Proprietile aliajelor metalice

Proprietile materialelor metalice se clasific de regul dup natura proprietilor cteodat

dup sensibilitatea sau insensibilitatea lor fa de defecte structurale (punctiforme; dislocaii de

suprafa - care exist n orice aliaj metalic chiar n condiiile unei elaborri foarte ngrijite).

Se poate afirma c ntre structura materialelor metalice i proprietile lor exist o

interdependen foarte strns.

Clasificarea proprietilor aliajelor metalice dup natura lor este prezentat n fig.1.4.

Refractaritatea

Chimice

Rezistentaa la coroziune

Mecanice

Intrinseci Capacitate caloric

Conductivitate

termic

Dilatare termic

Termice Contracia

Coeficientul de

dilatare liniar

Fizice Coeficientul de

dilatare volumic

Proprieti

Conductibilitatea

electric

Electrice

Rezistivitatea

electric

Diamagnetice

Magnetice

Paramagnetice

Alte proprieti

Tehnologice

De utilizare

De exploatare

Fig.1.4. Proprietile aliajelor metalice

Proprietile intrinseci sunt legate de material independent de locul i modul de folosire,

proprietile de utilizare sunt dependente de metoda de prelucrare tehnologic, de domeniul i de

condiiile de exploatare.

Prin proprieti insensibile la defecte se neleg proprietile a cror natur se poate explica

pe reeaua cristalin ideal, ca i cnd materialul nu ar avea defecte, iar cele sensibile la defecte

numai prin intermediul defectelor care modific mecanismul fenomenelor ce stau la baza

proprietilor respective.

Conductibilitatea electric

Conductibilitatea termic

Insensibile la Dia i paramagnetism

defecte structurale Temperatura de topire

Temperatura de vaporizare

Elasticitatea

Proprieti Rigiditatea

Cmp coercitiv

Rezistene mecanice

Plasticitate

Sensibile la Fragilitate

defecte structurale Tenacitate

Duritate

Fluaj

1.5. Fenomene care stau la baza proprietilor

1.3.1. Proprieti mecanice

Proprietile mecanice ale aliajelor metalice sunt cele corespunztoare comportrii lor la

solicitrile mecanice.

Astfel un material solid poate fi solicitat mecanic la ntindere, compresiune, ncovoiere,

forfecare, rsucire, combinat.

Solicitrile mecanice se aplic prin intermediul forelor exterioare ce acioneaz asupra

materialului, sub aciunea acestora el deformndu-se. Deformarea se manifest prin modificarea

distanei ntre atomi scondu-i din poziia de echilibru reciproc. Cnd diferena interatomic se

mrete apar fore de atracie, la micorarea ei aprnd fore de respingere. Rezultanta tuturor

acestor fore interioare se numete efort, ea opunndu-se forei exterioare care a cauzat deformarea.

Mrimea eforturilor depinde de mrimea solicitrilor, iar repartizarea lor n corpul metalic

de tipul solicitrii, configuraie geometric, etc. Mrimea forei nu poate caracteriza singur

eforturile i este necesar introducerea unei mrimi specifice numit efort unitar sau tensiune care

reprezint totalitatea forelor interioare ce acioneaz pe unitate de suprafa.

Fig.1.6. Tipuri de solicitri aplicate materialului

Considernd un corp omogen i izotrop, de form cilindric solicitat la ntindere axial i o

seciune A perpendicular pe axa care mparte corpul n dou pri I, II.

Dac se consider numai poriunea I aciunea prii II al acestuia se poate nlocui prin

aciunea unei tensiuni uniform repartizat pe suprafaa A, la echilibru avnd F= A i

=

2mm

N

A

F

unde : F - fora exterioar care acioneaz asupra corpului metalic [daN]

A - seciunea corpului [mm2]

Daca tensiunea nu este normal la suprafaa A pe care ea acioneaz, ea se descompune

n componenta normal n i cea tangenial .

Tensiunilor normale (principale) le corespund deformaii liniare i celor tangeniale

deformaii unghiulare. Deformaia liniar reprezint modificarea lungimii elementelor liniare ale

corpului, iar deformaia specific liniar modificarea unghiurilor drepte dintre diferite elemente

liniare ale acestuia.

Deformaia specific liniar se exprim prin relaia:

00

0

l

l

l

lln

=

=

unde: l0, ln - lungimile nainte respectiv dup deformare.

Fig. 1.7. Deformaia specific liniar

Legtura dintre i este dat de = E unde : E - modulul de elasticitate (Young),

valabilitatea relaiei fiind numai pentru anumite valori ale lui i , caracterizate prin limita de

elasticitate.

Pe baza comportrii aliajelor metalice la aciunea forelor exterioare proprietile mecanice

se grupeaz astfel:

Elasticitatea

Rigiditatea

Plasticitatea

Proprieti mecanice Fragilitatea

Fluaj

Tenacitate

Duritate

Fig. 1.8. Proprietile mecanice ale materialelor metalice

Elasticitatea - proprietatea materialelor de a se deforma sub aciunea forelor exterioare i de

a reveni la forma lor iniial dup ce solicitarea care a produs deformaia i-a ncetat aciunea.

Considernd o seciune dintr-un plan cristalografic n sistemul cubic al unui corp metalic

solicitat la ntindere, prin deformare are loc o modificare a distanelor dintre atomi i anume pe

direcia solicitrii de la x = p la x > p, pe direcia perpendicular de la y = p la y < p. Deci pe

direcia x vor aprea fore de atracie ntre atomii reelei iar pe direcia y forele de respingere.

Dup ncetarea solicitrii aceste eforturi elementare readuc atomii la starea de echilibru

aducnd corpul metalic la dimensiunile iniiale.

Deformarea elastic a materialelor metalice este ntotdeauna nsoit de o anumit deformare

permanent. Convenional a fost definit drept limita de elasticitate E valoarea tensiunii la care

deformarea specific remanent este 0,001 - 0,03 %.

Fig.1.9. Alungirea materialelor metalice

Rigiditatea este proprietatea materialelor de a se opune deformaiilor elastice, fiind deci

proprietatea contrar elasticitii. Mrimea care reflect capacitatea materialelor de a se opune

deformaiilor elastice, deci o mrime a rigiditii este modulul de elasticitate E. Pornind de la relaia

= E , pentru un constant la o anumit valoare a lui corespunde o valoare a lui E. Odat cu

scderea lui , E este mai mare deci o rigiditate mai mare.

Prin variaia lui E se poate modifica att rigiditatea ct i elasticitatea aplicnd metode

tehnologice de prelucrare ca: turnare, deformare plastic, tratament termic i n special aliere.

Plasticitatea este proprietatea materialelor deformate de a nu mai reveni la forma iniial

dup ncetarea aciunii solicitrii care a produs deformarea.

Dac se urmrete reprezentarea grafic efort-deformaie, = f(), pentru un material

metalic se constat c: solicitnd materialul cu tensiuni mai mari dect limita de elasticitate, la un

moment dat la creteri mici ale tensiunii corespunztoare unei creteri mari ale deformaiei se

observ un fenomen de curgere a materialului. Convenional s-a definit drept limit de curgere C

valoarea tensiunii de la care deformaiile specifice permanente ncep s fie mai mari de 0,2 %. La

solicitri ntre C i R deformaiile sunt permanente. La R materialul se rupe, lungimea

specific maxim fiind R.

Fig.1.10. Curba de deformare a materialelor metalice

Curba a fost trasat presupunnd c seciunea materialului rmne constant pn la rupere

datorit lungirii, n realitate seciunea se micoreaz i curba real urmeaz traseul OCD.

Pentru a ajunge n zona de plasticitate ( C < < R ) este obligatorie trecerea prin zona de

elasticitate.

Deformaia specific total avnd deci dou componente

RE +=

unde: E - deformaie elastic

R - deformaie permanent

Dup ncetarea aciunii rmne totdeauna o deformaie permanent P format din dou

componente cea rezultat din deformaia elastica ( PE E ) i cea corespunztoare deformaie

permanente propriu-zise (pp).

Este de asemenea de subliniat ca prin deformri plastice se produc deplasri relative de

atomi n reeaua cristalin fr a distruge integritatea reelei cristaline.

Fragilitatea este proprietatea unor materiale de a nu permite practic deformaii plastice pn

la rupere, fiind proprietatea opus plasticitii. La rupere materialele fragile prezint o deformaie

plastic redus (fig.1.7.a) sau se rup nainte ca deformaia plastic s nceap (fig.1.11.b).

a. b.

Fig. 1.11. Ruperea materialelor metalice

Fluajul este proprietatea unor materiale de se deforma n timp lent i continuu, sub aciunea

unor sarcini continue i de lung durat chiar cnd E deformaia total crete permanent.

Dac la temperatura mediului ambiant deformarea plastic la fluaj a materialului este mai

mic, la temperaturi mai ridicate ea devine important i trebuie inut cont de ea.

Tenacitatea este proprietatea materialelor solide de a acumula o energie mare de deformaie

plastic pn la rupere. Un material tenace se va rupe deci numai dup deformaii plastice specifice

mari.

Tenacitatea materialelor depinde de natura lor i felul solicitrii. Solicitrile putnd fi de

dou feluri: statice i dinamice, iar tenacitatea poate fi static sau dinamic.

Ca msur a tenacitii dinamice s-a introdus mrimea numit rezilien ca fiind raportul

dintre lucrul mecanic consumat la rupere la ncovoiere prin oc i aria seciunii de rupere a unei

epruvete crestate. Tenacitatea mai este influenat de temperatura la care se gsete materialul,

viteza de realizarea a lucrului mecanic, etc. Materialele care prezint o rezilien mare se numesc

tenace, iar cele cu o rezilien mic se numesc fragile.

Duritatea este proprietatea unui material de a opune rezisten la ptrunderea din exterior n

stratul de suprafa a unui obiect din material mai dur.

Factorii determinani ai duritii sunt:

- natura materialului metalic

- structura sa

- felul solicitrii

Datorit faptului ca materialele metalice sunt anizotrope, neomogene i practic discontinue,

duritatea este o proprietate statistic medie.

Duritatea este factorul determinant al rezistenei la uzur, n special la uzura abraziv i de

aderen (sudarea suprafeelor n frecare n momentul cnd suprafeele reale de contact ajung la

distan cnd intr n aciune forele de interaciune).

Se consider microduritatea cea determinat pe diferitele straturi ale materialului i

microduritate determinat pe un grunte cristalin sau strat intergranular.

Dup felul aplicrii forei duritatea poate fi static sau dinamic. Duritatea se msoar n

grade de duritate specifice metodei de msurare (Brinell, Rockwell, Vickers).

1.4. Proprieti tehnologice

Sunt definite de suma de relaii dintre proprietile materialelor i fenomenele ce apar n

interaciunea cu diferitele metode tehnologice de transformare la cald sau la rece a acestora.

Proprietile tehnologice sunt rezultatul mbinrii i corelrii mai multor proprieti

funcionale, pentru ca la rndul lor o parte din proprietile funcionale s fie modificate de

proprietile tehnologice, prin intermediul metodei tehnologice sau procedeului tehnologic de

transformare.

Oricare material se poate transforma pn la atingerea formei corespunztoare rolului

funcional dorit prin mai multe procedee tehnologice de transformare. Astfel, proprietile

tehnologice sunt cele care impun n majoritatea cazurilor procedeul tehnologic optim de

transformare a acestuia, existnd o strns interdependen procedee tehnobogice de prelucrare -

proprieti tehnologice. Principalele proprieti tehnologice sunt: turnabilitatea, deformabilitatea,

uzinabilitatea (achiabilitatea), sudabilitatea i clibilitatea (fig. 1.12).

Turnabilitate

Deformabilitate

Proprieti

tehnologice Uzinabilitate

Sudabilitate

Clibilitate

Fig.1.12. Proprieti tehnologice ale materialelor metalice

Turnabilitatea

Este proprietatea unui material de a cpta n urma solidificrii configuraia geometric i

dimensiunile cavitii n care se introduce n stare lichid. Accast proprietate se apreciaz cu

ajutorul calificativelor (foarte bun, bun, satisfctoare, nesatisfctoare, rea etc.). Din

multitudinea de proprieti funcionale ale metalelor i aliajelor, unele influeneaz direct

turnabilitatea i anume: fuzibilitatea, fluiditatea, contracia la solidificare, tensiunea superficial,

tendina de segregare i permeabilitatea la gaze. Interdependena proprictilor tehnologice -

proprieti funcionale se prezint n tabelul 2.3. Aa cum se vede, turnabilitatea depinde de

proprietile fizice (temperatura de topire, temperatura de solidificare, dilataia termic), de

proprietile chimice (rezistena la coroziune, refractaritatea), de proprietile mecanice (rezistena

la rupere, rezistena la curgere) i de proprietile estetice (culoare, aspect, grad de netezime etc.)

Deformabilitatea

Este proprietatea metalelor i aliajelor de a cpta deformaii permanente, fr a se rupe, sub

aciunea unor fore exterioare. Se apreciaz prin calificative (foarte bun, bun, satisfctoare,

nesatisfctoare, rea). Este influenat direct de proprietile fizice (temperatura de solidificare,

temperatura de recristalizare de proprietile chimice (rezistena la coroziune, oxidarea), de

proprietile mecanice (elasticitatea, plasticitatea, rezistena la curgere, fluajul, ecruisarea), de

proprietile magnetice n cazul procedeelor de magnetodeformare, de proprietile estetice (aspect,

rugozitate). Principalele forme sub care se definete deformabilitatea sunt:

-forjabilitatea - capacitatea unor metale sau aliaje de a prezenta rezisten redus la deformare sub

aciunea unor fore de presare sau lovire i de a curge uor liber sau limitat cavitaional;

-maleabilitatea - capacitatea unor materiale de a putea fi transformate n table sun aciunea unor

fore exterioare de deformare;

-ductibililatea - capacitatea unor materiale de a putea fi transformate n fire sub aciunea unor fore

exterioare.

Deformabilitatea este cu att mai bun cu ct eforturile necesare schimbrii formei sunt mai mici.

Uzinabilitatea (achiabilitatea)

Este proprietatea unui material de a-i modifica forma prin ndeprtarea de particule sau

microparticule materiale (achii sau microachii sub aciunea unor fore exterioare aplicate prin

intermediul unor scule achietoare. Uzinabilitatea este cu att mai bun, cu ct eforturile necesare

desprinderii particulelor sau microparticulelor sunt mai mici. Uzinabilitatea este bun la majoritatca

metalelor i aliajelor, ea depinznd foarte diferit de proprietile funcionale (tabelul 2.3). Toate

proprietile funcionale au o influen deosebit asupra uzinabilitii, existnd i procedee

tehnologice cu dependen limitat, specific naturii materialului i metodelor tehnologice de

transformare.

Sudabilitatea (comportarea la sudare)

Este proprietatea unui material de a se mbina nedemontabil cu alt material prim formarea

unor legturi atomice ntre atomii marginali ai suprafeelor de mbinat n anumite condiii de

temperatur i/sau presiune. Sudabilitatea este o caracteristic deosebit de complex a unui material,

ea depinznd mai mult sau mai puin de toate proprietile funcionale (tabelul 2.3) ale metalului de

baz i ale metalului de adaos (compoziie chimic, proprieti structurale, prelucrri anterioare), de

procedeul de sudare aplicat i tehnologia dc sudare (tratamentul preliminar i final, regimul de

sudare, succesiunea depunerii straturilor de material etc.) i de configuraia geometric i

dimensional a ansamblului sudat.

Tabelul 2.3. Interdependena proprieti funcionale-proprieti tehnologice

Proprieti

funcionale

Proprieti

tehnologice

Fizice Chi-

mice

Meca-

nice Electrice Magnetice Optice Nucleare

Este-

tice

Turnabilitatea * * * 0 0 0 0 *

Deformabilitatea * * * 0 (*)magneto-

deformare 0 0 *

Uzinabilitatea * * * (*)electro-

eroziunea 0

(*)fascicul

de fotoni

(*)fascicul

de electroni *

Sudabilitatea * * * (*)sudare

cu energie

electric

0 (*)sudare

cu fascicul

de fotoni

(*)sudare cu

fascicul de

electroni

*

Clibilitatea * * 0 0 0

(*)clire

cu fasicul

de fotoni

0 *

* - dependena n toate cazurile

(*) - dependen doar n cazuri particulare

0 - nu exist interdependen

Clibilitatea Este proprietatea unor materiale de a deveni dure n urma unui ciclu termic de forma:

nclzire la o anumit temperatur - rcire dup o anumit lege. Este o proprietate tehnologic dependent de proprieti fizice i chimice ale materialului cu influene deosebite n modificarea

strii structurale a acestuia i implicit asupra celorlalte proprieti tehnologice i de exploatare ntr-

un sens dinainte stabilit. Durificarea structural se aplic urmtoarelor tipuri de metale i aliaje cu

aplicabilitate industrial: - aliaje pe baz de aluminiu: binare (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn), ternare (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-

Mn,

Al-Cu-Ti, Al-Zn-Si), complexe (Al-Cu-Mg-Ni, Al-Si-Mg-Mn, Al-Si-Cu-Mg-Ni) etc.; - aliaje pe baz de cupru (bronzuri cu beriliu, cu crom, cu aluminiu, cu siliciu i nichel, bronzuri

complexe);

- aliaje pe baz de magneziu: binare (Mg-Al, Mg-Zn) i ternare (Mg-Al-Zn);

-aliaje pe baz de titan; - oeluri carbon (slab aliate, aliate i nalt aliate), oeluri de scule, oeluri inoxidabile, anticorozive i

refractare;

- fonte;

- mase plastice.