Studiul Materialelor

61
SM INTRODUCERE Disciplina "Studiul materialelor" cuprinde ansamblul cunoştinţelor despre metale şi aliajele lor, materialele utilizate în construcţia de maşini şi utilaje. Disciplina prezintă elaborarea materialelor metalice, structura cristalină a metalelor, teoria aliajelor (diagrame de echilibru binare şi ternare), teoria tratamentelor termice pe baza transformărilor izotermice şi continue, tratamentele termochimice şi termofizice, oţelurile şi fontele aliate, metalele şi aliajele neferoase, materialele plastice şi aliajele sinterizate din pulberi metalici. Cunoscând legătura dintre compoziţia chimică, structură şi proprietăţile materialelor metalice şi legile de modificare ale acestora sub influenţa acţiunilor termice, mecanice, chimice fizice etc. Pentru formarea viitorilor ingineri este necesar ca fiecare cunoască şi posede cunoştinţe profunde vizând studiul materialelor. Viitorii specialişti cu profil mecanic este necesar să fie pregătiţi pentru o alegere cât mai corectă a materialelor metalice, reducerea consumului de material şi valorificarea superioară a materialelor. Contribuţia disciplinei la pregătirea specialistului: Să cunoască : - procedeele de elaborare a materialelor metalice şi nemetalice ; - legătura dintre compoziţia chimică, structură şi proprietăţile materialelor; - modificarea structurii şi proprietăţilor sub influenţa acţiunilor termice, chimice, mecanice etc. ; - structura, proprietăţile şi domeniul de utilizare a materialelor;

Transcript of Studiul Materialelor

Page 1: Studiul Materialelor

SM

INTRODUCERE

Disciplina "Studiul materialelor" cuprinde ansamblul cunoştinţelor despre metale şi aliajele lor, materialele utilizate în construcţia de maşini şi utilaje. Disciplina prezintă elaborarea materialelor metalice, structura cristalină a metalelor, teoria aliajelor (diagrame de echilibru binare şi ternare), teoria tratamentelor termice pe baza transformărilor izotermice şi continue, tratamentele termochimice şi termofizice, oţelurile şi fontele aliate, metalele şi aliajele neferoase, materialele plastice şi aliajele sinterizate din pulberi metalici.

Cunoscând legătura dintre compoziţia chimică, structură şi proprietăţile materialelor metalice şi legile de modificare ale acestora sub influenţa acţiunilor termice, mecanice, chimice fizice etc. Pentru formarea viitorilor ingineri este necesar ca fiecare să cunoască şi să posede cunoştinţe profunde vizând studiul materialelor. Viitorii specialişti cu profil mecanic este necesar să fie pregătiţi pentru o alegere cât mai corectă a materialelor metalice, reducerea consumului de material şi valorificarea superioară a materialelor.

Contribuţia disciplinei la pregătirea specialistului:Să cunoască :- procedeele de elaborare a materialelor metalice şi nemetalice ;- legătura dintre compoziţia chimică, structură şi proprietăţile materialelor;- modificarea structurii şi proprietăţilor sub influenţa acţiunilor termice,

chimice, mecanice etc. ;- structura, proprietăţile şi domeniul de utilizare a materialelor;- scopul şi esenţa tratamentelor termice, termochimice, termofizice,

termomecanice etc.Să posede:- determinarea proprietăţilor fizico-mecanice a materialelor;

- analiza macro şi microscopică a materialelor metalice; - analiza termică a aliajelor binare; - alegerea şi întocmirea procesului tehnologic ale tratamentelor termice;

- determinarea şi alegerea regimurilor tratamentelor termice; - alegerea eficienta a materialelor, conform cerinţelor tehnice;

- reducerea consumului de materiale şi valorificarea lor superioară.

Page 2: Studiul Materialelor

TEMA 1. OBIECTUL ŞI IMPORTANŢA STUDIULUI MATERIALELOR

1.1. Obiectul şi scopul cursului „Studiului materialelor”1.2. Dezvoltarea ştiinţelor metalelor.1.3. Realizări şi perspective în ţările CSI şi pe plan mondial în

vederea studiului materialelor.1.4. Importanţa studiului materialelor.

1.1.Studiul materialelor cuprinde totalitatea cunoştinţelor despre metale şi aliaje şi poate fi numită „ŞTIINŢA MATERIALELOR”. Această ştiinţă se referă la următoarele noţiuni:

Construcţia (structura) metalelor; Relaţia care există între structură şi compoziţia chimică a aliajelor la

diferite temperaturi (diagrame de echilibru). Proprietăţile fizice, chimice, mecanice, tehnologice etc., şi

legătura lor, în funcţie de structură; Tratamentele termice, termochimice, termomecanice, termofizice,

care dau posibilitatea de modificare a structurii, cât şi a proprietăţilor.Termenul de metalografie sa identificat în deosebi cu cercetarea

microscopică şi cu alte procedee fizice de cercetare a metalelor.În general legile care guvernează legăturile dintre metale sunt clar

reprezentate de diagramele de echilibru în prezent trasate pentru toate aliajele binare şi pentru un număr mare de aliaje ternare chiar şi cele complexe. Analiza structurii a devenit din ce în ce mai precisă prin progresele micrografiei sau prin spectroradiografie cu raze X, care studiază arhitectura atomică a metalului, determină reţeaua cristalină şi imperfecţiunile ei.

1.2.Dezvoltarea industriei metalurgice a impus cunoaşterea cât mai profundă a proceselor de fabricare şi elaborare a unor metode tehnologice noi. A apărut necesitatea studierii mai profunde a proceselor, descoperirea relaţiilor şi interpretarea rezultatelor experienţelor şi observaţiilor cu ajutorul unor teorii, care să reflecte cât mai real. Astfel a luat naştere ştiinţa metalelor pe baza experienţelor practice de la uzinele metalurgice, care au permis dezvoltarea rapidă a industriei metalurgice în secolul XIX şi XX.

Robert Hooke în anul 1665 a publicat observaţiile făcute la microscop în cartea sa „Micrographia”. În anul 1722 Rèaumur a examinat ruptura oţelurilor şi fontelor cenuşii, descoperind grafitizarea fontelor.

În anul 1808 Widmannstiintten este primul care aplică lustruirea şi atacarea cu acizi la examinarea suprafeţelor metalice cu ochiul liber, creând macrografia (macroşlifuri).În anul 1864 Sorby întreprinde lucrările sale asupra fierului, arătând confecţionarea probelor metalografice. Dezvoltarea chimiei şi metalografiei din a doua jumătate a secolului XIX este legată cu numele lui D. I. Mendeleev şi D. C. Cernov (1868-1869). D. I. Mendeleev a deschis

2

Page 3: Studiul Materialelor

perspective largi pentru dezvoltarea unor ramuri ştiinţifice noi, formând şi bazele fizico-chimice ale ştiinţei metalelor şi aliajelor. Cernov a descoperit în anul 1868 punctele critice ale otelurilor. Prin legea sa periodică a elementelor (1869), În jurul anului 1900 punctele critice au fost adunate într-o diagramă de faze, diagrama Fe-C pe baza lui Roberts - Austen, Sauveur, Bakhuis Roozeboom.

Astăzi activitatea de cercetări ştiinţifice este foarte rodnică, cuprinzând lucrări ştiinţifice văluroase în toate domeniile metalografiei, urmată de creşterea producerii şi elaborării metalelor şi aliajelor, dezvoltarea modernă a industriei constructoare de maşini şi utilaje.

1.3.Creştera activităţii industriale de astăzi şi de perspectivă, se poate de urmărit destul de minuţios după producţia de oţel din lume, care a atins cifra de aproximativ 900-950 ml. tone pe an până în anii 2000, iar după 2000 peste 1.400 ml. tone pe an.

Aluminiul se produce anual în prezent peste 30 ml. tone pe an, iar după 2000 se consideră să ajungă la 40 ml. tone pe an.

Paralel cu aceste creşteri de producţie se perfecţionează în continuu şi tehnologia de elaborare şi de prelucrare. În perspectivă se cercetează de obţinut oteluri de calitate superioară direct din minereuri de fier, deci realizarea unei metalurgii fără furnale.

Perspectivele din domeniul studiului materialelor permit să se formeze o imagină a multor probleme ce asigură posibilităţi nelimitate de rezolvare la care îşi aduc un colosal efort şi contribuţia specialiştii din ţările CSI şi în toată lumea.

1.4 .Pe parcursul acestui secol, cuceririle industriale ale metalurgiei s-au dezvoltat pe căi largi şi ştiinţifice. A revoluţionat tehnologia aşchierii prin intermediul sculelor aşchietoare confecţionate din oteluri rapide, aliaje dure sinterizate şi metalo-ceramice. Au favorizat utilizare pe scară largă a metalelor şi aliajelor neferoase, oţelirile şi fontele aliate, în special a otelurilor inoxidabile.

Aliajele inoxidabile au dat posibilitatea dezvoltării cu succes a industriei chimice, iar aliajele cu

proprietăţi speciale fizice se utilizează în electrotehnică, telecomunicaţii, industria alimentară,

industria nucleară etc.

3

Page 4: Studiul Materialelor

ELABORAREA MATERIALELOR METALICE

2.1. Definiţia şi scopul elaborării materialelor metalice.2.2. Minereuri.2.3. Noţiuni generale despre metalurgie.2.4. Metalurgia fontei. Principiul elaborării fontei.2.5. Furnalul şi procesul metalurgic.2.6. Produsele furnalului.

2.1. Metalurgia se ocupă cu procedeele industriale de extragere a metalelor din minereuri metalifere şi de prelucrarea ulterioară a lor cu scopul obţinerii semifabricatelor din metale şi aliaje, ca lingouri, profiluri laminate, produse trefilate, ştanţate, matriţate etc.

Metalele se găsesc în natură, în majoritatea cauzelor, sub formă de compuşi chimici (oxizi, sulfuri, carbonaţi etc.) şi mai rar în stare liberă.

O cantitate mare de substanţe minerale în care unul sau mai multe metale se găsesc în cantitate suficientă unei extrageri suficiente se numeşte minereuri. Elaborarea metalelor se execută prin două metode:

a) Prin elaborarea primară se înţelege totalitatea operaţiilor necesare extragerii lor din minereuri şi obţinerii metalului brut. Metalul brut obţinut prin elaborarea primară prezintă o cantitate mare de impurităţi, neomogenitatea structurală şi deci proprietăţi nesatisfăcătoare.

b) Prin intermediul elaborării secundare se obţine metalul fabricat, utilizat la obţinerea pieselor şi ansamblurilor. Metalul fabricat poate fi industrial şi pur (practic fără impurităţi). Prin elaborarea secundară metalul se prelucrează printr-o gamă specifică de operaţii. După metalele care se elaborează, metalurgia poate fi a fierului, sau a metalelor neferoase.

2.2. Minereul M este format din două părţi componente, utilul U adică minereul care conţine metalul M sau metalele ce urmează a fi extrase şi celelalte existente, nefolositoare numite sterilul S. M=U+S.

Minereul este un conglomerat de substanţe minerale în care unul sau mai multe elemente, de obicei metale se găsesc în cantitate suficientă a unei extrageri.

Minereul brut se sparge în bucăţi foarte mici numite concasoare, realizată cu concasoare, după acea este supus să treacă printr-un grup de site, unde se realizează ciuruirea, însă pentru a obţine un amestec omogen, calitativ se execută operaţia, numită omogenizare, iar pentru a avea dimensiuni omogene se supune operaţii de măcinare în mori speciale. Produsul sortat după granulaţii la măcinare se supune operaţii de concentrare. Concentrarea se poate realiza prin mai multe procedee:

- Spălare cu curent de apă, - Zeţare, spălarea sub acţiunea pulsatorică alternativă a apei, după care impurităţile se evacuează;

4

Page 5: Studiul Materialelor

- Separare în medii dense, are loc separarea particulelor în mediul dens; - Flotarea - introducerea minereului într-o suspensie cu colectoare; - Separarea magnetică cu forţe magnetice asupra părţii magnetice a minereului. După aceste operaţii se supune calcinării, unde se evacuează apa. Recuperarea minereului şi prepararea prafului se realizează prin aglomerarea. Minereul preparat se transportă la întreprinderea metalurgică. Clasificarea minereurilor se efectuează după următoarea schemă:

METALUL PUR

COMPUS CHIMIC

MONOMETALIC POLIMETALIC

BOGAT MEDIUSĂRAC

ACID BAZIC NEUTRU

Fig.2.1. Clasificarea minereurilor.

2.3.Procesele metalurgice de elaborare primară şi secundară au ca scop separarea metalului din minereu şi obţinerea în final, a metalului brut (elaborarea primară) şi metalului industrial sau metalului pur (elaborarea secundară).Extragerea metalului din minereu se poate realiza prin trei metode de elaborare, numite metalurgice.

PIROMETALURGICE

METODELE METALURGICE HIDROMETALURGICE

ELECTROMETALURGICE

Fig. 2.2.Clasificarea metodelor metalurgice.

Metoda pirometalurgice utilizează în procesul de elaborare căldura produsă prin arderea unui combustibil. Metoda hidrometalurgică constă din dizolvarea metalului sub formă de compus chimic în apă şi lichide speciale, însă metoda electrometalurgică acţiunile termice, chimice etc. au loc sub influenţa energiei electrice.

Forma în care metalul stă în minereu

Numărul de metale ce se extrag

MINEREUDupă concentraţia metalului în minereu

Natura sterilului

Metalul industrial

5

Page 6: Studiul Materialelor

AFINARE

Metalul fabricat

RAFINARE Metalul purSTERIL

Fig. 2.3. Schema fabricării metalului brut, industrial şi pur.

2.4.Fonta este aliajul Fe cu C, concentraţia carbonului variază între 2,11-6,67%. Pe lângă Fe şi C se mai conţine şi alte elemente (Si; Mn; S; P etc.), limitate procentual, numite impurităţi normale.

Elaborarea fontei, in genere se bazează pe carburarea fierului şi transformarea parţială a acestuia in cementită (Fe3 C). Fonta se elaborează în prezent, pornind de la minereu de fier, în cuptoare încălzite prin arderea unui combustibil, numite furnale. În furnal utilul din minereu de fier, în prezenţa fondanţilor, cocsului şi comburantului, sub acţiunea căldurii, produse prin arderea combustibilului, sau prin efect termic al energiei electrice la furnalul electric este redus fierul pur, elaborându-se fonta ca produs principal şi zgura respectiv, gaz de furnal, ca produse secundare.

FURNAL

Fig. 2.4. Schema elaborării fontei în furnal.

Minereul de fier poate fi foarte bogat (Fe>55%), bogat (35%<Fe<55%), sărac (20%<Fe<35%), şi foarte sărac (Fe<20%). Cocsul este un combustibil solid obţinut prin carbonizarea la temperaturi ridicate în absenţa aerului, a anumitor varietăţi de carburi. Fondanţii utilizaţi în metalurgie se clasifică după natura lor în acizi (pe baza de Si), bazici (pe bază de Ca şi Mg), amfoteri (pe bază de Al) şi neutri. Comburantul respectiv oxigenul necesar arderii cocsului, se obţine fie prin insuflarea oxigenului industrial special fabric. Preîncălzirea se face în instalaţii speciale, aşa numite preîncălzitoare Coowper. Preîncălzitorul funcţionează în două faze, încălzire şi răcire.

2.5. Furnalul şi procesul metalurgic.

UTIL

MINEREU

Elaborareprimară

Metal brut Elaborare

FONDANTMINEREU DE FIER

COCS COMBURANT (AER-OXIGEN)

FONTĂ BRUTĂ

ZGURĂ GAZ DE FURNAL

6

Page 7: Studiul Materialelor

Furnalul este un cuptor vertical din cărămidă refractară, format din două trunchiuri sub formă de con numite cuve şi etalaj unite cu bazele mari printr-un cilindru de înălţime mică faţă de diametrul pântece aşezat pe un alt cilindru numit creuzet, vatra şi toate, fiind susţinute pe o fundaţie corespunzătoare.

Prin gura furnalului se introduce minereul în amestec cu fondanţii şi cocsul în straturi alternative şi prin gurile de vânt se suflă aerul. Încălzirea se efectuează mecanizat şi automatizat prin sisteme mecanice de încărcare (schip). Pentru o tonă de fontă se utilizează circa 1,7...2,5t de minereu, fondanţi 0,25...0,3t, cocs 0,3...0,65t şi 5000...5500 m³ de aer încălzit.

Procesul metalurgic din furnal decurge în următoarele etape:a) Carbonul din cocs în prezenţa oxigenului asigură pe toată înălţimea

reacţia; 2C+O 2CO+110000 J/mol.; C+O CO ; C+CO 2CO;

b) Reducerea minereului de fier;3Fe O + CO 2Fe O + CO; Fe O + CO Fe O + CO;

Fe O + CO Fe + CO. c) Carbonizarea fierului; Fe + CO Fe C + CO; Fe + C Fe ; d) Reducerea Fe O la Fe se realizează şi de H

Fe O + H Fe + H O – 25000 J/ mol; e) Acţiunea directă a C asupra Fe O rezultă;

Fe O + C Fe + C O - 156500 J/ mol.Paralel cu reducerea oxizilor de fier în furnal se reduce Mn; Si; P; S; O etc.

2.6. Produsele finite ale procesului metalurgic din furnal sunt: fonta de afinare –80 %;

Fonta brută fonta de turnătorie – 20%; Zgura - amestec de compuşi chimici – oxizi de Si, Ca, Mn, Al, Mg,

Fe şi sulfuri CaS şi MnS; Gazul de furnal

În fontă sunt prezente următoarele elemente cu conţinutul: Si ---1...3 %; Mn – 1...1,3%; P-0,1..0,3% ; S ---0,1...0,2%.

7

Page 8: Studiul Materialelor

TEMA 3. METALURGIA OŢELULUI3.1. Generalităţi. Principiul elaborării oţelului, procedee.3.2. Elaborarea oţelului în convertizoare clasice.3.3. Elaborarea oţelului în convertizoare cu oxigen.3.4. Elaborarea oţelului în cuptorul Marten.3.5. Elaborarea oţelului în cuptoare electrice.3.6. Elaborarea oţelului în creuzet.3.7. Elaborarea oţelului prin metode complexe.3.8. Lingouri de oţel.

3.1. Pentru elaborarea oţelului se utilizează ca materie primă fonta brută albă de afinare şi fierul vechi. În timpul elaborării prin afinare este necesar de micşorat, în primul rând, conţinutul de carbon şi reducerea procentajului de elemente însoţitoare la limitele admise în oţelurile elaborate, iar apoi prin dezoxidare şi aliere se continuă eliminarea elementelor dăunătoare a gazelor şi incluziunilor nemetalice.

Zgura joacă un rol foarte important la elaborarea oţelului, care influenţează direct asupra tuturor proceselor fizico-chimice, ce au loc, având o bazicitate mai mare, este mai avansată reducerea sulfului şi fosforului din baia lichidă de oţel.

La aliajele Fe-C temperatura de topire creşte, odată cu scăderea conţinutului de carbon , astfel încât în timpul elaborării oţelului temperatura băii trebuie să crească în limitele 1550...1600, peste temperatura de topire.

În prezent oţelul se elaborează prin patru procedee:a) prin suflare de aer sau oxigen în convertizoare;b) în cuptoare cu flacără, după procedeul Marten acid sau bazic;c) în cuptoare electrice ;d) în cuptoare cu creuzet (mai rar). 3.2. Convertizorul este un agregat, în care are loc elaborarea oţelului prin

afinarea fontei lichide cu aer. Aerul suflat prin masa topită de fontă de afinare oxidează carbonul şi elementele însoţitoare. Procedeul de elaborare în convertizor a fost inventat în anul 1855 de savantul Bessemer (metoda acidică), iar în anul 1879 savantul Thomas a introdus căptuşeala bazică, care permite afinarea fontelor fosforate.

Convertizorul are formă de pară, fiind din tablă de oţel căptuşit cu material refractar acid. Pe manta este un inel puternic din oţel cu două fisuri, prin care întregul convertizor se sprijină pe lagărele celor doi stâlpi.

Pe unul din fisuri este o roată dinţată în angrenare cu o cremalieră. Acţiunea sistemului hidraulic cilindru-piston, ce-i permite să se rotească şi să fie basculant, pentru umplerea cu fontă lichidă, sau înclinat pentru evacuarea zgurei şi oţelului. Celălalt fus este tubular, pentru a permite aducerea aerului de la suflantă la cutia de aer. Capacitatea convertizorului clasic este de 20...60 t, într-o durată de elaborare a unei şarje este de 12...18 min.

Perioada de lucru a convertizorului este alcătuită din trei trepte:1. În primele 5-8 minute are loc oxidarea Mn şi Si;

8

Page 9: Studiul Materialelor

2. În timp de 10-15 minute se oxidează carbonul;3. perioada de dezoxidare.03.09.2000

2Fe O + Si = Si O2 +2Fe Fe O + Mn = Mn O +Fe Avantajele convertizorului:

1. productivitatea muncii înaltă, 15 minute 5...20t;2. economie de energie;3. simplitatea constructivă;

Dezavantajele convertizorului:1. se pierde o cantitate de fier la oxidare;2. este dificil obţinerea oţelului de calitate înalt.

Fig. 3.1. Schema convertizorului Bessemer.

3.3. Pentru afinarea fontei cu oxigen tehnic s-au dezvoltat trei variante: convertizorul staţionar L D; convertizorul rotativ Kalda; rotorul Oberhausen.

Procedeul L D a fost introdus la încercare pe scară industrială, prima dată în anul 1953 în Austria la uzinele metalurgice LINZ-DANAWITZ, de unde îi provine denumirea. Oxigenul cu o puritate de 97...99,5% se suflă deasupra fontei lichide de la o distanţă de aproximativ 300 mm, cu o presiune de 80...100 N/cm2, unde temperatura creşte peste 2000 0C, oxidând rapid fierul.

Convertizorul rotativ Kaldo funcţionează în poziţie înclinată cu 15...20 0, faţă de orizontală şi se roteşte în jurul axei sale longitudinale cu circa 20...30 min-1. Oxigenul se insuflă cu presiunea de numai 30...40 N/cm2, direcţia de insuflare fiind oblică pe suprafaţa fontei lichide.

Rotorul Oberhausen este un cuptor rotativ, lung de circa 15m, cu diametrul interior de 3...4 m, care se roteşte cu 0,5...1,0 min-1. Oxigenul se introduce, atât direct în baia metalică (60...75%), cât şi deasupra băii (25...40%). Capacitatea unui rotor orizontal ajunge la 150t. Oţelul obţinut este de calitate superioară.

Oţelele elaborate în convertizoare cu insuflare de oxigen au o puritate ridicată, o sudabilitate bună şi un cost mai redus.

Fig. 3.2. Convertizorul LD. Fig. 3.3. Convertizorul Kaldo.

9

Page 10: Studiul Materialelor

3.4. Procedeul Marten apărut în anul 1863, se realizează într-un cuptor cu vatră încălzit cu flacără, la care arderea combustibilului gazos sau lichid se efectuează cu aer preîncălzit, pentru a avea posibilitatea realizării temperaturii înalte, de 1800...20000C, necesare elaborării în condiţii bune a diferitor sortimente de oţel. Materia primă poate fi variată, unde este posibil de a folosi de la 0...100% fier vechi în încărcătura, împreună cu fonta brută lichidă, sau blocuri de fontă, chiar şi minereu de fier şi de acea cuptoarele Marten pot fi amplasate oriunde şi neapărat în apropiată furnalului.

În funcţie de caracterul chimic şi materialul refractat, din care este construit şi de compoziţia chimică a materiilor prime utilizate se deosebesc următoarele procedee:

a) procedeul Marten bazic;b) procedeul Marten acid.

Capacitatea cuptoarelor Marten este 200...500t în timp de 10...15 ore.

1. Vatra cuptorului.2. Bolta cuptorului.3. Canalul de aer.4. Canalul de gaz.5. Regenerator pentru aer.6. Regenerator de

combustibil7. Flacăra.8. Baia metalică

Fig.3.4. Schema constructivă a cuptorului Marten.Avantajele cuptorului Marten:

1. Posibilitatea de obţinere a oţelului de calitate înaltă;2. Posibilitatea de obţinere a oţelului din diverse şarje;3. Reglarea temperaturii ridicate şi reglarea temperaturii joase. Dezavantaje:1. Posibilitatea limitată de elaborare a oţelelor aliate cu elementele uşor

oxidabile (Ti, V, Al etc.)2. Se pierde o cantitate de fier la oxidare 5...10%;3. Procesul este de lungă durată.4. Nu este economic.

3.5. Procedeul electric este cel mai modern şi mai perfecţionat procedeu de elaborare a oţelului. Cuptoarele electrice au apărut în anul 1920, azi ajungând la o pondere de peste 20% din producţia mondială. Se deosebesc două tipuri de cuptoare electrice :

10

Page 11: Studiul Materialelor

a) cuptoare electrice cu arc electric; b) cuptoare electrice cu inducţie.

Temperatura arcului-34000C Intensitatea curentului I=15000A Tensiunea curentului U=220V

1.Electrozi din grafit;

2.Bolta cuptorului; 3.Corpul cuptorului;

4.Gura de evacuare;5.Sistema de bascul;

6. Şarja.Fig. 3.5. Cuptorul electric cu arc electric.

Avantajele cuptorului electric:a) Reglarea uşoară a regimurilorb) Posibilitatea de a topi diferite încărcături;c) Posibilitatea de a căpăta oţeluri calitative şi calitate superioară.

Dezavantaje:a) Capacitatea de consumare a energiei electrice.

1. Creuzet din cărămidă;2. Inductor tubular;

3. Oţel topit V=60...6000 kg;,4. Transformator.

Fig.3.6.Cuptor electric cu inducţie fără miez.

Esenţa metodei este, că şarja se topeşte în rezultatul apariţiei curentului de inducţie, care aduce la încălzirea şi topirea şarjei. Avantajul de bază este: capacitatea de obţinerea oţelului de calitate superioară.

3.6. Creuzetele sunt vase din material refractar sau grafit cu capacitatea de 20...50 kg (în cazuri speciale 600 kg). Un număr mare de 50...200 creuzete cu încărcătura metalică fondanţi se introduc în cuptoare cu vatră sau alte tipuri de cuptoare (cu gaz, combustibil lichid sau solid), unde prin radiaţie se încălzeşte la temperaturi între 1900...23000K. Procesul elaborării oţelului este asemănător celui din cuptoarele electrice, fără oxidare, sau cu oxidare parţială. Datorită faptului, că încărcătura metalică nu vine în contact direct cu gazele de ardere, calitatea oţelelor elaborate este mai superioară decât din convertizoare, sau cuptoare cu vatră.

11

Page 12: Studiul Materialelor

1. Capacul creuzetului; 2. Corpul creuzetului.

Fig.3.7. Schema unui creuzetMetodele complexe îmbină diferite metode şi procedee de elaborare,

aplicându-le pentru anumite faze ale procesului metalurgic, în care eficienţa lor este maximă. Se deosebesc următoarele metode complexe:

a) Dublex – concură două procedee prezentate;b) Triplex – combinarea a trei procedee.

Metodele duplex sunt:a) CB + SMB (convertizorul Bessemer şi cuptorul Siemens Marten

bazic);b) SMB + SMA (cuptorul Siemens Marten acid şi cuptorul Siemens

Marten acid);c) CO + CE (convertizorul cu oxigen şi cuptorul electric);d) SM+COLD(cupt. Siemens Marten şi convertizorul cu oxigen LD)

Metodele triplex sunt:a) CB + CT + CE (convertizorul Bessemer + convertizorul Thomas +

cuptorul electric);b) CT + CB + CE (convertizorul Thomas + convertizorul Bessemer +

cuptorul electric); Metodele duplex sunt mai economice.3.8. Lingoul este piesa obţinută prin solidificarea metalului lichid (oţel), în

lingoteră. Solidificarea începe de la pereţii exteriori spre axă. De la început apar cristale de metal pur, care continue cu mai puţine impurităţi (Mn, Si, P, S etc.). Fenomenul numit segregaţie, duce la o omogenitate structurală a lingoului. Datorită segregaţiei, impurităţile separate plasează în partea centrală a lingoului, dând naştere unei porţiuni goale numită retasură.

a) Metal;b) Retasură;c) Incluziuninemetalice;d) Fisuri interne;e) Sulfuri

Fig. 3.8. Structura unui lingou.

12

Page 13: Studiul Materialelor

TEMA 4 STRUCTURA METALELORNoţiuni generale;Proprietăţile materialelor metalice;Structura cristalină a metalelor;Imperfecţiuni în metale;Cristalizarea metalelor.

4.1.Noţiuni generale.Metalele se caracterizează printr-o serie de proprietăţi. Noţiunea de metal

este utilizată în două sensuri:a) Metalele sunt elementele care formează cationi, în general oxizi puternic bazici şi hidroxizi şi care se combină cu acizii, formând săruri. În acest caz considerăm atomii individual, nu agregate;b) Ca agregat atomii există într-o stare caracteristică, „starea metalică” cu proprietăţile specifice şi în general, creşterea rezistenţei electrice odată cu temperatura.Proprietăţile materialelor metalice ( metale şi aliaje) sunt condiţionate de

tipul legăturii ce se formează între atomii individuali în cadru agregatului de atomi.

13

Page 14: Studiul Materialelor

Din punct de vedere electric sarcinile de semn contrar fiind egale ca număr, metalul în interiorul volumului său apare neutru.

Între sarcinile de acelaşi semn acţionează forţa de respingere şi între cele de semn contrar de atracţie. Efectivul cumulat al acestor forţe de interacţiune reprezintă legătura metalică.

Majoritatea proprietăţilor metalelor sunt influenţate de defectele structurale, care există în orice material metalic.

Forţele de legătură dintre atomi sunt de natură electrică. Forţele de interacţiune care apar în diferite materiale lichide şi solide se divizează în două grupe:

1. Forţe primare, puternice sau de bază;2. Forţe secundare sau slabe.

Forţele primare cuprind următoarele legături:a) Legătura ionică sau heteropolară, constă în atracţia electrostatică dintre ioni pozitivi (metal +) şi negativ (metaloid -) obţinuţi prin cedarea şi acumularea de electroni, ca urmare a tendinţei electronice exterioare stabile, aşa legătură se realizează la elementele Na Cl.b) Legătura covalentă sau homopolară se bazează pe amplasarea în comun a câte un electron de valenţă între doi atomi vecini, în scopul realizării unei configuraţii electronice exterioare stabile;c) Legătura metalică este tot o legătură homopolară, forţele de legătură sunt tot de tip cuantic, tot forţe de schimb.

Forţele secundare, slabe cuprind legăturile de tip Van der Waals. Atomii şi moleculele acestor forţe sunt în ansamblu neutre din punct de vedere electric, dar deseori pot fi încărcate pozitiv în anumite părţi, altele încărcate negativ.

Fig. 4.1. Reprezentarea schematică a legăturilor dintre atomi.a)- legătura ionică; b)–legătura covalentă; c)–legătura metalică;

d)- forţe Van der Waals.

4.2. Proprietăţile metalelor.

14

Page 15: Studiul Materialelor

Proprietăţile materialelor metalice sunt condiţionate de tipul legăturii ce se formează între atomii individuali în cadrul agregatului de atomi.

Clasificarea proprietăţilor materialelor metalice se efectuează obişnuit după natura proprietăţilor. După proprietăţile fizice în stare solidă, substanţele se împart în materiale metalice (conductoare) şi materiale nemetalice (metaloide: semiconductoare şi izolatoare). Materialele metalice se caracterizează prin următoarele proprietăţi fizice:

- conductibilitatea electrică şi termică ridicată;- coeficient de temperatură al rezistivităţii electrice pozitiv;- luciu metalic; - plasticitate, elasticitate etc.

Starea materiei care imprimă aceste proprietăţi se numeşte stare metalică. Atomii care pot forma corpuri metalice, sunt cei care posedă cel mult trei electroni de valenţă (pe ultima orbită), legaţi slab de nucleu.

Mecanice Turnabilitate

Chimice Termice Deformabil.

Fizice Electrice Uzinabilitate

Proprietăţi Magnetice SudabilitateTehnologice

etc. CălibilitateDe exploatare

Fig:4.2.Clasificarea proprietăţilor materialelor metalice după natura proprietăţilor.Cele mai importante proprietăţi fizice ale materialelor sunt proprietăţile

mecanice, electrice, magnetice, termice etc., ce depind de structura atomică:a) Conductibilitatea electrică. Curentul electric este un transport

de sarcini sau particule, materiale purtătoare de sarcini (electronii). Prezenţa electronilor liberi nu duce totdeauna obligatoriu la conductibilitate. Se observă prezenţa fenomenelor de conductibilitate în cazul când există o zonă parţial umplută şi o zonă de nivel de energie mai ridicată. În cazul metalelor, condiţia fundamentală, în ceea ce priveşte conductibilitatea – existenţa zonelor parţial umplute – este realizată. Aplicând un câmp electric electronilor, ei vor fi acceleraţi în direcţia câmpului. Creşterea rezistenţei electrice a metalelor cu temperatura este datorită agitaţiei termice a atomilor, ce provocă neregularităţi în reţea.

b) Proprietăţile magnetice. Magnetizarea este condiţionată de circulaţia sarcinilor electrice la scara atomică sau electronică. Introducerea unui corp într –un câmp magnetic, el este magnetizat. Intensitatea de magnetizare J este legată de câmpul magnetizat H prin relaţia:

K=J/H, unde K este susceptibilitatea magnetică.Din punct de vedere ai comportării magnetice, corpurile sunt:

Diamagnetice, pentru care K este mic şi negativ, iar permeabilitatea magnetică μ<1 (aşa elemente ca Cu, Ag, Au, Bi etc.);

15

Page 16: Studiul Materialelor

Paramagnetice, pentru care K este mic şi pozitiv şi μ>1 (metalele alcaline, alcalino – pământoase, metale de tranziţie, oxigen);

Feromagnetice – corpuri paramagnetice care au susceptibilitatea K şi permeabilitatea μ mari şi pozitive. Feromagnetice sunt Fe, Ni, Co, aliajele lor şi unele sulfuri sau oxizi de fier şi anumite aliaje Mn - Bi, Mn – Al - Cu, la care componenţii luaţi în parte nu sunt feromagnetici. c) Proprietăţile mecanice ale materialelor metalice sunt cele corespunzătoare comportării lor la solicitările mecanice.

Elasticitate

Rigiditate

PlasticitateProprietăţile mecanice

Fragilitate

Fluaj

Duritate

Etc. Fig. 4.3. Clasificarea proprietăţilor mecanice.

Elasticitatea se numeşte proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea forţelor exterioare şi de a reveni la forma lor iniţială după ce solicitarea care a produs deformaţia şi-a încetat acţiunea. Deformarea elastică a materialelor metalice este întotdeauna însoţită de o anumită deformaţie permanentă. În mod convenţional a fost definită drept limita de elasticitate σE valoarea tensiunii la care deformarea specifică permanentă nu depăşeşte 0,001...0,03%.

Rigiditatea se numeşte proprietatea materialelor de a se opune deformaţiilor elastice. Este proprietatea contrară elasticităţii. Mărimea care reflectă capacitatea materialelor de a se opune deformaţiilor elastice, deci o măsură a rigidităţii, este modulul de elasticitate E. Urmărind relaţia σ = ε E, pentru un σ constant la o anumită valoare a lui E.

Plasticitatea se numeşte proprietatea materialelor deformare de a nu mai reveni la forma iniţială după ce forţele exterioare şi–au încetat acţiunea. Convenţional s-a definit drept limită de curgere σC valoarea tensiunii de la care deformaţiile specifice permanente încep să fie mai mari de 0,2%.

Fragilitatea este proprietatea unor materiale de a nu permite practic deformaţii plastice până la rupere. Este proprietatea opusă plasticităţii. La rupere materialele fragile prezintă o deformaţie plastică redusă sau se rup înainte ca deformaţia plastică să înceapă.

16

Page 17: Studiul Materialelor

Fluajul se numeşte proprietatea unor materiale de a se deforma în timp lent şi continuu, sub acţiunea unor sarcini constante. Reprezentarea grafică a variaţiei deformării specifice ε funcţie de timpul t în care acţionează sarcina constantă σ se numeşte curba de fluaj. Panta curbei de fluaj se numeşte viteza de fluaj έ = dε / dt.

Tenacitatea este proprietatea materialelor solide de a acumula o energie mare de deformare plastică până la rupere. Materialele tenace se rup deci numai după deformaţii plastice specifice mari. Tenacitatea materialelor depinde de natura lor şi tipul solicitării.

Ca măsură a tenacităţii dinamice s-a introdus mărimea numită rezilienţă KCU = L/A (raportul dintre lucru mecanic L de rupere la încovoiere prin şoc şi aria A secţiunii de rupere a unei epruvete încrestată standatrizată sub formă de U).

Tenacitatea mai este influenţată de temperatura la care se găseşte materialul, viteza de realizare a lucrului mecanic etc. Materialele care prezintă o rezilienţă mare se numesc tenace şi cele cu rezilienţă mică se numesc fragile.

Duritatea este proprietatea unui material de a opune rezistenţă la pătrundere din exterior în stratul său de suprafaţă a unui obiect din material mai dur, sau a se uza greu prin frecare.

Duritatea este factorul determinat al rezistenţei la uzură, în special la uzură abrazivă (prin deformare plastică, aşchiere şi zgâriere exercitate de particule dure) şi de aderenţă.

Duritatea se măsoară în grade de duritate specifice metodei de măsurare (Brinell, Vickers, Rockwel etc. d) Proprietăţile tehnologice ale materialelor metalice sunt cele corespunzătoare prelucrabilităţii prin metode şi procedee tehnologice sunt: Turnabilitatea, Deformabilitatea, Uzinabilitatea, Sudabilitatea şi Călibilitatea etc.

Turnabilitatea reprezintă proprietatea unor materiale de a lua dimensiuni impuse în urma solidificării materialului topit introdus într-o cavitate numită formă de turnare.

Deformabilitatea este proprietatea unor materiale de a obţine deformări permanente mari sub acţiunea forţelor exterioare – solicitări.

Uzinabilitatea reprezintă proprietatea unor materiale de a se lăsa prelucrate prin detaşare de particule mai mari sau mai mici sub acţiunea unei energii. În cazul când energia de efect este mecanică şi particulele detaşate sunt relativ mari, uzinabilitatea se numeşte aşchiere şi când particulele detaşate sunt foarte mici, uzinabilitatea se numeşte eroziune, indiferent de natura energiei efecti.

Sudabilitatea este proprietatea unor materiale de a se asambla nedemontabil prin intermediul forţelor de legătură inermetalice.

Călibilitatea reprezintă proprietatea unor materiale de a deveni mai dure în urma răcirii lor rapide de la o anumită temperatură.

4.3. Structura cristalină a metalelor.Corpurile solide care se găsesc în natură se divizează în corpuri cristaline

amorfe şi combinaţi ai acestuia. Reţeaua cristalină reprezintă un complex de

17

Page 18: Studiul Materialelor

atomi distribuiţi regulat în spaţiu. Structura cristalină se cristalizează printr-o dispoziţie orientată, strict geometrică a atomilor. Distanţele medii dintre atomi sunt menţinute constante de către forţele de atracţie şi respingere. Schimbarea proprietăţilor fizice după direcţia orientării, datorită lipsei de omogenizare, se numeşte anizotropie. Însă când proprietăţile fizice se schimbă după direcţie în toate părţile, rămânând constante se numeşte izotropie.

Moleculele sau atomii înşiraţi pe o anumită direcţie formează o reţea liniară (fig. 4.4.a.). Printr-o translaţie a unui număr foarte mare de reţele liniare, se obţine o reţea plană (fig. 4.4.b.),apoi prin repetarea reţelelor plane, rezultă o reţea spaţială (fig. 4.4.c.).

Fig.4.4. Reprezentarea schematică a unei reţele liniare (a), plane (b), spaţiale (c) şi a celulei elementare (d).

Reţelele sunt constituite de repetarea unui număr de corpuri solide geometrice numite celule elementare (fig. 4.4.d.).

Toate tipurile de cristale care se întâlnesc în natură, funcţie de valoarea relativă a parametrilor reţelei şi valoarea unghiurilor se divizează în şapte sisteme cristaline de bază (tabelul 4.1. Tabelul 4.1.

Sistemele şi reţelele cristalineSistemul cristalin

Lungimea axelorşi valoarea < un.

Reţeaua cristalină Elementele ce posedăsistemele cristaline

Cubic a= b = c; α = β = γ = 900

SimplăCu volum centratCu feţe centrate

C;Cr, Mo, W, V, Feα etc.Al, Cu, Ni, Feγ, Ag etc.

Tetragonal a= b ≠ c; α = β = γ = 900

Simplă Cu volum centrat

Mn,Sn,

Ortorombic a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 900

Simplă Cu volum centratCu baze centrate

B,

18

Page 19: Studiul Materialelor

Cu feţe centrate Ga,Romboedric a= b = c;

α = β = γ = 900Simplă As, Bi, Sb, Mr etc.

Rombică – P, S,Hexagonal a= b ≠ c;

α =β=900 γ=1200Simplă Be, Ca, Cd, Ce , Co,

Mg, Os, Re, Ti, Zn, Zr etc.

Monoclinic a≠ b ≠ c; α =γ = 900≠ β

Simplă Cu baze centrate

Triclinic a≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 900

Simplă

Fig. 4.5. Sisteme cristaline: a - cubic; b – tetragonal; c – rombic; d - hexagonal; e – romboedric; f – monoclinic; g – triclinic

4.4. Imperfecţiuni în cristale. Din punct de vedere geometric imperfecţiunile se divizează:

a) Defecte punctiforme;b) Defecte liniare sau dislocaţii;c) Defecte de suprafaţă:

Defectele punctiforme pot fi simple şi complexe. Acele simple pot fi :vacanţe; atomi interstiţiali ; atomi de substituţie.

Fig. 4.7. Defecte punctiforme simple.

19

Page 20: Studiul Materialelor

Un defect punctiform complex se formează în cristale ionice prin prezenţa unei perechi de vacanţe şi o vacanţă cationică. Alt defect se întâlneşte în cristalele ionice prin trecerea atomului în poziţia interstiţială şi apariţia unei vacanţe.

Defectele liniare sau dislocaţii sunt cele mai importante imperfecţiuni, care se întâlnesc în reţea şi care se desfăşoară de-a lungul unei linei. Din punct de vedere convenţional cele mai simple dislocaţii se împart: dislocaţii marginale şi dislocaţii elicoidale.

Defecte de suprafaţă au o întindere pe suprafaţa, în care o dimensiune are ordinul de majorare a unei distanţe interatomice, iar celelalte două mult mai mare.

Cristalizarea metalelor. Curbe de răcire.Savantul rus D. C. Cernov (1878) a demonstrat că procesul de cristalizare

este compus din două procese elementare:- Formarea centrelor de cristalizare, (formarea embrionilor).- Creşterea cristalelor şi apariţia altor centre noi.Răcind un metal sau un aliaj topit aflat într-un creuzet, cristalizarea va

începe în jurul unor centre de cristalizare. Apariţia câtorva atomi neregulaţi, dispersaţi în topitura amorfă se vor ordona, formând în anumite locuri primele celule elementare, apoi alte celule se ordonează, formând reţele spaţiale.

Fig. 4.8. Formarea grăunţilor cristalini.Analiza termică este o metodă fizică de cercetare a transformărilor fazice,

care au loc în metale şi aliaje. Ea se bazează pe legile efectului termic. Transformările fazice prezente în aliaje şi metale sunt însoţite de degajări de căldură la răcire şi de absorbirea căldurii la încălzire. Absorbirea sau degajarea căldurii are loc pe parcursul transformărilor fazice şi se explică prin energia consumată la formarea sau descompunerea reţelei cristaline.

Transformările fazice au loc la anumite temperaturi, care se numesc temperaturi critice. Aceste temperaturi se determină după curbele de răcire sau încălzire, construite în baza rezultatelor experimentale „temperatură în funcţie de timp”. Dacă în aliaj n-au loc schimbări fazice, temperatura scade sau se măreşte lent. În caz contrar, curbele de răcire sau de încălzire conţin puncte de inflexiune

20

Page 21: Studiul Materialelor

sau staţionare de temperatură, însoţite de efecte termice. Aceste puncte pe curba de răcire sau încălzire se numesc puncte critice.

Conform punctelor critice se construiesc diagramele de echilibru. Ele caracterizează temperaturile proceselor de solidificare şi schimbărilor structurale în funcţie de concentraţia aliajelor la răciri foarte lente. Pentru aliajele binare ele se construiesc în coordonatele „temperatură - concentraţie”.

Fig. 4.9. Curbe de răcire: a –metal pur; b – aliaje diferite.

TEMA 5. CONSTITUENŢII STRUCTURALI AI ALIAJELOR

5.1. Structura aliajelor. 5.2. Soluţii solide pe baza unui element. 5.3. Compuşi chimici. 5.4. Soluţii solide pe baza unui compus chimic. 5.5. Compuşi electronici. 5.6. Faze de pătrundere.

5.1. Structura aliajelor. Aliajele sunt materiale complexe obţinute pe calea difuziei din două sau mai

multe elemente şi care posedă caracteristicile principale ale stării metalice. Elementele care formează aliaje poartă denumirea de componenţi.

Aliajele se elaborează în stare lichidă prin topirea împreună a componenţilor prin două metode:

- Se topeşte componentul cu punct de fuziune mai ridicat şi se introduce în el componentul mai puţin fuzibil;

- Se topeşte şi se supraîncălzeşte componentul mai puţin fuzibil, iar componentul celălalt se introduce în masa topită, la o temperatură sub temperatura de fuziune.

Aliajele se mai pot obţine, în cazuri speciale, prin difuzie în stare solidă, (de exemplu cementare, nitrurare, carbonitrurare, siliciere etc.) prin condensare în stare gazoasă.

Totalitatea aliajelor alcătuite din aceiaşi componenţi în diferite proporţii se numeşte sistem. După numărul componenţilor sistemele se clasifică:

a) binare cu doi componenţi (Cu-Zn, Fe-C, Pb-Sb, Cu-Ni, Al-Si, Pb-Sn, Al-Cu etc.);

21

Page 22: Studiul Materialelor

b) ternare cu trei componenţi (Fe-C-Mn, Al-Cu-Mg, Cu-Zn-Be, Pb-Sb-Sn, Fe-C-Cr etc.);

c) polinare cu patru şi mai mulţi componenţi (Fe-C-Cr-Ni, Al-Cu-Mn-Mg, Fe-C-W-Cr-V, Fe-C-Mo-Al-Si, Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni etc.).

Compoziţia aliajelor este caracterizată de următoarele: concentraţia atomică, concentraţia în greutate şi concentraţia electronică. Din punct de vedere al constituţiei fizico-chimice un sistem poate fi:

- omogen, cu aceleaşi caracteristici în toate părţile;- eterogen, cuprinzând părţi omogene diferite, separabile prin mijloace

mecanice sau vizuale.Constituenţii omogeni ai structurii aliajelor se numesc faze. Cele omogene

formează o singură fază, iar cele eterogene pot forma câteva faze. Există trei tipuri de constituenţi omogeni în aliaje: metale pure, soluţii solide şi compuşi chimici.

Se numeşte soluţie solidă atunci, când atomii componenţilor A şi B se atrag aproape la fel, ca şi atomii A între ei sau B între ei, fiecare atom va fi indiferent faţă de cei vecini. Se numeşte soluţie solidă ordonată atunci, când atomii diferiţi A şi B se atrag mai mult decât atomii asemănători A sau B, la metale cu caracteristici electrochimice asemănătoare. Printre sistemele de aliaje care formează soluţii solide ordonate se numără: Au-Cu; Cu-Zn; Ni-Mn etc. Iar la metale deferite, unul net electronegativ faţă de celălalt, constituentul posedă unele caracteristici compuşilor chimici, se numeşte compus intermetalic sau compus definit.

Însă când elementul este atât de electronegativ încât se stabileşte o legătură chimică (ionică) se formează un compus numit compus chimic.

Se numeşte amestec mecanic de metale pure sau de soluţii solide atunci, când atomii diferiţi A şi B se atrag mai puţin decât cei asemănători A sau B, cei doi componenţi se separă, aglomerându-se.

5.2. Soluţii solide pe baza unui element.Soluţiile solide sunt amestecuri intime atomice de difuzie, având diferite

proporţii între componenţii A şi B. În stare lichidă, majoritatea aliajelor formează o soluţie lichidă omogenă. La solidificare la cea mai mare parte din aliaje se păstrează solubilitatea, obţinându-se cristale formate din A şi B. Prin analiza chimică se obţine compoziţia chimică a acestor cristale de soluţie solidă. Spre deosebire de metalele pure, care se solidifică la temperatură constantă, soluţiile solide se cristalizează într-un interval de temperatură.

După modul de alcătuire al reţelei cristaline, soluţiile solide se clasifică în două categorii:

- soluţii solide de substituţie, sau de înlocuire, când atomii unui element B înlocueşte o parte din atomii reţelei metalului A, sau invers.

- soluţii solide de interstiţie sau de pătrundere, când atomii unui element pătrund în spaţiile libere ale reţelei metalului A sau invers.Condiţiile pentru formarea de soluţii solide nelimitate (pentru solubilitate

totală) sunt următoarele:- reţeaua cristalină să fie identică la ambii componenţi;

22

Page 23: Studiul Materialelor

- să existe o diferenţă cât mai mică între razele atomice şi ionice ale componenţilor;- elementele să fie învecinate în sistemul periodic, adică apropiate prin natura lor fizică (prin structura învelişului de valenţă), deci prin proprietăţi fizice şi chimice; temperatura de topire, greutatea specifică etc.

Fig. 5.1. Structura reticulară a soluţiilor solide.5.3. Compuşi chimici. Caracteristicile compuşilor chimici sunt:

a) atomii se găsesc într-o proporţie definită exprimată de formula Am Bn;b) au o reţea cristalină proprie, diferită de a lui A sau B cu angajarea

ordonată a componenţilor;c) au o temperatură anumită de topire, la fel ca şi metalele pure; Compuşii chimici, au în general, două tipuri de reţele:

- reţea atomică asemănătoare cu cea a soluţiilor solide, însă cu atomii într-un raport precis;

- reţea cu grupuri moleculare, când în nodurile reţelei se găsesc formaţii moleculare din atomii A şi B, în interiorul cărora atomii sunt legaţi de obicei covalent între ei.Compuşii chimici influenţează în special, asupra proprietăţilor mecanice

ale metalelor pure. Ei sunt duri, fragili; prin dispersiunea lor fină în masa metalului măresc simţitor rezistenţa aliajelor, scăzând în acelaşi timp proprietăţile plastice.

Compuşii chimici pot forma în aliaje o serie de constituenţi numiţi – „faze intermediare”:

a) soluţii solide pe bază de compuşi chimici;b) soluţii ordonate;c) compuşi electronici;d) faze de pătrundere.Compuşii se clasifică după următoarele criterii ca: modul cum respectă

legile valenţei; lărgimea domeniului de concentraţie în care există ca fază unică; modul de comportare la topire; factorul predominant în determinarea energiei libere etc.

5.4. Soluţii solide pe baza unui compus chimic.Soluţiile solide între componenţi au reţeaua cristalină a unuia din

componenţi, însă uneori soluţii solide ale unui compus chimic Am Bn cu unul din componenţii lui, A sau B, stă cu un alt element C. Se menţine reţeaua lui Am Bn,

23

Page 24: Studiul Materialelor

având un surplus de atomi A sau B prin înlocuire, sau de atomi C, care înlocuesc câţiva atomi de A sau de B din reţea. De exemplu, Fe3 C şi MnC se dizolvă în orice proporţie. În Fe3 C se dizolvă un element cu raza atomică mare cum ar fi W, atunci parametrii compusului se măreşte raza. Însă sunt cazuri, când surplusul de atomi cu raza mare, parametrul lui Am şi Bn scade, de exemplu la aliajele Al – Co cu surplus de atomi de aluminiu.

Sunt compuşi chimici, care pot exista numai ca soluţii solide aproape de raportul – bertolide. De exemplu, compusului CuAl2 corespunde la 54,1% Cu, ele există însă între 53,25 – 53,9% Cu, deci numai cu surplus de Al. Ceilalţi compuşi chimici prezentaţi mai sus există numai în raportul exact AmBn – daltonide, (în memoria chimistului Berthollet şi fizicianului Dalton, care au prevăzut existenţa acestor faze.

5.5. Compuşi electronici. Compuşi electronici numiţi şi faze electronice se formează pe baza factorului concentraţie electronică între metalele care aparţin grupelor întâia şi de tranziţie (Mn, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt, Ca, La, P, As, Au, Li, Na), cu elementele care aparţin grupelor II, III, IV şi V ale sistemului periodic (Be, Mg, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, As,Sb).

La compuşii chimici din aliajele metalice apar legături metalice (ioni pozitivi şi electroni liberi). Aceste faze se caracterizează prin concentraţii electronice bine definite egale cu 3/2, 21/13 sau 7/4 şi proprietăţi tipic metalic. Concentraţiei electronice 3/2 îi corespund faze cu structura tip A2 cum sunt CuZn, AgZn, CuBe, AgMn, Cu3Al, Cu5Sn, CuSi, CoZn3 etc. numite şi faze β sau β1, după cum sunt ordonate sau dezordonate, are reţea cubică cu feţe centrate. Fazele cu structura tip A13 ca AgCd, Cu5Ge, Ag7Sb, numite şi faze μ sau μ1. Fazele cu structura tip C32 cu raportul c/a foarte apropiat de valoarea ideală 1,63 numite şi faze ξ sau ξ1. Raportului 21/13 îi corespund fazele cu structura tip D82 cum sunt Cu5Zn8, Au5Zn8, Ag5Zn8, Ag5 Cd8, Cu9Al4, Cu39Sn39,Fe5Zn2,Co5Zn21 etc. numite şi faze γ sau γ1, are reţea cubică complexă. La concentraţia electronică 7/4 se formează compuşi cu structura tip A3 cum sunt CuZn3, Cu3Sn, Ag5Al3, Cu5Ge39, Ag3Sn, Au3Sn, Au3In etc. numite şi faze ε sau ε1, are reţea hexagonală compactă. Aceşti compuşi chimici intermetalici au unele proprietăţi mai slabe în comparaţie cu metalele (conductibilitate electrică şi termică mai joasă, luciu metalic mai slab etc.)

5.6. Faze de pătrundere.Faze de pătrundere formează metalele grupelor de trecere cu metaloizii cu

raze atomice mici H, N, C, B. Se formează atunci când raportul între raza atomică a metaloidului şi raza atomică a metalului este mai mic decât 0,59;

rx / rm ≤ 0,59.Fazele de pătrundere au o reţea metalică simplă (C8, C12 sau H12), în

care pătrund în goluri atomii metaloidului. Se ajunge astfel la constituenţi care corespund formulelor: M4X, M2X, MX şi MX2.

24

Page 25: Studiul Materialelor

Ei au un raport anumit între atomi, reţea proprie şi o aşezare ordonată; sunt deci compuşi chimici. Au proprietăţi metalice (luciu metalic, conductibilitate electrică şi termică).

Fazele de pătrundere au un rol foarte important la construcţia oţelurilor, în special în cele aliate. Carburile, nitrurile sunt extrem de dure şi modifică prin dispersiunea lor proprietăţile mecanice.

Când raportul este mai mare decât 0,59, interstiţiile nu sunt suficiente şi se formează structuri mai complicate (cu grupuri moleculare). Astfel, pentru cementită (Fe3C) raportul este egal 0,62. Această carbură nu este deci fază de pătrundere.

TEMA 3. SISTEME DE ALIAJE BINARE ŞI TERNARE3.1. Noţiuni generale.

3.2. Clasificarea şi analiza sistemelor de aliaje după solubilitate.

3.3. Metoda de construire a diagramelor de echilibru. Diagrame binare.

3.4. Analiza diagramei de echilibru Pb - Sb.

3.5. Analiza diagramei de echilibru Cu - Ni.

3.6. Sisteme ternare.

3.7. Importanţa teoretică şi practică a diagramelor de echilibru.

25

Page 26: Studiul Materialelor

3.1. Starea de echilibru a unui sistem de aliaje se reprezintă grafic cu ajutorul

diagramelor de echilibru, numite diagrame de faze sau diagrame de stare, care sunt

asemănătoare cu nişte hărţi, pe care sunt reprezentate regiunile de stabilitate ale diferitor

faze ce se pot găsi într-un sistem de aliaje în care presiunea este constantă (atmosferică).

Diagramele de echilibru indică variaţia stării unui sistem de aliaje în funcţie de

temperatură şi concentraţie. A treia condiţie, care ar influenţa direct asupra aliajului este

presiunea, ce se consideră constantă, deoarece majoritatea proceselor metalurgice (topire,

solidificare, transformări etc.) decurg la presiunea atmosferică. Cazurile de turnare sub

presiune sau procedeele în vacuum sunt mai rare.

Sunt diagrame de constituţie, deoarece determinarea fazelor pe care ne-o dau

corespunde determinării constituţiei aliajului la diferite temperaturi şi concentraţii. Se

numesc diagrame de echilibru sau diagrame de faze, deoarece se determină pe aceste

diagrame numai fazele în echilibru, corespunzătoare unei răciri lente. Diagramele

reprezintă deci stări stabile. Diagramele de echilibru reprezintă:

- trecerea din stare lichidă în solidă (solidificarea, temperatura de început şi de

sfârşit a solidificării) şi invers;

- fazele de echilibru la diferite temperaturi. În stare solidă vor arăta deci structura

aliajului la răcire lentă, cu constituenţii săi omogeni sau eterogeni;

- transformările în stare solidă, importante pentru tratamentele termice.

3.2. Diagramele de echilibru se clasifică după mai multe criterii: solubilitatea

componenţilor în stare în stare lichidă şi solidă;formarea de eutectice şi eutectoide;

formarea de compuşi chimici; transformări în stare solidă etc.

După solubilitatea componenţilor în stare lichidă. Clasificarea după solubilitate

în stare lichidă are o importanţă secundară în cele mai multe cazuri, deoarece majoritatea

sistemelor sunt complet în stare lichidă, la temperaturi ridicate difuzia fiind puternică.

a) Sisteme cu solubilitate totală (nelimitată). Formează o singură soluţie lichidă

omogenă în toate proporţiile. Este cazul majorităţii aliajelor; ca: Fe-C,

Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Al etc.

b) Sisteme cu solubilitate limitată (parţială). Solubilitatea (o singură soluţie

lichidă) există numai în anumite proporţii şi este funcţie de temperatură. În celelalte

26

Page 27: Studiul Materialelor

proporţii, soluţia se descompune în două soluţii lichide (în două faze), numite soluţii

conjugate. Aceste soluţii se aşează după greutatea specifică, de exemplu ca: Cu-Fe, Cu-

Pb etc.

c) Sisteme cu insolubilitate totală. Componenţii lichizi formează două straturi,

conform greutăţii lor specifice. Atunci, când componenţii au diferite proprietăţi (greutate

specifică, raze atomice, punct de fuziune), exemple: Fe-Pb, Fe-Ca etc.

După solubilitatea în stare solidă. Solubilitatea în stare solidă este criteriu

important de clasificare, deoarece interesul fazelor în stare solidă (structura), este

deosebit.

a) Sisteme cu solubilitate totală. Se formează o singură soluţie solidă omogenă

în toate proporţiile, de exemplu: Cu–Ni, Ag–Au etc.

b) Sisteme cu solubilitate limitată. Componenţii formează soluţii, însă numai

până la o limită de concentrare, până la saturaţie. În celelalte intervale există amestecuri

de soluţii solide. Este cazul sistemelor de aliaje: Fe–C, Cu–Zn, Cu – Sn, Cu – Al etc.

c) Sisteme cu insolubilitate totală. La solidificare, componenţii se separă din

soluţie, formând un amestec mecanic. În anumite cazuri se separă întâi componentul cu

punct de fuziune mai ridicat, exemple: Ag–Pb, Fe–Pb etc.

3.3. Aliajele se încălzesc deasupra temperaturii de topire, (pentru analiza termică

se cercetează metalele pure şi un număr cât mai mare de aliaje cu diversă concentraţie) la

răcire se urmăreşte variaţia funcţie de timp a temperaturii. Aliajele se vor solidifica în

general într-un interval de temperatură, spre deosebire de metalele pure. Curbele de

răcire servesc pentru determinarea experimentală a diagramelor de echilibru şi prezentă

două discontinuităţi: începutul solidificării şi sfârşitul solidificării. Cristalizarea începe la

temperatura t1 şi se termină la t2. După felul cristalizării şi solubilitatea componenţilor, la

aliaje pot exista diferite tipuri de curbe de răcire (fig. 3.1).

Curbele de răcire primite cu punctele critice se transferă în coordonate

«temperatură – concentraţie». Pe verticalele de compoziţie trasate ale aliajelor respective

27

Page 28: Studiul Materialelor

se unesc puncte critice, de început de cristalizare – linia lichidus şi sfârşit de cristalizare –

linia solidus, precum şi cele de transformare în stare solidă (conform figurii 3.2.).

Fig. 3.1. Curbe de răcire la aliaje şi un aliaj în diagrama de echilibru.

Fig. 3.2. Determinarea unei diagrame de echilibru din curbe de răcire.

3.4. Elementele Pb şi Sb în stare solidă sunt insolubile. Aliajele sunt compuse din

două faze: cristale de Pb şi cristale de Sb. Diagrama de echilibru a acestor elemente se

numeşte diagramă cu solubilitate totală în stare lichidă şi insolubilitate în stare solidă.

Aliajul compus din 87% Pb şi 13% Sb se caracterizează la cea mai joasă

temperatură (2460C), conform transformării lichidului în stare solidă, formând simultan

două faze: granule de Pb şi granule de Sb. Acest amestec mecanic se numeşte eutectică,

iar aliajul – aliaj eutectic. Aliajele amplasate la stânga de cel eutectic (Sb<13%) se

numesc aliaje hipoeutectice, însă aliajele amplasate la dreapta de cel eutectic (Sb>13%)

se numesc aliaje hipereutectice.

Eutecticul este un constituent structural eterogen, amestec mecanic fin de două

sau mai multe faze, rezultat din descompunerea unei soluţii lichide la o temperatură

constantă.

Formă semănătoare cu diagrama Pb – Sb are diagramele sistemului Sn – Zn, Bi

– Cd, Si – Au, Be – Al, Si – Be etc. ele însă au o anumită solubilitate a compuşilor, în

mod real separându-se în soluţii solide şi metale pure.

Conform diagramei Pb – Sb, linia ABC – linia lichidus, iar linia DBE – linia

solidus, numită linia transformărilor eutectice la temperatura de 2460C.

Fig. 3.3. Diagrama sistemului de echilibru Pb – Sb.

3.5. Sistemul Cu – Ni (Cu – 10830C, Ni – 14510C) este reprezentat de o astfel de

diagramă (fig. 6.4.). Sunt aliaje care au diagrama cu liniile lichidus şi solidus contopite în

punctele unde formează maxime şi minime.

Pentru determinarea cantităţii fazelor în echilibru se utilizează regula segmentelor

inverse sau regula pârghiei. Din figura 6.5 se observă că pentru aliajul de compoziţie

medie 73% Cu în punctul r sunt în echilibru soluţia solidă α de compoziţie m cu 62% Cu

şi lichid de compoziţie n cu 78% Cu. Pentru a fi în echilibru, cele două faze trebuie să se

28

Page 29: Studiul Materialelor

găsească la temperatură constantă, adică se duce orizontala de temperatură până la

intersecţia cu cele două curbe şi se coboară proiecţiile acestor puncte pe axa

concentraţiei. În raport cu punctul r punctele m şi n determină segmentele r–m= a, n–r=

b şi segmentul total n–m= l.

Cantitatea de fază lichidă în procente QL% este egală cu segmentul cel mai

îndepărtat de punctul figurativ ai faze lichide n, adică segmentul a la întregul segment L

şi îmulţit cu 100.

Cantitatea de fază solidă în procente QS%, adică soluţia solidă α, este egală cu

segmentul cel mai îndepărtat de punctul figurativ ai fazei solide m, adică segmentul b,

împărţit la întregul segment L şi îmulţit cu 100. Deci:

QL% = a / L 100; QS% = b / L 100

Fig. 3.4. Diagrama de echilibru Cu – Ni cu curba de răcire.

Fig. 3.5 Regula segmentelor inverse ( regula pârghiei).

3.6. Majoritatea aliajelor utilizate în practică sunt polinare. Diagramele de

echilibru pentru sistemele se reprezintă în spaţiu. Este nevoie de trei axe; temperatură,

concentraţia lui A şi concentraţia lui B. Al treilea component C va rezulta din relaţia:

C = 100 – A – B; unde A + B + C = 100%.

Spre deosebire de sistemele de aliaje binare, la aliajele ternare concentraţia nu se

poate reprezenta cu ajutorul unei axe, ci este necesar construirea unui triunghi echilateral,

iar diagrama are aspectul unei prizme triunghiulare în care pe verticală se indică

temperaturile.

Fig. 3.6. Reprezentarea unei diagrame a aliajului ternar.

3.7. Diagramele de echilibru se utilizează în diferite scopuri practice şi de

cercetare. Cunoscând temperatura de topire se poate utiliza mai raţional energia în

procesul tehnologic de turnare.

29

Page 30: Studiul Materialelor

Cunoaşterea punctelor lichidus şi solidus ale diferitor aliaje, a intervalului de

temperatură dintre acestea indică valoarea segregaţiei dendritice şi temperaturile necesare

pentru omogenizarea aliajelor.

Diagramele de echilibru au o mare importanţă pentru alegerea temperaturii optime pentru

executarea tratamentelor termice, cunoaşterea punctelor critice ale transformărilor fazice.

Diagramele dau posibilitatea de-a cunoaşte structura aliajelor în orice domeniul al

diagramei, posibilitatea de transformare structurală, funcţie de concentraţie şi

temperatură.

Tema 4. DIAGRAMA DE EHILIBRU FIER – CARBON

4.1. Noţiuni generale.

4.2. Particularităţile şi analiza diagramei de echilibru Fe – Fe3C.

4.3. Punctele critice ale sistemului Fe – Fe3C.

4.4. Constituenţii de echilibru ai aliajelor Fe – Fe3C.

4.5. Proprietăţile mecanice ale constituenţilor structurali de echilibru şi influenţa

lor asupra proprietăţilor aliajelor.

4.1. Aliajele fierului cu carbonul oţelurile şi fontele şi în special oţelurile,

constitue cele mai importante produse, ce formează baza construcţiei moderne de maşini.

Ponderea şi varietatea utilizării oţelurilor se justifică prin proprietăţile mecanice

30

Page 31: Studiul Materialelor

superioare, proprietăţile tehnologice favorabile (prelucrabilitatea, sudabilitatea,

turnabilitatea, sudabilitatea etc.)

Diagrama Fe – C este adoptată de STAS – ul 2500 – 80. Notarea punctelor prin

acelea litere este unanim acceptată în toată lumea. Ţinând seama de cele două forme de

separare ale carbonului în aliajele Fe – C, diagrama de echilibru a sistemului Fe – C se

prezintă în două variante:

1. Diagrama Fe – Fe3C (cimentita), echilibru metastabil;

2. Diagrama Fe – grafit, echilibru stabil.

În comparaţie cu diagrama de echilibru Fe – Fe3C, la diagrama Fe – grafit multe

puncte sunt deplasate puţin spre stânga şi temperaturi mai înalte (C1E1S1). Pe diagramele

de echilibru Fe – Fe3C şi Fe – grafit sunt indicaţi constituenţii structurali ai aliajelor de

echilibru a sistemului Fe – C.

4.2. Particularităţile diagramei de echilibru Fe – Fe3C sunt următoarele:

a) Diagrama prezintă transformări în stare solidă, cum sunt:

- transformări alotropice ale fierului;

- variaţia cu temperatură a solubilităţii C în soluţiile solide α şi γ.

b) În partea dreaptă a diagramei Fe – C nu este construită până la 100% C, ci

numai până la concentraţia de 6,67% C, deoarece aliajele cu mai mult de

6,67% C sunt în mod practic greu de obţinut şi puţin utilizate în consecinţă nu

au fost studiate mai amănunţit.

c) Diagrama Fe – Fe3C este compusă din trei diagrame:

- diagrama cu transformare perlitică;

- diagrama cu transformare eutectică;

- diagrama cu transformare eutectoidă.

d) Pe diagrama de echilibru Fe – Fe3C se evidenţiază trei tipuri de transformări în

stare solidă:

- transformări alotropice ale soluţiilor solide;

- variaţia cu temperatura a solubilităţii în stare solidă;

- transformarea eutectoidă.

31

Page 32: Studiul Materialelor

La încălzire de lungă durată cementita se descompune ireversibil în grafit şi fier,

potrivit reacţiei: Fe3C ↔ 3Fe + C (grafit). Tabelul

4.1.

Semnificaţia liniilor pe diagrama Fe – Fe3C.

Liniile Semnificaţie TemperaturaABCD Temperaturile la care începe cristalizarea.

Linia lichidus1538-1495-

1148-12270CAHJECFD Temperaturile la care se termină cristalizarea Linia

solidus1538-1495-

1148-12270CHJB Temperatura de transformare peritectică LB +

δ H → austenităE Temperatura

14950CECF Temperatura de transformare eutectică (ledeburitică)

LC → austenităE + cementităF

Temperatura11480C

PSK Temperatura de transformare eutectoidă (perlitică) austenitaS → ferităP + cementităK

Temperatura 912-7270C

NH Temperaturile la care începe transformarea alotropică a fierului δ în austenită

Temperatura 1394-14950C

NJ Temperaturile la care se termină transformarea alotropică a fierului δ în austenită

Temperatura 1394-14950C

GS Temperaturile la care începe transformarea alotropică a austenitei în ferită

Temperatura 727-9120C

GP Temperaturile la care se termină transformarea alotropică a austenitei în ferită

Temperatura 727-9120C

ES Temperaturile la care începe separarea cementitei secundare din austenită

Temperatura 727–11480C

PQ Temperaturile la care începe separarea cementitei terţiare

Temperatura 727-4000C

MO Temperatura de transformare magnetică a feritei Fmagnetică → Fnemagnetică la încălzire

Temperatura 7700C

În raport cu conţinutul de carbon faţă de punctul – S (punct eutectoid,

transformarea perlitică) oţelurile carbon se divizează în trei clase:

a) oţeluri hipoeutectoide, care conţin până la 0,77%C, la temperatura ordinară au o

structură alcătuită din ferită şi perlită;

b) oţel eutectoid, care conţine 0,77%C, la temperatura ordinară are o structură

perlitică;

c) oţeluri hipereutectoide, care conţin între 0,77 - 2,11%C, la temperatură ordinară

au o structură formată din perlită şi cementită secundară.

32

Page 33: Studiul Materialelor

Fontele albe au tot carbonul legat sub formă de cementită şi prezintă în ruptură un

aspect alb–argintiu. În raport cu conţinutul de carbon faţă de punctul - C (punct eutectic,

transformarea lediburitică) fontele albe se divizează în trei clase:

a) fonte albe hipoeutectice, care conţin între 2,11 – 4,3%C, la temperatură ordinară

structura este formată din perlită, cementită secundară şi ledeburită;

b) fonte albe eutectice, care conţin 4,3%C, structura formată din ledeburită;

c) fonte albe hipereutectice, care conţin între 4,3 – 6,67%C, la temperatură

ordinară structura este formată din ledeburită şi cementită primară.

4.3.Transformările ce au loc în diagrama Fe – Fe3C au obţinut cu timpul o

importanţă aparte în aplicarea tratamentelor termice la aliajele sistemului Fe–C. În

diagrama Fe – Fe3C există şase puncte critice, ele sunt reprezentate pe diagramă.

Tabelul 4.2.

Punctele critice ale sistemului Fe – Fe3C

Notarea punctului

critic

Temperatura (0C)

Linia punctului

criticCaracterul transformării

A0 210 Transformarea magnetică a cementitei, la încălzire feromagnetică → paromagnetică

A1 727 P S K Transformarea eutectoidă (perlitică), la răcire austenita Feγ → perlită Feα + Cell

A2 770 – 727 M O S K Transformarea magnetică a feritei Feα

A3 912 – 727 G O S K Transformarea feritei în austenită la încălzire Feα → Feγ

A4 1495-1394 N J Transformarea soluţiei solide γ în soluţie solidă α (δ) la încălzire (începutul transfor.)

N HTransformarea soluţiei solide γ în soluţie solidă α (δ) la încălzire (începutul transfor.)

A cem. 1148 – 727 E SSepararea cementitei secundare din austenită, la

răcire

Fig. 4.1. Evidenţierea punctelor critice pe diagrama Fe – Fe3C.

33

Page 34: Studiul Materialelor

4.4. În câmpurile diagramei de echilibru Fe – Fe3C sunt prezenţi diferiţi

constituenţi metalografici (structurali), care arată structura prezentată de aliajele Fe –

Fe3C.

Constituenţii structurali ai aliajelor Fe – Fe3C sunt:

a) Ferita [F = Feα(C)] este o soluţie solidă de penetrare (pătrundere) a carbonului

în Feα cu construcţie poliedrică. La temperatura t = 7270C Feα dizolvă 0,0218%C.

b) Austenita [A = Feγ(C)] este o soluţie solidă de penetrare (pătrundere) a

carbonului în Feγ. Conţinutul de carbon variază între 0...2,11%C.

c) Perlita (P = F + Cell) este un amestec mecanic, eutectoid din ferită şi cementită,

în care se conţine 0,77%C. Se formează în rezultatul transformării austenitei la t = 7270C.

d) Ledeburita (Lel = A + Ce) este un amestec mecanic, eutectic de austenită şi

cementită, format prin solidificarea lichidului cu 4,3%C la t=11470C, sub t=7270C

ledeburita este alcătuită din perlită şi cementită (Lell = P + Ce).

e) Cementita (Fe3C) este un compus chimic definit cu reţea cristalină rombică

complicată, în care se conţine 6,67%C. Formele distincte cu aceiaşi compoziţie chimică:

- cementita primară (Cel) separată din fază lichidă de-a lungul liniei CD;

- cementita secundară (Cell) formată la modificarea solubilităţii C în Feγ de-a

lungul linei ES;

- cementita terţială (Celll) formată datorită modificării solubilităţii C în Feα de-a

lungul liniei PQ.

În anumite condiţii cementita se descompune, formându-se grafitul: Fe3C= 3Fe +

C (grafit).

4.5. Proprietăţile mecanice ale constituenţilor structurali de echilibru şi influenţa

lor asupra proprietăţilor aliajelor Fe – Fe3C.

Fierul este un metal de culoare cenuşie, moale cu duritatea 60...80HB, relativ

greu ρ = 7,86 g/cm3, cu rezistenţa limită la rupere medie σr = 250 MPa, plasticitatea bună

cu alungire relativă la rupere δr = 50% şi rezilienţă bună KCU=200...250 J/cm2.

Temperatura de topire a fierului este de 1539±50C şi cea de fierbere de 28800C.

Ferita este foarte aproape de fierul tehnic ρ = 7,86 g/cm3, cu duritatea 60...80HB,

rezistenţa limită la rupere medie σr = 300 MPa, cu alungire relativă la rupere δr = 50%.

34

Page 35: Studiul Materialelor

Austenita este paramagnetică, plastică δr = 40...50%, mai dură ca ferita

160...200HB.

Ledeburita este foarte dură 700HB şi fragilă.

Cementita este foarte dură 800HB.

Odată cu creşterea conţinutul de carbon creşte rezistenţa la rupere σr, creşte

duritatea, scade alungirea δr şi rezilienţa KCU.

Tema 5 CARACTERISTICA ALIAJELOR Fe – C.

5.1.Clasificarea şi notarea oţelului carbon;

5.2.Influenţa carbonului şi a elementelor însoţitoare asupra microstructurii şi

proprietăţilor oţelurilor carbon;

5.3.Microstructura proprietăţilor şi utilizarea oţelurilor carbon;

5.4.Clasificarea fontelor. Fonte albe;

5.5.Sistemul Fe – grafit. Fonte cenuşii cu grafit lamelar;

5.6.Fonte maleabile;

5.7.Fonte modificate;

5.8.Fonte antifricţiune;

35

Page 36: Studiul Materialelor

5.9.Influenţa grafitului asupra proprietăţilor fontelor;

5.10.Factorii care influenţează grafitizarea;

5.11.Domeniul de utilizare;

5.1. Pentru clasificarea oţelurilor se folosesc numeroase criterii:

a) după compoziţia chimică (conţinutul de C %);

b) după duritate în raport cu conţinutul de C;

c) după modul de elaborare;

d) din punct de vedere al tratamentelor termice;

e) după modul de obţinere;

f) după destinaţie.

1. După compoziţia chimică: oţelurile carbon:

hipoeutectoide: 0-0,77 % C;

eutectoide: 0,77 % C;

hipereutectoide: 0,77 – 2,11 % C.

2. După duritate în raport cu conţinutul de carbon:

extra moi, sub 0,10 % C;

moi, cu 0,10…0,25 % C;

semimoi, cu 0,25 … 0,40 % C;

semidure, cu 0,40…0,60 % C;

dure, cu 0,60 …0,70 % C;

foarte dure, cu 0,70 …0,80 % C;

extra dure, peste 0,80 % C.

3. După modul de elaborare:

oţeluri Martin;

oţeluri de cuptor electric;

oţeluri de convertizor; după gradul de dezoxidare se clasifică:

- КП - oţeluri necalmante până 0,07% Si;

- ПС - oţeluri semicalmante între 0,07 – 0,17%Si;

- СП - oţeluri calmate între 0,17...0,37%Si.

4. Din punct de vedere al TT:

36

Page 37: Studiul Materialelor

oţeluri de cementare sub 0,25 % C;

oţeluri al tratamentelor termice sau de îmbunătăţire.

5. După modul de obţinere a semifabricatelor:

oţeluri deformabile: destinaţie generală; destinaţie precisă

oţeluri turnate;

6. După destinaţie

oţeluri de construcţie:

oţeluri pentru scule;

oţeluri cu destinaţie specială (automate).

Notarea oţelurilor carbon se efectuează cu litere, urmate de cifre:

oţelurile carbon de construcţie de uz general:

Ct O, Ct 1, Ct 2, Ct 3, Ct 4, Ct 5, Ct 6, după gradul de dezoxidare se

scrie literele сп – oţel calmat; пс – oţel semicalmat; кп – necalamat.

În funcţie de destinaţie sunt trei grupe: A, Б, В, grupa A nu se indică,

Б Сто; Б Ст 1 кп; В Ст 2 сп……

În literatura română :

OL 32; OL 34; OL 37; OL 42; OL 44; OL 52; OL 50; OL 60; OL 70;

σr=320MPa; OT 32.

oţeluri de carbon de construcţie calitative:

Сталь 08; Сталь 10; Сталь 15; Сталь 20;…. Сталь 70.

Oţelurile calitative după conţinutul de carbon se clasifică în trei grupe:

I. cu conţinut scăzut de carbon până la 0,25 % C;

II. cu conţinut mediu de carbon - 0,5 % C…0,55;

III. cu conţinut înalt de carbon - 0,6 … 0,85 % C;

OLC 0,8; OLC 10; OLC 15… OLC 70.

oţeluri carbon de calitate superioară

Сталь 10A; Сталь 20 A;…. Сталь 50 A.

OLC 10X; OLC 20X.

oţeluri carbon pentru scule:

У 7; У 8А; У 9; У 10; У 11; У 12; У 13A

37

uz general

calitative

calitate superioară

Page 38: Studiul Materialelor

OSC 7; OSC 8X; OSC 9; OSC 10; OSC 11; …OSC 13X.

oţeluri automate:

A 12; A 15; A 20; A 25; A 30; A 40;

AUT 12; AUT 20; AUT 30; AUT 40.

5.2. Oţelurile conţin şi alte elemente însoţitoare permanente care sunt introduse

pentru dezoxidare şi desuflare cu Mn şi Si, în procesul de elaborare nu sunt totdeauna

eliminate (S şi P). Oţelurile conţin şi elemente gazoase (O2, H2, N2)

Carbonul – după cum s-a observat microstructura oţelurilor carbon se

schimbă în funcţie de conţinutul de carbon. Cu creşterea conţinutului de carbon creşte

suprafaţa ocupată de perlită şi scade ferita. După proprietăţile mecanice am observat în

tema precedentă că cu mărirea conţinutului de carbon creşte duritatea, rezistenţa la

rupere, scade rezistenţa, alungirea relativă, gâtuire la rupere – z. După proprietăţile fizice

cu creşterea conţinutului de carbon creşte forţa coercitivă Hc şi rezistivitatea P., scade

greutatea specifică j, permeabilitatea magnetică .

Manganul este introdus la elaborarea pentru dezoxidare, FeO+Mn

Fe+MnO şi desuflare FeS + Mn MnS+ Fe. Manganul se dizolvă în ferită şi în Ce.

Ce aliată cu manganul se dizolvă uşor în cea mai mare parte a Mn se găseşte în forma

MnS ca incluziuni nemetalice. MnS are aspect globular, de culoare gri, este plastică, are

temperatură, de topire înaltă. Se deformează bine în timpul prelucrărilor la cald.

Sulful ajunge în oţel din minereuri în timpul elaborării. S nu este solubil în

ferită, se găseşte în structura sub formă de eutectic disociat Fe-FeS uşor fuzibil 880C.

Prezenţa FeS provoacă fragilitatea la cald. La oţelurile automate 0,15…0,30 S şi un

conţinut de 0,5…0,9 Mn.

Fosforul se dizolvă în ferită. F înrăutăţeşte plasticitatea, fosforul este strict

limitat până la 0,035P.

Siliciul deserveşte la dezoxidarea oţelului 2FeO+Si SiO2+ 2Fe, Si este

solubil în ferită.

H2, N, O2 - se găseşte în proprietăţi foarte mici, pentru eliminarea H se spală

cu acizi, iar O2, se introduc Mn şi Si, iar N – dezoxidarea suplimentară cu aluminiu AlN.

38

Page 39: Studiul Materialelor

5.3. Oţelurile carbon de uz general se utilizează în construcţii metalice şi

mecanice sunt ieftine. Oţelurile de calitate superioară au un conţinut controlat de S şi P şi

sunt utilizate la confecţionarea pieselor, construcţii de maşini. Oţelurile automate au un

conţinut mărit de P şi S şi sunt utilizate pentru prelucrarea automată la maşini unelte

automate.

Oţelurile pentru scule se folosesc la prelucrarea prin aşchiere, prin pilire prin

deformabile, prin tăiere.

Microstructura se observă la oţelurile hipoeutectoide ferita şi perlita; eutectoide

– perlita; hipereutectoide – perlita şi cementita secundare.

5.4. Fontele albe se clasifică după punctul C eutectoid:

- fonte albe hipoeutectice, 2, 11-4,3 structura P + Ce + Le ;

- fonte albe eutectice, 4,3 structură – ledeburită;

- fontele albe hipereutectice, 4,3-6,67 structură Ce + Le.

Fontele albe sunt foarte dure şi fragile datorită durităţii cementitei şi ledeburitei.

Fontele albe perlitice pentru executarea corpurilor de măcinare ale morilor de ciment.

Fontele albe sunt supuse operaţiei ulterioare de maliabilizare, piese din fontă maliabilă.

Fontele albe sunt utilizate la turnare pentru fabricarea pieselor , la suprafaţă o

duritate înaltă – fontă cu crusta dură, iar miezul după diagrama Fe – grafit transformările

au loc în fontă cenuşie, la suprafaţă fonta albă cu transformările, după diagrama Fe –

Fe3C. Adâncimea acestui strat este 12-30 mm. Din fonta albă ca crusta dură se toarnă

piese care lucrează în condiţii de uzare foarte intensă cum sunt: cilindrii de laminor,

tăvălugi pentru mori, roţile la vagoane, arborele cu caneluri.

5.5. După o răcire mai lentă a topirii şi în prezenţa elementelor grafitizate ca Si,

Al, Cu, precum şi conţinutul mărit de carbon.

Microstructura fontelor cenuşii este formată din incluziuni de grafit, amplasat într-

o aşa numită bază metalică .

După baza metalică, fontele cenuşii în: de concentraţie şi condiţii concrete:

- cu bază metalică, perlito - cementită, transferul are loc în sistemul Fe – Fe3C iar

cementita nu a suferit descompunere sau a suferit parţial;

39

Page 40: Studiul Materialelor

- cu baza metalică perlitică - transformări eutectoide a avut loc după sistemul Fe-Fe3C;

- cu baza metalică perlito - feritică, descompune parţial cementita din eutectoid;

- cu baza metalică feritică, când cementita a suferit o transformare , o grafitizare totală.

Simbolizarea fontei cenuşii cu grafit lamelar se efectuează după proprietăţile ei

mecanice, respectiv după rezistenţa limită la rupere σr, conform STAS – ului 568 – 82.

Simbolul se compune «СЧ» sau «Fc» - fonta cenuşie, urmate de cifre, care indică

rezistenţa limită la rupere în MPa. De exemplu СЧ10; СЧ20…СЧ45 sau Fc100;

Fc150...Fc400. σr = 400 MPa.

S-a dovedit că forma cea mai convenabilă este rotungită sub formă de

cuiburi, fulgi – fonta maliabilă КЧ, însă forma cea mai ideală fiind

globulară, nodulară – fonta nodulară ВЧ. 5.5. După o răcire mai lentă a

topirii şi în prezenţa elementelor grafitizate ca Si, Al, Cu, precum şi conţinutul mărit

de carbon.

Tabelul 5.1.Proprietăţile mecanice ale fontelor cu grafit lamelar – cenuşii STAS 568 – 82

Nr. Marca fontei Marca fontei σr, MPa σînc, MPa

Duritatea HB

1 СЧ 10 Fc 100 100 280 120 – 205 2 СЧ 15 Fc 150 150 320 130 – 241 3 СЧ 20 Fc 200 200 400 143 – 255 4 СЧ 25 Fc 250 250 460 156 – 260 5 СЧ 30 Fc 300 300 500 163 – 270 6 СЧ 35 Fc 350* 350 550 179 – 290 7 СЧ 40 Fc 400* 400 600 207 – 287 8 СЧ 45 450 650 229 – 289

5.6. O trăsătură caracteristică a fontelor maliabile o constituie obţinerea grafitului

nu direct din topitură, ci în urma descompunerii cementitei conform reacţiei: Fe3C →

3Fe + C grafit . În urma acestei reacţiei, grafitul se prezintă sub formă de cuiburi sau carbon

de recoacere –recoacerea de maleabilizare.

Forma mai convenabilă a grafitului obţinut în fontele maliabile, face ca aceste

fonte să posede proprietăţi mecanice superioare fontelor cenuşii .

Tabelul 5.2.

40

Page 41: Studiul Materialelor

Proprietăţile mecanice ale fontelor maliabile STAS 569 – 79

Nr. Marca fontei Marca fontei σr, MPa δ, % Duritatea HB1 FF KЧ 30-6 Fmn300 300 6 1602 KЧ 33-8 Fmn350 350 8 1653 KЧ 37-12 Fmn370 370 12 1634 Fma350* 350 6 1505 Fma400* 400 8 1706 FP Fmp450* 450 10 2207 KЧ 50-4 Fmp500 500 4 2408 KЧ 60-3 Fmp600 600 3 280

41