aplic un TT de

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    159

    clire, corespunztor obinerii strilor TA sau TB).Bronzurile cu aluminiu au, n comparaie cu bronzurile clasice, rezisten

    la coroziune mult mai bun (n medii ca: apa de mare i soluiile saline, soluiilede acid carbonic, soluiile unor acizi organici), densitate mai mic, caracteristicide antifriciune i rezistena la uzare mai sczute i caracteristici mecaniceasemntoare. Pentru mbunirea unor caracteristici de utilizare, bronzurile cualuminiu se pot alia suplimentar i cu alte elemente, cum ar fi:

    fierul, n concentraii %Fem = 3...5 %, finiseaz granulaia, mreterezistena mecanic i duritatea, mbuntete comportarea bronzurilor latemperaturi ridicate, dar micoreaz fluiditatea acestora (nrutete proprietilede turnare);

    manganul, n concentraii masice %Mnm 2 %, are efecte similare cuale fierului, amplificnd efectele acestui element de aliere;

    nichelul, n concentraii masice %Nim 5 %, are efecte asemntoarefierului i manganului i, n plus, mbuntete caracteristicile de antifriciune alebronzurilor i mrete refractaritatea acestora (rezistena la oxidare/coroziune latemperaturi nalte).

    Mrcile de bronzuri cu aluminiu comerciale corespund prescripiiloranterior formulate; de exemplu, CuAl10Fe3 i CuAl9Mn2 sunt mrci debronzuri monofazice (bronzuri deformabile), iar G CuAl10Fe3; G CuAl10Mn iG CuAl9Fe5Ni5 sunt mrci de bronzuri bifazice (bronzuri de turnare).

    9.5.3.3. Bronzurile cu siliciu folosite n tehnic au %Sim 3 % i prezint (nmod obinuit) n stare solid o structur monofazic Cu(Si); acestea se pot utilizaatt ca bronzuri deformabile, ct i ca bronzuri de turnare i au caracteristicimecanice ridicate (Rm = 200...300 N/mm2, Rp0,2 = 140...200 N/mm2 i A = 15...25 %la bronzurile deformate plastic la cald sau de turnare i Rm = 750...900 N/mm2,Rp0,2 = 450...500 N/mm2 i A = 3...8 % la bronzurile ecruisate prin deformare plasticla rece), rezisten mare la coroziune i o bun prelucrabilitate prin achiere,prezentnd i avantajul de a fi mai ieftine dect celelalte tipuri de bronzuri.

    Bronzurile binare cu siliciu se utilizeaz mai rar n aplicaiile tehnice, deobicei fiind preferat folosirea bronzurilor ternare sau complexe (bronzuri cusiliciu aliate suplimentar i cu alte elemente, care s determine sporirea anumitorproprieti de utilizare ale acestora); de exemplu:

    bronzurile cu siliciu i mangan (cu %Sim = 2...3 % i %Mnm = 1...2 %)au proprieti bune de turnare, se pot prelucra prin deformare plastic la cald (lat = 800 ... 850 oC) i sunt indicate pentru realizarea unor piese pentru construciade maini sau pentru industria chimic (elemente elastice, piese cu proprietibune antifriciune, produse rezistente la aciunea apei de mare, apelor reziduale,petrolului i produselor petroliere);

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    160

    bronzurile cu siliciu i nichel (cu %Sim = 1...2 % i %Nim = 1...3 %) seprelucreaz bine prin deformare plastic la cald (la t = 850 ... 900 oC) i la rece iprezint bune proprieti antifriciune i rezisten la uzare (mai ales, dacsolicitrile mecanice sunt intense, ungerea este insuficient i temperaturile delucru sunt ridicate); n structura de echilibru la ta a acestor bronzuri apare fazaNi2Si, care prezint o mare variaie cu temperatura a solubilitii n faza ,permind obinerea la aceste aliaje a unor efecte de durificare substaniale, prinaplicarea unui TT alctuit din clire de punere n soluie (de la ti = 900...950 oC),urmat de mbtrnire artificial (la ti = 450...500 oC).

    bronzurile cu siliciu i plumb (%Sim = 2...3 % i %Nim = 1...4 %) secaracterizeaz printr-o bun prelucrabilitate prin achiere i bune proprietiantifriciune, datorit particulelor intercristaline de plumb pe care le prezint nstructur.

    Mrcile de bronzuri cu siliciu comerciale corespund prescripiilor anteriorformulate; cele mai utilizate mrci de bronzuri cu siliciu sunt: CuSi1,5; CuSi3 iG CuSi4.

    9.5.3.4. Bronzurile cu beriliu folosite n tehnic au %Bem 2,5 % iprezint, n funcie de concentraia masic a beriliului, structurile indicate dediagrama de echilibru redat n figura 9.20, punctele caracteristice ale acesteidiagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.11.

    Fazele care apar pe diagrama de echilibru Cu Be au urmtoarelesemnificaii:

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    161

    L este soluia lichid a componentelor Cu i Be; este soluia solid de substituie Cu(Be), cu structur cristalin de

    tip CFC, care poate fi deformat plastic uor; este o faz bertholid, cu structur cristalin de tip CVC; aa cum se

    poate observa pe diagrama de echilibru, faza poate s apar n structurabronzurilor industriale ca urmare a desfurrii transformrii peritectice (lat = 865 oC) L + sau ca urmare a diminurii solubilitii beriliului n cupruo dat cu scderea temperaturii;

    este o faz bertholid pe baza compusului CuBe, cu structur cristalinde tip CVC, care rezult prin transformarea eutectoid (la t = 620 oC) + .

    Bronzurile cu beriliu utilizate n mod obinuit au %Bem = 1,5...2,0 % iprezint la ta, n strile M sau O, o structur alctuit din fazele i i, respectiv,din constituenii i amestecul eutectoid ( + ); n aceste stri structuralecaracteristicile mecanice nu sunt foarte ridicate (caracteristicile la traciune sunt:Rm = 450 ... 500 N/mm2; Rp0,2 = 300 ... 350 N/mm2 i A = 30 ... 40 %, iar duritateaeste 90 ... 110 HB). Datorit variaiei mari cu temperatura a solubilitiiberiliului n cupru, semifabricatele i piesele confecionate din aceste aliaje sepot trata termic prin clire de punere n soluie (de la ti = 800 ... 820 oC),pentru obinerea unei structuri monofazice (cu cristale de suprasaturate cuberiliu), urmat de mbtrnire artificial (la ti = 300 ... 350 oC); efectele dedurificare ale acestui TT se pot mri substanial, dac (dup clire) se faceecruisarea controlat a acestor bronzuri prin deformare plastic la rece. nstrile de livrare TF sau TH (care se obin aplicnd operaiile tehnologiceprecizate mai nainte), caracteristicile mecanice la traciune ale bronzurilor cuberiliu ating nivelurile Rm = 1100 ... 1500 N/mm2; Rp0,2 = 1000 ... 1050 N/mm2i A = 2 ... 5 %, iar duritatea lor este 350 ... 400 HB.

    Pentru micorarea concentraiei beriliului (care este un element dealiere scump) n bronzurile industriale i creterea efectelor de durificare alembtrnirii se practic alierea suplimentar a acestora cu mangan(%Mnm = 0,5...2,5 %), a crui contribuie la durificarea structurii produselor dinastfel de materiale este datorat formrii compusului MnBe2, iar pentrumbuntirea tenacitii acestor bronzuri se folosete alierea suplimentar cuNi (%Nim = 0,2...0,5 %).

    Principalele mrci de bronzuri cu beriliu comerciale sunt: CuBe1,7;CuBe1,9 i CuBe0,6Mn; aceste materiale se folosesc la realizarea elementelorelastice (arcuri, lamele elastice etc.), sculelor antiscntei (care nu produc scnteiprin lovire) i pieselor care trebuie s prezinte bune proprieti antifriciune sau caresunt puternic solicitate mecanic n medii de lucru active (ap de mare, abur etc.).

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    162

    9.5.3.5. Bronzurile cu plumb se folosesc n tehnic (datorit proprietilorantifriciune pe care le prezint) ca materiale pentru confecionarea cuzineilor(piese inelare, realizate dintr-o bucat sau din dou semiinele, pe care se sprijinarborii mainilor i utilajelor) lagrelor de alunecare (organe de maini alctuite dincuzinei i elementele de poziionare i susinere a acestora). Deoarece cuprul iplumbul sunt insolubile n stare solid, structura la ta a bronzurilor cu plumb estealctuit din cristale de cupru i separri intergranulare de plumb.

    Datorit insolubilitii n stare solid a cuprului i plumbului i diferenelormari ntre temperaturile lor de solidificare topire i ntre densitile acestora,bronzurile cu plumb manifest o mare tendin de segregare (separare) acomponentelor n structur. Pentru a anihila aceast tendin i a asigura odistribuie uniform a formaiunilor intercristaline de plumb (cu rol lubrifiant) nmatricea de cupru a structurii se practic alierea lor suplimentar cu nichel(%Nim = 1,0...2,5 %) i rcirea forat la solidificare a acestor bronzuri.

    Cuzineii din bronzuri cu plumb se realizeaz prin turnare; deoarecebronzurile cu plumb au rezisten mecanic sczut (rezistena la rupere esteRm = 50...150 N/mm2, iar duritatea 30...50 HB), se practic turnarea cuzineilorpe supori din oel i/sau se face alierea suplimentar a bronzurilor cu elemente caremresc duritatea matricei lor structurale: staniu (%Snm = 5...10 %), stibiu(%Sbm = 1...2 %), fosfor (%Pm < 0,3 %) sau zinc (%Znm = 1...3 %).

    Mrcile de bronzuri cu plumb comerciale corespund prescripiilor anteriorformulate; cele mai utilizate mrci sunt: G CuPb25; G CuPb20Sn5; G CuPb15Sn8i G CuPb7Sn7Zn3.

    9.6. Aluminiul i aliajele pe baz de aluminiu

    Sub form de metal pur sau sub form de component de baz al unoraliaje, aluminiul este utilizat n prezent pentru realizarea de semifabricate iproduse pentru multe ramuri economice importante: aeronautic, construcii civilei industriale, electrotehnic i telecomunicaii, energetic neconvenional(solar, eolian), forajul sondelor de petrol, chimie i petrochimie, fabricareaambalajelor. Principalele proprieti fizico chimice i mecanice i clasele depuritate tehnic ale aluminiului sunt descrise complet de caracteristicile redate ntabelele 1.2, 9.1, 9.2 i 9.3, caracteristicile care trebuie remarcate, deoarece audeterminat opiunile pentru utilizarea acestui metal n cele mai multe aplicaii,sunt: densitatea sczut, plasticitatea bun i conductibilitatea termic i electricridicat. Principalele impuriti ale aluminiului tehnic se pot clasifica nurmtoarele categorii:

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    163

    impuriti solubile n aluminiul solid (Si, Cu, Mg, Zn, Mn, Ni, Cr, Ti,Ta, Zr); efectele prezenei acestor impuriti n concentraii masice mici, constndn diminuarea proprietilor de turnare (Cu, Mg, Zn, Mn) sau mbuntireaacestora (Si i, mai ales, Ti, Ta, Zn, care fiind greu fuzibile se comport camodificatori i determin obinerea unor structuri primare cu granulaie fin),creterea rezistenei mecanice i scderea plasticitii (Si, Mg, Zn, Mn, Cr, Mo),mrirea rezistenei la coroziune (Si, Mg, Mn, Ni) sau diminuarea acesteia (Cu),creterea refractaritii (Ni, Cr, Mo), mbuntirea prelucrabilitii prin achiere(Cu, Zn), reducerea conductibilitii electrice (Mn) etc., sunt de obiceiacceptabile;

    impuriti insolubile n aluminiul solid (Sn, Pb, Bi); aceste impuritiuor fuzibile se separ la limitele cristalelor de aluminiu i influeneaz negativprelucrabilitatea prin deformare plastic la cald (genereaz fenomene de fragilitatesau fisurare la cald);

    impuriti care formeaz cu aluminiul compui chimici (Fe, Si, As, Sb);prezena compuilor (Al3Fe, Al12Fe3Si, AlAs, AlSb) pe care i formeaz aluminiulcu aceste impuriti are ca efect principal diminuarea plasticitii i tenacitiisemifabricatelor sau produselor din aluminiu.

    Aluminiul are o bun rezisten la coroziune n multe medii de lucru:atmosfere poluate, ape reziduale, vapori de ap, medii apoase care conin dioxidde carbon, soluii de acid sulfuric etc. Rezistena la coroziune a produselor dinaluminiu se datoreaz acoperirii lor (pe cale natural sau prin aplicarea unorprocedee tehnologice de tratare chimic sau electrochimic) cu o pelicul deAl2O3, aderent, compact i foarte rezistent la coroziune, care mpiedicatacarea produselor de ctre mediilor active de lucru. Prezena impuritilor (Fe,Cu, etc.) sau unele medii active (soluiile de acid azotic, soluiile de acid fosforic,amoniacul) pot determina declanarea unor procese de corodare intens aproduselor din aluminiu.

    Aluminiul are o bun capacitate de a forma aliaje, principalele aliaje pebaz de aluminiu folosite n tehnic fiind prezentate n continuare.

    9.6.1. Aliajele Al Cu

    Aliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal cuprul au o largutilizare n tehnic (construcia de maini, aeronautic, petrol, chimie ipetrochimie etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama deechilibru fazic Al Cu, prezentat n figura 9.21. Fazele care apar pe aceastdiagram au urmtoarele semnificaii:

    L este soluia lichid a componentelor Al i Cu;

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    164

    este soluia solid de substituie avnd ca solvent aluminiul i ca solutcuprul (

    Al(Cu)); deoarece prezint, ca i solventul sau, structur cristalinde tip CFC, soluia solid se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fideformat plastic uor, att la cald ct i la rece;

    este un compus intermetalic de tip geometric, din categoria fazelorLaves, cu formula chimic Al2Cu i concentraia masic de cupru %Cum = 54,1%,care prezint o structur cristalin de tip tetragonal.

    Deoarece configuraia diagramei de echilibru din figura 9.21 corepundecele prezentate n figura 9.1, aliajele Al Cu se pot supune TT de clire de puneren soluie, fiind susceptibile de a fi durificate prin clire i mbtrnire natural sauartificial (v. subcap. 9.3). Pornind de la aceast observaie, aliajele Al Cu se potclasifica n dou categorii: a) aliaje deformabile i durificabile structural prin TT;b) aliaje pentru turnare.

    Fig. 9.21. Diagrama de echilibrua sistemului de aliaje Al Cu

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

    9.6.1.1. Aliajele industriale Al Cu deformabile i durificabilestructural prin TT se caracterizeaz printr-o concentraie masic de cupru%Cum = 2...5 % (situat n intervalul delimitat de abscisele punctelor C i B alediagramei de echilibru din figura 9.21) i au structura de echilibru la ta alctuitdintr-o matrice de soluie solid , n care sunt distribuite uniform particule defaz secundar , aa cum se poate observa n figura 9.22.

    Procesul tehnologic prin care se realizeaz prelucrarea prin deformareplastic i durificarea structural a unui semifabricat confecionat dintr-unastfel de aliaj are urmtoarele etape:

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    165

    clirea de punere n soluie, constnd din rcirea n ap a semifabricatuluinclzit la o temperatur tic situat n intervalul (tso, ts), pentru obinerea la ta a uneistructuri monofazice, alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n cupru;

    prelucrarea prin deformare plastic a semifabricatului cu structurmonofazic ;

    mbtrnirea (natural sau artificial), constnd din meninereaprodusului prelucrat prin deformare plastic la o temperatur tii [ta, ts0), nvederea separrii din soluia solid suprasaturat a precipitatelor (zone GP, , sau ) capabile s produc durificarea la nivelul dorit a structurii (v. scap. 9.3).

    Aliajele industriale aparinnd acestei categorii au compoziie complex,alierea aluminiului cu mai multe elemente fiind determinat de necesiti privindmbuntirea prelucrabilitii prin deformare plastic, anihilarea influenelornegative ale unor impuriti greu de eliminat la elaborare, sporirea capacitii dedurificare prin clire i mbtrnire, mbuntirea rezistenei la coroziune etc.Cele mai folosite sunt aliajele Al Cu

    Mg cu adaosuri de Mn, cunoscute subdenumirea de duraluminiu; compoziia chimic a acestor aliaje se caracterizeazprin: %Cum = 2...5 %; %Mgm = 0,2...2,4 %; %Mnm = 0,2...1,5 %, iar impuritilepermanent prezente sunt Fe i Si (concentraiile masice maxime uzual acceptatepentru fiecare din aceste elemente fiind de 0,5...0,6 %). Proprietile acestoraliaje sunt influenate de ponderea elementelor de aliere, de raportulconcentraiilor acestora i de prezena impuritilor (Fe, Si):

    * rezistena mecanic, plasticitatea i capacitatea de durificare prin TTsunt influenate substanial de concentraiile cuprului i magneziului i de raportulacestora; cea mai mare rezisten mecanic se poate obine la aliajele cu%Cum = 4...5 %; %Mgm = 1...2 % i 7,2...3,1%

    %=

    mMgmCu , n timp ce plasticitatea cea

    mai mare (dar rezistena mecanic cea mai sczut) o au aliajele cu%Cum = 4,0...4,5 %; %Mgm = 0,2...0,3 % i 19...18%

    %=

    mMgmCu ;

    * prelucrabilitatea prin deformare plastic i rezistena la coroziune senrutesc cnd concentraiile impuritilor (Fe i Si) cresc, aceste influenenegative fiind diminuate dac raportul

    mSmFe

    i%%

    este meninut la o valoare

    subunitar;* capacitatea de durificare prin TT este diminuat la creterea

    concentraiei fierului, deoarece acesta fixeaz o parte din cupru sub formacompusului Al7FeCu2 (faz insolubil n matricea ) i diminueaz astfelcantitatea de cupru disponibil pentru formarea la mbtrnire a precipitatelor ceasigur durificarea structural a aliajelor; dac %Mgm 1 %, efectul negativ alfierului este eliminat.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    166

    Structura de echilibru la ta a aliajelor de tip duraluminiu este alctuit dinmatricea i diveri compui chimici (cu prezena i ponderea dependente decompoziia aliajului): Al2Cu (faza ), Al2CuMg (faza S), Mg2Al3 (faza ), Mg2Si,Al6CuMg4, (Mn,Fe)Al6 i Al7Cu2Fe.

    Durificarea prin clire de punere n soluie i mbtrnire a aliajelor de tipduraluminiu se realizeaz prin mecanismele prezentate n cazul aliajelor Al Cu.La nclzirea n vederea clirii compuii intermetalici pe baz de Al, Cu, Mg (, S, etc.) se dizolv n matricea , n timp ce compuii coninnd Fe i Mn rmnnedizolvai i se menin n structura aliajelor clite (cu efecte negative asupraplasticitii acestei structuri). n procesul de mbtrnire se formeaz mai ntizone GP (de forma unor bastonae sau sfere), apoi precipitate metastabilesemicoerente cu matricea (, S, etc.), iar n cazul unei mbtrniri avansate precipitate stabile necoerente cu matricea (, S, etc.).

    Deoarece, aa cum s-a artat n scap. 9.3, tratamentele de durificarestructural aplicate aliajelor de tip duraluminiu nu conduc la stri structurale deechilibru stabil, meninerile ulterioare ale acestor aliaje la temperaturi t > ta potproduce modificri structurale cu efecte substaniale asupra caracteristicilormecanice. Acest fenomen este sugestiv ilustrat de diagramele prezentate n figura9.23, care redau, pentru un aliaj %Cum = 3,8...4,9 %; %Mgm = 1,2...1,8 %;%Mnm = 0,3...0,9 %, %Fem 0,5 %, %Sim = 0,5 % (corespunztor mrcii2024 T8 sau AlCu4Mg1,5Mn T8), variaiile caracteristicilor mecanice latraciune determinate la ta dup meninerea aliajului, diferite durate, la temperaturit [ta, 400 oC] i de diagramele prezentate n figura 9.24 care redau, pentruacelai aliaj, variaiile caracteristicilor mecanice la traciune determinate prinncercri la temperaturi t [ta, 400 oC], efectuate dup diferite durate demeninere a aliajului la temperatura de ncercare.

    Mrcile de aliaje uoare de tip duraluminiu, folosite la confecionareasemifabricatelor (table, platbande, evi, profile extrudate etc.) din care serealizeaz piese i echipamente pentru aeronave, autovehicule, instalaiipetrochimice, instalaii de forare a sondelor, etc., corespund simbolurilor:AlCu4MgMn, AlCu4Mg1,5Mn i AlCu4MgMnSi.

    9.6.1.2. Aliajele industriale Al Cu pentru turnare se caracterizeazprintr-o concentraie masic de cupru %Cum = 3...10 %. Structura de echilibru la taeste alctuit din soluie solid i formaiuni de faz secundar , n cazulaliajelor cu %Cum 5,7 % sau din soluie solid , eutectic (+) i separri defaz secundar , n cazul aliajelor %Cu > 5,7 %.

    Aliajele din aceast categorie se pot alia suplimentar, ca i aliajeledeformabile, cu Mg, Ni, Mn, Bi, Si.

    Produsele realizate prin turnare din astfel de aliaje se pot sau nu supune

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    167

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

    Fig.9.23. Caracteristicile mecanice latraciune ale unui aliaj 2024 T8, determinatela ta dup meninerea aliajului, diferite durate,

    la temperaturi t [ta, 400 oC]

    Fig.9.24. Caracteristicile mecanice latraciune ale unui aliaj 2024 T8, determinateprin ncercri la temperaturi t [ta, 400 oC],efectuate dup diferite durate de meninere a

    aliajului la temperatura de ncercare.Spre deosebire de aliajele deformabile, la care durificarea structural se

    asigura n mod obinuit prin atingerea strilor T3, T4, T6 sau T8, durificareastructural a aliajelor pentru turnare se obine de obicei prin atingerea strilor T1sau T5 (rcirea rapid dup turnare, pentru obinerea unei structuri cu soluiesolid suprasaturat n elemente de aliere, urmat de mbtrnire natural sauartificial) i, mai rar, prin atingerea strilor T4 sau T6.

    Mrcile de aliaje industriale de acest tip (folosite pentru confecionarea desemifabricate turnate cu destinaii similare celor prezentate n cazul aliajelordeformabile) sunt: G AlCu10, G AlCu8, G AlCu4Si4MnSi, G AlCu6Si5Mg,G AlCu4Ni2Mg, G AlCu4MgTi, GAlCu4Si1, GAlCu10Mg.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    168

    9.6.2. Aliajele Al Mg

    Aliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal magneziul seutilizeaz n tehnic (la fel ca i aliajele Al Cu i Al Cu Mg) n aplicaiilecare impun materiale uoare (cu densitate sczut). Diagrama de echilibru asistemului de aliaje Al

    Mg este prezentat n figura 9.25 i are aceeaiconfiguraie ca i diagrama sistemului de aliaje Al Cu, redat n figura 9.21.Fazele care apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii:

    L este soluia lichid a componentelor Al i Mg; Al(Mg) este o soluie solid de substituie, cu structur cristalin de

    tip CFC i cu bun plasticitate, care se poate prelucra prin deformare plastic larece sau la cald;

    este o faz bertholid, cu formula chimic Al3Mg2 i cu concentraiamasic de Mg variabil n intervalul [35,3 % ; 37,7 %].

    Aliajele Al Mg se pot clasifica n dou categorii; a) aliaje deformabile;b) aliaje pentru turnare.

    9.6.2.1. Aliajele industriale Al Mg deformabile sunt de dou tipuri: aliajele monofazice , cu %Mgm = 0,5...2,8 % (sub limita solubilitii

    magneziului n aluminiu la ta), care se pot durifica numai datorit ecruisriiproduse de prelucrarea lor prin deformare plastic la rece;

    aliaje bifazice + , cu %Mgm = 4,5...12 % (sub limita solubilitiimagneziului n aluminiu la t = 450 oC), care se pot durifica structural prin clirede punere n soluie i mbtrnire (la fel ca i aliajele Al

    Cu sau de tipduraluminiu), aplicndu-se succesiunea de operaii corespunztoare atingeriistrilor T3, T4, T6 sau T8; efectele de durificare structural prin TT suntimportante, determinnd, de exemplu, la aliajele cu %Mgm = 8...10 %, care nstare recoapt au Rm = 300...250 N/mm2 i A = 14...15 %, creterea rezisteneimecanice la Rm = 500...520 N/mm2, cu meninerea alungirii procentuale duprupere la niveluri A 8...10 %.

    Aliajele din aceast categorie (cunoscute n tehnic sub denumirea demagnaliu sau alumag) se aliaz suplimentar cu Mn (%Mnm = 0,5...1,0 %), Cr(%Crm = 0,1...0,2 %), Si (%Sim = 1...5 %), Ti (%Tim 0,2 %) i V (%Vm 0,2 %),care contribuie la creterea efectelor de durificare structural prin TT, la finisareagranulaiei i la sporirea caracteristicilor mecanice i rezistenei la coroziune.

    Cele mai folosite aliaje din aceast categorie corespund mrcilor: AlMg1,AlMg2, AlMg3, AlMg5, AlMg1SiCr, AlMg1Mn1, AlMg7, AlMg9MnSi,AlMg5Ti i AlMg5SiV.

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    169

    Fig. 9.25. Diagrama de echilibrua sistemului de aliaje Al Mg

    Fig. 9.26. Diagrama de echilibrua sistemului de aliaje Al Si

    9.6.2.2. Aliajele industriale Al Mg pentru turnare au %Mgm = 2...12 %.Structura de echilibru a semifabricatelor turnate din astfel de aliaje (obinut dupaplicarea unei recoaceri de omogenizare la ti = 450...500 oC, cu m = 30...60 ore)este alctuit din cristale de soluie solid i o reea celular intercristalinde faz . Deoarece faza (compusul Al3Mg2) are rezisten sczut laaciunea mediilor active de lucru, produsele turnate cu aceast structursufer n exploatare un proces de coroziune intercristalin (atacareapreferenial a reelei intercristaline de Al3Mg2). Pentru a preveni apariiaacestui fenomen nedorit, produsele turnate din astfel de aliaje se supun unuiTT, care const din nclzirea i meninerea lor ndelungat la ti = 500...530 oC(pentru dizolvarea fazei n matricea ) urmat de o rcire (clire) n ap(pentru meninerea la ta a structurii monofazice ); revenirea produselorclite la ti = 80...100 oC, cu menineri m = 48...50 ore, determin precipitareaparial a fazei (care are efecte de durificare a structurii) sub forma unoriruri intercristaline alctuite din particule globulare (care nu mai formeaz oreea continu i nu mai determin producerea fenomenului de coroziuneintercristalin).

    Cele mai utilizate aliaje din aceast categorie corespund mrcilor:G AlMg3, G AlMg5, G AlMg10 i G AlMg9MnSiTi.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    170

    9.6.3. Aliajele Al Zn

    Aliajele aluminiului, avnd ca element principal de aliere zincul(%Znm = 5...8 %) i adaosuri de Mg (%Mgm = 2...3 %), Cu (%Cum = 1...2 %) ialte elemente (Mn, Cr, Ti, Si, Zr, introduse fiecare n concentraii masice care nudepesc 0,2 %), se folosesc n tehnic, sub denumirea de zincral sau alzimac, caaliaje deformabile cu rezisten mecanic ridicat (Rm = 550...750 N/mm2 iA 8 %).

    Structura de echilibru la ta a aliajelor din aceast categorie este similarcelei corespunztoare aliajelor tip duraluminiu, coninnd n plus compuiiintermetalici: MgZn2, (faza M) sau Al2Mg3Zn3 (faza T).

    Caracteristicile de rezisten mecanic prezentate anterior corespund nmod obinuit produselor livrate n starea T6; n procesul de mbtrnire artificialal aliajelor clite se formeaz n stadiile iniiale zone GP, iar n stadiile avansate precipitate metastabile semicoerente cu matricea (de tip M, T etc.) i apoiprecipitate stabile necoerente (de tip M,T etc.)

    Aliajele din aceast categorie folosite cu cea mai mare pondere naplicaiile tehnice corespund mrcii AlZn6Mg2,5Cu1,5.

    9.6.4. Aliajele Al Si

    Aliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal siliciul seutilizeaz n tehnic, sub denumirea silumin, ca aliaje uoare pentru turnare(corpuri de maini, cartere i pistoane pentru motoare cu ardere intern icompresoare de aer, armturi i piese industriale rezistente la uzur i coroziune latemperaturi ridicate n prezena gazelor oxidante, corpuri de carburatoare pentruautovehicule etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama deechilibru fazic Al - Si, prezentat n figura 9.26. Fazele care apar pe aceastdiagram au urmtoarele semnificaii:

    L este soluia lichid a componentelor Al i Si; este soluia solid avnd ca solvent aluminiul i ca solut siliciul

    ( Al(Si)); are structur cristalin de tip CFC i prezint o bun palsticitate; este soluia solid avnd ca solvent siliciul i ca solut aluminiul

    ( Si(Al)); deoarece solubilitatea aluminiului n siliciu este foarte redus(concentraia masic de Al care se poate dizolva n Si este %Alm = 0,5 %, lat = 577 oC i %Alm 0 % la ta) se poate considera c Si.

    Aliajele folosite cu precdere n tehnic, datorit proprietilor lor bune deturnare (temperatura de solidificare-topire sczut, fluiditate ridicat etc.), sunt

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    171

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

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

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

    n tehnic se utilizeaz i aliaje de tip silumin cu coninuturi sczute de Si(%Sim = 5...10 %), aliate suplimentar cu Mg (%Mgm = 0,3...0,8 %), Cu(%Cum = 1...4 %) sau Ni (%Nim = 0,3...3,0 %), care formeaz compuiintemetalici cu componentele existente n aceste aliaje (Mg2Si, Al2Cu, Al3Ni) icreaz astfel posibilitatea durificrii structurale prin TT (clire de punere nsoluie de la ti = 350...540 oC, urmat de mbtrnire artificial la ti = 150...160 oC,cu m = 3...12 ore) a produselor turnate realizate din astfel de aliaje.

    Aliajele din aceast categorie folosite de obicei n aplicaii tehnicecorespund mrcilor: GAlSi12Mn, GAlSi12CuMgni, GAlSi9Cu3Mg,GAlSi8cu3Ni i GAlSi9Mg.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    172

    9.7. Titanul i aliajele pe baz de titan

    Titanul i aliajele sale constituie materiale deosebit de importante pentrutehnica modern, datorit caracteristicilor mecanice ridicate (mai ales latemperaturi nalte), densitii sczute ( 4500 Ti kg/m

    3), comportrii foarte bunen prezena mediilor active de lucru i posibilitilor de prelucrare prin deformareplastic i de influenare a proprietilor lor prin aplicarea de tratamente termice.Principalele proprieti fizico-chimice i mecanice i clasele de puritate tehnicale titanului sunt descrise complet de caracteristicile redate n tabelele 1.2, 9.1, 9.2i 9.3. Pentru nelegerea corespunztoare a principalelor aspecte referitoare latitan i aliajele acestuia trebuie subliniate urmtoarele aspecte particulare:

    titanul prezint dou stri alotropice (modificaii): Ti, cu structurcristalin de tip HC, stabil sub temperatura tc = 882 oC i Ti, cu structurcristalin de tip CVC, stabil deasupra temperaturii tc = 882 oC i pn latemperatura ts = 1660 oC;

    impuritile cu grad major de nocivitate (n afar de cele menionate ntabelul 9.2), care modific valoarea punctului critic tc, mresc rezistena mecanic imicoreaz drastic plasticitatea i tenacitatea titanului fcndu-l inapt pentruprelucrarea prin deformare plastic, sunt impuritile gazoase: oxigenul (a creiconcentraie trebuie limitat la 0,2 %, deoarece la depirea acesteia oxigenulptruns n interstiiile structurii cristaline a titanului produce fragilizarea acestuia),hidrogenul (a crei concentraie trebuie limitat la 0,01 %, deoarece la concentraiimai mari se formeaz o reea intercristalin de hidruri de titan care determincomportarea fragil la rupere a titanului), azotul (a crei concentraie maximadmis este de 0,1 %, deoarece la depirea acesteia azotul dizolvat interstiial ntitan produce fragilizarea acestuia) i carbonul (a carei concentraie masic trebuielimitat la 0,06 %, deoarece la concentraii mai mari se formeaz precipitate decarbur de titan care durific i fragilizeaz titanul); titanul foarte pur areRm = 220...260 N/mm2 i A = 60...70 %, titanul tehnic (cu coninuturile deimpuriti sub limitele admisibile precizate anterior) are Rm = 550...650 N/mm2 iA = 20...25 %, iar titanul impurificat peste limitele anterior precizate este extremde fragil i nu poate fi prelucrat prin deformare plastic;

    deformarea plastic a titanului se realizeaz la temperaturi situatedeasupra punctului critic tc = 882 oC, iar rcirea lent dup deformare conduce laobinerea unei structuri cu cristale poliedrice de Ti , aa cum se poate observan figura 9.29; rcirea rapid (clirea) de la temperaturi ti > tc determin formareaunei structuri cu cristale aciculare (numit martensit M ), aa cum se observpe micrografia prezentat n figura 9.30, a crei plasticitate se mbuntete

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    173

    considerabil dac se aplic un TT de revenire la o temperatur imediat inferioarpunctului tc (n aceast stare titanul are Rm 700 N/mm2, A 18 % i Z 40%).

    Titanul formeaz aliaje cu diverse elemente, n general, aliajele titanuluiavnd concentraii reduse de elemente de aliere (%EAm 10 %). Elementele careformeaz aliaje cu titanul se pot clasifica aa cum se prezint n continuare.

    A. Elementele stabilizante sau elementele alfagene (Al, Sn, C, N, O)determin creterea stabilitii Ti i mresc temperatura punctului critic tc, la carese produce transformarea alotropic Ti Ti; Diagramele de echilibru alesistemelor de aliaje binare pe care le formeaz titanul cu astfel de EA auconfiguraia prezentat n figura 9.31, semnificaiile fazelor care apar pe aceastdiagram fiind: L este soluia lichid a componentelor Ti i EA, soluia solid Ti(EA), soluia solid Ti(EA) i faza intermediar care se poateforma la rcirea aliajelor sistemului prin cristalizare din faza lichid sau printransformarea peritectic (la t = tp) L + i care se poate descompune printransformarea peritectoid (la t = tpe) + .

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

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

    B. Elementele stabilizante sau elementele betagene (Mo, V, Nb) suntizomorfe cu Ti (au, ca i Ti, structur cristalin de tip CVC), au solubilitateridicat n Ti i determin creterea stabilitii acestuia, micornd temperaturapunctului critic tc. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pe carele formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia prezentat n figura 9.32,semnificaiile fazelor care apar pe aceste diagrame fiind identice celor precizate ncazul diagramei din figura 9.31.

    n categoria elementelor betagene se ncadreaz i Mn, Fe, Cu, Cr careformeaz cu titanul sisteme de aliaje avnd diagramele de echilibru de tipul celeiprezentate n figura 9.33 (foarte asemntoare cu diagrama de echilibru metastabilFe Fe3C), faza corespunznd unui compus intermetalic TimEAn (Ti2Cu, Ti2Nietc.); n aceste cazuri faza Ti(EA) ar trebui s se descompun eutectoid

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    174

    ( + ), dar, deoarece transformarea se desfoar foarte lent, la vitezele dercire uzuale pentru aliajele tehnice nu se poate produce i faza

    rmne stabilpn la ta.

    Fig. 9.31. Diagrama de echilibrua sistemelor de aliaje formate de Ti cuelementele de aliere alfagene (Al, Sn, C, N, O)

    Fig. 9.32. Diagrama de echilibrua sistemelor de aliaje formate de Ti cu

    elementele de aliere betagene (Mo, V, Nb)care nu formeaz compui chimici cu Ti

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

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    175

    innd seama de cele prezentate anterior, rezult c aliajele titaniului sepot clasifica n funcie de structura pe care o prezint la ta n:

    aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele pe baz de Ti avndca element de aliere principal aluminiul (%Alm = 5...8 %) i mici adaosuri de alteelemente (alfagene sau betagene): Sn, Mn, Fe, Cr, Mo; cele mai utilizate aliajetehnice din aceast categorie corespund mrcilor: TiAl5, TiAl5Sn2,5,TiAl3Mn1,5 i TiAl6Sn2Zr2Mo;

    aliaje bifazice + , n care se ncadreaz aliajele tehnice care coninatt elemente alfagene, ca aluminiul (%Alm = 2...8 %) i Sn (%Snm = 1...2 %), cti elemente betagene (V, Cr, Mo, etc.); cele mai folosite aliaje tehnice dinaceast categorie corespund mrcilor: TiAl6V4, TiAl6Sn2V6 iTiAl5Sn2Zr4Mo6Cr4;

    aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele tehnice care conin nconcentraii mici de elemente alfagene (%Alm = 2...3 %; %Snm = 1...2 %) i suntbogat aliate cu elemente betagene (%Crm = 3...10 %; %Vm = 12...14 %;%Mom = 3...13 %); cele mai folosite aliaje tehnice din aceast categoriecorespund mrcilor: TiV13Cr11Al3; TiMo8V8Fe2Al3 i TiV10Fe2Al3.

    Semifabricatele i produsele realizate din aliaje pe baz de titan se potsupune unor tratamente termice sau termochimice (carburare, nitrurare, etc.) capabiles le modifice structura i s le confere proprietile fizico-mecanice impuse decondiiile lor de utilizare. Cele mai utilizate TT sunt prezentate n continuare.

    A. Recoacerea de recristalizare fr schimbare de faz, se aplic laprodusele realizate din aliaje monofazice i bifazice n scopul refaceriiplasticitii dup prelucrrile prin deformare plastic la rece, temperatura tialegndu-se astfel nct s fie depit temperatura de recristalizare primar(trp = 650...700 oC), dar s nu se produc transformarea , care este nsoitde o cretere important a granulaiei (de obicei, ti = 750...800 oC).

    B. Recoacerea de detensionare se aplic la produsele din aliaje pe baz detitan n scopul diminurii nivelului tensiunilor reziduale produse de prelucrrileutilizate pentru obinerea acestora; n mod obinuit se realizeaz la ti = 550...600 oC,cu m = 1...4 ore.

    C. Clirea martensitic, urmat de revenire (mbtrnire), se aplic laprodusele realizate din aliaje bifazice n scopul creterii caracteristicilor derezisten mecanic i meninerii unor niveluri ridicate ale caracteristicilor deplasticitate i tenacitate. Clirea martensitic se realizeaz de la o temperatur ti lacare aliajul supus TT are o structur monofazic sau bifazic + ; ca i laoeluri, transformarea fazei n martensit ( M) se realizeaz la rcireaacesteia sub o temperatur Ms (numit punct martensitic superior) i se finalizeazcnd se atinge o temperatur Mf (numit punct martensitic inferior), Ms i Mf

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    176

    depinznd de concentraia EA coninute n aliajul din care sunt confecionateprodusele supuse tratamentului.

    Dac aliajele pe baz de titan din care sunt confecionate produsele aparinunui sistem avnd diagrama de echilibru de tipul celei prezentate n figura 9.33,comportarea la clire martensitic se poate analiza pe baza diagramelor redate nfigura 9.34; astfel:

    aliajele avnd %EAm a % capt o structur complet martensitic,M fiind o soluie solid suprasaturat de EA n Ti, cu structur hexagonaldeformat (datorit suprasaturrii n EA), cu aspect metalografic acicular i cuduritatea i rezistena mecanic cresctoare odat cu concentraia EA n aceste aliaje;

    aliajele avnd a % < %EAm < b % capt o structur alctuit dinmartensit M i faz rezidual;

    aliajele avnd %EAm b % nu se clesc, meninndu-i la ta structuramonofazic .

    Fig.9.34. Descrierea comportrii la clire aaliajelor titanului cu elemente betagene care

    formeaz compui chimici imn

    Fig.9.35. Descrierea comportrii la clire aaliajelor titanului cu elemente betagene care

    nu formeaz compui chimici cu Ti

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

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    177

    structura monofazic , comportarea sa la clire este similar (n funcie deconcentraia EA) celei descrise anterior. Dac temperatura ti se alege ns astfelnct structura aliajului s fie bifazic, faza stabil la aceast temperatur are (nconformitate cu regula izotermiei v. scap. 2.5.1) compoziia corespunztoareabscisei punctului B i, aa cum se poate constata pe diagrama din figura 9.35, nuse produce (sau se produce parial) transformarea ei n martensit.

    La revenirea aliajelor clite se produce transformarea structurilor alctuitedin martensit i/sau faz n structuri apropiate de echilibru, alctuite din fazele i , dac aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru (cu transformareeutectoid) de tipul prezentat n figura 9.33, sau din fazele i , dac aliajeleaparin unui sistem avnd diagrama de echilibru de tipul celei din figure 9.32. nprocesul de revenire faza metastabil se transform mai nti (la temperaturi sub425 oC) ntr-o faz intermediar , cu fragilitate accentuat, care trece apoi (latemperaturi de revenire ti > 425 oC) n faza stabil . Deoarece fragilitatea conferitde prezena n structur a fazei este inacceptabil, n mod obinuit revenireaaliajelor pe baz de titan clite se face la ti = 450...650 oC > 425 oC, cu durate demeninere m = 2...24 ore. Aliajele pe baz de titan clite i revenite aucaracteristici de rezisten mecanic foarte ridicate (Rm = 900...1300 N/mm2,Rp0,2 = 820...970 N/mm2) i prezint n acelai timp i bune caracteristici deplasticitate i tenacitate (A = 10...15 %, Z = 20...25 %, KV = 30...35 J).

    D. Tratamentele termochimice se aplic la produsele confecionate dinaliaje pe baz de titan n scopul creterii rezistenei la uzare a acestora. De obiceise utilizeaz tratamentul termochimic de nitrurare (la ti = 850...950 oC, cum = 30...60 ore, n atmosfer de azot), care conduce la obinerea unor straturisuperficiale bogate n azot (n structura crora apare nitrura de titan TiN), cugrosimea x = 0,05...0,15 mm i duritatea 750...900 HV.

    9.8. Alte metale i aliaje neferoase

    n tehnic se utilizeaz, pe lng clasele de metale i aliaje neferoaseanterior prezentate i alte metale i aliaje neferose. n continuare sunt tratatesuccint cteva clase de metale i aliaje neferoase cu proprieti speciale.

    9.8.1. Aliajele antifriciune

    Aliajele destinate realizrii cuzineilor lagrelor de alunecare utilizate caorgane de rezemare a arborilor mainilor i utilajelor trebuie s prezinte orezisten mare la uzare att n condiiile normale de ungere, ct i n situaiile

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    178

    (accidentale) cnd ungerea este insuficient sau chiar absent; deoarece proceselede uzare a cuzineilor se produc datorit frecrii cu zonele de rezemare alearborilor (numite fusuri), rezult c aliajele pentru cuzinei trebuie s aibproprieti antifriciune, adic s asigure valori ct mai sczute ale coeficienilorde frecare de alunecare la contactele fus cuzinet.

    Aliajele cu bune proprieti antifriciune trebuie s aib o structureterogen, care s conin att faze moi(cu duritate sczut i plasticitate ridicat),capabile s asigure conformarea (acomodarea) cuzineilor dup configuraiageometric a fusurilor arborilor, ct i faze dure sau semidure, capabile s preiasolicitrile mecanice la care sunt supui arborii pe care i susin; n plus, acestealiaje trebuie s aib capacitatea de a forma pe suprafeele active ale cuzineilorreele de canale capilare, care s nmagazineze substanele de ungere (lubrifianii)i s poat disipa cu uurin cldura produs datorit frecrii, pentru a asiguraregimuri termice staionare de funcionare a lagrelor.

    Aliajele antifriciune utilizate n tehnic se pot mpri, n funcie demrimea temperaturii lor ts, n clasele i categoriile prezentate n continuare.

    9.8.1.1. Aliajele antifriciune cu ts joas reprezint o clas de materialeale crei categorii reprezentative sunt:

    aliajele pe baz de staniu cu stibiu (%Sbm = 10...12 %) i cupru(%Cum = 5...6 %), denumite compoziii pe baz de Sn sau aliaje Babbit; au, aacum se poate observa n figura 9.36, structura alctuit dintr-o matrice moale desoluie solid Sn(Sb, Cu) i formaiuni dure, uniform distribuite n masamatricei , de compui intermetalici SnSb (sub form de cristale poliedrice mari)i Cu3Sn (sub form de cristale aciculare fine) i se utilizeaz pentru cuzineiilagrelor de la turbocompresoare, electromotoare, motoare Diesel etc.,caracterizate prin ncrcri mecanice reduse i turaii mari ale arborilor;

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

    Fig.9.37. Structura la ta a uneicompoziii pe baz de plumb

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

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    179

    mas semidur de eutectic ternar (Sn + SnSb + Pb), n care sunt nglobateparticule dure de compui intermetalici SnSb i Cu3Sn, sunt mai ieftine dectcompoziiile pe baz de Sn (deoarece staniul este nlocuit parial cu plumb) i sepot folosi la realizarea cuzineilor pentru lagre cu ncrcri mecanice ridicate (deexemplu, lagrele de la locomotive);

    aliajele pe baz de plumb cu calciu (%Cam = 0,5...2,0 %) i mici adaosuride Na, Mg i Al, denumite compoziii pe baz de Pb sau aliaje Bahnmetall; au,aa cum se prezint n figura 9.37, structura alctuit dintr-o matrice moale deplumb (uor durificat prin dizolvarea adaosurilor de Na, Mg i Al) i formaiunicristaline dure de compus definit Pb3Ca i se utilizeaz la realizarea cuzineilorlagrelor cu ncrcri mecanice ridicate i cu turaii relativ reduse ale arborilor (deexemplu, cuzineii lagrelor pentru locomotive i vagoane de marf).

    9.8.1.2. Aliajele antifriciune cu ts moderat reprezint o clas demateriale ale crei categorii reprezentative sunt:

    aliajele pe baz de zinc cu aluminiu (%Alm = 8...10 %), cupru(%Cum = 4...5 %) i magneziu (%Mgm = 0,5...1,0 %); au structura alctuit dincristale de soluie solid Zn(Al) i amestecuri eutectice (binare sau ternare) ceconin fazele bertholide dure formate de zinc cu elementele de aliere i seutilizeaz la confecionarea cuzineilor pentru lagrele cu funcionare intermitent,turaii mici i solicitri mecanice ridicate (cum sunt, de exemplu, cuzineiilagrelor de la macarale i poduri rulante);

    aliajele pe baz de aluminiu cu staniu (%Snm = 19...24 %) i cupru(%Cum = 0,8...1,2 %) sau cu staniu (%Snm = 6...8 %), cupru (%Cum = 0,8...1,2 %)i nichel (%Nim = 0,3...1,2 %) sau cu cupru (%Cum = 1,0...1,3 %) i plumb(%Pbm = 1...3 %); au structura alctuit dintr-o matrice moale de soluie solid Al(EA), n care sunt nglobate particule dure de compui intermetalici(CuAl2,NiAl3 etc.) i se folosesc la realizarea cuzineilor pentru lagrele carefuncioneaz cu ncrcri mecanice moderate i turaii medii ale arborilor.

    9.8.1.3. Aliajele antifriciune cu ts ridicat reprezint o clas demateriale destinat confecionrii cuzineilor lagrelor de alunecare cu ncrcrimecanice mari i turaii moderate sau reduse ale arborilor; principale categorii dealiaje ale acestei clase au fost prezentate anterior (v. scap. 9.5.3): bronzurilebifazice cu staniu (bronzurile hipoeutectoide), bronzurile cu aluminiu, bronzurilecu siliciu i nichel, bronzurile cu siliciu i plumb, bronzurile cu beriliu ibronzurile cu plumb. n afar de bronzuri, n aceast clas sunt incluse i fonteleantifriciune, care sunt fonte (cenuii, maleabile sau nodulare) cu grafit nstructur, aliate cu elemente (Cr, Ni, Cu, Ti, Si) care s confere duritatea doritmasei lor structurale de baz i cu adaosuri de P i Pb, care le mbuntesccomportarea la uzare.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    180

    9.8.2. Aliajele pentru lipire

    Lipirea este o metod tehnologic de realizare pe cale metalurgic aunor mbinri nedemontabile eterogene, numite lipituri (LIP), ntre pieselemetalice, folosind materiale de adaos (MA) cu temperatura de topire solidificare ts,MA inferioar temperaturii de topire solidificare ts,MB amaterialului de baz (MB), din care sunt confecionate piesele ce se mbin; nfuncie de ts,MA a MA folosit i de rezistena mbinrilor realizate, lipirea poate fi:lipire moale, dac ts,MA 450 oC sau lipire tare (brazare), dac ts,MA > 450 oC,aceast clasificare convenional avnd la baz constatarea (facut experimental)c rezistena mecanic a LIP realizat ntre dou piese confecionate dintr-unanumit MB este cu att mai mare cu ct MA folosit are ts,MA mai nalt.

    Principiul de lucru la lipire este simplu: MA se topete cu ajutorul unei surse termice i se introduce n

    interstiiul (rostul) dintre piesele care trebuie mbinate; evident, deoarecets,MA < ts,MB, MB rmne n stare solid;

    MA topit umecteaz suprafeele rostului i se stabilete un contactnemijlocit ntre MA i MB (o parte din atomii MA ajung n cmpul de atracie alatomilor MB aflai pe suprafeele rostului), iar dac ts,MA este mare (la lipirea tare),au loc i procese de difuzie reciproc ntre MA (n stare lichid) i MB (n staresolid); desfurarea proceselor de umectare difuzie este esenial, deoareceasigur realizarea legturilor coezionale ntre MA i MB;

    prin solidificarea MA se obine LIP, caracterizat prin: eterogenitate(deoarece MA este diferit de MB), continuitate metalic (datorit legturilorcoezionale asigurate ntre MA i MB) i rezisten mecanic mai mic dect a MB(deoarece ts,MA < ts,MB).

    Analiznd principiul de lucru expus, rezult c, pentru realizarea unei LIPde bun calitate, trebuie respectate urmtoarele condiii:

    suprafeele rostului dintre piesele de lipit trebuie s fie curite perfect,pentru a fi asigurate condiiile de desfurrii proceselor de realizare a contactuluinemijlocit ntre MA i MB; ndeplinirea acestei condiii impune curirea(mecanic sau chimic) atent a suprafeelor pieselor nainte de lipire i/saufolosirea la lipire a unor fluxuri (sub form de pudr, past, nveli pe vergeleledin MA, topitur etc.) care s realizeze ndeprtarea oxizilor i aerului adsorbit depe suprafeele rostului;

    MA n stare topit trebuie s aib fluiditate suficient (pentru a ptrundeuor n rostul dintre piesele de lipit), trebuie s prezinte o bun capacitate deumectare a MB i (n cazul lipirii tari) trebuie s fie compatibil cu MB din punctul

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    181

    de vedere al desfurrii (n condiiile termice de realizare a lipirii) unor procesect mai intense de difuzie reciproc, fr apariia de faze (soluii solide, compuichimici) fragile; ndeplinirea unora dintre aceste condiii poate fi asigurat (ncazul multor MA) folosind la lipire fluxuri adecvate (pentru micorarea tensiuniisuperficiale a MA i creterea capacitii sale de umectare a MB).

    Aliajele pentru lipire utilizate n tehnic se pot mpri n clasele i tipurileprezentate n continuare.

    9.8.2.1. Aliajele pentru lipire moale au ca tipuri reprezentative: aliajele Sn Pb (%Pbm = 10...98 %) i Sn Pb Sb (%Pbm = 40...90 %;

    %Sbm = 0,3...2,4 %) au ts,MA = 190 ...270 oC i se folosesc la lipirea pieselor dinoeluri, cupru, alame etc., nesupuse (n timpul utilizrii) la solicitri mecaniceimportante (tinichigerie ordinar, manoane pentru cabluri, conductori electrici,radiatoare auto, circuite imprimate, aparate sanitare, cutii de conserve etc.);

    aliajele Sn Ag (%Agm = 4...5 %), aliajele Sn Pb Ag(%Pbm = 35...36 %; %Agm = 1,8...2,0 %), aliajele Pb Ag (%Agm = 3...4 %) ialiajele Pb Sn Ag (%Snm = 1,5...2,0 %; %Agm = 1,2...1,8 %) auts,MA = 230 ...300 oC i se folosesc la lipirea pieselor pentru electrotehnic (cetrebuie s aib conductibilitate electric ridicat) din cupru, argint, alame etc.;

    aliajele Cd Zn (%Znm = 35...40 %), aliajele Cd Zn Pb(%Znm = 28...30 %; %Pbm = 10...11 %), aliajele Cd Zn Ag (%Znm = 15...17 %;%Agm = 2,8...3,2 %), aliajele Zn Cd (%Cdm = 24...25%) i aliajele Zn Al(%Alm = 4...6 %) au ts,MA = 200 ...400 oC i se folosesc la lipirea pieselor rezistentela coroziune din aluminiu, aliaje pe baz de aluminiu etc.

    Principalele fluxuri care se folosesc cu aceste aliaje sunt: colofoniul (fluxde natur organic), acidul clorhidric, clorura de zinc i clorura de amoniu(fluxuri de natur anorganic).

    9.8.2.2. Aliajele pentru lipire tare au ca tipuri reprezentative: aliajele Cu Zn (alamele speciale cu %Znm = 58...62 %;

    %Snm = 0,8...1,2 % i %Sim = 0,8...1,2 %) au ts,MA 900 oC i se folosesc pentrulipirea pieselor din cupru, bronzuri, fonte, alame, nichel, aliaje de tip monel etc.;

    aliajele Cu P (%Pm = 5...7 %) i aliajele Cu Ag P (%Agm = 5...15 %;%Pm = 5...7 %) au ts,MA = 700 ...900 oC i se utilizeaz la lipirea pieselor dincupru i aliaje pe baz de cupru, nefiind recomandate (datorit coninutului ridicatde fosfor) la lipirea pieselor din oeluri, nichel i aliaje pe baz de nichel;

    aliajele Cu Ag Zn (%Agm = 20...40 %; %Znm = 25...30 %) i aliajeleCu Ag Zn Cd (%Agm = 40...50 %; %Znm = 10...20 %; %Cdm = 17...20 %) auts,MA = 700 ...800 oC i se utilizeaz la lipirea pieselor din cupru i aliaje pe bazde cupru, a conductelor de presiune din oeluri inoxidabile i a produselorrealizate din metale preioase sau aliaje ale acestora (cele cu coninut ridicat deargint i adaosuri de cadmiu, care mresc plasticitatea LIP);

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    182

    aliajele Ni Cr (%Crm = 10...30 %) i aliajele Ni Cr Si(%Crm = 18...20 %; %Sim = 8...10 %) au ts,MA = 1000...1100 oC i suntrecomandate la lipirea pieselor din metale greu fuzibile sau din aliaje refractare.

    Fluxurile care se folosesc cu aceste aliaje au drept component de bazboraxul, iar ca adaosuri (pentru mrirea fluiditii i creterea capacitii dedecapare) acidul boric, clorura de zinc i fluorurile alcaline.

    9.8.3. Aliajele superplastice

    Superplasticitatea este proprietatea unor aliaje de a se deforma plasticcu grade mari de deformare, fr apariia riscului de fisurare sau rupere datoritapariiei fenomenului de gtuire (v. scap.3.4). Gradul de deformare al aliajelorsuperplastice (definit de relaia (3.9)) atinge valori GD = 400...5000 %.Cercetrile teoretice i experimentale efectuate pn n prezent au evideniatcondiiile i aspectele prezentate n continuare privind deformarea superplastic amaterialelor metalice.

    A. Materialele metalice trebuie s prezinte o structur cu granulaie fini stabil (dimensiunile grunilor cristalelor care alctuiesc structura trebuie sfie mai mici ca 10 m) i s fie supuse deformrii plastice la o temperaturTdp 0,5Ts, la care se manifest cu intensitate ridicat procesele de difuzie aleatomilor componentelor materialelor. Pentru materiale metalice cu structurmonofazic (metal pur sau soluie solid) cele dou condiii sunt contradictorii iincompatibile, deoarece, aa cum este cunoscut (v. scap. 3.5 i 6.2.2), ridicareatemperaturii peste temperatura de recristalizare Trp 0,4Ts conduce la aparitiafenomenului de cretere a granulaiei. n consecin, materialele metalice apte a fideformate superplastic sunt aliajele cu structur bifazic, fie eutectice saueutectoide (la care creterea granulaiei este limitat de interaciunea fazelor carealctuiesc amestecurile mecanice), fie alctuite dintr-o matrice structural de bazi o faz secundar (cu un coninut procentual suficient de mare, cu granulaia deacelai ordin de marime ca i a matricei i distribuit astfel nct s blochezecreterea granulaiei matricei); principalele aliaje superplastice cunoscute iutilizate pn n prezent, prezentate n tabelul 9.12 corespund n totalitate acesteicondiii privind structura.

    B. Viteza de deformare (viteza de cretere a deformaiilor specifice nmaterialele supuse deformrii) trebuie s fie foarte mic (104...102 s1), ceea cecorespunde unor procese foarte lente de deformare plastic.

    C. Mecanismul de producere a procesului de deformare superplastic esteredat schematic n figura 9.37 i prezinta urmtoarele particulariti:

    * procesul este bazat pe producerea unor secvene multiple de alunecare

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    183

    ntre grunii cristalini ai materialului supus deformrii, cu asigurarea permanenta contactului dintre acetia prin contribuia unor fenomene de acomodare,constnd (aa cum se observ n figura 9.38) din modificarea poziiei grunilorprin deplasare liniar i rotire, deplasarea dislocaiilor prin alunecare i crare,generarea de noi dislocaii etc., n desfurarea crora dufuzia componentelormaterialului supus deformrii joac un rol important;

    Tabelul 9.12. Compoziia chimic i caracteristicile principalelor tipuri de aliaje superplastice

    Tipul aliajului Compoziia chimic Caracteristicilestructurale

    GDmaxla deformareasuperplastic

    la traciune, %

    Al Cu %Cum=33 %aliaj eutecticv. fig. 9.21 1300

    Al Cu Zr %Cum=6 %; %Zrm=0,5 % Al(Cu) +

    faz secundar (ZrAl3)2000

    Al Zn Mg Zr %Znm=10,7 %; %Mgm=0,9 %;%Zrm=0,4 % Al(Zn, Mg) +

    faz secundar (ZrAl3)1500

    Bi Sn %Snm=44 % aliaj eutectic 1900

    Cu Al Fe %Cum=9,5 %; %Fem=4 % Cu(Al) +faze secundare 800

    Mg Al %Alm=33 % aliaj eutectic 2100

    Mg Zn Zr %Znm=6 %; %Zrm=0,6 % Mg(Zn) +faze secundare 1700

    Pb Cd %Cdm=18 % eutectic 1500Sn Pb %Pbm=38 % eutectic 4800

    Ti Al V %Alm=6 %; %Vm=4 % +

    v. scap. 9.7 1000

    Zn Al %Alm=22 % eutectoid 2900

    Fig. 9.38. Schema realizrii proceslor dedeformare superplastic a aliajelor

    Fig 9.39. Ciclul histerezis al transformrilorin aliajele cu memoria formei

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    184

    * alunecrile ntre grunii cristalini la producerea deformrii superplasticei fenomenele de acomodare care le nsoesc se realizeaz (aa cum se observ nfigura 9.38) pe grupe de gruni adiaceni, n procesul de deformareneproducndu-se modificarea formei grunilor prin alungirea lor n direciadeformrii (deoarece orice cristal care a suferit ntr-o prim secven o alungire peo anumit direcie, sufer n secvenele urmtoare deplasri liniare si rotiri care imodific poziia, procesele ulterioare de deformare i produc alungiri pe altedirectii i, n final, se constat c toate cristalele i menin forma echiaxial avutnainte de deformare).

    D. Dac procesul de deformare superplastic a unui material metalic seconduce pn la depirea capacitii lui de deformare, ruperea nu este precedatde apariia unei gtuiri locale, ci de formarea de microgoluri intercristaline,motiv pentru care este denumit rupere prin cavitaie.

    Aliajele superplastice au mari perspective de utilizare la realizarea unorproduse industriale (piese pentru construcia de maini, funduri, corpuri derecipiente, bare profile, srme, etc.) prin deformare plastic (curbare, ambutisare,extrudere, laminare, tragere, trefilare etc.) la cald cu grade mari de deformare iconsumuri energetice reduse.

    9.8.4. Aliajele cu memoria formei

    Fenomenul de memorie a formei s-a constatat experimental la aliajelecare prezint transformri martensitice de tip special, caracterizate de o serie departiculariti, diferite de cele prezentate pentru transformarea martensitic(transformarea la rcire a austenitei prin mecanismul fr difuzie la aliajele Fe C(v. scap. 5.2.2). Considernd c la aceste aliaje (prin analogie cu cazul aliajelorsistemului Fe C) faza care se transform n martensit (M) la rcirea cu vitezmare este denumit austenit (), aceste particulariti pot fi descrise succintastfel:

    transformarea este reversibil, adic transformarea M ncepe larcirea rapid a austenitei sub o temperatur Ms i se finalizeaz la o temperaturMf < Ms, iar la nclzirea martensitei se produce transformarea invers M ,ntr-un interval de temperaturi (As,Af), bucla de histerezis al transformrii,prezentat n figura 9. 39, avnd o lime tHIS relativ redus;

    prin rcirea rapid a austenitei sub Ms se formeaz o martensittermoelastic, adic la apariia cristalelor platiforme de martensit nu se producedeformarea plastic , ci numai deformarea elastic a austenitei netransformate dinvecintatea acestor cristale (deformaiile structurii cristaline a austenitei, impusede desfurarea transformrii, sunt reduse);

  • Capitolul 9 Structura i proprietile metalelor i aliajelor neferoase

    185

    structura cristalin a martensitei se caracterizeaz printr-o distribuieordonat a atomilor componentelor aliajului, singurele imperfeciuni prezente naceast structur fiind maclele (v. scap. 1.5.3) i nu dislocaiile (care creazposibilitatea distrugerii distribuiei ordonate a atomilor prin procese de deformareplastic realizate cu deplasarea lor prin alunecare).

    La piesele realizate din aliaje care prezint transformri martensiticecaracterizate prin aceste particulariti, fenomenul de memorie a formei se poateevidenia efectund urmtoarele operaii:

    rcirea rapid a pieselor din domeniul austenitic, pentru realizareatransformrii martensitice M;

    deformarea plastic a pieselor cu structur de martensit termoelastic;deformarea plastic nu se poate realiza prin mecanismul clasic de alunecare(v. scap. 3.3), deoarece structura martensitei termoelastice este lipsit de dislocaiii se produce printr-un mecanism ce const din demaclarea maclelor prezente nstructura martensitei;

    nclzirea pieselor deformate plastic, pentru producerea transformriiM ; n timpul desfurrii acestei transformri tensiunile reziduale generate nprocesul de deformare plastic bazat pe mecanismul de demaclare acioneaz iproduc deformarea n sens invers, refacerea maclelor i restabilirea n acest fel aformei iniiale a pieselor (pe care au avut-o nainte de deformarea lor plastic nstare martensitic).

    Principalele aliaje la care s-a evideniat fenomenul de memorie a formei(numite aliaje Marmem) sunt prezentate n tabelul 9.13.

    Tabelul 9.13. Compoziia chimic i caracteristicile principalelor tipuri de aliaje marmemTipul aliajului Compoziia chimic Ms, oCCu Al Ni %Alm = 14 %; %Nim = 4 % 15 ... 10

    Au Cd %Cdat = 47,5 % 30 ... 60Ag Cd %Cdat = 44 ... 47 % 137 ... 44Ni Ti %Tiat = 50 % 50 ... 40

    Au Cu Zn %Cum = 20,7 %; %Znm = 20,9 % Cu Al %Alm = 11 ... 13 % 240 ...450Ni Al %Alat = 39 ... 41 % 240 ... 870

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

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    186

    mpiedica accesul spre inima acestora al cheagurilor de snge formate datoritmaladiilor de care sufer sau datorit interveniilor chirurgicale la care suntsupui; un astfel de filtru, de forma unei spirale realizate din srm de nitinol, seaduce prin rcire n stare martensitic, se supune ndreptrii n aceast stare(pentru a cpta o form convenabil implantrii n vena cav), iar dupimplantare, datorit nclzirii la temperatura corpului uman, sufer transformareainvers, recptnd structura austenitic i forma spiral care i asigurfuncionarea ca filtru.

    Cuvinte cheie

    acomodare .................................................54alame .........................................................18alame bifazice............................................20alame complexe (speciale) ........................20alame de turnare ........................................20alame monofazice , ...............................20alame monofazice ..................................19aliaje Al Cu pentru turnare ....................37aliaje Al - Zn ............................................41aliaje Al Mg pentru turnare .....................40aliaje Al Mg..........................................39aliaje Al Cu, ...........................................34aliaje antifriciune......................................49aliaje Cu Ni..............................................23aliaje cu memoria formei (Marmem) ........56aliaje pentru lipire .....................................52aliajele titanului

    monofazice bifazice.............................46Alpaca (Neusilber, Argentan)....................24aluminiu tehnic..........................................33bronz .........................................................24bronzuri cu aluminiu .................................27bronzuri cu beriliu .....................................31bronzuri cu plumb .....................................32bronzuri cu siliciu.......................................30bronzuri cu staniu......................................24bronzuri hipoeutectoide (bifazice).............26bronzuri monofazice ..............................26clire de punere n solutie............................9compoziii pe baz de Pb (Bahnmetall).....50compoziii pe baz de Sn (Babbit) ............50

    compoziii pe baz de Sn i Pb ..................50constantan..................................................24cupru tehnic ...............................................17curbe de mbtrnire ..................................12duraluminiu ...............................................36elemente alfagene ......................................44elemente betagene .....................................44flux ............................................................52mbtrnire artificial ................................10mbtrnire natural...................................10Kunial ........................................................24lipire

    moale, tare (brazare) .............................51magnaliu (alumag).....................................39martensit termoelastic ............................56Melchior (Maillechort) ..............................24modificare

    tipul I, tipul II, tipul III ...........................6Monel ........................................................24Nitinol........................................................57precipitate ...............................................10rupere prin cavitaie...................................56silumin.......................................................41simbolizare alfanumeric...........................13simbolizare numeric.................................12stri de baz ...............................................15superplasticitate .........................................53titan............................................................43titlu fictiv ...................................................20tombac .......................................................19zone GP (Guinier - Preston .......................10

  • Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

    187

    Bibliografie

    1. Colan H. .a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic,Bucureti, 1983

    2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II.,Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981

    3. Lakhtine I., Mtallographie et traitements thermiques des mtaux,Moscova, Mir, 1978

    4. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, EdituraDidactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983

    5. Schumann H., Metalurgie fizic, Traducere din limba german, EdituraTehnic, Bucureti, 1962

    6. Gdea S., Protopopescu M., Aliaje neferoase, Editura Tehnic, Bucureti,1965

    7. Smithells C., Metals. Reference book, vol. I, Butterworths Publications Ltd.& Interscience Publishers Inc., London & New York, 1955

    8. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers, MacmillanPublishing Company, New York, 1991

    9. * * * Metals Handbook Ninth Edition, vol.9, American Society forMetals, Ohio, 1986

    Teste de autoevaluare

    T.9.1. Care dintre afirmaiile urmtoare privind efectele modificriialiajelor neferoase sunt adevrate: a) modificarea de tipul I are ca efectprincipal micorarea dimensiunilor cristalelor dendritice primare ale aliajelor;b) modificarea de tipul III determin amplasarea intercristalin a eutecticelorcare se formeaz la solidificarea aliajelor; c) modificarea de tipul IIdetermin accentuarea ramificrii i subierea ramurilor cristalelor dendriticeprimare i influeneaz favorabil distribuia fazelor secundare la aliajele nstructura crora precipit particule ale unor astfel de faze; d) modificarea detipul III are ca efect finisarea granulaiei si creterea gradului de dispersie afazelor componente ale eutecticelor care se formeaz la solidificareaaliajelor.

    T.9.2. n ce scop se aplic TT de recoacere de recristalizare frschimbare de faz la semifabricatele i piesele din aliaje neferoase: a) pentruomogenizarea chimic a structurilor dendritrice primare; b) pentru refacerea

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    188

    plasticitii dup ecruisarea prin deformare plastic la rece; c) pentru diminuareaintensitii i redistribuirea tensiunilor mecanice reziduale; d) pentru obinereastrii de echilibru structural?

    T.9.3. Ce structur rezult prin aplicarea clirii de punere n soluie la opies din aliaj neferos: a) o structur martensitic; b) o structur bifazic alctuitdintr-o soluie solid i un compus intermetalic; c) o structur alctuit dintr-osoluie solid i un amestec mecanic; d) o structur monofazic alctuit dincristale de soluie solid suprasaturat n elemente de aliere?

    T.9.4. Procesul de supranclzire de scurt durat a aliajelor neferoasembtrnite pentru reconstituirea strii structurale pe care aliajele au avut-o dupclirea de punere n soluie este denumit: a) reversiune; b) revenire; c) recoacereizoterm; d) normalizare?

    T.9.5. Semifabrcatele realizate dintr-un aliaj pe baz de aluminiu suntprelucrate prin deformare plastic la cald, sunt rcite rapid la ta i sunt apoi supuseunei mbtrniri artificiale; care este simbolul strii de baz a produselor obinuten acest fel: a) F; b) T4; c) T5; d) TE?

    T.9.6. Semifabrcatele realizate dintr-un aliaj pe baz de cupru suntprelucrate prin deformare plastic la cald, sunt rcite rapid la ta, sunt apoiecruisate prin deformare plastic la rece i, n final, sunt supuse unui tratament dembtrnire artificial; care este simbolul strii de baz a produselor obinute inacest fel: a) M; b) TK; c) T8; d) TG?

    T.9.7. Produsele realizate dintr-un aliaj pe baz de aluminiu sunt livrate nstarea T6; cum s-a realizat aceast stare: a) prin clire de punere n soluie,mbtrnire artificial i deformare plastic la rece; b) prin clire de punere nsoluie i deformare palstic la rece; c) prin prelucrare la cald, rcire rapid la ta imbtrnire artificial; d) prin clire de punere n soluie i mbtrnire artificial?

    T.9.8. Produsele realizate dintr-un aliaj pe baz de cupru sunt livrate nstarea TD; cum s-a realizat aceast stare: a) prin clire de punere n soluie,mbtrnire artificial i deformare plastic la rece; b) prin clire de punere nsoluie, deformare plastic la rece i mbtrnire natural; c) prin prelucrare lacald, rcire rapid la ta i mbtrnire artificial; d) prin clire de punere n soluiei mbtrnire artificial?

    T.9.9. Care dintre urmtoarele impuriti prezente n cuprul tehnicdetermin apariia fenomenului numit boala de hidrogen: a) plumbul;b) bismutul; c) oxigenul; d) sulful?

    T.9.10. Care dintre urmtoarele aliaje pe baz de cupru au ca element dealiere principal zincul: a) bronzurile; b) aliaje Kunial; c) aliaje Alpaca; d) alamele?

    T.9.11. Care dintre urmtoarele tipuri de alame se pot prelucra prindeformare plastic: a) alamele monofazice ; b) alamele bifazice; c) alamelemonofazice ; d) tombacurile?

  • Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

    189

    T.9.12. Care dintre urmtoarele elemente de aliere determin micorareaconinutului procentual de faz al structurii alamelor speciale: a) aluminiul;b) staniul; c) nichelul; d) siliciul?

    T.9.13. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund alamei CuZn30:a) este o alam monofazic ; b) este o alam binar deformabil; c) este o alamspecial deformabil; d) este o alam pentru turnare?

    T.9.14. Care dintre urmtoarele tipuri de aliaje Cu i prezint la ta ostructur monofazoc: a) aliajele Kunial; b) aliajele Melchior; c) aliajeleKonstantan; d) aliajele Monel?

    T.9.15. Care este semnificaia fazei , prezent n structura bronzurilor custaniu pentru turnare: a) soluie solid Cu(Sn); b) faz bertholid Cu5Sn;c) compus intermetalic Cu3Sn; d) faz bertholoid Cu31Sn8?

    T.9.16. Care este structura la ta a semifabricatelor i pieselor turnaterealizate din bronzul G CuAl10Mn: a) structur monofazic Cu(Al);b) structur alctuit din fazele CuAl i 2 (faz bertholid corespunztoarecompusului Cu32Al10); c) structur alctuit din constituenii (preeutectoid) ieutectoid (+2); d) structur monofazic 2?

    T.9.17. Care este structura de echilibru la ta a bronzurilor cu beriliufolosite n tehnic: a) structur monofazic Cu(Be); b) structur monofazic (faz bertholid pe baza compusului CuBe; c) structur bifazic, alctuit din i ; d) structur alctuit din constituieni a (preeutectoid) i eutectoidul (+)?

    T.9.18. Care stare de baz asigur produselor realizate din bronzuri cuberiliu cele mai ridicate caracteristici de rezisten mecanic i duritate: a) stareaTA; b) starea TH; c) starea TC; d) starea T6?

    T.9.19. Care dintre urmtoarele categorii de aliaje industriale Al Cu sepot supune durificrii structurale prin clire de punere n soluie i mbtrnirenatural sau artificial: a) aliajele deformabile, avnd %Cum = 2...5 %; b) aliajelede turnare cu %Cum 5,7 %; c) aliajele de turnare cu %Cum < 5,7 %; d) toatecategoriile de aliaje industriale?

    T.9.20. La care dintre urmtoarele mrci de aliaje Al Mg se poate aplicadurificarea structural prin clire de punere n soluie i mbtrnire: a) AlMg1;b) AlMg3; c) AlMg7; d) Al Mg9MnSi?

    T.9.21. Care dintre urmtoarele categorii de produse realizate din aliajeleindustriale Al Mg se livreaz de obicei n starea H: a) produsele din aliajulAlMg1; b) produsele fabricate din aliajul G AlMg5; c) produsele realizate dinaliajul AlMg7; d) produsele realizate din aliajul AlMg2? T.9.22. Care dintre urmtoarele aliaje are densitatea mai sczut:a) CuAl10Fe3; b) AlCu4MgMn; c) AlMg5; d) AlMg7?

    T.9.23. Care dintre urmtoarele aliaje este cunoscut sub denumirea de

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    190

    zincral sau alzimac: a) aliajul G CuZn40PbSn; b) aliajul AlZn6Mg2,5Cu1,5;c) aliajul CuZn39Ni3; d) aliajul G AlMg9MnSiTi?

    T.9.24. Care este structura de echilibru la ta a unui silumin industrial cu%Sim = 12,5 %, nemodificat la elaborare: a) o structur bifazic alctuit dinsoluie solid Al(Si) i soluie solid Si(Al); b) o structur alctuit dinconstituienii (preeutectoid) i eutectoidul (+); c) o structur alctuit dinconstituienii (preeutectic) i eutecticul (+); d) o structur monofazic ?

    T.9.25. Care este structura de echilibru la ta a unui silumin industrial cu%Sim = 12,5%, modificat cu sodiu la elaborare: a) o structur bifazic alctuit dinsoluie solid Al(Si) i soluie solid Si(Al); b) o structur alctuit dinconstituienii (preeutectoid) i eutectoidul (+); c) o structur alctuit dinconstituienii (preeutectic) i eutecticul (+); d) o structur monofazic ?

    T.9.26. Care dintre urmtoarele afirmaii privind titanul sunt adevrate:a) titanul prezint dou modificaii: Ti cu structur cristalin HC i Ti custructur cristalin CVC; b) titanul prezint dou modificaii: Ti cu structurcristalin CVC i Ti cu structur cristalin HC; c) impuritile care reducplasticitatea titanului i l fac inapt pentru prelucrri prin deformare plastic suntoxigenul, hidrogenul, azotul i carbonul; d) deformarea plastic a titanului se facede obicei la rece, n starea Ti?

    T.9.27. Care dintre urmtoarele elemente de aliere ale aliajelor industrialepe baz de titan sunt stabilizante (alfagene): a) aluminiul; b) staniul;c) molibdenul; d) vanadiul?

    T.9.28. Care dintre urmtoarele elemente de aliere este prezent n toatealiajele industriale pe baz de titan: a) fierul; b) cuprul; c) molibdenul;d) aluminiul?

    T.9.29. Ce tratament termochimic se poate aplica pentru durificareasuperficial a produselor realizate din aliaje pe baz de titan: a) carburarea;b) nitrurarea; c) carbonitrurarea; d) silicizarea?

    T.9.30. La care dintre urmtoarele mrci de aliaje pe baz de titan se poaterealiza creterea rezistenei mecanice prin aplicarea TT de clire martensitic irevenire: a) TiAl6V4; b) TiAl5Sn2,5; c) TiAl6SnV6; d) TiV13Cr11Al3?

    T.9.31. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund aliajelorantifriciune folosite la confecionarea cuzineilor pentru lagrele de alunecare:a) structura lor conine faze cu duritate sczut i plasticitate ridicat, care asigurconformarea cuzineilor cu zonele de rezemare ale arborilor pe care i susin;b) structura lor conine faze dure sau semidure, care asigur conformarea cuzineilorcu zonele de rezemare ale arborilor pe care i susin; c) au capacitatea de a disipacldura produs datorit frecrilor din lagrele de alunecare; d) sunt mai dure dectmaterialele folosite la realizarea arborilor care se reazem pe cuzinei?

  • Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

    191

    T.9.32. Care dintre urmtoarele clase de aliaje se folosesc ca materialeantifriciune cu ts ridicat: a) oelurile carbon eutectoide; b) fontele cenuiiferitoperlitice; c) fontele albe; d) bronzurile hipoeutectoide?

    T.9.33. Care dintre urmtoarele clase de aliaje se folosesc ca materialeantifriciune cu ts joas: a) aliajele Sn Sb Cu; b) aliajele Pb Sn Sb Cu;c) bronzurile cu Pb; d) aliajele Bahnmetall?

    T.9.34. Care pot fi fazele dure din structurile aliajelor antifriciune de tipBabbit: a) compusul intermetalic SnSb; b) compusul intermetalic Cu3Sn; c) soluiasolid Sn(Sb,Cu); d) cristalele de Pb?

    T.9.35. Care dintre urmtoarele caracteristici trebuie asigurate de aliajele delipit: a) s prezinte o bun fluiditate n stare topit; b) s fie compatibile cu MB(materialul din care sunt confecionate piesele care trebuie mbinate prin lipire); c) sfie dure i fragile; d) s aib temperatura ts mai mare dect cea corespunztoare MB?

    T.9.36. Care dintre urmtoarele aliaje de lipit se folosesc pentru lipireamoale: a) SnPb10; b) SnAg5; c) CuZn20; d) SnPb37Ag?

    T.9.37. Care dintre urmtoarele aliaje de lipit se folosesc pentru lipireatare (brazare): a) CuZn42; b) CuAg10P5; c) SnAg5; d) SnPb10?

    T.9.38. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund aliajelor neferoasesuperplastice: a) au structur monofazic; b) au structur bifazic; c) au granulaiefoarte fin; d) au granulaie grosolan i sunt sensibile la supranclzire?

    T.9.39. Structura aliajelor superplastice este alctuit din: a) un amestecmecanic eutectic; b) un amestec mecanic eutectoid; c) o matrice structural debaz i o faz secundar (distribuit astfel nct s poat bloca creterea grunilormatricei); d) un compus intermetalic?

    T.9.40. Care dintre urmtoarele caracteristici corespund transformriimartensitice ce se produce la clirea aliajelor marmem: a) transformarea esteireversibil; b) transformarea este reversibil; c) martensita format estetermoelastic; d) martensita format conine un numr mare de dislocaii nstructur?

    T.9.41. Care dintre urmtoarele aliaje prezint fenomenul de deformaresuperplastic: a) aliajul eutectic Al Cu (cu %Cum = 33 %); b) aliajul eutecticPb Cd (cu %Cdm = 18 %); c) aliajul Au Cd cu %Cdat = 47,5 %; d) aliajuleutectoid Zn Al (cu %Alm = 22 %)?

    T.9.42. Care dintre urmtoarele aliaje prezint fenomenul de deformaresuperplastic: a) alama monofazic CuZn20; b) aliajul TiAl6V4; c) aliajul AlCu4;d) aliajul CuSn8?

    T.9.43. Care dintre urmtoarele aliaje fac parte din categoria aliajelor careprezint fenomenul de memorie a formei: a) aliajul bifazic TiAl6V4; b) aliajulNi Ti cu %Tiat = 50 %; c) aliajul eutectic Al Cu (cu %Cum = 33 %); d) aliajulAu Cd cu %Cdat = 47,5 %?

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    192

    Aplicaii

    A.9.1. S se determine valorile de baz ale concentraiilor masice alecomponentelor n fazele bertholide tipice structurilor de echilibru ale bronzurilorcu staniu, tiind c faza are 23=CE , faza are 1321=CE , iar faza are

    47

    =CE .RezolvareSe noteaz %Snm, %Snm i %Snm concentraiile masice ale staniului n

    cele fazele bertholide , i i %Snat, %Snat i %Snat concentraiile atomiceale staniului n aceste faze. Din tabelele 1.1 i 1.2 rezult c staniul are valenavSn = 4 i masa atomic maSn = 118,7, iar cuprul are valena vCu = 1 i masaatomic maCu = 63,55. Folosind relaiile (2.4) i (2.3), se obine pentru faza :

    67,16)1()(

    %14

    23100100

    =

    =

    =

    CuSn

    Cuat vv

    vCESn % i

    2,27%%

    %% 100

    55,6333,837,11867,167,11867,16

    100 ==+

    =+

    aCuataSnat

    aSnatm mCumSn

    mSnSn

    %.

    n mod similar, rezult pentru faza : %Snat = 20,51 % i %Snm = 32,5 %,iar pentru faza : %Snat = 25,00 % i %Snm = 38,4 %.

    A.9.2. S se stabileasc clasele structurale tipice alamelor specialeCuZn32Pb2; CuZn38Pb2Mn2 i CuZn30Al5Fe3Mn2.

    RezolvarePentru ncadrarea n clase structurale a mrcilor de alame speciale

    precizate n enunul aplicaiei se calculeaz titlul fictiv al acestora, folosind relaia(9.1), cu coeficienii de echivalare n zinc a elementelor de aliere precizai nscap. 9.5.1; pe aceast cale se obin datele prezentate n tabelul 9.14 i rezult:

    alama special Cu Zn32Pb2 are titlul fictiv %Cume = 66,0 % i aparineaceleiai clase structurale ca i alama binar cu %Znm = 100 %Cume = 34,0 %,fiind o alam monofazic ;

    alama special Cu Zn38Pb2Mn2 are titlul fictiv %Cume = 58,6 % i aparineaceleiai clase structurale ca i alama binar cu %Znm = 100 %Cume = 41,4 %,fiind o alam bifazic;

    alama special Cu Zn30Al5Fe3Mn2 are titlul fictiv %Cume = 48,5 % i aparineaceleiai clase structurale ca i alama binar cu %Znm = 100 %Cume = 48,5 %, fiind oalam monofazic .

  • Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

    193

    Tabelul 9.14. Compoziiile chimice i titlurile fictive pentru trei mrci de alame speciale

    Marca de alam CuZn32Pb2 CuZn38Pb2Mn2 CuZn30Al5Fe3Mn2%Cum, % 66 58 60%Znm, % 32 38 30

    %Pbm, % (kePb = 1,0) 2 2 -%Mnm, % (keMn = 0,5) 2 2%Alm , % (keAl = 6,0) 5%Fem, % (keFe = 0,9) 2

    %Cume, % 66,0 58,6 48,5

    A.9.3. Bronzul G CuSn10 are dup turnare rezistena la traciuneRm = 390 N/mm2, limita de curgere Rp0,2 = 120 N/mm2 i duritaea 100 HB, iarbronzul G Cu Sn14 are dup turnare Rm = 360 N/mm2, Rp0,2 = 135 N/mm2 iduritatea 120 HB. Aplicnd legea lui Kurnacov, s se estimeze valorilecaracteristicilor mecanice Rm, Rp0,2 i HB ale fazei bertholide .

    RezolvareExaminnd diagrama de echilibru din figura 9.13 c, rezult c, n cazul

    bronzurilor n stare de turnare, domeniul bifazic + al acesteia corespunde unorconcentraii masice de cupru cuprinse ntre %Snm = 8 % (care definete limitadomeniului monofazic ) i %Snm = 32,5 % (care definete, aa cum s-ademonstrat la rezolvarea aplicaiei A.9.1, compoziia de baz a fazei ); caurmare, aliajele G CuSn10 i G Cu Sn14 sunt bronzuri bifazice (hipoeutectoide).

    Conform legii lui Kurnacov (v. scap. 3.11), n domeniile bifazice alediagramelor de echilibru binare caracteristicile mecanice ale aliajelor variazliniar, n funie de compoziia lor chimic, ntre caracteristicile corespunztoarecelor dou faze care le alctuiesc structura; ca urmare, caracteristicile mecaniceRm (N/mm2), Rp0,2 (N/mm2) i HB ale bronzurilor bifazice turnate se pot estimaanalitic, n funcie de concentraia lor masic de staniu %Snm, cu relaii de forma:Rm = m1%Snm + n1; Rp0,2 = m2%Snm + n2; HB = m3%Snm + n3.

    Cunoscnd valorile caracteristicilor mecanice (determinate experimental)ale celor dou bronzuri bifazice (G CuSn10, cu %Snm = 10 % i G CuSn14, cu%Snm = 14 %), se determin valorile coeficienilor mj i nj, j = 1...3, din relaiilescrise mai nainte: m1 = 7,55 i n1 = 465; m2 = 3,75 i n2 = 82,5; m3 = 5 in3 = 50. innd seama c faza bertholid are concentraia masic de staniu%Snm = 32,5 %, se obine: Rm = 7,5532,5 + 465 220 N/mm2,Rp0,2 = 3,7532,5 + 82,5 205 N/mm2, Rm Rp0,2 15 N/mm2 iHB = 532,5 + 50 = 212,5, aceste rezultate indicnd c prezena fazei durific ifragilizeaz structurile bronzurilor cu staniu.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    194

    A.9.4. Caracteristicile mecanice Rm (n N/mm2), A (n %) i HR (n HRB)ale alamei CuZn15 se modific prin deformare plastic la rece, cu diferite gradede deformare GD (5 %; 50 %), n conformitate cu urmtoarele relaii:Rm = 0,06GD2 + 7GD + 270; A = 45 e0,06GD i HR = 0,6GD + 50. Un produs deforma unei bare cilindrice cu diametrul Dp = 8 mm este obinut trgnd la rece,prin orificiul calibrat al unei scule (matrie), un semifabricat cilindric (aflat nstarea O) cu diametrul Ds = 10 mm. Care sunt caracteristicile mecanice aleprodusului astfel obinut?

    RezolvareSemifabricatul aflat n stare recoapt (starea O) are caracteristicile

    mecanice date de relaiile din enunul aplicaiei, pentru GD = 0: Rm = 270 N/mm2;A = 45 % i duritatea HR 50 HRB. Gradul de deformare plastic al materialuluiprodusului obinut prin tragere la rece se determin aplicnd relaia (3.9), n care

    4

    2

    0sDS = este aria seciunii transversale a semifabricatului, iar

    4

    2p

    D

    DS =

    aria seciunii transversale a produsului; rezult astfel

    =

    =

    =

    = 100100100 2

    22

    20

    20

    2

    0

    0

    10

    108

    D

    DDS

    SSGD pD 36 %. Pentru GD = 36 %

    (gradul de deformare plastic la rece al materialului produsului), relaiile din enunulaplicaiei conduc la urmtoarele valori ale caracteristicilor mecanice: Rm 444 N/mm2;A 5 % i HR 72 HRB, care evideniaz efectele ecruisrii prin deformare plastic larece asupra caracteristicilor mecanice ale alamei din care este realizat produsul.

    A.9.5. Caracteristicile mecanice la traciune Rm (n N/mm2) i A (n %) alealiajelor Cu Ni n stare de echilibru se afl n urmtoarele dependene (stabilitepe baza datelor experimentale) cu concentraia lor masic de nichel %Nim:Rm = 0,07 2% mNi +8,9%Nim + 210 i A = 0,024

    2% mNi 0,308%Nim + 45; s sedetermine compoziia chimic a aliajelor Cu Ni care ndeplinesc simultancondiiile: Rm 320 N/mm2 i A 40 %.

    RezolvareCondiia Rm 320 N/mm2 este respectat de aliajele Cu Ni a cror

    concentraie masic de nichel satisface inegalitatea 0,07 2% mNi +8,9%Nim 110 0;soluia acestei inegaliti este %Nim [13,9 %; 100 %).

    Condiia A 40 % este respectat de aliajele Cu Ni a cror concentraiemasic de nichel satisface inegalitatea 0,0024 2% mNi 0,308%Nim + 5 0; soluiaacestei inegaliti este %Nim (0 %; 19,0 %].

    Cele dou condiii precizate n enunul aplicaiei sunt respectate simultan dealiajele cu %Nim [13,9 %; 100 %) (0 %; 19,0 %] %Nim [13,9 %; 19,0 %].

  • Capitolul 9 Structura i proprietile aliajelor neferoase

    195

    A.9.6. S se determine care dintre urmtoarele aliaje are densitatea ceamai mic: duraluminiul AlCu4MgMn (cu %Cum = 4,5 %, %Mgm = 0,9 % i%Mnm = 0,5 %), aliajul AlMg9MnSi (cu %Mgm = 9,5 %, %Mnm = 0,8 % i %Sim= 0,8 %), alzimacul AlZn6Mg2,5Cu1,5 (cu cu %Znm = 6,0 %, %Mgm = 2,7 % i%Cum = 1,7 %), siluminul G AlSi9Mg (cu %Sim = 9,5 % i %Mgm = 0,5 %).

    RezolvareDin tabelul 1.2 se extrag urmtoarele valori ale densitilor componentelor

    aliajelor pe baz de aluminiu precizate n enunul aplicaiei: Al = 2700 kg/m3;Mg = 1740 kg/m3; Mn = 7470 kg/m3; Zn = 7130 kg/m3;Si = 2330 kg/m3 iCu= 8930 kg/m3.

    Prin particularizarea relaiei generale stabilite la rezolvarea aplicaieiA.2.4, se obine urmtoarea relaie pentru determinarea densitii aliajelor pe baz

    de aluminiu:

    +

    =

    =

    =n

    j Al

    n

    jmj

    EA

    mjEAEA

    j1

    1100

    100

    %

    ; aplicnd aceast relaie pentru aliajele

    cu compoziia chimic precizat n enunul aplicaiei se obin rezultateleprezentate n tabelul 9. 15.

    Tabelul 9.15. Densitile aliajelor de aluminiu din aplicaia A.9.6

    Aliajul AlCu4MgMn AlMg9MnSi AlZn6Mg2,5Cu1,5 G AlSi9Mg%Mgm 0,9 9,5 2,4 0,5%Mnm 0,6 0,8 - -%Znm - - 6,0 -%Sim - 0,7 - 9,5

    Concentraiilemasice ale

    elementelorde aliere

    %EAmj, %%Cum 4,5 - 1,6 -

    Concentraia masic aaluminiului %Alm, %

    94,0 89,0 90.0 90.0

    Densitatea aliajului ,kg/m3 2784 2575 2799 2653

    A.9.7. La elaborarea aliajelor pe baz de cupru n cuptoare cu induciepierderile procentuale masice prin oxidare ale componentelor ncrcturii sunt:pCu = 1 %; pSn = 1 %; pZn = 2 %; i pPb = 0,75 %. S se stabileasc compoziiamasic a ncrcturii cuptorului pentru realizarea unei arje, cu masa m = 100 kg,din aliajul CuSn6Zn4Pb4, dac materiile prime disponibile pentru formareancrcturii sunt metalele pure componente ale aliajului.

    Rezolvareinnd seama de semnificaia simbolului mrcii aliajului care se

    elaboreaz, rezult c concentraiile componentelor acestuia sunt: %Pbm = 4 %;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    196

    %Znm = 4 %; %Snm = 6 % i %Cum = 100 [%Pbm + %Znm + %Snm] = 86 %;notnd mPb, mZn, mSn i mCu, masele materiilor prime care trebuie introduse nncrctura cuptorului pentru elaborarea aliajului i innd seama de condiiile dinenunul aplicaiei, rezult:

    )1(%

    100100Pb

    Pbm pm

    Pbm = 030,4

    %75,0100

    4100

    100==

    =

    Pb

    mPb p

    Pbmm kg i, n

    mod similar, mZn = 4,082 kg, mSn = 4,030 kg i mCu = 86,869 kg.Masa total a ncrcturii este mi = mPb + mZn + mSn + mCu 101,04 kg.A.9.8. La elaborarea aliajelor pe baz de cupru n cuptoare cu inducie

    pierderile procentuale masice prin oxidare ale componentelor ncrcturii sunt:pCu = 1 %; pSn = 1 %; pZn = 2 %; i pPb = 0,75 %. S se stabileasc compoziiamasic a ncrcturii cuptorului pentru realizarea unei arje, cu masa m = 100 kg,din aliajul CuSn6Zn4Pb4, dac materiile prime disponibile pentru formareancrcturii sunt deeuri de alam binar CuZn10, bronzuri G CuSn10Zn2 iG CuPb20Sn5 i plumb marca Pb 99,995.

    Rezolvareinnd seama de semnificaiile simbolurilor aliajului care trebuie elaborat

    i aliajelor folosite ca materii prime i notnd %Pbm, % Znm, %Snm i %Cumconcentraiile componentelor n aliajul care se elaboreaz i %Pbmj, %Znmj, %Snmji %Cumj, j = 1...4, concentraiile masice ale componentelor n mateiile primeMP1 CuZn10, MP2 G CuSn10Zn2, MP3 G CuPb20Sn5 i MP4 Pb 99,995i mj, j = 1...4, masele care se introduc n ncrctur din cele patru materii prime

    disponibile, rezult relaiile: =

    =

    4

    1%

    1

    %

    100j

    jmjPb

    m mPbmp

    Pb ; =

    =

    4

    1%

    1

    %

    100j

    jmjZn

    m mZnmp

    Zn ;

    =

    =

    4

    1%

    1

    %

    100j

    jmjSn

    m mSnmp

    Sn ; =

    =

    4

    1%

    1

    %

    100j

    jmjCu

    m mCump

    Cu . Introducnd n aceste relaii

    datele din enunul aplicaiei, se obine urmtorul sistem de ecuaii (cu

    necunoscutele mj, j = 1...4):

    8687606408403

    07588900510000210

    1002000

    4

    3

    2

    1

    =

    mmmm

    , avnd soluiile

    m1 = 19,325 kg; m2 = 30,613 kg; m3 = 50,938 kg i m4 = 0,165 kg.Masa total a ncrcturii este mi = m1 + m2 + m3 + m4 101,04 kg.

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    197

    Capitolul 10

    STRUCTURILE I PROPRIETILEMATERIALELOR CERAMICE I STICLELOR

    10.1. Introducere

    Materialele ceramice sunt materiale anorganice nemetalice, cu legturi istructur complexe, obinute din materii prime sub form de pulberi prinsinterizare, care este un proces de nclzire cu sau fr presare simultan, ntimpul cruia se formeaz legturile dintre particule prin difuzie sau topire pariala unui component. Cele mai multe ceramice sunt compui ntre metale inemetale, astfel c se bazez n special pe legturi ionice i covalente. Legturileionice i covalente implic toi electronii de valen ai componentelor, astfel cnu exist electroni liberi, ceea ce face ca materialele ceramice s aibconductibilitate termic i conductibilitate electric foarte sczute fiind materialeelectroizolante sau termoizolante n marea majoritate a cazurilor. Reprezint ocategorie de materiale care au fost utilizate din cele mai vechi timpuri sub formde vase din lut (nsi termenul de ceramic provine de la grecescul keramoncare nsemna lut ars) i de materiale de construcie datorit capacitii deprelucrare n cele mai diverse forme i abundenei materiilor prime. n prezenttermenul de ceramic include o gam de materiale mult mai larg, utilizate n celemai diverse domenii cum ar fi electrotehnica, electronica, industria chimic,industria metalurgic etc.

    Sticlele sunt materiale anorganice cu structur amorf (corpuri vitroase)obinute prin solidificarea unor topituri constituite din amestecuri de oxizi n staretopit, dintre care cel puin unul are rolul de vitrifiant, adic formeaz unitistructurale prin coordinarea atomilor de oxigen n jurul ionului metalic prin legturiionice sau covalente; starea amorf (vitroas) este caracterizat de lipsa ordonriiatomice la distan, pstrndu-se doar ordinea apropiat, referitoare la cteva

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    198

    distane interatomice corespunztoare unitilor structurale, ceea ce face ca sticleles fie considerate ca lichide vscoase subrcite.

    n acest capitol se vor prezenta caracteristicile structurale ale principalelortipuri de materiale ceramice i sticle i proprietile generale ale acestora.

    10.2. Structura ceramicelor i sticlelor

    Elementele componente ale materialelor ceramice sunt legate ntre ele prinlegturi ionice i covalente formnd reele de ioni metalici i nemetalici (cationi ianioni) a cror celul elementar este constituit dintr-un cation, nconjurat deanioni crora anionul le-a cedat electronii de valen; deoarece metalele prinionizare pierd electronii de valen, cationii au de obicei raze mai mici dectanionii (v. tabelul 10.1 n care se prezint razele ionice ale componentelor uzualedin ceramice) astfel c structurile stabile ale fazelor cristaline din ceramice seformeaz atunci cnd fiecare cation metalic este nconjurat de anioni nemetalici cucare se afl n contact direct, ceea ce nseamn c numrul anionilor din unitateastructural reprezint chiar numrul de coordinaie al structurii cristalinerespective (v scap. 1.2); numrul de coordinaie i implicit geometria unitiistructurale depinde de valoarea raportului dintre raza cationului Cr i razaanionului Ar , aa cum se constat din tabelul 10.1 n care se prezint limitele

    raportului A

    C

    rr

    i geometria posibil pentru fiecare numr de coordinaie.

    Deoarece anionii au raza mai mare se pot aranja n plane compacte dispusesuccesiv, genernd structuri cristaline de tip CFC sau HC ca i n cazul metalelor(v.scap 1.2). ntradevr, considernd un plan de anioni care au centrele n punctelenotate cu A n figura 10.1 i planul urmtor de anioni cu centrele n punctelenotate cu B, anionii celui de-al treilea plan compact pot avea centrele pe aceeaivertical cu punctele A, sau pot avea centrele n punctele marcate cu C; rezultastfel fie o succesiune de plane ABABAB care corespunde unei structuri de tiphexagonal compact (HC) a anionilor, fie o succesiune ABCABC, carecorespunde unei structuri de tip cub cu fee centrate (CFC) a anionilor.

    n funcie de poziia anionilor din dou plane compacte succesive se formazdou tipuri de interstiii: interstiii tetraedrale (cte trei ntr-un plan compact iunul n planul nvecinat) aezai astfel nct unind centrele lor de mas seformeaz un tetraedru regulat i interstiii octaedrale mrginite de ase anioni(cte trei n fiecare plan compact aezai astfel nct unind centrele lor de mas seformeaz un octaedru regulat (v. figura 10.1); ntruct cationii metalici se plaseazn aceste interstiii, nseamn c numrul de coordinaie poate fi 4 sau 6, aa cum

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    199

    rezult i din tabelul 10.1.Rezult c structurile fazelor cristaline ale ceramicelor depind att de tipul

    reelei compacte pe car o formeaz anionii, ct i de modul n care sunt ocupateinterstiiile cu cationi metalici.

    Tabel 10.1. Razele ionice ale unor componente ale ceramicelor i geometria coordinrilor

    Raze ionice Tip de coordinareRaze cationi Cr Raze anioni ArCation Cr , nm Anion Ar , nm A

    C

    rr Nr. de

    coordinaie Geometria coordinrii

    Al3+ 0,057

    Ba2+ 0,136Br 0,196

    B3+ 0,020

    0,155

    A

    C

    rr

    92%) 29003100 2200 1500 4575Crom magnezit (2550% MgO,1228% Cr2O3, 1525% Al2O3)

    29003100 2000 1500 3555

    Cromit (% Cr2O3 > 85%) 32003400 1950 1450 6585

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    214

    10.4.4. Materialele ceramice neoxidice

    Materialele ceramice neoxidice sunt compui de tipul carburi, nitruri,boruri sau siliciuri ale cror uniti structurale au la baz de obicei legturicovalente care le confer temperaturi nalte de topire sau de descompunere modulde elasticitate i duritate ridicate. Aceste caracteristici le-a impus ca materialedestinate unor categorii largi de aplicaii pentru obinerea de piese prin sinterizaresau sub form de fibre pentru obinerea materialelor compozite (v. cap 12).

    Cteva ceramice neoxidice i proprietile lor mai importante suntprezentate n tabelul 10.6.

    Carbura de siliciu cristalizeaz ntr-un numr mare de forme alotropicecu densiti aproape egale i structuri de tip hexagonal, romboedric sau cubic,bazate preponderent pe legtura covalent. Aceste structuri i confer duritateamare stabilitate termic, conductibilitate electric i rezisten la oxidare (latemperaturi de peste 1500 oC se acoper cu un strat de SiO2). n practic seutilizeaz de obicei produse sinterizate mpreun cu un liant care este tot unmaterial ceramic refractar. Cele mai comune utilizri sunt ca materialeabrazive i ca materiale pentru rezistene de nclzire electric a cuptoarelor(cunoscute sub denumirea comercial de bare de silit).

    Nitrura de siliciu cristalizeaz n sitemul hexagonal, iar ponderealegturilor covalente este de cca 70 %; se caracterizeaz prin rezisten mecanicridicat i comportare bun la fluaj, meninndu-i practic nemodificatecaracteristicile pn la 1400 oC; este un material din categoria ceramicelor tehnicede performan din care se pot obine piese complicate, cu stabilitate dimensionalbun la variaii de temperatur.

    Prin procedee tehnologice moderne s-a reuit nlocuirea unor atomi desiliciu i de azot cu atomi de aluminiu i oxigen, obinndu-se o clas nou demateriale ceramice denumite sialon (de la SiAlON) ale cror unitistructurale sunt tetraedrii (SixAl1x)(OyN1y)4; prin variaia legturiloratomice i ionice se obin structuri noi i deci proprieti noi, printre care ceamai important o reprezint stabilitatea pn la 1800 oC, ceea ce a fcut casialonurile s fie utilizate pe scar din ce nce mai mare la fabricarea unorpiese puternic solicitate.

    Nitrura de bor poate cristaliza n sistemul cubic i n sistemul hexagonal;cristalizat n sistemul cubic (nitrura cubic de bor sau CBN) are duritateaapropiat de a diamntului, fiind materialul sintetic cu cea mai mare duritate;cristalizat n sistemul hexagonal (ca i grafitul) este utlizat pentru fabricareaunor piese prin sinterizare i pentru electrozi de sudur.

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    215

    Tabelul 10.6. Caracteristicile unor materiale ceramice neoxidice

    Denumirea i formulachimic a materialului

    Densitatea, kg/m3

    DuritateaKnoop*

    Modululde

    elasticitate,kN/mm2

    Rezistenala

    compresiune, N/mm2

    Temperaturade topiresau de

    descomp.,oC

    Carbura de siliciu (SiC) 27003200

    3000 380420 9001100 2400

    Nitrura de siliciu (Si3N4) 19003200160320 250700 1898

    Carbura de bor (B4C) 2510 3500 440460 270029002425

    Nitrura cubic de bor(BN)

    3480 5000 840870 65007000

    1540

    Carbura de wolfram (WC) 15500 2700 580620 4500...5000

    2780

    Carbura de titan (TiC) 48004940

    3100 330350 25002800

    3100

    * Metoda Knoop de determinare a duritii se bazeaz pe aceleai principii ca i microduritateaVickers, cu deosebirea c baza piramidei de diamant (care constituie penetratorul ) este un romb.

    Carbura de bor are duritatea imediat mai mic dect CBN fiind utilizatla realizarea sculelor achietoare sau n construcii aerospaiale datorit modululuide elasticitate ridicat i densitii reduse (v. tabelul 10.6).

    Carburile de W, Ti, Ta se utilizeaz ca materiale dure pentru scule subform de plcue sinterizate cu un liant metalic (de obicei Co).

    10.5. Sticlele

    Aa cum s-a artat n scap 10.2, baza structurii sticlelor silicatice oconstituie reeaua spaial de uniti [SiO]4 legate n poziii aleatoare(v. fig. 10.2 b). Utilizarea sticlei de silice cu aceast structur este limitat laaplicaii speciale unde se cere refractaritate ridicat. Pentru majoritatea aplicaiilorns este necesar ca temperatura de curgere Tc (v. fig. 10.9) s fie mai reduspentru prelucrarea sticlei n condiii economice corespunztoare.

    Acest lucru se realizeaz prin adugarea altor componente, care modificstructura prin apariia unor ioni metalici ce se pot plasa ntre tetraedrii [SiO]4, aacum se observ n figura 10.16 a, sau pot lega tetraedrii ntre ei, aa cum seobserv din figura 10.16 b.

    n acest context, componentele sticlelor se pot grupa dup cum urmeaz:a) Formatorii de reea (vitrifiani) sunt oxizi ai elementelor cu cationi de

    raz mic i sarcin relativ mare (Si4+, B3+, P5+, etc.); cationii respectivi senconjoar (coordineaz) cu 34 ioni de oxigen formnd tetraedri sau piramide

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    216

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

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

    b) Modificatorii de reea sunt componentele cu rol de fondani (deexemplu: oxidul de sodiu Na2O, oxidul de potasiu K2O i oxidul de litiu Li2O) saude stabilizatori (de exemplu: oxidul de calciu CaO, oxidul de magneziu MgO,oxidul de bariu BaO i oxidul de zinc ZnO). Temperatura de topire a silicei sereduce n prezena fondanilor prin distrugerea continuitii reelei datorit ruperiilanurilor SiOSi de ctre ionii metalelor alcaline (v. fig. 10.16 a); pentruexemplificarea influenei fondanilor, n figura 10.17 se prezint diagrama deechilibru a sistemului SiO2Na2O, pe care se observ existena unei transformride tip eutectic la temperatura de 800 oC i formarea compusului Na2O2SiO2 cutemperatur de topire mai mic dect a silicei. Sticlele formate numai din silice ioxizi alcalini au rezisten sczut la aciunea substanelor chimice, rezistenmecanic i rezisten la oc termic reduse. Imbuntirea caracteristicilor serealizeaz prin aciunea stabilizatorilor care sunt oxizi ai metalelor bivalentealcalino-pmntoase (Ca, Ba, Mg) ai cror ioni contribuie la realizarea legturilorntre unitile structurale (v. fig.10.16b).

    c) Intermediarii sunt componente care contribuie att la formarea reeleict i la modificarea unor caracteristici; n aceast categorie intr Al2O3, PbO iZrO2, oxizi care acioneaz prin nlocuirea n reea a ionului Si4+ cu ioniimetalelor respective.

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    217

    Exist o varietate foarte mare detipuri de sticle, care se pot grupa nfuncie de tipul oxizilor care imprimsticlei anumite proprieti; compoziiilechimice ale ctorva tipuri de sticleutilizate mai frecvent, sunt prezentate ntabelul 10.7.

    Sticlele calco-sodice sunt celemai uzuale, fiind utilizate pentrufabricarea geamurilor (sticla plan),ambalajelor, obiectelor de menaj ianumitor aparate de laborator.Rspndirea lor extrem de mare sedatoreaz costului redus al materiilor

    prime. Limitele concentraiilor pentru oxizii de baz (SiO2, Na2O i CaO) rezultpe de o parte din condiia reducerii temperaturii de topire ceea ce ar nsemnacantiti mai mari de Na2O, iar pe de alt parte asigurarea unei rezistene chimicemai bune, ceea ce ar nsemna concentraii de CaO mai mari, dar acesta areinfluen negativ asupra solidificrii (favorizeaz cristalizarea). Sticlele calco-sodice conin 7075 % SiO2, 13...19 % Na2O i 8...11 % CaO; pentrureducerea tendinei de cristalizare se introduce 34 % MgO.

    Sticlele boro-silicatice se caracterizeaz prin coeficieni de dilatare mici,fiind utilizate ca sticle speciale pentru aparatura de laborator care lucreaz latemperaturi ridicate. Utilizarea oxidului B2O3 alturi de SiO2 ca formator de reeaare ca efect reducerea temperaturii de topire, fr s afecteze stabilitatea chimic ifr s modifice proprietile de solidificare ale silicei.

    Sticlele alumino-silicatice au temperaturile punctelor fixe de vscozitateridicate (v. fig. 10.9) putnd fi utilizate i la temperaturi nalte. Coninutul redusde oxizi alcalini le confer o rezistivitate electric foarte mare i rezistenchimic bun. Sunt utilizate la fabricarea materialelor electroizolante.

    Sticlele cu plumb au rezisten chimic sczut, dar proprieti optice ielectrice deosebite. Denumirea comun de cristal de plumb se folsete pentrusticlele care conin peste 20 % PbO.

    Principalele particulariti ale comportrii sticlelor la solicitri mecanice aufost prezentate anterior, n scap.10.2, remarcndu-se influena deosebit deputernic a concentratorilor de tensiuni, ceea ce conduce i la o dispersie mare acaracteristicilor mecanice (v. tabelul 10.2), precum i influena prezenei apeiasupra rezistenei la solicitri de durat (v. fig. 10. 8).

    Cea mai important utilizare a sticlelor ca materiale structurale o constituiefr ndoial fibrele, att cele discontinui (vata de sticl), ct i cele continui

    Fig. 10.17. Diagrama de echilibru asistemului SiO2 Na2O

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    218

    folosite n principal la obinerea materialelor compozite (v. cap.12). Analizndcompoziiile chimice ale sticlelor utilizate pentru fibre (v. tabelul 10.7), seconstat c sunt sticle alumino-silicatice i boro-silicatice; prezena Al2O3 caintermediar, (formator i modificator de reea) conduce la creterea stabilitiichimice, care capt importan mai mare n cazul fibrelor datorit seciuniireduse i suprafeei mare de expunere la mediu. n cazul fibrelor tip E utilizate nelectrotehnic se remarc limitarea drastic a coninutului de oxizi alcalini,deoarece prezena acestora conduce la micorarea rezistivitii electrice (ionii Na+,K+ sunt purttori de sarcin electric).

    Tabelul 10.7. Compoziiile chimice ale unor sticle uzualeConcentratia masic n % pentru:

    Formatori dereea

    Modificatori i stabilizatoride reea IntermediariTipul sticlei

    SiO2 B2O3 Na2O K2O CaO MgO Al2O3 Alii *

    Sticle calco-sodice (sticl plan) 72 - 14 1 8 4 1 -Sticla boro-silicatic (Pyrex) 80,5 12,9 4 0,4 - - 2,2 -Sticla alumino-silicatic 54 7,5 0,5 - 22 0,5 14,5 -Sticla cu plumb (cristal) 35 - - 7 - - - 58% PbOSticla Vycor 96 3 < 0,2 < 0,2 - - - -

    Sticle pentru fibre:- tipa A calco-sodic normal 70 1,5 16 - 8 3 1,5 -- tip AR rezistente la alcalii 62 - 14 - 4 16 2 58% ZrO2- tip C rezistente la coroziune 65 5 8,5 - 14 3 4 0,5 Fe2O3- tip E rezistivitate elctric mare 54 8

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    219

    10.6. Materialele vitroceramice

    Materialele vitroceramice sunt materiale policristaline de tipul alumino-silicailor obinute printr-o tehnologie asemntoare cu cea a sticlei, dar suntsupuse unui proces de cristalizare controlat.

    Baza topiturii o constituie o sticl simpl, de obicei pe baz de alumino-silicat de litiu n care se adaug germeni de cristalizare ce pot fi: oxizi cutemperaturi nalte de topire (TiO2, ZrO2, P2O5, Cr2O3), fluoruri sau chiar metale(Ag, Au, Pt, Cu); la rcirea topiturii germinarea se produce rapid n toat masa,cantitatea de structur cristalin depinznd de condiiile n care se face rcirea; nmaterialele vitroceramice uzuale cristalele pot reprezenta 5095 % din volumultotal, restul fiind mas vitroas ce leag ntre ele aceste cristale. Compoziiatopiturii i tipul germenilor de cristalizare se aleg astfel nct proprietilecristalelor i ale sticlei intercristaline s fie corespunztoare scopului urmrit.Calitatea vitroceramului depinde esenial de uniformitatea germinrii n toatmasa topiturii i de posibilitatea de a controla numrul germenilor de cristalizare.

    Materialele vitroceramice au rezisten mecanic ridicat, coeficient dedilatare foarte mic (deci rezisten la oc termic), proprieti optice i electricedeosebite, fiind utilizate n cele mai diverse domenii, de la scuturile termicepentru vehicule spaiale, placajele rezistente la coroziune n industria chimic,pn la vasele de buctrie termorezistente.

    10.7. Cimentul

    Este un material pulverulent constituit din silicai i aluminai de calciucare sunt compui anhidri, instabili n prezena apei; amestecai cu apa eiformeaz compui hidratai, stabili i cristalizai. Reacia de hidratare esteexoterm i n urma desfurrii complete se obine o mas rezistent cu rol deliant pentru particulele altor materiale nglobate (nisip i pietri).

    Principalele componente ale cimentului i concentraiile masice ale acestorasunt:

    silicatul dicalcic 2CaOSiO2 (simbol C2S) se afl n proporie de030 %, are ntrire lent cu degajare redus de cldur;

    silicatul tricalcic 3CaOSiO2 (simbol C3S) se afl n proporie de40...80 %, are ntrire rapid cu degajare mare de cldur;

    aluminatul tricalcic 3CaOAl2O3 (simbol C3A) se afl n proporie de7...15 % i are ntrire rapid la nceput;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    220

    aluminatul feric tetracalcic 4CaOAl2O3Fe2O3 (simbol C3AF)se afln proporie de 4...15 % i are ntrire lent;

    Cel mai utilizat tip de ciment este cimentul Portland (dup numeleinsulei britanice unde s-a fabricat pentru prima dat) care se obine prin calcinareacalcarului cu argil i mcinarea produsului sinterizat, rezultnd o maspulverulent (dimensiuni de particule 0,550 m). Compoziiile nominale alecimenturilor portland i rezistena la compresiune dup ntrire sunt prezentate ntabelul 10.8 .

    Exist i alte varieti de cimenturi care pe lng componentei cimentuluiportland conin i alte substane cum ar fi: zgur de furnal, cenu determocentrale, gips, diatomite etc. Aceste substane modific proprietilecimentului prin formarea unor hidrosilicai sau hidroaluminai mult mai stabili.

    Tabelul 10.8. Compoziiile i proprietile cimenturilor portland

    Concentraiile masice, %Rezistena lacompresiune ,

    N/mm2Tipul cimentului

    C2S C3S C3AC3A

    Fdup 3

    ziledup 28

    zileTip 10 normal (standard) 25 49 11 8 12,5 26,5Tip20 cu ntrire lent i cldurredus 31 44 5 13 10 26,5

    Tip 30 cu ntrire rapid 14 58 11 8 22 22Tip 40 cu degajare mic de cldur 46 28 5 13 8,5 25,5Tip 50 rezistent la sulfai 38 41 4 10 10,5 26,5

    Aa cum a fost artat mai sus, cimentul se folosete mpreun cu nisip ipietri (care se afl n proporia cea mai mare), formnd astfel amestecul(agregatul compozit, v. cap. 12) numit beton .

    Pentru obinerea rezistenei mecanice corespunztoare trebuie s se asigureun raport optim ap/ciment. Dac se introduce ap mai puin, amestecul nu arepalsticitate suficient, nu umple bine forma i va conine aer, ceea ce conduce la ostructur poroas a betonului, cu rezisten mecanic redus. Dac se introduceap n exces, aceasta rmne n masa betonului i dup evaporare va rezulta, deasemenea, o structur poroas.

    Cuvinte cheie

    alumina, 210aluminat feric tetracalcic (C3AF), 219aluminat tricalcic (C3A), 219alumino-silicai, 201

    argile, 207carbur de bor, 215carbura de siliciu, 214ceramice, 197

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    221

    ceramice neoxidice, 214ceramice oxidice, 210ceramice silicatice, 207ciment, 219corindon, 208cristobalit, 208cromit, 213devitrifiere, 201duritate Knoop, 215emailuri, 218faian, 207feldspat, 207ferite, 211fisurare sub tensiune, 204fondant, 216glazur, 209gresie ceramic, 207ncovoiere static, 202intermediari, 216magnezit, 210materiale vitroceramice, 219modificatori de reea, 216mulit, 208nitrura de bor, 214nitrura de siliciu, 214oxidul de zirconiu, 210porelan, 207punct fix de vscozitate, 205refractare corindonice, 212

    refractare silica, 212refractare silimanitice, 212rezistena la nmuiere sub sarcin, 211rezistena piroscopic (refractaritate), 211amot, 212sialon, 214silicat dicalcic (C2S), 219silicat tricalcic (C3S), 219silice, 200oc termic., 203spinel, 210stabilizator, 216starea amorf (vitroas), 197sticl securit, 206sticle, 197sticle alumino-silicatice, 217sticle boro-silcatice, 217sticle calco-sodice, 217sticle cu plumb, 217sticle pentru fibre, 218temperatur de curgere, 205temperatur de nmuiere, 205temperatur de prelucrare, 205temperatur de recoacere, 205temperatur de vitrifiere, 200teracot,, 207titanai, 211vscozitate, 204vitrifiant, 197, 215

    Bibliografie

    1. Constantinescu D, Vasilescu D.S. i Ciocea N. Stiina materialelor,Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983

    2. Ifrim A. Noingher P. Materiale electrotehnice, Editura Didactic iPedagogic, Bucuresti, 1992

    3. Nica Al., Ceramica tehnic, Editura Tehnic, Bucureti, 19884. Nlle G. Tehnologia sticlei, Editura Tehnic, Bucureti, 19815. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic i

    Pedagogic, Bucuresti, 19956. Shackelford J., Introduction to Materials Science for Engineers,

    Macmillan Publishing Company, New York, 19887. Smith Ch. O. The Science of Engineering Materials, Printice Hall, Inc.

    New Jersey, 1986

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    222

    8. Tenulescu D.L., Fibre de sticl, Editura Tehnic, Bucureti, 19949. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, Sixt

    Edition, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 198910. Zet Gh. Ursu D. Fizica strii solide aplicaii n inginerie Editura

    Tehnic, Bucuresti 198611. * * * Htte, Manualul inginerului. Fundamente, Editura Tehnic,

    Bucureti, 1995

    Teste de autoevaluare

    T10.1. Care tipuri de legturi se ntlnesc n cazul materialelor ceramice:a) legturi metalice; b) legturi ionice i legturi covalente; c) legturi metalice ilegturi covalente; d) legturi ionice i legturi moleculare?

    T.10.2. Care dintre mrimile urmtoare reprezint numrul de coordinaieal unitii structurale a materialelor ceramice: a) numrul de cationi din interstiiiletetraedrale; b) numrul de anioni ai unitii respective; c) numrul de cationi dinunitatea de volum; d) numrul electronilor de valen ai componenilor?

    T.10.3. Care dintre afirmaiile urmtoare depre structura materialelorceramice sunt adevrate: a) este o structur complex ce conine faze cristaline ifaze amorfe; b) structura este complet cristalin; c) structura este complet amorf;d) structura este complex, format din faze metalice i faze nemetalice?

    T.10.4. Ce se poate spune despre corpurile vitroase (amorfe): a) structuraeste constituit din lanuri spaiale n care poziia relativ a unitilor structuraleeste aleatoare ca n starea lichid; b) se topesc i se solidific la temperaturconstant; c) distanele dintre particulele constitutive i intensitatea legturilor nusunt uniforme; d) structura corespunde unei stri stabile cu energia liber minim?

    T.10.5. Ce reprezint devitrifierea sticlelor: a) trecerea n stare fluidprin reducerea treptat a vscozitii; b) modificarea numrului de coordinaieal unitii structurale; c) pierderea componenilor cu rol de vitrifiani dinstructur; d) trecerea spre starea de echilibru stabil prin creterea gradului deordine din structur?

    T.10.6. Care dintre mrimile enumerate se utilizeaz pentru caracterizarearezistenei mecanice a materialelor ceramice i a sticlelor: a) rezistena lancovoiere static; b) caracteristica de ncovoiere prin oc; c) rezistena lacompresiune; d) alungirea procentual dup rupere?

    T.10.7. Care dintre afirmaiile urmtoare despre ocul termic suntadevrate: a) este fenomenul de reducere brusc a vscozitii la reducereatemperaturii sub o anumit valoare; b) este fenomenul de cretere necontrolat adimensiunilor la o variaie brusc a temperaturii; c) este fenomenul de fisurare sau

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    223

    rupere la o variaie brusc a temperaturii; d) se produce ca urmare a apariiei uneineuniformiti pronunate a temperaturii pe seciunea piesei?

    T.10.8. Cui se datoreaz sensibilitatea materialelor ceramice i a sticlelorla oc termic: a) coeficientului de dilatare liniar mai redus al acestor materiale;b) structurii amorfe; c) conductivitii termice reduse; d) prezenei fazelor cristaline?

    T.10.9. Ce este rezistena la oc termic: a) tensiunea mecanic la care sedeformeaz un corp supus unei diferene mari de temperatur; b) temperaturamaxim la care apare deformarea plastic a unui corp supus unei solicitriconstante; c) diferena de temperatur T dintre temperatura suprafeei corpuluii temperatura mediului pe care o poate suporta un corp rcit sau nclzit nanumite condiii fr s se fisureze; d) diferena de temperatur T dintretemperatura suprafeei corpului i temperatura mediului pe care o poatesuporta un corp rcit sau nclzit n anumite condiii fr s se deformeze?

    T.10.10. Ce reprezint temperatura de vitrifiere Tv a sticlelor:a) temperatura sub care corpul se comport ca un solid cristalin; b) temperaturasub care vscozitatea este mai mare de 104 Pas; c) temperatura sub carevscozitatea este mai mare de 1018 Pas; d) temperatura de modificare atransparenei sticlei?

    T.10.11. Ce reprezint temperatura de curgere Tc a sticlelor:a) temperaturadeasupra creia vscozitatea este mai mic de 104 Pas; b) temperatura la care apardeformaii plastice mai mari dect o anumit valoare; c) temperatura la care sedetermin limita de curgere prin ncercarea la traciune; d) temperatura deprelucrare a sticlei?

    T.10.12. Rezistena la deformare (nmuiere) sub sarcin este apreciat nmod uzual prin: a) tensiunea de compresiune care provoac o deformare plasticdat; b) tensiunea de ntindere care provoac o deformarea elastic dat;c) temperatura la care se produce o deformare elasto-plastic dat sub aciunea uneisolicitri de ntindere; d) temperatura care determin un anumit grad de deformaresub aciunea unei tensiuni de compresiune date?

    T.10.13. Ce este caolinul: a) o varietate de silice cu granule foarte fine;b) o varietate de argil cu structur lamelar; c) compus chimic definit pe bazde calciu cu formula 2CaOSiO2; d) alumino-silicat hidratat cu formulaAl2O3 2SiO22H2O?

    T.10.14. Care dintre afirmaiile urmtoare despre feldspai sunt adevrate:a) sunt compui alumino-silicatici de Na, K, Ca, Mg; au rolul de a forma fazelecristaline ale ceramicelor; c) mresc rezistena la deformare sub sarcin aceramicelor; d) au rolul de fondani fiind la originea masei vitroase care leagparticulele de silice i de argil n structura ceramicelor?

    T.10.15. Ce este mulitul: a) un mineral natural care nsoete argila i estebaza majoritii constituenilor materialelor ceramice silicatice; b) silice (SiO2) n

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    224

    stare amorf; c) amestecul plastic de argil, feldspat, silice i ap; d) un compusdefinit cu topire incongruent care apare n sistemul SiO2-Al2O3 i corespundeformulei chimice 3Al2O32SiO2?

    T.10.16. Ce rol are glazurarea pieselor confecionate din ceramic: a) de amri rezistena la deformare sub sarcin; b) de a micora higroscopicitatea prinformarea unui strat compact cu structur vitroas; c) de a mri rezistena mecanicprin crearea unor tensiuni reziduale de compresiune?

    T.10.17. Care dintre afirmaiile urmtoare despre alumin sunt adevrate:a) are temperatura de topire 2054 oC i cristalizeaz sub form de corindon; b) aretemperatura de topire 1716 oC i cristalizeaz sub form de cristobalit; c) aretenacitate ridicat i constituie baza lianilor materialelor ceramice; d) are duritateridicat i este utilizat pentru realizarea implanturilor medicale de os?

    T.10.18. Cum se realizeaz mbuntirea comportrii la temperaturiridicate a oxidului de zirconiu (ZrO2): a) prin calcinare la temperaturi de12001300 oC; b) prin adugarea de Al2O3 care n concentraii mai mici de 5 %se dizolv n ZrO2 i stabilizeaz structura tetragonal; c) prin adugarea de CaOi/sau MgO care n concentraii mai mici de 1015 % se dizolv n ZrO2 istabilizeaz structura cubic; d) prin tratament termic de clire de punere n soluie?

    T.10.19. Care dintre afirmaiile urmtoare despre spinel sunt adevrate:a) este un compus care se formeaz pe baza schimbului de electroni de acelaispin: b) este o faz daltonid cu topire congruent cu formula Al2O3 2SiO2; c)esteo faz bertholid cu topire congruent cu formula MgOAl2O3; d) are o reeacristalin cubic complex n care ionii Mg2+ ocup interstiiile tetraedrice iarionii Al3+ ocup interstiii octaedrice?

    T.10.20. Ce reprezint rezistena piroscopic a materialelor ceramicerefractare: a) temperatura la care vscozitatea scade sub 103 Pas; b) temperatura lacare o epruvet cubic capt o deformare specific de 0,5 % sub aciunea uneisarcini de compresiune de 0,2 N/mm2; c) temperatura la care o epruvet conic dinmaterialul considerat se taseaz cu o valoare dat, n condiii determinate de expunerela temperatur?

    T.10.21. Care dintre urmtoarele substane au rol de formatori de reea nstructura sticlelor: a) silicea (SiO2); b) oxidul boric (B2O3); c) oxidul de sodiu(Na2O); d) oxidul de zinc (ZnO)?

    T.10.22. Care dintre urmtoarele substane au rol de modificatori de reea(fondani) n structura sticlelor: a) alumina (Al2O3); b) oxidul de litiu (Li2O);c) oxidul de sodiu (Na2O); d) oxidul de plumb (PbO)?

    T.10.23. Care dintre urmtoarele substane au rol de stabilizatori nstructura sticlelor: a) alumina (Al2O3); b) oxidul de magneziu (MgO); c) oxidul desodiu (Na2O); d) oxidul de zinc (ZnO)?

    T.10.24. Care dintre afirmaiile urmtoare despre sticlele calco-sodice sunt

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    225

    adevrate: a) toate sticlele calco-sodice conin 7075 % SiO2, 13..19 % Na2O i8..11 % CaO; b) concetraia de CaO n compoziia lor chimic este limitat deinfluena negativ asupra stabilitii chimice; c) concetraia de CaO n compoziialor chimic este limitat de influena negativ asupra solidificrii prin favorizareacristalizrii; d) obinerea sticlelor cu rezisten piroscopic se realizeaz princreterea concentraiei de Na2O?

    T.10.25. Care dintre urmtoarele tipuri de sticle se utilizeaz pentrufabricarea fibrelor continui: a) sticlele boro-silicatice; b) sticlele cu plumb;c) sticlele alumino-silicatice; d) sticlele calco-sodice?

    T.10.26. Ce se poate spune despre rezistena la traciune a fibrelor desticl: a) este mai redus datorit seciunii mici; b) este mai mare datorit lipsei dedefecte superficiale i anizotropiei structurii; c) este la fel cu cea determinat peepruvete, deoarece sticla este un material fragil; d) este mai ridicat datoritutilizrii sticlelor cu coninut ridicat de silice?

    T.10.27. Care dintre afirmaiile urmtoare despre materialele vitroceramicesunt adevrate: a) sunt materiale ceramice cu structura complet vitroas; b) suntsticle speciale supuse unui tratament de clire n urma cruia iau natere tensiunireziduale de compresiune n strat i de ntindere n miez; c) sunt materialepolicristaline de tipul alumino-silicailor obinute printr-o tehnologieasemntoare cu cea a sticlei, i supuse unui proces de cristalizare controlat; d) ntopitur se adaug germeni de cristalizare ce pot fi oxizi cu temperaturi nalte detopire, fluoruri sau chiar metale?

    T.10.28. n care dintre urmtoarele enumerri cimenturile sunt prezentaten ordinea cresctoare a coninutului de silicat tricalcic (C3S): a) ciment Tip 40,ciment Tip 50, ciment Tip 20; b) ciment Tip 10, ciment Tip 20, ciment Tip 30;c) ciment Tip 20, ciment Tip 10, ciment Tip 30; d) ciment Tip 50, ciment Tip 20,ciment Tip 10?

    Aplicaii

    A.10.1. S se determine numrul de coordinaie i geometria coordinriipentru urmtorii oxizi componeni ai ceramicelor i sticlelor: SiO2, Al2O3, Ti2O,Na2O, MgO i CaO.

    RezolvareAa cum s-a artat n scap. 10.2, numrul de coordinaie depinde de

    raportul A

    C

    rr

    (rC raza cationului metalic i rA raza anionului, n cazul dat O2-);

    pentru rezolvarea aplicaiei se utilizeaz datele prezentate n tabelul 10.1 cu

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    226

    ajutorul crora se calculeaz raportul 2O

    C

    rr (cu 132,02 =Or nm), se stabilete

    numrul de coordinaie, i geometria coordinrii. Pe aceaast cale pentru SiO2,

    rezult: 295,0132,0039,0

    2

    4==

    +

    O

    Si

    rr

    , valoare care aparine intervalului [0,225; 0,414) i

    deci numrul de coordinaie este 4 iar geometria coordinrii este tetraedral(v.tab. 10.1). rezultat cunoscut deja din cele prezentate anterior. Pentru ceilalioxizi se procedeaz identic, rezultatele aplicaiei fiind prezentate n tabelul 10.9.

    Tabelul 10.9. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A10.1.

    Cationul Cr ,nm 2O

    C

    rr Intervalul

    cruia aparineNumrul decoordinaie

    Geometriacoordinaiei

    Si4+ 0,039 0,295 0,2250,414 4 tetraedruAl3+ 0,057 0,431 0,4140,732 6 octaedruTi3+ 0,061 0,462 0,4140,732 6 octaedruNa+ 0,102 0,772 0,7321,000 8 cub

    Mg2+ 0,078 0,590 0,4140,732 6 octaedruCa2+ 0,106 0,803 0,7321,000 8 cub

    A.10.2. S se calculeze energia de activare Ea pentru curgerea vscoasdeasupra temperaturii de nmuiere a sticlei alumino-silicatice ale cror punctefixe sunt prezentate n tabelul ce nsoete figura 10.9.

    RezolvareEnergia de activare pentru curgerea vscoas este legat de rezistena

    opus deplasrii atomilor la o temperatur dat, adic de vscozitatea amaterialului care depinde de temperatur conform relaiei (10.2); fie T1 i T2,temperaturile absolute corespunztoare temperaturii de nmuiere tm i temperaturiide curgere tc, pentru sticla alumino-silicatic dat rezult: T1 = 940 + 273 = 1213 Ki T2 = 1110+273 = 1383 K. Pe baza definirii punctelor tm i tc se obin douperechi de valori: (1;T1) = (106,6;1213) i (2;T2) = (104;1383) ce aparin curbei = f(T); scriind relaia (10.2) pentru cele dou puncte de pe curb i fcnd

    raportul lor rezult:2

    1

    2

    1

    RTE

    RTE

    a

    a

    e

    e=

    =

    21

    12

    TTTT

    REa

    e , n care singura necunoscut este Ea i

    deci 2

    1

    12

    21 ln

    TTTRTEa

    = = 4911701010ln

    1213138313831213314,8

    4

    6,6

    J/mol.

  • Capitolul 10 Structurile i proprietile materialelor ceramice i sticlelor

    227

    A.10.3. Pentru o sticl destinat prelucrrii prin fasonare se cunoate ctemperatura inferioar de recoacere tir = 515 oC iar temperatura de nmuiere estetm = 700 oC. S se determine temperatura de curgere tc i temperatura deprelucrare tp ale acestui tip de sticl.

    RezolvareTemperaturile cerute se pot determina pe baza relaiei (10.2) din care

    rezult: ( )0lnln = RE

    T a

    Energia de activare Ea pentru curgerea vscoas se determin procednd lafel ca la rezolvarea aplicaiei A10.2; din figura 10.9 rezult c vscozitateacorespunztoare temperaturii tir este 1 = 1013,5 Pas iar cea corespunztoaretemperaturii tm este 2 = 106,6 Pas; temperaturile absolute corespunztoare vor fi;T1 = 515+273 = 788 K i T2 = 700 + 273 = 973 K.

    Rezult:

    2

    1

    12

    21 ln

    TTTRTEa

    = = 5474001010ln

    788973973788314,8

    6,6

    5,13

    J/mol.

    Cu aceast valoare se poate determina constanta 0 din relaia (10.2)

    scriind aceast relaie pentru T1; rezult 110RTEa

    e

    = = 788314,8547400

    5,1310

    e = 1,610-23.

    Pentru temperatura de curgere tc, c = 104 Pas iar pentru temperatura deprelucrare tp, p = 103 Pas (v. fig. 10.9) i rezult:

    ( )234 106,1ln10ln314,8547400

    =cT = 1067 K; tc = 1067 273 = 794 oC

    ( )233 106,1ln10ln314,8547400

    =pT = 1109 K; tp = 1109 273 = 836 oC

    A.10.4. O crmid refractar este realizat din amota dens ale creicaracteristici sunt prezentate n tabelul 10.5. S se determine limitele ntre care sencadreaz cantitatea de mulit din structura acestui material refractar.

    RezolvareRefractarele de tip amot sunt materiale ce aparin sistemului SiO2Al2O3

    a crui diagram de echilibru este prezentat n figura 10.11 din care rezult c la%Al2O3m = 5,5 % are loc o transformare eutectic, iar mulitul (3Al2O32 SiO2)se formeaz la concentraia de %Al2O3m = 72 %. Din tabelul 10.5 rezult cmaterialul analizat (amot dens) are %Al2O3m = 4045 % . Aplicnd pincipilede analiz a diagramelor de echilibru i a diagramelor structurale prezentate ncap.2, rezult :

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    228

    - pentru %Al2O3m = 40%, %mulitmin = %88,511005,5725,540

    =

    ;

    - pentru %Al2O3m = 45%, %mulitmax = %40,591005,5725,545

    =

    .

    A.10.5. Un bloc refractar de magnezit este montat n cptueala unuicuptor astfel nct dilatarea sa liber este mpiedicat. S se determine diferenamaxim dintre temperatura blocului i temperatura cptuelii n care este ncastrat,astfel nct blocul refractar s nu se fisureze.

    RezolvareDilatarea liber a blocului fiind mpiedicat, nseamn c n material se

    vor dezvolta tensiuni de compresiune corespunztoare deformaiei specifice egalecu dilatarea specific mpiedicat; pe baza observaiei c materialul se deformeazelastic pn la rupere (este fragil) rezult c este valabil legea lui Hooke(v. scap. 3.4), de unde rezult deformaia specific maxim max pe care o poate

    suporta blocul este E

    Rmc=max , unde Rmc este rezistena la compresiune, iar

    E modulul de elasticitate.Dilatarea specific (dilatarea unitii de lungime) la o nclzire a

    materialului cu t este t, unde este coeficientul de dilatare; pe baza celor

    artate trebuie ca tmax max i de aici, ERt mc

    max .

    n tabelul 10.2, se gsesc urmtoarele caracteristici ale materialuluianalizat: = 13,510-6 mm/mm oC i E = 150170 kN/mm2, iar n tabelul 10.5.sed rezistena la compresiune Rmc = 45...75 N/mm2; pentru calcule se utilizeazvalorile medii ale intervalelor de variaie ale acestor mrimi i rezult:

    2810160105,13

    6036max

    t oC

    Tinnd seama c temperaturile de lucru ale cuptoarelor sunt de ordinulsutelor de grade, acest rezultat arat ct de important este nclzirea uniform antregii cptueli refractare a cuptorului i construirea acesteia astfel nct s seasigure i dilatarea liber a componentelor sale.

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    229

    Capitolul 11

    STRUCTURILE I PROPRIETILEPOLIMERILOR

    11.1. Introducere

    Polimerii sunt compui chimici (n marea majoritate a cazurilor organici)cu molecule de dimensiuni mari (macromolecule) obinute din unirea ntr-unlan molecular (caten) a unui numr mare de monomeri - uniti structuralede obicei identice. Aa cum se cunoate, moleculele organice se formeaz prinlegarea covalent a atomilor de carbon cu ali atomi sau uniti structurale. Dupmodul cum sunt ocupate cele patru valene ale carbonului, pot existaurmtoarele situaii: patru legturi simple; dou legturi simple i una dubl,dou legturi duble, o legtur simpl i una tripl.

    n cazul celor patru legturi simple, atomul de carbon se afl n centrultetraedrului format de ceilali atomi, astfel c unghiul dintre dou legturi estede aprox.109,5o. Prin nlocuirea unui atom din vrful tetraedrului cu o unitatestructural de acelai tip sau diferit, se obin molecule din ce n ce maicomplexe; de exemplu, pornind de la cea mai simpl hidrocarbur saturat careeste metanul CH4, prin nlocuirea unui atom de hidrogen cu grupul CH3 seobine etanul C2H5, cei doi tetraedri fiind poziionai astfel nct forele derespingere dintre ionii H+ s fie minime.

    Spre deosebire de acestea, hidrocarburile nesaturate au legturi duble sauchiar triple, caz n care moleculele devin planare i pot reaciona ntre ele sau cuali compui dnd natere moleculelor gigant ale polimerilor; de exemplu, ncazul etilenei C2H4 legturile duble se pot desface permind unitilorstructurale s se lege i s formeze polietilena conform schemei :

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    230

    care poate fi reprezentat i astfel:

    unde n reprezint numrul de uniti structurale (monomeri) din lanulmacromolecular i se numete grad de polimerizare, care pentru polimeriiutilizai n tehnic are valori n = 103106. Gradul de polimerizare se determin curelaia:

    monomer

    polimer

    MM

    n = , (11.1)

    unde Mpolimer este masa molecular a polimerului iar Mmonomer masa molecular amonomerului.

    In acelai mod, i ali atomi de H pot fi nlocuii cu atomi sau radicaliliberi ( grupuri structurale de atomi care au legturi nesatisfcute) rezultndpractic un numr nelimitat de monomeri ce pot polimeriza.

    Polimerii sintetici sunt amestecuri de macromolecule cu grade depolimerizare diferite, caracteristic ce se numete polidispersie de masmolecular; distribuia fraciilor reprezentnd lanurile cu un anumit grad depolimerizare n avnd caracter probabilistic pentru caracterizarea masic a unuipolimer se fosesc dou mrimi medii:

    masa molecular medie mM determinat n funcie de fraciamasic a macromoleculelor i definit prin relaia:

    ==

    ii

    iiiim MN

    MNMmM

    2

    , (11.2)

    unde mi este fracia masic a lanurilor cu masa Mi, iar Ni numrul lanurilor cumasa Mi;

    masa molecular medie nM determinat n funcie de fracianumeric a lanurilor i definit prin relaia:

    ==

    i

    iiiin N

    MNMxM , (11.3)

    unde xi este fracia numeric a lanurilor cu masa Mi; pentru calculul gradului depolimerizare n cu relaia (11.1) se consider Mpolimer = nM .

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    231

    Raportul n

    m

    MM descrie mrimea intervalului de distribuie a maselor

    moleculare sau polidispersitatea care pentru polimerii uzuali are valori 1,53,ajungnd n unele cazuri s aib i valori peste 10.

    Gradul de polimerizare i masa molecular medie influeneaz n moddeosebit proprietile fizice i mecanice ale unui polimer.

    11.2. Reaciile de sintez a polimerilor

    A. Polimerizarea este o reacie n lan ce decurge n trei etape: iniierea n decursul creia are loc prin procese termice sau fotochimice

    scindarea moleculelor unei substane introduse special ca iniiator, i formareaunor radicali liberi primari care adiioneaz la legtura dubl a monomerului iformeaz un radical mai mare; aciunea iniiatorului se bazeaz pe captarea unuielectron al legturii duble CC astfel c unul din atomii de carbon rmne cu unelectron fr perechea sa de spin i este capabil s adiioneze la o alt unitatestructural pentru a reface perechea, adic a cptat o legtur liber; numrul delegturi libere ale unui monomer reprezint funcionalitatea acestuia, astfel c unmonomer cu dou legturi este bifuncional, cu trei legturi trifuncional i cumai mult de trei legturi polifuncional; aceast prim etap este ilustrat pentruun monomer oarecare (X fiind un atom sau o unitate structural) n figura 11.1a;

    propagarea (creterea) n decursul creia radicalii liberi formai netapa anterioar particip la reacii de transfer n care se extrage un atom dintr-omolecul legndu-se la radical care devine stabil i se genereaz un nou radicaldin molecula care a furnizat atomul; procesul continu astfel cu ataarea unor noiuniti structurale lanului molecular care are la unul din capete radicalul primar,iar cellat capt este liber i poate primi noi uniti; aceeast etap este ilustrat nfigura 11.1b;

    ntreruperea n decursul creia radicalii reacioneaz n perechipierzndu-i reactivitatea i creterea lanului molecular se oprete; procesul dentrerupere este aleator i se produce prin dou mecanisme:

    prin combinare, atunci cnd capetele libere a dou lanuri molecularese ntlnesc i se unesc (v. fig. 11.1 c);

    prin disproporionare, atunci cnd un atom de hidrogen este transferatde la un lan la altul i se favorizeaz refacerea unei legturi duble CC, aa cumse poate observa n figura 11.1 d.

    Rezult c pentru realizarea reaciei de polimerizare este suficientactivarea energetic pentru iniiere, n continuare reacia desfurndu-se de la

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    232

    sine, fapt pentru care este numit reacie n lan. Polimerii astfel obinui aucompoziia chimic a merilor din care provin, deoarece prin polimerizare nu seelimin produse secundare de reacie.

    Fig. 11.1 Etapele reaciei de polimerizare:a iniierea; b propagarea; c intreruperea prin combinare; d ntreruperea prin

    disproporionareB. Policondensarea este procesul prin care dou molecule organice

    diferite reacioneaz pentru formarea unei molecule complexe ce se unesc nlanul macromolecular; reacia are loc cu eliminarea unor substane cu moleculamic (cel mai frecvent apa), ceea ce nseamn c polimerii obinui prinpolicondensare au compoziie chimic diferit de a monomerilor din care provin.Reacia de policondensare este o reacie n trepte (sau pas cu pas) deoarececreterea lanului macromolecular se realizeaz prin formarea de noi legturi nurma reaciilor de condensare; obinerea unor grade de polimerizarecorespunztoare presupune controlul desfurrii reaciilor astfel nct s nu seating prematur echilibrul.

    C. Poliadiia este o reacie n trepte (la fel ca policondensarea) caredecurge fr eliminarea unei substane cu molecula mic, astfel c polimerulobinut are compoziia chimic a merilor din care provine (la fel ca lapolimerizare); polimerii care se formeaz prin poliadiie au de obicei n lanurileprincipale i ali atomi dect carbonul.

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    233

    n timpul desfurrii reaciilor de sintez pot avea loc ramificri alelanului molecular, chiar i n cazul n care monomerii participani sunbifuncionali (au doar dou legturi active); dac lanul macromolecular nu areramificaii sau acestea sunt scurte polimerul respectiv este un polimer liniar, iardac lanul are ramificaii lungi este un polimer ramificat sau dendrimer.

    Din punct de vedere al tipului monomerilor ce alctuiesc lanul, acetia potfi identici, caz n care rezultatul sintezei este un homopolimer sau pot fi diferii in acest caz rezultatul sintezei este un copolimer.

    Reaciile de sintez a polimerilor au la baz mecanisme complexe a crorprezentare n detaliu depete cu mult cadrul acestei lucrri. Din punct de vedereal utilizrii materialelor pe baz de polimeri sunt mult mai importante aspecteleprivind structura i proprietile acestora.

    11.3. Structura polimerilor

    Proprietile fizico-mecanice ale polimerilor sunt influenate de compoziiachimic i de structur care se apreciaz cu ajutorul a dou caracteristici:configuraia i conformaia.

    Configuraia se refer la relaia de ordine a unitilor structurale n cadrullanului macromolecular dat de legturile chimice, ceea ce nseamn cmodificarea configuraiei se poate face numai prin ruperea legturilor chimice.Considernd dispunerea grupelor laterale ale monomerilor care alctuiesc catena(lanul macromolecular) fa de lanul principal pot exista trei tipuri dearanjamente distincte, ilustrate n figura 11.2:

    aranjamentul isotactic acela n care toate unitile structurale X(atomii sau radicalii care caracterizeaz monomerul) sunt dispuse de aceeai partea lanului (v. fig. 11.2a);

    aranjamentul sindiotactic acela n care unitile structurale X suntdispuse alternant de o parte i de alta a lanului (v. fig. 11.2b);

    aranjamentul atactic acela n care unitile structurale X sunt dispusealeator fa de lanul principal (v. fig. 11.2c).

    Polimerii care au aceeai compoziie chimic dar aranjament diferit almonomerilor se numesc steroizomeri.

    Conformaia se refer la poziia relativ a doi monomeri vecini, realizatprin rotirea n jurul legturii simple dintre atomii de carbon; posibilitatea de rotirepermite modificarea poziiei monomerului vecin fr ruperea legturii chimice;dup un numr anumit de monomeri (implicit i legturi) poziia monomeruluiurmtor este practic independent de cea a primului monomer, poriunearespectiv a macromoleculei numindu-se segment de lan. n acest mod, dei

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    234

    fiecare legtur are un unghi fix (aprox.109,5o) macromolecula rezult sub formaunui lan flexibil ncolcit. Aceasta nseamn c distanele dintre atomi suntdiferite n funcie de conformaia lanului (i implicit interaciunile dintre ei), ceeace influeneaz proprietile fizico-mecanice ale polimerului.

    Poziia relativ a lanurilor macromoleculare ncolcite este aleatoare ceeeace confer structur amorf polimerilor. n cazul polimerilor liniari se poaterealiza i o ordonare la distan pe anumite zone prin alinierea unor segmente delan, obinndu-se o structur parial cristalin apreciat prin gradul decristalinitate, care exprim procentual volumul zonelor cu structur cristalin.

    Poriunile de catene aranjate ordonat sunt numite cristalite i au odispunere aleatoare n masa polimerului; prin anumite procedee tehnologice sepoate realiza i o orientare a cristalitelor, obinndu-se o texturare a zonelorcristaline; n figura 11.3 se prezint schematic poziiile lanurilor moleculare ncazul structurilor amorfe, cristaline i texturate.

    Fig. 11.2 Dispunerea grupelor laterale la stereoizomeri:a aranjament isotactic; b aranjament sindiotactic; c aranjament atactic

    Fig 11.3. Structurile polimerilor liniari:a structur amorf; b structur cristalin; c texturare cristalin

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    235

    Cristalizarea poate conduce i la realizarea unor structuri supramolecularede tip fibrile i/sau sferulite. Fibrilele rezult prin orientarea cristalitelor pe osingur direcie, iar sferulitele prin unire mai multor fibrile n jurul unui nucleuaa cum se observ n figura 11.4; o sferulit cuprinde att fibrile ct i cristaliteorientate aleator, lanuri moleculare de legtur i zone cu structur amorf.

    Fig. 11. 4. Reprezentarea schematic a componentelor unei sferuliteLanurile moleculare ale polimerilor liniari i ramificai se pot lega ntre

    ele prin puni formate dintr-o singur unitate structural (atom sau radical liber)sau printr-un lan scurt, rezultnd o reea tridimensional dezordonat numitstructur reticular respectiv polimer reticulat; n cazul polimerilor reticulainoiunea de macromolecul i pierde sensul deoarece se formeaz un complex delegturi n care catenele nu mai pot fi individualizate. Reticularea se poate realizafie n timpul reaciilor de sintez, fie ulterior prin amestecarea polimerului cu unagent de reticulare (element sau compus chimic).

    n cazul structuriicopolimerilor apare suplimentarproblema distribuiei monomerilordiferii n cadrul lanuluimacromolecular,din acest punct devedere existnd urmtoarele tipuride copolimeri: copolimer statistic

    cu distribuia monomerilor aleatoare (v. fig. 11.5 a), copolimer bloc, cu secvenesuccesive de monomeri de acelai tip n cadrul lanului (v. fig. 11.5 b) icopolimer grefat, care are un lan principal constituit din monomeri de acelai tipi ramificaii ale acestuia din polimeri de alt tip (v. fig. 11.5 c).

    Fig. 11.5 Tipurile structurale de copolimeri:a statistic; b bloc; c - grefat

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    236

    11.4. Proprietile polimerilor

    11.4.1. Caracterizarea general a polimerilor

    Caracteristicile generale ale polimerilor i materialelor pe baz de polimerirezult din particularitile naturii chimice (compoziie i tip de legturi) istructurii lor.

    Este cunoscut c principala consecin a structurii amorfe este faptul cmaterialele respective nu au o temperatur definit de topire solidificare, trecereactre starea lichid la nclzire fcndu-se treptat ntr-un interval de temperatur(v. scap 10.3); i n cazul polimerilor ca i n cazul sticlelor exist o temperaturTv de tranziie sticloas (vitroas) sub care se comport din punct de vederemecanic ca solidele cristaline i o temperatur de curgere Tc deasupra creiamaterialul se comport ca un lichid vscos. (v. fig. 10.3).

    n cazul polimerilor caracterizarea poate fi fcut mai sugestiv cu ajutorulcurbei termo-mecanice care arat dependena deformaiei specifice n funcie detemperatur (la solicitare constant) aa cum se observ n figura 11.6. Latemperaturi T Tv, deformaiile sunt mici, i variaz liniar cu temperatura,materialul comportndu-se ca un solid rigid (stare vitroas); la temperaturiTv < T Tc, deformaia specific are valori foarte ridicate (corespunztoare uneoriunor alungiri de peste 10 ori lungimea iniial); dup caracterul deformaiilor, nacest interval de temperaturi polimerul se poate afla ntr-o stare nalt elastic(deformaiile sunt preponderent elastice) sau ntr-o stare elasto-plastic(deformaiile sunt preponderent plastice). La temperaturi T > Tc, materialul secomport ca un fluid a crui vscozitate scade pe msur ce crete temperatura; npractic, se determin i o temperatur considerat temperatur de sfrit de topirede la care polimerul este n stare lichid; dac temperatura depete o anumitvaloare se produce degradarea termic a polimerului prin ruperea legturilordintre monomeri i oxidarea exoterm (arderea) acestora.

    Temperaturile Tv i Tc ale cror valori depind n principal de compoziiachimic i de masa molecular, sunt caracteristici importante ale polimerilordeoarece permit stabilirea temperaturilor de lucru i temperaturilor de prelucrare;n figura 11.6 valorile lor au fost marcate n mod convenional, transformrileproducndu-se de fapt n intervale de temperaturi a cror mrime i configuraieprezentate n figura 11.7 arat c temepratura Tc este puternic dependent de masamolecular a polimerului, iar Tv rmne practic constant la valori mai ridicate alemasei moleculare.

    Dup comportarea la nclzire, substanele macromoleculare se grupeaz n

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    237

    trei categorii; termoplaste (plastomeri), termorigide i elastomeri. Termoplastele sunt substane macromoleculare cu structura liniar sau

    ramificat, complet amorf sau parial cristalin, ce pot fi nclzite n vedereaprelucrrii la temperaturi T > Tc de un numr nelimitat de ori (cu condiia evitriitemperaturilor de degradare). Se utilizeaz n stare elasto-plastic n domeniul detemperaturi (Tv ; Tc) sau n stare vitroas (T < Tv).

    Fig. 11.6 Curba termo-mecanic a unui polimercu structur amorf

    Fig. 11.7 Dependena temeperaturilor Tv itc de masa molecular

    Termorigidele sunt substane macromoleculare cu grad mare dereticulare care se prelucreaz ntr-o stare de polimerizare incomplet n care nu s-aformat reeaua spaial a structurii. Reticularea se produce prin activare termic(ntrire la cald) sau prin activare chimic la introducerea n masa polimerului debaz a unui agent de reticulare (ntrire la rece). Legturile puternice,caracteristice structurii reticulare le confer proprietile de rezistencorespunztoare strii vitroase, iar la o renclzire ulterioar micrile moleculelorfiind limitate nu se mai atinge starea vscoas, materialul descompunndu-se frs mai treac prin faza de nmuiere (n cazul lor temperatura Tv este ridicat i numai exist temperatura Tc).

    Elastomerii sunt substne macromoleculare cu catene lungi, ncolcite,care formeaz ochiuri elastice, astfel c sub aciunea solicitrilor mecanice se potdeforma uor i reversibil. Temperatura Tv a elastomerilor este sub temperaturaambiant, astfel c fragilizarea se produce la temperaturi sczute, iar la nclzirenu trec prin faza de nmuiere datorit reticulrii slabe, ele meninndu-i stareanalt elastic pn la temperatura de descompunere.

    Indiferent de categoria n care se ncadreaz, polimerii au ctevacaracteristici generale prezentate n continuare.

    a) Sunt substane cu densitate mic ( = 9002200 kg/m3) datoritfaptului c elementele componente (n principal H i C) au masa atomic redus.

    b) Au coeficient de dilatare specific mare datorit legturilor Van der

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    238

    Waals (legturi slabe) dintre catene i conformaiei acestora (v. scap 11.3).c) Sunt inflamabile (n marea majoritate a cazurilor) i au stabilitate

    termic redus datorit faptului c sunt substane organice; din acelai motiv potfi degradate de microorganisme (biodegradabilitate).

    d) Au conductibilitate termic mic i rezistivitate electric foarte maredatorit legturilor covalente din interiorul lanului macromolecular.

    e) Proprietile lor sunt afectate de radiaiile din spectrul vizibil, deultraviolete i de radiaiile ionizante care pot rupe legturile dintre catene i/saudintre monomeri modificnd astfel structura iniial prin reducerea gradului depolimerizare.

    f) Factorii fizico-chimici (temperatur, radiaii, prezena oxigenului iozonului, umiditatea etc.) acioneaz conjugat, ceea ce are ca efect mbtrnireamaterialului, ce se manifest la nivel macroscopic prin apariia unor fisuri,schimbri de culoare, nrutirea proprietilor dielectrice (scad valorilerezistivitii i permitivitii electrice), reducerea proprietilor de rezistenmecanic, de plasticitate i de elasticitate.

    Ca i n cazul celorlalte tipuri de materiale, n cele ce urmeaz se vorprezenta mai detaliat aspectele legate de comportarea mecanic a polimerilor.

    11.4.2. Proprietile mecanice ale polimerilor

    Datorit caracteristicilor structurale polimerii prezint particulariti i ncomportarea la solicitri mecanice generate n special de mecanismele prin care serealizeaz deformarea acestora sub aciunea solicitrilor exterioare. Spre deosebirede solidele cristaline a cror deformare elastic se bazeaz pe modificareareversibil a distanelor interatomice (ce se poate realiza n limite restrnse) iardeformarea plastic presupune alunecarea pe planele atomice, ruperea legturilorinteratomice i refacerea lor n alte poziii (v. cap. 3), n cazul polimerilordeformrile se pot realiza prin mai multe mecanisme dup cum urmeaz:

    ndreptarea, desfurarea i decuplarea catenelor aa cum sugereazschema din figura 11.8;

    alunecarea relativ a catenelor; modificarea distanelor dintre monomeri; ruperea legturilor intermoleculare;Primele dou mecanisme se pot realiza la valori sczute ale solicitrilor,

    ceea ce explic deformabilitatea ridicat a termoplastelor i elastomerilor care austructuri liniare i ramificate; ultimele dou mecanisme necesit solicitri mairidicate i se ntlnesc n cazul duroplastelor cu structur reticular sau n cazul

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    239

    polimerilor liniari cu grade ridicate de cristalinitate la care s-a realizat o orientarepreferenial a lanurilor moleculare; aceste particulariti sunt ilustrate i decurbele CCCT schematizate n figura 11.9 din care rezult c domeniuldependenei liniare dintre tensiuni i deformaii (poriunea liniar a curbelor) esteredus chiar i n cazul polimerilor cu rezisten mecanic mai ridicat.

    Mecanismele complexe prin care se produce deformarea polimerilorgenereaz comportri particulare ale acestora sub aciunea solicitrilor.

    Vscoelasticitatea reprezint capacitatea polimerilor de a cptadeformaii elastice variabile n timp sub aciunea solicitrilor constante i estecaracterizat de urmtoarele aspecte ilustrate schematic n figura 11.10:

    la solicitarea corespunztoare unei tensiuni 0, se produce o deformareelastic iniial la valoarea 0 n conformitate cu legea lui Hooke (v. cap3);

    meninnd ncrcarea constant materialul continu s se deformeze cuviteze din ce n ce mai mici pn la atingerea unei stri staionare (similarfluajului primar al materialelor metalice); deformaia corespunztoare acesteietape are o component elastic r i o component plastic p

    imediat dup ncetarea solicitrii dispare deformaia iniial 0, iarulterior deformaia se reduce treptat n timp pn la valoarea p, care carermne permanent (v. fig. 11.10).

    Fig. 11.8. Mecanismul deformrii polimerilor liniari prin ndreptarea i desfurarea catenelorCaracteristica esenial a comportrii vscoelastice este existena

    deformaiei elastice reversibile r, a crei variaie cu timpul se determin cu relaia:

    )1(0 rr eE

    = , (11.4)

    n care 0 este tensiunea constant corespunztoare solicitrii, E modulul deelasticitate, iar r constanta de relaxare se definete prin relaia;

    Er

    = , (11.5)

    n care este vscozitatea; n mod obinuit, existena deformaieie elasticereversibile a polimerilor se evideniaz pe cale experimental.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    240

    Fig. 11.9. Curbele caracteristice convenionale latraciune (CCCT ale unor polimeri

    Fig. 11.10. Variaia deformaiei n timp apolimerilor cu comportare vscoelastic

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

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

    c termoplaste cristaline; d elastomeri

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    241

    Deoarece modulul de elasticitate este o caracteristic ce arat rezistenaopus de corpuri la deformare, din studiul variaiei acestuia cu temperaturarezult informaii necesare att la stabilirea condiiilor n care pot fi exploatatepiesele din polimeri ct i pentru proiectarea proceselor tehnologice de fabricaieale acestora.

    Relaxarea tensiunilor este fenomenul de reducere treptat a tensiunilorn timp, n cazul solicitrilor la care deformaiile rmn constante. Mecanismulrelaxrii tensiunilor n cazul polimerilor este curgerea plastic ce are loc caurmare a modificrii poziiei relative a moleculelor lanurilor prin alunecrisuccesive n urma crora componenta elastic a deformaiei totale (ce rmneconstant) se micoreaz i crete componenta plastic.

    Variaia tensiunilor n timp este dat de relaia:

    rte

    = 0 , (11.6)n care 0 este tensiunea iniial, iar rt este constanta de relaxare a tensiunilor,care reprezint durata necesar atingerii unei anumite tensiuni prin relaxare; nmod uzual, pentru definirea rt se consider una din condiiile:

    10

    = e sau 2lnrt = , (11.7)caracteristica rt rezultnd pe curba de relaxare =f() determinat experimentalpentru un tip de material analizat.

    ncercrile mecanice i caracteristicile prin care se apreciaz proprietilepolimerilor se definesc i se determin prin metode similare celor aplicate ncazul materialelor metalice. Particularitile structurale i de comportare mecanic(starea amorf sau parial cristalin, gradul de orientare a macromoleculelorgradul de reticulare, tensiunile reziduale, influena puternic a istorieitermomecanice) fac ca ncercrile polimerilor s difere totui prin geometria idimensiunile epruvetelor, tipul i dimensiunile dispozitivelor de fixare i desolicitare a epruvetelor, mijloacele i metodele de msurare utilizate, ceea ce aimpus elaborarea unor standarde specifice dedicate acestor ncercri; ntabelul 11.1 se prezint principalele tipuri de ncercri mecanice i termomecanicei standardele dup care se execut.

    La efectuarea ncercrilor mecanice ale polimerilor trebuie s se inseama i de faptul c proprietile lor sunt mult mai puternic afectate de factorii demediu, astfel c se reglementeaz prin norme condiionarea epruvetelor adicmeninerea lor n condiii standard de temperatur i umiditate relativ o duratsuficient pentru atingerea echilibrului higrometric; de exemplu STAS 5794prevede pentru condiionare i ncercare dou atmosfere standard: atmosferastandard normal 23/50 adic temperatura de 23 oC i umiditatea relativ de50 % i atmosfera standard pentru zone tropicale 27/65 (27 oC i 65 %);

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    242

    duratele de condiionare difer de la o ncercare la alta i sunt cuprinse nmajoritatea cazurilor ntre 24 i 96 de ore. n cazul materialelor care atingechilibrul higrometric dup durate lungi, se admite condiionarea accelerat latemperaturi de 5095 oC i umiditatea relativ 50 %, cu condiia ca latemperatura respectiv materialul s nu sufere transformri ireversibile.

    Tabelul 11.1 Principalele ncercri ale polimerilor

    Tipul ncercrii Denumirea ncercrii Standardele dup care seexecutTraciune SR EN ISO 527, SR EN ISO 8256,STAS 6642Compresiune SR EN ISO 604, STAS 6765Forfecare STAS 9182Sfiere SR EN ISO 8067, STAS 6127

    Incovoiere static. SR ISO 178, STAS 5874,STAS 9775Incovoiere prin oc STAS 5801, STAS 6175, STAS 7310

    ncercri descurt durat(instantanee)

    Duritate SR EN ISO 2039, SR ISO 868, STAS5871, STAS 8826

    Fluaj SR EN ISO 899, SR ISO 6602,STAS 9046Relaxare ISO 2285*, ISO 12244*Tensofisurare ntr-un mediu dat SR EN ISO 4599

    ncercri delung durat

    Oboseal NF T 51-120*, ASTM D 671Temperatura de ncovoiere subsarcin SR ISO 75

    Stabilitatea termic STAS 6174Temeperatura de nmuiere SR ISO 306

    ncercritermomecanice

    Temperatura de fragilizare ISO 974, ISO 8570, STAS 9594* Nu exist standarde echivalente SR sau STAS

    De asemenea, obinerea epruvetelor pentru ncercrile mecanice alepolimerilor poate fi diferit de cazul materialelor metalice deoarece polimerii selivreaz i sub form de material granular sau n stare lichid nu numai sub formde semifabricate sau piese finite. n aceste situaii, se reglementeaz prinstandarde formarea epruvetelor prin injecie, prin presare sau prin turnare.Epruvetele din semifabricate sau piese se obin prin prelucrri mecanice ai crorparametri tehnologici sunt riguros prescrii i controlai astfel nct s se eviteabaterile dimensionale i prezena concentratorilor de tensiuni care pot apare multmai uor datorit duritii sczute a polimerilor i au influen mult mai mareasupra comportrii la rupere a acestora dect n cazul materialelor metalice.

    Cteva aspecte privind ncercrile uzuale i caracteristicile determinate vorfi prezentate n continuare.

    a) ncercarea la traciune se realizeaz conform SR EN ISO 527 pe

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    243

    epruvete plate de forma celor prezentate n figura 11.12 n funcie de tipulmaterialului dup cum urmeaz: cele din figura 11.12 a pentru materialetermoplaste cu alungire redus, cele din figura 11.12 b,c pentru materialetermorigide, iar cele din figura 11.12 d pentru folii i materiale termoplaste cualungirea mare. Maina pe care se execut ncercarea trebuie s fie capabil srealizeze ncrcarea cu viteze de 0,2600 mm/min, s aib cursa mare (pn la1000 mm) i mijloace de msurare a deplasrilor att de mari.

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

    Curba caracteristic convenional la tractiune CCCT se definete la fel can cazul materialelor metalice i prezint aspecte diferite n funcie de tipulmaterialului (v. fig. 11. 9), cel mai frecvent ntlnindu-se curbe de tipul celorprezentate n figura 11.13 a.,unde s-au figurat i aspectele pe care le captepruveta pe parcursul ncercrii; aceast comportare este specific materialelortermoplaste ncercate la temperatura ambiant; curbe de tipul celei prezentate nfigura 11.13 b sunt caracteristice materialelor polimerice cu tenacitate bun, darcare nu prezint o limit de curgere aparent.

    Analiznd CCCT din fig.11.13 a se constat c pentru solicitri mici,corespunztoare poriunii OA a curbei, materialul prezint elasticitate liniar (estevalabil legea lui Hooke), iar pentru solicitrile corespunztoare poriunii ABcomportarea elastic devine neliniar. Reducerea tensiunii pe poriunea BC esteaparent, deoarece, ncepnd de la solicitarea corespunztoare puctului B, peepruvet apare o gtuire pronunat, seciunea real fiind mult mai mic dect ceaconvenional. n continuare se produc deformaii fr creterea tensiunii(poriunea CD a curbei), deoarece zona gtuit se extinde pe aproape toat

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    244

    lungimea calibrat a epruvetei (v. fig. 11.13 a); fenomenul se explic prin faptulc la aceste solicitri are loc descolcirea, ndreptarea i orientarea catenelor dupdirecia de solicitare. La epuizarea capacitii de deformare prin acest mecanismtensiunea ncepe s creasc, deoarece continuarea deformrii presupune mrireadistanelor dintre monomerii lanului (realizat cu consum de energie mai mare)pn n momentul ruperii (poriunea DE a curbei CCCT).

    Prin ncercarea la traciune a polimerilor se determin n mod uzualurmtoarele caracteristici:

    modulul de elasticitate E (modulul lui Young) este panta poriuniiliniare a CCCT - la fel ca n cazul materialelor metalice (v. scap 3.4); deoareceporiunea liniar a CCCT n cazul polimerilor este foarte redus, iar uneori chiarpoate lipsi, modulul lui Young se determin conform SR EN ISO 527 ca pant adreptei care trece prin punctele de pe CCCT corespunztoare deformaiei totale det = 0,25 % i t = 0,5 %; n cazul elastomerilor se determin modulul deelasticitate secant definit ca fiind panta dreptei ce unete originea cu un punct depe CCCT care corespunde unei deformaii totale date (uzual 100 %, 200 % sau300 % n funcie de standardul dup care se execut ncercarea);

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

    limita de curgere aparent se determin pentru materiale a crorCCCT este de tipul celei din figura 11.13 a, distingndu-se limita de curgereaparent superioar ReH (tensiunea corespunztoare punctului B de pe CCCT) ilimita de curgere inferioar aparent ReL (tensiunea corespunztoare punctului Cde pe CCCT);

    limita de curgere convenional Rp se determin pentru materiale acror curb caracteristic este de tipul celei din figura 11.13 b i este definit de

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    245

    SR EN ISO 527 ca fiind tensiunea corespunztoare unei deformaii totale t = x %convenional alese; alte standarde definesc limita de curgere convenional cafiind tensiunea corespunztoare unei deformaii remanente de 0,11 %, caz ncare se determin ducnd o paralel la poriunea liniar a CCCT prin punctulcorespunztor deformaiei remanente date (v. fig. 11.13 b);

    rezistena la rupere Rm este tensiunea corespunztoare punctului E depe CCCT, adic:

    0SFR rm = , (11.8)

    unde Fr este fora de traciune n momentul ruperii, iar S0 este seciunea iniial aepruvetei; innd seama de modul n care este definit Rm n cazul polimerilor ide faptul c pn la rupere materialul sufer deformaii ce pot depi 1000 %aceast caracteristic nu poate fi utilizat la dimensionarea pieselor;

    alungirea procentual la limita de curgere Ac este deformaiaspecific total corespunztoare limitei de curgere aparente ReH; aceastcaracteristic mpreun cu limita de curgere sunt importante pentru stabilireacomportrii pieselor din materiale polimerice deoarece arat care sunt deformaiilemaxime pe care le poate suferi materialul fr modificarea seciunii (peste aceastsolicitare apare gtuirea);

    alungirea procentual dup rupere Ar se definete i se determin lafel ca n cazul materialelor metalice.

    n cazul materialelor polimerice reticulate sau cristalinizate, care au curbaCCCT de tipul celei prezentat n figura 11.9, prin ncercarea la traciune se potdetermina numai modulul de elasticitate E, rezistena la rupere Rm, i alungireadup rupere Ar, fenomenul de curgere plastic fiind practic inexistent.

    b) ncercrile de duritate ale polimerilor se bazeaz pe aceleai principiica i n cazul determinrii duritii metalelor, cu particulariti impuse de valorilemai sczute ale duritii i de comportarea vscoelastic a polimerilor. Cele maiutilizate metode sunt;

    determinarea duritii prin penetrare cu bil STAS 5871 serealizeaz folosind ca penetrator o bil de oel cu diametrul D = 5 mm, fora deapsare Fm = 49 N, 138 N, 358 N, 490 N sau 961 N fiind aplicat o durat = 30 s,dup care se msoar adncimea de ptrundere a penetratorului h; duritatea H (nN/mm2) se definete ca i duritatea Brinell a materialelor metalice, cu deosebireac aria urmei se calculeaz pe baza adncimii de ptrundere a penetratorului:

    DhFH m

    = (11.9)

    determinarea duritii prin metoda Rockwell este la fel ca lamaterialele metalice, cu meniunea c se folosesc scrile Rockwell R, L, M, E sau

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    246

    K, ce difer prin diametrul D al pentratorului (de tip bil de oel) i mrimea foreisuplimentare F1 (v. scap 3.10), fora iniial F0 fiind aceeai (98,1 N); ntabelul 11.2 se prezint valorile diametrelor penetratoarelor i valorile forei totalede apsare (ce se menine o durat de 10 s); se precizeaz c dintre aceste scri,cele mai utilizate sunt scrile R i M.

    Tabelul 11.2. Caracteristicile scrilor de duritate Rockwell conform STAS 8826

    Scara duritii RockwellCaracteristiciR L M E K

    Diametrul bilei D, mm 12,7 6,35 6,35 3,175 3,175Fora total F0+F1,

    N (kgf)588,4 (60)

    588,4(60)

    981 (100)

    981(100)

    1471(150)

    determinarea duritii prin metoda Shore se bazeaz pe utilizarea unuipenetrator tronconic sau conic, ce este apsat de un resort calibrat pe suprafaaprobei i msurarea adncimii lui de ptrundere; durimetrul Shore este undispozitiv portativ astfel construit nct penetratorul (de forma i dimensiunileprezentate n figura 11.14) acioneaz prin presarea plcii de baz a dispozitivuluipe suprafaa probei i este prevzut cu un aparat indicator gradat de la 0 la 100, 0corespunznd situaiei n care penetratorul ar ptrunde complet n material, iar100 situaiei cnd nu ar ptrunde deloc n material (prin presare, faa frontal apenetratorului ajunge n planul feei frontale a plcii de baz (v. fig. 11.14);duritatea Shore astfel definit este o mrime convenional, ce poate fi utilizatnumai ca un criteriu de recepie a materialelor; datorit comportrii vscoelasticea polimerilor, standardul SR ISO 868 prevede determinarea fie a unei duritiinstantanee, caz n care citirea trebuie s se fac n cel mult 1 s de la apsare, fie aunei duriti ce corespunde unei durate de 15 s de la apsare; duritatea determinatcu aparatele prevzute cu penetratorul din figura 11.14 a se numete duritateShore A i se utilizeaz n cazul termoplastelor moi i elastomerilor, iar duritateadeterminat cu penetratorul prezentat n figura 11.14 b se numete duritateShore D i se utilizeaz n cazul materialelor polimerice dure;

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

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    247

    determinarea duritii prin metoda Barcol STAS 11333 se bazeazpe acelai principiu ca i metoda Shore, cu diferena c diametrul i lungimeapenetratorului sunt mai mici (D = 0,157 mm, H = 0,76 mm), astfel c unei unitide duritate Barcol i corespunde o adncime de ptrundere de 0,0076 mm;condiiile privind starea suprafeei probei (lipsa craterelor, impuritilor,zgrieturilor) sunt din acest motiv mai severe n cazul metodei Barcol.

    O coresponden aproximativ ntre duritile determinate prin metodeleRockwell i Shore (metodele care au cea mai larg utilizare) este prezentat nfigura 11.15.

    Fig. 11.15. Comparaie ntre scrile de duritate definite prin diferite metodec) ncercrile la rupere prin oc se aplic n special materialelor

    termoplaste dure, materialelor termorigide i materialelor compozite (v. cap 12) ise difereniaz n principal dup tipul solicitrii (ncovoiere sau traciune) idispozitivului utilizat pentru ncercare.

    metoda Charpy - STAS 5871, utilizeaz ciocanul pendul Charpy detipul celui folosit i la metale (v. fig. 3.18.), cu precizarea c energia maxim este depn la 50 J; epruveta uzual este epruveta tip 1, cu forma i dimensiunileprezentate n figura 11.16 a, dar se poate efectua i pe epruveta cu cresttur dubl(fig. 11.16 b), caz n care lovitura se aplic pe faa perpendicular pe cresttur;caracteristica mecanic determinat este reziliena (v. scap. 3.7), exprimat n J/m2;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    248

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

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

    Fig 11.17 Schemele ncercrii la ncovoiereprin oc Izod;

    a normal; b cu cresttura inversat metoda Dynstat STAS 6175 are la baz aceeai schem de ncercare

    ca metoda Izod, cu diferena c epruvetele utilizate au dimensiuni mult mai mici(Lxbxh = 15x10x3 mm), iar energia maxim de lovire este de pn la 2 J;

    d) ncercrile la fluaj ale polimerilor constau din solicitarea pe duratendelungate cu sarcini constante n condiii de temperatur i umiditate controlate;aceste ncercri sunt mai frecvente n cazul polimerilor dect n cazul materialelormetalice deoarece fluajul are loc la temperaturi apropiate de temperaturaambiant, astfel c i ncercrile se efectueaz de cele mai multe ori n condiii deatmosfer standard normal 23/50; solicitrile pot fi la traciune, (STAS 9046) saula ncovoiere (SR ISO 6602), rezultatele fiind prezentate sub forma curbelor defluaj = f(), (timpul la scar logaritmic) pentru diferite valori ale tensiunilor(v. fig. 11.18); cu ajutorul curbelor de fluaj se pot determina, folosind metodelesugerate n figura 11.18, urmtoarele dependene:

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    249

    curbele izocronice tensiune deformaie, care permit stabilireadeformaiei dup o anumit durat de expunere la o solicitare dat;

    curbele izometrice tensiune timp, care permit stabilirea timpuluidup care deformaia atinge o anumit valoare la o solicitare dat;

    curbele modulului de fluaj Ef(), care, pentru o tensiune constant, sedetermin cu relaia:

    )(

    )( =fE , (11.10)

    n care () este valoare deformaiei epruvetei solicitate cu tensiunea , dup odurat de solicitare.

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

    Criteriile dup care se apreciaz scoaterea din uz a pieselor din materialepolimerice depind de tipul materalului i de rolul funcional al piesei. Acestecriterii pot fi:

    ruperea, n cazul materialelor fragile; creterea pronunat a deformaiilor (fluajul accelerat);

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    250

    atingerea unei deformaii critice (a crei valoare este uzual sub 1%); apariia unor microfisuri sau modifcarea culorii (albirea suprafeei).Duratele ncercrilor de laborator sunt rareori apropiate de cele reale

    deoarece duratele de serviciu n unele cazuri depesc 50 de ani (de exemplureelele de conducte). n aceste situaii se aplic metode speciale de extrapolare arezultatelor obinute prin ncercri la durate mai mici (de obicei 6 luni sau 1 an).

    11.5. Principalele tipuri de materiale polimerice

    11.5.1. Aditivii materialelor polimerice

    n practic se utilizeaz materiale pe baz de polimeri care conin i altesubstane introduse n scopul mbuntirii anumitor proprieti i/sau al reduceriicostului; materialele care au la baz polimeri termoplastici sau polimeritermorigizi sunt cunoscute sub denumirea generic de materiale ( mase) plastice.

    Principalele tipuri de substane introduse n polimerii de baz sunturmtoarele:

    plastifianii, care micoreaz interaciunea dintre catene, astfel csegmentele de lanuri moleculare devin mai mobile i comportarea vscoelasticse mbuntete;

    agenii de reticulare, care creaz puni de legtur ntre catene iastfel se mbuntesc proprietile de elasticitate i de rezisten; pornind de laacelai polimer n funcie de gradul de reticulare se pot modifica proprietile nlimite foarte largi;

    materialele de umplutur, care nu reacioneaz de obicei cupolimerul de baz, ci se distribuie uniform prin amestecare mecanic n masa debaz i contribuie astfel la creterea rezistenei mecanice; se utilizeaz n modcurent ca materiale de umplutur talcul, praful de cret, caolinul, rumeguul delemn, fibre textile sau celulozice etc.; negrul de fum (particule sferice de carboncu structur hexagonal) utilizat i el ca material de umplutur are i rol activnfluennd gradul de reticulare;

    coloranii, care introdui n materialele polimerice le coloreaz nmas prin amestecare mecanic.

    Pe lng aceste categorii de substane care nu lipsesc din nici un materialplastic, se mai introduc n funcie de scop i alte categorii de substane cum ar fi:antistaticele, pentru reducerea electrizrii prin frecare, ignifuganii, pentrureducerea inflamabilitii, lubrifianii, pentru uurarea prelucrrii, fungicidele,pentru creterea rezistenei la atacul ciupercilor, antioxidanii, pentru creterea

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    251

    rezistenei la mbtrnire a materialelor polimerice etc.Pe baza celor artate se poate explica diversitatea extrem de mare a

    maselor plastice utilizate n prezent de societatea omeneasc. O ncercare degrupare a celor mai utilizate tipuri dup criteriul costului i al proprietilor esteprezentat n figura 11.19, n care pentru costul relativ s-a luat ca baz (Cr = 1)costul polietilenei, unul dintre cei mai utilizai polimeri.

    Fig. 11.19. Principalele categorii de mase plastice

    11.5.2. Materialele termoplaste

    n aceast categorie sunt incluse materialele plastice la care polimerul debaz este un termoplast; principalele termoplaste i caracteristicile lor maiimportante sunt prezentate n tabelul 11.3.

    Dup structura lanului molecular, termoplastele pot fi grupate n doucategorii:

    polimeri la care linia principal a lanului molecular este formatnumai din atomi de carbon, atomii diferii sau radicalii atandu-se prin legturilaterale; din aceast categorie fac parte: poliolefinele (PE, PP), polimerii vinilici(PVC, PS), polimerii acrilici (PAN, PMMA) i fluoroplastele (PTFE);

    polimeri care au n componena liniei principale a lanului i ali atomi(de obicei N, O, Si) sau cicluri benzenice; din aceast categorie fac partepoliesterii (PET, PBT), poliamidele (PA), policarbonaii (PC), acetalii (POM) etc.

  • Tabelul 11.3. Principalele caracteristici ale unor materiale termoplaste

    Denumirea materialului Simbol , kg/m3E,

    N/mm2Rm,

    N/mm2Ar,%

    Tv,oC

    Tc,oC Observaii

    Polietilen de joas densitate PELD 910940 120500 516 200600 75 115 cristalinizat 4055 %elastic, rezistent

    Polietilen de mare densitate PEHD 950965 4201400 2040 7001300 75 130 cristalinizat. 6080 %elastic rezistent

    Polipropilen PP 900910 5001900 3050 2001000 10 170 cristalinizat. 6070 %mai rigid dect PEPolistiren PS 10401100 28003500 2050 575 85100 125 amorf; dur i fragil

    Policlorur de vinil rigid PVC dur 1360...1400 15003500 4060 1050 75105 175212amorf; rigid, sensibil la

    zgrieturi

    Policlorur de vinil plastifiat PVCPmoale 1150...1250 1030 200500 40 150compus vinilic amorf;

    flexibil, elasticPolimetacrilat de metil(plexiglas) PMMA 11801220 27003500 6080 410 90105 225

    amorf; rigid dur i rezistent lazgrieturi

    Policarbonat PC 1150...1250 2350...2450 5070 80120 150 230 amorf; rigid i rezistent la oc

    Poliamida 66 (Nylon 66) PA 66 1120...1180 9002800 5080 4060 55 250 cristalinizat < 60 %; dur,rezistent i rigid

    Polioximetilena (acetal) POM 1370...1430 30003500 6070 3575 50 170 cristalinizat < 75 %; rigid,elastic, rezistentPolietilen teraftalat(rin poliesteric) PET 13201390 20002500 4060 1002300 73 255

    amorf sau cristalinizat3040%; stabil dimensional

    Politetrafluor etilena(teflon) PTFE 21002250 350800 2040 250500 85...125 330

    cristalinizat < 70 %;coeficient de frecare redus

    Poliacrilonitril(rin acrilic) PAN 1100...1200 35004000 5060 35 107 320

    compus acrilic; se trage uorn fibre

    Acrilonitril/butadien /stiren ABS 10401700 9002800 2060 10140 125

    amestec de butadien-stiren(elastomer) i stiren-acrilonitril

    (termoplast)

    Acetat de celuloz (celuloid) CA 1250...1350 8002400 2550 5100 120

    modificaie chimic acelulozei (polimer natural)

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    253

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

    Fig. 11.20. Domeniile de stare ale unor materiale termoplasteTermoplastele se utilizeaz ca materiale structurale n tehnic datorit

    caracteristicilor mecanice de rezisten relativ bune i caracteristicilor detenacitate care n unele cazuri sunt foarte bune, ceea ce face ca piesele realizate sfie rezistente la ocuri. Proprietatea lor de a putea suferi renclziri n domeniul decurgere de un numr nelimitat de ori n vederea prelucrrii contribuie, deasemenea, la extinderea utilizrii lor. Principalele dezavantaje sunt legate detemperaturile relativ sczute pn la care pot fi utilizate (v. tabelul 11.3) Excepie

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    254

    fac fluoroplastele (teflonul), care, datorit structurii lanului (atomii de H dinlanul polietilenei sunt nlocuii de atomi de F), au stabilitate pe un interval marede temperaturi (v. tabelul 11.3); deoarece proprietile lor de curgere sunt slabe, seprelucreaz prin metodele metalurgiei pulberilor (v. cap.13).

    Termoplastele se utilizeaz n tehnic pentru conducte, piese cu solicitrimoderate i supuse la ocuri, lagre, angrenaje, materiale electroizolante etc.

    11.5.3. Materialele termorigide

    Proprietile caracteristice maselor plastice termorigide (numite iduroplaste) sunt date de structura reticular a polimerului de baz care intr ncompoziia lor. Starea iniial a acestor polimeri obinui prin policondensare estede polimerizare incomplet, cu catene ramificate; n timpul fabricrii obiectelor seproduce reticularea spaial prin intermediul legturilor principale ale lanurilormoleculare prin activare termic sau prin activare chimic (introducerea unuiagent de ntrire), astfel c dup prelucrare materialul capt proprieti derezisten i duritate ce se menin la o renclzire ulterioar pn la temperatura dedescompunere. Principalele tipuri de materiale polimerizate termorigide i ctevacaracteristici ale lor sunt prezentate n tabelul 11.4.

    Tabelul 11.4. Principalele caracteristici ale unor polimeri termorigizi

    Polimerul ,kg/m3Rm,

    N/mm2E,

    kN/mm2 Ar, % Caracterizare

    Fenoplaste ( PF) rinifenol formaldehidice(bachelitice)

    1250 3555 5,27,0 1,25

    * dure, fragile, culoare nchis,higroscopice i nerezistente la apfierbinte; utilizate pentru piesepresate sau turnate, ca matricepentru materiale compozite

    Aminoplaste (UF) -rini ureo- aldehidice 1550 3570 710 0,75

    * dure, fragile, culoare deschis;utilizate ca rini pentru presare ilaminare, adezivi, forme de turnareetc.

    Melamine (MF) rinimelamin-formaldehidice 1700 3565 67

    * proprieti asemntoare cu aleUF, dar mai puin sensibile lazgriere; utilizate ca materialele deacoperire

    Rini poliestericenesaturate (UP) 1250 4090 6,28,3 3

    * dure i fragile pn la elastice nfuncie de gradul de reticulare;utilizate ca rini de presare

    Rini epoxidice (EP) 1200 5070 6,57,5

    * dure i fragile pn la elastice,rezistente la oc, stabiledimensional; utilizate ca rini deturnare, adezivi, matrice pentrucompozite

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    255

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

    11.5.4. Materialele elastomerice (cauciucurile)

    Sunt substane macromoleculare a cror capacitate de deformare elastic sebazeaz pe structura constituit din lanuri moleculare lungi, ncolcite i slabreticulate aa cum a fost artat anterior (v.scap. 11.4.1 i fig. 11.8). Elasticitatealor asemntoare cauciucului natural (poliizopren) a fcut ca denumirea decauciuc s devin generic i s fie alturat denumirii elastomerului de baz(de exemplu, cauciuc nitrilic, cauciuc acrilic, cauciuc butilic etc.). n tabelul 11.5se prezint elastomerii utilizati mai frecvent i cteva din caracteristicile acestora.

    Reticularea slab a elastomerilor (aa numita vulcanizare) este un procesactivat termic (ti = 120150 oC), ce const din ruperea unor legturi duble dinlinia principal a lanului i realizarea unor legturi ntre lanurilemacromoleculare prin puni constituite din atomi sau grupuri de atomi ai agenilorde reticulare (n mod uzual sulf, peroxizi sau amine), introdui n masaelastomerului, mpreun cu ali aditivi, n timpul proceselor tehnologice defabricare a produselor.

    n figura 11.21 se prezint reacia de vulcanizare cu sulf a cauciucului natural;gradul de reticulare i implicit caracteristicile de rezisten i elasticitate suntdependente de cantitatea de sulf; pentru cauciucurile uzuale se adaug 45 % sulf,ceea ce provoac desfacerea a cca 1030 % din legturile duble i legarea lanurilorprin puni de sulf, iar dac se introduce 45 % sulf, reticularea este complet,obinndu-se un material dur i fragil cunoscut sub numele comercial de ebonit.

    Materialele de umplere (negrul de fum, pulberea de silice (SiO2), talcul ipraful de cret etc.) au rolul de a mbunti rezistena mecanic i de a ieftiniprodusele. Aditivii cei mai importani introdui mpreun cu materialele deumplere n cazul elastomerilor sunt antioxidanii, deoarece oxigenul i ozonulacioneaz n timp la fel ca ageni de reticulare, ceea ce are ca efect scdereaelasticitii i fragilizarea materialului.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    256

    Fig. 11.21. Schema procesului de vulcanizare a cauciucului natural cu sulf

    Tabelul 11.5. Caracteristicile principale ale unor elastomeri

    Temperaturi de exploatareElastomerul Grupa Rm,N/mm2 Ar, % ctmax , oC

    itmax , oC tmin, oCCauciuc natural (NR) 425 100600 60 100 3060Butadien stiren (SBR) 425 100500 70 100 2050Cauciuc butilic (IIR) 415 100800 80 140 1040Cauciuc nitrilic (NBR) 418 100400 70 130 1050Cloropren (CR)

    R

    420 100500 70 130 2050Polietilen clorosulfonat(CSM) 412 100500 80 150 2040

    Elastomeri polifluorurati (FPM)M

    715 100200 175 250 2040Cauciuc poliuretanic (EU) U 1530 100800 60 80 020Cauciuc siliconic (Q) Q 310 100400 200 275 5080

    ctmax temperatura maxim de serviciu la expunere continu;itmax temperatura maxim de serviciu la expunere inermitent;

    Dup tipul lanului macromolecular elastomerii se mpart n patru grupe: grupa R cuprinde polimerii cu lan nesaturat ale cror proprieti se

    modific prin reticulare; grupa M cuprinde polimerii cu lan saturat; grupa U cuprinde poliuretanii; grupa Q cuprinde cauciucurile siliconice.Exemple de elastomeri din fiecare grup sunt date n tabelul 11.5, din care

    rezult c particulariti deosebite din punct de vedere al temperaturilor deserviciu prezint siliconii. Acestea sunt materiale polimerice la care liniaprincipal a lanului molecular este lanul siloxanic, a crui structur esteprezentat n figura 11.22 a; valenele libere ale lanului siloxanic pot ficompletate cu radicali organici, obinndu-se diferite tipuri de materialepolimerice, numite generic polisiloxani, care pot fi liniari (v. fig. 11.22 b) saureticulai (v. fig. 11.22 c).

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    257

    Fig. 11.22. Structura chimic a siliconilor:a lanul siloxanic; b polisiloxan cu molecule liniare; c polisiloxan reticulatMaterialele pe baz de siliconi fac parte din categoria materialelor plastice

    de nalt performan (v. fig. 11.19), deoarece mbin proprietile de elasticitateale materialelor organice cu stabilitatea termic i chimic a materialeloranorganice (de exemplu, pentru durate scurte, pot fi utilizate i la temperaturi de800 oC); din acelai motiv i menin proprietile de elasticitate ntr-un intervalmare de temperaturi, sunt neinflamabile, nehigroscopice, nu dezvolt gaze toxiceprin ardere i ader la suprafeele metalice, fiind utilizate n industria aerospaial,la realizarea echipamentelor pentru zonele arctice etc. n funcie de tipulradicalilor ataai lanului siloxanic, de gradul de polimerizare i de gradul dereticulare, siliconii se pot prezenta sub form de materiale rigide, elastomeri(cauciuc siliconic), geluri, lacuri sau uleiuri siliconice.

    Cuvinte cheie

    agent de reticulare, 235, 250alungire la limita de curgere, 245aminoplaste, 254antioxidant, 250antistatic, 250atactic, 233atmosfer standard, 241condiionarea epruvetelor, 241configuraie, 233conformaie, 233constant de relaxare, 239copolimer, 233

    statistic, bloc, grefat, 235cristalite, 234curba modulului de fluaj, 249curb termo-mecanic, 236curbe izocronice, 249curbe izometrice, 249

    dendrimer, 233disproporionare, 231duritate Barcol, 247duritate Shore, 246elastomeri, 237fenoplaste, 254fibril, 235formare epruvete, 242funcionalitate, 231grad de cristalinitate, 234grad de polimerizare, 230homopolimer, 233izotactic, 233lan molecular (caten), 229lan siloxanic, 256mas molecular, 230material de umplutur, 250material elastomeric (cauciuc), 255

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    258

    melamine, 254monomer, 229plastifiant, 250poliadiie, 232policondensare, 232polidispersie, 230polidispersitate, 231polietilen, 229polimer, 229polimer reticulat, 235polimerizare, 231rini epoxidice, 254rini poliesterice, 254reacie n lan, 232reacie n trepte, 232relaxarea tensiunilor, 241

    reziliena, 247rezisten Dynstat la oc, 248rezisten Izod la oc, 248segment de lan molecular, 233sferulit, 235silicon., 256sindiotactic, 233steroizomer, 233structur amorf, 234temperatur de curgere, 236termoplaste, 237termorigide (duroplaste), 237tranziie sticloas (vitroas), 236vscoelasticitate, 239vulcanizare, 255

    Bibliografie

    1. Constantinescu D, Vasilescu D.S. i Ciocea N. Stiina materialelor,Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983

    2. Krawczak P. Essais mecaniques des plastiques, Techinques de lIngenieur,AM 3510, Paris, 1999

    3. Mitelea I., Lugsheider E., Tillmann W. Stiina materialelor n construciade maini, Editura Sudura, Timioara 1999

    4. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic iPedagogic, Bucuresti, 1995

    5. Shackelford J., Introduction to Materials Science for Engineers,Macmillan Publishing Company, New York, 1988

    6. Smith Ch. O. The Science of Engineering Materials, Printice Hall, Inc.New Jersey, 1986

    7. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, SixtEdition, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989

    8. Zecheru Gh. Tehnologia materialelor, partea a doua, IPG Ploiesti, 19859. * * * Htte, Manualul inginerului. Fundamente, Editura Tehnic,

    Bucureti, 199510. * * * Culegere de standarde romne comentate CSCM Mp4, Materiale

    plastice. Terminologie i metode de analiz i ncercri, OIDCM,Bucureti, 1998

    11. * * * Culegere de standarde romne comentate CSCM Mp5, Materialeplastice. Materiale termoplastice i materiale termorigide, OIDCM,Bucureti, 1998

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    259

    Teste de autoevaluare

    T.11.1. Care dintre urmtoarele afirmaii despre polimeri sunt adevrate:a) sunt substane organice micromoleculare care conin mai multe componente;b) sunt compui chimici (n marea majoritate a cazurilor organici) cu moleculede dimensiuni mari; c) numrul de monomeri din lanul macromolecularreprezint gradul de polidispersie molecular; d) numrul de uniti structurale dinlanul macromolecular reprezint gradul de polimerizare?

    T.11.2. Care dintre afirmaiile urmtoare despre reacia de polimerizaresunt advrate: a) este o reacie n trepete care necesit activare energetic lafiecare secven; b) este o reacie n lan ce se iniiaz n prezena unei substaneintroduse special n acest scop; c) prin polimerizare se obin substane a crorcompoziie chimic difer de a monomerilor din care provin; d) n timpulprocesului de cretere a catenelor ambele capete ale lanului sunt libere?

    T.11.3. Cum se realizeaz ntreruperea reaciei de polimerizare: a) prinintroducerea unui radical care reacioneaz cu monomerii liberi i consumenergia necesar continurii reaciei de polimerizare; b) prin unirea capetelorlibere a dou catene; c) prin rcirea brusc a amestecului de reacie; d) printransferul de la un lan la altul a unui unui atom de H care reface legtura dublC = C a monomerului?

    T.11.4. Prin ce se caracterizeaz reacia de policondensare: a) este procesulprin care dou molecule organice diferite reacioneaz pentru formarea uneimolecule complexe; b) este procesul prin care dou molecule organice identicereacioneaz pentru formarea unei molecule complexe; c) polimerii obinui prinpolicondensare au compoziie chimic diferit de a monomerilor din care provin;d) creterea lanului macromolecular se realizeaz prin formarea de noi legturi nurma reaciilor de condensare (reacie n trepte)?

    T.11.5. Prin ce se caracterizeaz reacia de poliadiie: a) este procesul princare dou molecule organice identice reacioneaz pentru formarea unei moleculecomplexe; b) este o reacie n lan la fel ca polimerizarea; c) este o reacie n treptecare decurge fr eliminarea unei substane cu molecula mic; d) polimerii care seformeaz prin poliadiie au de obicei n lanurile principale i ali atomi dectcarbonul?

    T11.6. Care dintre afirmaiile urmtoare despre copolimeri sunt adevrate:a) sunt rezultatul unirii unor monomeri de acelai tip; b) sunt rezultatul unirii nlanul macromolecular a unor monomeri diferii; c)dup dispunerea monomerilorpot fi copolimeri statistici, copolimeri grefai i copolimeri bloc; d) dup

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    260

    dispunerea monomerilor pot fi: steroizomeri, copolimeri atactici sau copolimeriisotactici?

    T.11.7. La ce se refer noiunea de configuraie n cazul structuriipolimerilor: a) la relaia de ordine a unitilor structurale n cadrul lanuluimacromolecular dat de legturile chimice; b) la forma pe care o capt lanurilemacromoleculare; c) la gradul de ramificare a catenelor; d) la numrul iradicalilor liberi din unitatea structural?

    T.11.8. Care sunt tipurile de polimeri dup modul de dispunere a grupelorlaterale fa de lanul principal: a) polimeri isotactici, polimeri statistici i polimerigrefai; b) polimeri isotactici, polimeri atactici i polimeri sindiotactici; c) polimeriliniari, polimeri reticulai i polimeri cristalini?

    T.11.9. La ce se refer noiunea de conformaie n cazul structuriipolimerilor: a) la relaia de ordine a unitilor structurale n cadrul lanuluimacromolecular; b) la ordonarea pe anumite zone prin alinierea unor segmente delan; c) la poziia relativ a doi monomeri vecini realizat prin rotirea n jurullegturii simple dintre atomii de carbon; d) la distribuia monomerilor diferii ncadrul lanului macromolecular?

    T.11.10. La ce se refer noiunea de sferulit n cazul structuriipolimerilor: a) la formaiunile structurale constituite prin ncolcirea unui lanmolecular; b) la forma moleculelor monomerilor din componena catenelor; c) laforma cristalitelor rezultate prin presare; d) la zonele cu structur complex ce cerezult prin prin unirea mai multor fibrile n jurul unui nucleu?

    T.11.11. Care dintre afirmaiile urmtoare despre termoplaste suntadevrate: a) sunt substane macromoleculare cu structura liniar sau ramificat,complet amorf sau parial cristalin; b) pot fi nclzite n vederea prelucrrii osingur dat; c) se utilizeaz numai n stare vitroas; d) pot fi nclzite n vedereaprelucrrii de un numr nelimitat de ori ?

    T.11.12. Care dintre afirmaiile urmtoare despre termorigide sunt adevrate:a) sunt substane macromoleculare cu structura ramificat; b) sunt substanemacromoleculare cu grad mare de reticulare; c) se prelucreaz ntr-o stare depolimerizare incomplet; la o renclzire ulterioar nu se mai atinge starea vscoas?

    T.11.13. Cum se comport elastomerii la nclzire: a) odat cu cretereatemperaturii deformarea elastic se produce la solicitri mai mici; b) are locnmuierea prin reducerea pronunat a vscozitii; c) i menin proprietile naltelastice pn aproape de descompunere; d) se durific pe msur ce cretetemperatura prin creterea gradului de reticulare?

    T.11.14. Care dintre mecanismele prin care se produce deformareapolimerilor sunt caracteristice termoplastelor i elastomerilor: a) ndreptarea,catenelor; b) ruperea legturilor intermoleculare; c)desfurarea i decuplarea

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    261

    catenelor; d) alunecarea relativ a catenelor?T.11.15. Care dintre mecanismele prin care se produce deformarea

    polimerilor sunt caracteristice termorigidelor: a) alunecarea relativ a catenelor;b) modificarea distanelor dintre monomeri; c) decuplarea catenelor; d) ruperealegturilor intermoleculare?

    T.11.16. Care dintre afirmaiile urmtoare despre vscoelasticitate suntadevrate: a) este capacitatea polimerilor de a-i menine deformaia elastic lareducerea vscozitii; b) reprezint capacitatea polimerilor de a cpta deformaiielastice variabile n timp sub aciunea solicitrilor constante; c) materialul cucomportare vscoelastic se deformeaz la solicitare constant pn la atingereaunei stri staionare; d) materialul cu comportare vscoelastic se deformeaz lasolicitare constant pn la rupere?

    T.11.17. n ce domeniu de temperaturi variaz puternic modulul deelasticitate E: a) la temperaturi T < Tv; b) la temperaturi T > Tc; c) la temperaturit < ta; d) la temperaturi Tv < T >Tc?

    T.11.18. La care tip de polimeri se nregistreaz variaia cea mai mare amodulului de elasticitate E cu temperatura: a) la polimerii cu grad mare decristalinitate; b) la polimerii puternic reticulai; c) la polimerii nereticulai; d) lapolimerii cu structur complet amorf?

    T.18.19. n ce condiii are loc relaxarea tensiunilor n cazul polimerilor: a)n cazul solicitrilor la care deformaiile i temperatura se menin constante; b) ncazul solicitrilor la temperatur variabil; c) n cazul meninerii constante atemperaturii i a forelor exterioare; d) n cazul creterii temperaturii i menineriiconstante a forelor exterioare?

    T.11.20. La ce se refer noiunea de condiionare a epruvetelor pentruncercri mecanice: a) la prelucrarea mecanic n condiii care s asigure oanumit precizie i rugozitate a suprafeelor; b) la realizarea epruvetelor prinpresare n condiii standardizate; c) la meninerea epruvetelor ntr-o atmosferstandard o durat suficient pentru atingerea echilibrului termic i higrometric?

    T.11.21. Care sunt caracteristicile mecanice determinate prin ncercarea latraciune ce prezint importan pentru proiectarea pieselor din materialepolimerice: a) rezistena la traciune Rm; b) alungirea procentual la curgere Ac;c) alungirea procentual la rupere Ar; d) limita de curgere aparent Re?

    T.11.22. Care dintre afirmaiile urmtoare despre metoda Shore dedeterminare a duritii polimerilor sunt adevrate: a) metoda se bazeaz peutilizarea unui penetrator tronconic sau conic ce este apsat de un resort calibratpe suprafaa probei; b) se msoar diametrul urmei lsate de penetrator pesuprafaa probei i se calculeaz duritatea ca raport dintre fora de apsare i ariaurmei; c) se msoar adncimea de ptrundere iar scala de duritate Shore are 100

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    262

    de uniti, valoarea 0 corespunznd ptrunderii totale a penetratorului; d) duritateaShore este o mrime convenional ce poate fi utilizat numai ca un criteriu derecepie a materialelor?

    T.11.23. Care dintre afirmaiile urmtoare despre metoda Izod de ncercarela ncovoiere prin oc sunt adevrate; a) se utilizeaz aceeai schem de solicitareca la ncercarea Charpy, epruvetele fiind diferite; b) const din ruperea uneiepruvete cu cresttur ncastrat la unul din capete printr-o lovitur cu un ciocanpendul aplicat la captul liber fie pe faa cu cresttur fie pe faa opuscrestturii; c) caracteristica mecanic determinat este rezistena Izod la oc,definit ca fiind energia absorbit prin ruperea epruvetei i exprimat n J;d) caracteristica mecanic determinat este rezistena Izod la oc, definit la fel careziliena n cazul metodei Charpy i exprimat n J/m2?

    T.11.24. Care dintre afirmaiile urmtoare despre ncercrile la fluaj alepolimerilor sunt adevrate: a) ncercrile sunt mai frecvente n cazul polimerilordect n cazul materialelor metalice; b) ncercrile se efectueaz numai prinsolicitarea la traciune la temperaturi ridicate; c) ncercrile se efectueaz prinsolicitarea la traciune sau la ncovoiere; d) ncercrile se efectueaz de cele maimulte ori n condiii de atmosfer standard normal 23/50?

    T.11.25. Care dintre urmtoarele mase plastice aparin termoplastelor:a) polietilena; b) poliamidele; c) aminoplastele; d) polistirenul?

    T.11.26. Care dintre urmtoarele mase plastice aparin termoplastelor:a) rinile acrilice; b)fenoplastele; c)policarbonaii; d) siliconii?

    T.11.27. Care dintre urmtoarele mase plastice aparin termorigidelor:a) fenoplastele; b)poliuretanii liniari; c) rinile alchidice; d) siliconii?

    T.11.28. n care dintre enumerrile urmtoare polimerii sunt n ordineacresctoare a modulului de elasticitate (valoarea medie a intervalului de variaie):a) PE-LD, PP, PTFE, PET, PAN; b) PP, PAN, PE-LD, PET, PTFE; c) PE-LD,PTFE, PP, PET, PAN; d) PTFE, PAN, PE-LD, PET, PP?

    T.11.29. n care dintre enumerrile urmtoare materialele termoplaste suntn ordinea cresctoare temperaturii de vitrifiere: a) PEHD, PVCP, PET, ABS,PC; b) PEHD, PET, PVCP, PC, ABS; c) PEHD, PP, PA66, PMMA, ABS; d)UP, PVCP, PET, ABS ,EP, MF?

    T.11.30. n care dintre enumerrile urmtoare materialele plasticetermorigide sunt n ordinea descresctoare a rezistenei la rupere Rm: a) UF, MF,EP, UP, ABS; b) UP, EP, UF, MF, PF; c) POM, UF, MF, UP, ABS; d) UP, PP,PC, UF, MF,?

    T.11.31. n care dintre enumerrile urmtoare materialele elastomerice suntn ordinea cresctoare a temperaturii maxime de serviciu la expunere continu: a)CR, IIR, NR, FPM; b) NR, CR, IIR, Q; c) EU, NBR, CSM, FPM; d) EU, CR,CSM, Q?

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    263

    Aplicaii

    A.11.1. S se calculeze gradul de polimerizare a unui lot de polietilen demare densitate PEHD pentru care s-a determinat experimental o masmolecular medie de 90000 g/mol

    RezolvareGradul de polimerizare n se determin cu relaia (11.1), calculnd mai nti

    masa monomerului etilen (C2H4) cu datele din tabelul 1.1 (v. cap.1):

    42 HCM = 212,01 + 41,01 = 28,06 g/mol ; aplicnd relaia (10.1), se obine:

    320706,28

    90000=n .

    A.11.2. Determinrile experimentale de mas molecular asupra unei probede polimer au condus la datele prezentate n coloanele 1 i 2 ale tabelului 11.6;utiliznd aceste date, s se calculeze masa molecular medie n funcie de fraciamasic ( mM ) i masa molecular medie n funcie de fracia numeric ( nM ).

    Tabelul 11.6. Datele iniiale i rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.11.2

    Intervalul maselormoleculare, g/mol

    Numrul delanuri Ni

    Masa molecularmedie pe interval

    Mi, g/molii MN 2ii MN

    (0 ; 10000] 330 5000 495104 0,8251010

    (10000 ; 20000] 1600 15000 240105 361010

    (20000 ; 30000] 2400 25000 600105 1501010

    (30000 ; 40000] 700 35000 245105 85,751010

    (40000 ; 50000] 150 45000 675104 30,3751010

    RezolvarePentru calculul celor dou mrimi prin care se poate caracteriza masa

    molecular medie a polimerului se utilizeaz relaiile (11.2) i (11.3); secalculeaz mai nti masa molecular medie Mi pentru fiecare interval, produseleNiMi i 2ii MN i se completeaz coloanele corespunztoare din tabelul 11.6

    Cu valorile astfel determinate, rezult: = 5180iN ; = 41012020ii MN ; 102 10303iiMN .Aplicnd relaiile (11.2) i (11.3) rezult :

    252081012020

    103034

    10

    =mM g/mol i 2320551801012020 4

    =nM g/mol.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    264

    A.11.3. O band de cauciuc cu (seciunea dreptunghiular) este supus latraciune, astfel nct n band se genereaz tensiuni normale de ntindere0 = 11 N/mm2, dup care capetele benzii se fixeaz. Banda se menine n aceaststare la ta o durat 0 = 2 zile, dup acest timp tensiunile din band atingndnivelul 1 = 5,5 N/mm2. S se determine constanta de relaxare a tensiunilor pentruaceast band i intensitatea tensiunilor din banda de cauciuc dup meninerea npoziia ntins o durat 1 = 90 zile.

    RezolvareConstanta de relaxare a tensiunilor pentru banda de cauciuc se poate

    determina cu ajutorul relaiei (11.6), prelucrat, innd seama de datele din

    enunul aplicaiei, sub forma:

    1

    0

    0

    ln

    =rt ; nlocuind datele din enun se obine

    6,60

    5,511ln

    42==rt zile. Dup meninerea benzii n poziie ntins o durat 1 = 90 zile,

    tensiunile se relaxeaz la nivelul 5,211 6,6090

    0

    1

    ==

    ee rt

    N/mm2, acelai

    rezultat putnd fi obinut i astfel: 5,25,5 6,604290

    1

    01

    ==

    ee rt

    N/mm2.A.11.4. Relaia dintre viteza de relaxare a tensiunilor din materialele

    polimerice i temperatur este de tip Arrhenius:

    TkE

    rTr B

    a

    oevv

    = , (11.11 )

    n care 0rv este o valoare de referin a vitezei de relaxare, dependent de tipul

    materialului, Ea energia de activare a procesului de relaxare, kB = 13,81.1024J/K, iar T temperatura materialului (n K). a) S se determine valorile constanteide relaxare a tensiunilor la t1 = 20 oC, la t2 = 25 oC i la t3 = 30 oC pentru o bandde cauciuc, tiind c n aceasta s-a generat o tensiune de ntindere 0 = 12 N/mm2,care s-a relaxat la nivelul 1 = 6 N/mm2, dup meninerea barei o durat1 = 60 zile la t1=20 oC sau o durat 2 = 50 zile la t2 = 25 oC. b) S se determinenivelul tensiunilor din bar, dup meninerea ei (n stare ntins) o durat3 = 40 zile la t3 = 30 oC.

    Rezolvarea) Aplicnd relaia (11.6), ca la rezolvarea aplicaiei A.11.3, pentru datele

    din enun, rezult:

  • Capitolul 11 Structurile i proprietile polimerilor

    265

    6,86

    612ln

    60

    ln1

    011

    ===

    Trt zile; 1,72

    612ln

    50

    ln1

    022

    ===

    Trt zile, 1Trt i 2

    Trt fiind

    constantele de relaxare a tensiunilor la t1 = 20 oC (T1 = 293 K) i t2 = 25 oC (T2 = 298 K).Viteza de relaxare a tensiunilor este invers proporional cu durata

    meninerii materialului la o temepratur T i, ca urmare, se pot scrie

    relaiile:Trt

    Tr Cv

    1= ,

    0

    10

    CvTr = , C i 0 fiind constante, iar Trt constanta de

    relaxare la temperatura T. n aceste circumstane, relaia (11.11) devine:

    Tk

    Ee

    B

    aTrt 0 = . (11.12)

    Considernd datele din enunul aplicaiei, corespunztoare relaxriitensiunilor la temperaturile t1 = 20 oC i t2 = 25 oC, se obine sistemul de ecuaii(cu necunoscutele 0 i Ea):

    01

    1ln

    TrtBa TkE =

    02

    2ln

    TrtBa TkE = ;

    pentru aplicaia considerat, acest sistem are soluia:

    =

    =

    2

    1ln

    11

    21

    T

    TrtB

    a

    rtTT

    kE

    2024

    103,41,722,86ln

    2981

    2931

    108,13

    =

    J, i

    12

    21

    22 lnln

    0TTTT Trt

    Trt

    e

    =

    = 00156,056,86ln2931,72ln298

    =

    e zile

    Constanta de relaxare a tensiunilor la t3 = 30 oC (T3 = 303 K) are valoarea:

    30

    3

    TkE

    eB

    aTrt = = zilee 6,4500156,0

    303108,13103,4

    24

    20

    =

    b) Tensiunile din banda de cauciuc meninut o durat 3 = 40 zile lat3 = 30 oC (T3 = 303 K) vor fi:

    4,512 7,4940

    0333

    ==

    eeTrt

    N/mm2.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    266

    A.11.5. Cristalele moleculare de polietilen (polietilena cu gradul decristalinitate 100%) au densitatea 100 = 1010 kg/m3, polietilena comercial dejoas densitate PELD are densitatea PE-LD = 920 kg/m3, polietilena comercialde nalt densitate PEHD are densitatea PE-HD = 960 kg/m3, densitateapolietilenei necristalizate este 0 = 900 kg/m3. S se estimeze gradele decristalinitate ale PE-LD i PE-HD.

    RezolvareConsidernd c densitatea polietilenei crete liniar cu gradul de

    cristalinitate X, rezult:

    0100

    0100

    =XX (11.13)

    Aplicnd aceast relaie se obine pentru cazurile considerate n enunulaplicaiei:

    %189001010900920100 =

    =LDPEX i %559001010

    900960100

    =HDPEX

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    267

    Capitolul 12

    STRUCTURILE I PROPRIETILEMATERIALELOR COMPOZITE

    12.1. Introducere

    Materialele compozite reprezint o clas modern de materiale custructura eterogen, alctuit din dou sau mai multe materiale componente, caresunt puternic legate ntre ele i conlucreaz eficient pentru a conferi ansambluluistructural caracteristici superioare celor proprii componentelor solitare. nfuncie de caracteristicile structurale, materialele compozite pot fi mprite n maimulte categorii:

    A. Materialele compozite cu granule (agregatele compozite) austructura alctuit dintr-un material matrice n care sunt nglobate granule(particule) din unul sau mai multe materiale. n aceast categorie sunt incluse:betonul, materialele dure, avnd structura alctuit din particule fine de carburimetalice (WC, TiC, TaC etc.) nglobate, n concentraii volumice de pn la 95 %,ntr-o matrice metalic (Co, Ni, Te etc.), cermeturile, avnd structura alctuitdintr-o faz oxidic ceramic (Al2O3, ZrO2 etc.) nglobat, n concentraiivolumice de pn la 80 %, ntr-o matrice metalic (Fe, Cr, Ni, Co, Mo etc.) imasele plastice aglomerate, avnd structura alctuit dintr-un materialmacromolecular de baz duroplast (rin fenolic, rin epoxidic etc.) sautermoplast (polimetacrilat de metil, polipropilen, poliamid, politetrafluoroetilenetc.) n care sunt nglobate particulele unui material de umplutur (rumegu delemn, acid salicilic fin dispersat, bile de sticl, pulberi metalice etc.).

    B. Materialele compozite stratificate au structura alctuit dintr-unmaterial suport dispus n straturi solidarizate cu un material de legtur(liant). n aceast categorie sunt incluse materialele organice stratificate,avnd structura alctuit din starturi multiple de material organic (hrtie,carton, lemn, materiale textile etc.) i liant (rin fenolic, rin

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    268

    melaminformaldehidic, rin ureoaldehidic etc.) i materialele metaliceemailate (materialele anorganico metalice), avnd structura alctuit din unulsau mai multe straturi de material oxido-silicatic depuse pe un suport metalic (deobicei, din oel sau font).

    C. Materialele compozite cu fibre au structura alctuit dintr-un materialde baz (matrice) n care sunt nglobate fibre individuale (scurte sau lungi,orientate sau neorientate), mpletituri de fibre sau straturi de fibre din diferitemateriale. Pentru majoritatea materialelor din aceast categorie matricea este unmaterial organic macromolecular (de obicei, un material duroplast, de tipulrinilor poliesterice nesaturate sau rinilor epoxidice), anorganic (ceramic pebaz de Al2O3, ciment sau beton) sau metalice (diverse metale sau aliaje), iarfibrele sunt polimerice (poliamide de tip Kevlar, Nylon sau Aramid), de sticl,ceramice (alumin, oxid de Be, carbur de B, carbur de siliciu, nitrur de siliciu),de carbon (grafit) sau metalice (W, Ta, Cr, Cu, Mo, Ni, Fe etc.), n prezent fiindfolosite frecvent fibrele fine (trihite, whiskers) cu structur de monocristaleperfecte din alumin, carbur de siliciu, fier sau grafit.

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

    Cele mai utilizate materiale din aceast categorie sunt compozitelepolimerice armate cu fibre de sticl, betonul armat i, ca material compozitnatural, lemnul.

    Imaginile structurilor ctorva materiale compozite folosite n tehnic suntprezentate n figura 12.1.

    12.2. Estimarea caracteristicilor fizico mecanice ale materialelor compozite

    Caracteristicile de utilizare ale materialelor compozite sunt determinateesenial de natura i intesitatea legturilor ce se realizeaz ntre materialelecomponente ale structurii acestora, care asigur conlucrarea (cooperarea) acestor

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    269

    componente. Ca urmare, cnd se analizeaz structura unui material compozit seiau n considerare att structurile materialelor componente, caracteristiciledistribuiei (dispunerii) acestor componente i raportul concentraiilor lor (masicesau volumice), ct i structurile zonelor de legtur (interfaciale) dintrematerialele componente; un material compozit este bine realizat, dac structurazonelor de legtur asigur conlucrarea perfect a materialelor componente aleacestuia, fapt care se poate deduce cu uurin comparnd imaginilemicrostructurilor prezentate n figura 12.2, care evideniaz dependena dintrecomportarea la rupere a unui material compozit de tip poliester armat cu fibre desticl i calitatea legturilor realizate ntre matrice i fibre.

    Fig.12.2. Imaginile microscopice ale suprafeelor de rupere la traciune ale unui materialcompozit de tip poliester armat cu fibre de sticl:

    a cu legturi insuficiente ntre matrice i fibre; b cu legturi puternice ntre matrice i fibrePentru a prezenta modul n care se pot estima caracteristicile

    fizico mecanice ale unui material compozit, n funcie de caracteristicilematerialelor componente i de raportul concentraiilor acestora n structuracompozitului, se consider, trei cazuri distincte: A. materialul compozit arestructura alctuit dintr-o matrice n care sunt nglobate fibre dispuse paralel ieste solicitat mecanic la traciune axial n lungul fibrelor; B. materialulcompozit are structura alctuit dintr-o matrice n care sunt nglobate fibredispuse paralel i este solicitat la traciune axial pe o direcie perpendicular pedirecia de dispunere a fibrelor; C. materialul este un agregat compozit solicitatla traciune monoaxial.

    A. Dac un material compozit alctuit dintr-o matrice (M) n care suntnglobate fibre (f) dispuse paralel este solicitat la traciune monoaxial n lungulfibrelor de o for Fc, care produce deformarea elastic a compozitului i amaterialelor sale componente, aa cum se arat n schema prezent n figura 12.3,comportarea sa poate fi descris astfel:

    deformaiile (alungirile) specificie (de natur elastic) ale matricei M,

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    270

    fibrelor f i compozitului C pe direcia de aplicare a forei Fc sunt egale: M = f = C , (12.1)aceast condiie (numit condiia de izodeformaie) fiind respectat datoritconlucrrii componentelor M i f, determinat de existena legturilor intimedintre ele;

    dac EM, Ef i EC sunt modulele de elasticitate longitudinal ale matricei,fibrelor i compozitului, iar M, f i C sunt tensiunile normale (pe direcia deaciune a forei Fc) generate de solicitarea mecanic n matrice, n fibre i ncompozit, se poate aplica legea lui Hooke i rezult relaiile:

    M

    MM E

    = ,

    f

    ff E

    = i

    C

    CC E

    = ; (12.2)

    fora Fc se distribuie pe M i f existente n structura compozitului, oparte FM fiind preluat de matrice i o parte Ff de fibre: Fc = FM + Ff; (12.3)

    dac seciunea (transversal) portant a compozitului are aria SC, iarfracia volumic a fibrelor n aceasta este vf, poriunea din SC ocupat de fibre arearia Sf = SCvf, iar poriunea din SC ocupat de matrice are aria SM = SC(1 vf) ise pot scrie relaiile: CSC = MSM + fSf C = M(1 vf) + fvf, (12.4) EC = EM(1 vf) + Efvf. (12.5)

    Fig. 12.3. Schema comportrii unui materialcompozit cu fibre dispuse paralel la traciune

    monoaxial n lungul fibrelor

    Fig. 12.4. Schema conlucrrii componentelorM i f ale unui material compozit supus la

    traciune monoaxial n lungul fibrelorRelaia (12.5) permite estimarea modulului de elasticitate longitudinal al

    unui material compozit, cunoscnd valorile modulelor de elasticitate longitudinalale materialele componente M i f. Aceast relaie este valabil dac fracia

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    271

    volumic a fibrelor n materialul compozit este suficient de mare pentru a fi respectatcondiia de izodeformaie (12.1). Aa cum sugereaz schema din figura 12.4,legturile dintre M i f asigur respectarea condiiei de izodeformaie numai ntr-ozon din jurul fiecrei fibre nscris ntr-un cilindru cu diametrul dm (numit zona deaciune a fibrei), materialul M din afara acestei zone putndu-se deforma liber; nconsecin, pentru ca orice poriune din M s aparin unei zone de aciune a uneifibre, compozitul trebuie s se caracterizeze printr-o densitate suficient de mare afibrelor (fracia volumic a fibrelor trebuie s fie suficient de mare).

    Dac materialul compozit este alctuit dintr-o matrice moale i plastic ifibre cu rezisten mecanic ridicat i plasticitate sczut (care se comportelastic pn la rupere), relaia (12.4) se poate adapta pentru estimarea rezistenei larupere a compozitului RmC n funcie de rezistena la rupere a fibrelor Rmf i derezistena convenional a matricei RmM: RmC = RmM(1 vf) + Rmfvf , (12.6)RmM fiind definit prin tensiunea care produce matricei o deformare specificegal cu cea la care survine ruperea fibrelor. Ca i relaia (12.5), relaia (12.6) estevalabil dac vf este suficient de mare. Diagrama prezentat n figura 12.5 justificaceast afirmaie, evideniind urmtoarele aspecte:

    dac materialul este lipsit de fibre (vf = 0), rezistena la ruperecorespunde rezistenei la rupere a matricei *mMR (

    *mMR > RmM, deoarece matricea

    este plastic i se deformeaz nainte de rupere mai mult dect fibrele); dac compozitul are vf mic, rezistena sa la rupere scade pe msur ce

    crete vf, deoarece o mare parte din materialul matricei se afl n afara zonelor deaciune ale fibrelor i se deformeaz liber, iar prezena fibrelor este echivalent cuexistena n material a unor goluri (defecte) care i diminueaz seciunea portant;

    efectul durificator al fibrelor se manifest dac fracia volumic a fibrelordepete valoarea critic vfcr, dat de relaia:

    mMmf

    mMmMfcr RR

    RRv

    =

    *

    . (12.7)

    Relaiile de forma (12.4) i (12.5) sunt valabile i pentru estimarea altorcaracteristici fizico mecanice ale materialelor compozite, cum ar fi: coeficientulde difuzie D, coeficientul de conductibilitate termic sau coeficientul contracieitransversale (Poisson) .

    B. Dac un material compozit alctuit dintr-o matrice (M) n care suntnglobate fibre (f) dispuse paralel este solicitat la traciune monoaxial de o forFc normal la fibre, care produce deformarea elastic a compozitului icomponentelor sale, aa cum se arat n schema prezentat n figura 12.6,comportarea sa poate fi descris astfel:

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    272

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

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

    orice element de volum din materialul compozit se deformeaz elastic pedirecia tensiunilor C, alungirea LC produs pe aceast direcie obinndu-seprin sumarea alungirii matricei LM i alungirii fibrelor Lf: LC = LM + Lf; (12.9)deoarece lungimea iniial a elementului de volum a fost LC = LM + Lf, poriuneaocupat de fibre fiind Lf = LCvf, iar poriunea ocupat de materialul matricei LM = LC(1 vf), deformaia specific corespunztoare acestui element este

    C

    CC L

    L= , iar deformaiile specifice (pe aceeai direcie) ale celor dou materiale

    (M i f) ce compun elementul de volum sunt: )1( fC

    M

    M

    MM VL

    LLL

    =

    = i

    fC

    f

    f

    fM VL

    LLL

    =

    = i relaia (12.9) se transform ntr-o relaie de aceiai form cu

    (12.4) i (12.5): C = M(1 vf) + fvf; (12.10)

    deoarece deformaiile produse compozitului de solicitarea mecanic suntde natur elastic, rmn valabile relaiile (12.2) i, innd seama de ndeplinirea

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    273

    condiiei de izotensiune (12.8), relaia (12.10) devine: fffMC VEVEE

    111 )1( += . (12.11)Pentru condiiile de solicitare considerate, relaia (12.11) permite

    estimarea modulului de elasticitate longitudinal al unui material compozit,cunoscnd valorile moduleleor de elasticitate longitudinal ale materialelorcomponente M i f.

    Fig. 12.6. Schema comportrii la traciunemonoaxial pe direcia normal la fibre a unui

    material compozit cu fibre dispuse paralelFig. 12.7. Schema comportrii unui agregat

    compozit la traciune monoaxialRelaiile de forma (12.11) sunt valabile i pentru estimarea altor

    caracteristici fizico mecanice al materialelor compozite pe direcia normal lafibre, cum ar fi coeficientul de difuzie D sau coeficientul de conductibilitate termic; pentru alte caracteristici, cum sunt, de exemplu, rezistivitatea electric (inversulconductibilitii electrice) se pot utiliza relaii de tipul (12.10).

    C. Dac un material de tip agregat compozit este solicitat la traciunemonoaxial de o for Fc, care produce deformarea elastic a compozitului icomponentelor sale, aa cum se arat n schema prezentat n figura 12.7,comportarea sa este dificil de descris. Cercetrile ntreprinse pn n prezent auevideniat ns c astfel de materiale au caracteristicile elastice intermediare celorcorespunztoare compozitelor cu fibre (cu aceleai materiale M i f) carendeplinesc condiiile de izodeformaie i de izotensiune; ca urmare, se poatepresupune c modulul de elasticitate lungitudinal al agregatelor compozite estedat de relaii de forma: f

    nff

    nm

    nC VEVEE += )1( , (12.12)

    exponentul n aparinnd mulimii n [1,1] \{0}.Valoarea exponentului n depinde de caracteristicile materialelor M i f

    care alctuiesc compozitul; astfel: dac n = 1, relaia (12.12) devine (12.11) i agregatul compozit se

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    274

    comport ca un material compozit (cu fibre) care ndeplinete condiia deizotensiune; un astfel de agregat compozit poate fi alctuit dintr-o matrice cu EMfoarte sczut (de exemplu, din cauciuc) n care sunt nglobate particule sferice cuEf foarte ridicat (de exemplu, din oel);

    dac n = 1, relaia (12.12) devine (12.5) i agregatul compozit secomport ca un material compozit (cu fibre) care ndeplinete condiiile deizodeformaie; un astfel de agregat compozit poate fi alctuit dintr-o matrice cuEM foarte ridicat (de exemplu, din oel) n care sunt nglobate particule sferice cuEf foarte sczut (de exemplu, din cauciuc);

    agregatele compozite industriale avnd EM sczut i Ef ridicat aucomportarea elestic descris de (12.12) cu n (1;0), iar agregatele compozitecu EM ridicat i Ef sczut au comportarea elastic descris de (12.12) cu n (0;1).

    Ca i n cazul celorlalte tipuri de materiale compozite, relaiile de forma(12.12) sunt valabile nu numai pentru estimarea caracteristicilor elastice aleagregatelor compozite, ci i pentru alte caracteristici fizico-mecanice (coeficientulde difuzie D, coeficientul de conductibilitate termic , coeficientul contracieitransversale

    etc.)

    12.3. Lemnul material compozit natural

    Lemnul este unul din materialele compozite naturale cu fibre folosite pescar larg n aplicaiile tehnice, n multe ri (de exemplu, SUA sau Rusia)cantitatea de lemn utilizat anual pentru diverse construcii industriale sau civile in alte aplicaii (din industria mobilei, industria chimic, agricultur etc.) depindsuma cantitilor de oel i beton ntrebuinate n aplicaiiile tehnice din toateramurile economiei lor naionale.

    Sursa din care se obine acest material este n mod obinuit trunchiularborilor; ca urmare, pentru studierea structurii lemnului se procedeaz lasecionarea trunchiului arborilor, aa cum se arat n figura 12.8, aspectulseciunilor transversal (seciunea fcut cu un plan perpendicular pe axalongitudinal a trunchiului), radial (seciunea fcut cu un plan care conine axatrunchiului) i tangenial (seciunea fcut cu un plan paralel cu axa trunchiului inormal unei raze a acestuia) obinute, sugernd eterogenitatea structural ianizotropia acestui material.

    Seciunea transversal fcut prin trunchiul unui arbore evideniaz (lascar macroscopic), aa cum se poate observa n figura 12.9, urmtoarele zonestructurale ale acestuia:

    zona exterioar a trunchiului reprezint scoara (coaja), care are o parteexterioar, numit ritidom (partea moart, cu aspect crpat, brzdat sau desprins n

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    275

    solzi, n fii sau n placi) i o parte interioar, numit liber (partea vie, care sedezvolt anual i este alctuit din vase, fibre liberiene i esuturi de parenchim);

    zona interioar a trunchiului reprezint lemnul, care are o parteexterioar, numit alburn (de culoare deschis, prin care se face circulaiaascendent a sevei brute), o parte central, numit mduv (format din esuturide parenchim rare, afnate i rezistente, care se distinge uor la tulpinile tinere ieste mult diminuat la tulpinile arborilor maturi) i o parte intermediar, numitduramen (format din esuturi moarte, i care are, la cele mai multe specii dearbori, culoarea mai nchis dect alburnul);

    zona intermediar, situat ntre coaj i lemn format dintr-un singur stratde celule care determin creterea n grosime a trunchiului reprezint cambiul;celulele care alctuiesc acest esut au propietatea de a se multiplica n mod continuun timpul perioadei de vegetaie a arborelui i de a da natere anual (spre interior)esuturilor care formeaz lemnul i (spre exterior) esuturilor care formeaz liberul;straturile lemnoase care se formeaz anual datorit activitii cambiului i caredetermin creterea n grosime a lemnului sunt numite inele anuale i pot fiobservate clar n seciunea transversal, permind stabilirea vrstei arborelui.

    Fig. 12.8. Schema secionrii trunchiuluiarborilor pentru studierea structurii lemnului

    Fig. 12.9. Zonele structurale ale trunchiuluiunui arbore

    Structura la scar microscopic (constituia anatomic) a lemnului are,aa cum se observ n figura 12.10, urmtoarele elemente:

    vasele lemnoase sunt iruri de celule alungite, golite de coninutul lorcelular, cu pereii lignificai, care alctuiesc esutul conductor al sevei brute;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    276

    vasele lemnoase sunt de dou feluri: traheele (vasele perfecte sau vasele propriu-zise), la care pereii

    transversali (care despart celulele componente ale vaselor) au disprut completsau parial, astfel c circulaia sevei prin acestea se face ca prin nite tuburi;

    traheidele (vasele imperfecte), la care pereii transversali se pstreazintaci sau ciuruii, pe pereii lor laterali existnd multiple punctuaii (mici poriunicirculare nelignificate i permeabile care permit comunicarea cu esuturile sauvasele vecine;

    fibrele lemnoase sunt iruri de celule moarte, alungite, cu pereii groi,lignificai i cu spaiul interior (golit de coninutul celular) foarte ngust, strnslegate ntre ele (fr spaii inter celulare); fibrele lemnoase sunt elementele debaz ale esutului mecanic (de rezisten) al lemnului, ele constituind 40...70 %din masa lemnului;

    razele medulare sunt iruri de celule de parenchim aezate radial; canalele rezinifere sunt canale cptuite cu celule secretoare de rin,

    care apar n structura masei lemnoase a unor specii de arbori (molid, pin etc.).

    Fig. 12.10. Structura la scar microscopic (constituia anatomic) a lemnuluiDatorit acestei constituii anatomice, lemnul poate fi privit ca un material

    compozit avnd n structur fibrele lemnoase alctuite din celuloz i o matrice(liant) alctuit din hemiceluloz (celuloz cu grad relativ redus de polimerizaren < 200 ) i lignin (polimer cu reea de fenol propan). Elementele chimice carecompun matricea i fibrele acestui material sunt: carbonul (49...50 %), oxigenul(44...45 %) i hidrogenul (5...6 %).

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    277

    La stabilirea proprietilor de utilizare ale lemnului trebuie avute n vedereurmtoarele aspecte:

    lemnul, avnd structura unui material compozit cu fibre dispuse paralel,prezint o mare anizotropie a proprietilor fizico-mecanice;

    proprietile fizico-mecanice ale lemnului (i produselor confecionate dinlemn) sunt influenate sunstanial de umiditatea acestuia.Principalele proprieti fizico-mecanice ale lemnului i caracteristicile care

    se folosesc pentru exprimarea cantitativ a acestora se definesc n moduri similarei se determin prin ncercri asemntoare celor utilizate n cazul materialelormetalice (v. cap.3).

    A. Densitatea lemnului se definete n trei moduri distincte: densitatealemnului verde u este masa unitii de volum de lemn verde (cu umiditateamaxim), densitatea absolut 0 este masa unitii de volum de lemn anhidru(uscat artificial la 105 oC), iar densitatea convenional c este raportul dintremasa de lemn anhidru i volumul de lemn verde (cu fibrele saturate de umiditate)din care aceasta sa obinut prin uscarea artificial a lemnului la 105 oC.

    B. Elasticitatea, plasticitatea i rezistena la rupere a lemnului sedefinesc la fel ca n cazul materialelor metalice (v. scap. 3.2 i 3.3). Pentrudeterminarea caracteristicilor care pot exprima cantitativ aceste proprieti(modulul de elasticitate E, rezistena la rupere Rm, alungirea procentual duprupere A etc.) se folosesc (ca ncercri de referin) ncercarea la traciune incercarea la compresiune; innd seama de anizotropia proprietilor lemnului,aceste ncercri se efectueaz prin solicitarea monoaxial (la ntindere sau lacompresiune), n lungul fibrelor sau perpendicular pe direcia fibrelor, a unorepruvete prelucrate din lemn, standardele care regelmenteaz modul de efectuare ancercrilor fiind: STAS 336 i STAS 6291 (pentru ncercarea la traciune),STAS 86 i STAS 1348 (pentru ncercarea la compresiune).

    n figurile 12.11 i 12.12 sunt prezentate (pentru exemplificare) curbelecaracteristice convenionale la traciune i compresiune pe direcia fibrelor pentrulemnul de fag, iar n figurile 12.13 i 12.14 sunt redate aspectele specifice ale ruperiilemnului la astfel de solicitri.

    Influenele prezenei concentratorilor de tensiuni mecanice asupracomportrii la rupere a lemnului (la traciune pe direcia fibrelor) sunt sugerate deimaginile prezentate n figura 12.15.

    Trebuie precizat c mprirea tradiional a diverselor specii de lemn ncategoriile: lemn de esen moale i lemn de esen tare folosete rezistenamecanic numai ca un criteriu secundar, criteriul principal care st la baza acesteicalsificri fiind natura sezonier a arborilor din care provine lemnul, lemnul deesen moale (avnd, n general, rezisten mecanic relativ sczut) proveninddin arborii alor cror frunze rmn verzi tot timpul anului (brad, pin etc.), iar

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    278

    lemnul de esen tare (avnd, n general, rezisten mecanic ridicat) fiind obinutdin arborii ale cror frunze se schimb anual (stejar, fag etc.).

    C. Comportarea la rupere a lemnului se poate caracteriza cu ajutorulncercrii la ncovoiere static (reglementat de STAS 337/2) al crei rezultateste rezistena al rupere la ncovoiere static normal pe fibre Rmis sau (ca i ncazul materialelor metalice, v.scap.3.7) cu ajutorul ncercrii de ncovoiere prinoc cu ciocanul pendul (reglementat de STAS 338), al crei rezultat este (deobicei) reziliena (indicele de rezilien) KCV n J/cm2 sau (uneori) rezistena larupere la ncovoiere dinamic normal pe fibre Rmid, n N/mm2. Aspectelespecifice ale ruperii la ncovoiere (static sau dinamic) a lemnului sunt sugeratede imaginile prezentate n figura 12.16.

    Fig. 12.11. Curbe caracteristice convenionalela traciune pe direcia fibrelor pentru

    lemnul de fag

    Fig. 12.12. Curbe caracteristice convenionalela compresiune pe direcia fibrelor pentru

    lemnul de fag

    Fig. 12.13. Aspectul ruperilor lemnului latraciune pe direcia fibrelor

    Fig. 12.14. Aspectul ruperilor lemnului lacompresiune pe direcia fibrelor

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    279

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

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

    D. Duritatea lemnului se determin folosind mai multe metode: Metoda Brinell (reglementat de STAS 2417/2) utilizeaz ca penetrator

    o sfer (bil) din oel; pentru determinarea duritii prin aceast metod se apaspenetratorul sferic cu diametrul D, un timp d (d = 10 ... 25 s), cu o for F, pe un

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    280

    eantion (prob, epruvet, pies) din lemnul care se analizeaz, iar dup ncetareaaciunii forei, se ndeprteaz penetratorul i se msoar diametrul d al urmeilsate de acesta pe lemn (v. fig. 3.24). Duritatea Brinell (simbolizat HB) este ocaracteristic mecanic definit (convenional) ca fiind raportul dintre fora F,exprimat n kgf (1 kgf = 9,80665 N) i aria suprafeei urmei lsate de acesta pelemnul analizat Sp, calculat cu relaia (3.17) i exprimat n mm2.

    Metoda Janka (reglementat de STAS 2417/1) utilizeaz ca penetratoro sfer (bil) din oel cu diametrul D = 11,28 mm (avnd aria seciuniiecuatoriale Se = 100 mm2 = 1 cm2); pentru determinarea duritii prin aceastmetod se apas penetratorul sferic, cu o for cresctoare, pe un eantion(prob, epruvet, pies) din lemnul care se analizeaz i se stabilete intensitateaforei F (n kgf) care produce ptrunderea penetratorului n lemn pe o adncime

    2Dh = . Duritatea Janca (simbolizat HJ) este o caracteristic mecanic definit

    (convenional) prin relaia HJ = F.E. Comportarea la solicitri variabile a lemnului se poate analiza

    construind (ca i n cazul materialelor metalice, v. scap.3.9) curba de durabilitate laobseal (curba Whler). Aspectul acestei curbe (v. fig. 12.17) arat c n cazullemnului (la fel ca la unele materiale metalice) se poate defini caracteristica numitrezisten la oboseal RO; acest caracteristic se modific n funcie de temperatura iumiditatea lemnului aa cum sugereaz diagramele prezentate n figura 12.18.

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

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

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    281

    Caracteristicile fizico-mecanice anterior definite permit clasificareaspeciilor de lemn n categoriile precizate n tabelul 12.1.

    Tabelul 12.1. Clasificarea lemnului n funcie de caracteristicile fizico mecanice

    Caracteristica Categoriile de lemn ValorilecaracteristiciiExemple de specii

    de lemnLemn foarte uor u < 400 Balsa, salcie albLemn uor u = 400500 Mahon, pinLemn moderat de greu u = 500650 MesteacnLemn greu u = 650800 Carpen, fagLemn foarte greu u = 8001000 Mslin

    Densitateau,

    kg/m3Lemn extrem de greu u > 1000 GuaiacLemn foarte moale HJ < 350 Brad, balsa, pinLemn moale HJ = 350500 MesteacnLemn mijlociu HJ = 500650 Ulm de cmpLemn foarte dur HJ = 6501000 Carpen, fag

    DuritateaHJ *

    Lemn extrem de dur HJ > 1000 GuaiacLemn cu rezisten foarte slab Rmc < 30 BalsaLemn cu rezisten slab Rmc = 3045 MahonLemn cu rezisten bun Rmc = 4560 Brad, mesteacnLemn cu rezisten mare Rmc = 6080 Fag, nuc

    Rezistena lacompresiune

    paralel cu fibreleRmc *,

    N/mm2 Lemn cu rezisten foarte mare Rmc > 80 GuaiacLemn cu rezisten foarte slab Rmt < 75 Plop tremurtorLemn cu rezisten slab Rmt = 7590 Brad, ulmLemn cu rezisten bun Rmt = 90125 Nuc, pinLemn cu rezisten mare Rmt = 125150 Mesteacn, fag

    Rezistena latraciune paralel

    cu fibreleRmt *,

    N/mm2 Lemn cu rezisten foarte mare Rmt > 150 CarpenLemn cu rezisten foarte slab Rmis < 65 Plop albLemn cu rezisten slab Rmis = 6585 BradLemn cu rezisten bun Rmis = 85110 PinLemn cu rezisten mare Rmis = 110140 Carpen, fag

    Rezistena lancovoiere staticnormal pe fibre

    Rmis *,N/mm2 Lemn cu rezisten foarte mare Rmis > 140 Mesteacn, nuc

    Lemn cu rezilien foarte slab KCV < 3,0 BalsaLemn cu rezilien slab KCV = 3,04,5 Brad, pinLemn cu rezilien bun KCV = 4,56,0 MahonLemn cu rezilien mare KCV = 6,09,0 Mesteacn

    RezilienaKCV *,

    J/cm2

    Lemn cu rezilien foarte mare KCV > 9,0 Fag, nuc* caracteristicile se determin pe lemnul cu umiditatea de 12 %Lemnul brut se prelucreaz sub form de semifabricate destinate

    utilizrii n diverse aplicaii tehnice (construcii civile sau industriale, mobilier,ambalaje etc.). Principalele categorii de semifabricate realizate din lemn brut

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    282

    sunt butenii i cheresteaua de diverese sortimente: grinzi, dulapi, scnduri,ipci, rigle; aceste sortimente se pot supune unor tratamente termice, chimicesau termochimice (de tipul celor prezentate n tabelul 12.2), n scopul obineriiunor caracteristici de utilizare convenabile.

    Din lemn brut, buteni, cherestea i/sau achii de lemn se realizeaz i alte tipuride semifabricate, care, datorit structurii i proprietilor pe care le prezint, aparin, deasemenea, clasei materialelor compozite: principalele tipuri de astfel de semifabricatesunt: furnirul (semifabricat plan, cu grosimea de 0,53,0 mm, care se obine prinderulare centric sau tiere plan din buteni sau cherestea), placajul (semifabricatstratificat din furnire tehnice), lemnul stratificat, panelul (semifabricat alctuit dintr-unmiez de ipci i fee din furnir cu fibrele perpendiculare pe direcia fibrelor miezului),plcile celulare (semifabricate de tip panou, alctuite dintr-o ram de lemn i un miez dinlamele sau hrtie, acoperite pe ambele fee cu placaj), plcile din achii de lemn PAL,realizate n diverse sortimente: plci de interior presate perpendicular pe fee (obinute dinachii de lemn ncleiate cu rin ureoformaldehidic i presate perpendicular pe fee),plci de interior presate perpendicular pe fee PAL.AI (obinute din achii de lemnncleiate cu rin ureoformaldehidic i care au nglobate substane de protecie contraciupercilor, insectelor xilofage i focului), plci de exterior presate perpendicular pe fee PAL.CON (obinute din achii de lemn ncleiate cu rin fenolic, ncleierea fiindrezistent la fiereberea n ap, la atacul ciupercilor i insectelor xilofage), plcimelaminate din achii de lemn PAL.M (plci din achii de lemn acoperite pe ambelefee, prin presare la cald, cu unul sau mai multe pelicule de rin sintetic, peliculele desuprafa fiind din rsin melaminic), plci emailate din achii de lemn PAL.SET (plcidin achii de lemn nobilate pe ambele fee cu mas de paclu, grunduri, imprimri,emailuri i lacuri, destinate fabricrii mobilierului sau utilizrii n lucrrile interioare deconstrucii), plci extrudate din achii de lemn PAL.Ex (obinute din achii de lemnpresate la cald prin extrudare i placate pe ambele fee cu furnir tehnic) etc. i plcile dinfibre de lemn PFL, realizate n diverse sortimente: plci cu densitate medie PFL.DM(PFL cu densitatea = 500...800 kg/m3, destinate fabricrii mobilierului sau utilizrii nlucrrile interioare de construcii), plci dure PFL.D (obinute prin mpslirea ipresarea fibrelor de lemn, cu sau fr adaosuri de liani, avnd densitatea > 800 kg/m3),plci stratificate din PFL.D (plci cu grosimea s > 12 mm, obinute prin lipirea maimultor straturi de PFL.D), plci decorative (plci din PFL.D avnd aplicat pe una din feeun strat subire de past mecanic alb sau colorat n diverse nuane), plci emailate(plci din PFL.D, finisate prin acoperirea uneia din fee cu o pelicul de email sau lac pebaz de rini sintetice uscat la cald), plci melaminate (plci din PFL.D finisateaplicnd, prin presare la cald, pe una sau ambele fee, folie de hrtie impregnat cu rinmelaminic), plci fonoabsorbante (obinute prin perforarea sau neparea suprafeelorunor PFL moi i poroase i destinate utilizrii la finisajele interioare i tratamentelefonoabsorbanete ale construciilor) etc.

  • Tabelul 12.2. Principalele date privind tratamentele aplicate semifabricatelor din lemnDenumirea

    tratamentului Scopurile aplicrii tratamentuluiPrincipalele date privind regimul

    tratamentului

    ABURIREA

    nlturarea diferenelor de culoare ntre alburn i duramen, prin aburireobinndu-se o nuan uniform roie crmizie, asemntoare lemnului de mahon.

    Distrugerea agenilor biologici existeni n lemn (ciuperci i insectexilofage) si blocarea fenomenelor de ncingere i rscoacere.

    Reducerea tensiunilor reziduale din lemn i evitarea defectelor cauzatede acestea (deformaii, crpturi etc.).

    Reducerea contragerii i umflrii specifice prin modificarea punctului desaturaie n ap al fibrelor.

    Reducerea umiditii lemnului cu 2030 % n primele ore dup aburire,ca urmare a evaporrii mai intense a apei din lemnul nclzit.

    Creterea caracteristicilor de rezisten mecanic

    Se folosesc camere speciale deaburire i se parcurg trei etape:

    nclzirea camerei la99100 oC n 412 ore;

    nclzirea complet alemnului la 99100 oC n 818ore;

    aburirea propriuzis, la99100 oC, timp de 24 ore.

    USCAREA N AER

    Micorarea umiditii prin meninerea ndelungat a lemnului n depozitede uscare (cu lungimea de 50100 m i limea de 3050 m).

    Cheresteaua cu grosimea sub 25mm se menine 2260 zile, iarcheresteaua cu grosime mare(7580 mm) se menine 70250zile

    USCAREA NINSTALAII

    INDUSTRIALE

    Micorarea umiditii prin meninerea lemnului n instalaii de tip tunelcu aer cald i umed.

    Uscarea la 70100 oC, cu viteza decirculaie a aerului 36,5 m/s.

    USCAREA N VID

    Micorarea umiditii prin meninerea lemnului n instslaii speciale detratare n vid.

    Uscarea se realizeaz printr-osuccesiune alternant de perioadede nclzire la presiuneatmosferic, cu peioade demeninere n vid

    PREZERVAREALEMNULUI

    Conservarea butenilor mpotriva rscoacerii i crprii n timpul veriiprin imersare sau stropire cu ap.

    Antiseptizarea lemnului nainte de uscare (cu paste antiseptice aplicateupeficial).

    Protecia cherestelei mpotriva crprii, prin tratarea capetelor cu aracetprodus pe baz de poliacetat de vinil) sau folosind elemente mecanice de protecie.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    284

    12.4. Materialele compozite durificate cu fibre

    Compozitele durificate cu fibre (avnd structura alctuit dintr-o matrice(M) n care sunt nglobate fibre (f) cu rezisten mecanic ridicat, orientateunidirecional) reprezint clasa de materiale compozite cu cele mai mariperspective de dezvoltare i de utilizare n aplicaiile tehnice. Pentru a justificaaceast afirmaie este necesar s se cunoasc mai n detaliu aspectele principaleale mecanismului durificrii cu fibre a materialelor, unele din acestea fiindprezentate n scap. 12.2 cazul A:

    Comportarea solidar a componentelor la solicitarea mecanic latraciune n lungul fibrelor a unui astfel de compozit este determinat de legturileinterfaciale puternice create ntre M i f la elaborarea materialului;

    Rezistena mecanic ridicat a unui astfel de compozit se obine dac fraciavolumic a fibrelor nglobate n material este suficient de mare, astfel c oriceporiune din materialul matricei se afl integral ntr-o zon de aciune a unei fibre.

    Datorit comportrii solidare a ansamblului M f, la solicitarea latraciune n lungul fibrelor a materialului compozit se genereaz tensiunimecanice att n f, ct i n M; matricea (care, aa cum arat schema din fig. 12.3,are tendina de a se deforma mai mult) induce n fibre tensiuni de ntindere f, iarprin reaciune se dezvolt n matrice (pe direcia paralel cu fibrele) tensiuni deforfecare M, care sunt maxime n vecintatea interfeei M f (unde matricea esteconstrns s respecte condiia de izodeformaie) i se micoreaz n intensitate pemsur ce crete distana fa de fibre (datorit diminurii constrngerilor impusematerialului matricei).

    Dac se utilizeaz schema din figura 12.19 i se scrie condiia de echilibrua fibrelor (cu diametrul df i lungimea Lf), rezult:

    Mfff Ld

    d

    =

    4

    2

    Mf

    f dL

    4= ; (12.13)

    relaia final (12.13) permite urmtoarele interpretri: tensiunile f preluate de fibrele unui material compozit pot fi cu att mai

    mari, cu ct raportul fd

    L , numit raport de form al fibrelor, este mai mare i cu

    ct tensiunile de forfecare m ce pot fi preluate de matrice au intensiti mairidicate;

    lungimea minim a fibrelor compozitului, care permite preluarea de ctreacestea a unor tensiuni cu intensitatea f, numit lungime critic a fibrelor Lc,

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    285

    este dat de relaia:

    rM

    ffdcL

    41

    = , (12.14)

    rM fiind rezistena la rupere la forfecare a materialului ce constituie matriceacompozitului;

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

    cu ct raportul LLc , numit raport de transfer al sarcinilor, este mai mic,

    cu att materialul compozit are o comportare mai eficient n ceea ce priveteconlucrarea ntre M i f i poate prelua solicitri mecanice de intensitate mai ridicat.

    Aspectele prezentate mai nainte au condus la ideea realizrii materialelorcompozite durificate cu fibre discontinui ultrarezistente, de genul unor filamente

    (cu df = 1...30 m i fd

    L > 100) monocristaline cvasiperfecte (fr defecte ale

    structurii cristaline de tipul dislocaiilor v. scap. 1.5.2 ), numite trihite sau fibrewhiskers; principalele caracteristici fizico mecanice ale unor astfel de fibre suntredate n tabelul 12.3.

    Pentru compozitele durificate cu fibre discontinui, relaia (12.6), carepermite estimarea rezistenei lor mecanice se modific astfel:

    fc

    mffmMmC vLLRvRR )1()1( += . (12.15)

    Comportarea la solicitri mecanice a compozitelor durificate cu fibreprezint i urmtoarele particulariti:

    Rezistena lor mecanic este influenat n msur important de preciziaorientrii fibrelor pe direcia aplicrii solicitrilor mecanice; dac unghiul dintredirecia orientrii fibrelor i direcia de aplicare a solicitrilor mecanice aremsura , rezistena la rupere a materialului compozit este:

    )sin

    ;sincos

    ;cos

    min( 2*

    2,

    mMrMmC

    mCRR

    R = (12.16)

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    286

    i se poate deduce c, dac msura unghiului depete o valoare critic cr, datde relaia:

    ),(mC

    rMcr R

    arctg = (12.17)

    rezistena mecanic a materialului compozit se diminueaz considerabil.Realizarea semifabricatelor i pieselor din materiale compozite durificate cu fibrecu respectarea condiiei < cr, complic de cele mai multe ori tehnologiile defabricare i mrete considerabil costurile unor astfel de produse.

    Avnd n vedere aceast particularitate, rezult c estimareacaracteristicilor mecanice ale materialelor compozite durificate cu fibre cuajutorul relaiilor (12.5), (12.6) sau (12.15) poate fi de multe ori imprecis,impunnd determinarea experimental a acestor caracteristici prin ncercrimecanice pe epruvete prelevate din aceste materiale; de exemplu, pentrumaterialele compozite cu fibre de sticl i matrice din materiale plastice serecomand determinarea caracteristicilor mecanice prin ncercarea la traciuneefectuat conform SR EN ISO 527 i STAS 11268 sau prin ncercarea lancovoiere efectuat conform SR EN 63 i SR EN ISO 14125.

    Tabelul 12.3. Caracteristicile fizicomecanice ale principalelor tipuri de trihiteutilizate la realizarea materialelor compozite

    Materialultrihitelor

    Temperatura detopire sau denmuiere tsf,

    oC

    Densitatea f,kg/m3

    Modulul deelasticitate

    longitudinal Ef,kN/mm2

    Rezistena latraciune Rmf,

    N/mm2

    TRIHITE CERAMICEAl2O3 - alumin 2040 3960 425,61 20600BeO 2570 2850 343,23 13050B4C 2450 2520 480.53 14000SiC 2690 3180 480,53 20500Si3N4 1900 3180 377,56 13700C - grafit 3650 2500 700,19 19500

    TRIHITE METALICECr 1857 7190 240,26 8800Cu 1083 8930 123,56 2900Fe 1538 7870 199,07 13050Ni 1453 8910 212,80 3850

    Temperatura la care sunt solicitate compozitele durificate cu fibreafecteaz n mod diferit caracteristicile mecanice ale componentelor lorstructurale. n mod obinuit, compozitele destinate realizrii pieselor solicitate latemperaturi ridicate au structura alctuit dintr-o matrice, care, atunci cnd este

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    287

    nclzit, i menine rezistena la oxidare, dar i micoreaz considerabilrezistena mecanic i fibre din material refractar, la care diminuarea rezisteneimecanice odat cu creterea temperaturii este nensemnat, iar caracteristicile decomportare la fluaj ( rezistena tehnic de durat TrR / i limita tehnic defluaj TR / v.scap.3.8) au valori ridicate; n acest fel, diferenele dintrecaracteristicile de rezisten mecanic ale materialelor componente alecompozitului solicitat la temperaturi ridicate sunt considerabile i efectul dedurificare produs de fibre este foarte important (mult mai mare dect cel produs ncazul solicitrii compozitului la temperatura ambiant). Cteva dintre cele maiutilizate tipuri de fibre refractare pentru realizarea compozitelor destinateaplicaiilor care presupun temperaturi ridicate de lucru (de exemplu, turbinele cugaze i alte componente pentru aeronautic) sunt prezentate n tabelul 12.4.

    Tabelul 12.4. Caracteristicile mecanice ale celor mai utilizate fibre refractare

    Caracteristicilemecanice la ta

    Rezistena tehnic de durat(fluaj) TrR 100000/ ,

    N/mm2 la temperatura T:Materialul fibrelordf,

    mm Rmf,N/mm2

    Af,% 1000

    oC 1100 oC 1200 oC

    W 1%ThO2 0,20 2400 3,0 - 510 3600,20 2250 0,5 - 470 310W 5%Re 1,25 1140 0,8 830 590 -0,20 2100 1,9 - 270 140Mo0,5%Ti0,15%Zr 1,00 1600 2,1 600 420 -

    Mo1,25%Ti0,15%Zr 1,00 1700 1,3 - 440 -

    Comportarea la rupere a compozitelor durificate cu fibre estedeterminat de caracteristicile de rezistent mecanic i tenacitate alecomponentelor M i f care le alctuiesc structura i de conlucrarea favorabil aacestora, datorit legturilor interfaciale puternice create ntre M i f la elaborareaacestor materiale. Caracteristicile de rezisten mecanic i plasticitate alecomponentelor M i f sunt n mod obinuit complementare, M fiind un material curezisten mecanic sczut, dar foarte plastic (ductil), iar f un material curezisten mecanic foarte ridicat, dar cu tendin accentuat ctre comportareafragil la rupere; aceast afirmaie este validat de datele prezentate ntabelul 12.5, privind caracteristicile mecanice ale principalelor tipuri de materialecompozite durificate cu fibre folosite n tehnic. Riscul producerii intempestive afenomenului de rupere a unui astfel de compozit supus solicitrilor mecanice (nlungul fibrelor) este minim, datorit urmtoarelor argumente:

    fisurile se iniiaz de obicei n fibre, care prezint fragilitate accentuat,dar acest proces nu determin degradarea inadmisibil a compozitului, deoarecesolicitrile se redistribuie pe fibrele nefisurate i sunt preluate parial de acele

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    288

    fragmente ale fibrelor fisurate (sparte) care prezint o lungime superioar lungimiicritice;

    propagarea fisurilor iniiate n fibre este blocat (frnat) de matriceacompozitului, care, datorit capacitii substaniale de deformare plastic naintede rupere, disipeaz prin deformare plastic cea mai mare parte a energieidisponibile pentru extinderea fisurilor i creaz la vrful fisurilor enclave plasticece micoreaz drastic efectul de concentrare a tensiunilor mecanice produs deprezena fisurilor.

    Tabelul 12. 5. Date privind caracteristicile principalelor compozite durificate cu fibreComponentele materialului

    Matricea Fibrele

    Fraciavolumic afibrelor vf

    Rezistena latraciune RmC,

    N/mm2

    Rezistena mecanic

    specific KR = gRmC ,

    kmRin epoxidic Sticl 0,73 1640 77,2Rin epoxidic Whiskers Al2O3 0,14 780 48,8Rin epoxidic Carbon 0,67 1200 76,9Rin epoxidic Kevlar 0,82 1520 112,0Rin epoxidic Filamente B 0,70 2100

    Aluminiu SiO2 0,47 890 37,5Aluminiu Al2O3 0,35 1110 35,5Aluminiu Oel 0,25 1190 30,2Aluminiu Filamente B 0,10 300 11,3Aluminiu Whiskers B4C 0,10 200 7,6Nichel Filamente B 0,08 2640 36,7Nichel Filamente W 0,40 1110 8,6Nichel Whiskers Al2O3 0,19 1170 15,0Fier Whiskers Al2O3 0,36 1630 2,6Aliaj Ni-Cr Al2O3 0,09 1750 21,7Aliaj Ni-Cr Filamente W 0,22 500 4,6Argint Oel 0,44 450 5,0Argint Al2O3 0,24 1590 18,0Titan Filamente W 0,20 660 11,0Cupru Filamente W 0,77 1750 10,0Tantal Filamente Ta2C 0,29 1060 7,0Cobalt Filamente W 0,30 730 6,0Cobalt Filamente Mo 0,17 360 4,0Oel inoxidabil Filamente W 0,18 400 4,0

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

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    289

    compozite durificate cu fibre se realizeaz prin metode i procedee tehnologiceindirecte (fibrele i matricea se fabric independent i se supun apoi agregrii subform de material compozit), cum ar fi:

    simpla lipire; fibrele se aliniaz i se dispun n straturi alternante cumatricea, dup care se supun unui proces de agregare prin lipire (realizat n modobinuit prin nclzirea i ntrirea prin polimerizare a matricei), aceast metodfiind utilizat frecvent pentru realizarea compozitelor cu fibre de sticl sau decarbon i matricea din rini sintetice

    infiltrarea; fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit, materialulmatricei este adus n stare topit, se infiltreaz ntre fibre (sub vid sau subpresiunea unui gaz inert) i prin solidificare determin formarea compozitului,aceast metod permind fabricarea materialelor compozite cu matrice metalici trihite ceramice (de exemplu, compozitele cu trihite de safir n matrice deargint); o variant a acestei metode o reprezint depunerea pe fibrele aliniate ndirecia de armare dorit a materialului matricei, topit sub form de picturi finecu ajutorul unui jet de plasm;

    depunerea electrolitic a matricei n jurul fibrelor; fibrele se aliniazn direcia de armare dorit, dup care se depune electrolitic ntre ele materialulmatricei,care se poate supune ulterior i unor operaii de prelucrare prin deformareplastic la cald pentru mrirea fraciei volumice a fibrelor n materialul compozit,cu aceast tehnologie fiind realizate (la temperaturi apropiate de ta), de exemplu,compozitele cu fibre de carbon i matrice de nichel (la care metoda infiltrrii nud rezultate bune, deoarece nichelul topit atac i deterioreaz fibrele de carbon) icompozitele cu fibre de oel i matrice de nichel, avnd structurile prezentate nfigura 12.20;

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

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

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    290

    exemplu, compozitele cu trihite de oxid de aluminiu i matrice de titan icompozitele cu fibre de carbur de siliciu i matrice de molibden;

    ncorporarea fibrelor prin deformarea plastic a matricei; un pachetrealizat din straturi alternante de fibre i matrice (sub form de folie), avndstructura celui prezentat n figura 12.21, se supune deformrii plastice la cald (prinlaminare, tragere sau extrudare) pentru obinerea materialului compozit, aceasttehnologie permind obinerea compozitelor cu fibre de bor i matrice dealuminiu i a celor cu fibre de wolfram i matrice de oel inoxidabil.

    Pentru obinerea unor materiale compozite durificate cu fibre se utilizeazn prezent i metode i procedee tehnologice directe (fibrele i matricea serealizeaz mpreun i sunt supuse unor prelucrri menite s asigure realizareacompozitului cu caracteristicile de utilizare dorite), cum ar fi:

    Fig.12.21. Structura semifabricatului utilizatpentru obinrea prin deformare plastic acompozitului cu fibre de W i matrice din

    oel inoxidabil

    Fig. 12.22. Structura compozitului cu fibrede W i matrice de soluie solid Ni(W)

    obinut prin solidificarea dirijat a aliajuluieutectic Ni W

    solidificarea unidirecional a eutecticelor; fazele din structura unoraliaje eutectice reprezint materialele componente ale compozitului, iar faza careare rolul fibrelor durificatoare capt dispunerea i orientarea necesare prinsolidificarea dirijat unidirecional a aliajelor turnate n forme, aceast tehnologiefiind utilizat, de exemplu, pentru realizarea compozitelor cu fibre de wolfram imatrice de soluie solid Ni(W), avnd structura prezentat n figura 12.22, acompozitelor cu fibre de compus Al3Ni i matrice de aluminiu, a compozitelor cufibre de carbur de tantal i matrice de soluie solid Co(Ta,C) i a celor cu fibrede compus Nb8Fe7Cr2 i matrice de soluie solid Fe(Cr,Nb); metoda asigurlegturi interfaciale foarte puternice ntre matricea i fibrele materialuluicompozit, dar prezint dezavantajul c fracia volumic a fibrelor nu se poateregla, fiind impus de raportul cantitativ al fazelor componente ale structuriialiajelor eutectice;

  • Capitolul 12 Structurile si proprietile materialelor compozite

    291

    formarea fibrelor prin deformarea plastic a aliajelor bifazice;materialele bifazice, avnd n structur o faz f cu modul de elasticitate ridicat irezisten mecanic la cald mare i o faz M cu plasticitate ridicat i rezistenmare la oxidare la temperaturi nalte, se supun prelucrrii prin deformare plasticla rece, iar tendina natural de formare a structurii fibroase (de alungire agrunilor cristalini n direcia deformrii) determin distribuirea fazei f subform de fibre n faza M ce capt rolul de matrice; aceast tehnologie permiteobinerea unor materiale compozite cu foarte bune proprieti de refractaritate ( deexemplu, prin deformarea plastic la rece, cu un grad de deformare GD 90 %, aagragatului compozit obinut prin infiltrarea n pulbere de wolfram a aliajuluilichid NiCr rezult un compozit cu fibre aliniate care are rezistena la rupere, lat = 870 oC, tmCR = 430...450 N/mm

    2 (n timp ce matricea din aliaj Ni Cr aretmCR = 48...50 N/mm

    2).Toate aspectele anterior prezentate conduc la concluzia c utilizarea

    materialelor compozite durificate cu fibre trebuie extins n viitor; singurulargument care (n prezent) limiteaz folosirea acestor materiale n diverse aplicaiitehnice l constituie costul lor de elaborare ridicat.

    Cuvinte cheie

    agregare prin lipire, 289alburn, 275cambiu, 275canal rezinifer, 276compozit durificat cu fibre, 284densitate lemn

    absolut, convenional, 277depunere chimic, 289depunere electrolitic, 289duramen, 275duritate Janca, 280enclav plastic, 288fibr lemnoas, 276fracie volumic, 270furnir, 282hemiceluloz, 276ncorporare, 290inel anual, 275infiltrare, 289izodeformaie, 270izotensiune, 272

    liber, 275lignin, 276lungime critic a fibrelor, 284matrice, 269panel, 282plci celulare, 282plci din achii de lemn PAL, 282plci din fibre de lemn PFL, 282procedee tehnologice directe, 290procedee tehnologice indirecte, 289raport de form al fibrelor, 284raport de transfer al sarcinilor, 285raz medular, 276ritidom, 274solidificare unidirecional, 290trahee, 276traheid, 276trihite (fibre whiskers), 285vas lemnos, 275zona de aciune a fibrei, 271

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    292

    Bibliografie

    1. Shakelford J. Introduction to Materials Science for Engineers, MacmillanPublishing Commpany, New York, 1988

    2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II,Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981

    3. Van Vlack L., Elements of Materials Science and Engineering, Addison Wesley Publishing Company, Massachusetts, 1985

    4. Pavel A., Surse i riscuri de avarie n petrol petrochimie chimie, vol. I,Universitatea din Ploieti, Ploieti, 1993

    5. * * * Htte Manualul inginerului. Fundamente. Traducere din limbagerman dup ediia a 29 a, Editura Tehnic, Bucureti, 1995

    6. Broutman L.J., Composite materials. Fracture and fatigue, AcademicPress, New York, 1994

    7. Suciu P. Lemnul structur, proprieti, tehnologie, Editura Ceres,Bucureti, 1985

    Teste de autoevaluare

    T.12.1. Care din urmtoarele materiale aparin categoriei agregatelorcompozite: a) betonul; b) oelul carbon hipoeutectoid; c) cermetul cu particule deAl2O3 nglobate ntr-o matrice de fier; d) lemnul?

    T.12.2. Care din urmtoarele materiale aparin categoriei compozitelorstratificate: a) fonta emailat; b) panelul; c) placajul; d) polistirenul expandat?

    T.12.3. Care din urmtoarele materiale aparin categoriei compozitelor cufibre: a) cimentul; b) betonul armat; c) fonta alb hipoeutectic; d) compozitul cufilamente de carbur de bor orientate unidirecional ntr-o matrice de aluminiu?

    T.12.4. Care din urmtorii factori influeneaz proprietile materialelorcompozite: a) propriettile materialelor componente; b) concentraiile (masice sauvolumice) ale materialelor componente; c) structura i proprietile zonelor delegtur (interfaciale) dintre materialele componente; d) distribuia materialelorcomponente n structura compozitului?

    T.12.5. Care dintre urmtoarele afirmaii sunt adevrate n cazul unuicompozit cu fibre orientate unidirecional, solicitat la traciune n lungul fibrelor:a) este respectat condiia de izodeformaie; b) este respectat condiia deizotensiune; c) efectul durificator al fibrelor se manifest numai dac fracia

  • Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

    293

    volumic a fibrelor depete o valoare critic; d) efectul durificator al fibrelor semanifest numai dac fracia volumic a fibrelor este mai mic dect o valoarecritic?

    T.12.6. Care dintre urmtoarele afirmaii sunt adevrate n cazul unuicompozit cu fibre orientate unidirecional, solicitat la traciune pe o direcienormal la fibre: a) este respectat condiia de izodeformaie; b) este respectatcondiia de izotensiune; c) fracia volumic a fibrelor nu influeneaz comportareala traciune a materialului compozit; d) tensiunile generate n fibre, n matrice i nmaterialul compozit de solicitarea la traciune sunt egale?

    T.12.7. Care dintre urmtoarele afirmaii privind structura la scarmacroscopic a trunchiului unui arbore sunt adevrate: a) zona exterioar atrunchiului este denumit coaj sau scoar; b) partea exteriaor a scoarei estedenumit alburn; c) partea interioar a scoarei este denumit liber; d) liberul estepartea interioar a scoarei, care se dezvolt anual i este alctuit din vase, fibreliberiene i esuturi de parenchim?

    T.12.8. Care dintre urmtoarele afirmaii privind structura la scarmacroscopic a trunchiului unui arbore sunt adevrate: a) zona interioar atrunchiului este denumit lemn; b) partea exterioar a lemnului este denumitalburn; c) partea central a lemnului este denumit duramen; d) duramenul estepartea lemnului situat ntre alburn i mduv?

    T.12.9. Care dintre urmtoarele elemente aparin constituiei anatomice(structurii la scar microscopic) a lemnului: a) traheele; b) fibrele lemnoase;c) razele medulare; d) canalele rezinifere?

    T.12.10. Care element din constituia anatomic a lemnului este alctuitdin iruri de celule moarte, alungite, cu pereii lignificai i cu spaiul interior(golit de coninutul celular) foarte ngust, strns legate ntre ele: a) traheele;b) fibrele lemnoase; c) razele medulare; d) canalele rezinifere?

    T.12.11. Care dintre urmtoarele elemente chimice intr n alctuireafibrelor lemnoase (celulozice) i matricei din hemiceluloz i lignin, caredefinesc structura de material compozit a lemnului: a) magneziul; b) carbonul;c) oxigenul; d) hidrogenul?

    T.12.12. Care dintre urmtoarele definiii privind densitatea lemnului suntcorecte: a) densitatea lemnului verde reprezint masa unitii de volum a lemnuluisaturat n ap; b) densitatea absolut a lemnului reprezint masa unitii de voluma lemnului uscat artificial la 105 oC; c) densitatea convenional este raportuldintre masa de lemn verde i volumul de lemn anhidru care se obine din aceasta;d) densitatea convenional este raportul dintre masa de lemn anhidru i volumulde lemn verde din care aceasta s-a obinut?

    T.12.13. Care din urmtoarele afirmaii privind caracteristicile mecaniceale lemnului sunt adevrate: a) pentru lemn i produsele din lemn se poate defini

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    294

    (ca i la unele materiale metalice) o caracteristic mecanic numit rezisten laoboseal; b) duritatea Brinell a lemnului se definete la fel ca n cazul materialelormetalice; c) prezena concenratorilor de tensiuni de tipul crestturilor marginalesau orificiilor nu influeneaz comportarea la rupere a lemnului; d) caracteristicilemecanice ale lemnului nu depind de direcia pe care sunt msurate, lemnul fiindun material compozit izotrop?

    T.12.14. Care dintre urmtoarele semifabricate realizate din lemn se potconsidera materiale compozite stratificate: a) grinzile; b) panelul; c) plcilemelaminate din achii de lemn; d) plci extrudate din achii de lemn?

    T.12.15. Care dintre urmtorii factori influeneaz caracteristicilemecanice ale compozitelor durificate cu fibre: a) lungimea fibrelor; b) raportul deform al fibrelor; c) msura unghiului dintre direcia orientrii fibrelor i direciade aplicare a solicitrilor mecanice; d) fracia volumic a fibrelor?

    T.12.16. Care dintre urmtoarele afirmaii privind comportarea la solicitrimecanice a compozitelor durificate cu fibre sunt adevrate: a) comportareasolidar a componentelor la solicitarea mecanic la traciune n lungul fibrelor aunui astfel de compozit este determinat de legturile interfaciale puternice createntre M i f la elaborarea materialului; b) rezistena mecanic a unui astfel decompozit este ridicat, dac fracia volumic a fibrelor nglobate n material estesuficient de mare, astfel c orice poriune din materialul matricei se afl integralntr-o zon de aciune a unei fibre; c) cu ct raportul de transfer al sarcinilor estemai mic, cu att materialul compozit are o comportare mai eficient n ceea ceprivete conlucrarea ntre M i f i poate prelua solicitri mecanice de intensitatemai ridicat; d) rezistena mecanic a unui astfel de compozit este ridicat, dacfracia volumic a fibrelor nglobate n material este suficient de mic i o partedin materialul matricei se afl n afara zonelor de aciune ale fibrelor?

    T.12.17. Care dintre urmtoarele afirmaii privind elaborarea materialelorcompozite durificate cu fibre sunt adevrate: a) la elaborarea prin infiltrare, fibrelese aliniaz n direcia de armare dorit, materialul matricei este adus n staretopit, se infiltreaz ntre fibre (sub vid sau sub presiunea unui gaz inert) i prinsolidificare determin formarea compozitului; b) la elaborarea prin depunereachimic a matricei n jurul fibrelor, fibrele se aliniaz n direcia de armare dorit,iar matricea se depune pe fibre prin cementarea acestora n bi de sruri sau nmediu gazos; c) la elaborarea prin ncorporarea fibrelor prin deformarea plastic amatricei, un pachet realizat din straturi alternante de fibre i matrice (sub form defolie) se supune deformrii plastice la cald prin laminare, tragere sau extrudare;d) la elaborarea prin solidificarea unidirecional a eutecticelor, fazele dinstructura unui aliaj eutectic reprezint materialele componente ale compozitului,iar faza care are rolul fibrelor durificatoare capt dispunerea i orientareanecesare prin solidificarea dirijat unidirecional a aliajului turnat?

  • Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

    295

    Aplicaii

    A.12.1. Un material compozit cu fibre de sticl nglobate ntr-o matrice derin epoxidic are fracia volumic a fibrelor vf = 0,70. tiind c fibrele desticl au densitatea f = 2540 kg/m3, iar matricea din rin epoxidic aredensitatea M = 1210 kg/m3, s se determine concentraia masic a fibrelor nmaterialul compozit %fm i densitatea compozitului C.

    RezolvareConsidernd c materialul compozit are volumul VC, iar volumele fibrelor

    i matricei sunt Vf , VM, se obin relaiile: Vf = VCvf , VM = VC(1 vf) iVC = Vf + VM . Masele corespunztoare volumelor Vf , VM i VC sunt Mf = VCvff,MM = VC(1 vf)M i MC = Mf + MM, iar densitatea compozitului este dat de orelaie de forma (12.5): C = M(1 vf) + fvf; pentru datele precizate n enunulaplicaiei se obine: C = 1210(1 0,70) + 25400,70 = 2141 kg/m3.

    Concentraia volumic a fibrelor n materialul compozit este %fV = 100vf,iar concentraia masic a acestora este dat de relaia (stabilit utiliznd

    raionamentul prezentat la rezolvarea aplicaiei A.2.4): f

    fm vf 100% = ; pentru

    datele precizate n enunul aplicaiei se obine: 214125407,0100% =mf 83 %.

    A.12.2. Un material compozit cu fibre continui de sticl nglobate nmatrice de rin epoxidic se consider ca material de referin la proiectareaunui nou material compozit (cu aceleai componente). tiind c matricea areEM = 6900 N/mm2 i *mMR = 69 N/mm

    2, fibrele au Ef = 72500 N/mm2 iRmf = 3400 N/mm2, iar materialul de referin supus ncercrii la traciune nlungul fibrelor are modulul de elasticitate /CE = 46260 N/mm

    2 i rezistena larupere /mCR = 2050 N/mm

    2, s se stabileasc ce valoare trebuie s aib fraciavolumica a fibrelor n noul material, pentru ca acesta s prezinte (pe direcia deorientare a fibrelor) modulul de elasticitate EC 50000 N/mm2 i rezistena larupere RmC 2200 N/mm2.

    RezolvarePentru compozitul de referin se pot scrie relaiile (12.5) i (12.6) din care

    rezult valoarea fraciei volumice a fibrelor n acest material vf i mrimea

    rezistenei conventionale a matricei RmM: 6,0690072500690046260

    //

    ==

    =

    Mf

    MCf EE

    EEv ;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    296

    2N/mm256,01

    6,0340020501 /

    //

    ==

    =

    f

    fmfmCmM v

    vR

    RR. Deoarece pentru noul compozit

    sunt, de asemenea, valabile relaiile (12.5) i (12.6), se poate determina valoareafraciei volumice a fibrelor n acest material vf pentru respectarea condiiilorimpuse n enunul aplicaiei, astfel:. Cu datele precizate n enunul aplicaiei seobine: vf max(0,66; 0,64) Vf 0,66. De exemplu, adoptnd vf = 0,70, rezultEC = 52820 N/mm2 > 50000 N/mm2 i Rmc = 2387,5 N/mm2 > 2200 N/mm2.

    ObservaieAtt pentru materialul compozit de referin, ct i pentru noul material

    proiectat, fraciile volumice ale fibrelor depesc valaorea critic dat de relaia

    (12.7): mMmf

    mMmMfcr RR

    RRv

    =

    *

    = 013,0253400

    2569=

    ; ca urmare, efectul de durificare

    datorit nglobrii fibrelor n matrice este asigurat la ambele materiale.A.12.3. Un compozit cu fibre continui, este realizat nglobnd fibre dintr-un

    material cu Ef = 80000 N/mm2 ntr-un material matrice cu EM = 8000 N/mm2. S seanalizeze cum se modific, n funcie de fracia volumic a fibrelor vf, valorilemodulului de elasticitate al compozitului EC pe direcia fibrelor i pe direcianormal la fibre.

    RezolvareFolosind relaiile (12.5) i (12.11) n condiiile precizate n enunul

    aplicaiei se pot trasa graficele EC = f(vf) prezentate n figura 12.23. Analizndaceste grafice, rezult c modulul de elasticitate al compozitului pe direcia deorientare a fibrelor crete liniar odat cu vf, n timp ce efectul de cretere odat cuvf a modulului de elasticitate al compozitului pe direcia normal la fibre semanifest pregnant numai la valori ridicate ale vf .

    Fig. 12.23. Diagramele de variaie, n funcie de fracia volumic a fibelor, amodulului de elasticitate determinat n lungul fibrelor i pe direcia normal la fibre

    la un compozit cu fibre de sticl si matrice de rin epoxidic

  • Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

    297

    A12.4. S se determine valoarea exponentului n din relaia (12.12) pentruun agregat compozit alctuit dintr-o matrice de cobalt n care sunt nglobateparticule dure de carbur de wolfram, cunoscnd c modulul de elasticitate almatricei este EM = 207000 N/mm2, modulul de elasticitate al particulelor esteEf = 705000 N/mm2, iar modulul de elasticitate al materialului cu vf = 0,5 esteEC = 382000 N/mm2.

    Rezolvarenlocuind datele din enunul aplicaiei n relaia (12.12), se obtine ecuaia

    exponenial (transcendent), cu necunoscuta n: nnn 7052073822 += .Aceastecuaie se poate rezolva pe cale numeric, considernd diverse valori alenecunoscutei n[1;1]\{0}, calculnd (pentru fiecare valoare a exponentului n)

    nA 3822 = i nnB 705207 += i declarnd ca soluie valoarea n pentru care seobine A = B. Rezultatele utilizrii aceastei proceduri de rezolvare sunt diagrafiaten figura 12.24, iar soluia care se obine astfel este n 0 (aceeai soluierezultnd i prin utilizarea programului de rezolvare numeric a ecuaiilor alprodusului informatic MathCad).

    Fig. 12. 24. Determinarea exponentului n dinrelaia (12.12) pentru un agregat compozit cuparticule de WC nglobate n matrice de Co

    Fig.12.25. Diagrama de variaie, n funciede vf, a modulului de elasticitate al

    agregatului compozit cu particule de WCi matrice de Co

    Observaien cazul agregatului compozit analizat, exponentul n din relaia (12.12)

    tinde ctre valoarea zero i, ca urmare, n aceast situaie se poate considera c

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    298

    modulul de elasticitate al materialului este definit, pe baza relaiei (12.12), astfel:

    ff vfv

    Mn

    fnff

    nM

    nC EEvEvEE

    =+=

    11

    0])1([lim (12.18)

    Datele din enunul aplicaie satisfac aceast egalitate, care se poate considera nlocul relaiei (12.12) pentru estimarea modulului de elasticitate al agregatelorcompozite la care n 0.

    Aa cum s-a precizat n scap. 12.2, caracteristicile agregatelor compozitecu structura alctuit din particulele unui material f distribuite ntr-o matricedintr-un material M sunt intermediare celor care se pot determina n lungulfibrelor i pe direcia normal la fibre la compozitele cu fibre din material fnglobate n matricea M. Respectarea acestei reguli de ctre agregatul compozitcu particule de carbur de wolfram nglobate ntr-o matrice de cobalt este ilustratn figura 12.25, n care: curba CLF red variaia n funcie de vf a modulului deelasticitate determinat n lungul fibrelor la compozitul cu fibre de carbur dewolfram nglobate ntr-o matrice de cobalt, expresia analitic a funcieicorespunztoare acestei curbe fiind (12.5); curba CNF red variaia n funcie de vfa modulului de elasticitate determinat pe direcia normal la fibre la compozitul cufibre de carbur de wolfram nglobate ntr-o matrice de cobalt, expresia analitic afunciei corespunztoare acestei curbe fiind (12.11); curba AC red variaia nfuncie de vf a modulului de elasticitate al agregatului compozit (cvasiizotrop) cuparticule de carbur de wolfram uniform distribuite ntr-o matrice de cobalt,expresia analitic a funciei corespunztoare acestei curbe fiind (12.18).

    A.12.5. S se determine valoarea modulului de elasticitate EC al unuiagregat compozit alctuit dintr-o matrice M n care sunt distribuite uniformparticule dintr-un material f, fracia volumic a particulelor fiind vf = 0,7. Secunoate c modulul de elasticitate al materialului M este EM = 70000 N/mm2,modulul de elasticitate al materialului f este Ef = 220000 N/mm2, iar modulul deelasticitate al agregatului compozit (cu aceleai componente) avnd vf = 0,4 esteEC = 100000 N/mm2.

    RezolvareProcednd ca la rezolvarea aplicaiei A.12.4, se determin valoarea

    exponentului n din relaia (12.12), care modeleaz analitic variaia modulului deeasticitate al agregatului compozit; ecuaia exponenial care trebuie rezolvateste: 100n = 0,670n + 0,4220n, iar soluia (nebanal) care rezult prin rezolvareanumeric a acesteia este, aa cum se observ n figura 12.26, n = 0,6945.

    Folosind relaia (12.12) (cu n = 0,6945), se poate determina modulul deelasticitate al agregatului compozit cu vf = 0,7; rezult

    6945,01

    6945,06945,0 ]2200007,0700003,0[

    +=CE = 140625 N/mm2, iar variaia EC,

  • Capitolul 12 Structurile i proprietile materialeor compozite

    299

    n funcie de vf, pentru agregatele compozite cu componentele M i f precizate nenunul aplicaiei este redat n figura 12.27, n care notaiile au semnificaiisimilare celor precizate la rezolvarea aplicaiei A.12.4.

    A.12.6. O bar de traciune cu diametrul D = 25 mm este realizat dintr-unmaterial compozit durificat cu fibre discontinui de sticl, orientate pe direcia axeilongitudinale a barei i avnd diametrul df = 0,05 mm i lungimea L = 50 mm.Fracia volumic a fibrelor materialului compozit este vf = 0,7, componentelematerialului fiind caracterizate astfel: fibrele de sticl au Rmf = 3000 N/mm2, iarmatricea din rin epoxidic are RmM = 25 N/mm2 i rM = 40 N/mm2. S sestabileasc dac bara de traciune rezist la solicitarea dat de o for cuintensitatea F = 7,5105 N.

    RezolvareSolicitarea la traciune cu fora F = 7,5105 N produce tensiuni normale (n

    lungul fibrelor) cu intensitatea 15284 25

    2 25

    105,74===

    DF N/mm2.

    Fig. 12. 26. Determinarea exponentului n dinrelaia (12.12) pentru agregatul compozit

    considerat n aplicaia A.12.5

    Fig.12.27. Diagrama de variaie, n funcie devf, a modulului de elasticitate al agregatului

    compozit considerat n aplicaia A.12.5 Rezistena la rupere a materialului compozit se poate determina cu relaia

    (12.15), considernd valoarea lungimii critice a fibrelor Lc dat de relaia (12.14).

    Procednd astfel, se obine: 40

    300041

    41 05,0==

    rM

    mffC

    RdL

    = 0,94 mm

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    300

    (materialul are o comportare eficient n ceea ce privete conlucrarea ntre M i f,

    raportul de transfer al sarcinilor fiind foarte redus, L

    LC 0,02), iar

    7,0)02,01(3000)7,01(25)1()1( +=+= fC

    mffmMmC vLLRvRR 2065 N/mm2.

    Deoarece < RmC, bara rezist la solicitarea la traciune cu foraF = 7,5105 N.

    A.12.7. O bar de traciune cu diametrul D = 15 mm este realizat dintr-unmaterial compozit cu fibre continui, orientate pe direcia axei longitudinale abarei, fracia volumic a fibrelor fiind vf = 0,73. tiind c matricea compozituluiare RmM = 30 N/mm2, *mMR = 80 N/mm

    2 i rM = 40 N/mm2, iar fibrele auRmf = 2500 N/mm2, s se estimeze intensitatea forei de traciune F la care seproduce ruperea barei n urmtoarele circumstane: a) fibrele materialului suntperfect paralele cu axa longitudinal a barei; b) unghiul dintre axa longitudinal abarei i direcia orientrii fibrelor este = 5 o.

    RezolvareRuperea barei se produce cnd tensiunile normale generate de solicitarea la

    traciune cu fora F au intensitatea mCRDF

    == 2

    4

    i, ca urmare, fora de

    traciune monoaxial care produce ruperea barei are intensitatea dat de relaia:

    mCRDF4

    2= .

    a) Dac fibrele materialului compozit din care este confecionat bara suntperfect paralele cu axa longitudinal a barei ( pe direcia creia se aplic fora F),rezistena la rupere a compozitului RmC este dat de relaia (12.6), rezultnd:

    RmC = 30(1 0,73) + 25000,73 1833 N/mm2 i 18334152

    =F 3,24105 N;

    b) Dac fibrele materialului compozit din care este realizat bara suntorientate sub un unghi = 5 o faa de direcia axei longitudinale a barei, rezistenala rupere a compozitului este dat de relaia (12.16), rezultnd:

    )5sin

    ;5sin5cos

    ;5cos

    min( o2ooo2,80401833

    =mCR = min(1847;461;10532) = 461 N/mm2

    i 4614152

    =F 8,1104 N. Diminuarea considerabil a rezistenei mecanice a

    barei n acest caz este datorat faptului c msura unghiului este mai mare dectvaloarea critic dat de relaia (12.17):

    183340arctgcr = = 1o15.

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    301

    Capitolul 13

    STRUCTURILE I PROPRIETILEMATERIALELOR REALIZATE PRIN

    AGREGARE DE PULBERI

    13.1. Introducere

    n tehnica actual se utilizeaz, cu perspective mari de extindere n viitor,tehnologiile de realizare a semifabricatelor i pieselor pentru diverse aplicaii dinpulberi metalice, uneori amestecate i cu pulberi nemetalice. Studiul i aplicareaindustrial a proceselor, metodelor i procedeelor tehnologice de obinere apulberilor (preponderent metalice) i de utilizare a lor pentru realizarea deproduse cu diverse destinaii fac obiectul unei ramuri a metalurgiei numitmetalurgia pulberilor .

    Pulberile (metalice i, uneori, nemetalice) utilizate n metalurgiapulberilor sunt materiale formate din granule (particule) de metale pure, aliajesau compui chimici (intermetalici, oxizi metalici, sulfuri etc.) cu dimensiunilecuprinse ntre 0,1 m i 1 mm. La fabricarea produselor prin metoda agregriipulberilor, materiile prime sub form de pulberi (de diverse sortimentecompoziionale i/sau granulometrice) sunt amestecate n proporiile necesareproduselor care trebuie realizate, amestecul de pulberi este adus apoi la formadorit (corespunztoare produselor), cu sau fr presare, iar comprimatele depulberi astfel obinute se supun unui tratament termic, numit sinterizare, careconfer produselor compactitatea i caracteristicile de utilizare dictate deaplicaia creia sunt destinate produsele.

    Tehnologiile de realizare a produselor prin metoda agregrii pulberilorsunt aplicate de obicei n dou scopuri:

    A. Realizarea de produse din materiale metalice care nu pot fi elaborate iprelucrate primar prin tehnologiile clasice de topire turnare:

    piese (filamente, plcue pentru tuburi electronice, duze pentru ejectarea

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    302

    gazelor fierbini electrozi nefuzibili pentru sudare etc.) din metale greu fuzibile(W, Mo, Ta, Nb etc.), care, avnd ts ridicate, se obin greu n stare lichid i seimpurific uor, reacionnd puternic cu cptueala ceramic a agregatelor deelaborare turnare;

    piese (plcue i scule pentru prelucrarea prin achiere a materialelormetalice) din materiale dure, de tipul unor agregate compozite, avnd structuraalctuit din particule de carburi metalice dure (WC, TiC, Mo2C, TaC etc.)nglobate ntr-o matrice metalic tenace (Co, Ni etc.);

    piese poroase cu diverse destinaii: cuzinei poroi autoungtori dinbronzuri cu staniu sau din aliaje Fe Cu, filtre metalice din bronzuri, oeluriinoxidabile sau aliaje Monel, electrozi poroi din nichel sau argint pentruechipamentele utilizate n electrochimie etc.;

    piese (scule achietoare, elemente de friciune, cuzinei, contacte electrice,magnei etc.) din materiale de tipul cermeturilor, avnd structura alctuit dintr-ofaz oxidic ceramic (Al2O3, ZrO2 etc.) nglobat ntr-o matrice metalic (Fe, Cr,Ni, Co, Mo etc.), compozitelor cu metale i nemetale (Cu grafit, Fe maseplastice, diamant metale etc.) sau pseudoaliajelor (aliajele W Ag, W Cu,Mo Ag, Mo Cu etc., care, avnd componentele cu ts foarte diferite i/sau cusolubiliti foarte reduse n stare lichid, se obin foarte greu n stare topit).

    B. Realizarea de produse cu dimensiuni mici i forme complicate, dinmateriale care pot fi elaborate n stare topit, dar a cror fabricare prin turnare nueste eficient, deoarece implic consumuri exagerate de materiale i conduce laobinerea de semifabricate cu precizia necorespunztoare a formei idimensiunilor, ce impune aplicarea unor operaii tehnologice de finisarelaborioase i costisitoare; n construcia de maini (automobile, echipamenteelectrocasnice, echipamente de calcul automat etc.) se folosesc pe scar largastfel de piese sinterizate (roi dinate, came, tachei, garnituri, inele, prghii,pistoane, segmeni, magnei etc.), realizate mai ales din pulberi feroase.

    13.2. Obinerea i caracterizarea pulberilor

    Pentru obinerea pulberilor se utilizeaz dou categorii de metodetehnologice: metodele mecanice i metodele fizico chimice.

    Principalele metode mecanice folosite n practica industrial pentruobinerea pulberilor sunt:

    Metoda mcinrii; la aplicarea acestei metode, care este folosit nprezent pentru realizarea pulberilor de Mn, Cr, Fe, Sb, Co, Al, aliaje Fe Al,Fe Cr, Ni Fe etc., cu mrimea particulelor ntre 20 m i 1 mm i formapredominant lamelar, materia prim sub form de material metalic turnat, burete de

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    303

    minereu, precipitate obinute prin electoliz, achii, srme etc. este transformat npulbere prin mcinare n mori cu bile sau n mori cu vrtej.

    Metoda pulverizrii din faz lichid; la folosirea acestei tehnologii,aplicat actual pentru realizarea pulberilor de Fe, Cu, Ni, Al, bronzuri, alame,oeluri etc., cu mrimea particulelor ntre 20 m i 400 m i forma predominantsferoidal, materia prim sub form de metal sau aliaj topit se scurge dintr-uncreuzet (printr-o duz calibrat), sufer impactul cu mai multe jeturi (de aer,vapori, ap etc.) i este pulverizat n picturi fine, care se transform n particulede pulbere prin solidificarea ntr-o baie de rcire.

    Principalele metode fizico chimice de elaborare a puberilor metalice sunt: Metoda reducerii oxizilor; la aplicarea acestei tehnologii, folosit n

    prezent pentru obinerea pulberilor de Fe, materia prim sub form de minereuoxidic de fier sau arsur de fier, n stare mcinat este supus aciunii unui agentchimic (pulbere de cocs sau gaz metan), care, producnd reducerea oxizilor, otransform n pulbere de fier pur.

    Metoda electrolitic; la folosirea acestei metode, aplicat pentrurealizarea pulberilor de Fe, Co, Ni, Cr, Zn, Cd, Au, Pt, Ta, W, V, aliaje Fe Ni,Fe Mo, Fe Cr, Ni Mo, Fe Ni Mo etc., cu mrimea particulelor ntre0,1 m i 100 m i forma acicular (dendritic), materia prim sub form desoluii apoase sau topituri de sruri metalice este descompus prin electroliz,obinndu-se depozite catodice compacte fragile, spongioase sau pulverulente,care se pot transforma uor n pulberi prin mcinare.

    Metoda carbonil; la aplicarea acestei metode, utilizat n prezent pentruobinerea pulberilor de Ni, Fe, Co, Cr, aliaje Fe Ni, Ni Co etc., cu mrimeaparticulelor ntre 0,1 m i 10 m i forma sferoidal, materia prim sub formde achii ale metalului (Me) care trebuie adus n form de pulbere este introdusntr-un cuptor tubular, este supus aciunii unui curent de oxid de carbon, setransform (n anumite condiii de temperatur i presiune, specifice fiecruimetal) n carbonil metalic Men(CO)m (condensat sub form de lichid vscos), iardescompunerea prin volatilizare a acestuia determin formarea oxidului decarbon (care se reutilizeaz n proces) i pulberii metalului Me;

    Metoda precipitrii din soluii apoase; la utilizarea acestei metode,aplicat actual pentru fabricarea pulberilor de Ag, Ni, Cu, Sn, Au, Pt etc., materiaprim sub form de soluie apoas a srurilor metalului (Me) care trebuie obinutsub form de pulbere este supus unui agent chimic (pulbere de Zn, Fe, Cu, Aletc.) care produce precipitarea metalului (Me) sub form de pulbere; metodapermite i obinerea pulberilor cu particule bimetalice, de exemplu, folosind camaterie prim soluia de acetat de cupru, iar ca agent chimic pulberea fin de Pb,rezult precipitate granulare de plumb acoperite cu cupru.

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    304

    Pulberile metalice prezint o serie de caracteristici fizico chimice itehnologice care influeneaz esenial calitatea produselor obinute prin agregarea lor.

    Principalele caracteristici fizice ale pulberilor metalice sunt: forma particulelor; aceast caracteristic se apreciaz pe baza raportului

    dintre cele trei dimensiuni caracteristice ale particulelor, distingndu-se din acestpunct de vedere, aa cum se poate observa n figura 13.1, trei grupe de pulberi:pulberile cu particule fibroase (aciculare), pulberile cu particule lamelare(platiforme) i pulberile cu particule echiaxiale (sferoidale, poliedrice ),

    calitatea suprafeei particulelor; pulberile metalice uzuale au particulele cusuprafee neregulate i rugoase, existnd ns i pulberi ale cror particule ausuprafee netede i regulate;

    structura intern a particulelor; particulele pulberilor metalice uzuale austructura intern spongioas (cu macropori deschii), poroas (cu macropori nchii)sau compact (fr macroporoziti);

    Fig. 13.1. Principalele forme ale particulelor pulberilor utilizate n metalurgia pulberilor:a particule aciculare; b particule lamelare; c particule sferoidale

    mrimea particulelor; pentru exprimarea acestei caracteristici se folosescdou mrimi: diametrul echivalent al particulelor sau mrimea celui mai mic ochi desit prin care acestea pot trece; pulberile metalice uzuale au granulaia eterogen,mrimea particulelor acestora ncadrndu-se ntr-un domeniu mai mult sau mai puinextins, compoziia granulometric a unei pulberi metalice putndu-se exprima prinfraciile granulometrice ale particulelor de diferite mrimi ce intr n alctuireapulberii, definite, aa cum se poate observa n figura 13.2, cu ajutorul histogramelorgranulometrice ale pulberii i modelate analitic cu ajutorul unei funcii de distribuie agranulaiei pulberii (de obicei, funcia erorilor v. aplicaia A.6.5);

    suprafaa specific a particulelor; aceast caracteristic se exprim deobicei prin mrimea suprafeei totale a particulelor, inclusiv a macroporilor deschiiconinui de acestea, raportat la masa sau volumul lor efectiv;

    volumul specific de umplere Vu; aceast caracteristic se definete ca fiindvolumul ocupat de unitatea de mas de pulbere vrsat liber (netasat) ntr-un vas de

    msurare, o caracteristic derivat a acesteia fiind densitatea de umplere u = uV1 ;

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    305

    compactitatea de umplere Cu; aceast caracteristic este definit ca fiindraportul procentual dintre volumul efectiv al particulelor pulberii Ve i volumul de

    umplere Vu, 100100e

    u

    u

    eu V

    VC

    == , e fiind densitatea materialului particulelor

    pulberii; o caracteristic derivat este porozitatea de umplere Pu = 100 Cu; volumul specific de scuturare Vsc; aceast caracteristic reprezint volumul

    ocupat de unitatea de mas de pulbere dup tasarea ei prin scuturare intens, pentrupulberile metalice uzuale Vsc fiind cu 20...30 % mai mic dect Vu; cunoscnd (pentruo pulbere metalic dat) Vsc i Vu, se poate defini caracteristica numit grad de

    ndesare (prin scuturare) u

    scus V

    VVI = .

    Fig. 13.2. Definirea granulaiei cu ajutorul histogramei granulometrice pentru pulberile cu:a gam larg de dimensiuni ale particulelor; b gam ngust de dimensiuni ale particulelor

    Principalele caracteristici chimice ale pulberilor metalice sunt coninutul deimpuriti (C, O, Si, S, P etc.) al particulelor i rezistena la oxidare a particulelor,aceste caracteristici depinznd de natura materialului particulelor i de metodafolosit pentru obinerea pulberilor.

    Principalele caracteristici tehnologice ale pulberilor metalice sunt: fluiditatea; aceast caracteristic se definete ca fiind cantitatea (masa) de

    pulbere ce se scurge n unitatea de timp prin orificiul calibrat al unei plnii i estedependent n special de calitatea suprafeei particulelor i de compoziiagranulometric a pulberilor, cunoaterea ei fiind deosebit de important pentrureglarea corect a dispozitivelor de dozare a pulberilor folosite la realizarea unuianumit produs;

    densitatea de presare pr i compactitatea de presare Cpr; aceste caracteristiciexprim presabilitatea pulberilor, pr reprezentnd masa unitii de volum a unei

    pulberi supuse unei presiuni de compactizare p, iar Cpr fiind 100e

    pprC

    = ;

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    306

    rezistena muchiilor; aceast caracteristic exprim capacitatea unei pulberide a da prin presare un semifabricat suficient de rezistent, care s-i pstreze forma is nu sufere pierderi masice n timpul manipulrilor la care este supus n procesul defabricare a produselor, denumirea ei fiind determinat de faptul c rezistenamecanic a oricrui semifabricat obinut prin presarea unei pulberi depinde nprincipal de comportarea zonelor sale cu sensibilitate maxim la degradare: muchiileascuite i pereii foarte subiri.

    La obinerea produselor prin agregare de pulberi trebuie s se in seama deurmtoarele particulariti privind caracteristicile i comportarea pulberilor:

    terminarea brusc a structurii cristaline pe suprafeele libere aleparticulelor pulberilor metalice face ca atomii aflai pe aceste suprafee, cuorbitalele electronice incomplete, s aib o mobilitate accentuat i o marecapacitate de a atrage electroni, iar suprafeele s prezinte aspect rugos, datoritmultiplelor imperfeciuni cristaline (de tipul vacanelor, dislocaiilor saudefectelor de mpachetare) pe care le conin; caracterul rugos al suprafeelor liberei starea de nesaturare electronic a atomilor de pe aceste suprafee determin oreactivitate accentuat a acestora, contribuind la intensificarea proceselor deadsorbie, oxidare, corodare, difuzie etc., care definesc interaciunea complexdintre particulele pulberilor i dintre particule i mediul (gazos sau lichid) cu careacestea vin n contact n cursul operaiilor de realizare a produselor sinterizate;

    realizarea unei mpachetri compacte a particulelor pulberilor (micorareavalorilor caracteristicilor Vu, Vs i Pu) depinde esenial de fluiditatea pulberilor, careeste influenat nu numai de forma particulelor pulberilor i, aa cum sugereazschemele din figura 13.3, de compoziia granulometric a pulberilor, ci i derugozitatea suprafeelor particulelor care alctuiesc pulberile (care poate determinamodificri eseniale ale mobilitii reciproce a particulelor pulberilor la vrsarea i/saupresarea lor n matriele utilizate la obinerea produselor sinterizate);

    Fig. 13.3. Compactitatea de umplere, n funcie de compoziia granulometric, pentru pulberile:a cu gam larg de dimensiuni ale particulelor; b cu gam ngust de dimensiuni ale particulelor

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    307

    Fig.13.4. Schema micorrii compactitii pulberilor la formareaaglomeratelor i agregatelor de particule

    pe msur ce dimensiunile particulelor pulberilor se micoreaz, suprafaalor specific se mrete, iar influenele rugozitii suprafeelor libere ale particulelori reactivitii acestor suprafee devin mai importante, determinnd apariia unorfenomene de frecare i adeziune ntre particule, care conduc la formarea n masapulberilor a unor aglomerate (grupri de particule ferm legate ntre ele prin foresuperficiale de adeziune) i a unor agregate (grupri de aglomerate slab legate ntreele i uor de dezintegrat prin aciuni mecanice); formarea aglomeratelor iagregatelor trebuie mpedicat, deoarece, aa cum se poate observa n figura 13.4,diminueaz compactitatea de umplere, gradul de ndesare i compactitatea depresare a pulberilor i determin obinerea de produse cu porozitate excesiv(inacceptabil), soluia tehnologic cea mai indicat n acest scop constnd nutilizarea unor substane lubrifiante (depuse pe particulele pulberilor sau adugatela dozarea i amestecarea pulberilor n vederea realizrii produselor sinterizate).

    13.3. Transformrile structurale la presarea isinterizarea pulberilor

    Procesele eseniale ce trebuie realizate pentru obinerea produselor prinmetoda agregrii pulberilor constau n formarea legturilor de consolidare aparticulelor pulberii sau amestecului de pulberi utilizate ca materie prim. Acesteprocese, se desfoar n mai multe etape, schematizate n figura 13.5:

    crearea legturilor punctiforme ntre particule; aa cum s-a artatanterior, astfel de legturi apar ntre particulele pulberilor metalice la simpla lorvrsare sau tasare n matriele folosite la realizarea produselor i sunt (n general)instabile, neputnd asigura gradul de consolidare necesar pentru ca produsele s-ipstreze configuraia la extragerea din matrie;

    creterea legturilor punctiforme i formarea suprafeelor de

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    308

    contact (punilor de legtur) ntre particule; aceste procese sunt declanateprin presarea pulberilor n matrie (care determin compactizarea pulberilor prinredistribuirea particulelor, deformarea plastic i sudarea ntre ele a particulelor) isunt finalizate, prin nclzirea pulberilor presate, n cursul tratamentului termic desinterizare, care determin creterea mobilitii atomilor particulelor pulberilor,mai ales a celor aflai pe suprafeele libere ale acestora i desfurarea intens aunor procese de difuzie; n urma desfurrii acestei etape, ntre particulelepulberilor supuse prelucrrii se formeaz suprafee de contact (puni de legtur),de tipul unor germeni cristalini, care au tendina de a se dezvolta independent subforma unor noi cristale i de a declana astfel un proces general de recristalizare nmasa pulberilor;

    creterea cristalelor noi, sferoidizarea i diminuarea dimensiunilorporilor; prin creterea germenilor formai n etapa anterioar, agregatele depulberi capt o structur cristalin nou, ale crei cristale sunt dezvoltate ntre(peste) particulele pulberilor, asigurnd consolidarea acestora i micorarea,sferoidizarea i chiar dispariia porilor.

    Fig.13.5. Principalelor etape de formare a legturilor de consolidarela realizarea produselor prin agregare de pulberi:

    a formarea legturilor punctiforme; b formarea suprafeelor de contact;c formarea i creterea cristalelor noi; d diminuarea i sferoidizarea porilor

    Procesele descrise succint mai nainte, prin care amestecurileneconsolidate de pulberi se transform n produse compacte i rezistente, sedesfoar mai ales n cursul operaiilor tehnologice de presare a pulberilor nmatrie i de sinterizare a comprimatelor obinute prin presare. De obicei celedou operaii se realizeaz succesiv, dar exist i procedee tehnologice careprevd executarea lor simultan (presarea la cald sau sinterizarea sub presiune).

    La operaia de presare, amestecul de pulberi este presat n cavitatea uneimatrie (la presiuni p = 100...2000 MPa) i se transform ntr-un comprimat cuforma produsului ce urmeaz a fi realizat. Procesele care se desfoar n timpuloperaiei de presare pot fi descrise astfel:

    la nceputul presrii se produce reorientarea particulelor, alunecarea lorreciproc i umplerea golurilor, care asigur amestecului de pulberi mpachetarea

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    309

    cea mai dens posibil la dimensiunile i forma pe care le prezint particulelecomponente;

    odat cu cretera presiunii se produce deformarea elasto plastic aparticulelor pulberii i se creaz condiiile necesare sudrii lor prin presiune;sudarea prin presiune a particulelor pulberii se realizeaz prin urmtorulmecanism:

    sub aciunea presiunii exercitate asupra pulberii, care se constituie ntr-osurs de activare mecanic, se produce deformarea plastic local a particulelor nzonele lor de contact reciproc, care determin dislocarea straturilor eterogene (ceconin oxizi, molecule de aer adsorbit, molecule de ap i grsimi, particule depraf ionizate etc.) i aplatizarea micronereguaritilor din aceste zone; ca urmare adesfurrii acestor procese, atomii marginali ai particulelor se apropie la distaneavnd ordinul de mrime al parametrilor stucturii cristaline a materialuluiparticulelor i interacioneaz dnd natere unor germeni cristalini comuni nzonele de contact ale particulelor;

    o parte din energia acumulat n materialul deformat plastic din zonelede conact ale particulelor pulberii constituie energia de activare necesar creteriii transformrii n cristale a germenilor cristalini comuni, n acest fel realizndu-sesudarea ntre particulele pulberii.

    Pentru conducerea corect a operaiei de presare i apreciereacorespunztoare a eficienei proceselor care se desfoar n cursul acesteiatrebuie avute n vedere urmtoarele aspecte:

    deformarea plastic local a zonelor de contact ale particulelor serealizeaz (n mod obinuit) la rece, fiind nsoit de ecruisarea materialului(creterea rezistenei la deformare a materialului) din aceste zone i, ca urmare,procesele de deformare sunt transferate n afara zonelor de contact ale particulelor(spre materialul neecruisat din interiorul particulelor pulberii) nainte deaplatizarea complet a microneregularitilor i dizlocarea suficient a straturiloreterogene de pe suprafeele n contact ale particulelor, iar punile de legturrealizate prin sudare au (datorit extinderii reduse i coninutului mare deimpuriti) rezisten mecanic relativ sczut; extinderea redus a punilor delegtur realizate prin sudare este, n plus, determinat i de intensitatea sczutcu care se desfoar procesele de difuzie la temperatura de presare;

    dac particulele pulberii supuse presrii au plasticitate sczut, sudareaprin presiune a particulelor nu se poate realiza; ca urmare, la fabricarea produselordin pulberi metalice sau nemetalice nedeformabile consolidarea prin presare aparticulelor pulberilor i obinerea unor comprimate cu rezisten mecanicacceptabil se realizeaz numai dac particulele sunt amestecate cu un liantmetalic (care rmne n compunerea produsului) sau organic (care se elimin ncursul sinterizrii);

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    310

    la extragerea comprimatelor din matriele n care s-a realizat presarea seproduce relaxarea elastic a materialului particulelor pulberii i, ca urmare, semanifest un fenomen de cretere brusc a volumului acestor comprimate, numitefect postelastic; dac plasticitatea particulelor pulberilor este redus, efectulpostelastic este important (comprimatele i mresc volumul cu cteva procente lascoaterea lor din matrie) i poate produce distrugerea comprimatelor, evitareaacestui fenomen nedorit fiind asigurat de utilizarea lianilor.

    Sinterizarea este tratamentul termic prin care se realizeaz activareatermic a comprimatelor de pulberi n vederea desfurrii proceselor, bazate pedifuzie, care produc consolidarea i creterea punilor de legtur dintreparticule, densificarea (micorarea porozitii) i recristalizarea structuriiproduselor realizate prin agregare de pulberi.

    Procesele care se desfoar n timpul sinterizrii pot fi descrise astfel: difuzia atomilor, accelerat de ridicarea temperaturii, determin consolidarea

    i creterea germenilor cristalini formai n zonele de contact dintre particule; difuzia atomilor, accelerat de ridicarea temperaturii, determin

    declanarea unor procese de recristalizare a materialului (ecruisat prin deformareaplastic la rece produs de presare) din zonele de contact ale particulelor i dininteriorul acestora, care au ca efecte consolidarea legturilor dintre particulelepulberii, sferoidizarea i micorarea porilor i finisarea granulaiei produselor;

    creterea temperaturii determin desfurarea unor procese chimice,care constau n reducerea peliculelor de oxizi de pe suprafeele particulelor,eliminarea gazelor i lichidelor adsorbite pe suprafeele particulelor pulberii,ndeprtarea produselor rezultate din reducerea, descompunerea i vaporizareasubstanelor introduse la presare ca liani sau lubrifiani; n plus, n cazulamestecurilor de pulberi (cu particule din materiale diferite) se produce ialierea particulelor cu componentele transportate prin difuzie din particulelevecine.

    Desfurarea acestor procese i calitatea produselor obinute prin agregarede pulberi sunt influenate esenial de regimul tehnologic al tratamentului desinterizare, aa cum sugereaz imaginile prezentate n figura 13.6. Pri ncipaliiparametri de regim ai tratamentului de sinterizare se aleg astfel:

    Temperatura de sinterizare Tsi se stabilete avnd n vedere csinterizarea trebuie s asigure formarea de noi cristale ntre particulelepulberilor din care sunt realizate comprimatele supuse acestui tratament. De

    obicei, temperatura de sinterizare se adopt Tsi = sT)54

    32( , Ts fiind

    temperatura de solidificare topire (n K) a componentului principal alpulberii sau amestecului de pulberi din care se confecioneaz produsele; se

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    311

    observ c tratamentul se efectueaz la Tsi > Trp, Trp fiind temperatura derecristalizare primar a componentului principal al pulberii sau amesteculuide pulberi (Trp 0,4Ts v. scap. 3.5), pentru a asigura condiiile termicenecesare desfurrii proceselor de recristalizare care stau la baza formriilegturilor de consolidare ntre particule. Acest mod de alegere a temperaturiiTsi conduce n anumite cazuri, cnd pulberile sau amestecurile de pulbericonin componente secundare cu temperatura de solidificare topireinferioar Tsi, la desfurarea proceselor de sinterizare n prezena uneianumite cantiti de faz lichid, fapt ce are ca efecte accelerareaproceselor i obinerea unor produse cu compactitate ridicat.

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

    c pulberea presat i sinterizat 240 ore la 900 oC

    Durata sinterizrii si se stabilete experimental, n corelaie cu gradulde sinterizare necesar realizrii proprietilor de utilizare dorite ale produselor; lastabilirea mrimii si se ine seama c aceasta este direct proporional cu volumulparticulelor pulberii din care se realizeaz produsele i invers proporional cucoeficientul de difuzie D al componentului principal al pulberii (care se coreleazcu Tsi conform (1.15) v. scap. 1.7).

    Mediul de sinterizare se alege n mod obinuit neutru sau reductor,deoarece prezena oxizilor n masa sau pe suprafeele particulelor pulberilorfolosite la realizarea produselor influeneaz negativ desfurarea proceselor dedifuzie care au loc n cursul sinterizrii. Mediile neutre (atmosferele de argon) sefolosesc la sinterizarea produselor din pulberi metalice lipsite de oxizi. Mediilereductoare (atmosferele de hidrogen, amoniac, hidrocarburi etc.) se utilizeazatunci cnd pulberile din care se realizeaz produsele se oxideaz uor sauprezint coninuturi apreciabile de oxigen (oxizi) de la elaborare, manipulare saudepozitare. n prezent se practic pe scar larg sinterizarea n vid, mediu ieftin,uor de obinut i cu activitatea chimic (reductoare sau neutr) reglabil (prinnivelul vidului i temperatura Tsi utilizate la sinterizare).

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    312

    13.4. Structurile i proprietile produselor sinterizate

    Produsele care se obin prin metoda agregrii pulberilor au caracteristicilestructurale (influenate de compoziia chimic i de regimul tehnologic folosit lasinterizare) sugerate de micrografiile prezentate n figurile 13.7, 13.8 i 13.9.

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

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

    Produsele fr porozitate, cu structura alctuit din particulele unuimaterial nglobate ntr-un material suport (liant, matrice), se comport ca nisteagregate compozite, caracteristicile lor putnd fi determinate aplicnd principiileprezentate n scap. 12.2.

    Produsele sinterizate prezentnd o porozitate Pp au caracteristicile fizico mecanice determinate att de caracteristicile structurii realizate prin sinterizare,definite prin constituia acesteia (natura, numrul i proporia fazelor carealctuiesc structura) i prin forma, dimensiunile, modul de distribuie i gradul dedispersie al fazelor componente ale structurii, ct i de mrimea porozitii, formai dimensiunile porilor.

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor realizate prin agregare de pulberi

    313

    Fig. 13.9. Microstructurile unor produe industriale sinterizate:a filtru din pulbere de bronz; b electrod din pulbere de wolfram;

    c pies din pseudoaliaj WNiFe obinut prin sinterizareDeoarece porii prezeni n produsele sinterizate diminueaz seciunile

    portante i au efectele unor concentratori de tensiuni, caracteristicile mecanice aleacestor produse pot fi influenate n msur important de mrimea porozitii Pp(n %), definit prin relaiile:

    100)1(100s

    sp V

    VVP

    =

    = , (13.1)

    n care V i reprezint volumul i, respectiv, densitatea produsului sinterizat, iarVs i s volumul i, respectiv, densitatea masei structurale (lipsit de pori) aprodusului. Cercetrile experimentale ntreprinse asupra diverselor materialeobinute prin metoda agregrii de pulberi au evideniat faptul c dependeeledintre principalele caracteristici mecanice ale acestor materiale i porozitatea lorpot fi exprimate analitic prin relaii de forma:

    ps PKseYY

    = sau )1( / mpss PKYY = (13.2)

    n care Y i Ys reprezint valorile unei caracteristici mecanice determinate pematerialul sinterizat i, respectiv, pe materialul (lipsit de pori) care alctuietemasa structural a produsului sinterizat, iar Ks, /sK i m sunt constante cu valoriledependente de natura materialului sinterizat i, evident, de caracteristicamecanic considerat. Prima dintre relaiile (13.2) este potrivit pentru a estimaduritatea Brinell (Y HB; Ys HBs), rezistena la traciune (Y Rm; Ys Rms) ialungirea procentual dup rupere (Y A; Ys As) ale materialelor sinterizate, ntimp ce a doua relaie permite modelarea numeric a modulului de elasticitatelongitudinal (Y E; Ys Es) i coeficientului contraciei transversale (Y ;Ys s) ale unor astfel de materiale; de exemplu, n cazul produselor realizate dinpulberi de fier sinterizate, prima dintre relaiile (13.2) permite a se estimaduritatea Brinell HB, dac se consider Ys HBs = 75 HBS i Ks = 0,049,

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    314

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

    Fig. 13.10. Curbele Whler ale fierului sinterizat cu diferite valori ale porozitii Pp Porozitatea produselor sinterizate influeneaz negativ rezistena la obosela acestora, aa cum rezult examinnd curbele de durabilitate (Whler) alepieselor din fier sinterizat prezentate n figura 13.10. De asemenea, porozitateainflueneaz i alte caracteristici ale produselor sinterizate: conductibilitateatermic i electric, caracteristicile magnetice, rezistena la coroziune etc.

    Cuvinte cheieaglomerate, 307agregare pulberi, 301agregate, 307compactitate de presare, 305compactitate de umplere, 305densitate de presare, 305densitate de umplere, 304durat de sinterizare, 311efect postelastic, 310fluiditate, 305grad de ndesare, 305mediu de sinterizare, 311

    metalurgia pulberilor, 301metode fizico-chimice

    reducere oxizi, carbonil, electrolitic,precipitare, 303

    metode mecanicemcinare, pulverizare, 302

    porozitate de umplere, 305pulberi, 301

    fibroase, lamelare, sferoidale, 304sinterizare, 310temperatur de sinterizare, 310volum specific de scuturare, 305

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor obinute prin agregare de pulberi

    315

    Bibliografie

    1. Shakelford J., Introduction to Materials Science for Engineers, MacmillanPublishing Commpany, New York, 1988

    2. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. II,Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981

    3. Surdeanu T, Perne M, Piese sinterizate din pulberi metalice, EdituraTehnic, Bucureti, 1984

    4. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea a doua, Universitatea dinPloieti, Ploieti, 1985

    5. Ciocrdia C., Drgulnescu E., Drgulnescu I., Aliaje dure sinterizate dincarburi metalice, Editura Tehnic, Bucureti, 1985

    6. Gdea S., .a., Metalografie, Editura didactic i Pedagogic, Bucureti, 19867. * * * Metals Handbook Ninth Edition, vol.9, American Society for Metals,

    Ohio, 1986

    Teste de autoevaluare

    T.13.1. Care dintre urmtoarele etape se parcurg la fabricarea unui produsprin metoda agregrii de pulberi: a) obinerea pulberilor; b) presarea pulberilor;c) spargerea comprimatelor realizate prin presare; d) sinterizarea comprimatelorobinute prin presare?

    T.13.2. Care dintre urmtoarele produse se pot obine prin metodaagregrii de pulberi: a) electrozii nefuzibili din wolfram pentru sudare;b) plcuele din materiale dure pentru sculele achietoare; c) arborii cotii aimotoarelor Diesel pentru camioanele de mare tonaj; d) barele de traciune dinrin poliesteric armat cu fibre de sticl?

    T.13.3. Care dintre urmtoarele produse se pot obine prin metodaagregrii de pulberi: a) cuzineii din bronz grafitat; b) plcuele dure dincermeturi pentru sculele achietoare; c) filtrele din aliaje Monel; d) grinzilemetalice pentru poduri?

    T.13.4. Metoda de producere a pulberilor la a crei aplicare materia primsub form de metal sau aliaj topit se scurge dintr-un creuzet (printr-o duzcalibrat), sufer impactul cu mai multe jeturi (de aer, vapori, ap etc.) i estepulverizat n picturi fine, care se transform n particule de pulbere prinsolidificarea ntr-o baie de rcire, este: a) metoda electolitic; b) metoda carbonil;c) metoda pulverizrii din faz lichid; d) metoda precipitrii din soluie apoas?

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    316

    T.13.5. Metoda de producere a pulberilor la a crei aplicare materia primsub form de soluii apoase sau topituri de sruri metalice este descompus prinelectroliz, obinndu-se depozite catodice compacte fragile, spongioase saupulverulente, care se pot transforma uor n pulberi prin mcinare, este: a) metodamcinrii; b) metoda precipitrii din soluie apoas; c) metoda carbonil; d) metodaelectrolitic?

    T.13.6. Care dintre urmtoarele caracteristici ale pulberilor metalice sencadreaz n categoria caracteristicilor fizice: a) mrimea particulelor;b) suprafaa specific a particulelor; c) fluiditatea: d) densitatea de presare?

    T.13.7. Care dintre urmtoarele caracteristici ale pulberilor metalice sencadreaz n categoria caracteristicilor tehnologice: a) densitatea de umplere;b) volumul specific de scuturare; c) densitatea de presare; d) compactitatea de presare?

    T.13.8. Mrimea suprafeei totale a particulelor unei pulberi, inclusiv amacroporilor deschii coninui de acestea, raportat la masa sau volumul lor efectivdefinete: a) volumul specific al pulberii; b) suprafaa specific a particulelor pulberii;c) mrimea particulelor pulberii; d) porozitatea de umplere a pulberii?

    T.13.9. Cantitatea (masa) de pulbere ce se scurge n unitatea de timp prinorificiul calibrat al unei plnii definete: a) densitatea de presare a pulberii;b) rezistena la oxidare a particulelor pulberii; c) compactitatea de umplere a pulberii;d) fluiditatea pulberii?

    T.13.10. Capacitatea unei pulberi de a da prin presare un semifabricatsuficient de rezistent, care s-i pstreze forma i s nu sufere pierderi masice ntimpul manipulrilor la care este supus n procesul de fabricare a produselordefinete: a) densitatea de umplere a pulberii; b) suprafaa specific a particulelorpulberii; c) rezistena muchiilor (comprimatelor obinute prin presarea pulberii);d) fluiditatea pulberii?

    T.13.11. Care dintre urmtorii factori influeneaz fluiditatea unei pulberi:a) forma particulelor; b) compoziia granulometric a pulberii; c) coninutul deimpuriti al particulelor pulberii; d) rugozitatea suprafeelor particulelor?

    T.13.12. Care dintre urmtoarele procese se produc la formarea legturilorde consolidare a particulelor pulberii utilizate ca materie prim pentru obinereaunui produs: a) crearea legturilor punctiforme ntre particule; b) dezintegrareaparticulelor; c) creterea legturilor punctiforme i formarea suprafeelor decontact (punilor de legtur) ntre particule; d) creterea cristalelor noi,sferoidizarea i diminuarea dimensiunilor porilor?

    T.13.13. Procesele prin care amestecurile neconsolidate de pulberi setransform n produse compacte i rezistente se desfoar mai ales n cursuloperaiilor tehnologice de: a) dozare a pulberilor; b) presare a pulberilor nmatrie; c) sinterizare; d) amestecare a pulberilor?

    T.13.14. Gruprile de particule ferm legate ntre ele prin fore superficiale de

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor obinute prin agregare de pulberi

    317

    adeziune sunt denumite: a) agregate de particule; b) aglomerate de particule;d) dislocaii; d) lipituri?

    T.13.15. Relaxarea elastic a materialului particulelor pulberii, nsoit decreterea brusc a volumului comprimatelor de pulberi la scoaterea lor dinmatriele n care au fost realizate prin presare, este denumit: a) sinterizare;b) dilatare termic; c) efect postelastic; d) expansiune?

    T.13.16. Tratamentul termic prin care se realizeaz activarea termic acomprimatelor de pulberi n vederea desfurrii proceselor, bazate pe difuzie,care produc consolidarea i creterea punilor de legtur dintre particule,densificarea (micorarea porozitii) i recristalizarea structurii produselorrealizate prin agregare de pulberi este denumit: a) recoacere complet;b) normalizare; c) clire martensitic; d) sinterizare?

    T.13.17. Care dintre urmtoarele afirmaii privind alegerea regimuluitehnologic la sinterizarea comprimatelor de pulberi sunt adevrate: a) temperaturade sinterizare trebuie s fie mai mic dect temperatura de recristalizare primar amaterialului componentului principal al pulberii; b) durata sinterizrii este directproporional cu volumul particulelor pulberii din care se realizeaz produsele iinvers proporional cu coeficientul de difuzie D al componentului principal alpulberii; c) cnd pulberile din care se realizeaz produsele se oxideaz uor sauprezint coninuturi apreciabile de oxigen (oxizi) de la elaborare, manipulare saudepozitare sinterizarea se face n atmosfer reductoare (hidrogen, amoniac,hidrocarburi etc.); d) atmosferele de argon se folosesc la sinterizarea produselordin pulberi metalice lipsite de oxizi?

    T.13.18. Care dintre urmtoarele efecte corespund prezenei porilor nprodusele realizate prin metoda agregrii de pulberi: a) diminueaz rezistena latraciune; b) mresc duritatea; c) mresc rezistena la oboseal; d) micoreazmodulul de elasticitate?

    Aplicaii

    A.13.1. s se stabileasc relaia de determinare a suprafeei specifice apulberilor alctuite din particule cubice (cu latura dp) sau sferice (cu diametrul dp)realizate dintr-un material cu densitatea e.

    RezolvareConform definiiei date n scap. 13.2, suprafaa specific a particulelor

    unei pulberi este raportul dintre suprafaa total a particulelor i suprafaa lorefectiv (numit suprafa specific Sv) sau raportul dintre suprafaa total aparticulelor i masa lor efectiv (numit suprafa specific Sm). Ca urmare,considernd c o mas M de pulbere conine np particule cu volumul (total) efectiv

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    318

    Ve, fiecare particul avnd volumul Vp ( 3pp dV = , dac particulele au forma cubic

    sau 3)2

    (34 p

    p

    dV = , dac particulele au forma sferic), suprafaa Sp ( 26 pp dS = ,

    dac particulele au forma cubic sau 2)2

    (4 ppd

    S = , dac particulele au forma

    sferic) i masa pep VM = , rezult: p

    p

    pp

    ppv V

    SVnSn

    S == i pe

    p

    pep

    ppm V

    SVn

    SnS

    == ;

    nlocuind n aceste relaii expresiile mrimilor Sp i Vp, se obin relaiile:

    p

    v dS 6= i

    pem d

    S

    6= . (13.3)

    ObservaieRelaiile (13.3) sugereaz c suprafaa specific a pulberilor cu particule

    de form regulat este independent de forma particulelor. n cazul pulberilor cuparticule de form neregulat (cu macropori deschii, cu aspect dendritic etc.)suprafaa specific se stabilete cu relaii de forma:

    fp

    v dS 6= i f

    pem d

    S

    6= , (13.4)

    f fiind un factor de corecie supraunitar, care ine seama de abaterile de la formaregulat (poliedric sau sferic) ale particulelor pulberii.

    A.13.2. Pulberea metalic utilizat ca materie prim pentru realizarea unuiprodus sinterizat are urmtoarele caracteristici: densitatea materialului particulelorpulberii e = 7850 kg/m3, densitatea de umplere u = 3500 kg/m3 i densitatea depresare p = 7200 kg/m3. S se determine pentru aceast pulbere compactitatea deumplere Cu, porozitatea de umplere Pu i compactitatea de presare Cpr i s sestabileasc dac produsul obinut prin sinterizare poate avea porozitatea Pp 10 %.

    RezolvareUtiliznd relaiile de definire a caracteristicilor pulberilor (date n

    scap. 13.2), rezult pentru pulberea precizat n enunul aplicaiei: compactitatea

    de umplere a pulberii este == 10078503500100

    e

    uuC

    44,6 %, porozitatea de

    umplere este Pu = 100 Cu = 100 44,6 55,4 % , iar compactitatea de presare

    este == 10078507200100

    e

    pprC

    91,7 %. Evident, porozitatea pulberii presate este

    Ppr = 100 Cpr = 100 91,7 = 8,3 % i, innd seama c tratamentul termic desinterizare reduce porozitatea comprimatelor de pulbere obinute prin presare, sepoate aprecia c produsele realizate vor avea Pp < 8,3 % < 10 %.

  • Capitolul 13 Structurile i proprietile materialelor obinute prin agregare de pulberi

    319

    A.13.3. Un filtru realizat prin sinterizare din pulbere de aliaj Monel cu%Nim = 70 % are porozitatea Pp = 38 %. S se determine densitatea aceestui produs.

    RezolvareParticulele pulberii din aliaj Monel au (aa cum s-a precizat n scap. 9.5.2)

    concentraiile masice ale componentelor: %Nim = 70 % i %Cum = 30 %,densitile acestor componentelor avnd valorile (precizate n tabelul 1.2):Ni = 8910 kg/m3 i Cu = 8930 kg/m3. Particulariznd relaia general stabilit larezolvarea aplicaiei A.2.4, se poate determina densitatea materialului particulelor

    pulberii: +

    =

    +=

    893030

    891070

    100%%

    100

    Cu

    m

    Ni

    me CuNi

    8916 kg/m3.

    Densitatea filtrului obinut prin sinterizare din pulbere de aliaj Monel este:

    == )100381(8916)

    1001( pep

    P 5528 kg/m3.

    A.13.4. Microstructura unui produs din bronz grafitat realizat prinmetoda agregrii de pulberi evideniaz un coninut procentual (volumic) debronz %Bzv = 85 % i un coninut procentual (volumic) de grafit %Cv = 85 %,restul fiind pori. S se determine densitatea acestui produs, tiind c larealizarea lui s-a folosit un amestec alctuit din pulbere de grafit i pulbere debronz cu staniu cu %Snm = 10 %.

    RezolvareDensitatea grafitului este (v.scap. 4.1) C = 2500 kg/m3, iar densitatea

    bronzului cu staniu se determin folosind relaia general stabilit la rezolvareaaplicaiei A.2.4, tiind c (aa cum se precizeaz n tabelul 1.2) Cu = 8930 kg/m3 i

    Sn = 7290 kg/m3: +

    =

    +

    =

    729010

    893090

    100%%

    100

    Sn

    m

    Cu

    mBz SnCu

    8734 kg/m3.

    Considernd c produsul precizat n enunul aplicaiei are masa Mp ivolumul Vp, rezult Mp = MBz + MC = Bz VBz + C VC i Vp = VBz + VC + Vpori,MBz i MC fiind masele bronzului i grafitului exisistente n structura produsului,iar VBz, VC i Vpori volumele ocupate de bronz, grafit i pori n aceast structur.

    Deoarece pv

    Bz VBzV

    100%

    = i pv

    C VCV

    100%

    = se obine c densitatea produsului este

    =+=100%

    100% v

    Cv

    BzpCBz 87340,85 + 25000,10 7674 kg/m3.

    ObservaieDac produsul ar avea porozitatea Pu = 0 %, coninuturile procentuale

  • ELEMENTE DE STIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    320

    (volumice) ale constituenilor structurali ar fi: =+

    = 1009585100

    %%%

    % /vv

    vv CBz

    BzBz

    89,5 % i // %100% vv BzC = = 100 89,5 = 10,5 % i densitatea produsului crete

    la valoarea =+=100%

    100% /// v

    Cv

    BzpCBz 87340,895 + 25000,105 8080 kg/m3.

    A.13.5. Utiliznd datele prezentate n scap. 13.4, s se studieze variaiilecaracteristicilor mecanice ale produselor realizate din pulberi de fier sinterizate, nfuncie de porozitatea acestora Pu (0 %; 30 %).

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

    RezolvareUtiliznd relaiile potrivite din grupul (13.2), cu valorile precizate n

    scap. 13.4 pentru constantele care intervin n aceste relaii, se obin diagramele devariaie ale principalelor caracteristici mecanice ale produselor realizate dinpulberi de fier sinterizate (duritatea Brinell HB, rezistena la traciune Rm,alungirea procentual dup rupere A i modulul de elasticitate longitudinal E), nfuncie de porozitatea acestora Pp , prezentate n figura 13.11.

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    321

    Capitolul 14

    ALEGEREA MATERIALELOR PENTRUAPLICAIILE TEHNICE

    14.1. Introducere

    La alegerea materialelor pentru o aplicaie tehnic trebuie avute n vederedou principii:

    * materialele selectate trebuie s posede proprietile fizico-chimice,mecanice i tehnologice corespunztoare cerinelor impuse de aplicaia n caresunt utilizate;

    * materialele alese trebuie s conduc la soluii tehnice de rezolvare aaplicaiei care s fie convenabile economic, adic s poat fi transpuse n practiccu cheltuieli acceptabile privind elaborarea materialelor, obinereasemifabricatelor i realizarea produselor impuse de aplicaie.

    n scopul facilitrii alegerii lor pentru diverse aplicaii tehnice, s-a recursla mprirea materialelor n dou mari clase:

    materialele structurale (materialele de construcie) sunt cele la carecaracteristicile de rezisten mecanic sunt cele mai importante, ele fiinddestinate confecionrii elementelor (pieselor, componentelor) supuse la solicitrimecanice; n lucrarea de fa, adresat n principal celor care se pregtesc saucare lucreaz n domeniul ingineriei mecanice, sunt tratate cu precderematerialele din aceast clas: materialele metalice (oeluri, fonte i aliajeneferoase), materialele pe baz de substane macromoleculare, materiale ceramicei sticlele, lemnul i materialele compozite;

    materialele funcionale sunt cele la care caracteristicile cele maiimportante sunt de natur electric, magnetic, optic, chimic, etc., ele trebuinds asigure ndeplinirea rolului funcional al unor elemente (piese, componente)pentru electrotehnic, electronic, automatic i informatic, tehnica msurrii,

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    322

    detecia i nregistrarea semnalelor de diverse naturi fizice, etc.; materialele dinaceast clas (materialele semiconductoare, materialele magnetice, materialeleceramice cu proprieti piezoelectrice, polimerii pentru cristale lichide, ceramiceleelectrooptice, materialele conductoare i superconducoare, etc.) nu au fcutobiectul acestei lucrri.

    Tinnd de cele expuse mai nainte, n acest capitol sunt tratate n principalaspectele privind alegerea materialelor structurale pentru aplicaiile tehnice.

    14.2. Criteriile i metodele de selecie a materialelor

    Prima etap care trebuie parcurs la alegerea materialelor adecvaterealizrii unui produs const n cunoaterea tuturor condiiilor tehnice ce definescfuncionalitatea lui i comportarea sa n exploatare:

    condiiile privind solicitrile mecanice la care este supus produsul:complexitatea sistemului de solicitare (solicitri simple, de tip ntinderecompresiune, ncovoiere simpl sau forfecare pur, sau solicitri compuse),intesitatea solicitrilor, caracterul static sau dinamic al aplicrii acestora,caracterul variabil n timp sau constant al solicitrilor (care implic apariia sau nua fenomenului de degradare prin oboseal), posibilitatea ca solicitrile s generezefenomene de pierdere a stabilitii unor componente ale produsului (a crorevitare impune asigurarea unor anumite rigiditi ale componentelor), condiiiletermice n care se aplic solicitrile (solicitri la temperaturi sczute, solicitri ncondiii de temperatur normal sau solicitri n condiii termice care determinmanifestarea fenomenului de fluaj), condiiile de mediu n care se aplicsolicitrile (mediu de lucru neutru, mediu corosiv sau abraziv) etc.;

    condiiile privind caracteristicile fizice ale materialului produsului,care determin sau influeneaz ndeplinirea funciilor pentru care acesta esterealizat: densitatea, fuzibilitatea, rezistivitatea electric, conductibilitatea termic,dilativitatea termic etc.;

    condiiile privind precizia dimensional a produsului i calitateasuprafeelor acestuia;

    condiiile privind fiabilitatea i mentenabilitatea produsului,fiabilitatea fiind proprietatea produsului exprimat prin probabilitatea ca acestas-i ndeplineasc funciile n condiii prescrise, n cursul unei perioade de timpdate, iar mentenabilitatea fiind proprietatea produsului exprimat prinprobabilitatea ca acesta s poat fi supravegheat, ntreinut i reparat ntr-oanumit perioad de timp.

    n prezent, n gama condiiilor tehnice ale produselor industriale se includ

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    323

    i cele privind protecia oamenilor i mediului nconjurtor (condiiile ecologice)i condiiile privind reciclabilitatea (proprietatea produsului scos din uz de aputea fi transformat n deeuri reintegrabile n natur sau valorificabile prinprocese tehnologice de realizare a unor noi produse).

    Dup analiza detaliat a condiiilor tehnice impuse produsului care trebuieobinut se formuleaz criteriile de selecie a materialelor necesare pentrufabricarea acestuia, grupate n categoriile prezentate n continuare:

    A. Criteriile privind proprietile materialelor sunt principalele criteriifolosite pentru alegerea acestora; n aceast categorie sunt incluse:

    criteriile privind caracteristicile mecanice care trebuie asigurate (ncondiiile de temperatur i mediu de lucru corespunztoare produsului ce trebuierealizat): duritatea, rezistena la rupere, limita de curgere, modulul de elasticitate,alungirea procentual dup rupere, energia de rupere, rezistena la oboseal,rezistena la fluaj, etc.;

    criteriile privind caracteristicile fizice care trebuie asigurate: densitatea,temperatura de topire-solidificare, rezistivitatea electric, coeficientul de dilataretermic, conductibilitatea termic, etc.;

    criteriile privind caracteristiciele chimice i structurale impuse:compoziia chimic, structura, coninutul de impuriti, rezistena la coroziune (nmediul de lucru i n condiiile de solicitare corespunztoare produsului ce trebuierealizat);

    criteriile privind caracteristicile semifabricatelor necesare pentruobinerea produsului: forma, dimensiunile i masa semifabricatelor, calitateasuprafeelor semifabricatelor.

    n mod obinuit criteriile privind alegerea materialelor n funcie deproprieti se formuleaz considernd diversele caracteristici care exprimcantitativ proprietile acestora. Astfel, dac se noteaz cu CAP nivelul limit(minim sau maxim) acceptabil (din punctul de vedere al aplicaiei pentru caretrebuie ales materialul) al unei caracteristici de material i cu CAM nivelul(aceleiai caracteristici) asigurat de materialele din gama considerat la selecie,criteriul se poate exprima analitic n una din urmtoarele forme: CAM CAP sau CAM CAP; (14.1)de exemplu, dac ntr-o aplicaie este necesar s se utilzeze materiale avnd rezistenala rupere mai mare dect 300 N/mm2, criteriul de selecie a materialelor va fiRm > 300 N/mm2, iar dac aplicaia impune ca materialele s aib densitatea mai micdect 4000 kg/m3, criteriul de selecie a materialelor se poiate scrie 4000 kg/m3.

    Criteriile din aceast categorie pot fi ierarhizate n funcie de importan,stabilindu-se pentru fiecare criteriu dac este principal (de baz) sau secundar(auxiliar) i dac este obligatorie sau facultativ respectarea sa. Pentru ierarhizareacriteriilor i stabilirea ponderii (coeficientului de importan) cu care fiecare

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    324

    criteriu trebuie considerat la luarea deciziilor privind alegerea materialelor sepoate folosi metoda prezentat n figura 14.1, la aplicarea creia se parcurgurmtoarele etape:

    se precizeaz criteriile care se iau n considerare K1,K2, ... ,Ki, Kj, ... , Kn; echipa de proiectare stabilete valorile ponderilor pariale aij, i j i

    aij +aji = 1 i ntocmete un tablou numit matricea preferinelor; pentru stabilireavalorilor ponderilor aij se consider pe rnd perechile de criterii (Ki, Kj), i j i,presupunnd c numai criteriile Ki i Kj intervin n alegerea materialului, seestimeaz coeficientul de importan al fiecrui criteriu (de exemplu, a31 = 0,7 ia13 = 0,3 rezult considernd perechea de criterii (K1, K3) i apreciind c, n cazulcnd numai aceste dou criterii se iau n considerare, respectarea criteriului K1asigur n proporie de 70% luarea unei decizii bune la alegera materialului);

    se calculeaz suma ponderilor pariale corespunztoare fiecrui criteriu

    (suma pondrilor nscrise pe fiecare coloan a matricei preferinelor) =

    =

    n

    iijpj aS

    1

    i

    suma tuturor ponderilor pariale nscrise n matrice 2

    )1( =

    nnS p ;

    se calculeaz ponderea cu care trebuie considerat fiecare criteriu la

    alegerea materialelor p

    pjj S

    Sa = , j = 1...n ( =

    =

    n

    jja

    11) i pe aceast baza se poate

    face ierarhizarea dup importan a criteriilor.Pentru ca numrul criteriilor utilizate la selecia materialelor n funcie de

    proprieti s fie ct mai mic (n scopul facilitrii alegerii) se apeleaz laformularea unor criterii bazate pe caracteristici sintetice (care nglobeaz maimulte caracteristici ale materialului). De exemplu, dac pentru o aplicaie trebuieales un material care s asigure un nivel ridicat al rezistenei mecanice a pieselori un nivel sczut al masei acestora, criteriul de selecie a materialelor seformuleaz considernd caracteristica (sintetic) denumit rezisten mecanicspecific KR, definit prin raportul dintre rezistena la rupere a materialului Rm igreutatea specific ( = g, fiind densitatea materialului, iar g acceleraia

    gravitaional)

    =m

    R

    RK . De asemenea, dac pentru o aplicaia trebuie ales un

    material care s asigure un nivel ridicat al rigiditii pieselor (deformaii elasticemici ale pieselor n prezena solicitrilor mecanice) i un nivel sczut al maseiacestora, criteriul de selecie a materialelor se formuleaz considernd

    caracteristica (sintetic) numit modul de elesticitate specific KE = E , iar dac

    trebuie ales un material care s asigure n mod eficient o bun comportare a

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    325

    pieselor la solicitri variabile, criteriul de selecie a materialelor se formuleazconsidernd caracteristica (sintetic) numit rezisten relativ la oboseal

    KO = m

    O

    RR

    , RO fiind rezistena la oboseal a materialului (v. scap. 3.9).

    Valorile unor astfel de caracteristici sintetice asigurate de diverselemateriale comerciale sunt prezentate n tabelul 14.1.

    DEFINIREA CRITERIILOR K1, ... Ki, ... Kj, ... Kn

    CRITERIUL K1 ... Ki ... Kj ... KnK1 ... a1i ... a1j ... a1n... ... ... ... ... ... ... ...Ki ai1 ... ... aij ... ain... ... ... ... ... ... ... ...Kj aj1 ... aji ... ... ajn... ... ... ... ... ... ... ...

    Kn an1 ... ani ... anj ...

    NTOCMIREA MATRICEIPREFERINELOR

    DETERMINAREA SUMEIPONDERILOR PARTIALE

    ALE CRITERIILOR=

    =

    n

    iijpj aS

    1Sp1 ... Spi ... Spj ... Spn

    DETERMINAREA SUMEITOTALE A PONDERILOR =

    =

    n

    jpjp SS

    1

    DETERMINAREACOEFICIENTILOR DE

    IMPORTANTA AICRITERIILOR p

    pjj S

    Sa = a1 ... ai ... aj ... an

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

    Dup stabilirea i ierarhizarea n funcie de importan a criteriilor dealegere a materialelor pe baza proprietilor pe care trebuie s le asigure naplicaia considerat, se poate face o prim selecie a materialelor. n acestscop se folosesc datele existente n standarde, normative, cataloage, manualeetc.,privind caracteristicile diverselor materiale comerciale, documentele celemai utilizate fiind standardele, deoarece, aa cum s-a putut constata ncapitolele anterioare, acestea grupeaz materialele dup destinaie (deexemplu, n cazul materialelor metalice exist standarde pentru oelurile,fontele i aliajele neferoase recomandate pentru diferite utilizri), cuprind dateconcrete privind caracteristicile asigurate de fiecare marc de material iindicaii precise privind prelucrrile tehnologice ce conduc la strile structuralecorespunztoare obinerii acestor caracteristici i faciliteaz astfel alegerea lorpentru o anumit aplicaie.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    326

    Tabelul 14.1. Principalele caracteristici tehnice ale unor materiale comerciale

    Materialul , t/m3

    Rm, N/mm2

    E,kN/mm2

    KR,km

    Oeluri carbon de uz general 7,8...7,9 350...550 200...210 4,6...7,1Oeluri aliate pentru construcia demaini (tratate termic) 7,8...7,9 700...1300 200...210 9,1...16,8

    Oteluri pentru conducte i recipientesub presiune (laminate termomecanic) 7,8...7,9 450...800 200...210 5,9...10,3

    Oeluri inoxidabile feritice 7,5...7,7 450...750 210...220 6,1...9,3Oeluri inoxidabile austenitice 7,8...8,0 520...850 190...200 6,8...10,8Oeluri inoxidabile duplex 7,8...7,9 600...950 200...210 7,8...12,3Oeluri maraging 7,7...7,8 1800...2500 200...210 24...33Superaliaje tip Inconel 8,0...8,4 600...1200 140...210 7,6...14,6Superaliaje tip Nimonic 8,0...8,2 1000...1400 180...220 12,7...17,4superaliaje tip Hastelloy 8,2...9,2 650...1000 200...220 8,1...11,1Alame 8,4...8,9 200...650 90...115 2,4...7,5Bronzuri cu Sn sau cu Al 8,5...9,1 200...500 85....110 2,4...5,6Aliaje Cu Ni 8,9...9,1 400...900 140...190 4,6...10,1Bronzuri cu beriliu 8,3...8,5 400...1200 115...135 4,9...14,4Aliaje pa baz de Al deformabile (clite i mbtrnite) 2,5...2,7 300...520 68...72 12...20

    Aliaje pe baz de Ti 4,5...4,7 500...1300 107...110 11...28Aliaje pe baz de Mg 1,7...1,8 110...180 43...47 6,6...10,2Polietilen 0,92...0,95 28...32 0,20...0,25 3,1...3,4Polipropilen 0,90..0,91 40...60 1,4...1,5 4,5...6,7Politetrafluoretilen (teflon) 2,1...2,3 20...40 0,50...0,60 1,0...1,8Poliamide (nylon) 1,1...1,2 70...100 2,8...2,9 6,5...8,5Policlorur de vinil 1,3...1,4 40...50 2,8...3,0 3,1...3,6Lemn esen tare, uscat 0,70...1,00 60...100 10...11 8,7...10,2Lemn esen moale, uscat 0,75...1,00 50...80 9...10 6,8...8,2Compozite poliesteri + fibre de sticl 1,8...2,2 3000...4500 70...90 170...210

    Materialele care respect toate criteriile privind proprietile impuse deaplicaia n care urmeaz a fi utilizate alctuiesc gama materialelor cuproprieti adecvate. Pentru alegerea celui mai potrivit material din aceastgam se poate utiliza urmtoare metodologie:

    se consider c gama materialelor cu proprieti adecvate, notat GMP,cuprinde m materiale (marcate Mk, k = 1...m), care ndeplinesc integral cele ncriterii de selecie (notate j = 1...n), avnd coeficienii de importan aj, j = 1...n(stabilii folosind, de exemplu, metoda prezentat anterior) i nivelele limitacceptabile ale caracteristicilor de material, CAP,j, j = 1...n;

    din analiza care a condus la constituirea gamei materialelor cuproprieti adecvate se cunosc, pentru toate materialele Mk, k = 1...m, nivelurilecaracteristicilor asiguarete CAM,jk, j = 1...n, k = 1...m, care respect toate criteriile

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    327

    Kj, j = 1...n, scrise analitic n forma min CAM,jk CAP,j sau n forma maxCAM,jk CAP,j;

    pentru fiecare din materialele Mk, k = 1...m se stabilesc indicatoriipariali Ijk, j = 1...n, care exprim msura n care materialul satisface criteriile deselecie Kj, j = 1...n; indicatorii pariali se calculeaz cu relaii de forma:

    jP

    jkMjk CA

    CAI

    ,

    ,

    = , j = 1...n, dac criteriul de selecie Kj este formulat analitic n forma

    min, sau jkM

    jPjk CA

    CAI

    ,

    ,

    = , j = 1...n, dac criteriul de selecie Kj este formulat

    analitic n forma max; evident, dac fiecare din materialele Mk, k = 1...m,respect toate criteriile de selecie Kj, j = 1...n, Ijk 1;

    pentru fiecare din materialele Mk, k = 1...m, se calculeaz indicatorulglobal al proprietilor (caracteristicilor tehnice) ICT,k, folosind relaia:

    =

    =

    n

    jjkjkCT IaI

    1,

    , k = 1...m; (14.2)

    se ierarhizeaz materialele Mk, k = 1..m, n ordinea descresctoare avalorilor indicatorului ICT,k, k = 1..m, materialul cu cea mai mare valoare a acestuiindicator fiind (din punctul de vedere al caracteristicilor asigurate) cel mai potrivitpentru aplicaia avut n vedre.

    B. Criteriile privind procesarea tehnologic a materialelor n vedereaobinerii semifabricatelor sau produselor se formuleaz n mod obinuit ntr-oform calitativ (atributiv), astfel nct ndeplinirea fiecrui criteriu de ctre unmaterial (notat cu 1) s constituie un argument n favoarea alegerii acestuiapentru o anumit aplicaie, iar nendeplinirea fiecrui criteriu (notat cu 0) sdiminueze ansele de alegere a acestui material. Un set de criterii de acest tippoate avea, de exemplu, urmtoarea alctuire:

    * materialul este disponibil pe pia n cantitile i sub formasemifabricatelor necesare pentru realizarea produselor (materialul nu trebuieelaborat i transformat n semifabricate pe baza unor comenzi speciale lansatectre productor);

    * prelucrarea semifabricatelor la forma, dimensiunile i calitateasuprafeelor impuse de realizarea produselor se face cu tehnologii obinuite, fr afi necesar aplicarea unor procedee sau operaii operaii tehnologice speciale;

    * prelucarerea semifabricatelor la forma, dimensiunile i caliateasuprafeelor impuse de realizarea produselor se face cu scule, dispozitive saumaini universale (prelucrarea semifabricatelor nu necesit utilizarea de scule,dispozitive sau maini speciale);

    * obinerea caracteristicilor materialului impuse de condiiile tehnice ale

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    328

    produsului care se realizeaz nu necesit aplicarea unor tratamente termice,chimice sau termochimice;

    * posibilitile apariiei defectelor de material sau de rebutare a produselorn timpul prelucrrilor tehnologice sunt minime.

    Criteriile privind procesarea materialelor se pot ierarhiza n funcie deimportan, aplicnd aceiai metod ca i n cazul criteriilor privind proprietile,adic pentru fiecare din criteriile qK,...,K,K 21 incluse n setul de criterii privindprocesarea materialelor, se stabilesc coeficienii de importan qj aaaa ,...,,...,, 21 ,

    ( 11

    /=

    =

    q

    jja ) i se face apoi ierarhizarea criteriilor dup valoarea coeficienilor

    ja , j = 1q.

    Dup stabilirea i ierarhizarea n funcie de importan a criteriilor privindprocesarea tehnologic, se trece la analiza msurii n care materialele din gamaGMP {M1, M2, , Mk, , Mm} respect aceste criterii, ntocmind un tablou,numit matricea performanelor tehnologice (de forma celui prezentat n fig. 14.2),n care elementele matricei, numite indicatorii pariali ai performanelortehnologice jkI , exprim msura n care fiecare din materialele Mk, k = 1m, dinGMP ndeplinesc criteriile jK , k = 1q :

    =

    jk

    jkjk KM

    KMI

    criteriul respectanu materialul daca 0, criteriul respecta materialul daca 1,

    (14.3)

    Pentru fiecare din materialele Mk, k = 1m, se calculeaz indicatorulglobal al performanelor tehnologice IPT,k, folosind relaia:

    =

    =

    n

    jjkjkPT IaI

    1, , k = 1m (14.4)

    i se poate face ierarhizarea materialelor din GMP n ordinea descresctoare avalorilor indicatorului IPT,k, k = 1m, materialul cu cea mai mare valoare aacestui indicator fiind cel mai avantajos din punctul de vedere al comoditiiachiziionrii i comportrii la prelucrarile tehnologice necesare transformrii salen produse.

    C. Criteriile privind costurile (cheltuielile) aferente elaborriimaterialelor, transformrii lor n semifabricate i prelucrrii acestora pentruobinerea produselor sunt deosebit de importante, respectarea acestoradeterminnd alegerea materialelor i tehnologiilor de fabricaie care asigurrealizarea n condiii economice (cu cheltuieli ct mai mici) a produselor necesarentr-o aplicaie tehnic.

    n mod obinuit, aceste criterii se formuleaz n funcie de costul total al

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    329

    realizrii produselor cu performanele tehnice impuse de aplicaia n care suntutilizate. Pentru a compara materialele din GMP prin prisma costurilor totaleimplicate de obinerea semifabricatelor i/sau de utilizarea acestora la realizareaproduselor necesare unei aplicaii se pot utiliza costurile relative Cr, definite prinrelaia:

    ref

    ,,

    T

    kTkr C

    CC = , (14.5)

    n care CT,k reprezint costul total al realizrii semifabricatelor dintr-un materialMk GMP i/sau al obinerii produselor necesare unei anumite aplicaii, iar CTrefeste costul total al realizrii aceluiai tip de semifabricate i/sau al obineriiaceluiai tip de produse dintr-un material de referin (din GMP sau din afaraacestei game). Cteva date cu caracter informativ privind costurile relative aleunor materiale (metalice i nemetalice) utilizate frecvent n aplicaiile tehnice suntprezentate n tabelul 14.2.

    INDICATRII PARTIALI /jkIPENTRU MATERIALUL Mk GMPCRITERIUL

    PONDEREACRITERIULUI

    M1 M2 ... Mk ... Mm

    /1K

    /1a

    /11I

    /12I ...

    /1kI ...

    /1mI

    /2K

    /2a

    /21I

    /22I ...

    /2kI ...

    /2mI

    ... ... ... ... ... ... ... .../K j

    /ja

    /1jI

    /2jI ...

    /jkI ...

    /jmI

    ... ... ... ... ... ... ... .../K q

    /qa

    /1qI

    /2qI ...

    /qkI ...

    /qmI

    =

    =

    n

    jjkjkPT IaI

    1, IPT,1 IPT,2 ... IPT,k ... IPT,m

    Fig. 14.2. Configuraia matricei performanelor tehnologice ale materialelorCriteriul realizrii cu costuri minime a produselor necesare unei aplicaii

    tehnice se consider la luarea deciziei finale privind alegerea materialelor,calculnd pentru fiecare material Mk GMP indicatorul global alperformanelor tehnico-economice (numit i meritul global) IPTE,k, k = 1...m, cuformula:

    kr

    kPTPTkCTCTkPTE C

    IaIaI

    ,

    ,,,

    += , k = 1...m, (14.6)

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    330

    n care aCT este coeficientul de importan global al criteriilor privindcaracteristicile tehnice ale materialelor, iar aPT coeficientul de importan globalal criteriilor privind performanele tehnologice ale materialelor (aCT + aPT = 1);evident, materialele Mk GMP care au meritul global cel mai ridicat trebuie s fiecele preferate pentru aplicaia tehnic considerat.

    Tabelul 14.2. Valorile informative ale costurilor relative ale unor materiale utilizate n tehnic

    MATERIALULrefT

    Tr

    C

    CC = * MATERIALULrefT

    Tr C

    CC = *

    Oteluri de uz general (barelaminate) 1,0

    Cupru, Bronzuri, Alame(produse obinute prin DP) 5,1...13

    Oteluri de uz general (table,benzi, profile) 1,4...1,9

    Cupru, Bronzuri, Alame(produse obinute prin turnare) 6,5...18

    Oeluri carbon pentru construciade maini (produse laminate) 1,7...2,8

    Aliaje Cu Ni (produselaminate sau turnate) 19...21

    Oeluri aliate pentru construciade maini (produse laminate) 2,5...4,5

    Superaliaje de tip Nimonic,Incoloy, Inconel, Udimet 100...120

    Oteluri carbon i slab aliatepentru scule 2,5...3,9

    Titan i aliaje de Ti (produseobinute prin DP + TT) 25...40

    Oeluri inoxidabile i refractare(produse laminate) 6,1...9,6

    Polietilen, Polipropilen,Polistyren 3,0...4,0

    Fonte albe i cenuii (produseobinute prin turnare) 2,4...2,8

    Policlorur de vinil, ABS,Rini acrilice i fenolice 10...14

    Fonte modificate (produseobinute prin turnare) 2,9...3,5

    Politetrafluoretilen (Teflon),Poliamide (Nylon) 36...45

    Aluminiu i aliaje de Al(produse oinute prin DP + TT) 7,1...8,5

    Fibre de sticl 5,2...8,5Aluminiu i aliaje de Al(produse obinute prin turnare) 8,1...9,8

    Compozite polimerice cu fibrede sticl sau de carbon 270...400

    * Costurile CT i CTref sunt calculate n lei/kg de semifabricatDac valorile indicatorului IPT,k i costurile aferente prelucrrii tehnologice

    pentru materialele din GMP sunt apropiate, indicatorul global al performanelortehnico economice IPTE,k, k = 1...m, se poate stabili cu formula:

    ....1,,

    ,, mkC

    II

    kr

    kCTkPTE == (14.7)

    O metod modern ce poate fi utilizat la luarea deciziei finale privindselecia materialelor pentru o aplicaie tehnic este analiza valorii (analizatehnicoeconomic a utilitii), care are la baz urmtoarele principii:

    orice produs este purttorul material al unor funcii capabile ssatisfac anumite necesiti ale utilizatorilor (un produs nu trebuie privit ca unansamblu de pri materiale, ci ca un ansamblu de utiliti); innd seama de acestprincipiu, analiza oricrui produs trebuie realizat pornind de la sistemul de

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    331

    funcii al acestuia, n cadrul cruia funciile sunt mprite n categorii deimportan: funcii de baz (principale), care corespund unor necesiti reale(efective, directe) ale celor care utilizeaz produsul i funcii auxiliare(secundare), care contribuie la ndeplinirea normal a funciilor de baz sau carefac produsul mai uor de vndut i cresc reputaia pe pia a acestuia;

    pentru orice produs trebuie s existe o corelaie optim ntre funciileasigurate i resursele alocate pentru realizarea acestora, acest principiu fiinddenumit principiul raportului maxim ntre utilitate sau valoare de ntrebuinare icost; innd seama de acest principiu, la analiza oricrui produs trebuie calculatponderea costurilor implicate de realizarea fiecrei funcii i trebuie examinatcorelaia ce exist ntre aceasta i ponderea funciei (coeficientul de importan alfunciei) n asigurarea utilitii (calitii) globale a produsului.

    Considernd c produsul analizat are f funcii i c la fiecare funcie

    corespunde un coeficient importana i, i = 1...f ( ==

    f

    ii

    11 ) i o pondere a costului

    de realizare ci, i = 1...f, T

    ii C

    Cc = , Ci fiind costul aferent realizrii funciei, iar

    CT costul total al produsului ( ==

    f

    iic

    11), se poate construi un grafic de corelare

    utilitate cost de tipul celui prezentat n figura 14.3. Din analiza unor astfel degrafice rezult care sunt funciile produsului pentru care costurile suntdisproporionate n raport cu contribuiile lor la utilitate i se pot gsi modalitilede eliminare a neconcordanelor cu efecte negative asupra costurilor (eliminareafunciilor inutile sau operarea unor modificri tehnologice privind realizareafunciilor care implic costuri ridicate), pentru ca produsul obinut s secaracterizeze printr-un raport maxim utilitate/cost).

    Aspectele anterior prezentate evideniaz cu claritate complexitateaproblemelor privind alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice. ncercarea dea recomanda unele metode cantitative, care s constituie suportul lurii deciziilorpertinente privind rezolvarea unor astfel de probleme, nu trebuie s conduc laideea c aceste metode simplific problemele, diminueaz responsabilitateamembrilor echipei de proiectare i micoreaz cerinele privind competenaacestora. Aplicarea acestor metode este util i conduce la rezultate bune, dacproblema alegerii materialelor pentru o aplicaie tehnic se trateaz etapizat, dectre o echip de proiectare bine structurat (care cuprinde ingineri cunosctori aiaplicaiei ce se analizeaz, ingineri specializai n domeniul materialelor, inginerispecializai n domeniul tehnologiilor de fabricaie, economiti specailizai ndomeniul costurilor etc.), innd seama de urmtoarele recomandri:

    n prima etap de rezolvare a problemei se analizeaz cu atenie

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    332

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

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

    dac n prima etap de rezolvare a problemei criteriile privindproprietile nu sunt suficiente pentru selectarea familiei de materiale adecvateaplicatiei avute n vedere, se pot aduga acestora i criterii din celelalte categorii(criterii privind procesarea tehnologic sau criterii privind costurile); de exemplu,dac produsul care trebuie realizat este un recipient de stocare a unui gazcombustibil (pentru utilizare casnic) sub presiune, materialul din care acestaurmeaz s fie confecionat trebuie s prezinte caracteristici ridicate de rezistenmecanic i tenacitate, condiii care, aa cum se arat n schema din figura 14.5,pot fi ndeplinite att de materialele metalice, ct i de materialele compozitedurificate cu fibre, decizia utilizrii unui material metalic fiind justificat decompararea celor dou familii de materiale prin prisma costurilor;

    dup selectarea familiei din care trebuie s fac parte materialul ce va fiutilizat la confecionarea produsului, meninnd n prim plan cerinele privindproprietile i adugnd eventual acestora i criterii privind caracteristiciletehnologice sau costurile, se stabilesc categoriile, tipurile sau mrcile de materialeadecvate din aceast familie; de exemplu, pentru cele dou aplicaii descriseanterior alegerea tipurilor de materiale se realizeaz aa cum sugereaz schemeleprezentate n figurile 14.6 i 14.7;

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    333

    Fig. 14.4. Shema alegerii familiei demateriale pentru un recipient sub presiune

    amplasat pe o aeronav

    Fig. 14.5. Shema alegerii familiei de materialepentru un recipient de stocare sub presiune a

    unui gaz combustibil

    Fig. 14.6. Schema alegerii tipurilor demateriale compozite pentru un recipient sub

    presiune amplasat pe o aeronav

    Fig. 14.7. Shema alegerii tipurilor demateriale metalice pentru un recipient sub

    presiune amplasat pe o aeronav metodele prezentate anterior se pot utiliza n etapa final, pentru a decide

    care dintre tipurile de materiale selectate n etapele precedente (care alctuiescgama materialelor cu proprieti adecvate GMP) corespunde cel mai binecerinelor tehnico-economice ce definesc aplicaia avut n vedere; aa cum s-aartat mai nainte, pentru ca eficiena aplicrii acestor metode s fiecorespunztoare este necesar ca numrul materialelor Mk din GMP s fie ct mai

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    334

    mic, aceast cerin putnd fi uor respectat dac se face o selecie a tipurilor demeteriale pe baza informaiilor cuprinse n standarde, cataloage, normative sauprescripii tehnice; de exemplu, pentru aplicaia constnd n realizarearecipientului de stocare a gazului gombustibil (anterior discutat), mrcile de oeladecvate (care alctuiesc GMP pentru aceast aplicaie) se pot alege folosindprescripiile din standardul SR EN 10028.

    14.3. Un studiu de caz privind alegerea materialelor

    Pentru a evidenia complexitatea problemei alegerii materialelor pentruaplicaiile tehnice se prezint un studiu de caz privind materialele selectate iutilizate de diveri productori pentru realizarea prjinilor de pompare a petroluluidin zcminte.

    n ara noastr i n multe alte ri de pe glob, pompajul de adncime cuprjini se utilizeaz ca metod de extracie a petrolului (ieiului) la 65...85% dinsondele aflate n producie. La aplicarea acestei metode tehnologice de exploatare asondelor, garnitura de prjini (alctuit din prjini de pompare asamblate cap la cap)este una din componentele principale ale echipamentului de lucru, avnd rolul de atransmite micarea rectilinie alternativ de la instalaia de suprafa la pistonul(cilindrul) pompei de adncime cu care se realizeaz extracia ieiului din zcmnt.

    Configuraia constructiv a prajinilor de pompare este dictat de rolul lorfuncional i de tipul materialului utilizat la confecionarea acestora i esteprezentat n figura 14.8. n timpul utilizrii ntr-o sond aflat n exploatare,prajinile de pompare sunt supuse unor solicitri axiale variabile, ciclurile desolicitare avnd perioada aproximativ egal cu durata unui ciclu de lucru alpompei de adncime. Acest fapt este ilustrat n figura 14.9, care prezint omodalitate de estimare a caracteristicilor ciclurilor de solicitare ale prjinilor depompare din diferite zone ale garniturii de prjini ce echipeaz o sond, pe bazainterpretrii dinamogramelor nregistrate la sonda respectiv.

    Ciclurile de solicitare ale prjinilor din compunerea garniturii de prjini dela o sond sunt (n mod obinuit) ondulant-pozitive (cu coefcientul de asimetrie

    7,0...3,0max

    min==

    R ) sau (mai rar, n condiii de funcionare defectuoas a

    instalaiei de pompare) alternante (cu 0,4 < R < 0) i au ca tensiuni caracteristice:tensiunea maxim, max > 0; tensiunea minim min = Rmax; tensiunea medie

    0)1(

    22maxminmax >

    +=

    +=

    Rm

    i

    22)1(maxminmax R

    v

    =

    =

    v. Ca

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

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    335

    )1()1(

    2

    1

    max

    max

    1max,

    RRR

    R

    cm

    m

    ++

    ==

    , (14.8)

    n care max,1 este tensiunea maxim a ciclurilor limit care, avnd acelaicoeficient de asimetrie ca i ciclurile solicitrii de lucru, produc ruperea prinoboseal a prjinii considerate, Rm este rezistena la rupere a materialului prjinii,iar

    1 rezistena la oboseal (prin solicitare alternant-simetric, cu R = 1) aprjinii de pompare n mediul de lucru din sond (amestec ieiape de sond, cucorozivitatea determinat de salinitate i de coninuturile de CO2 i H2Sdizolvate). Tensiunea maxim (max) a ciclurilor solicitrii de lucru a unei prjiniare mrimea dat de raportul dintre fora maxim de solicitare axial a prjinii,

    Fmax i aria seciunii transversale a prjinii 4

    2dS p

    = . Fmax este rezultanta unui

    grup de sarcini axiale ce are ca principale componente: greutatea proprie a prjinilorde pompare Fg, greutatea coloanei de lichid pompat F1, fora de flotabilitate agarniturii de prjini Ff1, sarcinile (dinamice) datorate ineriei i fenomeneloroscilatorii ale garniturii de prjini Fd, forele de frecare (ntre prjini i evile deextracie, ntre pistonul i cmaa pompei de adncime, etc.) Ff. Intensitilemajoritii acestor componente (Fg, Ff1, Fd, Ff) sunt direct proporionale cugreutatea specific a materialului prjinilor = g i, ca urmare, intensitile foreiFmax i tensiunii max (i, implicit, energia consumat la exploatarea unei sonde prinpompaj de adncime) sunt n dependen liniar cu caracteristica .

    Analiznd relaia (14.8) n contextul argumentelor anterior prezentate, sepoate aprecia c durabilitatea prjinilor de pompare crete o dat cu rezistena

    mecanic specific a materialului din care sunt confecionate,

    mR

    RK = i cu

    mrimea rezistenei la oboseal relative m

    O RK 1=

    .

    Comportarea n exploatare a prjinilor de pompare are ca factor deinfluen i modulul de elasticitate longitudinal al materialului acestora E,rigiditile la traciune i ncovoiere ale prjinilor fiind n direct proporionalitatecu aceast caracteristic; creterea valorii modulului de elasticitate specific al

    materialului prjinilor EK E = , determin micorarea deformaiilor axiale i

    curburilor locale ale garniturii de prjini ce echipeaz o sond aflat n exploatarei asigur astfel o funcionare mai eficient a instalaiei de pompare.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    336

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

    Fig.14.9. Determinarea caracteristicilor ciclurilor de solicitare ale prjinilor de pompareCaracteristicile precizate anterior (KR, KO, KE) pot servi la efectuarea unei

    analize comparative a diverselor materiale utilizate sau cu perspective de utilizarela confecionarea prjinilor de pompare.

    A. Oelurile sunt materialele tradiionale pentru prjinile de pompare.Standardele i normele existente clasific oelurile pentru prjini de pompare nurmtoarele clase de rezisten:

    a) oeluri grad C, recomandate pentru prjinile supuse n exploatare lasarcini mici sau mijlocii, n medii de lucru slab corozive; caracteristicile derezisten mecanic prescrise (Rm = 630...790 N/mm2) sunt realizate de oelurile

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    337

    carbon sau slab aliate de tip CMn (cu %Cm = 0,3...0,4 % i %Mnm = 1,2...1,6 %)n stare normalizat;

    b) oeluri grad D, recomandate pentru prjinile supuse n timpulpompajului la sarcini mari sau foarte mari, n medii de lucru cu corozivitatesczut; caracteristicile de rezisten mecanic impuse (Rm = 790...965 N/mm2)sunt realizate de oeluri slab aliate de tip CrMo (%Cm = 0,3...0,45 %,%Crm = 0,8...1,2 % i %Mom = 0,15...0,3 %) sau CrNiMo (%Cm = 0,3...0,4 %,%Nim = 1,4...1,7 %, %Crm = 1,4...1,7 % i %Mom = 0,15...0,3 %), n strilestructurale conferite prin aplicarea unor TT finale de normalizare + revenire saumbuntire;

    c) oeluri grad K, destinate prjinilor solicitate moderat n timpulpompajului, n medii de lucru saline (fr H2S); se recomand utilizarea unui oelNiMo (%Cm = 0,17...0,23 %, %Nim = 1,65...2,0 % i %Mom = 0,2...0,3 %), cu TTfinal de normalizare + revenire nalt;

    d) oeluri speciale, recomandate pentru prjinile de pompare cu condiiigrele de lucru: sarcini mari de pompare i medii saline contaminate cu CO2 (frH2S) sau sarcini de pompare moderate i medii de lucru puternic corozive (mediisaline cu CO2 i H2S); un exemplu tipic de oel aparinnd acestei clase este cel cu%Cm = 0,35...0,42 %, %Crm = 16...17 %, %Nim = 1 % i %Mom = 1%, ce asigur(dup calire+ revenire) caracteristici de rezisten mecanic la nivelul oelurilorgrad D i rezistene la oboseal (n aer i n mediul coroziv de sond) superioarecelor prezentate de celelalte oeluri pentru prjini, aa cum arat diagramele dinfigura 14.10.

    Cercetrile ntreprinse pentru creterea caracteristicilor de exploatare aleprjinilor de pompare din oel au condus la concluziile urmtoare:

    Aplicarea TT final de mbuntire, n locul tratamentelor de normalizaresau normalizare + revenire, asigur rezistene mecanice superioare ale prjinilor iamelioreaz comportarea lor la oboseal n aer i n mediile corozive saline, aacum indic datele prezentate n tabelul 14.3; dificultile tehnice ridicate deaplicarea clirii martensitice clasice (cu nclzirea pieselor n cuptor i rcireaulterioar n bi de ulei sau ap) la prjinile de pompare pot fi depite dac seutilizeaz nclzirea prin inducie cu cureni de medie frecven (8000...10000 Hz)i rcirea cu jeturi de ap.

    Rezistena la oboseal (n aer sau n mediu coroziv) a prjinilor depompare este cu 40...55 % mai sczut dect rezistena la oboseal a materialuluidin care sunt confecionate (determinat pe epruvete polizate); n figura 14.11 seprezint sintetic modul n care starea suprafeelor prjinilor i mediul de lucruinflueneaz rezistena la oboseal a acestora. n cazul mediilor corozive,rezistena la oboseal este influenat substanial i de frecvena ciclurilor desolicitare variabil, aa cum indic diagramele prezentate n figura 14.12.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    338

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

    Fig.14.11. Influenele strii suprafeeii mediului de lucru asupra rezistenei laoboseal a prjinilor de pompare din oel

    Creterea rezistenei la oboseal a prjinilor de pompare din oel se poaterealiza dac se aplic acestora operaii finale de durificare superficial (ecruisareprin rulare sau prin sablare cu jet de alice, clire superficial, etc.), care inductensiuni reziduale de compresiune n stratul superficial al pieselor. S-a constatat crezistena la oboseal a prjinilor

    1 este n dependen liniar cu rezistena larupere a oelului din care sunt realizate Rm, cu rugozitatea suprafeelor acestora Rz,i cu mrimea tensiunilor reziduale de compresiune din stratul superficial alprjinilor (introduse n cursul procesului tehnologic de fabricare sau prinoperaiile de durificare superficial practicate) r.

    B. Aliajele pe baz de aluminiu reprezinto alt categorie de materiale acrei utilizare la confecionarea prjinilor de pompare a fost cercetat. Cercetrileau artat c aliajele pe baz de Al potrivite pentru aceast aplicaie sunt aliajeledeformabile i durificabile structural prin TT, din clasa 7000 (de exemplu, aliajul7075, cu %Znm = 5,1...6,1 %, %Mgm = 2,1...2,9 %, %Cum = 1,2...2,0 % i adaosuride Mn, Cr, Ti, Zr); prin aplicarea unor TT de tipul T7, aceste aliaje captstructuri alctuite dintr-o matrice de soluie solid a componentelor i fazedurificatoare (semicoerente sau necoerente cu matricea) uniform distribuite nmatrice, de tip MgZn2 (faze M sau M); Al2Mg3Zn3 (faze T sau T); Al2CuMg(faze S sau S) etc. La utilizarea acestor aliaje pentru confecionarea prjinilor depompare trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte:

    Aliajele asigur prjinilor rezistena la traciune Rm = 475...600 N/mm2 icaracteristici KE = 2,6106 m (puin mai mic dect a oelurilor) iKR = (1,75...2,20) 104 m (mai mari ca la oeluri, v. tabelul14.3).

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    339

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

    Fig.14.12. Influenele mediului de lucru ifrecvenei ciclurilor de solicitare asupra

    rezistenei la oboseal a prjinilor de pomparedin oel grad D

    Fig.14.13. Influenele asimetriei ciclurilor desolicitare i prezenei concentratorilor asuprarezistenei la oboseal a prjinilor de pompare

    din aliaje pe baz de aluminiu

    Rezistena la oboseal (n aer) a aliajelor pe baz de aluminiu esteinfluenat n msur important de asimetria ciclurilor de solicitare i de prezenaconcntratorilor de tensiuni, aa cum sugereaz diagramele din figura 14.13.

    Prezena mediilor corozive de lucru afecteaz rezistena la oboseal aaliajelor pe baz de aluminiu n msur mult mai mic dect n cazul oelurilor;aliajele au o bun rezisten la oboseal n mediile saline, chiar i n cazulcontaminrii acestora cu H2S i CO2, caracteristica KO nregistrnd valori0,31...0,33, la nivelul celor tipice oelurilor nalt aliate cu Cr.

    C. Compozitele cu fibre de sticl reprezint o alt categorie de materialeaplicabile la confecionarea prjinilor de pompare; pentru viitor (cnd costurile defabricare vor nregistra scderi datorit progresului tehnic i tehnologic) sentrevede i utilizarea compozitelor cu fibre de C, B sau whiskers (trihite)metalice sau ceramice. Compozitele cu fibre de sticl folosite pentru realizareaprjinilor de pompare (conform soluiei constructive sugerate de fig.14.8) au

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    340

    matricea de rin poliesteric sau epoxidic (cu Rmm = 30...60 N/mm2 iEm = 6,9103...7,1103 N/mm2) i fibre din sticl E (cu Rmf = 3400 N/mm2 iEf 7,24103 N/mm2) sau din sticl S (cu Rmf = 4800 N/mm2 iEm = 8,55103 N/mm2). Prjinile de pompare din astfel de materiale se realizeazprintr-un proces de pultruziune (tragerea rinii, armat cu fire paralele din rovrigde fibre de sticl, printr-o matri, concomitent cu gelifierea, ntrirea i maturareala cald a rinii n prezena unor catalizatori). La utilizarea acestor materialepentru confecionarea prjinilor de pompare trebuie avute n vedere urmtoareleaspecte tehnice:

    Caracteristicile KE i KR ale compozitelor cu fibre de sticl suntsuperioare celor prezentate de oeluri, aa cum rezult analiznd datele prezentaten tabelul 14.3; aceste caracteristici sunt dependente de fracia volumic a fibrelorn structura compozitului fv, E, i Rm (la traciune) ale prjinilor realizate dinmateriale compozite putndu-se estima cu relaii de forma (v. cap.12): E = fv Ef + (1 fv)Em (14.9)

    Rm = Rmf [fv + (1 fv)f

    m

    EE

    ] (14.10)

    Aa cum rezult comparnd datele prezentate n tabelul 14.3 i n diagramele dinfigura 14.14, valorile experimentale ale caracteristicilor E i Rm ale materialelorcompozite difer de cele calculate cu relaiile (14.9) i (14.10), deoarececompozitele realizate industrial nu asigur ntotdeauna legturi interfacialeperfecte ntre fibre i matrice (condiie ce st la baza stabilirii acestor relaii).

    Fig. 14.14. Dependena dintre rezistena larupere i fracia volumic a fibrelor lacompozitele pentru prjini de pompare

    Fig. 14.15. Modificarea rezistenei la oboseala prjinilor de pompare din materialecompozite n funcie de abaterile de laaranjamentul axial al fibrelor de sticl

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

    Materialul Cr*E,

    N/mm2 StareaRm,

    N/mm2KE,**Mm

    KR,**km

    KO ***n aer

    KO ***n ap salin

    N 630...870 2,7 0,82...1,13 0,47...0,50(0,22...0,27)0,22...0,24

    (0,07)OelGrad C 1,0 2,05105

    C + r 810...850 2,7 1,06...1,11 0,50...0,56 0,32

    N + r 790...965 2,7 1,03...1,26 0,48...0,51(0,33...0,35)0,24...0,27

    (0,05)OelGrad E C + r 860...1030 2,7 1,12...1,34 0,49...0,50 0,20...0,27

    N 690...710 2,7 0,90...0,93 0,52(0,31) 0,26

    N + r 620...640 2,7 0,81...0,83 0,49...0,52 0,26(0,11)

    OelGrad K

    1,6 2,10105

    C + R 750...790 2,7 0,98...1,03 0,51...0,53 0,22...0,26Oel Special(aliat cu Cr) 5,9 2,1510

    5 C + r 790...930 2,8 1,04...1,22 0,52 (0,35)

    Aliaj de Altip 7075 4,8 7,0310

    4 T7 470...580 2,6 1,73...2,14 0,35 0,31

    Compozit cufibre

    de sticl E5,2 5,60104 80 %fibre 1600...1700 3,2 9,06...9,62 (0,25) (0,24)

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

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    341

    Rezistena la oboseal n aer a prjinilor de pompare din compozite cufibre de sticl este caracterizat prin valori KO = 0,25...0,30; rezistena la obosealeste mai ridicat dac solicitrile variabile se caracterizeaz numai prin eforturi dentindere (de exemplu, KO calculat cu 0,1 n loc de 1 are valoriKO = 0,37...0,42), compozitele cu fibre unidirecionale avnd tendina dedegradare rapid cnd sunt solicitate la compresiune. Rezistena la oboseal nueste practic afectat de prezena mediilor corozive, compozitele cu fibre de sticlavnd o foarte bun comportare n mediile apoase saline, n soluiile de acizi saubaze i n prezena solvenilor organici.

    Aa cum arat diagramele din figura 14.15, rezistena la oboseal acompozitelor cu fibre de sticl pentru prjinile de pompare este substanialinfluenat de abaterile de la aranjamentul axial al armturii (unidirecionale) dinfibre i (la fel ca E i Rm) de caracteristicile legturilor realizate n procesul defabricare la interfeele dintre fibre i matrice.

    Caracteristicile mecanice ale materialelor compozite sunt influenatenegativ de creterea temperaturii (ce produce degradarea matricei i legturilorinterfaciale dintre fibre i matrice);ca urmare prjinile de pompare realizate dinmateriale compozite cu fibre de sticl nu pot fi utilizate la temperaturi mai mari de200 oC. Studiul de caz prezentat evideniaz un aspect important privind alegereamaterialelor pentru aplicaiile tehnice: produsele destinate utilizrii n diversecondiii (privind solicitrile mecanice, temperaturile i mediile de lucru) se potrealiza n mai multe variante, pentru fiecare variant selectndu-se materialuladecvat funcionrii n deplin siguran a produsului i care asigur raportulmaxim utilitate/cost.

    Cuvinte cheieanaliza valorii, 330cicluri de solicitare, 334coefcient de asimetrie, 334coeficient de importan, 323coeficient de siguran, 334costuri relative, 329criterii de cost, 328criterii privind proprietile, 323criterii tehnologice, 327fiabilitate, 322grafic de corelare utilitate-cost, 331indicator global, 327, 328, 329

    indicator parial, 327materiale funcionale, 321materiale structurale, 321matricea preferinelor, 324mentenabilitate, 322modul de elasticitate specific, 324prajini de pompare, 334proprieti adecvate, 326pultruziune, 340reciclabilitate, 323rezisten mecanic specific, 324rezisten relativ la oboseal, 325

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    342

    Bibliografie

    1. Shackelford J.M., Introduction to materials science for engineers,MacMillan Publishing Company, New York, 1992

    2. Broutman L.J., Composite materials. Fracture and fatigue, AcademicPress, New York London, 1974

    3. * * * Metals Handbook. Desk Edition, A.S.M., Metals Park, Ohio, 19854. * * * Htte Manualul inginerului. Traducere din limba german dup

    ediia a 29-a, Editura Tehnic, Bucureti, 19955. Zecheru Gh., Ulmanu V., Drghici Gh., Analiza comparativ a

    caracteristicilor de exploatare ale materialelor pentru prjinile de pompare,n vol. Nouti n domeniul tehnologiilor i utilajelor pentru prelucrare lacald, Braov, 1992

    6. Mooiu R., Ingineria calitii, Editura Chiminform Data, Bucureti, 19947. Ciurea S., Drgulnescu N., Managementul calitii totale, Editura

    Economic, Bucureti, 1995

    Teste de autoevaluare

    T.14.1. Pentru care dintre urmtoarele aplicaii trebuie ales un material dingama materialelor structurale: a) realizarea arborelui cotit al unui motor deautoturism; b) fabricarea catalizatorului pentru un reactor dintr-o instalaiepetrochimic; c) realizarea evilor pentru tubulatura unei conducte care transportgaze naturale sub presiune; d) fabricarea corpului unui rezervor sferic dedepozitare a gazelor lichefiate?

    T.14.2. Care dintre urmtoarele aplicaii tehnice impun alegerea unuimaterial din gama materialelor funcionale: a) realizarea conductorilor electrici;b) fabricarea unui magnet permanent; c) fabricarea unui tranzistor; d) fabricareaelementului activ al unui aprinztor piezolelectric?

    T.14.3. Care dintre urmtoarele materiale pot fi ncadrate n gamamaterialelor reciclabile: a) oelurile; b) fontele; c) polietilena; d) sticla?

    T.14.4. Care este rezistena mecanic specific a unui material metalic cuRm = 800 N/mm2 i = 4000 kg/m3: a) KR 20,4 km; b) KR 20,4 m;c) KR 10,4 km; d) KR 40,2 km?

    T.14.5. Care dintre urmtoarele materiale asigur un modul de elasticitatespecific KE 2,7106 m: a) oelul cu E = 2,1105 N/mm2 i = 7850 kg/m3;

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    343

    b) aliajul de aluminiu cu E = 7,1104 N/mm2 i = 2750 kg/m3; c) aliajul pe bazde titan cu E = 1,1105 N/mm2 i = 4150 kg/m3; d) alama cu E = 1,1105 N/mm2i = 8550 kg/m3?

    T.14.6. Care dintre urmtoarele condiii pot fi incluse n gama condiiilortehnice care definesc funcionalitatea i comportarea n exploatare ale unuiprodus: a) condiiile privind solicitrile mecanice; b) condiiile privind fiabilitatea;c) condiiile privind reciclabilitatea; d) condiiile privind preul de desfacere?

    T.14.7. Materialul din care se confecioneaz un produs trebuie ssatisfac criteriul Rm 600 N/mm2. Care este rezistena la traciune a unuimaterial al crui indicator parial privind respectarea acestui criteriu este I = 1,4:a) Rm = 900 N/mm2; b) Rm = 600 N/mm2; c) Rm = 500 N/mm2;d) Rm = 840 N/mm2?

    T.14.8. Materialul din care se confecioneaz un produs trebuie ssatisfac criteriul 4000 kg/m3. Care este densitatea unui material al cruiindicator parial privind respectarea acestui criteriu este I = 1,4: a) = 900 kg/m3;b) = 7600 kg/m3; c) = 2860 kg/m3; d) = 5600 kg/m3?

    T.14.9. La alegerea materialului pentru un produs sunt impuse cincicriterii (calitative) privind procesarea sa tehnologic, toate criteriile avnd acelaicoeficient de importan. Care este indicatorul global al performanelortehnologice pentru un material care respect numai trei din criteriile impuse:a) IPT = 1,0; b) IPT = 0,8; c) IPT = 0,6; d) IPT = 0,4?

    T.14.10. La alegerea materialului pentru un produs sunt impuse patrucriterii (calitative) privind procesarea sa tehnologic, coeficienii de importan aicriteriilor fiind /4

    /3

    /2

    /1 ,,, aaaa . Care dintre criterii nu a fost ndeplinit de un

    material, dac indicatorul global al performanelor sale tehnologice are valoarea/4

    /3

    /1 aaaI PT ++= : a) primul criteriu; b) al doilea criteriu; c) al treilea criteriu;

    d) al patrulea criteriu?T.14.11. Care dintre urmtoarele principii se aplic la utilizarea analizei

    valorii la un produs industrial: a) orice produs este purttorul material al unorfuncii capabile s satisfac necesitile exprimate sau implicite ale utilizatorilor;b) orice produs trebuie privit ca un ansamblu de utiliti; c) orice produs trebuie sasigure un raport maxim ntre utilitate sau valoare de ntrebuinare i cost; d) oriceprodus trebuie privit ca un ansamblu de pri materiale i nu ca un ansamblu deutiliti?

    T.14.12. Un material Mk din gama materialelor cu proprietti adecvateunei anumite aplicaii are ICT,k = 1,2; IPT,k = 0,8 i Cr,k = 3. Stiind c act = 0,8, s seprecizeze care este valoarea indicatorului global al performanelor tehnico-economice pentru acest material: a) IPTE,k = 0,733; b) IPTE,k = 0,373;c) IPTE,k = 0,455; d) IPTE,k = 1,222?

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    344

    Aplicaii

    A.14.1. Pentru realizarea unei maini trebuie confecionat o bar detraciune cu lungimea L = 0,5 m i diametrul d 15 mm. Fora axial maxim caresolicit bara n timpul funcionrii mainii este F = 25000 N. S se stabileasc cecriterii privind proprietile trebuie impuse la alegerea materialului pentru aceastbar, dac funcionarea n siguran a mainii impune respectarea urmtoarelorcondiii tehnice: a) tensiunile din bar trebuie s respecte condiia 0,8Rp0,2,Rp0,2 fiind limita de curgere a materialului barei; b) masa barei trebuie s fiem m0 = 0,5 kg; c) deformaia axial a barei nu trebuie s depeasc valoareaL0 = 1,5 mm.

    Rezolvare

    Tensiunile de ntindere din bar au intensitatea maxim 24dF

    = i

    trebuie s corespund criteriului 0,8Rp0,2; se obine astfel condiia

    22,0 8,04

    dFRp

    .

    Masa barei este Ldm4

    2

    = , fiind densitatea materialului barei i

    trebuie s ndeplineasc criteriul m m0; se obine astfel condiia:Ld

    m2

    04

    .

    Deformaia specific axial a barei este 0

    2

    4Ld

    FE ==

    , E fiind modulul

    de elasticitate longitudinal al materialului barei i trebuie s respecte criteriul

    LL0 ; se obine astfel condiia

    02

    4Ld

    FLE

    .

    nlocuind datele din enunul aplicaiei rezult urmtoarele criterii dealegere a materialului barei de traciune: Rp0,2 177 N/mm2; 5660 kg/m3 iE 47160 N/mm2.

    A.14.2. Pentru realizarea unei bare de traciune cilindrice din compunereaunei maini s-a selectat o GMP cu cinci oeluri, avnd caracteristicile precizate ntabelul 14.4. Pentru funcionarea n siguran a mainii trebuie respectateurmtoarele condiii tehnice: a) tensiunile generate n bar de aplicarea forei dentindere F trebuie s respecte condiia 0,8Rp0,2; b) bara trebuie s prezinte obun tenacitate, asigurat dac materialul acesteia ndeplinete simultan criteriile:

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    345

    K1: ;9,02,0

    m

    p

    RR

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

    importan a1 = 0,3; a2 = 0,2 i a3 = 0,5. S se decid care dintre materialele dinGMP corespunde cel mai bine aplicaiei.

    RezolvarePrima dinte condiiile tehnice impuse de aplicaie se utilizeaz pentru

    dimensionarea barei de traciune (determinarea diametrului barei); notnd dkdiametrul barei n cazul realizrii ei din materialul Mk GMP, k = 1...5, rezult:

    2,02 8,04

    pk

    RdF =

    i bara trebuie s aib diametrul (minim)

    kpk R

    Fd,2,08,0

    4

    = .

    Dac se consider d1 (corespunztor barei realizate din materialul M1) ca diametru

    de referin, se obine 1,2,0

    ,2,01

    p

    kpk R

    Rdd = , k = 1...5.

    Tabelul 14.4. Caracteristicile oelurilor ce alctuiesc GMP pentru aplicaia A.14.2Caracteristicile mecanice minime

    k Marcaoelului * Rp0,2,k,N/mm2Rm,k,

    N/mm2Ak,%

    KVk la 20 oC, J km

    kp

    RR

    ,

    ,2,0 /,krC **

    1 S235J2 235 510 24 27 0,461 1,02 S275J2 175 430 20 27 0,640 1,23 S355K2 355 620 16 40 0,573 1,44 P460NL1 460 620 17 47 0,742 1,85 12Ni14 355 640 22 55 0,554 2,7

    * toate oelurile au = 7850 kg/m3;** costurile relative calculate cu CT i CTref n lei/(kg de semifabricat)

    Masa barei de traciune cu lungimea L este Ldm kkT 4

    2

    , = , iar masa unei

    uniti de lungime din bar (de exemplu, L = 1 m) are valoarea (n kg/m) dat de

    formula 4

    2k

    kd

    m = , k = 1...5. Dac se consider m1 (corespunztoare barei

    realizate din materialul M1) ca mas de referin, se obine: 1,2,0

    ,2,01

    p

    kpk R

    Rmm = ,

    k = 1...5. Evident, deoarece barele realizate din diversele materiale incluse n GMPau diametre dk diferite i aceeai lungime, compararea acestor materiale prinprisma costurilor trebuie fcut cu ajutorul costurilor relative Cr,k calculate curelaia (14.5), considernd CT,k i CTref exprimate n lei/(m de semifabricat); pentru

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    346

    a determina costurile relative Cr,k se folosesc datele din tabelul 14.4 i relaia

    1,2,0

    ,2,0/,

    1

    /,,

    p

    kpkr

    kkrkr R

    RC

    mm

    CC == .

    Pentru fiecare dintre materialele Mk GMP se determin indicatorii parialiIjk, corespunztori celor trei criterii (j = 1...3) privind asigurarea tenacitii barei:

    criteriul K1: 9,02,0 m

    p

    RR

    are forma max i CAP,1 = 0,9 i, ca

    urmare:km

    kpk R

    RI

    ,

    ,2,01 9,0= , k =1...5;

    criteriile K2: A 15 % i K3: KV 27 J la 20 oC sunt formulate analitic

    n forma min i au CAP,2 = 15 % i CAP,3 = 27 J i, ca urmare: 152k

    kAI = i

    273k

    kKVI = , k = 1...5.

    Utiliznd valorile coeficienilor aj, j = 1...3, date n enunul aplicaiei ifolosind relaia (14.2) se obin valorile indicatorilor globali ai proprietilor ICT,k,k = 1...5, iar cu ajutorul relaiei (14.7) se pot determina valorile indicatorilorglobali ai performanelor tehnicoeconomice IPTE,k, k = 1...5.

    Tabelul 14.5. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.14.2

    k dk,mmmk,

    kg/m Cr * I1k I2k I3k ICT,k IPTE,k

    1 d1 m1 1,000 1,952 1,60 1,00 1,406 1,4062 0,924d1 0,855m1 1,026 1,406 1,33 1,00 1,188 1,1583 0,814d1 0,662m1 0,927 1,571 1,07 1,48 1,425 1,5374 0,715d1 0,511m1 0,920 1,213 1,13 1,74 1,460 1,5875 0,814d1 0,662m1 1,787 1,625 1,47 2,04 1,802 1,008

    * Cr calculate considernd CT i CTref n lei/(m de semifabricat)Rezultatele care se obin parcurgnd toate etapele de lucru descrise

    anterior sunt redate n tabelul 14.5. Se observ c, dac se consider pentru luareadeciziei valorile indicatorului ICT,k, materialul recomandat pentru confecionareabarei este oelul 12Ni14, iar dac se utilizeaz indicatorul IPTE,k (care ine seama ide costurile implicate de realizarea barei de traciune) materialul ce trebuie alespentru realizarea barei este oelul P460NL1.

    A.14.3. Pentru un produs industrial s-a aplicat analiza valorii i s-aconstatat c acesta are trei funcii de baz (notate F1, F2, F3) i dou funciiauxiliare (notate F4, F5), coeficienii de importan i, i = 1...5, atribuii fiecrei

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    347

    funcii i ponderile ci, i = 1...5, corespunztoare costurilor de realizare a fiecreifuncii avnd valorile prezentate n tabelul 14.6.

    Tabelul 14.6. Coeficienii de importan si ponderile costurilor de realizareale funciilor ce definesc utilitatea produsului considerat n aplicaia A.14.3

    Funcia F1 F2 F3 F4 F5i 0,40 0,30 0,15 0,10 0,05ci 0,30 0,35 0,20 0,05 0,10

    a) S se construiasc graficul de corelare utilitate cost i s se precizezefunciile pentru care costurile sunt mai mari dect contribuiile pe care le aducaceste funcii la realizarea utilitii globale a produsului.

    b) tiind c s-au parcurs trei etape succesive de modernizare a produsului,n fiecare etap modificndu-se materialele i tehnologiile folosite la fabricareaacestuia, astfel nct costurile implicate de realizarea funciilor pentru care ci > is se diminueze cu ri = 20 % , s se determine cum s-au modificat ponderile ci,i = 1...5, dup fiecare etap de modernizare i s se construiasc graficul decorelare utilitate cost la finele programului de modernizare a produsului.

    Rezolvarea) Considernd c valorile coeficienilor de importan ai funciilor sunt n

    direct proporionalitate cu contribuiile acestora la realizarea utilitii globale aprodusului, rezult c graficul de corelare utilitate cost are aspectul prezentat nfigura 14.16. Examinnd acest grafic i/sau datele prezentate n tabelul 14.6, seobserv c funciile care se realizeaz cu cheltuieli prea mari n raport cu contribuiilepe care le aduc la realizarea utilitii produsului (sau calitii produsului, dac se aren vedere c standardele ISO din seria 9000, definesc calitatea unui produs ca fiindansamblul caracteristicilor care confer acestuia aptitudinea de a satisface nevoileexprimate sau implicite ale utilizatorilor) sunt F2, F3 i F5.

    b) Conform datelor din enunul aplicaiei, n prima etap de modernizare aprodusului, prin modificri privind alegerea materialelor i tehnologiilor folositela fabricarea lui s-au diminuat cheltuielile de realizare a funciilor F2, F3 i F5 cu

    r2 = r3 = r5 = 20 %. Deoarece ponderile ci sunt definite de relaia T

    ii C

    Cc = ,

    i = 1...5, n care Ci reprezint costul aferent realizrii funciei Fi, iar ==

    5

    1iiT CC ,

    dup prima etap de modernizare (M1) cheltuielile aferente realizrii fiecrei

    funcii au atins nivelurile ii

    Tii

    i cr

    CCr

    C )1()1(100100

    /== , i = 1...5, cheltuielile

    totale pentru obinerea produsului au valoarea === =

    5

    1

    5

    1

    // )1(100i i i

    iTiT c

    rCCC , iar

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    348

    ponderile cheltuielilor corespunztoare realizrii fiecrei funcii sunt

    ==

    =

    5

    1

    /

    //

    )1(

    )1(

    100

    100

    ii

    i

    ii

    T

    ii

    cr

    cr

    CC

    c , i = 1...5.

    Fig.14.16. Graficele de corelare utilitate cost ale produsului analizat n aplicaia A.14.3

    Tabelul 14.7. Rezultatele obinute la rezolvarea aplicaiei A.14.3

    Etapa Funcia F1 F2 F3 F4 F5 Costul total

    i 0,400 0,300 0,150 0,100 0,0500ci 0,300 0,350 0,200 0,050 0,100

    CT

    ri, % 0 20 20 0 20

    i 0,400 0,300 0,150 0,100 0,050M1/ic 0,345 0,322 0,184 0,057 0,092

    0,870CT

    ri, % 0 20 20 0 20

    i 0,400 0,300 0,150 0,100 0,050M2//ic 0,392 0,293 0,167 0,065 0,083

    0,766CT

    ri, % 0 0 20 0 20

    i 0,400 0,300 0,150 0,100 0,050M3///ic 0,413 0,308 0,141 0,068 0,070

    0,727CT

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    349

    n mod similar se pot determina modificrile aduse ponderilor ci deurmtoarele etape de modernizare a produsului (M2 i M3), rezultatele care seobin considernd datele din enunul aplicaiei fiind cele prezentate n tabelul 14.7i n graficele din figura 14.16; se poate observa c modernizrile aduseprodusului au condus la reducerea cu aproximativ 27 % a costului total de

    realizare a acestuia i la obinerea unor rapoarte i

    i

    c

    apropiate de unitate pentru

    toate funciile care-i definesc utilitatea.A.14.4. Pentru realizarea cuvei de stocare a materiei prime a unei maini

    destinate prelucrrii maselor plastice s-a selectat o GMP alctuit din patrumateriale Mk, k = 1...4 i, innd seama de caracteristicile fizico mecanice alefiecrui material, s-a elaborat cte un proiect constructiv tehnologic de obinerea cuvei, rezultnd astfel patru variante ale produsului, notate Vk, k = 1...4. Pentruselectarea celei mai bune variante de produs s-au stabilit patru criterii Kj, j = 1...4,

    formulate astfel: K1: volumul util al produsului 85100 =gc

    icu V

    VV %, Vic fiind

    volumul interior al cuvei, iar Vgc volumul de gabarit al cuvei, K2: masa relativ a

    produsului 75100 =ac

    cr Q

    MM %, Mr fiind masa cuvei, iar Qac capacitatea de

    ncrcare a cuvei, K3: consumul specific de material 140100 =c

    scs M

    MK %, Msc

    fiind masa semifabricatului necesar pentru confecionarea cuvei i K4: costul util

    al produsului 100=ac

    Tu Q

    CC mii lei/kg, CT fiind costul total al realizrii cuvei;

    considernd c realizarea cuvei cu valori minime ale consumului specific dematerial i costului util sunt obiective principale, obinerea cuvei cu o masrelativ ct mai mare este un obiectiv secundar, iar asigurarea unui volum utilmaxim al cuvei este un obiectiv minor, s-au stabilit urmtoarele valori alecoeficienilor de importan ai criteriilor: a1 = 0,1; a2 = 0,2; a3 = a4 = 0,35.

    tiind c valorile Vu,k, Mr,k, Ks,k i Cu,k, k = 1...4, corespunztoare celorpatru variante ale produsului, sunt cele redate n tabelul 14.8, s se stabileascvarianta care trebuie adoptat pentru realizarea acestuia.

    RezolvareVarianta de produs care trebuie adoptat este cea caracterizat prin

    valoarea maxim a indicatorului global ICT,k, k = 1...4, calculat cu relaia (14.2),considernd valorile coeficienilor de iportan ai criteriilor aj, j = 1...4, precizaten enunul aplicaiei i valorile indicatorilor pariali Ijk determinate, folosind datele

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    350

    din tabelul 14.8 i din enunul aplicaiei, astfel: pentru criteriul K1, CAM,1k Vu,k iCAP,1 85 %; pentru criteriul K2, CAM,2k Mr,k i CAP,2 75 %; pentru criteriulK3, CAM,3k Ks,k i CAP,3 140 %, iar pentru criteriul K4, CAM,4k Cu,k iCAP,4 100 mii lei/kg. Rezultatele obinute pe aceast cale, redate n tabelul 14.9,conduc la concluzia c varianta de produs care trebuie adoptat (cu cea mai marevaloare a indicatorului global) este V2.

    Tabelul 14.8. Caracteristicile variantelor produsului analizat n aplicaia A.14.4Criteriul Kj K1 K2 K3 K4

    aj 0,10 0,20 0,35 0,35Valorile caracteristicilor CAM,jkVarianta Vk Vu,k Mr,k Ks,k Cu,k

    V1 85 40 105 90V2 90 40 110 70V3 95 60 105 100V4 95 75 120 70

    Tabelul 14.9. Valorile indicatorilor pariali i globali de caracterizarea variantelor produsului analizat n aplicaia A.14.4

    Criteriul Kj K1 K2 K3 K4Forma min max max max

    aj 0,10 0,20 0,35 0,35Valorile indicatorilor pariali IjkVarianta Vk I1k I2k I3k I4k

    Indicatorulglobal ICT,k

    V1 1,000 1,875 1,333 1,111 1,3304

    V2 1,059 1,875 1,273 1,429 1,4266

    V3 1,118 1,250 1,333 1,000 1,1784V4 1,118 1,000 1,167 1,429 1,2204

    ObservaiePentru rezolvarea unor aplicaii de tipul celei anterior discutate se pot

    utiliza i alte metode, una dintre acestea fiind metoda de estimare a utilitiiconsecinelor, recomandat de STAS 6401. La folosirea acestei metode se parcurgurmtoarele etape (prezentate considernd condiiile din enunul aplicaiei anteriordiscutate):

    se analizeaz datele din tabelul 14.8 (denumit i matricea utilitilor) ise marcheaz pe acesta variantele cele mai bune ale produsului (denumitevariante optime), considernd pe rnd fiecare din criteriile Kj, j = 1...4;

    se acord caracteristicilor corespunztoare fiecrui criteriu Kj, j = 1...4un grad de importan gj {1,2,3}, atribuindu-se gj = 3, dac respectareacriteriului Kj corespunde realizrii unui obiectiv principal, gj = 2, dac respectareacriteriului Kj corespunde realizrii unui obiectiv secundar i gj = 1 dac

  • Capitolul 14 Alegerea materialelor pentru aplicaiile tehnice

    351

    respectarea criteriului Kj corespunde realizrii unui obiectiv minor; n cazulaplicaiei analizate, considernd datele precizate n enun, rezult: g1 = 1, g2 = 2 ig3 = g4 = 3;

    se ntocmete un tablou (numit matricea modificat a utilitilor),nlocuind valorile caracteristicilor din matricea utilitilor cu gjIjk, Ijk fiind niteindicatori pariali, calculai considernd c aceste valori reprezint CAM,jk aleprodusului analizat, iar nivelurile limit acceptabile CAP,j sunt valorile (aceloraicaracteristici) corespunztoare variantelor optime; rezultatele parcurgerii acesteietape n cazul aplicaiei analizate sunt prezentate n tabelul 14.10;

    Tabelul 14.10. Matricea modificat a utilitilor pentru produsul analizat n aplicaia A.14.4Criteriul Kj K1 K2 K3 K4

    Forma min max max maxgj g1 = 1 g2 = 2 g3 = 3 g4 = 3

    Matricea modificat a utilitilorVarianta Vk

    g1I1k g2I2k g3I2k g4I4k

    Usk

    V1 895,01 9585 = 2 3 333,23 9070 = 8,228

    V2 947,01 9590 = 2 864,23 110105 = 3 8,811

    V3 1 333,12 6040 = 3 100,23 10070 = 7,433

    V4 1 067,12 7540 = 625,23 120105 = 3 7,692

    se calculeaz suma valorilor nscrise pe fiecare linie a matriceimodificate a utilitilor Usk, k = 1...4, numit utilitatea sintez a variantei Vk,varianta de produs care are cea mai mare valoare a Usk (numit varianta optimde produs) fiind cea care trebuie adoptat; analiznd rezultatele redate n tabelul14.10, se observ c, n cazul aplicaiei analizate, varianta de produs care trebuieadoptat este V2, aa cum a rezultat i prin metoda indicatorului global.

  • 352

    Grila de verificare a testelor de autoevaluareCapitolul 7

    T.7.1. a,b,dT.7.2. b,c,dT.7.3. b,c,dT.7.4. aT.7.5. a,bT.7.6. a,bT.7.7. a,b,c,dT.7.8. cT.7.9. a,b,dT.7.10. c,dT.7.11. c,dT.7.12. b,dT.7.13. a,b,c,dT.7.14. a,b,dT.7.15. dT.7.16. cT.7.17. a,b,cT.7.18. a,c,dT.7.19. a,b,c,dT.7.20. a,dT.7.21. a,b,c,dT.7.22. bT.7.23. b,dT.7.24. cT.7.25. a,b,cT.7.26. bT.7.27. aT.7.28. aT.7.29. aT.7.30. a,d

    Capitolul 8

    T.8.1. cT.8.2. aT.8.3. a,b,cT.8.4. a,c,dT.8.5. a,b,cT.8.6. b,cT.8.7. a,b,dT.8.8. a,cT.8.9. b,dT.8.10. a,b,c

    T.8.11. a,cT.8.12. c,dT.8.13. a,b,dT.8.14. aT.8.15. cT.8.16. b,c,dT.8.17. b,dT.8.18. cT.8.19. bT.8.20. b,c,dT.8.21. a,c,dT.8.22. c,dT.8.23. dT.8.24. a,cT.8.25. a,c,dT.8.26. a,b,dT.8.27. a,b,cT.8.28. aT.8.29. c,dT.8.30. a,cT.8.31. c,dT.8.32. cT.8.33. dT.8.34. b,dT.8.35. a,b,c,dT.8.36. a,b,dT.8.37. bT.8.38. b,dT.8.39. bT.8.40. a

    Capitolul 9

    T.9.1. a,c,dT.9.2. bT.9.3. dT.9.4. aT.9.5. cT.9.6. dT.9.7. dT.9.8. bT.9.9. c,dT.9.10. d

    T.9.11. a,c,dT.9.12. a,b,dT.9.13. a,bT.9.14. a,b,c,dT.9.15. dT.9.16. cT.9.17. c,dT.9.18. bT.9.19. a,b,c,dT.9.20. b,c,dT.9.21. aT.9.22. dT.9.23. bT.9.24. a,cT.9.25. a,cT.9.26. a,cT.9.27. a,bT.9.28. dT.9.29. bT.9.30. a,cT.9.31. a,cT.9.32. b,dT.9.33. a,b,dT.9.34. a,bT.9.35. a,bT.9.36. a,b,dT.9.37. bT.9.38. b,cT.9.39. cT.9.40. b,cT.9.41. a,b,dT.9.42. bT.9.43. b,d

    Capitolul 10

    T.10.1. bT.10.2. bT.10.3. aT.10.4. a, cT.10.5. dT.10.6. a, cT.10.7. c, d

    T.10.8. cT.10.9. cT.10.10. a, cT.10.11. aT.10.12. dT.10.13. b, aT.10.14. dT.10.15. dT.10.16. b, cT.10.17. a, dT.10.18. cT.10.19. c,dT.10.20. cT.10.21. a, bT.10.22. b, cT.10.23. b, aT.10.24. a, cT.10.25. a, cT.10.26. b, dT.10.27. c, dT.10.28. a, c, d

    Capitolul 11

    T.11.1. b, dT.11.2. bT.11.3. b, dT.11.4. a, cT.11.5. c, dT.11.6. b, cT.11.7. aT.11.8. bT.11.9. cT.11.10. dT.11.11. a, dT.11.12. b, c, dT.11.13. cT.11.14. b, c, dT.11.15. b, dT.11.16. b, cT.11.17. dT.11.18. c, dT.11.19. a

    T.11.20. cT.11.21. b, dT.11.22. a, c, dT.11.23. b,dT.11.24. a, c, dT.11.25. a, b, dT.11.26. a, cT.11.27. a, c, dT.11.28. c, d

    Capitolul 12

    T.12.1. a,cT.12.2. a,b,cT.12.3. b,dT.12.4. a,b,c,dT.12.5. a,cT.12.6. b,dT.12.7. a,c,dT.12.8. a,b,dT.12. 9. a,b,c,dT.12.10. bT.12.11. b,c,dT.12.12. a,b,dT.12.13. a,bT.12.14. b,c,dT.12.15. a,b,cT.12.16. a,b,cT.12.17. a,b,c,d

    Capitolul 13

    T.13.1. a,b,dT.13.2. a,bT.13,3. a,b,cT.13.4. cT.13.5. dT.13.6. a,bT.13.7. c,dT.13.8. bT.13.9. dT.13.10. cT.13.11. b,d

    T.13.12. a,c,dT.13.13. b,cT.13.14. bT.13.15. cT.13.16. dT.13.17. b,c,dT.13.18. a,d

    Capitolul 14

    T.14.1. a,c,dT.14.2. a,b,c,dT.14.3. a,b,dT.14.4. aT.14.5. a,cT.14.6. a,b,cT.14.7. dT.14.8. cT.14. 9. cT.14.10. bT.14.11. a,b,cT.14.12. b

  • 353

    INDEX

    Aacomodare, 183agent de reticulare, 235, 250aglomerate, 307agregare prin lipire, 289agregare pulberi, 301alame, 148alburn, 275aliaje Al Zn, 170aliaje Al Mg, 168aliaje Al Cu, 163aliaje antifriciune, 177aliaje Cu Ni, 152aliaje cu memoria formei (Marmem), 184aliaje pentru lipire, 181aliajele titanului, 175Alpaca (Neusilber, Argentan), 153alumina, 210aluminosilicai, 201aminoplaste, 254analiza valorii, 330antioxidant, 250argile, 207atmosfer standard, 241

    Bband de clibilitate, normal, ngust, 67bronz, 154

    Ccambiu, 275cmp termic de sudare, 70canal rezinifer, 276carbon echivalent, 75carbur de siliciu, 214carbur de bor, 215clire de punere n solutie, 139ceramice neoxidice, 214

    ceramice oxidice, 210ceramice silicatice, 207ceramice, 197ciment, 219clas structural, 25clase de calitate, 56coefcient de asimetrie, 334coeficient de importan, 323coeficient de siguran, 334compactitate de presare, 305compactitate de umplere, 305comportare metalurgic la sudare,, 74compozit durificat cu fibre, 284compoziii, 179condiionarea epruvetelor, 241configuraie, 233conformaie, 233constantan, 153constant de relaxare, 239construcie sudat, 69copolimer, 233corindon, 208coroziune intercristalin, 92costuri relative, 329cristalite, 234cristobalit, 208criterii de cost, 328criterii privind proprietile, 323criterii tehnologice, 327cromit, 213cupru tehnic, 147curb termomecanic, 236curbe de mbtrnire, 141curbe izocronice, 249curbe izometrice, 249custur sudat (CUS), 69

    Ddendrimer, 233densitate de presare, 305densitate de umplere, 304depunere chimic, 289

  • 354

    depunere electrolitic, 289devitrifiere, 201diagram structural A. Schaeffler, 32disproporionare, 231duraluminiu, 165duramen, 275durat de sinterizare, 311durificare secundar, 21duritate Barcol, 247duritate Janca, 280duritate Knoop, 215duritate Shore, 246

    Eefect postelastic, 310elastomeri, 237element carburigen, 14element de aliere alfagen (feritizant), 7element de aliere gamagen (austenitizant), 10element de aliere, 5element grafitizant, 14element betagen, 173elinvar, 112emailuri, 218enclav plastic, 288

    Ffaian, 207fii ZIT, 73faz sigma, 6feldspat, 207fenoplaste, 254fiabilitate, 322fibr lemnoas, 276fibril, 235fisurare la cald a CUS, 93fisurare sub tensiune, 204fluiditate, 305fondant, 216font aliat, 6font aliat martensitic, 20font comercial, 113formare epruvete, 242fracie volumic, 270

    fragilitate de revenire, 22fragilizare prin faza , 94funcionalitate, 231furnir, 282

    Gglazur, 209grad de cristalinitate, 234grad de ndesare, 305grad de polimerizare, 230grafic de corelare utilitate-cost, 331gresie ceramic, 207

    Hhardenit, 104hemiceluloz, 276homopolimer, 233

    Iindicator global, 327, 328, 329indicator parial, 327inel anual, 275infiltrare, 289intermediari, 216invar, 112izodeformaie, 270izotactic, 233izotensiune, 272

    mbtrnire artificial, 140mbtrnire natural, 140ncorporare, 290ncovoiere static, 202

    KKunial, 153

  • 355

    Llaminare normalizant, 75laminare termomecanic (controlat), 76lan molecular (caten), 229lan siloxanic, 256liber, 275lignin, 276lipire, 180lungime critic a fibrelor, 284

    Mmagnaliu (alumag), 168magnezit, 210martensit termoelastic, 184mas molecular, 230material elastomeric (cauciuc), 255materiale funcionale, 321materiale structurale, 321materiale vitroceramice, 219matrice, 269matrice a preferinelor, 324mediu de sinterizare, 311melamine, 254Melchior (Maillechort), 153mentenabilitate, 322metalurgia pulberilor, 301modificare, 136modificatori de reea, 216Monel, 153monomer, 229mulit, 208

    NNitinol, 185nitrur de bor, 214nitrur de siliciu, 214

    Ooel pentru construcii sudate, 75oel pentru scule, 100oel aliat, 5

    oel bifazic (dual-phase), 84oel carbon de calitate, 65oel criogenic, 80oel cu granulatie fin, 76oel duplex, 94oel durificabil prin precipitare (PH), 89oel Hadfield, 109oel HSLA, 80oel inoxidabil stabilizat, 93oel maraging, 110oel pentru carburare, 66oel pentru mbuntire, 66oel pentru rulmeni, 108oel rapid, 103oel refractar (termorezistent), 96oel turnat, 105oel inoxidabil,cu crom, cu crom i nichel, 86oel patinabil, 98oel pentru recipiente, 78oel termorezistente, 78oxid de zirconiu, 210

    Ppanel, 282plastifiant, 250platinit, 112plci celulare, 282plci din achii de lemn PAL, 282plci din fibre de lemn PFL, 282poliadiie, 232policondensare, 232polidispersie, 230polietilen, 229polimer reticulat, 235polimer, 229polimerizare, 231porozitate de umplere, 305porelan, 207prajini de pompare, 334precipitate , 140proprieti adecvate, 326pulberi, 304pultruziune, 340punct caracteristic nominal, 31punct fix de vscozitate, 205

  • 356

    Rraport de form al fibrelor, 284raport de transfer al sarcinilor, 285raz medular, 276rini epoxidice, 254rini poliesterice, 254reacie n lan, 232reacie n trepte, 232reciclabilitate, 323refractare corindonice, 212refractare silica, 212refractare silimanitice, 212relaxarea tensiunilor, 241rezilien, 247rezisten la nmuiere sub sarcin, 211rezisten piroscopic (refractaritate), 211rezisten Dynstat la oc, 248rezisten la oc Izod, 248rezisten mecanic specific, 324rezisten relativ la oboseal, 325ritidom, 274rost de sudare, 69rupere prin cavitaie, 184

    Ssegment de lan molecular, 233sferulit, 235sialon, 214silice, 200silicon., 256silumin, 170simbolizare 59sindiotactic, 233sinterizare, 310solidificare unidirecional, 290spinel, 210stabilitate la revenire, 21stabilizator, 216standard, 53starea amorf (vitroas), 197stereoizomer, 233sticl securit, 206sticle, 197structur feritic acicular, 83

    structur amorf, 234sudabilitate, 74superaliaj, 97superplasticitate, 182

    amot, 212oc termic., 203

    Ttemperatur de referin, 77temperatur de sinterizare, 310temperatur de vitrifiere, 200teracot,, 207termoplaste, 237termorigide (duroplaste), 237titan, 172titanai, 211titlu fictiv, 150tombac, 149trahee, 276traheid, 276tranziie sticloas (vitroas), 236trihite (fibre whiskers), 285

    Vvas lemnos, 275vscoelasticitate, 239vscozitate, 204vitrifiant, 197, 215volum specific de scuturare, 305vulcanizare, 255

    Zzon de aciune a fibrei, 271zon influenat termic (ZIT), 70zone Guinier- Preston (GP), 140

  • 357

    ELEMENTS OF MATERIALS SCIENCEAND ENGINEERING

    The book Elements of Materials Science and Engineering presents thestructure and properties of materials used for technical applications, it points outthe correlation between their chemical composition, structure and properties andemphasises the structural and property changes due to various processingtechnologies. Its main purpose is to understand the principles, rules andmechanisms for obtaining materials compliant with the structural specifications ofeach particular application.

    This book is meant to provide the students that read Oil-Field Equipment,Petrochemical and Refinery Equipment and Equipment for Gas and PetroleumTransportation and Storage at the Faculty of Mechanical and ElectricalEngineering of the Petroleum-Gas University of Ploiesti with a useful andeffective tool for individual study. However, this book can prove useful for otherstudents, as well as technicians and engineers who wish to enhance or update theirmaterial science knowledge.

    Since the main applications analysed belong to the field of oil equipment,the metallic materials (metals and alloys) are and will be used more frequently,therefore the discussion of these materials is more comprehensive. However, thepaper also deals with other types of materials for technical applications: glassesand ceramic materials, polymeric materials (plastomers and elastomers), sinteringmaterials and fibre-reinforced composites.

    The work consists of two volumes. The first volume includes thefollowing chapters: Metals general concepts; Alloys general concepts;Mechanical properties of metallic materials; Iron-carbon alloys; Phasetransformations of solid steels and cast irons; Heat treatment of steels and castirons. The second volume includes the chapters: Alloyed steels and cast irons;Types of commercial steels and cast irons; Structure and properties of non-ferrous alloys, Structure and properties of glasses and ceramic materials,Structure and properties of polymeric materials, Structure and properties ofsintering materials, Structure and properties of composites, Choosing theappropriate material for an application.

    To enhance the utility of the book, each chapter includes exercises andself-assessment tests, in order to allow the reader to estimate the knowledgeacquired and their level of competence (the ability to use knowledgeindependently and correctly to solve practical problems).

  • Elemente de stiina i ingineria materialeloreste realizat n cadrul grant-ului C.N.F.I.S. 39691,

    Model de software integrat de tip multimedia pentru nvare interactiv generat la Universitatea Petrol Gaze din Ploiesti

    Lucrarea este elaborat de prof. dr.ing. Gheorghe Zecheru i conf.dr.ing. Gheorghe Drghicide la catedra Tehnologia Construciei Utilajului Petrolier a

    Universitii PETROL GAZE din Ploiesti.

    Lucrarea este structurat n dou volume i cuprinde informaiile eseniale privind structura iproprietile principalelor categorii de materiale folosite n tehnic,inclusiv materialele descoperitei utilizate recent: compozitele durificate cu fibre, materialele inteligente, ceramicele ultrarezistente,

    materialele superplastice etc. i poate constitui un ghid valoros pentru alegerea raional amaterialelor necesare diferitelor aplicaii industriale.

    Fiecare capitol este prevzut cu teste de autoevaluare i aplicaii, care permit utilizatorilor s-iautoaprecieze nivelul de pregtire i nivelul de competen n folosirea independent i corect a

    cunotinelor dobndite la soluionarea unor probleme concrete.

    Elemente de stiina i ingineria materialelorse afl pe site-ul cu adresa:

    www.upg-ploiesti.ro/curs_esim.htm

    Elemente de stiina i ingineria materialeloreste disponibil pe CD-ROM

    ISBN 973-99015-8-1 ISBN 973-85511-8-3

    Cuv inainte vol 2.pdfCUVNT NAINTELucrarea Elemente de stiinta si ingineria materialelor a fost conceputa astfel nct sa constituie un instrument util si eficient pentru pregatirea individuala la disciplina Studiul materialelor, prevazuta n planul de nvatamnt al studentilor anului ISeria

    Liviu Dumitrascu si colectivStelian GutuGheorghe Zecheru si Gheorghe DraghiciAna Maria Burlan si Andreea NegulescuCompendiu de gramatica franceza cu exercitii

    Mihai HotinceanuGabriel MarcuVlad UlmanuMihai Pascu ColojaMihail Minesccu si Ion Nae

    Alexandra Schiopescu, Maria Moraru, Anca Sterry, Ana Dinca, Ileana CamenitaOctav Pntea, Stelian Neagoe, Dorina Matei, Eva Trmbitasu, Daniela PopoviciSerban Vasilescu, Virgiliu Talle, Dorin BadoiuConstantin Ionescu , Liviu Baloiu si colectiv

    Cuprins vol 2.pdfCUPRINSVolumul 1Volumul 2