Caracteristici Ale Materialelor Ingineresti

Materiale pentru structuri sudate Ionelia Voiculescu

ICARACTERISTICI ALE

MATERIALELOR INGINERESTI

De fiecare dată când se proiectează un nou produs specialiştii sunt interesaţi în producerea componentelor cu forme adecvate şi proprietăţi care să le permită îndeplinirea rolului funcţional de-a lungul perioadei de viaţă planificate, la un preţ convenabil.

Termenul general de „proprietăţi” are un înţeles diferit pentru fiecare inginer sau specialist care lucrează cu materialele inginereşti. Inginerul mecanic este preocupat de rezistenţa, duritatea, maleabilitatea, prelucrabilitatea metalelor şi consideră ca acestea sunt cele mai importante caracteristici. Inginerul electronist gândeşte în termeni de conductivitate electrică, permabilitate magnetică sau alte caracteristici electromagnetice, considerându - le pe acestea cele mai importante.

Inginerul corozionist se concentrează asupra caracteristicilor specifice, precum: forţa electromotoare, rezistenţa la oxidare, reactivitatea chimică. Aceste proprietăţi şi multe altele sunt deci specifice metalelor şi nu este posibil să evidenţiem pe unele ca fiind cele mai importante fără a asocia domeniul specific de utilizare al materialului respectiv.

I.1. RELAŢIA STRUCTURĂ - PROPRIETATI – PROCESARE

I.1.1. Caracteristicile materialelor

Foarte importantă este, pentru început, definirea caracteristicilor materialelor şi plasarea acestora în clase specifice. Proprietăţile materialelor se împart în patru grupe principale: mecanice, fizice, chimice şi tehnologice. La acestea se pot adăuga proprietăţi optice si nucleare.


Proprietăţile unui material pot fi clasificate din punctul de vedere al tipului de caracteristici (mecanice, chimice şi fizice, tab.1) sau din punctul de vedere al dependentei caracteristicilor de modificările structurale (tab.2.).

Tabelul 1 .Caracteristici tipice ale materialelor [4]

Caracteristici mecanice Caracteristici fizice şi chimice

Fluaj Viteza de deformare la fluaj Modul de rupere

Ductilitate Alungire Gâtuire

Oboseală Anduranţă Limită de rupere prin oboseală

Duritate Zgâriere Amprentare Rată de uzare

Impact Energie absorbită la rupere Tenacitate Temperatură de tranziţie

Rezistenţă Modul de elasticitate Limită de rupere Limită de curgere Limită de elasticitate

DensitateElectrice

Conductivitate Rezistivitate Feroelectricitate Piezoelectricitate

Magnetice Feromagnetice Ferimagnetice Paramagnetice

Optice Absorbţie Culoare Difracţie Foto electricitate Reflexie Refracţie Transmisie

Termice Capacitate calorică Conductivitate termică Dilatare termică

Comportarea la coroziune

Proprietăţile mecanice ilustrează modul în care materialul răspunde solicitărilor mecanice aplicate. Cele mai importante caracteristici mecanice, utilizate în calcule inginereşti, sunt: rezistenţa la rupere, limita de curgere, duritatea, tenacitatea, alungirea şi gâtuirea la rupere (care definesc ductilitatea materialului). Uneori, în cazuri specifice, se determină rezistenţa la impact, rezistenţa la oboseală prin solicitări alternante de lungă durată, rezistenţa la uzare.

Determinarea caracteristicilor mecanice permite estimarea comportării în exploatare a produselor, prin cuantificarea rezistenţei opuse la testarea şi procesarea acestora.

Proprietăţile fizice includ comportarea electrică, magnetică, optică, termică şi elastică. Acestea depind atât de structură cât şi de modul de procesare al materialului. Modificări minore ale compoziţiei chimice pot afecta drastic conductivitatea electrică în cazul semiconductorilor, expunerea la temperaturi înalte poate reduce caracteristicile de refractaritate ale ceramicelor, iar mici cantităţi de impurităţi pot determina modificări de culoare în cazul sticlelor şi polimerilor. S-a constatat că particularităţile reţelelor cristaline influenţează anumite caracteristici mecanice precum ductilitatea, rezistenţa la tracţiune şi şoc.


Unele materiale ceramice şi majoritatea polimerilor nu prezintă aranjamente atomice ordonate, fiind denumite amorfe. Comportarea acestora diferă mult de cea a materialelor cristaline. De exemplu, polietilena amorfă este transparentă în timp ce polietilena cristalină este translucidă. Structura cristalină nu este întotdeauna perfectă, la nivelul grupelor de atomi sau celule cristaline putând exista numeroase defecte.

Proprietăţile chimice se referă, în special, la capacitatea materialului de a reacţiona sau de a rezista atacului faţă de medii corozive, oxidante, reactive.

Proprietăţile tehnologice exprimă modul de comportare al materialelor în cursul procesării prin: turnare, deformare plastică, sudare, prelucrare prin aşchiere, tratare termică, iradiere etc.

Tabelul 2. Clasificarea caracteristicilor structurale

Grupa generală

Proprietăţi structurale constante

Proprietăţi structurale variabile

Mecanice Modulul de elasticitateE – longitudinal, daN/mm2

G – transversal, daN/mm2

ν – coeficient Poisson

Limita de rupere, Rm

Limita de curgere, Rp0,2

Aduranţa limităEnergia absorbită la ruperea prin şoc, KVDuritatea (HV- Vickers, HB - Brinell, HRC, HRB – Rockwell cu penetrator con sau bilă)Ductilitatea ( alungirea la rupere - A5 , δ şi gătuirea la rupere - Z , ψ)Limita de elasticitate, RE

Capacitatea de amortizareRezistenţa la fluajRezilienţa (rezistenţa la rupere prin soc) KCV, KCUTenacitatea la rupere, KIC Temperatura de tranziţie, Tt

Fizice Expansiunea termicăConductivitatea termicăPunctul de topireCăldura specificăViteza de evaporare termicăDensitateaPresiunea de vaporizareConductivitatea electricăProprietăţi termoelectriceEmisia termoionicăProprietăţi magnetice

Feromagnetismul

Coroziune Potenţialul electrochimicRezistenţa la oxidare

OpticeCuloareaReflectaritatea

Nucleare Absorbţia radiaţiilorSecţiunea transversală nuclearăComportarea la iradiere


I.1.2. Dependenţa structură – proprietăţi

Structura materialului, care reprezintă modul de organizare a materiei şi poate fi analizată la diferite nivele (fig. 1), în funcţie de scara de observare la o compoziţie chimică dată, poate influenţa profund caracteristicile mecanice. La cel mai fin nivel se observă structura atomică, caracteristică fiecărui tip de element. Numărul şi aranjamentul electronilor în jurul nucleului atomic afectează semnificativ comportarea electrică, magnetică, termică, optică, putând adesea afecta rezistenţa la coroziune.

Aranjamentul electronic influenţează forţa de legătura între atomi şi implicit rezistenţa mecanică a materialului.

Metalele, anumite ceramici şi unii polimeri au structură cristalină. Orientarea grăunţilor cristalini influenţează proprietăţile mecanice, un rol însemnat reprezentându-l dimensiunea şi forma acestora. Metalele sunt mult utilizate în construcţii datorită rezistenţei mecanice, tenacităţii şi ductilităţii lor. Combinaţia acestor proprietăţi nu se prea întâlneşte la materialele nemetalice. În plus, în metale se pot obţine caracteristici superioare prin aplicarea unor tratamente termice sau termo-mecanice.

Problema este şi mai complicată în cazul materialelor care conţin în structură diferite faze cu structuri şi caracteristici diferite. Tipul, dimensiunea, distribuirea şi cantitatea acestor faze în matricea de bază sunt elemente care modifică substanţial caracteristicile ansamblului.

Caracteristicile metalului care nu depind de modificările structurale se numesc constante de material şi nu se modifică în timpul prelucrării, indiferent de configuraţia piesei. Caracteristicile dependente de structură depind de compoziţia chimică şi structura cristalografică dar şi de detaliile microstructurale, care sunt afectate în diverse moduri de procesele de manufacturare şi istoria termică a metalului (tab.3).

Chiar şi dimensiunea corpului de probă poate fi o variabilă importantă în determinarea acestora. De multe ori, epruvete realizate din acelaşi metal sau aliaj dar cu dimensiuni diferite, prezintă caracteristici variabile mult diferite şi caracteristici constante identice.

De aceea, valorile caracteristicilor variabile prescrise pentru un anumit metal sau aliaj se pot accepta cu rezerve, având în vedere în permanenţă condiţiile de testare, dimensiunea epruvetelor şi istoria termo - mecanică anterioară încercării.

Direcţia de prelevare a epruvetei, longitudinală sau transversală pe direcţia de deformare plastică, influenţează într-o bună măsură valorile determinate pentru ductilitate şi rezistenţa mecanică.

Caracteristicile fizice şi de rezistenţă la coroziune ale metalelor, considerate a fi constante de material, pot fi incorect utilizate când este vorba de agregate multicristaline sau aliaje complexe. Metalele sunt, se ştie, agregate policristaline în care fiecare fază sau constituent prezintă valori proprii ale unei anumite caracteristici, valoarea obţinută la nivel global fiind o medie a caracteristicilor punctuale ale fiecărei faze sau constituent. Chiar atunci când structura este alcătuită dintr-un singur tip de graunţi (cazul metal pur sau aliaje aflate în soluţie solidă) proprietăţile pot diferi de la un graunte la altul, comparativ cu un monocristal.


Tabelul 3. Metode tipice pentru prelucrarea materialelor, [4]Material – procedeu de

prelucrareModalităţi de procesare

METALETurnare: în nisip, în matriţe, în forme permanente, turnare continuă

Deformare: forjare, matriţare, tragere în fire, ambutisare, îndoire, laminare, extrudare

Îmbinare: sudare (prin topire, rezistenţă, presiune, frecare, difuzie), brazare, lipire cu adezivi, nituire etc.

Prelucrare prin aşchiere: Strunjire, frezare, taiere, mortezare, rabotareMetalurgia pulberilor

- metalul lichid este turnat sau injectat intr-o forma solida pentru a realiza forma dorită;

- metalul solid este deformat prin presare, uneori la cald, pentru a lua forma dorită;

- formarea unui ansamblu prin punerea laolaltă a mai multor componente îmbinate cu ajutorul unui metal lichid, prin deformare, prin aplicarea unor temperaturi ridicate, utilizând materiale de adaos, adezivi sau elemente intermediare de legătură;- îndepărtarea de material sub formă de aşchii pentru a obţine forma dorită;

- compactarea pulberilor la presiuni înalte urmată de tratarea termică pentru îmbinarea particulelor;

CERAMICITurnare

Compactare: extrudare, presare si deformare izostatică

Sinterizare

Materialul lichid sau vâscos este turnat in forme (porţelan);- materialul ceramic solid sau vâscos este presat in forme;- compactarea pulberilor solide şi tratarea la temperaturi înalte pentru îmbinarea particulelor;

POLIMERITurnare – injectare si transfer în matriţăDeformare – trefilare, extrudare, presareîin vid

- materialul încălzit sau lichid este presat într-o matriţă, similar turnării sub presiune;- materialul încălzit este forţat să treacă prin orificiile unei matriţe;

COMPOZITETurnare – inclusiv infiltrare

Deformare

Îmbinare – adezivi, explozie difuzie

Sinterizare - compactare

- materialul matricei de bază, în stare lichidă, înconjoară constituentul solid (fibre, particule);- elementul mai plastic este presat pentru a curge, în stare solidă, de-a lungul celuilalt constituent;- constituenţii sunt îmbinaţi prin utilizarea unor materiale auxiliare (adezivi) prin presare ultrarapidă sau presare/încălzire;- constituenţii sub formă de pulbere sunt presaţi în forme şi apoi încălziţi pentru îmbinare;

Monocristalul, care prezintă o structura uniformă, unidirecţionată, fără limite de graunte, posedă caracteristici mult mai bune comparativ cu agregatele pluri-cristaline. Deşi există, în prezent, posibilităţi tehnologice pentru obţinerea unor piese prin creşterea unui singur cristal, încă nu este posibilă extinderea fabricaţiei acestora, datorită costurilor de producţie foarte mari.


Valorile proprietăţilor determinate pe structuri monocristaline diferă în funcţie de orientarea acestora, fiind în strânsă corelaţie cu axele de testare şi planul cristalografic al reţelei cristaline. Aşadar, se manifestă diferenţe ale valorilor caracteristicilor măsurate pe diferite direcţii (anizotropie).

Procesarea metalelor vizează obţinerea, în mod deliberat, a unui anumit grad de orientare preferenţială a microstructurii cu scopul măririi unor caracteristici pe o anumită direcţie (cazul sârmelor, tablelor, cârligelor de macara etc, tab.3). De aceea, atunci când se solicită valori precise ale unor caracteristici trebuie să se cunoască nivelul de acurateţe al determinării. Pentru aceasta, inginerul trebuie să se întrebe în permanenţă când variaţia faţă de media prescrisă a unui parametru, prezentat într-un catalog de produse, poate fi semnificativă pentru o anumită aplicaţie.

I.2. PROPRIETĂŢI MECANICE

Proprietăţile mecanice definesc comportarea materialului supus unor solicitări externe de natură mecanică sau combinaţii ale unor solicitări complexe de natură termică, fizică sau chimică.

Pentru determinarea caracteristicilor mecanice s-au pus la punct o serie de teste pe baza cărora s-au dezvoltat metode şi aparatură specifică de încercare. În momentul de faţă există mai multe firme care produc şi comercializează echipamente de testare a caracteristicilor mecanice, printre care amintim: LLOYD INSTRUMENTS - Anglia, IncoTest - Anglia, INSTRON - Anglia, TRITON Technology LTD - Anglia, AFFRI - Italia, WOLPERT – Germania, Leco Corporation – U.S.A. etc.

Fig. 1. Patru niveluri de observare a structurii unui material: a) structura atomică; b) aranjamentul atomic; c) grăunţi cristalini;

d) faze în cadrul unui grăunte [4].


I.2.1. Rezistenţa mecanică

I.2.1.1 Rezistenţa reală

Materialele sunt apreciate după rezistenţa lor mecanică, adică după capacitatea de a suporta încărcări apreciabile fără a se înregistra deformaţii considerabile. Comportarea materialelor la solicitări mecanice poate fi explicată considerând structura lor cristalină. La aplicarea unei forţe de întindere moderate, atomii se îndepărtează uşor, foarte lent, în direcţia de aplicare a solicitării şi se apropie între ei, pe direcţia perpendiculară faţă de direcţia de solicitare. Situaţia este similară la solicitarea de compresiune, la care modificările distanţelor interatomice sunt opuse comparativ cu solicitarea de întindere (fig.2).

Fig. 2. Deformarea elastică şi plastică a metalelor: a) cristalul iniţial, b) deformare elastică, c) creşterea deformării elastice şi apariţia alunecării atomilor la

limita de elasticitate, d) deformare plastică prin forfecare, e) deformare plastică prin rotirea unor grupe de atomi faţă de planul de deformare (maclare) [2].

Dacă solicitarea a avut loc în domeniul elastic, după îndepărtarea forţelor care au acţionat asupra corpului deformaţia elastică dispare imediat, fiind precedată şi de componenta anelastică, care dispare după un anumit timp de acomodare.

Deformaţia elastică poate fi exprimată cu ajutorul relaţiei 1:

ε Te = εe + εan (1)

în care ε Te este deformaţia elastică totală, εe – deformaţia pur elastică, εan - deformaţia anelastică.

Intre deformaţie si efort există o relaţie constantă de dependenţă, în domeniul elastic, definită de legea lui Hooke:

σ = E ε (2)

în care σ este tensiunea mecanică unitară, E - modulul de elasticitate longitudinal, iar ε - deformaţia elastică.

I.2.1.2.Rezistenţa teoretică


Rezistenta teoretică se consideră a fi rezistenţa la deformare şi rupere pe care o posedă materialul, determinată pe baza calculelor forţelor interatomice.

(3)

în care G – modulul de elasticitate transversal, γ – deformaţia la forfecare pură, τ- rezistenţa teoretică.

Luând în considerare valorile modulului de elasticitate al diferitelor materiale metalice(G = 7700 kgf/mm2 pentru Fe; G = 4400 kgf/mm2 pentru Cu; G = 700 kgf/mm2 pentru Al) rezultă valorile calculate pentru τ de 100 până la 1000 de ori mai mari faţă de cele reale, datorită faptului că nu s-a luat în considerare existenţa defectelor interne.

Reprezentarea grafică a evoluţiei rezistenţei mecanice reale (fig.3) scoate în evidenţă influenţa pe care defectele reţelei cristaline o au asupra comportarii agregatului policristalin la solicitarea de întindere.

Fig 3. Evoluţia rezistenţei reale în prezenţa defectelor structurale:1 – rezistenţa teoretică calculată, 2 – rezistenţa monocristalelor (Whiskers), 3 –

rezistenţa metalelor pure, 4 – rezistenţa aliajelor durificate prin: aliere, deformare plastică (ecruisare), tratamente termice, tratamente termo-

mecanice, a - densitatea de dislocaţii), [2].

Densitatea de dislocaţii în materialele policristaline nedurificate este de obicei cuprinsă în domeniul: a = 106 – 108 (cm-2), în timp ce valorile coeficientului de elasticitate transversal se situează in domeniul: G = 6,9*109 – 6,9*1010 N/m2. În materialele durificate prin diferite metode densitatea de dislocaţii poate creşte atingând valori cuprinse în domeniul: a = 1010 - 1012 (cm-2).

În cazul particular al fibrelor monocristaline denumite whiskers, care au lungimi de 2 până la 10 mm şi grosimi de 0,5 până la 2 μm, caracteristicile mecanice de rezistenţă sunt de-a dreptul spectaculoase (σ =1300 kgf/mm2 pentru Fe, σ = 300 kgf/mm2 pentru Cu şi σ = 225 kgf/mm2 pentru Al), numărul defectelor reţelei cristaline în acest caz fiind foarte redus. Din păcate, creşterea dimensiunilor


whiskers-urilor duce la scăderea rezistenţei mecanice. Deocamdată, datorită dimensiunilor reduse şi susceptibilităţii faţă de defectele de suprafaţă, utilizarea acestor fibre este redusă.

S-a constatat însă că este posibilă creşterea în continuare a caracteristicilor de rezistenţă mecanică prin creşterea densităţii de dislocaţii, dar fară a depăşi limita maximă (a > 1012 – 1013 cm-2 ) peste care metalul devine fragil şi susceptibil la fisurare.

Relaţia între limita de curgere σy şi densitatea de dislocaţii a, este dată de ecuaţia 4:

σ y = σo + α G b (4)

în care σo este tensiunea de forfecare în absenţa deformării plastice, b – vectorul Burgers, α – factorul de durificare care depinde de tipul reţelei cristaline şi compoziţia chimică a materialului. Pe baza acestei ecuaţii se conduc metode practice de consolidare a metalelor şi aliajelor: durificare prin ecruisare, călire etc.

I.2.1.3. Clasificarea încercărilor mecanice de rezistenţă

Încercările mecanice pot fi împărţite în două mari categorii, în funcţie de starea finală a corpurilor de probă: metode distructive şi metode nedistructive.

Metodele distructive constau în încercarea până la rupere a unor epruvete, numite şi corpuri de probă, urmărindu-se evoluţia şi comportarea pe parcursul încercării, aspectul suprafeţelor de rupere, modul de fragmentare. Aceste încercări se realizează cu ajutorul unor maşini specifice fiecărui tip de caracteristică ce trebuie determinată.

Încercările mecanice de rezistenţă fac parte din clasa metodelor distructive şi urmăresc în principal determinarea comportării la: tracţiune, compresiune, răsucire, încovoiere, răsucire, forfecare, presiune de contact sau uzură (Tabelul 4).

În cazul solicitării statice, se impune utilizarea unor viteze de solicitare egale cu cel mult 100N/mm2s. Evoluţia în timp a solicitării statice poate fi progresivă, constantă, regresivă sau oscilantă.

Solicitarea dinamică se produce la viteze mari, în cadrul unui singur ciclu sau prin cicluri repetate. Condiţiile de mediu care se recomandă pentru efectuarea determinărilor sunt: temperatura standard 20 oC ±2 oC pentru încercări obişnuite sau ±1 oC, pentru încercări speciale, umiditatea relativă 65% ± 5% pentru încercări obişnuite sau ±2 % pentru încercări speciale, presiunea atmosfecică 860-1060 mbar. Atmosfera ambiantă pentru încercare poate prezenta următoarele caracteristici: temperatura 15-35 oC, umiditatea relativă 45-75%, presiunea atmosferică 860-1060 mbar.

1.2.1.4. Definirea caracteristicilor de rezistenţă

Determinarea stărilor de tensiune în cazurile concrete ale aplicaţiilor industriale este extrem de dificilă, deoarece intervin o serie de variabile care sunt greu de cuantificat. Conform teoriei stărilor de tensiune limită este posibilă echivalarea stării de tensiune reale complexe cu starea de tensiune simplă, uşor de simulat experimental, cum este întinderea monoaxială.

În acest fel, comportarea materialelor la întinderea monoaxială poate sta la baza interpretării celorlalte stări de solicitare iar încercarea la tracţiune poate fi


considerată o încercare de bază a oricărui tip de material. Pentru simularea unor solicitări specifice, această metodă se poate completa cu încercări de încovoiere, răsucire, forfecare, solicitări compuse.

Încercarea la tracţiune se execută aplicând unei epruvete cu o geometrie specială o forţă axială crescătore, înregistrând continuu variaţiile de lungime, până în momentul ruperii (fig. 4). Măsurarea variaţiei de lungime se efectuaează pe porţiunea calibrată a epruvetei de tracţiune. Evaluarea rezultatelor se poate face prin măsurarea discretă a distanţelor între două repere iniţiale sau prin măsurare continuă, utilizând extensometre (cu cuartz, cu laser). Prin reprezentarea grafică a variaţiei sarcinii unitare în raport cu deformarea, în timpul tracţiunii, rezultă curba caracteristică a materialului, denumită curba tensiune-deformaţie.

Cu ajutorul diagramei tensiune/deformaţie (Hooke) pot fi puse în evidenţă următoarele caracteristici de material:

a. Limita de rupere , Rm, este exprimată de raportul între forţa maximă de solicitare şi secţiunea transversală iniţială a epruvetei. Se măsoară în daN/mm2 şi poate fi determinată cu relaţia 5:

Rm = Fmax / So, (5)

în care Fmax este forţa maximă de rupere iar So – secţiunea transversală iniţială a epruvetei de tracţiune. În cazul materialelor fragile, valorile limitelor de rupere şi de curgere coincid.

b. Limita de curgere convenţională , Rp,reprezintă raportul dintre sarcina corespunzătoare unei alungiri neproporţionale prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei, măsurată în daN/mm2. La simbolul general se adaugă un număr care reprezintă proporţia de alungire la care s-a efectuat determinarea (de exemplu, pentru o alungire neproporţională de 0,2% simbolul este Rp0.2).

c. Limita de elasticitate tehnică, RE, reprezintă tensiunea la care alungirea specifică remanentă atinge o valoare prescrisă, înscrisă ca indice (în cazul oţelurilor, alungirea specifică remanentă se stabileşte la valoarea de 0,01% şi se notează RE 0,01. La valori mai mici decât limita de elasticitate materialul prezintă o comportarea elastică proporţională, conform legii lui Hooke.

d. Modulul de elasticitate :- longitudinal, E, daN/mm2 - constantă de material, care descrie

deformaţia elastică apărută când epruveta este întinsă sau comprimată uniaxial. La depăşirea limitei de elasticitate materialul începe să capete deformaţii remanente, plastice:

E = σ/ε sau E = tg α (6)Unde σ – tensiunea la întindere, ε – deformaţia la întindere.

- transversal (de rigiditate), G, daN/mm2 – constantă de material care exprimă deformaţia materialului la solicitarea de forfecare.

G = E/3(1 - 2μ) (7)


Tabelul 4. Clasificarea încercărilor mecanice de rezistenţăDenumirea încercării

Schema de principiu Modul de solicitare

Standarde Caracteristici determinate

Tracţiune Static

Dinamic

SR EN 10002-1/94, SR EN 10002-5/96, STAS 9760-84, STAS 6596-73, STAS 7209 -73, STAS 8027-78

Limita de curgere, limita de rupere, alungirea la rupere, gâtuirea la rupere, limita tehnică de fluaj, rezistenţa tehnică de durată, limita tehnică de relaxareEnergia de rupereLimita de oboseală, rezistenţa la oboseală pentru N cicluri de solicitare

Compresiune Static STAS 1552-78 Limita de curgere, rezistenţa la compresiune, scurtarea specificăRezistenţa la flambaj

Încovoiere StaticDinamic

SR EN 10045 -1/1993,STAS 1660-80, SATS 7511-81

Rezistenţa la încovoiere, săgeata la încovoiereEnergia de rupere, rezilienţaLimita de oboseală, rezistenţa la durabilitate limitată

Răsucire StaticDinamic

- Rezistenţa la torsiuneEnergia de rupere

Forfecare Static STAS 7926-67 Rezistenţa la forfecare

Presiune de contact

StaticDinamic

STAS 493-91,STAS 492/1-85, SR EN 10003-1, 1997

Rezistenţa la strivireDuritatea Brinell, Vickers, Rockwell, Duritatea de duratăDuritatea dinamică


Relaţia care se stabileşte între deformaţia elastică longitudinală şi laterală este exprimată cu ajutorul coeficientului Poisson:μ = - ε lateral/ εlongitudinal (8)

Pentru materiale ideale, μ = 0,5. În materialele reale, valoarea tipică a coeficientului Poisson este 0,3, în condiţiile respectării legii conservării volumelor la deformarea plastică.

e. Modulul de compresibilitate :

Corelaţii : (9)

Constantele elastice depind de temperatură şi de tensiunea mecanică aplicată. Pe măsură ce temperatura creşte, energia de atracţie între atomii reţelei cristaline scade iar constantele au valori mai scăzute.

e. Duritatea : Reprezintă proprietatea materialului de a se opune pătrunderii în suprafaţa sa a unui penetrator.

Metode de determinare a valorii durităţii unui material

a) Brinell şi Poldi:

b) Rockwell : HRC, HRB, cu Metode convenţionale:RA = RC = 100 – e , (A, C)RB = 130 – e , (B)

h = adâncime de penetrare finalah0 = adâncime de penetrare iniţiala

c) Vickers : , N/mm2

Exemplu : HV5 , 5 = forta de apăsare, kgf


Fig.4. Curbe tensiune-deformaţie [6]: a) diagrama tensiune /deformaţie pentru un material cu plasticitate bună (se evidenţiază punctul de curgere), b)


2. Caracteristici de plasticitate

2.1 Alungirea la rupere : A5, δ, % ,

2.2 Gâtuirea la rupere : ψ, Z, % ,

Lc0

Lc f

dcf

D

D

dc0

L

1.

2.

Fig. 4. Epruvete de tracţiune: 1. înainte de rupere, 2. după rupere

3. Caracteristici de tenacitate :

Tenacitatea reprezintă capacitatea materialului de a absorbi energie în procesul de deformare plastică până în momentul ruperii. Aria de sub curba tensiune/deformaţie reprezintă lucrul mecanic consumat pentru rupere:

Tenacitatea este influenţata de:o viteza de deformareo prezenta concentratorilor de tensiuneo temperatură

Estimarea tenacităţii unui material se poate realiza cu ajutorul determinărilor specifice, utilizând ciocanul pendul Charpy. Se estimează:

- Rezilienţa KCU sau KCV

- Energia de rupere prin şoc KV, J- Temperatura de tranziţie, care exprimă valoarea temperaturii la care se

produce o separare între comportarea ductilă şi cea fragilă a unui material în cadrul încercărilor de rupere dinamică prin şoc.

4. Ruperea la oboseală – exprimă comportarea materialului la solicitări alternante, efectuate la valori mai mici decât limita de curgere (Rp0,2 ) a acestuia. Aspectul ruperii prezintă două zone distincte:

o suprafaţa de rupere formată gradat, în timp (pornind dintr-o microfisură dezvoltată în macrofisuri paralele).

Materiale pentru structuri sudate Ionelia Voiculescu o zona de rupere fragilă sau fibroasă cu grăunţi grosolani.

Rezistenţa la oboseală se exprimă prin anduranţa limită ca fiind tensiunea maximă pe care o poate suporta materialul fără a se rupe, în urma aplicării unui număr de cicluri de încercare stabilit. (de ex. 105 – 108).

Proprietati de rezistenţă la coroziune

Estimarea proprietatilor de rezistenţă la coroziune se face prin măsurarea vitezei de corodare şi a reactivităţii electrochimice în contact cu mediul de lucru.

Majoritatea metalelor şi aliajelor prezintă susceptibilitate la atacul coroziv în diferite medii chimice. Metalele nobile (aur, argint, platina) sunt slab reactive faţă de majoritatea tipurilor de reactivi.

Atacul coroziv poate fi : - atac chimic direct (ex. reacţia cu oxigenul) creste temp. - atac electrochimic (in prezenta electroliţilor).

In cadrul atacului electrochimic ionii se deplasează de pe piesa metalică în soluţia de electrolit (dizolvare anodica), cu degajare de H2 .Atacul chimic direct apare prin interacţiunea metalului cu substanţe chimice (gaze, vapori, acizi, etc) in medii uscate. Depinde de temperatură, intensificarea atacului având loc la temperaturi înalte. Se manifestă prin formarea produşilor de reacţie la suprafaţa metalului sau în profunzime (oxizi, sulfaţi, cloruri, hidruri, etc.).

Dacă stratul de oxid este dens, acesta poate proteja restul de metal de acţiunea ulterioară a agentului coroziv. Dacă este însă poros, procesul de corodare poate continua până la distrugerea completă a piesei.

Adăugarea unor elemente de aliere poate îmbunătăţi comportarea la corodare, de (ex. Cr, Si, Al în Fe ) permiţând obţinerea unui filtru compact de oxid care protejează metalul.Atacul electrochimic este tipul de atac cel mai frecvent întâlnit şi apare în prezenţa electroliţilor.

Principalele elemente prezente în cadrul reacţiilor de corodare electrochimică sunt oxigenul si apa. Dacă se dizolvă NaCl în apă, conductivitatea electrică a acesteia creşte şi viteza de corodare se mareşte.

Fierul sau oţelul aflat în contact cu diferite metale, submersat într-un electrolit, prezintă o rezistenţă la corodare diferită, în funcţie caracterul electropozitiv sau electronegativ al metalului cu care este asociat.

În cadrul unei serii de reactivitate, cele mai active metale sunt, în ordine: Mg, Zn, Cd, Fe, Oţel nealiat, Fontă, Oţel slab aliat, Pb, Cositor, Alama, Cu, Bronz, Ti, etc.

Cele mai puţin active metale sunt , în ordine crescătoare: Argint pentru brazare, Ni, Otel inoxidabil, Ag, Au, Pt.

Toate metalele aflate înaintea fierului în seria de reactivitate sunt electropozitive (sau anodice in raport cu Fe) şi tind să asigure o protecţie a acestuia, prin sacrificarea ionilor proprii. Metalele aflate dupa Fe, sunt electronegative în raport cu Fe şi nu se atacă, ducând la sacrificarea acestuia.

Aciditatea sau alcalinitatea unei solutii se apreciază cu ajutorul scalei pH-ului. Nr. 7 înseamnă soluţie neutră, în timp ce numerele mai mici indică creşterea

aciditatii. Principalele forme de atac coroziv sunt: ,uniform, punctual (pitting), intergranular (pe limitele de grăunţi), tenso-fisurant (intra sau intergranular).

Caracteristici Ale Materialelor Ingineresti

Documents

Transcript of Caracteristici Ale Materialelor Ingineresti