Stiinta Si Ingineria Materialelor

Prof.univ.dr.ing. Ioan-Lucian BOLUNDU

TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Moto: Nu destinui prietenului tu toate secretele vieii tale; se poate prea bine ca ntr-o zi s-i devin duman. Nu f dumanului tu tot rul pe care i-l poi face; se poate prea bine ca ntr-o zi s-i devin prieten. Saad (c.1215 1292) poet persan

EDITURA TEHNICA INFO CHIINU, 2010

620.22(075.8) B 66

Refereni tiinifici: Prof.univ.dr.ing. Sorin DIMITRIU Universitatea Politehnica din Bucureti Prof.univ.dr.ing. Drago PARASCHIV Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai Prof.univ.dr.ing. Alexandru MARIN Universitatea Tehnic a Moldovei din Chiinu

Descrierea CIP a Camerei Naionale a Crii tiina i Ingineria Materialelor: / Ioan-Lucian Bolundu [ et al.]; - Ch.: Tehnica Info SRL, 2010 300 p. ISBN: 978-9975-63-313-0 CZU 620.22(075.8) B 66 250 ex.

Redactor: Sociolog Camelia Lctuu Tehnoredactare computerizat: Conf.univ.dr.ing. Iosif Dumitrescu Sociolog Camelia Lctuu Coperta: ing. Cornel Chiril

THE SCIENCE AND ENGINEERING OF MATERIALSSolid materials have been conveniently grouped into three basic categories: metals, ceramics and plastics. This scheme is based primarily on chemical make up and atomic structure and most materials fall into one distinct group or another, although there are some intermediates. In addition, there are the composites, combinations of two or more of the above three basic material classes. Metallic materials have the general characteristics of good electrical and thermal conductivity, relatively high strength, high stiffness, ductility or formability and shock resistance. Although pure metals are occasionally used, combinations of metals called alloys are normally designed to provide improvement in a particular desirable property or permit better combinations of properties. Plastics are produced by creating large molecular structures from organic molecules, obtained from petroleum or natural gas and have low electrical and thermal conductivity, low strenghts and are not suitable for use at high temperatures. Plastics are lightweight and frequently have resistance to corrosion. Ceramics have poor electrical and thermal conductivity. Although ceramics may have good strenght and hardness, their ductility, formability and shock resistance are poor. Consequently, ceramics are less often used for structural or load-bearing applications than metals. Many ceramics have excellent resistance to high temperatures and certain corrosive media and have a number of unusual and desirable optical, electrical and thermal properties. Composite materials are formed from two or more materials, producing properties that cannot be obtained by any single material. With composites we can produce lightweight, strong, ductile, high temperature-resistant materials that are otherwise unobtainable, or produce hard yet shock-resistant cutting tools that would otherwise shatter.

CONTENTSI. Metallic Materials.. 1. Properties of Metallic Materials. 2. Crystalline Structure of Metals... 3. Ferrous Alloys.. . 4. Nonferrous Metals and Alloys 5. Heat Treatments. II. Plastic Materials.. 6. Properties of Plastics.. 7. Types of Plastics III. Ceramic Materials. 8. Structure and Properties of Ceramics 9. Types of Ceramics. IV. Composite Materials.. 9 9 21 39 109 175 203 203 210 233 233 238 259

PREFAtiina i ingineria materialelor trateaz probleme interdisciplinare, implicnd proprietile materiei i aplicaiile ei n diverse domenii ale tiinei i ingineriei i folosind cunotine de fizic aplicat, chimie, inginerie mecanic i electric. Dup apariia, n ultimii ani, a nanotiinelor i nanotehnologiilor, tiina materialelor a fost propulsat n avangarda multor universiti de prestigiu din lume. Cunotinele oamenilor despre materiale ncep odat cu olritul, dezvoltndu-se din epoca pietrei n cea a bronzului i apoi a oelului. tiina materialelor moderne s-a dezvoltat din metalurgie, iar metalurgia din minerit. Dac la nceputul secolului XX ea se ocupa doar de metale, pe la jumtatea acestui secol ea a inclus i materialele plastice i ceramice, iar mai recent i pe cele compozite. Principalele materiale utilizate n industrie sunt cele metalice. Dintre acestea, aliajele feroase (fontele i oelurile) reprezint circa 90%, restul de 10% fiind metale i aliaje neferoase. Fonta se elaboreaz n furnal i din cauza coninutului mare de carbon este dur i fragil i nu se poate utiliza n aceast stare. Proprietile sale mecanice se pot mbunti prin adugarea unor elemente care transform grafitul lamelar n grafit nodular (Mg, Si, Ca, Ba), precum i prin aplicarea unor recoaceri de maleabilizare sau prin aliere cu diverse elemente (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Al, Cu). Oelul conine mai puin carbon i are proprieti mecanice bune. Creterea coninutului de carbon conduce la creterea duritii i a rezistenei la rupere, dar i la scderea ductilitii i a tenacitii. Prin aliere cu peste 10% crom, nichel i molibden, devine inoxidabil. Metalele i aliajele neferoase sunt mai scumpe i mai rare i se utilizeaz n domenii care reclam proprieti fizico-mecanice sau chimice speciale. Unele dintre ele sunt foarte vechi i au avut o importan mare n dezvoltarea societii umane. Astfel, bronzul a fost descoperit n jurul anului 3500 .Hr. n Mesopotamia i Sumer i a avut o asemenea importan nct mileniul al doilea .Hr. se mai numete n istorie i epoca bronzului. Mai aproape de vremurile noastre s-au descoperit aliajele aluminiului, titanului i magneziului, apreciate pentru greutatea redus i rezistena ridicat i folosite pe scar larg n construciile aerospaiale i n industria automobilelor. Materialele plastice au fost descoperite n secolul trecut i astzi au ajuns s le depeasc, n greutate, pe cele metalice datorit unor proprieti favorabile: sunt ieftine i uoare, rezistente la oxidare i coroziune i permit modificarea proprietilor prin folosirea unor aditivi. Unele se pot recicla prin solubilizare sau topire, iar aplicaiile lor acoper aproape toate domeniile activitii umane, de la banalele pungi pentru cumprturi i jucrii, pn la conductele subterane de ap i gaze care le nlocuiesc treptat pe cele metalice. Reciclarea materialelor plastice este foarte important, avnd n vedere faptul c peste 90% din acestea provin din petrol i gaze naturale materii prime valoroase i din ce n ce mai deficitare. Ca urmare, prin reciclare nu se urmrete doar prelucrarea deeurilor, ci i utilizarea unor tehnologii avansate, bazate pe folosirea microundelor de diferite frecvene, care

Prefa

5

sparg lanurile de hidrocarburi ce alctuiesc materialele plastice i cauciucul sintetic, obinndu-se iei brut i gaz metan. Principalele materiale plastice sunt polietilena, polipropilena, policlorura de vinil, polistirenul, poliamida, poliesterul, poliuretanul i policarbonatul. Ele se prelucreaz prin diverse procedee tehnologice (presare, injecie, extrudare, expandare, calandrare, sudare, lipire, tanare, achiere), dar nu se pot utiliza la temperaturi mai mari de circa 200 oC. A treia categorie de materiale utilizate n tehnic o constituie grupa materialelor ceramice. Ceramica utilitar a aprut odat cu omenirea, vasele i crmizile fiind primele produse obinute de om, prin arderea argilei. Din aceasta sa dezvoltat apoi ceramica de art care s-a ndeprtat de funcia utilitar i s-a centrat pe valoarea decorativ i estetic. Pe la mijlocul secolului trecut a aprut ceramica industrial, ca urmare a dezvoltrii industriilor de vrf care utilizeaz materiale pe baz de oxizi, carburi, nitruri, boruri i diverse forme de carbon. Materialele ceramice sunt dure i rezistente la uzur i la temperaturi ridicate, iar sursele de materii prime din care provin sunt practic nelimitate. Folosirea lor este limitat de fragilitate i de rezistena sczut la traciune. Ele se utilizeaz la fabricarea unor materiale de construcii (crmid, igl, teracot, faian, gresie) sau de art (porelan, mozaic), precum i n domeniul industrial (scule achietoare, electrotehnic i electronic, izolaii termice, aplicaii tribologice i medicale). Prin dozarea corespunztoare a constituenilor, ndeosebi a pmnturilor rare, ceramicele pot fi izolatoare electrice, semiconductoare, conductoare sau chiar supraconductoare. De altfel, pentru cercetri n domeniul supraconductibilitii materialelor ceramice s-au acordat cteva Premii Nobel. Printre aplicaiile de vrf ale ceramicii industriale se menioneaz rulmenii ceramici care funcioneaz fr ungere i implanturile ceramice care nlocuiesc oase ale scheletului uman. Materialele compozite sunt alctuite dintr-o osatur ncorporat n masa unei matrice. Primul compozit utilizat a fost lemnul, un compozit natural, iar mai trziu, betonul i betonul armat. Carcasele de televizor i telefoane mobile sunt i ele confecionate din materiale compozite, avnd o matrice termoplastic armat cu particule de cret i talc i cu fibre tocate de sticl sau de carbon. Materialele de ranforsare pot fi sub form de particule, fibre sau plci, iar matricele sunt de natur plastic, metalic sau ceramic. Procedeele de prelucrare sunt foarte variate (formare manual, turnare, laminare, presare, nfurare), innd cont de natura materialului matricei i de configuraia armturii. tiina i ingineria materialelor este deci o disciplin complex care studiaz proprietile, structura i domeniile de aplicare ale celor patru mari categorii de materiale. Din aceast disciplin s-au desprins recent alte ramuri tiinifice: nanotehnologia, microtehnica, biomaterialele, tribologia i ceramografia. Cartea se adreseaz studenilor profilurilor tehnice care au n programa de nvmnt tiina i ingineria materialelor, dar este util i inginerilor, tehnicienilor, proiectanilor i cercettorilor din metalurgie i construcii de maini. Petroani, iulie 2010 AUTORUL

CUPRINSPREFA CUPRINS. PARTEA NTI MATERIALE METALICE.. 4 6 9

1. PROPRIETILE MATERIALELOR METALICE. 9 1.1. Generaliti.. 9 1.2. Proprieti fizice... 9 1.3. Proprieti chimice.. 11 1.4. Proprieti mecanice 12 1.5. Proprieti tehnologice 18 1.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.. 19 2. STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR 21 2.1. Noiuni de cristalografie. 21 2.2. Imperfeciuni ale reelelor cristaline... 24 2.3. Curbe de rcire 27 2.4. Teoria aliajelor 29 2.4.1. Generaliti 29 2.4.2. Diagrame de echilibru........... 31 2.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.. 38 3. ALIAJE FIER-CARBON. 39 3.1. Generaliti. 39 3.2. Diagrama fier-carbon.. 40 3.3. Fonte... 44 3.3.1. Generaliti 44 3.3.2. Fonte brute (primare) 45 3.3.3. Fonte de turntorie (secundare) 47 3.4. Oeluri 55 3.4.1. Generaliti 55 3.4.2. Oeluri de uz general. 58 3.4.3. Oeluri cu destinaie precizat... 79 3.4.4. Oeluri de scule..... 100 3.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 107 4. METALE I ALIAJE NEFEROASE. 109 4.1. Generaliti.... 109 4.2. Cuprul i aliajele cuprului. 109 4.2.1. Cuprul... 109 4.2.2. Aliaje de cupru......... 113 4.3. Aluminiul i aliajele aluminiului... 131 4.3.1. Aluminiul......... 131 4.3.2. Aliaje de aluminiu 135 4.4. Plumbul i aliajele plumbului 152 4.4.1. Plumbul 152

Cuprins 4.4.2. Aliaje de plumb 4.5. Zincul i aliajele zincului... 4.5.1. Zincul... 4.5.2. Aliajele zincului... 4.6. Staniul i aliajele staniului. 4.6.1. Staniul.. 4.6.2. Aliajele staniului.. 4.7. Magneziul i aliajele magneziului. 4.7.1 Magneziul.. 4.7.2. Aliajele magneziului 4.8. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 5. TRATAMENTE TERMICE 5.1. Generaliti 5.2. Recoacerea. 5.3. Clirea 5.3.1. Generaliti... 5.3.2. Metode de clire... 5.4. Revenirea... 5.5. Tratamente termochimice.. 5.5.1. Generaliti... 5.5.2. Tipuri de tratamente termochimice.. 5.6. Tratamente termomecanice 5.7. Utilaje pentru tratamente termice.. 5.7.1. Utilaje pentru nclzire. 5.7.2. Utilaje pentru rcire. 5.7.3. Agregate pentru tratamente termice. 5.8. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.

7 153 159 159 160 164 164 165 167 167 170 174 175 175 176 181 181 183 188 189 189 190 195 196 196 199 200 201

PARTEA A DOUA MATERIALE PLASTICE.. 203 6. PROPRIETILE MATERIALELOR PLASTICE 203 6.1. Generaliti 203 6.2.Proprieti fizice. 203 6.3. Proprieti chimice 205 6.4. Proprieti mecanice.. 205 6.5. Proprieti tehnologice... 209 6.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie. 209 7. TIPURI DE MATERIALE PLASTICE.. 210 7.1. Istoricul apariiei materialelor plastice... 210 7.2. Structura i constituenii materialelor plastice... 213 7.3. Clasificarea materialelor plastice 214 7.4. Prelucrarea materialelor plastice... 221 7.4.1. Presarea.... 221 7.4.2. Turnarea sub presiune (prin injecie)... 224 7.4.3. Extrudarea 225

8

tiina i ingineria materialelor 7.4.4. Calandrarea.. 7.4.5. Filarea... 7.4.6. Expandarea... 7.4.7. Sudarea.... 7.4.8. Lipirea.. 7.4.9. Prelucrri mecanice.. 7.5. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.

. 226 227 227 228 229 230 231

PARTEA A TREIA MATERIALE CERAMICE... 233 8. STRUCTURA I PROPRIETILE MATERIALELOR CERAMICE 8.1. Generaliti 8.2. Structura materialelor ceramice. 8.3. Proprietile materialelor ceramice 9. TIPURI DE MATERIALE CERAMICE... 9.1. Clasificarea materialelor ceramice 9.2. Ceramica utilitar.. 9.3. Ceramica de art 9.4. Ceramica industrial.. 9.4.1. Generaliti... 9.4.2. Ceramice pentru sculele achietoare 9.4.3. Ceramice pentru electrotehnic i electronic. 9.4.4. Ceramic refractar i pentru izolaii termice.. 9.4.5. Ceramic tribologic.... 9.4.6. Bioceramica. 9.5. Prelucrarea materialelor ceramice. 9.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie.... 233 233 233 235 238 238 239 240 241 241 244 246 251 253 253 254 258

PARTEA A PATRA MATERIALE COMPOZITE.. 259 10. MATERIALE COMPOZITE 10.1. Generaliti.. 10.2. Tipuri de materiale compozite. 10.2.1. Materiale compozite armate cu particule... 10.2.2. Materiale compozite armate cu fibre.. 10.2.3. Materiale compozite structurale. 10.2.4. Alte tipuri de materiale compozite. 10.3. Prelucrarea materialelor compozite. 10.3.1. Formarea manual...... 10.3.2. Turnarea..... 10.3.3. Laminarea... 10.3.4. Presarea.. 10.3.5. nfurarea.. 10.4. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheie... BIBLIOGRAFIE... 259 259 260 261 262 269 272 276 276 278 281 285 286 287 289

PARTEA NTI MATERIALE METALICE1 PROPRIETILE MATERIALELOR METALICE

1.1. Generalitin tehnica actual, pentru executarea pieselor i a diverselor produse, se utilizeaz n mare msur materiale metalice, adic metale i aliaje. Metalele sunt elemente chimice cu luciu caracteristic, bune conductoare de cldur i electricitate, maleabile i ductile, dar se folosesc mai rar din cauza proprietilor defavorabile i a preului ridicat. Aliajele sunt materiale metalice obinute prin topirea mpreun a dou sau mai multor metale sau a unor metale i metaloizi, avnd proprieti i nsuiri adecvate domeniilor de utilizare dorite i pre mai redus. Dup natura lor, materialele metalice se mpart n dou categorii: - materiale feroase (fier, fonte i oeluri) care reprezint circa 90% din consumul mondial de materiale metalice; - materiale neferoase (cupru, aluminiu, magneziu, zinc, plumb, staniu, nichel, wolfram etc. i aliajele lor), acestea reprezentnd restul de 10% din consumul mondial. Utilizarea materialelor metalice n tehnic este bine precizat i este conform cu prescripii standardizate care in seam de proprietile fizice, chimice, mecanice i tehnologice ale acestora.

1.2. Proprieti fiziceProprietile fizice caracterizeaz natura materialelor metalice i se clasific dup schema prezentat n fig. 1.1. a) Masa volumic sau densitatea () este raportul dintre masa unui corp i volumul su:= m [kg/m3] V

(1.1)

Dintre metale, masa volumic minim o are litiul ( =0,53 103 kg/m3), iar cea mai mare, osmiul ( =22,48103 kg/m3).

10

tiina i ingineria materialelor

Mas volumic (densitate) Temperatur de topire Capacitate termic masic (cldur specific)

Proprieti fizice

Conductibilitate termic Coeficient de dilatare liniar Conductibilitate electric Proprieti magnetice

Fig. 1.1. Clasificarea proprietilor fizice ale materialelor metalice.

b) Temperatura de topire (t) este temperatura la care, sub aciunea cldurii i la presiunea normal, un metal pur trece din stare solid n stare lichid. n cazul aliajelor, exist un interval de topire. Dintre metalele cunoscute, cel mai greu se topete wolframul (t=3410 C), iar cel mai uor, staniul (t = 232 C). c) Capacitatea termic masic sau cldura specific (cp) reprezint cantitatea de cldur necesar ridicrii temperaturii cu un grad a unui kilogram dintr-un material i se exprim n J/kgK. La temperatura mediului ambiant, aceasta variaz de la 138,2 J/kgK (mercur), la 1 826 J/kgK (beriliu). Ea este necesar pentru calculul cuptoarelor de nclzire sau topire a metalelor. d) Conductibilitatea termic () este proprietatea unui corp de a transmite un flux de temperatur sub aciunea unei diferene de temperatur, msurndu-se n J/msK. Cel mai bun conductor de cldur este argintul ( = 453 J/msK), iar cel mai slab, mercurul ( = 7,91 J/msK), valorile fiind date pentru temperatura mediului ambiant. e) Coeficientul de dilatare liniar () reprezint creterea unitii de lungime a unui corp datorit creterii temperaturii cu un grad, determinndu-se cu relaia:=l l0 t

(1.2)

unde: l0 lungimea iniial; l creterea lungimii la o cretere a temperaturii cu t. Cel mai mic coeficient de dilatare liniar l are invarul (oel aliat cu 36% nichel i folosit la fabricarea instrumentelor i a aparatelor de precizie) i anume = 0,1510-5 K-1 , iar cel mai mare, cadmiul ( = 3,0810-5 K-1). f) Conductibilitatea electric () este proprietatea materialelor metalice de a conduce curentul electric i se exprim n S/m (siemens pe metru). Inversul

Proprietile materialelor metalice

11

conductibilitii electrice se numete rezistivitate electric () i se exprim n m (ohmmetru). Conductibilitatea electric scade cu creterea temperaturii, a coninutului de impuriti i a gradului de deformare, iar rezistivitatea crete. La temperaturi foarte sczute, aproape de 0 K, rezistivitatea este nul, aprnd fenomenul de supraconductibilitate, la care materialele metalice devin conductoare electrice perfecte. n condiii normale, conductibilitatea electric maxim o are argintul ( = 62,5106 S/m), iar cea mai mic, manganul ( = 0,388 106 S/m). Ca urmare, argintul se utilizeaz la fabricarea contactelor electrice, iar manganul, la obinerea manganinului (aliaj de cupru, mangan i nichel folosit la fabricarea rezistenelor electrice). g) Proprietile magnetice se datoreaz micrii orbitale a electronilor n jurul nucleului, acetia formnd de fapt circuite electrice care creeaz cmpuri magnetice. n materialele metalice cu proprieti magnetice bune, aceste circuite electrice sunt orientate paralel, formnd astfel un magnet elementar. Prin aplicarea unui cmp magnetic exterior, toi magneii elementari primesc aceeai orientare, ajungndu-se la magnetizarea de saturaie, care are intensitatea de magnetizare maxim. Dintre proprietile magnetice ale materialelor metalice se menioneaz: inducia magnetic, permeabilitatea magnetic, susceptibilitatea magnetic, magnetostriciunea i temperatura Curie. Din punct de vedere al susceptibilitii magnetice (proprietatea unui material metalic de a se supune aciunii magnetismului i de a se magnetiza), materialele metalice pot fi: - diamagnetice care au o magnetizare de sens contrar cmpului magnetic exterior i care dispare cnd aciunea exterioar nceteaz (Cu, Cd, Sb, Pb, Zn, Au, Ag), susceptibilitatea lor magnetic fiind negativ; - paramagnetice care se magnetizeaz slab i temporar prin introducerea lor ntr-un cmp magnetic (Sn, Al, Mg, Na, K, Ca, Mo, Ti, Cr, V, Mn), avnd susceptibilitatea magnetic uor pozitiv. - feromagnetice care sunt atrase puternic de cmpul magnetic exterior i capt o magnetizare permanent, intens i de acelai sens cu cmpul magnetic (Fe, Co, Ni) i cu susceptibilitate magnetic pozitiv.

1.3. Proprieti chimiceProprietile chimice ale materialelor metalice exprim capacitatea acestora de a rezista la aciunea mediilor corosive, a agenilor atmosferici i a apei de mare, precum i la temperaturi nalte. Cele mai importante sunt rezistena la coroziune i refractaritatea. a) Rezistena la coroziune este proprietatea materialelor metalice de a se opune aciunii corosive a agenilor chimici externi. Distrugerea prin coroziune se poate produce pe cale chimic, atunci cnd

12


ntre metal i agentul corosiv nu apare un transport de sarcini electrice sau pe cale electrochimic, atunci cnd apare un astfel de transport. Coroziunea este deosebit de nociv, conducnd la pierderi semnificative de materiale metalice, ndeosebi feroase. Distrugerile prin coroziune pot fi substanial reduse prin metode preventive (evitarea punerii n contact a unui metal cu un alt metal mai electronegativ, cum ar fi aluminiu-cupru, aluminiu-oel aliat sau bronz-oel), prin utilizarea metalelor i aliajelor rezistente la coroziune, precum i prin metode de protecie anticorosiv: galvanizare, acoperiri metalice prin pulverizare sau placare, tratamente termochimice sau vopsire cu lacuri i emailuri. Unele metale neferoase (Cu, Zn, Pb, Al, Ti, Ni, Cr), la contactul cu aerul atmosferic, formeaz la suprafa un strat de oxid protector (pasivizare), dar cea mai frecvent metod de cretere a rezistenei la coroziune a metalelor este alierea (oeluri aliate cu peste 12% Cr i cu 5...25% Ni, aliaje ale cuprului cu aluminiul i zincul etc.). b) Refractaritatea este proprietatea materialelor metalice de a-i pstra caracteristicile mecanice la temperaturi ridicate i de a nu forma la suprafa un strat oxidat care s se exfolieze. Din aceast categorie fac parte metalele i aliajele refractare. Astfel, oelurile refractare sunt aliate cu crom, aluminiu, siliciu i nichel i dac se adaug i molibden, crete rezistena la fluaj, pstrndu-i caracteristicile mecanice timp ndelungat. Ele se utilizeaz, cu bune rezultate, n condiii de lucru la temperaturi de 600...800 C i chiar pn la 1000 C.

1.4. Proprieti mecaniceProprietile mecanice arat modul de comportare a materialelor metalice la solicitrile exterioare la care sunt supuse att n procesele de prelucrare, ct mai ales n exploatare. n fig. 1.2. se prezint o clasificare a acestor proprieti. a) Rezistena la rupere este proprietatea unui material metalic de a se opune forelor exterioare care tind s-l distrug. Dup modul de acionare, aceste solicitri pot fi de traciune (ntindere), compresiune, ncovoiere, rsucire (torsiune), forfecare, flambaj etc. i pentru fiecare din aceste solicitri se definete o rezisten specific de rupere. Sub aciunea forelor exterioare, materialele metalice se deformeaz, ceea ce conduce la modificarea distanei dintre atomii din reeaua lor cristalin. Dac distana se mrete, apar fore de atracie, iar dac se micoreaz, fore de respingere. Rezultanta tuturor forelor interioare, raportat la unitatea de suprafa, se numete efort unitar () i se calculeaz cu relaia:=F A

[daN/mm2]

(1.3)

unde: F fora exterioar, daN; A aria seciunii transversale a corpului solicitat, mm2.


13

Rezisten la rupere Elasticitate Rigiditate Plasticitate Proprieti m ecanice Tenacitate Fragilitate Fluaj Duritate Rezisten la uzur Rezisten la obosealFig. 1.2. Clasificarea proprietilor mecanice ale materialelor metalice.

Dintre rezistenele specifice de rupere, cea mai important este rezistena de rupere la traciune (Rm) care este raportul dintre sarcina maxim Fmax pe care o poate suporta un material supus la traciune i aria iniial a seciunii sale transversale A0 :Rm = Fmax A0

[daN/mm2]

(1.4)

[daN/mm 2] r c e p C E P R Z z

0

[%]

Fig. 1.3. Curba caracteristic la traciune a unui oel moale.

Determinarea experimental a acestei rezistene se face prin ncercarea la ntindere a unei epruvete prelevate din materialul de ncercat, maina de ncercat trasnd automat curba efort-deformaie, = f(), numit i curba lui Hooke1 care, pentru un oel moale, are forma prezentat n fig. 1.3. Pe curb exist mai multe puncte caracteristice care determin urmtoarele limite i rezistene admisibile: - limita de proporionalitate (p) este efortul limit pn la care eforturile sunt proporionale cu deformaiile, aplicndu-se legea lui

14 Hooke:


= E

(1.5)

unde E este modulul de elasticitate longitudinal, daN/mm2; - limita de elasticitate (e) este efortul limit pn la care materialul se comport elastic, adic deformaiile dispar prin nlturarea forelor care le-au cauzat i materialul revine la forma iniial; - limita de curgere (c) este efortul limit ncepnd de la care pentru creteri mici ale forei ce produce deformaia, vom avea creteri mari ale deformaiei, adic materialul ncepe ,,s curg. Convenional, limita de curgere a unui material reprezint valoarea efortului unitar de la care deformaiile specifice permanente sunt mai mari de 0,2% i se mai noteaz cu Rp0,2; - rezistena la rupere (r ,Rm) este efortul unitar maxim nregistrat pe diagram i constituie cea mai important proprietate mecanic a materialelor; - rezistena efectiv la rupere (z) este efortul unitar la care se produce ruperea efectiv a epruvetei, n zona de gtuire. Dup ruperea epruvetei, se constat, prin msurare, c lungimea iniial de referin L0 a crescut la valoarea Lu. Cu aceste date se pot defini: - alungirea relativ la rupere ( ,,A) este raportul dintre lungimea epruvetei dup rupere i lungimea iniial:

=

Lu L0 100 [%] L0

(1.6)

- gtuirea relativ la rupere (Z) este raportul dintre micorarea seciunii transversale a epruvetei n locul ruperii Au i seciunea transversal iniial A0:Z= A0 Au 100 [%] A0

(1.7)

b) - Elasticitatea este proprietatea unui material metalic de a reveni la forma i dimensiunile iniiale dup ncetarea aciunii forelor exterioare. Majoritatea materialelor metalice sunt elastice, fr a depi ns limita de elasticitate e (fig.1.3). Practic ns nu exist metale perfect elastice, acestea prezentnd chiar nainte de limita de elasticitate deformaii plastice foarte mici, pn la 0,01% (pentru oeluri) i pn la 0,03% (pentru neferoase). c) - Rigiditatea este proprietatea unui material metalic de a se deforma ct mai puin sub aciunea forelor exterioare, fiind deci contrar elasticitii.Robert HOOKE (1635 - 1703) este autorul legii care i poart numele (1678) i care stabilete proporionalitatea ntre eforturi i deformaii. De asemenea, a avut contribuii n domeniul astronomiei, descoperind rotaia planetei Jupiter i n biologie, stabilind structura celular a esuturilor i introducnd noiunea de celul. A inventat i perfecionat mai multe instrumente de observare i msurare (telescoape, termometre, microscoape).1


15

Mrimea care reflect gradul de rigiditate al materialelor metalice este modulul de elasticitate E sau modulul lui Young2 care este raportul dintre efortul unitar i deformaia specific (vezi relaia 1.5). d) - Plasticitatea este proprietatea materialelor metalice de a pstra parial sau total deformaiile i dup nlturarea aciunilor care le-au produs. Urmrind curba lui Hooke (fig. 1.3) se constant c, solicitnd materialul cu tensiuni mai mari dect limita de elasticitate, la un moment dat materialul ncepe s curg, iar deformaiile specifice permanente sunt mai mari de 0,2%, adic ne aflm n zona de plasticitate. Majoritatea materialelor metalice se pot prelucra uor prin deformare plastic (laminare, extrudare, tragere, forjare liber, matriare etc.), dar exist i metale i aliaje fragile care nu suport deformrile plastice, fiind casante (fonta, unele bronzuri, beriliul, zincul etc.). e) - Tenacitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma mult nainte de rupere, avnd proprieti plastice pronunate i n acelai timp proprieti ridicate de rezisten la rupere. Tenacitatea se poate determina prin ncercarea de rezilien care este o metod dinamic i const n ruperea, dintr-o singur lovitur, cu un ciocan-pendul, a unei epruvete aezate pe dou reazeme i crestate la mijloc. Reziliena este raportul dintre lucrul mecanic necesar ruperii prin ncovoiere W i seciunea iniial a epruvetei rupte A0 :KCU = W [daJ/cm2] A0

(1.8)

Aparatul cu care se face ncercarea de rezilien a fost conceput i construit n 1901 de chimistul i metalurgul francez A. Charpy3. Metalele i aliajele cu rezilien mare sunt considerate tenace (oelurile moi i cele destinate confecionrii arcurilor, aluminiul, cuprul, alama), iar cele cu rezilien mic, fragile (fonta, beriliul, zincul). f) - Fragilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se rupe sau distruge sub aciunea unor fore, fr ca n prealabil s se deformeze, fiind proprietatea opus plasticitii. n cazul materialelor fragile, rezistena la rupere este practic egal cu limita de curgere.2 Thomas YOUNG (1773 - 1829), savant englez care a introdus noiunea de modul de elasticitate. A elaborat studii de fizic, fiziologie, medicin, botanic, geofizic, tehnic, filologie etc. A contribuit la fundamentarea teoriei ondulatorii a luminii introducnd noiunea de coeren i explicnd fenomenul de interferen i fiind primul savant care a folosit termenul de energie. n domeniul fiziologiei a explicat acomodarea ochiului prin deformarea cristalinului, a descris defectul de vedere numit astigmatism i a studiat circulaia sngelui. De asemenea, a contribuit la descifrarea vechilor papirusuri egiptene. 3 Augustin Georges - Albert CHARPY (1865 - 1945) studiaz benzile de alunecare i introduce ncercarea de rezilien (1897). Absolvent al colii Politehnice din Paris, s-a distins prin lucrri de chimie industrial care au contribuit hotrtor la dezvoltarea metalurgiei franceze, iar n 1918 a fost ales membru al Academiei de tiine a Franei.

16


Fragilitatea depinde de prezena concentratoarelor de eforturi (lipsa razelor de racordare, crestturi etc.), precum i de temperatur. Astfel, la temperatura obinuit, wolframul este un metal fragil, cu alungire i striciune practic nule, dar devine plastic i ductil la temperaturi nalte (A=60% la 900 C). g) - Fluajul este proprietatea metalelor i aliajelor de a se deforma lent i continuu n timp, sub aciunea unei sarcini constante de lung durat, chiar dac solicitarea materialului se afl sub limita de elasticitate. Aceast proprietate numit i curgere lent variaz cu temperatura, manifestndu-se sensibil la temperaturi mai ridicate. Ca urmare, este necesar s se in seam de ruperea prin fluaj la proiectarea i exploatarea mainilor i instalaiilor care lucreaz la temperaturi nalte (cazane, turbine cu gaze, motoare de rachete). n acest sens, au fost create aliaje refractare care se comport bine i la temperaturi ridicate, de 550...1000C, timp ndelungat (oeluri austenitice, aliaje pe baz de nichel sau cobalt, aliaje superrefractare complexe), toate acestea avnd n componen molibden care este deosebit de eficace pentru mrirea re [%] zistenei la fluaj. n fig.1.4 este re1 2 3 prezentat forma teoretic a unei R curbe de fluaj, ntr-un sistem de coordonate alungire-timp. Dup o alungire iniial rapid a epruvetei 0 vom avea un fluaj primar nesta0 bilizat 1, un fluaj secundar stabilizat 2 i un fluaj teriar accelerat 3, t [h] pn cnd apare ruperea. ncercarea de rupere prin fluaj se realizeaFig. 1.4. Curba teoretic de fluaj a unui metal. z cu echipament specializat de laborator, durnd cteva luni de zile. h) - Duritatea este proprietatea unui material metalic de a se opune ptrunderii n stratul su superficial a unui obiect dintr-un material mai dur i nedeformabil. Cunoaterea duritii este un mijloc foarte important pentru verificarea calitii pieselor dup aplicarea unor tratamente termice sau termochimice. Metodele folosite n mod curent pentru msurarea duritii metalelor sunt practic nedistructive, putndu-se realiza prin zgriere, prin ptrundere i prin metode dinamice. Determinarea duritii prin zgriere se aplic mai rar metalelor, prezentnd un interes deosebit pentru mineralogi. Conform acestei metode, materialele se clasific n funcie de posibilitatea pe care o au de a zgria un alt material, duritatea msurndu-se dup scara Mohs4. Metalele dure au pe scara Mohs duriti cuprinse ntre 4 i 8.Friederich MOHS (1773 - 1839) este inventatorul scrii de duritate mineralogice (1820) constituite din 10 trepte (talc, gips, calcit, fluorin, apatit, ortoz, cuar, topaz, corindon, diamant).4


17

Fig. 1.5. Determinarea experimental a rezistenei la oboseal.

n cazul msurrii duritii prin metode dinamice, penetratorul este lsat de obicei s cad pe suprafaa metalului, duritatea fiind exprimat n funcie de energia de impact. Scleroscopul Shore, care constituie cel mai cunoscut exemplu de aparat pentru ncercarea dinamic a duritii, msoar duritatea n funcie de nlimea de recul a unui ciocnel cu vrf de oel dur, lsat s cad, printr-un ghidaj vertical, pe materialul de ncercat. Din punct de vedere tehnic, cea mai rspndit metod pentru determinarea duritii metalelor este cea prin ptrundere, realizndu-se prin apsarea asupra materialului de ncercat a unei bile din oel clit i lustruit (metoda Brinell5 - HB), a unei piramide din diamant cu unghiul de 136 ntre feele opuse (metoda Vickers HV) sau a unui con de diamant cu unghiul la vrf de 120 (metoda Rockwell HRC). i) - Rezistena la uzur este proprietatea materialelor metalice de a se uza greu prin frecare. Uzura unui material se msoar prin pierderea de mas a unei epruvete n unitatea de timp, raportat la unitatea de suprafa aflat n frecare. Rezistena la uzur crete aproape liniar cu duritatea i se poate mbunti prin aliere (ndeosebi cu mangan), prin tratamente termice, termochimice i termomecanice sau prin acoperiri de protecie. De asemenea, pentru o aderen minim, metalele trebuie s fie insolubile reciproc, pentru a nu forma aliaje, compui intermetalici sau soluii solide. Au o uzur de aderen minim Fe/Pb, Fe/Sn, Al/Sn, Cu/Pb, Cr/Cu, Cr/Sn, oel/Cu i o uzur de aderen maxim Fe/Cu, Fe/Cr, Cu/Al, oel/Al, oel/oel. j) - Rezistena la oboseal este valoarea maxim la care se rupe un material, dup un numr prescris de solicitri periodice alternante la acea sarcin. n principiu, ea reprezint asimptota la curba efort unitar - numr de cicluri N, numit curba lui Whler6 (fig. 1.5). Metoda obinuit pentru determinarea curbei const n a ncerca prima epru2 vet la un efort unitar 1 su [daN/mm ] ficient de ridicat pentru ca ruperea s apar dup un numr redus de cicluri N1. Efortul unitar 1 de solicitare periodic alternant (ntindere-compresiune, ncovo2 iere alternant etc.) se micoreaz pn cnd ultima epruvet 3 nu se mai rupe, aceasta fiind de -1 fapt rezistena la oboseal -1. Numrul de cicluri care se ia ca baz este de 106 ... 107, pentru 7 N1 N2 N1 106 3 10 N [cicluri] aliaje feroase i 107 ... 108, pentru metale i aliaje neferoase.

18


1.5. Proprieti tehnologiceProprietile tehnologice ale materialelor metalice indic modul de comportare a acestora la diferite procedee de prelucrare la cald sau la rece i se clasific dup schema prezentat n fig. 1.6. a) - Turnabilitatea este proprietatea materialelor metalice topite de a umple cavitatea unei forme la turnare i de a reproduce configuraia cavitii dup solidificare. Turnabilitatea unui material metalic depinde de caracteristicile de turnare ale acestuia: - fluiditatea este proprietatea unui metal topit de a curge cu uurin i a umple cavitatea formei n care este turnat, acest lucru fiind foarte important la piese cu perei subiri i cu contur complicat; - segregarea este fenomenul nedorit care deterTurnabilitate min separarea elementelor chimice ale unui aliaj cu Deformabilitate temperaturi de topire diferite Proprieti n timpul cristalizrii, ceea Sudabilitate tehnologice ce conduce la o neomogenitate chimic a piesei Clibilitate turnate; Achiabilitate - absorbia de gaze este tot o proprietate nedorit a Fig. 1.6. Clasificarea proprietilor tehnologice ale metalelor, de a dizolva gaze, materialelor metalice. crescnd odat cu temperatura de turnare i conducnd la apariia suflurilor n piesele turnate. Dintre materialele metalice, cea mai bun turnabilitate o au fonta (fluiditate bun, contracie redus i tendin mic de segregare) i bronzul (fluiditate bun i contracie mic), n timp ce oelul are o fluiditate mai mic, o contracie i o tendin de segregare mai mari. b) - Deformabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma i a lua o form nou, sub aciunea unor fore exterioare, fr a se rupe. Ea poate fi caracterizat n practic prin: - maleabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se prelucra uor n table i foi subiri (aur, cupru, aluminiu, alam, oeluri moi); - ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase n fire subiri sau trefilate (cupru, aluminiu, alam, oeluri moi);5 Johan August BRINELL (1849 - 1925) - metalurg suedez care a prezentat aparatul pentru ncercri de duritate ce-i poart numele, la Expoziia Mondial de la Paris din 1900. 6 Friedrich WHLER (1800 - 1882) - chimist german care a descoperit aluminiul i a obinut beriliu i ytriu. De asemenea, a realizat prima sintez organic, obinnd uree i a descoperit fenomenul izomeriei compuilor organici. n 1863 a introdus un procedeu de ncercare a materialelor, trasnd curba care i poart numele.


19

- forjabilitatea este proprietatea metalelor de a se deforma plastic la cald sau la rece, sub aciunea unor fore de lovire sau presare. c) - Sudabilitatea este o proprietate complex a materialelor metalice care determin aptitudinea lor tehnic pentru realizarea unor mbinri sudate. Sudarea se poate realiza prin topire sau prin presiune, cu sau fr adaos de material, iar sudabilitatea are dou caracteristici: - comportarea la sudare este o caracteristic ce depinde de proprietile metalurgice ale metalelor de baz i de adaos; - sigurana la sudare este capacitatea materialelor metalice de a-i pstra plasticitatea i dup sudare i de a nu cpta tendin spre rupere fragil. Cea mai bun sudabilitate o au oelurile calmate i cele cu coninut sczut de carbon (sub 0,2%) i nealiate. Fontele, metalele i aliajele neferoase au sudabiliti sczute. d) - Clibilitatea este proprietatea unor materiale metalice de a se durifica n urma rcirii brute de la o anumit temperatur. Din categoria materialelor clibile fac parte fontele i oelurile, bronzul i unele aliaje ale aluminului i nichelului. Clibilitatea depinde de condiiile de nclzire i rcire, de compoziia chimic i, n cazul oelului, n special de cinetica transformrii austenitei. Cu ct stabilitatea austenitei este mai mare la temperatura de transformare perlitic i bainitic, cu att clibilitatea este mai bun. e) - Achiabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a putea fi prelucrate prin achiere n condiii tehnice rentabile. Prelucrarea prin achiere se realizeaz cu scule achietoare, pe diverse maini-unelte, obinndu-se de obicei piese finite. Achiabilitatea este cu att mai bun cu ct durabilitatea sculelor achietoare este mai mare, iar forele de achiere, mai mici. Majoritatea materialelor metalice au o achiabilitate bun, exceptnd fontele albe, oelurile clite i aliajele foarte dure.

1.6. Dicionar romn-englez-francez de cuvinte-cheiemetal aliaj mas volumic (densitate) temperatur de topire cldur specific conductibilitate termic coeficient de dilatare liniar conductibilitate electric rezisten la coroziune refractaritate rezisten la rupere rezistena de rupere la traciune metal alloy density smelting point specific heat thermal conductibility coeficient of linear expansion electrical conductibility corrosion resistance refractoriness ultimate strength breaking strenght mtal (m) alliage (m) masse (f) volumique; poids (m) spcifique point (m) de fusion chaleur (f) spcifique conductibilit (f) thermique coefficient (m) de dilatation thermique conductibilit (f) lectrique rsistance (f) la corrosion rfractarit (f) rsistance (f) de rupture rsistance (f) de rupture la traction

20 alungirea relativ la rupere gtuire relativ la rupere elasticitate rigiditate modul de elasticitate plasticitate tenacitate rezilien fragilitate fluaj duritate rezisten la uzur rezisten la oboseal fluiditate contracie segregare absorbie de gaze maleabilitate ductilitate forjabilitate sudabilitate clibilitate


percentage elongation reduction of area elasticity rigidity; stiffness elastic modulus plasticity tenacity; toughness resiliency brittleness; fragility creep hardness resistance to wear fatique strength castability shrinkage; contraction segregation gas absorption malleability ductility forgeability weldability hardenability

allongement (m) pour cent aprs rupture striction (f) de rupture lasticit (f) rigidit (f) module (m) dlasticit plasticit (f) tnacit (f) rsilience (f) fragilit (f) fluage (m) duret (f) rsistance (f) lusure rsistance (f) la fatigue coulabilit (f) contraction (f); retrait (m) sgrgation (f) absorption (f) de gaz mallabilit (f) ductilit (f) forgeabilit (f) soudabilit (f) trempabilit (f)

2 STRUCTURA CRISTALIN A METALELOR

2.1. Noiuni de cristalografieToate corpurile materiale sunt alctuite din atomi. Dintre cele trei stri de existen a materiei solid, lichid i gazoas starea solid se caracterizeaz printr-o nghesuire mare a atomilor ntre ei. Din aceast cauz, una i aceeai substan are o mas volumic mai mare, cnd este n stare solid, fa de starea lichid care se obine prin topire. De la aceast regul fac excepie apa i dou metale: stibiul i bismutul. n lichide, ca de altfel i n gaze, atomii nu sunt distribuii n spaiu dup o anumit regul, ei schimbndu-i necontenit poziiile. Ca urmare, lichidele curg i iau forma vaselor n care sunt turnate, iar gazele se deplaseaz n toate direciile. Cu ct temperatura unui fluid este mai mare, cu att crete i gradul de mobilitate a atomilor. Spre deosebire de lichide i gaze, atomii corpurilor solide nu se mic deloc sau se mic foarte greu. n funcie de poziia n spaiu a atomilor, corpurile solide pot fi: z - cristaline caracterizate printr-o dispoziie ordonat a atomilor care formeaz reele cristaline; - amorfe caracterizate printr-o dispoziie n tmpltoare a atomilor n spaiu (materialele plastice, sticla, grafitul, smoala). Corpurile ax morfe sunt izotrope, adic proprietile lor sunt a aceleai n toate direciile. y Metalele i aliajele aflate n stare solid au Fig.2.1. Celul cristalin elementar. o structur cristalin. Regularitatea distribuiei atomilor n spaiu formeaz o reea, iar cea mai mic poriune dintr-un asemenea sistem care pstreaz simetria ntregii reele este celula cristalin elementar (fig.2.1.). Aceasta este definit prin parametrii reelei (a, b, c, , , ) care reprezint distanele i unghiurile dintre planurile paralele ce formeaz celula elementar, precum i de natura, numrul i modul de dispunere a particulelor elementare n reea. Dimensiunile unui cristal elementar sunt extrem de mici, parametrii a, b, c avnd valori de 2,3...6,5 (1 = 1 ngstrm1 = 10-8 cm). Aranjamentul atomilor ntr-un cristal elementar este prezentat cu ajutorul unei reele de puncte tridimensionale, numit reea spaial. Punctele reelei spaiale se numesc noduri i toate nodurile sunt identice.c

Anders-Jens NGSTRM (1814-1874) fizician i astronom suedez n cinstea cruia s-a dat aceast unitate de msur folosit n fizica atomic i nuclear. A avut contribuii n domeniul analizei spectrale, fiind primul care a folosit-o n studiul stelelor i a determinat limitele spectrului vizibil.

b

1

22


Ele sunt ocupate, de obicei, de cte un singur atom, iar vecinii unui nod oarecare al reelei sunt identici cu vecinii oricrui alt nod al reelei. Pornind de la aceste considerente, fizicianul francez Bravais2 a demonstrat c sunt posibile 14 tipuri de reele spaiale care aparin unui numr de 7 sisteme cristaline prezentate n tabelul 2.1 i fig. 2.2.Tabelul 2.1. Sisteme cristalineSchem a a Sistemul cristalin Cubic Constante reticulare a=b=c Parametrii caracteristici Unghiuri Tipuri = = = 90 Cubic simplu Cubic cu fee centrate Cubic cu volum centrat = = = 90 Tetragonal simplu Tetragonal centrat = = = 90 Rombic simplu Rombic cu baze centrate Rombic cu fee centrate Rombic cu volum centrat = = 90 Hexagonal = 120 = = 90 Romboedric = = 90 Monoclinic simplu 90 Monoclinic cu baze centrate 90 Triclinic

b c

Tetragonal Rombic

a=bc abc

d e f g

Hexagonal Romboedric Monoclinic Triclinic

a=bc a=b=c abc abc

Examinnd sistemul periodic al elementelor, se constat c majoritatea metalelor cristalizeaz ntr-un numr limitat de reele, i anume: reeaua cubic cu volum centrat (CVC), reeaua cubic cu fee centrate (CFC) i reeaua hexagonal compact (HC). Reeaua CVC (fig. 2.3.a) are celula format din 9 atomi, din care 8 sunt situai n colurile celulei elementare, iar unul n centrul volumului. Reeaua cuprinde 15 metale (Li, Na, K, V, Cr, Fe, Rb, Nb, Mo, Cs, Ba, Ta, W, Fr, Eu), majoritatea avnd rezisten mecanic ridicat i plasticitate moderat. Reeaua CFC (fig. 2.3.b) are celula format din 14 atomi, din care 8 n colurile celulei elementare, i 6 n centrele feelor cubului. Ea cuprinde tot 15 metale (Al, Ca, Ni, Cu, Sr, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Pb, Ce, Yt, Th), toate fiind maleabile i ductile. Reeaua HC (fig. 2.3.c) nu figureaz printre tipurile Bravais (tabelul 2.1). Ea are 17 atomi, din care 14 n colurile i centrele bazelor prismei hexagonale i 3 n centrele a trei prisme triunghiulare obinute prin mprirea prismei hexagonale n ase pri. Reeaua hexagonal compact cuprinde 25 de metale, multe dintre ele aparinnd grupului lantanidelor (Be, Mg, Sc, Ti, Co, Zn, Y, Zr, Ru, Cd, La, Hf, Re, Os, Tl, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu).

Auguste BRAVAIS (1811-1963), fizician francez. A formulat ipoteza structurii reticulare a cristalelor, verificat ulterior cu ajutorul razelor X.

2

Structura cristalin a metalelorz

23z

z

c

ca

ca

a x

b y

x

b y

x

b y

az

b

cz

c

c

c

ab y

a x

b

x

b

a y

dz

e

f

c

Fig.2.2. Sisteme cristaline.

a

x

b y

g

Alte cteva metale, pot cristaliza n alte tipuri de reele, astfel: - reeaua cubic simpl (Mn); - reeaua romboedric (Sb, Hg, Bi, Sm); - reeaua rombic (Ga); - reeaua monoclinic (Po); - reeaua triclinic (In, Sn).

24


a b

Dintre tipurile preponderente de reele cristaline ale metalelor, reeaua hexagonal compact i cea cubic cu fee centrate au cea mai mare densitate de atomi (75 %), iar reeaua cubic c cu volum centrat are o densitate de 68 %. Fig. 2.3. Reelele cristaline ale metalelor. Sunt cazuri cnd unele metale cristalizeaz n sisteme diferite n funcie de temperatur. Aceast proprietate se numete polimorfism sau alotropie, iar trecerea de la un sistem cristalin la altul se numete modificare alotropic. Acest lucru se datoreaz schimbrii orbitelor electronilor periferici sub aciunea cldurii. n acelai timp se modific i proprietile fizico-mecanice i chimice ale metalului i, uneori, i valena acestuia. Formele alotropice se noteaz cu literele greceti , , i , atribuite n ordinea creterii temperaturii i sunt reversibile. Din totalul metalelor, incluznd i pmnturile rare, 19 prezint forme alotropice (Ca, Ce, La, Th, Ti, Mn, Co, Sn, Po, Sr, Pr, Nd, U, Zr, Fe, Sm, Yb, Pu, Hf), n tabelul 2.2 prezentndu-se cteva exemple.

2.2. Imperfeciuni ale reelelor cristalineDin cele prezentate pn aici rezult c structura cristalelor ar fi perfect. n realitate, cristalele au numeroase abateri de la distribuia ordonat a atomilor numite imperfeciuni sau defecte de structur. Acestea influeneaz semnificativ proprietile fizico-mecanice i chimice ale materialelor metalice i stau la baza formrii aliajelor, tratamentelor termochimice i a obinerii materialelor semiconductoare. Defectele de reea pot fi dinamice i statice. Defectele dinamice provoac deplasri de atomi variabile n timp, datorit nclzirii materialului (agitaie termic) i dispar odat cu scderea temperaturii. Defectele statice se menin timp ndelungat i pot fi punctiforme, liniare i de suprafa.

Structura cristalin a metalelor

25

Defectele punctiforme (fig.2.4) sunt defecte atomice cauzate de nclziri sau rciri brute, deformri plastice sau bombardamente cu particule de mare energie, prezentndu-se sub mai multe forme.Tabelul 2.2. Formele alotropice ale principalelor metaleMetalul Fe Forma alotropic Intervalul de temperatur [C] 20-912 912-1394 1394-1538 20-727 727-1095 1095-1133 1133-1243 20-400 400-1495 20-882 882-1668 20-865 865-1852 93% la 800 oC - Coeficient de dilatare mare - Conductibilitate termic 20% < Al2O3 45% ridicat Ceramic refractar bazic - Refractaritate ridicat MgO - Rezisten la coroziune foarte bun Cr2O3 Ceramic refractar neutr - Coeficient de dilatare mic - Rezisten chimic mare C Domenii de aplicare - Boli de cuptoare - Cuptoare pentru topirea sticlei - Cptuirea cuptoarelor - Furnale

Argil

Alumin

Magnezie Oxid de crom

- Cuptoare pentru topirea metalelor neferoase - Cuptoare electrice - Cptuirea cuvelor de electroliz - Creuzete

Carbon

b) Ceramica pentru izolaii termice se folosete la cptuirea cuptoarelor i a agregatelor termice a cror temperatur nu este prea mare (sub 1200 oC), pentru economisirea de combustibil. Ea are porozitate mare i densitate mic i se fabric din materii prime uoare i poroase (diatomit, vermiculit i argil expandat). Ceramica modern pentru izolaii termice se folosete ca scut termic pentru vehiculele spaiale (navete spaiale i capsule de aterizare). La intrarea n atmosfera terestr, aceste vehicule ating temperaturi foarte mari, datorit frecrii cu aerul i dac nu ar fi protejate termic, s-ar topi. Plcuele ceramice care le protejeaz trebuie s fie compatibile din punct de vedere chimic cu materialul-suport, s fie inerte la aciunea gazelor din atmosfer, s aib un coeficient de dilatare apropiat de cel al materialului-suport, s aib o conductibilitate termic foarte sczut i, evident, s aib o refractaritate foarte mare. Aceste plcue au, de fapt, o structur compozit, fiind armate cu fibre de silice sau cu fibre de carbon. Ceramica pentru izolaii termice se mai utilizeaz la confecionarea unor piese ale turbinelor cu gaze i turbomotoarelor de aviaie care sunt supuse la solicitri termice i mecanice foarte mari. Astfel, camerele de ardere ale turbinelor care au temperaturi de peste 1500 oC se confecioneaz din carbur de siliciu (SiC), iar rotoarele turbinelor, din nitrur de siliciu (Si3N4). De asemenea, s-au fcut ncercri pentru utilizarea materialelor ceramice la construcia motoarelor cu ardere intern ale automobilelor. Astfel, la nceputul anilor 1980, firma Toyota din Japonia a realizat un astfel de motor care poate funciona la o temperatur de 3300 oC, fr rcire. Acest lucru conduce la scderea greutii motorului i la creterea randamentului su energetic. ntr-un motor clasic metalic, o mare parte din energie se pierde prin cldura degajat care este nlturat prin lichidul de rcire. Motorul japonezilor nu a putut echipa nici un automobil, din

Tipuri de materiale ceramice

253

cauza fragilitii componentelor sale ceramice, rmnnd o realizare de laborator care ateapt alte vremuri pentru a fi pus n practic.

9.4.5. Ceramica tribologicMaterialele ceramice au i aplicaii tribologice, datorit coeficienilor mici de frecare, rezistenei la aciunea agenilor chimici i refractaritii ridicate. Ele se pot folosi la fabricarea lagrelor cu alunecare care lucreaz la temperaturi ridicate, n vid sau n medii expuse la radiaii (reactoare nucleare i navete spaiale). Aplicarea ceramicelor la confecionarea lagrelor cu alunecare este totui limitat de fragilitatea acestora. O aplicaie mai larg se ntlnete la fabricarea rulmenilor. Utilizarea ceramicii tripleaz durata de exploatare a unui rulment att datorit micorrii frecrii, ct i reducerii forelor centrifuge care la turaii mari pot depi ncrcarea nominal a rulmentului, materialele ceramice avnd o densitate mai mic dect oelul. De asemenea, rolele sau bilele ceramice se deformeaz mai puin sub sarcin, ceea ce asigur o mai bun rostogolire a lor pe cile de rulare i o cretere a turaiei nominale. Cldura produs n cazul rulmenilor metalici poate duce la supranclzirea sau chiar griparea acestora, pe cnd n cazul rulmenilor cu corpuri de rostogolire ceramice, acest pericol este nlturat. De asemenea, ceramica este foarte rezistent la aciunea agenilor chimici i se poate utiliza i n medii umede, unde rulmenii de oel nu pot funciona. Inconvenientul principal al rulmenilor ceramici este costul ridicat. Materialul cel mai indicat pentru fabricarea rulmenilor ceramici este nitrura de siliciu (Si3N4) care se topete la 1900 oC, este rezistent la aciunea agenilor chimici i are o structur fin i o tenacitate bun, precum i un coeficient de frecare mic.

9.4.6. BioceramicaCeramica devine din ce n ce mai util n medicin. Ortopezii folosesc bioceramica pentru nlocuirea oldurilor, genunchilor, umerilor, coatelor, degetelor i ncheieturilor minilor corpului uman. Ea este folosit i n stomatologie i chiar la fabricarea valvelor de inim. Implanturile ceramice tind s le nlocuiasc pe cele metalice, datorit faptului c ele sunt compatibile cu corpul uman, stimulnd reformarea oaselor i a esuturilor i nu sunt atacate de sistemul imunitar al organismului. Materialul ceramic cel mai apropiat de compoziia i structura osoas a corpului uman este hidroxiapatitul fosfocalcic, cu formula chimic Ca10(PO4)6(OH)2. El se obine din reacia fosfailor de calciu acizi i bazici ntr-o soluie apoas, obinndu-se o past care se poate modela uor. Produsul ceramic are o reea cristalin foarte apropiat de cea a osului i o rezisten la compresiune de circa 20 MPa. Nu conine materii organice umane sau animale, aa c nu prezint nici un risc de contaminare. De asemenea, nu exist pericol de respingere

254


.

sau de toxicitate. Recunoscut de celulele osoase, este perfect compatibil cu esuturile vecine, se resoarbe i dispare, lsnd locul unui os proaspt format. ntruct rezistena mecanic a hidroxiapatitului fosfocalcic este destul de mic, acesta se folosete adesea pentru a mbrca implanturile ortopedice metalice n scopul evitrii respingerii lor de ctre esuturile vecine. Oricum, acest material ceramic sintetic este sperana de viitor n domeniul implanturilor osoase.

9.5. Prelucrarea materialelor ceramiceProprietile fizico-mecanice ale materialelor ceramice (fragilitate, duritate i temperatur nalt de topire) nu permit prelucrarea acestora prin procedee clasice, asemenea metalelor. Schema prelucrrii materialelor ceramice este prezentat n fig. 9.2.

Fig.9.2. Schema fabricrii produselor ceramice.


255

Materiile prime i materialele auxiliare au fost prezentate n 8.2. a) Prepararea masei crude se face prin amestecare, mcinare i granulare. Amestecarea se realizeaz cu amestectoare sau malaxoare, pentru transformarea materialelor ntr-o mas omogen. Mcinarea este o operaie de sfrmare i mrunire a materialelor friabile care se realizeaz cu ajutorul morilor. Exist mori cu bile la care mcinarea se produce prin cderea i rostogolirea unor bile metalice, mori cu ciocane care acioneaz prin lovire, mori cu bare la care mcinarea se realizeaz cu bare cilindrice cu lungimea egal cu a morii i mori cu cilindri care funcioneaz prin presare. Mcinarea poate fi uscat sau umed. Granularea este operaia de transformare n granule de ordinul micronilor a masei ceramice fluide numite barbotin, cu ajutorul unei maini numite granulator, cu urmtoarea funcionare (fig.9.3): barbotina fluid este introdus i mprtiat prin centrifugare n turnul de uscare 1 cu discul 2. n turn se insufl aer nclzit n camera 3 pentru uscarea granulelor de barbotin. Acestea cad, prin gravitaie, ajungnd pe transportorul 4, iar cele care au dimensiuni prea mici sunt aspirate de ventilatorul 5, prin ciclonul 6. Particulele mai grele coboar prin ciclon pe transportor, iar cele foarte fine sunt aspirate de ventilator i urmeaz a fi reciclate. Transportorul duce granulele care au dimensiuni corespunztoare ntr-un siloz.

Fig. 9.3. Instalaie de granulare.

b) Fasonarea este operaia cea mai important prin care se d produselor forma dorit. Ea se poate realiza prin turnare, presare, extrudare i injecie. Turnarea se face n forme hidrofile din ipsos (fig. 9.4). Barbotina din vasul 1 se vars n forma hidrofil din ipsos 2 i dup uscare rezult piesa 3.

256


.

Procedeul se folosete la fabricarea produselor de porelan i de faian. Barbotina trebuie s fie fluid, s aib un coninut de ap ct mai mic i s fie stabil.

Fig. 9.4. Turnarea.

Presarea poate fi uscat sau umed i se poate face dintr-o singur parte (fig. 9.5.a), prin apsarea cu poansonul 1 n matria 2 a materialului 3 sau din dou pari (fig. 9.5.b), cnd presarea se face mai uniform. Mai exist i presare izostatic (fig.9.5.c): materialul 1 este introdus n mantaua de cauciuc 2, amplasat n camera de presare 3, n care se trimite lichidul sub presiune 4 (pn la 20.00060.000 daN/cm2). Camera este nchis cu capacul 5 iar presiunea se controleaz cu manometrul 6.

Fig. 9.5. Presarea.

Extrudarea const n trecerea forat a materialului prin deschiztura profilat a unei matrie, prin mpingere. Astfel materialul 1 (fig.9.6) este mpins cu poansonul 2 n camera de presare 3, fiind trecut prin matria 4, profilat corespunztor. Injecia se realizeaz cu instalaii asemntoare celor utilizate la turnarea sub presiune a materialelor plastice (vezi fig.7.6). c) Uscarea se face pentru nlturarea apei din produsele fasonate i se realizeaz natural sau artificial, n instalaii numite usctorii. Produsele bine uscate rezist la o cretere rapid a temperaturii n perioada ulterioar de ardere i, prin aceasta, crete productivitatea cuptoarelor i se reduce consumul de combustibil pentru ardere. d) Sinterizarea const n nclzirea pieselor fasonate i uscate la o temperatur cuprins ntre 0,7 i 0,8 din temperatura de topire a componentului


257

Fig. 9.6. Extrudarea.

principal al amestecului i are ca scopuri creterea rezistenei la traciune i a duritii pieselor, ca i modificarea unor proprieti fizice i chimice. n timpul procesului de sinterizare (fig.9.7) are loc difuziunea atomilor care formeaz grunii cristalini ai granulelor 1 (fig.9.7.a), formndu-se legturile punctiforme 2 (fig.9.7.b) ntre granule. Datorit creterii mobilitii atomilor i tendinei de deplasare spre echilibru a sistemului, are loc o recristalizare, prin creterea noilor gruni cristalini 3 (fig.9.7.c). Prin recristalizare se reduce cantitatea de pori, iar materialul se contract i se compactizeaz.

Fig.9.7. Mecanismul sinterizrii.

Factorii care influeneaz calitatea procesului de sinterizare sunt: temperatura, durata i mediul de lucru. Temperatura de sinterizare depinde de natura componenilor amestecului, practic fiind cuprins ntre 0,7 i 0,8 din valoarea temperaturii de topire a componentului principal al amestecului. Durata sinterizrii depinde de scopul final al tratamentului i se stabilete n funcie de proprietile pe care trebuie s le aib piesa tratat. n ceea ce privete modul de lucru, sinterizarea poate fi : - natural, atunci cnd nu se aplic fore exterioare; metoda este simpl, dar necesit temperaturi ridicate, ceea ce conduce la creterea noilor gruni cristalini i eliminarea total a porozitii; - prin presare la cald (fig.9.5.a,b), cnd se pot obine densiti mari la temperaturi mai sczute, fr nlturarea complet a porozitii; - prin presare izostatic la cald (fig.9.5.c), atunci cnd se urmrete scopul metodei anterioare, dar la temperaturi i mai sczute.

258


.

Sinterizarea sau arderea se realizeaz, n funcie de natura i destinaia pieselor, n diverse tipuri de cuptoare. e) Finisarea se aplic atunci cnd cerinele tehnologice o impun i conduce la o precizie dimensional a pieselor i o calitate a suprafeelor prelucrate foarte bune. Ea se execut cu scule abrazive, deseori diamantate, prin polizare, honuire sau lepuire.

9.6. Dicionar romnenglezfrancez de cuvinte-cheiematerial ceramic crmid igl teracot faian gresie porelan mozaic ceramic utilitar ceramic de art ceramic industrial scul achietoare izolator ceramic condensator ceramic feroelectricitate ceramic piezoelectric ceramic feromagnetic ceramic semiconductoare termistor varistor ceramic supraconductoare ceramic refractar izolaie termic ceramic tribologic bioceramic mcinare granulare presare turnare extrudare ceramic material brick tile terra cotta faience stoneware porcelain mosaic utilitarian ceramic art ceramic technical ceramic cutting tool ceramic insulator ceramic capacitor ferroelectricity piezoelectric ceramic matriel (m) cramique brique (f) tuile (f) terre (f) cuite faence (f) grs (m) porcelaine (f) mosaque (f) cramique (f) utilitaire cramique (f) dart cramique (f) industrielle outil (m) de coupe isolateur (m) cramique condensateur (m) cramique ferrolectricit (f) cramique (f) pizolectrique

ferromagnetic ceramic cramique (f) ferromagntique semiconductor ceramic thermistor varistor superconducting ceramic refractary ceramic thermal insulation tribological ceramic bioceramic grinding granulation pressing casting extrusion cramique (f) semi-conductrice thermistance (f) varistance (f) cramique (f) supraconductrice cramique (f) rfractaire isolation (f) thermique cramique (f) tribologique bio-cramique (f) broyage (m) granulation (f) pressage (m) coulage (m) extrusion (f)

PARTEA A PATRA 10MATERIALE COMPOZITE10.1. GeneralitiMaterialul compozit este o mbinare a dou sau mai multor materiale imiscibile, dar care au o capacitate mare de adeziune i care are proprieti superioare materialelor din care provine. Un astfel de material este constituit dintro osatur numit ranfort care asigur rezistena mecanic i un material de legtur numit matrice care asigur coeziunea structurii i transmiterea solicitrilor la care sunt supuse piesele. Ele mai conin materiale de umplutur care modific sensibil proprietile mecanice, electrice i termice, amelioreaz aspectul superficial i reduc preul de cost. Materialele astfel obinute sunt eterogene (au proprieti diferite n puncte diferite) i anizotrope (nu au aceleai proprieti n toate direciile). Primul material compozit utilizat de om a fost lemnul (compozit natural), iar mai trziu chirpiciul (material de construcie sub form de crmid, fcut dintrun amestec de lut, paie i bligar uscat la soare), betonul i betonul armat. n 1823, Charles Macintosh1 a inventat impermeabilul, prin cauciucarea unei esturi de bumbac, iar n 1892, Franois Hennebique2 a realizat betonul armat. Materialele compozite prezint urmtoarele avantaje: greutate redus; rezisten bun la traciune; coeficient de dilatare mic; rezisten la oboseal ridicat; rezilien ridicat; capacitate bun de amortizare a vibraiilor; rezisten la umiditate, cldur, coroziune, precum i la aciunea unor produse chimice (uleiuri, solveni, petrol); ciclu de fabricaie scurt i pre de cost acceptabil; siguran mare n funcionare. n aceslai timp, ele nu pot nlocui materialele metalice sau ceramice n domenii care reclam proprieti fizico-mecanice sau chimice specifice. Clasificarea materialelor compozite se face dup criteriile prezentate n fig.10.1.Charles MACINTOSH (1766 - 1843) inventator i chimist scoian care a obinut mai muli colorani i a patentat o metod de elaborare a oelului la temperatur ridicat. Este cunoscut mai ales prin inventarea impermeabilului, o manta cauciucat de ploaie care, n Marea Britanie, se numete mackintosh. 2 Franois HENNEBIQUE (1842 - 1921) constructor francez care i-a nceput activitatea ca simplu zidar. n 1892 a construit primul imobil din beton armat, iar n 1899, primul pod din beton armat, la Chtellerault, n Frana. Au urmat apoi docurile din Manchester, tunelul din Newcastle i stadionul din Lyon.1

260


.

Fig.10.1. Clasificarea materialelor compozite.

10.2. Tipuri de materiale compoziteMaterialele de armare constituie osatura compozitelor, conferindu-le rezisten la traciune, rigiditate i un modul de elasticitate bun. Dup natura lor, ele pot fi organice sau anorganice, iar dup modul de prezentare, sub form granular, de fibre sau plci. Matricea leag compozitul ntr-un monolit, transmite eforturile materialelor de ranforsare i mpiedic deplasarea acestora. De asemenea, asigur protecia chimic a osaturii mpotriva agenilor exteriori i d forma dorit produsului finit. Ca matrice, se folosesc materiale plastice (pn la 200 oC), metalice (pn la 600oC) sau ceramice (pn la 2000 oC). Materialul compozit obinut mbin proprietile favorabile ale componentelor i nltur proprietile nefavorabile ale acestora. Astzi exist un numr nsemnat de materiale compozite, n cele ce urmeaz prezentndu-se cteva dintre acestea.

Materiale compozite

261

10.2.1. Materiale compozite armate cu particuleMaterialul compozit este alctuit din particulele dure i fragile 1 dispersate aleatoriu n matricea moale i ductil 2 (fig.10.2). Cu ct aceste particule sunt mai fine i distana dintre ele este mai mic, cu att compozitul este mai dur i mai rezistent. n practic, se utilizeaz ndeosebi compozite armate cu particule mai mari care au proprieti specifice interesante. Fig.10.2. Material compozit armatcu particule.

a) Carburile metalice conin particule ceramice dure (carburi de wolfram, titan i tantal), cu concentraii volumice de pn la 94%, ncorporate ntro matrice de cobalt. Dup presarea amestecului de pulberi, acesta se nclzete peste temperatura de topire a cobaltului. Cobaltul lichid va ncorpora particulele dure, rezultnd astfel plcuele dure cu care se armeaz sculele achietoare. b) Sculele abrazive sunt produse fasonate sub form de discuri sau prisme, alctuite din particule abrazive, ncorporate n masa unui liant. Materialele abrazive sunt materiale cristaline dure sub form de granule, pulberi sau micropulberi care, datorit muchiilor i vrfurilor aleatoare pe care le au, detaeaz numeroase achii mrunte de pe suprafaa de prelucrat. Ele pot fi naturale sau artificiale. Ca materiale abrazive naturale se utilizeaz: mirghelul (4065% Al2O3 cristalin, cu adaosuri de magnetit, cuar i silicai), cuarul, corindonul i diamantul natural, iar ca materiale abrazive sintetice, electrocorindonul, carbura de siliciu, carbura de bor, azotura cubic de bor i diamantul artificial. Lianii au rolul de a ngloba particulele abrazive. Ei trebuie s reziste la solicitri termice mari, la solicitri mecanice i la aciunea lichidelor de rcire. Din punct de vedere chimic pot fi anorganici (argil, feldspat, caolin, silicai fluizi, oxiclorur de magneziu, oxid de magneziu) sau organici (lacuri, bachelit, cauciuc natural sau sintetic). c) Contactele electrice se obin din pulberi de wolfram i argint care se preseaz i se nclzesc pn la topirea argintului. Particulele dure de wolfram vor fi ncorporate ntr-o matrice de argint. Contactele electrice vor avea astfel o rezisten la uzur ridicat i o conductibilitate electric foarte bun. d) Aliajele antifriciune sunt alctuite din compui intermetalici duri ncorporai ntr-o matrice moale i cu temperatura de topire sczut. Cristalele dure (Sb, SnSb, Cu3Sn) au un coeficient de frecare redus i asigur rezistena mecanic a cuzineilor lagrelor cu alunecare, iar matricea moale (Pb, Sn) confer un coeficient de frecare i mai mic, precum i acomodarea la fusul arborelui, pe msura uzrii. e) Cermeturile (ceramic + metal) sunt amestecuri de pulberi ceramice dure (Al2O3, ZrO2, mullit3) pn la o concentraie volumic de 80%, cuprinse ntr-o

262


.

matrice metalic (Fe, Cr, Ni, Co, Mo). Ele se obin prin tehnologii de metalurgia pulberilor (presare i sinterizare) i se folosesc ca materiale rezistente la temperaturi nalte sau la uzur (cptuirea camerelor de combustie ale reactoarelor). f) Masele plastice cu materiale de umplutur constau dintr-un material plastic termoreactiv (rini fenolice sau epoxidice) sau termoplast (polimetacrilat de metil, polipropilen, poliamid, teflon), n care sunt nglobate materiale de umplutur de naturi diferite (rumegu de lemn, praf de cuar, pulberi metalice) cu concentraii volumice de pn la 70%. Aceste materiale se remarc prin preuri avantajoase i proprieti fizico-mecanice mbuntite. Polietilena cu pulberi de plumb se folosete la reactoarele nucleare pentru absorbia radiaiilor, iar cauciucul vulcanizat (nclzit cu sulf pentru mrirea elasticitii i a rezistenei la aciunea solvenilor) n amestec cu negru de fum i mrete rezistenele la rupere, la uzur i la cldur, precum i duritatea.

10.2.2. Materiale compozite armate cu fibreCompozitele armate cu fibre au caracteristici mecanice foarte bune i densiti mici, fiind utilizate ndeosebi n industria aerospaial. De asemenea, ele sunt singurele materiale care se pot folosi la temperaturi mai mari de 900 oC, n condiii de solicitri mecanice mari i n medii oxidante (reactoare nucleare, industriile aerospaial i de armament). 10.2.2.1. Fibre de armare. Dispunerea fibrelor n materialul compozit se poate realiza n mai multe moduri (fig.10.3): uniaxial (fig.10.3.a), biaxial (fig.10.3.b), triaxial (fig.10.3.c), sub form de estur (fig.10.3.d) sau sub form toroidal (fig.10.3.e). Dup natura lor, fibrele de ranforsare se clasific dup schema din fig.10.4. a) Fibrele de sticl au fost primele fibre utilizate la armarea compozitelor i se obin prin tragere. Sticla este un material nemetalic termoplast, cu structur amorf care se obine prin topirea n comun a mai multor materiale componente: vitrifiani pentru producerea materiei sticloase (SiO2), fondani pentru coborrea temperaturii de topire (Na2O, K2O) i stabilizatori pentru creterea duritii, rezistenei mecanice i stabilitii chimice (MgO, PbO, Al2O3, BaO). Aceste componente se amestec n stare solid i se topesc n creuzete, la 13001500 0C, timp de 1215 ore, ncrctura fiind supus unor transformri fizico-chimice complexe. Fibrele de sticl nu trebuie s prezinte zgrieturi care ar constitui zone de concentrare a tensiunilor i ar conduce la scderea rezistenei mecanice. Pentru nlturarea posibilitii deteriorrii superficiale a fibrelor, acestea se protejeaz cu un strat de grund care faciliteaz i adeziunea lor la matrice. b) Fibrele de carbon conin 8095% C, sunt uoare, rezistente la aciunea agenilor chimici i a mediului nconjurtor, stabile la temperaturi nalte, bune conductoare de cldur i electricitate i rezistente la traciune i compresiune.Mullit silicat de aluminiu foarte refractar, incolor sau roz, cu luciu sticlos, coninut n materiale aluminoase i argiloase.3

Materiale compozite

263

eFig.10.3. Materiale compozite armate cu fibre.

d

Fig.10.4. Clasificarea fibrelor de ranforsare.

264


.

Se obin din materii prime solide (crbune amorf, asfalt de petrol, fibre organice), lichide (gudron, petrol, uleiuri aromatice) sau gazoase (acetilen, hidrocarburi) care se supun unui proces de combustie incomplet (piroliz controlat). Dac arderea are loc la 10001500 oC se obin fibre de nalt rezisten, iar la 18002000 oC se obin fibre cu module de elasticitate foarte bune. Fibrele de carbon se utilizeaz n construcia avioanelor militare i a vehiculelor de nalt performan (discuri de frn), a articolelor sportive (undie de pescuit, crose de golf, rachete de tenis, schiuri, arcuri de tir, cadre de biciclete), precum i a filtrelor de gaze pentru temperaturi nalte. c) Fibrele de aramide provin din poliamide aromatice i au fost introduse pe pia n 1973 de ctre firma Du Pont, sub numele de kevlar. Sunt rezistente la traciune, la oc i la abraziune. De asemenea, sunt rezistente la foc i la cldur (nu se topesc), precum i la aciunea solvenilor organici. Se folosesc n construcii aeronautice cu aplicaii militare, la fabricarea unor ambarcaiuni uoare sau piese pentru vapoare (crme, catarge, rezervoare i sprgtoare de valuri), la fabricarea vestelor antiglon i a ctilor de protecie. d) Fibrele de bor au fost obinute n 1959 de firma Texaco din SUA i utilizate pentru armarea unor compozite folosite de aviaia militar. Ele au un miez de wolfram pe care se depune, prin vaporizare, un strat subire de bor i prezint rezistene la rupere i la compresiune foarte bune, precum i un modul de elasticitate nalt i o rezisten la oboseal excepional. Utilizarea lor este limitat de costul ridicat, de fragilitatea i duritatea care au valori mari. Duritatea ridicat ngreuneaz prelucrrile mecanice ulterioare care necesit scule armate cu diamant. Pentru nlturarea acestor dezavantaje, fibrele de bor ce combin cu fibre de sticl i de carbon i se utilizeaz n aviaia militar (lonjeroane, volei, panouri de fuselaj) sau la fabricarea unor articole sportive de performan (rachete de tenis, undie de pescuit). e) Fibrele de cuar conin 99,9599,97 SiO2 i se obin prin tragere din material topit la 1800 oC. Sunt foarte rezistente la aciunea agenilor chimici i a mediului nconjurtor i stabile termic pn la 1000 oC, dar proprietatea cea mai important a lor este rezistena la ablaiune. Ablaiunea este un fenomen fizic n urma cruia un corp care strbate atmosfera cu mare vitez (meteorit, satelit, navet spaial) pierde din substan datorit nclzirii sale pn la incandescen prin frecare cu aerul. Ca urmare, fibrele de cuar se utilizeaz la armarea unor materiale din care se construiesc scuturile de ablaiune pentru protecia navelor cosmice. n afar de fibrele de ranforsare prezentate mai sus, pentru armarea materialelor compozite se mai utilizeaz fibre de alumin, azbest, carbur de siliciu sau chiar vegetale (celuloz, bumbac, iut, in, hrtie). n tabelul 10.1 sunt prezentate caracteristicile fizico-mecanice ale principalelor fibre de ranforsare a materialelor compozite. Fibrele pentru armarea compozitelor sunt supuse nainte de ncorporarea n matrice unei ungeri cu un amestec de substane cleioase i antistatice n urmtoarele scopuri: compatibilizarea fibrelor cu matricea; rigidizarea fibrelor n vederea manipulrii uoare; protecie contra deteriorrii superficiale prin frecare reci-

Tabelul 10.1. Proprietile fizico-mecanice ale fibrelor de ranforsare

Proprieti Rezistena la rupere [MPa] Rezistena la compresiune [MPa] Alungirea la rupere [%] Modul de elasticitate longitudinal [MPa] 73000 0,510-5 550 Coeficientul de dilatare termic [oC-1]

Materialul

Diametrul [m]

Masa volumic [g/cm3]

Temperatura maxim de utilizare [oC]

Sticl E1 2,54 3400 1200 4,8

16

Sticl R2 2,48 4400 1300 5,4 86000

10

0,310-5

650

Carbon HM3 1,80 2200 1300 0,6 390000

6,5

0,0810-5

2000

Carbon HR4 1,78 2800 1800 1,3

7

230000

0,0210-5

2500

Aramid (kevlar)

12

1,45

3100

500

2,3

130000

0,210-5

200

Bor

100

2,63

3500

3500

0,8

400000

0,410-5

700

Cuar 2,19 3200 3200

8,9

5

77000

0,5410-5

750

Observaii: 1 MPa = 1 N/mm2; 1Sticla E sticl pentru compozite obinuite; 2Sticla R sticl pentru compozite cu performane ridicate; 3 Carbon HM carbon pentru fibre cu modul de elasticitate ridicat; 4Carbon HR carbon pentru fibre cu rezisten mecanic mare.

266


.

proc sau cu piese metalice; mpiedicarea apariiei sarcinilor electrostatice prin frecare. 10.2.2.2. Matricele. Matricea are dou scopuri principale: s transmit solicitrile mecanice fibrelor de ranforsare i s asigure protecia acestora la aciunea mediului nconjurtor. Pentru ndeplinirea acestor scopuri, matricea trebuie s adere la fibre, s fie ductil i s aib o bun rezisten la fluaj. Dup natura lor, matricele se clasific dup schema din fig.10.5.

Fig.10.5. Clasificarea matricelor.

A) Matricele plastice au proprieti mecanice mai slabe dect cele metalice sau ceramice, dar se pot prelucra la temperaturi mai joase i astfel pericolul de distrugere a fibrelor de ranforsare dispare. De asemenea, ele se obin mai uor i cost mai puin dect metalele i ceramicele. Dezavantajul lor major este c nu se pot utiliza la temperaturi mai mari de 200 0C. Matricele organice sunt cele mai rspndite, reprezentnd circa 75% din totalul matricelor folosite. a) Materialele plastice termoreactive au o structur tridimensional i prin nclzire se nmoaie i se fasoneaz n forma dorit, dar nu se mai pot recicla, fiind infuzibile i insolubile, datorit ncheierii polimerizrii n timpul nclzirii i prelucrrii. Aceste materiale ce mai numesc rini, cele mai importante fiind: - rinile poliesterice sunt translucide, cu rezisten chimic bun, se prelucreaz uor, rezist pn 150 oC i sunt ieftine.Ca dezavantaje se menioneaz c sunt inflamabile, se contract mult (615%) i emit stiren. Se armeaz cu fibre de sticl, iar compozitele obinute se utilizeaz la temperaturi obinuite; - rinile vinilesterice sunt nrudite cu poliesterii, se armeaz cu fibre de sticl, au o bun rezisten la oboseal i o excelent rezisten la coroziune, dar sunt inflamabile. Compozitele din vinilester armat cu fibre de sticl se folosesc la fabricarea evilor de canalizare i a rezervoarelor pentru produse chimice; - rinile epoxidice au proprieti mecanice, termice i chimice bune, contracie sczut, o excelent aderen la fibre i se prelucreaz uor n produse. n acelai timp, sunt sensibile la umiditate, la razele ultraviolete i la ocuri,

Materiale compozite

267

mbtrnesc sub aciunea cldurii i au un pre ridicat.Prin ranforsarea rinilor epoxidice cu fibre de sticl, de carbon sau de kevlar se obin compozite utilizate la fabricarea palelor de elicopter, cisternelor i conductelor pentru produse corosive sau a unor materiale sportive; - rinile fenolice sunt rezistente la cldur (pn la 150 oC) i la foc i au stabilitate chimic, dar sunt fragile, sensibile la umiditate i dificil de colorat i de fasonat; - rinile poliuretanice au stabilitate chimic bun, nu mbtrnesc i sunt uor de fasonat, ns au rezisten mecanic redus, ard i se coloreaz dificil. b) Materialele termoplaste sunt polimeri cu structur liniar, foarte rspndite i ieftine care ncep s fie utilizate ca matrice ale materialelor compozite datorit urmtoarelor avantaje: se pot recicla prin topire sau solubilizare; ciclul de fabricaie este scurt iar fasonarea, uoar; au o durat de folosire nelimitat i nu reclam condiii speciale de stocare. Utilizarea lor este limitat de rezistena termic sczut (sub 150 oC) i de aderena mai slab la fibrele de ranforsare. Principalele matrice termoplaste sunt: - polipropilena (PP): destul de stabil termic (110 oC), rezistent chimic i ieftin, dar nu rezist la ocuri i arde; - polisulfona (PSU): stabilitate chimic foarte bun i rezisten la hidroliz (reacie chimic cu apa, n prezena unui catalizator), la fluaj i la cldur (pn la 180 oC) i caracteristici de izolare electric bune, dar este higroscopic (absoarbe cu uurin apa din atmosfer); - poliamida (PA) este rezistent la oc, la oboseal i la aciunea hidrocarburilor, dar i puternic higroscopic; - policarbonatul (PC) are rezisten mecanic ridicat, rigiditate bun, rezisten la oc, la unsori i uleiuri, fiind atacat de benzen i soluiile alcaline; - poliesterii liniari numii politeraftalat etilenic (PET) i butilenic (PBT) au proprieti mecanice bune, nu absorb apa, nu se dilat termic i sunt buni izolatori electrici, dar nu rezist la ap fierbinte, abur, acetone, solveni halogenici, alcalii tari sau soluii acide. c) Elastomerii sunt materiale polimerice cu elasticitate ridicat, suportnd deformri de peste 100%, aproape total reversibile. Toi elastomerii sunt organici, cu excepia siliconului care este de natur mineral. Ei conin 5060% polimeri, restul fiind materiale de umplutur, ageni de vulcanizare, acceleratori, produse pentru ntrzierea mbtrnirii i ali aditivi care asigur obinerea scopului urmrit. Elastomerii sunt incompresibili sau foarte puin compresibili, avnd coeficientul lui Poisson4 n jur de 0,5, utilizndu-se la fabricarea garniturilor deSimon-Denis POISSON (1781 - 1840) matematician i fizician francez i unul din creatorii fizicii matematice. Contribuii n domeniile mecanicii cereti, ecuaiilor fizicii matematice, hidromecanicii, electrostaticii, calculului probabilitilor (Teoria analitic a probabilitilor), mecanicii teoretice (parantezele lui Poisson) i teoriei elasticitii (ecuaia lui Poisson). Coeficientul lui Poisson () caracterizeaz contracia unui material elastic asupra cruia acioneaz o for axial, fiind egal cu raportul dintre contracia transversal unitar i alungirea axial unitar.4

268


.

etanare. Datorit elasticitii ridicate, se mai utilizeaz la fabricarea tlpilor de nclminte pentru atlei sau a mingilor de pelot (sport tradiional din ara Bascilor). n practic, se utilizeaz ca matrice urmtorii elastomeri: - cauciucul natural (NR) se obine din arborele de cauciuc (Hevea brasiliensis) , sub forma unui suc lptos de culoare alb-glbuie, numit latex care se coaguleaz i se usuc, obinndu-se cauciucul brut. Acesta are proprieti mecanice slabe, se dizolv n solvenii organici i datorit acestor cauze nu se poate utiliza n industrie. Pentru obinerea unor proprieti fizico-mecanice corespunztoare, cauciucul brut se vulcanizeaz, prin amestecare cu 212% sulf i nclzire la 120150 oC. La prepararea cauciucului industrial se mai utilizeaz acceleratori de vulcanizare pentru reducerea duratei i coborrea temperaturii de vulcanizare (ZnO, P2O5), ingrediente active pentru creterea rezistenelor la rupere i uzur (negru de fum, MnCO3), ingrediente pasive pentru reducerea costului (cret, baritin, talc), plastifiani pentru mbuntirea capacitii de prelucrare (acid stearic, parafin, acid oleic), antioxidani pentru mpiedicarea mbtrnirii (amine i diamine aromatice), colorani i cauciuc regenerat. Acesta are rezisten la oboseal ridicat, elasticitate i rezisten bun la abraziune, absoarbe puin umiditate i se umfl n ulei mineral, unsori i gazolin. Se poate utiliza pn la 80 oC; - cauciucul sintetic (IR) se obine prin polimerizarea unor monomeri nesaturai cu dou duble legturi (izopren, butadien, cloropren, metilpropen) cu sau fr adaosuri de ali derivai nesaturai. Aceti monomeri sunt amestecai n diferite proporii i copolimerizai, n funcie de caracteristicile fizice, mecanice sau chimice pe care trebuie s le ndeplineasc produsul obinut; - cauciucul stiren-butadien (SBR) se obine prin copolimerizarea stirenului i butadienei i are rezistenele la abraziune i la mbtrnire mai bune ca ale cauciucului natural, se utilizeaz pn la 100 oC, dar este mai puin elastic; - cauciucul policloroprenic (CR) se obine prin polimerizarea cloroprenului i rezist mai bine la umezeal, la ulei, la unsori i la ozon dect cauciucul natural, dar este mai puin elastic i este atacat de apa fierbinte i de combustibili; - cauciucul acronitril-butadien (NBR) sau cauciucul nitrilic se obine prin copolimerizarea nitrilului acrilic i butadienei i este rezistent la abraziune i mbtrnire, foarte rezistent la uleiuri i hidrocarburi alifatice, dar este mai puin elastic i nu rezist la temperaturi sczute i la aciunea lichidului de frn; - cauciucul butilic (IIR) se obine prin copolimerizarea izobutadienei i izoprenului, are o mic permeabilitate la gaze i caracteristici de izolare electric foarte bune, rezist la vapori fierbini i la ap, rezist la mbtrnire, dar are elasticitate sczut i nu rezist la uleiuri, unsori i combustibili. B) Matricele metalice reprezint circa 10% din matricele utilizate la fabricarea materialelor compozite i au aprut la nceputul anilor 1960 n SUA i Frana, cu aplicaii n industria aerospaial. n anii 1980, japonezii le-au aplicat la fabricarea automobilelor. Fabricarea compozitelor cu matrice metalice este destul de dificil, avnd n vedere asigurarea coeziunii acestora cu fibrele de ranforsare.

Materiale compozite

269

Matricea trebuie adus n stare lichid sau semisolid, astfel nct s aib fluiditatea necesar infiltrrii i, n acelai timp, s aib o temperatur care s nu deterioreze fibrele de ranforsare i s nu reacioneze metalurgic cu ele. Matricele metalice sunt ductile i tenace, rezist la uzur i la temperaturi mari (pn la 600 oC) i la aciunea solvenilor, avnd n general proprietile fizico-mecanice i chimice specifice materialelor metalice. n acelai timp, ele sunt mai scumpe i mai grele i prezint pericolul reacionrii cu fibrele de ranforsare prin solubilizare, ceea ce conduce la apariia unor compui intermetalici fragili care antreneaz dezlipirea interfeei. Cele mai rspndite matrice metalice sunt aluminiul, magneziul, titanul i aliajele acestora. a) Aluminiul este materialul cel mai folosit ca matrice metalic datorit densitii mici i preului accesibil. El se folosete pentru fabricarea compozitelor armate cu fibre de bor i carbon, SiC, B4C, ZrO2 i kevlar, utilizate n industria aerospaial i la motoarele de automobile. b) Magneziul este cu 55% mai uor dect aluminiul, are stabilitate chimic, precum i un coeficient de dilatare stabil ntr-un interval mare de temperaturi. Se utilizeaz la fabricarea compozitelor armate cu fibre de carbon, bor sau SiC. c) Titanul este un metal uor, cu temperatur nalt de topire (1668 oC), proprieti mecanice foarte bune i stabilitate chimic, dar este scump. Se folosete la fabricarea compozitelor armate cu fibre de bor i SiC. C) Matricele ceramice reprezint circa 15% din matricele folosite la fabricarea compozitelor i se utilizeaz datorit unor proprieti specifice: rezisten la temperatur (pn la 2000o C), rigiditate, duritate i stabilitate chimic. Fibrele de adaos au ca scopuri mbuntirea tenacitii compozitelor, precum i a rezistenei lor la ocuri termice. Dezavantajele matricelor ceramice sunt fragilitatea ridicat i prelucrarea dificil. Ele sunt transformate n pulberi foarte fine, cu ajutorul plasmei sau prin depunerea chimic din faz de vapori, iar din micropulberi se obin paste. n acest scop, se utilizeaz o gam larg de oxizi simpli sau compleci, nitruri, carburi, siliciuri sau boruri (Al2O3, SiC, Si3N4, BN, B2O, ThO2, ZrO2, TiC). Materialele compozite cu matrice ceramice sunt scumpe i se utilizeaz n domenii de nalt tehnicitate i la temperaturi ridicate (construcii aerospaiale i nucleare, aplicaii militare, frne ceramice). n tabelul 10.2 sunt prezentate caracteristicile fizico-mecanice ale principalelor matrice care intr n componena materialelor compozite.

10.2.3. Materiale compozite structuraleMaterialele compozite structurale cuprind compozitele stratificate i compozitele sandvi, utilizndu-se ndeosebi n construciile aerospaiale care trebuie s fie rezistente i uoare. 10.2.3.1. Materialele compozite stratificate sunt formate din mai multe straturi de materiale cu proprieti anizotrope care formeaz un tot unitar (fig.10.6). Exemplul cel mai la ndemn l constituie vasele emailate. Emailul este

Tabelul 10.2. Proprieti fizico-mecanice ale matricelor Caracteristica

Materialul matricei Masa volumic [kg/m3] Coeficientul lui Poisson 1400 1600 1100 1100 0,35 0,4 0,35 0,4 0,35 0,4 0,5 0,36 Modulul de elasticitate longitudinal [MPa] Modulul de forfecare [MPa] Alungirea la rupere [%] Rezistena de rupere la traciune [MPa]

Simbol

Coeficientul de dilatare termic [oC-1] 810-5 510-5 1110-5 110-5

Materiale termoplaste

Materiale termoreactive

810-5 910-5 510-5 810-5 610-5 610-5 510-5 0,33 0,30 0,29

Metale

Rin poliesteric Rin vinilesteric Rin epoxidic Silicon Rin fenolic Rin poliuretanic Rin poliimidic Polipropilen Polisulfon Poliamid Polietersulfon Polieterimid Polietereterceton Aluminiu Magneziu Oel

UP VE EP SI PF PU PI PP PSU PA PES PEI PEEK Al Mg XC10

1300 1150 1200 1550 1350 1100 1300 900 1300 1100 1350 1150 1300 2360 1660 7850

3800 3300 4500 2200 3000 700-7000 4000-19000 1200 4000 2000 3000 3300 4000 69000 42000 210000

88 75 130 35 70 30 70 30 65 70 85 105 90 358 280 1000

2,5 4 2 100 2,5 100 1 20-400 100 200 60 60 50 23 25 10

Materiale compozite

271

format dintr-un amestec de oxizi i silicai care, n prezena unor fondani (sod, borax), se topete i se toarn ntr-un strat sau n mai multe straturi pe vasele din font sau tabl din oel, la 900 oC i se ntrete vitros. Legtura email-metal necesit aderen bun i coeficieni de dilatare termic apropiat. Pentru creterea aderenei se adaug oxizi de fixare (CoO i NiO), iar pentru evitarea apariiei tensiunilor de ntindere declanatoare de fisuri, coeficientul de dilatare termic al emailului trebuie s fie puin mai mic dect cel al metalului, ceea ce asigur formarea unor tensiuni de compresiune. Componentele materialului structural preiau funciuni diferite: metalul asigur rezistena mecanic, iar emailul, rezistena la coroziune i aspectul decorativ. Materialul compozit stratificat (fig.10.6) este alctuit din mai multe plci orientate diferit, ntre care se introduc rini termoreactive i prin nclzire i presare sau laminare se obine produsul dorit. Fibrele unei plci pot fi orientate perpendicular fa de cele ale plcii anterioare sau sub alte unghiuri, astfel c materialul compozit prezint o mare rezisten la aciunea forelor exterioare.

Fig. 10.6. Reprezentarea unui compozit stratificat.

10.2.3.2. Materialele compozite de tip sandvi sunt alctuite din dou straturi de material foarte rezistent, ntre care este intercalat o inim de material cu densitate, rezisten i rigiditate mici. Straturile sau feele exterioare, fabricate din aliaje de aluminiu, rini ranforsate cu fibre, oel sau titan, preiau sarcinile exterioare, iar inima, din materiale polimerice celulare, cauciuc sintetic sau lemn de balsa (lemn foarte uor provenit dintr-un arbore tropical), se opune deformaiilor i forelor de forfecare perpendiculare pe cele dou fee. Rezult astfel un material foarte uor, cu densitatea de circa 100 kg/m3, flexibil i lejer care este i un foarte bun izolator termic i fonic. S-au realizat, de asemenea, i materiale compozite de tip san

Stiinta Si Ingineria Materialelor

Documents

Transcript of Stiinta Si Ingineria Materialelor