Suport Curs Tehnologia Materialelor

of 175 /175
Universitatea Petrol - Gaze din Ploiești Facultatea Ingineria Petrolului și Gazelor Specializarea Inginerie de Petrol și Gaze (IFR) Mihaela Mădălina CĂLȚARU TEHNOLOGIA MATERIALELOR EDITURA UNIVERSITĂȚII PETROL-GAZE DIN PLOIEȘTI 2015

description

University of Oil and Gas - Tehnologia Materialelor

Transcript of Suport Curs Tehnologia Materialelor

  • Universitatea Petrol - Gaze din Ploieti

    Facultatea Ingineria Petrolului i Gazelor

    Specializarea Inginerie de Petrol i Gaze (IFR)

    Mihaela Mdlina CLARU

    TEHNOLOGIA MATERIALELOR

    EDITURA UNIVERSITII PETROL-GAZE DIN PLOIETI

    2015

  • Introducere

    Coninutul prezentei lucrri corespunde fiei disciplinei, aferent cursului

    Tehnologia Materialelor din planul de nvmnt al facultii de Ingineria Petrolului i

    Gazelor, Specializarea Inginerie de Petrol i Gaze, Anul I (IFR).

    Cursul corespunde programei analitice a disciplinei i este structurat n 14 uniti

    de nvare, astfel:

    - studiul metalelor i aliajelor: unitatea 1 unitatea 6 (12 ore); - realizarea pieselor metalice prin turnare: unitatea 7 unitatea 8 (4 ore); - prelucrri prin deformare plastic: unitatea 9 unitatea 10 (4 ore); - sudarea materialelor metalice: unitatea 11 unitatea 12 (4 ore); - prelucrri prin achiere ale materialelor metalice: unitatea 13 unitatea 14

    (4 ore).

    Fiecare unitate de nvare este structurat la rndul ei n subuniti. Timpul

    mediu necesar pentru parcurgerea unei uniti de nvare, indiferent de numrul de

    subuniti coninute, este de 2 ore.

    Pentru fixarea cunotinelor dobndite, dup fiecare subunitate, sunt prezentate

    pe scurt ideile principale, sub form de rezumat. Pentru aprofundarea n detaliu a

    noiunilor prezentate, respectiv pentru a cpta informaii suplimentare, studenii pot

    utiliza resurse complementare, cum ar fi: cri de specialitate (prezentate dup fiecare

    unitate) i pagini web.

    Testarea abilitilor de nelegere a cunotinelor acumulate se realizeaz cu

    ajutorul testelor de autoevaluare, dup parcurgerea ntregii unitii de nvare.

    Evaluarea final a noiunilor dobndite la disciplina Tehnologia materialelor se va face

    n scris, pe baza unei lucrri de control, care va conine subiecte formulate dup fiecare

    unitate n parte, respectiv din tematica lucrrilor de laborator, la care studenii vor

    participa n mod obligatoriu, condiionnd admiterea acestora la susinerea probei de

    examen. Ponderea acestei lucrri la evaluarea final este de 70 % din nota maxim, iar

    30 % este reprezentat de activitatea de la lucrrile de laborator.

    Tehnologia materialelor este o tiin tehnic aplicativ, ce const n studiul

    metodelor i procedeelor de prelucrare a materialelor, n vederea obinerii produselor

    necesare societii, n condiii tehnico-economice optime. n acest sens, prezentul curs

    urmrete s transmit studenilor cunotinele necesare pentru alegerea unui material, a

    formei constructive, a procedeelor de prelucrare i control pentru anumite condiii de

    solicitare i funcionare ale unei piese sau ansamblu.

    Pentru aplicarea practic a noiunile teoretice incluse n prezentul material,

    studenii vor participa n mod obligatoriu la cele 14 lucrri de laborator (fiecare avnd

    alocat un numr de 2 ore), care vor suplimenta cunotinele dobndite cu: studiul

    macroscopic al metalelor i aliajelor; ncercarea la duritate a materialelor metalice;

    ncercarea la traciune; ncercarea la ncovoiere prin oc; diagrame de echilibru binare

    (constitueni metalografici, legea fazelor); oeluri carbon (diagrama Fe-C); fonte albe,

    cenuii, maleabile i nodulare; defectoscopia materialelor metalice i nemetalice;

    tehnologia fabricrii pieselor turnate; tehnologia prelucrrii prin deformare plastic

  • (forjarea liber, laminarea, extrudarea, ambutisarea); sudarea prin topire cu arc electric

    (cu electrozi nvelii, sub strat de flux i n mediu de gaz protector); sudarea i tierea cu

    flacr oxiacetilenic; sudarea prin presiune; prelucrri pe strung i pe maina de gurit

    (utilaje i accesorii); prelucrri pe maina de rabotat (utilaje i accesorii), prelucrri pe

    maina de rectificat (utilaje i accesorii); prelucrri pe maina de frezat (utilaje i

    accesorii).

    Dup parcurgerea cursului la disciplina Tehnologia materialelor, studenii vor

    dobndi att competene profesionale ct i competene transversale. Astfel, vor putea:

    s identifice structura i proprietile materialelor metalice folosite n tehnic; s

    coreleze structura, compoziia chimic i proprietile materialelor metalice; s neleag

    modificrile de structur i proprieti care se produc ca urmare a prelucrrii

    materialelor prin diverse procedee tehnologice; s menioneze ce se ntmpl, n

    general, cu un material metalic supus unei solicitri mecanice; s aleag corect

    materialele cu structura corespunztoare asigurrii proprietilor impuse de utilizarea lor

    n diverse aplicaii tehnice; s aplice corect metodele de ncercri tehnologice efectuate

    asupra materialelor, n vederea determinrii proprietilor tehnologice ale acestora; s

    identifice i s explice n ce constau procesele, procedeele i tehnologiile de tratament

    termic i termochimic aplicate materialelor metalice; s identifice i s explice n ce

    constau procesele, procedeele i tehnologiile de realizare ale pieselor metalice prin

    turnare; s identifice i s explice n ce constau procesele, procedeele i tehnologiile de

    sudare ale materialelor metalice; s identifice i s explice n ce constau procesele,

    procedeele i tehnologiile privind prelucrarea prin deformare plastic ale materialelor

    metalice; s identifice i s explice n ce constau procesele, procedeele i tehnologiile de

    prelucrare prin achiere ale materialelor metalice; s stabileasc aplicabilitatea practic

    pentru fiecare procedeu de prelucrare, tratament termic sau termochimic studiat; s

    selecteze i s aplice corect principalele procedee tehnologice de prelucrare primar:

    turnare, deformare plastic, sudare, achiere; s aplice corect tehnicile de control

    nedistructiv; s foloseasc corect aparatele i dispozitivele din laborator i s

    interpreteze corect datele i rezultatele obinute n urma efecturii lucrrilor

    experimentale; s identifice i s evalueze importana cunoaterii materialelor pentru

    anumite condiii de solicitare i funcionare ale unei piese sau ansamblu; s identifice i

    s evalueze importana cunoaterii procedeelor tehnologice de prelucrare primar ale

    principalelor materiale metalice utilizate n tehnic; s demonstreze capacitate de

    selectare a informaiilor; s discute, utiliznd un limbaj profesional, specific disciplinei

    studiate.

    Disciplina Tehnologia materialelor constituie baza teoretic i practic necesar

    studenilor pentru: aprofundarea cunotinelor de specialitate din anii superiori de

    studiu, formarea capacitii de selectare i sintetizare a informaiilor tiinifice i tehnice

    n rezolvarea problemelor de specialitate din domeniu, formarea i dezvoltarea

    aptitudinilor i deprinderilor practice.

  • Cuprins

    Introducere 3

    Unitatea 1. Studiul metalelor i aliajelor ... 9 1.1. Structura cristalin a metalelor 9

    Rezumat.. 13 1.2. Imperfeciuni (defecte) n cristale 13

    Rezumat......... 16 1.3. Generaliti privind comportarea materialelor metalice fa de solicitrile mecanice 16

    Rezumat... 19 Teste de autoevaluare.. 19 Lucrare de control 19 Rspunsuri la testele de evaluare.. 19 Bibliografie. 20

    Unitatea 2. Studiul metalelor i aliajelor 21 2.1. Deformarea plastic a materialelor metalice 21

    Rezumat.. 24 2.2. Ruperea materialelor metalice. 24

    Rezumat.. 27 2.3. Comportarea la oboseal a materialelor metalice 28

    Rezumat 31 Teste de autoevaluare.. 32 Lucrare de control 32 Rspunsuri la testele de evaluare. 32 Bibliografie 32

    Unitatea 3. Studiul metalelor i aliajelor 33 3.1. Alotropia metalelor (polimorfismul) 33

    Rezumat.. 34 3.2. Solidificarea metalelor pure 35

    Rezumat 36 3.3. Generaliti privind aliajele.. 36

    Rezumat.. 38 3.4. Generaliti privind aliajele Fe-C 38

    Rezumat.. 41 3.5. Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C.. 41

    Rezumat.. 43 Teste de autoevaluare.. 44 Lucrare de control 44 Rspunsuri la testele de evaluare. 44 Bibliografie 44

    Unitatea 4. Studiul metalelor i aliajelor.... 45 4.1. Diagrama de echilibru stabil a sistemului de aliaje Fe-Cgr 45

    Rezumat 49 4.2. Generaliti privind tratamentele termice. Transformarea austenitei la rcire 50

    Rezumat 54

  • 4.3. Recoaceri fr schimbare de faz aplicate pieselor din oeluri 54 Rezumat 55 Teste de autoevaluare... 56 Lucrare de control 56 Rspunsuri la testele de evaluare.. 56 Bibliografie 56

    Unitatea 5. Studiul metalelor i aliajelor ....... 57 5.1. Recoaceri cu schimbare de faz aplicate pieselor din oeluri .. 57

    Rezumat.. 62 5.2. Clirea martensitic. 62

    Rezumat.. 66 Teste de autoevaluare.. 67 Lucrare de control 67 Rspunsuri la testele de evaluare.. 68 Bibliografie. 68

    Unitatea 6. Studiul metalelor i aliajelor 69 6.1. Revenirea i mbuntirea oelurilor. 69

    Rezumat.. 70 6.2. Tratamente termochimice aplicate pieselor din oel.. 70

    Rezumat.. 74 6.3. Oeluri aliate 74

    Rezumat.. 77 Teste de autoevaluare. 77 Lucrare de control 78 Rspunsuri la testele de evaluare. 78 Bibliografie 78

    Unitatea 7. Realizarea pieselor metalice prin turnare....... 79 7.1. Noiuni generale .. 79

    Rezumat 81 7.2. Turnarea n forme temporare cu perei groi... 81

    Rezumat 88 Teste de autoevaluare.. 89 Lucrare de control 90 Rspunsuri la testele de evaluare. 90 Bibliografie 90

    Unitatea 8. Realizarea pieselor metalice prin turnare... 91 8.1. Turnarea n forme permanente (durabile) - cochilii 91

    Rezumat 98 8.2. Defectele pieselor turnate. Metode de remaniere a defectelor. 98

    Rezumat 99 Teste de autoevaluare... 99 Lucrare de control. 99 Rspunsuri la testele de evaluare.. 100 Bibliografie. 100

    Unitatea 9. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastic.. 101

    9.1. Noiuni generale .. 101

    Rezumat... 105

    9.2. Laminarea. 106

  • Rezumat... 108

    9.3. Extrudarea 109

    Rezumat.. 111

    Teste de autoevaluare.. 111

    Lucrare de control....... 112

    Rspunsuri la testele de evaluare.. 112

    Bibliografie 112

    Unitatea 10. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastic 113

    10.1. Tragerea i trefilarea .... 113

    Rezumat.. 116

    10.2. Forjarea.. 116

    Rezumat...... 124

    10.3. Defectele pieselor deformate plastic. Metode de remaniere a defectelor.. 125

    Rezumat.. 125

    Teste de autoevaluare.. 125

    Lucrare de control 126

    Rspunsuri la testele de evaluare.. 126

    Bibliografie 126

    Unitatea 11. Sudarea materialelor metalice 127

    11.1. Noiuni generale 127

    Rezumat... 128

    11.2. Sudarea prin topire cu arc electric i electrozi nvelii... 129

    Rezumat... 134

    11.3. Sudarea prin topire cu arc electric n mediu de gaz protector 135

    Rezumat... 138

    Teste de autoevaluare...... 139

    Lucrare de control 140

    Rspunsuri la testele de evaluare...... 140

    Bibliografie. 140

    Unitatea 12. Sudarea materialelor metalice.... 141

    12.1. Sudarea cu flacr oxiacetilenic ..... 141

    Rezumat... 142

    12.2. Sudarea prin presiune cap la cap, la rece 143

    Rezumat... 144

    12.3. Sudarea prin presiune cap la cap, cu nclzire electric prin rezisten. 144

    Rezumat... 146

    12.4. Sudarea n puncte 146

    Rezumat 148

    12.5. Sudarea n linie 148

    Rezumat 149

    12.6. Sudarea prin presiune, cu nclzire prin frecare..... 150

    Rezumat 150

    12.7. Defectele mbinrilor sudate. Metode de remaniere a defectelor... 150

    Rezumat 151

    Teste de autoevaluare.. 151

    Lucrare de control. 152

    Rspunsuri la testele de evaluare.. 152

    Bibliografie. 152

  • Unitatea 13. Prelucrri prin achiere ale materialelor metalice 153

    13.1. Noiuni generale . 153

    Rezumat 156

    13.2. Prelucrri prin achiere executate pe strung 156

    Rezumat 161

    Teste de autoevaluare... 161

    Lucrare de control. 162

    Rspunsuri la testele de evaluare... 162

    Bibliografie. 162

    Unitatea 14. Prelucrri prin achiere ale materialelor metalice 163

    14.1. Prelucrri prin achiere executate pe maina de gurit... 163

    Rezumat 166

    14.2. Prelucrri prin achiere executate pe maina de frezat... 167

    Rezumat 169

    14.3. Prelucrri prin achiere executate pe maina de rectificat.. 169

    Rezumat 171

    14.4. Prelucrri prin achiere executate pe maina de rabotat..... 172

    Rezumat 173

    Teste de autoevaluare... 174

    Lucrare de control.... 174

    Rspunsuri la testele de evaluare... 174

    Bibliografie. 174

    Bibliografie. 175

  • Tehnologia Materialelor

    -9-

    Unitatea 1. Studiul metalelor i aliajelor

    1.1. Structura cristalin a metalelor

    1.2. Imperfeciuni (defecte) n cristale

    1.3. Generaliti privind comportarea materialelor metalice fa de solicitrile

    mecanice

    Cunotine i deprinderi

    La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei nelege:

    - din ce sunt alctuite metalele i materialele metalice;

    - care sunt defectele structurale ale materialelor metalice;

    - ce se ntmpl, n general, cu un material metalic, n cursul unei solicitri mecanice.

    La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei putea:

    - s identifici structura metalelor i a materialelor metalice;

    - s identifici defectele structurale ale materialelor metalice i s stabileti care sunt

    proprietile sensibile i insensibile la aceste defecte;

    - s identifici ce se ntmpl, n general, cu un material metalic, n cursul unei solicitri

    mecanice.

    1.1. Structura cristalin a metalelor

    Metalele sunt alctuite dintr-o reea cristalin ordonat, format din ioni

    pozitivi, numit matrice i dintr-un nor sau gaz electronic, ce circul liber printre ioni,

    format din electroni de valen (electronii de pe ultimul strat ex.: Mg2+

    ).

    Coeziunea (legtura) ntregului ansamblu este realizat pe seama atraciei

    reciproce dintre ionii pozitivi i norul electronic, stabilindu-se astfel o legtur atomic

    specific numit legtur metalic.

    Ionii pozitivi (atomii) sunt amplasai n nodurile reelei cristaline sub forma unor

    sfere, aa cum se observ n figura 1.1.

    Fig. 1.1. Reea cristalin: a) reprezentare plan; b) reprezentare spaial;

    r0 = distan de echilibru.

    r 0z

    r0x

    r0y

    a) b)

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -10-

    Ordonarea reelei cristaline se refer la poziiile relative ale atomilor alturai i

    la distanele dintre aceti atomi, ce sunt constante n cadrul fiecrei direcii spaiale,

    astfel:

    a) r0x = r0y = roz = ct.; sau b) r0x r0y r0z, dar

    r0x = ct.;

    r0y = ct.;

    r0z = ct.

    n metale acioneaz dou tipuri de fore:

    - fora de atracie, Fa, de natur electrostatic, ntre ioni i electroni; - fora de respingere, Fr, ntre ioni sau ntre electroni. Rezultanta acestor fore este fora de legtur FL, dintre atomii metalului, aa

    cum se observ n figura 1.2 (FL = Fr - Fa).

    Fig. 1.2. Variaia cu distana a forei de legtur dintre atomi.

    Aa cum se observ n figur, odat cu creterea distanei dintre atomi r, scade

    att fora Fa, ct i fora Fr. ntr-un metal aflat n echilibru intern trebuie respectate dou condiii:

    1) FL = 0 F r = Fa r = r0 (unde r0 = distan de echilibru). 2) Energia de interaciune E trebuie s fie minim n sistemul ioni-nor

    electronic.

    Studiul reelei cristaline se face cu ajutorul celulei elementare, prezentat n

    figura 1.3.

    Fig.1.3. Celul elementar.

    Fr

    FL

    r = distana dintre atomi

    Fa

    r0

    For

    e re

    acti

    ve

    atra

    cie

    re

    spin

    ger

    e

    a

    x

    x

    z

    y

    b

    c

  • Tehnologia Materialelor

    -11-

    Celula elementar este cel mai mic complex de atomi, prin a crui repetare n

    spaiu se poate obine ntreaga reea cristalin.

    n general, celula elementar are forma unei prisme, iar laturile ei se numesc

    parametrii reelei (egali cu distanele interatomice).

    Un sistem de cristalizare al unei reele este determinat de cei trei parametrii ai

    reelei, a (r0x), b (r0y), c (r0z) i cele trei unghiuri dintre cele trei direcii spaiale, , , .

    n funcie de valoarea unghiurilor , , i de relaiile dintre parametrii reelei a,

    b i c, reelele cristaline se mpart n apte sisteme cristalografice (cubic, hexagonal,

    romboedric, ptratic sau tetragonal, rombic, monoclinic i triclinic). La metale se

    ntlnesc dou sisteme, i anume:

    1) Sistemul cubic a) Sistem cubic cu volum centrat - CVC (fig. 1.4), caracterizat prin:

    a = b = c

    = = = 900

    n fiecare col i n centrul reelei (cubului) se afl cte un atom.

    n acest sistem cristalizeaz fierul (Fe), cromul (Cr), wolframul (W),

    sodiul (Na), potasiul (K).

    Fig. 1.4. Sistem cubic cu volum centrat.

    b) Sistem cubic cu fee centrate - CFC (fig. 1.5), caracterizat prin: a = b= c

    = = = 900

    n fiecare col al reelei (cubului) i n centrul fiecrei fee se afl cte un

    atom.

    n acest sistem cristalizeaz fierul (Fe), cuprul (Cu), aluminiul (Al),

    nichelul (Ni).

    Fig. 1.5. Sistem cubic cu fee centrate.

    a

    a

    a

    a

    a

    a

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -12-

    2) Sistemul hexagonal compact - HC (fig. 1.6), caracterizat prin: a = b c

    = = 900, = 120

    0

    Celula elementar conine cte un atom n fiecare col al reelei (prismei),

    cte unul n centrul fiecrei baze i 3 atomi n interiorul acesteia.

    n acest sistem cristalizeaz magneziul (Mg) i zincul (Zn).

    Fig. 1.6. Sistem hexagonal compact.

    Aranjamentul regulat al atomilor n reeaua cristalin nu este perfect dect n

    volume mici de metal, numite cristale sau gruni cristalini.

    Materialele metalice sunt corpuri policristaline, deoarece conin o infinitate de

    gruni cristalini, fiecare avnd reeaua cristalin orientat dup alt direcie (datorit

    modului specific n care se produce cristalizarea, grunii cristalini, n timp ce cresc, se

    stnjenesc reciproc i-i rotesc reeaua cristalin, aa cum se observ n fig. 1.7).

    Fig. 1.7. Structura policristalin a materialelor metalice.

    a

    a

    c

  • Tehnologia Materialelor

    -13-

    Rezumat:

    - Metalele sunt alctuite dintr-o reea cristalin ordonat, format din ioni pozitivi, numit

    matrice i dintr-un nor sau gaz electronic (format din electroni de valen), care circul liber

    printre ioni. Ionii pozitivi (atomii) sunt amplasai n nodurile reelei cristaline sub forma unor

    sfere. Ordonarea reelei cristaline se refer la poziiile relative ale atomilor alturai i la

    distanele dintre aceti atomi, ce sunt constante n cadrul fiecrei direcii spaiale.

    - Studiul reelei cristaline se face cu ajutorul celulei elementare. Celula elementar este cel

    mai mic complex de atomi, prin a crui repetare n spaiu se poate obine ntreaga reea

    cristalin. Celula elementar are forma unei prisme, iar laturile ei se numesc parametrii reelei

    (egali cu distanele interatomice).

    - Un sistem de cristalizare al unei reele este determinat de cei trei parametrii ai reelei,

    a (r0x), b (r0y), c (r0z) i cele trei unghiuri dintre cele trei direcii spaiale, , , . n funcie

    de valoarea unghiurilor , , i de relaiile dintre parametrii reelei a, b i c, reelele

    cristaline se mpart n apte sisteme cristalografice (cubic, hexagonal, romboedric, ptratic

    sau tetragonal, rombic, monoclinic i triclinic). Dintre acestea, la metale se ntlnesc: sistemul

    cubic cu volum centrat - CVC (n fiecare col i n centrul reelei se afl cte un atom,

    a = b = c, = = = 900), sistemul cubic cu fee centrate - CFC (n fiecare col i n centrul

    fiecrei fee se afl cte un atom, a =b = c, = = = 900) i sistemul hexagonal compact -

    HC (conine cte un atom n fiecare col al prismei, cte unul n centrul fiecrei baze i 3

    atomi n interiorul prismei, a = b c, = = 900, = 120

    0).

    - Aranjamentul regulat al atomilor n reeaua cristalin nu este perfect dect n volume mici

    de metal, numite cristale sau gruni cristalini.

    - Materialele metalice sunt corpuri policristaline, deoarece conin o infinitate de gruni

    cristalini, fiecare avnd reeaua cristalin orientat dup alt direcie (datorit modului

    specific n care se produce cristalizarea, grunii cristalini, n timp ce cresc, se stnjenesc

    reciproc i-i rotesc reeaua cristalin).

    1.2. Imperfeciuni (defecte) n cristale

    Cristalul ideal (perfect) are o structur regulat n toat masa sa, cu atomii

    ocupnd toate nodurile n reeaua cristalin. Cristalul ideal nu exist ns n realitate.

    Cristalele reale din care sunt alctuite metalele prezint o serie de defecte.

    Defectul reprezint orice abatere de la aranjamentul regulat al atomilor n reea.

    nsuirile (proprietile) materialelor metalice pot fi:

    a) Insensibile la defectele structurale: - conductibilitatea electric; - permeabilitatea magnetic; - temperatura de topire; - temperatura de vaporizare; - elasticitatea; - rigiditatea; - culoarea. b) Sensibile la defectele structurale: - rezistenele mecanice; - plasticitatea; - duritatea; - fluajul (deformare lent i continu, n timp, sub aciunea unor solicitri

    mecanice constante);

    - tenacitatea.

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -14-

    Defectele structurale se clasific n trei categorii: punctiforme, liniare i de

    suprafa.

    1) Defecte punctiforme a) Vacane (fig. 1.8) - sunt locuri goale n reea, neocupate de atomi; numrul

    lor crete cu creterea temperaturii, prin iradiere cu neutroni, la rcirea

    rapid de la temperaturi nalte.

    Fig. 1.8. Vacane.

    b) Atomi interstiiali (fig. 1.9) - sunt atomi strini sau proprii ai reelei care ocup poziii intermediare n cadrul reelei.

    Fig. 1.9. Atomi interstiiali.

    c) Atomi de substituie (fig. 1.10) - sunt atomi strini n reeaua cristalin, ce substituie atomii acesteia, n cadrul ei.

    Fig. 1.10. Atomi de substituie.

    a)

    atom strin

    atom strin

    atom propriu al reelei

  • Tehnologia Materialelor

    -15-

    2) Defecte liniare Acestea apar n lungul unei linii n cadrul reelei cristaline i se numesc

    dislocaii (linie de atomi care limiteaz n interiorul unui cristal un plan atomic

    incomplet; ex.: dislocaie marginal sau de tip pan, reprezentat de planul cristalografic

    B, mpnat ntre planele cristalografice A i C - fig. 1.11).

    O proprietate important a dislocaiilor este aceea c, sub aciunea unor sarcini

    exterioare, ele se pot deplasa n interiorul cristalului.

    Fig. 1.11. Dislocaie marginal (pan).

    3) Defecte de suprafa Defectele de suprafa au o alctuire bidimensional i sunt reprezentate de

    planele cristalografice pe suprafaa cristalelor cu orientri diferite (fig. 1.12). Acestea

    sunt specifice policristalelor.

    Fig. 1.12. Defect de suprafa.

    B A C

    defect de suprafa limit dintre gruni

    grunte cristalin (cristal)

    grunte cristalin (cristal) cu alt orientare

    dect cel vecin

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -16-

    Rezumat:

    - Cristalul ideal (perfect) are o structur regulat n toat masa sa, cu atomii ocupnd toate

    nodurile n reeaua cristalin. Cristalul ideal nu exist n realitate. Cristalele reale din care

    sunt alctuite metalele prezint o serie de defecte.

    - Defectul reprezint orice abatere de la aranjamentul regulat al atomilor n reea. nsuirile

    (proprietile) materialelor metalice pot fi: insensibile la defectele structurale

    (ex: conductibilitatea electric, permeabilitatea magnetic, temperatura de topire, etc.) i

    sensibile la defectele structurale (ex: rezistenele mecanice, duritatea, etc.). Defectele

    structurale se clasific n trei categorii: defecte punctiforme (locuri goale n reea, neocupate

    de atomi - vacane, atomi strini sau proprii ai reelei, care ocup poziii intermediare n

    cadrul reelei - atomi interstiiali i atomi strini de reeaua cristalin, ce substituie atomii

    acesteia, n cadrul ei - atomi de substituie); defecte liniare (apar n lungul unei linii n

    cadrul reelei cristaline i se numesc dislocaii); defecte de suprafa (au o alctuire

    bidimensional i sunt reprezentate de planele cristalografice de la suprafaa cristalelor cu

    orientri diferite).

    1.3. Generaliti privind comportarea materialelor metalice fa

    de solicitrile mecanice

    n cursul unei solicitri mecanice corespunztoare, un material metalic poate

    parcurge trei stri distincte:

    - starea elastic; - starea plastic; - ruperea.

    Meniune.

    Comportarea materialelor metalice fa de solicitrile mecanice se poate

    caracteriza cu ajutorul diagramelor tensiune-deformare, determinate experimental prin

    ncercri de traciune sau compresiune. n timpul ncercrii la traciune, pe direcia axei

    longitudinale a epruvetei se aplic o for de traciune F, cresctoare ca intensitate, care

    produce deformarea progresiv i, n final, ruperea epruvetei. Maina folosit pentru

    realizarea ncercrii la traciune este prevzut cu dispozitivele necesare pentru a

    msura i/sau nregistra intensitatea forei aplicate, F i deformaiile liniare (alungirile

    sau extensiile) produse epruvetei, 0LLL (unde: L0 reprezint lungimea iniial

    ntre dou repere trasate nainte de ncercare pe poriunea calibrat a epruvetei, iar L

    reprezint lungimea ntre reperele epruvetei la aplicarea forei de traciune cu

    intensitatea F). Prin msurarea secvenial sau nregistrarea continu a valorilor

    mrimilor F i L , se poate construi curba dependenei F = g( L ), numit diagrama ncercrii la traciune (DIT). Reprezentnd n coordonate rectangulare variaia tensiunii

    (convenionale) 0S

    F (n N/m2) (unde: S0 reprezint aria seciunii transversale iniiale

    a poriunii calibrate) n funcie de alungirea specific 0L

    L sau n funcie de

    alungirea procentual 1000

    L

    L (n %), se obine o curb = f(), numit curba

  • Tehnologia Materialelor

    -17-

    caracteristic convenional la traciune sau curba caracteristic tensiune - deformaie

    specific a materialului cercetat.

    n figura 1.13 se prezint curba caracteristic convenional la traciune (CCCT)

    construit pe baza ncercrii la traciune, n cazul materialelor metalice.

    Fig. 1.13. Curba caracteristic convenional la traciune.

    Starea elastic se instaleaz la tensiuni mici i se caracterizeaz prin deformaii

    reversibile (se anuleaz integral la ncetarea aciunii solicitrii).

    Deformarea elastic este produs de tensiunea normal (ec. 1.1), dat de

    raportul dintre fora de solicitare normal F i suprafaa S pe care aceasta acioneaz

    (fig. 1.14).

    Deformaia elastic se produce datorit modificrii distanelor dintre atomii

    nvecinai, fr a se modifica poziiile lor relative.

    Un corp deformat elastic respect legea lui Hooke (ec. 1.2):

    unde: E reprezint modulul de elasticitate longitudinal al materialului;

    = deformaia specific.

    Materialele se gsesc n aceast stare n timpul exploatrii lor normale.

    Deformare

    plastic

    Deformare

    elastic

    Deformare

    uniform Gtuire Rupere

    , [N/m2]

    , [%]

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -18-

    Fig. 1.14. Deformaie elastic.

    Starea plastic se instaleaz dup depirea unei anumite limite a solicitrii i

    se caracterizeaz prin apariia unor deformaii remanente (sunt ireversibile i nu dispar

    la ncetarea aciunii solicitrii).

    Deformaia plastic este produs de tensiunea tangenial (ec. 1.3), dat de

    raportul dintre fora de solicitare tangent T i suprafaa S pe care aceasta acioneaz

    (fig. 1.15):

    Fig. 1.15. Deformaie plastic.

    Legtur coezional

  • Tehnologia Materialelor

    -19-

    Deformaiile plastice coexist cu cele elastice i se produc datorit modificrii poziiilor relative ale atomilor, fr a se distruge legtura coezional (fora de legtur

    interatomic) dintre acetia.

    Materialele metalice se gsesc n aceast stare n timpul prelucrrii lor prin

    deformare plastic, sau n situaii de excepie (n timpul exploatrii normale sau

    accidental, cu ocazia unor suprasolicitri voite i controlate din timpul probelor de

    recepie).

    Ruperea apare la solicitri mari, cnd sunt nvinse legturile coezionale dintre

    atomi. Se ntrerupe continuitatea metalic prin apariia unor noi suprafee de separaie.

    Atomii marginali ai suprafeelor de separaie noi formate ies din sfera de atracie

    reciproc.

    Materialele metalice se gsesc n aceast stare accidental, cu ocazia exploatrii, sau n timpul unor ncercri mecanice distructive.

    Rezumat:

    n cursul unei solicitri mecanice corespunztoare, un material metalic poate parcurge trei

    stri distincte:

    - starea elastic (se instaleaz la tensiuni mici i se caracterizeaz prin deformaii reversibile,

    care se anuleaz integral la ncetarea aciunii solicitrii);

    - starea plastic (se instaleaz dup depirea unei anumite limite, a solicitrii i se

    caracterizeaz prin apariia unor deformaii remanente, care sunt ireversibile i nu dispar la

    ncetarea aciunii solicitrii);

    - ruperea (apare la solicitri mari, cnd sunt nvinse legturile coezionale dintre atomi).

    Teste de autoevaluare:

    T1) Cel mai mic complex de atomi prin a crui repetare n spaiu se poate obine ntreaga

    reea cristalin este denumit: a) vacan; b) dislocaie; c) celul elementar. Precizai varianta

    corect.

    T2) n mod obinuit, materialele metalice prezint n stare solid: a) o structur policristalin

    (cu o infinitate de gruni cristalini); b) o structur monocristalin (alctuit dintr-un singur

    cristal); c) o structur amorf. Care este varianta corect?

    T3) Care din urmtoarele tipuri de reele cristaline sunt caracteristice majoritii metalelor

    utilizate n tehnic: a) cubic cu volum centrat; b) cubic cu fee centrate; c) hexagonal

    compact?

    T4) Care din urmtoarele defecte aparin categoriei imperfeciunilor punctiforme ale

    structurilor cristaline: a) atomi interstiiali; b) vacane; c) atomi de substituie?

    T5) Care din urmtoarele afirmaii sunt adevrate pentru o solicitare mecanic a unui

    material: a) starea plastic se instaleaz la tensiuni mici i se caracterizeaz prin deformaii

    reversibile, care se anuleaz integral la ncetarea aciunii solicitrii; b) starea plastic se

    instaleaz dup depirea unei anumite limite a solicitrii i se caracterizeaz prin apariia

    unor deformaii remanente, care nu dispar la ncetarea aciunii solicitrii; c) starea elastic

    apare la solicitri mari, cnd sunt nvinse legturile coezionale dintre atomi?

    Lucrare de control:

    1) Structura cristalin a metalelor (2 puncte).

    2) Imperfeciuni (defecte) n cristale (2 puncte).

    3) Comportarea materialelor metalice fa de solicitrile mecanice (2 puncte).

    Rspunsuri la testele de autoevaluare:

    T1) c); T2) a); T3) a), b), c); T4) a), b), c); T5) b).

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -20-

    Bibliografie

    1. Drghici Gh., Albert C., Minescu M., Ispas V., Tehnologia Materialelor - ndrumar de lucrri practice, UPG Ploieti, 1995.

    2. Rdulescu M., Studiul metalelor, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.

    3. Tudor I., Svulescu M.J., Zecheru Gh., Drghici Gh., Albert C., Talle M., Tehnologia materialelor, Editura I.P.G. Ploieti, 1992.

    4. Tudor A, Studiul metalelor, Institutul de cercetare i proiectare aparataj pentru instalaii i utilaje pentru construcii, 1985.

    5. Ulmanu V., Tehnologia materialelor, I.P.G., Ploieti, 1976. 6. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea I, Editura I.P.G. Ploieti, 1984. 7. Zecheru Gh., Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura

    ILEX i Editura Universitii din Ploieti, 2001.

  • Tehnologia Materialelor

    -21-

    Unitatea 2. Studiul metalelor i aliajelor

    2.1. Deformarea plastic a materialelor metalice

    2.2. Ruperea materialelor metalice

    2.3. Comportarea la oboseal a materialelor metalice

    Cunotine i deprinderi

    La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei nelege:

    - care sunt mecanismele prin care se realizeaz deformarea plastic a materialelor metalice;

    - ce fenomene nsoesc deformarea plastic a unui material metalic;

    - ce nseamn ruperea ductil sau fragil a unui material metalic i care sunt factorii care

    influeneaz comportarea la rupere;

    - ce se ntmpl cu materialele metalice n timpul unei solicitri mecanice, variabile n timp;

    - ce nseamn ciclu de solicitare variabil;

    - care sunt factorii care influeneaz comportarea materialelor metalice n timpul unei

    solicitri mecanice, variabile n timp.

    La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei putea:

    - s explici cum se realizeaz, la nivel microscopic, deformarea plastic a unui material

    metalic;

    - s descrii fenomenele care nsoesc deformarea plastic a unui material metalic;

    - s identifici comportarea ductil sau fragil a materialului metalic;

    - s explici fenomenul de oboseal ce survine n timpul unei solicitri mecanice, variabile n

    timp, a materialelor metalice;

    - s identifici natura ciclurilor de solicitare variabile;

    - s identifici factorii care influeneaz rezistena la oboseal a materialelor metalice;

    - s identifici natura solicitrilor mecanice care au condus la ruperea materialelor metalice

    (solicitare la oboseal, solicitare la traciune).

    2.1. Deformarea plastic a materialelor metalice

    Aa cum s-a precizat n unitatea de nvare anterioar, materialele metalice sunt

    corpuri policristaline, deoarece conin o infinitate de gruni cristalini, fiecare avnd

    reeaua cristalin orientat dup alt direcie. Plecnd de la acest considerent,

    deformarea plastic a unui material metalic se realizeaz prin deformarea plastic a

    fiecrui monocristal n parte.

    Deformarea plastic a monocristalelor se realizeaz prin dou mecanisme:

    a) deformare plastic prin alunecare; b) deformare plastic prin maclare.

    a) Deformarea plastic prin alunecare

    Deformarea plastic prin alunecare se explic prin deplasarea dislocaiilor, sub

    aciunea tensiunilor tangeniale , de-a lungul unor plane cu densitate maxim de atomi,

    numite plane de alunecare (fig. 2.1).

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -22-

    Fig. 2.1. Deformare plastic prin alunecare.

    Deplasarea se face progresiv, pn la eliminarea dislocaiei sub form de treapt

    la suprafaa cristalului, ceea ce modific ireversibil forma cristalului, sau pn la

    blocarea dislocaiei de ctre obstacole. Obstacolele sunt rezultate ca urmare a

    interaciunii dintre dou sau mai multe dislocaii ce se deplaseaz n plane de alunecare

    concurente.

    n absena dislocaiilor, eforturile de forfecare necesare pentru a deplasa o parte

    a cristalului n raport cu alta sunt mari, deoarece este necesar ruperea simultan a

    legturilor dintre toi atomii adiaceni planului de alunecare. Deplasarea prin cristal a

    unei dislocaii marginale necesit eforturi mult mai reduse, deoarece implic numai

    ruperea legturilor dintre atomii a dou iruri reticulare, adiacente planului de alunecare.

    b) Deformarea plastic prin maclare

    Const n modificarea orientrii unei pri a monocristalului, n raport cu un plan

    de separaie numit plan de maclare, ntr-o nou poziie simetric cu cealalt parte (fig.

    2.2).

    Fig. 2.2. Deformarea plastic prin maclare.

    Deformarea plastic prin maclare este mai rar ntlnit, pentru c necesit o energie mai mare.

    Plan de

    alunecare

    Plane de maclare

    Zo

    n

    mac

    lat

  • Tehnologia Materialelor

    -23-

    Deformarea plastic a corpurilor policristaline se realizeaz prin deformarea

    plastic a fiecrui monocristal n parte. Deformarea plastic ncepe n acele

    monocristale care au reeaua cristalin orientat pe direcia de solicitare. Treptat, pe

    msura avansrii procesului de deformare, apare fenomenul de ecruisare (materialul se

    opune deformrii n continuare).

    Ecruisarea este nsoit de modificarea proprietilor materialului metalic (crete

    duritatea, crete rezistena mecanic, scade plasticitatea, etc.).

    Cu creterea tensiunii de solicitare, noi gruni cristalini i vor orienta reeaua

    cristalin pe direcia solicitrii (prin rotire) i vor ncepe i ei s se deformeze. Se

    realizeaz astfel deformarea plastic global a corpului policristalin.

    Un material metalic deformat plastic prezint un fibraj (structur

    fibroas/textur), realizat prin orientarea tuturor blocurilor alunecate pe direcia de

    aciune a forei (direcia de deformare) (fig. 2.3).

    Fig. 2.3. Structura fibroas a materialului metalic deformat plastic.

    n general, deformarea plastic produce o distorsiune a reelei cristaline,

    sfrmarea cristalelor corpului policristalin i, ca urmare, acumularea unei importante

    energii n material sub form de tensiuni interne, care l scot din starea de echilibru. El

    tinde spre starea de echilibru, odat cu creterea temperaturii, astfel:

    - la temperaturi mici, T = (0,2 0,3)Tt [K], cresc oscilaiile termice ale atomilor, sunt activate procesele de difuzie ale acestora, pe baza crora se

    reduc distorsiunile reelei cristaline deformate, se redistribuie local i se

    anuleaz reciproc defectele acesteia; ca urmare, se reface parial capacitatea

    de deformare plastic a materialului metalic, procesul numindu-se restaurare;

    - la temperaturi mai mari, peste T = (0,3 0,4)Tt [K], se intensific mult difuzia atomilor i se creeaz condiiile formrii, din grunii deformai, a

    unor gruni noi, echiaxiali, de form poligonal; procesul se numete

    recristalizare i determin dispariia ecruisrii (crete plasticitatea i scade

    duritatea i rezistena mecanic), i prin urmare se reface capacitatea de

    deformare plastic a materialului.

    Tratamentul termic prin care un material metalic ecruisat se nclzete peste

    temperatura de recristalizare (Tr 0,4Tt; unde: Tt = temperatura absolut de topire a

    materialului), n scopul nmuierii, se numete recoacere de recristalizare.

    Deformarea plastic a unui material metalic poate avea loc:

    - la rece (T < Tr) - produce ecruisarea materialului i impune recristalizarea ulterioar a acestuia, pentru nlturarea efectelor ecruisrii;

    - la cald (T > Tr) - nu produce ecruisarea materialului.

    Gruni cristalini

    nainte de

    deformare

    Textur (gruni

    cristalini dup

    deformare)

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -24-

    Rezumat:

    - Deformarea plastic a monocristalelor se realizeaz prin dou mecanisme: deformare

    plastic prin alunecare (const n deplasarea dislocaiilor, sub aciunea tensiunilor tangeniale

    , de-a lungul unor plane cu densitate maxim de atomi, numite plane de alunecare) sau

    deformare plastic prin maclare (const n modificarea orientrii unei pri a monocristalului,

    n raport cu un plan de separaie numit plan de maclare, ntr-o nou poziie simetric cu

    cealalt parte).

    - Deformarea plastic a corpurilor policristaline se realizeaz prin deformarea plastic a

    fiecrui monocristal (grunte cristalin) n parte. Deformarea plastic ncepe n acele

    monocristale (gruni cristalini) care au reeaua cristalin orientat pe direcia de solicitare.

    Treptat, pe msura avansrii procesului de deformare, apare fenomenul de ecruisare (crete

    duritatea, crete rezistena mecanic, scade plasticitatea, etc.).

    - Deformarea plastic produce o distorsiune a reelei cristaline, sfrmarea cristalelor corpului

    policristalin i, ca urmare, acumularea unei importante energii n material sub form de

    tensiuni interne, care l scot din starea de echilibru. El tinde spre starea de echilibru odat cu

    creterea temperaturii. Tratamentul termic prin care un material metalic ecruisat se nclzete

    peste temperatura de recristalizare (Tr 0,4Tt), n scopul nmuierii, se numete recoacere de

    recristalizare.

    - Deformarea plastic a unui material metalic poate avea loc: la rece T < Tr (produce

    ecruisarea materialului i impune recristalizarea ulterioar a lui, pentru nlturarea ecruisrii)

    sau la cald T > Tr (nu produce ecruisarea materialului).

    2.2. Ruperea materialelor metalice

    Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui corp n dou sau mai multe pri

    sub aciunea unei stri de tensiuni.

    Clasificarea ruperilor se face dup mai multe criterii, i anume:

    a) dup modul cristalografic n care se produce ruperea (dup tensiunea care produce ruperea):

    - rupere prin smulgere (clivaj) (fig. 2.4) - produs de tensiunea normal = F/S, [N/m

    2], dat de raportul dintre fora de solicitare normal F i

    suprafaa S pe care aceasta acioneaz; se rup legturile dintre atomi, datorit

    modificrii distanelor dintre acetia, fr a se modifica poziiile lor relative;

    Fig. 2.4. Rupere prin smulgere.

  • Tehnologia Materialelor

    -25-

    - rupere prin alunecare (forfecare) (fig. 2.5) - produs de tensiunea tangenial = T/S, [N/m

    2], dat de raportul dintre fora de solicitare tangent T i

    suprafaa S pe care aceasta acioneaz; se rup legturile dintre atomi, datorit

    modificrii poziiilor lor relative;

    Fig. 2.5. Rupere prin forfecare.

    b) dup aspectul ruperii: - rupere cu aspect cristalin strlucitor - produs prin smulgere; - rupere cu aspect fibros - produs prin forfecare. c) dup deformaiile plastice care preced ruperea: - ruperi fragile - nu sunt precedate de deformaii plastice, se produc cu vitez

    mare, prin smulgere, se propag intercristalin i au aspect cristalin strlucitor

    (fig. 2.6);

    Fig. 2.6. Rupere fragil.

    - ruperi ductile - sunt precedate de deformaii plastice, se produc prin

    alunecare, se propag transcristalin (printre cristale) i au aspect fibros

    (aspect caracteristic de cup-con) (fig. 2.7).

    Fig. 2.7. Rupere ductil cup-con.

    Propagare

    intercristalin a ruperii

    F F

    Propagare

    transcristalin

    a ruperii

    F F

    con

    cup

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -26-

    Factorii de care depinde comportarea la rupere a materialelor metalice. Comportarea la rupere, ductil sau fragil, a unui material metalic nu este o

    caracteristic intrinsec a acestuia, ci este influenat de o serie de factori:

    a) natura materialului; b) temperatura - la toate metalele, limita de curgere, Re, crete cu scderea

    temperaturii, n timp ce rezistena la smulgere (clivaj), Rs, rmne constant

    (este insensibil la temperatur) (fig. 2.8); cea mai mic temperatur de

    exploatare a materialului metalic trebuie s fie mai mare dect temperatura

    lui de tranziie, ttr, pentru ca ruperea s nu fie fragil.

    Fig. 2.8. Influena temperaturii asupra comportrii la rupere

    a materialelor metalice.

    c) prezena concentratorilor de tensiune (gradul de triaxialitate al solicitrii-al strii de tensiuni) (fig. 2.9) - acelai material are o comportare din ce n ce

    mai puin tenace (mai fragil), pe msur ce se trece de la solicitarea

    monoaxial, ctre o solicitare triaxial (gradul de triaxialitate a tensiunilor

    3).

    Fig. 2.9. Stare de tensiuni.

    n care: 1, 2, 3 sunt tensiuni normale principale: 1 > 2 > 3;

    1 0, 2 = 0, 3 = 0 - solicitare monoaxial;

    1 0, 2 0, 3 0 - solicitare triaxial;

    = grad de triaxialitate a tensiunilor;

    cnd 1 2 3, K 3; este situaia cea mai nefavorabil, iar

    fragilitatea materialului este maxim.

    Re, Rs, [N/m2]

    t, [0C]

    Rs

    Re

    Fragil

    Ductil

    Domeniul comportrii ductile

    Domeniul comportrii fragile

    Domeniul de temperaturi de exploatare

    ttr

    z

    x

    y

    3

    2

    1

  • Tehnologia Materialelor

    -27-

    Prezena unei crestturi pe suprafaa unei piese solicitat monoaxial determin

    apariia strii triaxiale de tensiuni i creterea temperaturii de tranziie, deci micorarea

    domeniului de temperaturi de exploatare a materialului fr riscul apariiei ruperii

    fragile (fig. 2.10). Cu alte cuvinte, prezena concentratorilor de tensiune favorizeaz

    creterea domeniului comportrii fragile.

    Fig. 2.10. Influena concentratorilor de tensiune asupra comportrii

    la rupere a materialelor metalice: A - epruvet fr concentrator de tensiune (cresttur); B - epruvet cu concentrator de tensiune

    (cresttur); Re - limit de curgere; Rs - rezistena la smulgere.

    d) viteza de solicitare - cu creterea vitezei de solicitare crete temperatura de

    tranziie i domeniul comportrii fragile (domeniu nedorit) (fig. 2.11).

    Fig. 2.11. Influena vitezei de solicitare asupra comportrii

    la rupere a materialelor metalice: A - epruvet solicitat static; B - epruvet solicitat dinamic (ex.: la ncovoiere prin oc);

    Re - limit de curgere; Rs - rezistena la smulgere.

    Rezumat:

    - Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui corp n dou sau mai multe pri sub

    aciunea unei stri de tensiuni.

    - Ruperile se clasific dup mai multe criterii: dup modul cristalografic n care se produce

    ruperea (rupere prin smulgere, produs de tensiunea normal , dat de raportul dintre fora

    de solicitare normal, F, i suprafaa, S, pe care aceasta acioneaz; rupere prin alunecare,

    produs de tensiunea tangenial, , dat de raportul dintre fora de solicitare tangent, T, i

    suprafaa, S pe care aceasta acioneaz); dup aspectul ruperii (rupere cu aspect cristalin

    Re, Rs, [N/m2]

    t, [0C]

    Rs (A) (B)

    Re (B)

    Domeniul de temperaturi de exploatare

    ttr(A)

    Re (A)

    Domeniul de temperaturi de exploatare

    ttr(B)

    Re, Rs, [N/m2]

    t, [0C]

    Rs (A) (B)

    Re (B)

    Domeniul de temperaturi de exploatare

    ttr(A)

    Re (A)

    Domeniul de temperaturi de exploatare

    ttr(B)

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -28-

    strlucitor, produs prin smulgere; rupere cu aspect fibros, produs prin forfecare); dup

    deformaiile plastice care preced ruperea (ruperi fragile, care nu sunt precedate de

    deformaii plastice, se produc cu vitez mare, prin smulgere, se propag intercristalin i au

    aspect cristalin strlucitor; ruperi ductile, care sunt precedate de deformaii plastice, se

    produc prin alunecare, se propag transcristalin i au aspect fibros, caracteristic de cup-con).

    - Comportarea la rupere, ductil sau fragil, a unui material metalic nu este o caracteristic

    intrinsec a acestuia ci este influenat de o serie de factori: natura materialului, temperatura,

    prezena concentratorilor de tensiune (gradul de triaxialitate al solicitrii-al strii de tensiuni),

    viteza de solicitare.

    2.3. Comportarea la oboseal a materialelor metalice

    Sub aciunea unei sarcini variabile n timp (ca mrime i ca sens), rezistena i

    tenacitatea (plasticitatea) materialelor metalice scad, iar ruperea are loc la tensiuni de

    solicitare mai mici dect rezistena la rupere a materialului metalic. Fenomenul se

    numete oboseal, iar ruperea produs astfel se numete rupere prin oboseal.

    Solicitrile variabile au un caracter periodic i se pot caracteriza printr-un ciclu

    de solicitare, care reprezint variaia valorilor tensiunii de solicitare v n timpul unei

    perioade T.

    Ciclurile de solicitare variabile pot fi:

    a) ondulante - cnd tensiunile au acelai semn (fig. 2.12);

    Fig. 2.12. Ciclul de solicitare ondulant.

    b) alternante - cnd tensiunile i schimb semnul (ex.: oboseal rotativ de ncovoiere) (fig. 2.13).

    Fig. 2.13. Ciclul de solicitare alternant.

    , [h]

    v, [N/m2]

    T

    , [h]

    +v, [N/m2]

    -v, [N/m2]

    T

    compresiune

    ntindere (traciune)

  • Tehnologia Materialelor

    -29-

    n cazul unei solicitri alternante de ntindere-compresiune, se pot deosebi dou moduri de variaie a lui v cu numrul de cicluri de solicitare N pn la rupere, n

    funcie de natura materialului metalic (fig. 2.14). Cu ct N este mai mic cu att v este

    mai mare.

    Fig. 2.14. Curbe tipice de durabilitate la oboseal a

    materialelor metalice sau curbe Whler: Rm - rezistena la rupere a materialului metalic;

    R0 - rezistena la oboseal a materialului metalic.

    Curba I - este specific pentru unele materiale (ex.: aliaje de aluminiu), i arat

    c, orict ar scdea tensiunea variabil v, ruperea tot se va produce dup un anumit

    numr de cicluri de solicitare;

    Curba II - este specific pentru unele materiale (ex.: Fe, aliaje Fe-C cu procent

    sczut de carbon), i arat c, sub o anumit valoare caracteristic a tensiunii v, notat

    R0 sau 0, numit rezisten la oboseal, ruperea nu se mai produce, orict de mult ar

    crete numrul ciclurilor de solicitare, N.

    Stadiile ruperii prin oboseal (fig. 2.15):

    a) iniierea fisurii; b) propagarea lent a fisurii, ctre interiorul piesei, fr ruperea acesteia, pn

    cnd seciunea portant (transversal nefisurat) a piesei devine prea mic

    pentru a mai rezista sarcinilor aplicate;

    c) ruperea final brusc.

    Fig. 2.15. Stadiile ruperii prin oboseal.

    Factorii de care depinde rezistena la oboseal a materialelor metalice.

    1) Factori constructivi (adoptai la proiectarea piesei), cum ar fi: a) natura materialului - cu ct rezistena la rupere Rm este mai mic, cu att

    rezistena la oboseal R0 crete;

    b) forma i dimensiunile piesei - pentru a crete R0 se vor evita trecerile brute de seciune, concentratorii de tensiune (crestturi, guri) i

    dimensiunile mari (piese supradimensionate).

    Zona de rupere final brusc

    (grunoas)

    Zona de propagare lent a

    fisurii (neted i lucioas)

    Zona de iniiere a fisurii

    N, [cicluri] - scar logaritmic

    v, [N/m2]

    Rm

    R0 (0)

    10610

    7

    I

    II

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -30-

    2) Factori tehnologici (adoptai la prelucrarea piesei), cum ar fi: a) granulaia materialului - cu ct este mai fin, cu att crete R0; b) calitatea suprafeei - cu ct rugozitatea suprafeei este mai mic

    (suprafa mai fin), cu att crete R0;

    c) prezena unei stri suplimentare de tensiuni n stratul piesei (realizat printr-un tratament termochimic de suprafa) favorizeaz creterea lui

    R0.

    3) Factori de exploatare (prevzui n timpul exploatrii piesei), cum ar fi: a) natura mediului - n medii agresive, corozive, R0 scade; b) temperatura de exploatare - cu creterea temperaturii, R0, scade; c) mrimea tensiunii variabile, v (v. fig.2.14) - cu ct v este mai mic, cu

    att crete numrul de cicluri, N, de solicitare pn la rupere, pentru

    curba I, iar pentru curba II, pentru v < R0, ruperea nu se mai produce;

    d) prezena unei tensiuni statice, s (ex.: epruveta este solicitat la traciune prin tragerea ei de capete, n timp ce ea se rotete i se ncovoaie), care se

    suprapune peste tensiunea variabil, dnd natere unei tensiuni

    rezultante, , = v + s; prin compunerea celor dou tensiuni v i s,

    ciclul de solicitare devine ondulant (fig. 2.16).

    Fig. 2.16. Ciclul de solicitare rezultant (ondulant).

    Considernd trei valori ale tensiunii statice, s1 > s2 > s3 se constat c, odat

    cu creterea tensiunii statice trebuie s scad tensiunea variabil v (v1 < v2 < v3),

    astfel nct ruperea s se produc dup acelai numr de cicluri de solicitare, Nr

    (fig. 2.17).

    Fig. 2.17. Variaia tensiunilor statice i variabile n funcie

    de numrul de cicluri de solicitare.

    +, [N/m2]

    -, [N/m2]

    v

    s

    =v+s

    , [h] 0

    N, [cicluri]

    v, [N/m2]

    s3

    s2

    s1

    v3 v2 v1

    Nr

  • Tehnologia Materialelor

    -31-

    e) prezena concentratorilor de tensiune (efectul de cresttur). La o bar ntins, prevzut cu o cresttur, efortul unitar nu mai este uniform

    repartizat pe seciune, ca n cazul barei lise (fr cresttur), ci prezint vrfuri de

    tensiune n dreptul fundului crestturii (fig. 2.18).

    Fig. 2.18. Distribuia efortului unitar pe seciunea unei epruvete prevzut

    cu concentrator de tensiune:

    r - raza de curbur la fundul crestturii; S0 - seciunea barei lise pe poriunea fr cresttur);

    Sp - seciunea portant (seciunea barei pe poriunea cu cresttur); = F/S0 = ct. (tensiunea pe

    poriunea fr cresttur); n = F/Sp (tensiunea nominal pe poriunea cu cresttur).

    La fundul crestturii apare o tensiune maxim, M, mult mai mare dect

    tensiunea nominal, n: M > n.

    Se noteaz cu

    , coeficientul de concentrare al tensiunilor.

    = f(r): cu ct raza de curbur r este mai mic, cu att este mai mare.

    n cazul solicitrii la solicitri variabile, datorit efectului de cresttur pe care l

    exercit fisura produs prin oboseal, precum i datorit micorrii progresive a

    seciunii portante, solicitarea depete la un moment dat rezistena materialului,

    producndu-se ruperea brusc a seciunii rmase.

    Rezumat:

    - Sub aciunea unei sarcini variabile n timp (ca mrime i ca sens), rezistena i tenacitatea

    (plasticitatea) materialelor metalice scad, iar ruperea are loc la tensiuni de solicitare mai mici

    dect rezistena la rupere a materialului metalic. Fenomenul se numete oboseal, iar ruperea

    produs astfel se numete rupere prin oboseal.

    - Solicitrile variabile au un caracter periodic i se pot caracteriza printr-un ciclu de

    solicitare, care reprezint variaia valorilor tensiunii de solicitare, v n timpul unei perioade,

    T. Ciclurile de solicitare variabile pot fi: ondulante (cnd tensiunile au acelai semn) sau

    alternante (cnd tensiunile i schimb semnul).

    - Ruperea prin oboseal cuprinde urmtoarele stadii: iniierea fisurii; propagarea lent a

    fisurii, ctre interiorul piesei, fr ruperea acesteia, pn cnd seciunea portant (transversal

    nefisurat) a piesei devine prea mic pentru a mai rezista sarcinilor aplicate; ruperea final

    brusc.

    - Rezistena la oboseal a materialelor metalice este influenat de o serie de factori, cum ar

    fi: factori constructivi (adoptai la proiectarea piesei, ex.: natura materialului, forma i

    dimensiunile piesei), factori tehnologici (adoptai la prelucrarea piesei; ex.: granulaia

    materialului, calitatea suprafeei, prezena unei stri suplimentare de tensiuni n stratul piesei)

    i factori de exploatare (prevzui n timpul exploatrii piesei, ex: natura mediului,

    temperatura de exploatare, mrimea tensiunii variabile, v, prezena unei tensiuni statice, s,

    care se suprapune peste tensiunea variabil, prezena concentratorilor de tensiune).

    F F

    r

    S0 Sp

    M

    M

    n

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -32-

    Teste de autoevaluare:

    T1) Deformarea plastic a cristalelor reale care alctuiesc structura pieselor metalice se

    realizeaz prin: a) deplasarea dislocaiilor, sub aciunea tensiunilor tangeniale, de-a lungul

    unor plane cu densitate maxim de atomi; b) deplasarea dislocaiilor, sub aciunea tensiunilor

    normale, de-a lungul unor plane cu densitate maxim de atomi; c) modificarea orientrii unei

    pri a monocristalului, n raport cu un plan de separaie, ntr-o nou poziie simetric cu

    cealalt parte. Indicai varianta corect.

    T2) Deformarea plastic realizat la o temperatur T < Tr este denumit: a) deformare

    plastic la cald; b) deformare plastic la rece; c) deformare plastic la rece i la cald. Precizai

    varianta corect.

    T3) Care din urmtoarele fenomene se pot produce la nclzirea unui material metalic

    ecruisat prin deformare plastic la rece: a) cristalizarea primar; b) recristalizarea;

    c) cristalizarea secundar?

    T4) Care din urmtoarele caracteristici corespund ruperilor fragile ale materialelor metalice:

    a) sunt precedate de deformaii plastice; b) se produc cu vitez mare, prin smulgere;

    c) se propag intercristalin i au aspect cristalin strlucitor?

    T5) Care din urmtoarele caracteristici corespund ruperilor ductile ale materialelor metalice:

    a) nu sunt precedate de deformaii plastice; b) se produc prin alunecare; c) se propag

    transcristalin i au aspect fibros caracteristic de cup-con?

    T6) Care din urmtoarele afirmaii, privind oboseala materialelor metalice, sunt adevrate:

    a) procesul de degradare prin oboseal cuprinde trei stadii: iniierea fisurii, propagarea lent a

    fisurii i ruperea final brusc; b) suprafaa de rupere la oboseal a materialelor metalice are

    un aspect caracteristic de cup-con; c) fenomenul de oboseal survine sub aciunea unei

    sarcini de solicitare constante n timp?

    T7) Ciclul de solicitare la oboseal a materialelor metalice, n prezena unei tensiuni statice

    care se suprapune peste tensiunea variabil, devine: a) ondulant; b) alternant; c) alternant -

    ondulant. Indicai varianta corect.

    Lucrare de control:

    1) Deformarea plastic a materialelor metalice (2 puncte).

    2) Ruperea materialelor metalice (2 puncte).

    3) Comportarea la oboseal a materialelor metalice (2 puncte).

    Rspunsuri la testele de autoevaluare:

    T1) a), c); T2) b); T3) b); T4) b), c); T5) b), c); T6) a); T7) a).

    Bibliografie

    1. Drghici Gh., Albert C., Minescu M., Ispas V., Tehnologia Materialelor - ndrumar de lucrri practice, UPG Ploieti, 1995.

    2. Rdulescu M., Studiul metalelor, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.

    3. Tudor I., Svulescu M.J., Zecheru Gh., Drghici Gh., Albert C., Talle M., Tehnologia materialelor, Editura I.P.G. Ploieti, 1992.

    4. Tudor A, Studiul metalelor, Institutul de cercetare i proiectare aparataj pentru instalaii i utilaje pentru construcii, 1985.

    5. Ulmanu V., Tehnologia materialelor, I.P.G., Ploieti, 1976. 6. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea I, Editura I.P.G. Ploieti, 1984. 7. Zecheru Gh., Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura

    ILEX i Editura Universitii din Ploieti, 2001.

  • Tehnologia Materialelor

    -33-

    Unitatea 3. Studiul metalelor i aliajelor

    3.1. Alotropia metalelor (polimorfismul)

    3.2. Solidificarea metalelor pure

    3.3. Generaliti privind aliajele

    3.4. Generaliti privind aliajele Fe-C

    3.5. Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C

    Cunotine i deprinderi

    La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei nelege:

    - ce nseamn alotropia metalelor i care sunt formele alotropice ale fierului;

    - cum se realizeaz solidificarea metalelor pure;

    - ce sunt aliajele i care sunt prile constitutive ale structurii unui material metalic;

    - ce reprezint i cum se clasific sistemul de aliaje Fe-C;

    - ce sunt oelurile carbon i fontele albe;

    - ce aliaje sufer transformri structurale n conformitate cu diagrama de echilibru metastabil

    a sistemului Fe-Fe3C .

    La finalul parcurgerii acestei uniti de nvare vei putea:

    - s explici ce nseamn alotropia metalelor i n ce const transformarea alotropic a

    acestora;

    - s explici mecanismul prin care se realizeaz cristalizarea unui material metalic;

    - s defineti aliajele i s identifici prile constitutive ale acestora;

    - s explici ce nseamn aliajele Fe-C;

    - s identifici oelurile carbon i fontele albe;

    - s identifici transformrile structurale ale aliajelor care se produc n conformitate cu

    diagrama de echilibru metastabil Fe-Fe3C .

    3.1. Alotropia metalelor (polimorfismul)

    Alotropia sau polimorfismul reprezint proprietatea unor metale (Fe, Si, Mn, Ti,

    Co) de a-i schimba tipul reelei cristaline o dat cu schimbarea temperaturii, adoptnd

    forme cristaline noi, numite forme alotropice sau modificaii proprii.

    Aceast transformare are loc datorit tendinei metalului de a adopta, la

    temperatura respectiv, forma cristalin cu energie liber, E, minim (stare de echilibru

    stabil), n care (U = energia intern a sistemului, dat de energia cinetic i potenial a microparticulelor, T = temperatura, S = entropia care indic gradul de

    dezordine din sistem).

    Transformarea alotropic, numit i cristalizare secundar, este o transformare n

    stare solid, care are loc la o temperatur numit punct critic de transformare

    (temperatur critic). Aceast temperatur, specific fiecrui metal, se menine

    constant n timpul transformrii.

    Transformarea alotropic se produce cu absorbie de cldur, dac are loc n

    timpul nclzirii, sau cu degajare de cldur, dac are loc n timpul rcirii metalului.

    Fierul prezint trei stri alotropice: Fe, Fe, Fe.

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -34-

    n figura 3.1. sunt prezentate curbele de variaie cu temperatura a energiei libere

    pentru diferite sisteme de cristalizare ale fierului.

    Fig. 3.1. Curbele de variaie cu temperatura a energiei libere pentru diferite

    sisteme de cristalizare ale fierului: 1 - curba de variaie cu temperatura a energiei libere n reeaua CFC;

    2 - curba de variaie cu temperatura a energiei libere n reeaua CVC.

    Fe - cristalizeaz n sistem CVC i este stabil pn la 9100C;

    Fe - cristalizeaz n sistem CFC i este stabil ntre (910 1392)0C;

    Fe - cristalizeaz n sistem CVC i este stabil ntre (1392 1538)0C.

    Fe i Fe au acelai tip de reea cristalin, dar atomii de fier au raze atomice

    diferite.

    Temperatura de topire a fierului este 15380C.

    Formele alotropice ale unui material metalic au proprieti bine definite, diferite

    de la o form alotropic la alta.

    Rezumat:

    - Alotropia sau polimorfismul reprezint proprietatea unor metale de a-i schimba tipul reelei

    cristaline (datorit tendinei metalului respectiv de a adopta ntotdeauna starea cu energie

    liber minim, stare de echilibru stabil) o dat cu schimbarea temperaturii, adoptnd forme

    cristaline noi numite forme alotropice sau modificaii proprii.

    - Fierul prezint trei stri alotropice: Fe, stabil pn la 9100C, Fe, stabil ntre (910 1392)

    0C,

    Fe, stabil ntre (1392 1538)0C..

    - Transformarea alotropic, numit i cristalizare secundar, este o transformare n stare

    solid, care are loc la o temperatur numit temperatur critic (este specific fiecrui metal i

    se menine constant n timpul transformrii).

    - Formele alotropice ale unui material metalic au proprieti bine definite, diferite de la o

    form alotropic la alta.

    Reea CFC Reea CVC

    1

    2

    E, [J]

    t, [0C]

    Fe Fe Fe

    910 1392 1538

  • Tehnologia Materialelor

    -35-

    3.2. Solidificarea metalelor pure

    Trecerea unui metal din stare lichid n stare solid se numete cristalizare

    primar. Ea are loc datorit tendinei metalului respectiv de a adopta ntotdeauna starea

    cu energie liber minim (stare de echilibru stabil).

    n figura 3.2. sunt prezentate curbele de variaie cu temperatura a energiei libere

    pentru diferitele stri de agregare ale materialului metalic.

    Fig. 3.2. Curbele de variaie cu temperatura a energiei libere pentru diferitele

    stri de agregare ale materialului metalic: S - curba de variaie cu temperatura a energiei libere pentru faza (starea) solid;

    L - curba de variaie cu temperatura a energiei libere pentru faza (starea) lichid;

    E - energia liber; Dt - subrcire; tC - punct critic de temperatur; tS-L - temperatura de echilibru,

    cnd exist simultan ambele faze (pentru c ele au aceeai energie liber).

    Atunci cnd t < tS-L este stabil starea solid (faza solid are energie minim), iar

    n situaia n care t > tS-L este stabil starea lichid (faza lichid are energie minim).

    Pentru ca solidificarea s nceap, trebuie ca energia liber a fazei solide s fie

    mai mic dect a fazei lichide. Acest lucru se realizeaz printr-o subrcire, cu valoarea

    Dt, creia i corespunde o scdere a energiei libere a fazei solide cu valoarea DE. Din

    acest moment, centrii de cristalizare nu se mai retopesc n masa de lichid i solidificarea

    poate continua. Germenii (centrii) de cristalizare pot fi omogeni (cnd aparin metalului

    respectiv) sau eterogeni (cnd sunt strini, ex.: impuriti i elemente introduse

    intenionat, numite modificatori, pentru a mri numrul de cristale formate i a finisa

    granulaia).

    Studiul cristalizrii unui material metalic se face cu ajutorul curbei de rcire (fig. 3.3).

    E, [J]

    t, [0C]

    S

    L

    S L

    Dt D

    E

    tc tS-L

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -36-

    Fig. 3.3. Curba de rcire a unui metal pur: tc - punct critic de temperatur.

    Palierul de pe curba de rcire arat c, n timpul solidificrii, temperatura este

    constant, dei metalul pierde continuu cldur. Pierderea de cldur este compensat

    de cldura degajat n timpul solidificrii (numit cldur latent de solidificare) pentru

    reducerea energiei libere a metalului.

    Rezumat:

    Trecerea unui metal din stare lichid n stare solid se numete cristalizare primar. Ea are loc

    datorit tendinei metalului respectiv de a adopta ntotdeauna starea cu energie liber minim

    (stare de echilibru stabil). Pentru ca solidificarea s nceap, trebuie ca energia liber a fazei

    solide s fie mai mic dect a fazei lichide. Acest lucru se realizeaz printr-o subrcire, creia

    i corespunde o scdere a energiei libere a fazei solide, moment n care centrii de cristalizare

    nu se mai retopesc n masa de lichid i solidificarea poate continua. Germenii (centrii) de

    cristalizare pot fi omogeni (cnd aparin metalului respectiv) sau eterogeni (cnd sunt strini,

    ex.: impuriti i elemente introduse intenionat, numite modificatori, pentru a mri numrul

    de cristale formate i a finisa granulaia).

    Studiul cristalizrii unui material metalic se face cu ajutorul curbei de rcire.

    3.3. Generaliti privind aliajele

    Aliajele sunt materiale metalice, omogene macroscopic, obinute prin topirea i

    solidificarea n comun a dou sau mai multe elemente chimice (n special metale).

    Componenii sunt elementele chimice care compun aliajul. Aliajele conin un

    component de baz (de obicei metalic) i unul sau mai muli componeni de aliere

    (metalici sau nemetalici). Dup numrul de componeni, aliajele pot fi:

    - binare (cu doi componeni, k = 2); - ternare (cu trei componeni, k = 3); - cuaternare (cu patru componeni, k = 4); - polinare (cu mai muli componeni). Sistemul de aliaje reprezint totalitatea aliajelor formate din aceiai componeni,

    dar luai n proporii diferite.

    Exemplu: sistemul de aliaje Ni-Cu 70% Ni 71% Ni

    30% Cu 29% Cu

    Constituenii metalografici sunt pri constitutive ale structurii unui material

    metalic, formai din una sau mai multe faze.

    t, [0C]

    tS-L

    tC

    Dt

    Palier

  • Tehnologia Materialelor

    -37-

    Faza este o parte omogen a unui sistem de aliaje, separat de restul sistemului

    printr-o suprafa de separaie, la trecerea creia are loc o modificare n salturi a

    proprietilor.

    Dup numrul de faze pe care l conin, constituenii metalografici pot fi:

    - constitueni monofazici (F = 1) - ex: metalul pur, soluia solid, compusul definit;

    - constitueni multifazici (bifazici - cu F = 2, trifazici - cu F = 3, etc.) - ex: amestecuri mecanice.

    Soluia solid este un constituent monofazic, cu reeaua cristalin format din

    dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie ntmpltoare n reea. Se

    noteaz cu , , .

    Dup modul de formare, soluia solid poate fi:

    - soluie solid de substituie - ex.: B(A) (fig. 3.4, a); - soluie solid interstiial - ex.: B(A) (fig. 3.4, b). Exemplu: ferita Fe(C), n cazul aliajelor din sistemul Fe-C, este o soluie

    solid interstiial de C n Fe.

    Fig. 3.4. Soluii solide: a) de substituie de A n B ( B(A)); b) interstiial de A n B ( B(A)).

    Soluiile solide de substituie sau interstiiale pot fi i sub forma A(B).

    Soluia solid se topete (respectiv solidific) ntr-un interval de temperatur.

    Soluia solid poate fi:

    - omogen - cu aspect poliedric (la microscop), obinut n condiii de echilibru (la rcirea cu vitez mic);

    - neomogen (eterogen) - cu aspect arborescent (frunz de ferig), obinut n condiii de dezechilibru (la rcire cu vitez mare).

    Compusul definit este un constituent monofazic, cu reeaua cristalin format din

    dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie precis n reea. Are reea

    cristalin proprie, proprieti bine definite i temperatur unic de topire (respectiv de

    solidificare).

    Exemplu: cementita, Fe3C, n cazul aliajelor din sistemul Fe-C, este un compus

    definit ce conine 6,67% C.

    Amestecul mecanic este un constituent metalografic format din dou sau mai

    multe faze de acelai fel sau diferite, care se separ simultan din lichid (amestec

    mecanic eutectic) sau dintr-o faz solid (amestec mecanic eutectoid), la o temperatur

    i concentraie bine definite (numite eutectice, respectiv eutectoide). Amestecurile

    mecanice pot fi:

    - eutectice - cnd faza care se transform este lichid, la temperatura i concentraia eutectic;

    A

    A

    B B

    a) b)

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -38-

    - eutectoide - cnd faza care se transform este solid, la temperatura i concentraia eutectoid.

    Exemplu: n cazul aliajelor din sistemul Fe-C, perlita este un amestec mecanic

    de tip eutectoid, iar ledeburita este un amestec mecanic de tip eutectic.

    Rezumat:

    - Aliajele sunt materiale metalice, omogene macroscopic, obinute prin topirea i solidificarea

    n comun a dou sau mai multe elemente chimice (n special metale). Componenii sunt

    elemente chimice care compun aliajul. Aliajele conin un component de baz (de obicei

    metalic) i unul sau mai muli componeni de aliere (metalici sau nemetalici). Sistemul de

    aliaje reprezint totalitatea aliajelor formate din aceiai componeni, dar luai n proporii

    diferite. Constituenii metalografici sunt pri constitutive ale structurii unui material metalic,

    formai din una sau mai multe faze. Faza este o parte omogen a unui sistem de aliaje,

    separat de restul sistemului printr-o suprafa de separaie, la trecerea creia are loc o

    modificare n salturi a proprietilor. Soluia solid este un constituent monofazic, cu reeaua

    cristalin format din dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie ntmpltoare

    n reea. Dup modul de formare, soluia solid poate fi: soluie solid de substituie sau

    interstiial. Compusul definit este un constituent monofazic, cu reeaua cristalin format din

    dou sau mai multe feluri de atomi, care au o distribuie precis n reea. Are reea cristalin

    proprie, proprieti bine definite i temperatur unic de topire (respectiv de solidificare).

    Amestecul mecanic este un constituent metalografic format din dou sau mai multe faze de

    acelai fel sau diferite, care se separ simultan din lichid sau dintr-o faz solid, la o

    temperatur i concentraie bine definite. Amestecurile mecanice pot fi: eutectice (faza care se

    transform este lichid, la temperatura i concentraia eutectic) sau eutectoide (faza care se

    transform este solid, la temperatura i concentraia eutectoid).

    3.4. Generaliti privind aliajele Fe-C

    Componentul de baz al aliajelor din sistemul Fe-C este Fe. Acesta prezint trei

    stri (forme) alotropice sau modificaii proprii:

    Fe - stabil pn la 9100C, cristalizeaz n sistem CVC;

    Fe - stabil ntre 9100

    13920C, cristalizeaz n sistem CFC;

    Fe - stabil ntre 13920

    15380C, cristalizeaz n sistem CVC

    Temperatura de topire a fierului este 15380C. Fe prezint proprieti magnetice,

    dar peste 7680C (punct Curie) i pierde aceste proprieti.

    Componentul de aliere al aliajelor din sistemul Fe-C este carbonul. Acesta se

    poate gsi n aliajele sistemului sub dou forme:

    - legat, n compusul definit Fe3C numit cementit; - liber, sub form de C grafit (Cgr). Corespunztor celor dou forme ale carbonului, sistemul de aliaje Fe-C exist n

    dou variante:

    - sistemul metastabil Fe-Fe3C (se numete metastabil deoarece cementita, Fe3C, este o faz metastabil, la temperaturi nalte sau prezena siliciului

    descompunndu-se n Fe i C grafit);

    - sistemul stabil Fe-Cgr. Corespunztor celor dou sisteme de aliaje Fe-C, diagrama de echilibru exist n

    dou variante (fig. 3.5 i 3.6).

    - diagrama de echilibru metastabil (Fe-Fe3C) trasat cu linie continu; - diagrama de echilibru stabil (Fe-Cgr) trasat cu linie punctat.

  • Tehnologia Materialelor

    -39-

    Fig. 3.5. Diagrama de echilibru Fe-C (cu transformare peritectic - n punctul J).

    Q +CgrIII

    P

    0,02 0,1 0,16 0,54 0,68 0,77 2,08 2,11 4,26 4,3

    T, [0C]

    15380

    14950

    13920

    9100

    7270

    11480

    12500

    0

    35400

    11540

    7380

    Fe3C Cgr

    A

    B

    C

    D

    E F G

    H

    J

    N

    S P S

    E C

    F

    K

    K

    100 0

    100

    %Fe

    %C 6,67

    L

    +L

    +

    +

    +L L+Fe3C

    I

    (+Fe3C) Led Led+Fe3C

    I +Led+

    Fe3CII

    +Cgr +CgrII

    [Led]+Fe3CI [Led]

    (P+Fe3C)

    +Cgr

    +

    Fe3CII

    P+[Led]+

    Fe3CII

    P + Fe3CII P

    (+Fe3C) +P+Fe3C

    III +

    Fe3CIII

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -40-

    Fig. 3.6. Diagrama de echilibru Fe-C simplificat (fr transformare peritectic).

    +CgrIII Q

    T, [0C]

    15380

    9100

    7270

    11480

    12500

    0

    35400

    11540

    7380

    Fe3C Cgr

    A, B

    C

    D

    E F G

    S P S

    E C

    F

    K

    K

    100 0

    100

    %Fe

    %C 6,67

    L

    +

    +L L+Fe3CI

    (+Fe3C) Led Led+Fe3C

    I +Led+

    Fe3CII

    +Cgr +CgrII

    [Led]+Fe3CI

    [Led]

    (P+Fe3C)

    +Cgr

    +

    Fe3CII

    P+[Led]+

    Fe3CII

    P + Fe3CII P

    (+Fe3C) +P+Fe3C

    III +

    Fe3CIII

    P

    0,02 0,68 0,77 2,08 2,11 4,26 4,3

  • Tehnologia Materialelor

    -41-

    Rezumat:

    Componentul de baz al aliajelor din sistemul Fe-C este Fe. Acesta prezint trei stri (forme)

    alotropice sau modificaii proprii: Fe, stabil pn la 9100C - cristalizeaz n sistem CVC; Fe,

    stabil ntre (910 1392)0C - cristalizeaz n sistem CFC; Fe, stabil ntre (1392 1538)

    0C -

    cristalizeaz n sistem CVC. Componentul de aliere al aliajelor din sistemul Fe-C este

    carbonul. Acesta se poate gsi sub dou forme: legat, n compusul definit Fe3C numit

    cementit sau liber, sub form de C grafit (Cgr). Corespunztor celor dou forme ale

    carbonului, respectiv celor dou sisteme de aliaje (sistemul metastabil Fe-Fe3C i sistemul

    stabil Fe-Cgr), diagrama de echilibru exist n dou variante: diagrama de echilibru

    metastabil (Fe-Fe3C) i diagrama de echilibru stabil (Fe-Cgr).

    3.5. Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C

    (v. fig. 3.5)

    Constituenii metalografici ai aliajelor din sistemul metastabil Fe-Fe3C sunt:

    a) monofazici: - soluia lichid, L;

    - ferita, - soluie solid interstiial de carbon, C, n Fe ( Fe(C)); concentraia

    maxim de C care se poate dizolva n Fe este de 0,02 % la 7270C; concentraia

    de C n Fe scade la ta (unde: ta = temperatura mediului ambiant); excesul de C din

    suprasaturat se separ sub form de cementit teriar, Fe3CIII

    ;

    - ferita, - soluie solid interstiial de C n Fe ( Fe(C)); concentraia maxim de

    C care se poate dizolva n Fe este de 0,1 % la 14950C;

    - austenita, - soluie solid interstiial de C n Fe ( Fe(C)); concentraia maxim

    de C care se poate dizolva n Fe este de 2,11 % la 11480C; concentraia de C n

    Fe scade pn la 0,77 % la 7270C; excesul de C din suprasaturat se separ sub

    form de cementit secundar, Fe3CII;

    - cementita, Fe3C - compus definit cu 6,67 % C i temperatura de topire 12500C; este o

    faz metastabil deoarece, prin meninere la temperaturi nalte sau n prezena

    siliciului, se descompune: Fe3C 3Fe + C; are duritate mare (800HV), fiind

    fragil; la temperatura ambiant este magnetic, iar la 2150C i pierde

    magnetismul.

    b) bifazici: - perlita, P - amestec mecanic eutectoid format din ferit, , i cementit eutectoid,

    Fe3C, obinut prin descompunerea austenitei: ;

    - ledeburita, Led - amestec mecanic eutectic format din austenit, , i cementit

    eutectic, Fe3C, obinut prin solidificarea lichidului:

    ; la temperatura ambiant, ledeburita se numete ledeburit transformat, [Led], deoarece conine perlit n urma descompunerii eutectoide a austenitei; este

    format deci din perlit i cementit eutectic (primar).

    Transformri ale aliajelor din diagram:

    - transformare eutectoid: ;

    - transformare eutectic: ;

    - transformare peritectic: .

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -42-

    Liniile diagramei:

    - linia ECF : este linia corespunztoare temperaturii transformrii eutectice;

    - linia PSK: notat A1, este linia corespunztoare temperaturii transformrii eutectoide;

    - curba GS: notat A3, este curba sub care din austenit ncepe s se separe ferit;

    - curba SE: notat Acem, este curba de variaie cu temperatura a solubilitii C n Fe;

    sub ea, din suprasaturat se separ carbonul n exces sub form de

    cementit secundar, Fe3CII;

    - curba PQ: este curba de variaie cu temperatura a solubilitii C n Fe; sub ea, din

    suprasaturat se separ carbonul n exces sub form de cementit teriar,

    Fe3CIII

    .

    Aliajele diagramei metastabile:

    a) Fe tehnic: < 0,02% C;

    b) Oeluri carbon: [0,02 2,11)% C

    - Clasificare, n funcie de coninutul de C:

    oel hipoeutectoid:

    [0,02 0,77%) C; constitueni la ta: Fe3C

    II + + P;

    oel eutectoid:

    0,77% C; constitueni la ta: P;

    oel hipereutectoid:

    (0,77 2,11%) C; constitueni la ta: Fe3C

    II + P.

    Oelurile carbon conin maxim 2,11% C. n afar de Fe i C, mai conin i

    elemente nsoitoare permanente, cum ar fi: Si (max. 0,5 %), Mn (max. 0,7%), P (max.

    0,05%), S (max. 0,05%). Si i Mn sunt dezoxidani (introdui voit) iar S i P sunt

    impuriti introduse o dat cu minereurile de fier. Oelurile carbon prezint numai

    transformarea eutectoid i se analizeaz dup diagrama metastabil. Se prelucreaz

    prin deformare plastic la rece sau la cald, deoarece au tenacitate (plasticitate) ridicat.

    Cu creterea coninutului de carbon, crete cantitatea de Fe3C, i prin urmare crete

    duritatea, respectiv rezistena la rupere i scade plasticitatea.

    c) Fonte albe: [2,11 6,67) % C

    - Clasificare, n funcie de procentul de C:

    font alb hipoeutectic:

    [2,11 4,3) % C; constitueni la ta: Fe3C

    II + [Led] + P;

    font alb eutectic:

    4,3% C; constitueni la ta:[Led];

    font alb hipereutectic:

    (4,3 6,67%) C; constitueni la ta: Fe3C

    I + [Led].

  • Tehnologia Materialelor

    -43-

    Fontele albe conin ntre [2,11 6,67) % C. Se numesc albe deoarece n

    sprtur au culoare argintie, datorit prezenei Fe3C. Se obin la rcirea cu vitez mare a

    aliajului i/sau la coninuturi mici de elemente grafitizante (Si, P, Al, Ni, Cu - care

    descompun cementita) i la coninuturi mari de elemente antigrafitizante (Mn, Cr, Mo,

    V - care stabilizeaz cementita). Prezint ambele transformri (eutectic i eutectoid).

    Se studiaz dup diagrama metastabil. Cu creterea coninutului de carbon, crete

    cantitatea de Fe3C, fapt pentru care fontele albe sunt dure, fragile i casante i nu se

    prelucreaz prin deformare plastic. Se achiaz foarte greu, deoarece au rezisten

    mare la uzur. Piesele din font alb se obin prin turnare. Au utilizri restrnse, n

    special la piesele de uzur (bile pentru mori, saboi de frn, flci de concasor) sau ca

    materie prim pentru obinerea oelurilor, a fontelor cenuii i a fontelor maleabile. Meniuni.

    Fonta alb sau fonta brut (de prim fuziune) are la baz urmtorul proces

    tehnologic prin care se obine: Minereu de fier (util: parte a minereului din care se

    extrag metalele + steril: parte a minereului care se ndeprteaz, constituind impuriti)

    + fondant (formeaz zgura: nglobeaz i ndeprteaz sterilul i cenua

    combustibilului) + combustibil (prin ardere furnizeaz cldura necesar procesului)

    Agregat de elaborare (furnal) fonta brut (de prim fuziune) sau fonta alb.

    Exemple: minereu de fier - magnetit Fe3O4 (65% Fe), hematit Fe2O3 (30...60%) Fe, etc.,

    fondani (se aleg n funcie de natura sterilului) - bazici (ex. MgCO3, CaO, MgO, etc.)

    sau acizi (ex. nisip cuaros), combustibil - cocs metalurgic, mangal.

    Oelurile carbon au la baz urmtorul proces tehnologic prin care se obin:

    Fonta de prim fuziune n stare lichid (meninut la o temperatur bine determinat),

    sau materie prim solid (fier vechi i feroaliaje), sau amestec solid-lichid (font de

    prim fuziune topit n amestec cu fier vechi i feroaliaje) + fondani (calcar,var, florur

    de calciu, bauxit) + materiale oxidante (minereu de fier, minereu de mangan, aer,

    oxigen tehnic etc.) + combustibili (gaz metan, gaz de cocserie, pcur, cocs etc.)

    Agregat de elaborare (convertizor, cuptor cu arc electric, cuptor Siemens-Martin, cuptor

    electric cu inducie) oeluri. Etapele procesului de elaborare: afinarea (procesul prin

    care sunt reduse parial carbonul i o serie de elemente nsoitoare din baia metalic: Si,

    Mn, P etc.), se realizeaz prin oxidare - ex.: 2Fe + O2 = 2FeO; C + FeO Fe + CO);

    dezoxidarea (procesul prin care se reduce coninutul de oxid de fier, se poate realiza

    prin precipitare - ex.: FeO + Mn= Fe + MnO, prin difuzie - ex.: [FeOb.m]/[FeOzg] = ct.,

    sau n vid - ex.: [C] + [FeO] [Fe] + {CO}); corectarea compoziiei chimice (se

    efectueaz atunci cnd oelul ce trebuie elaborat trebuie s prezinte o anumit

    compoziie chimic i se realizeaz prin introducerea n baia de metal topit a unor

    elemente de aliere sub form de metale sau feroaliaje).

    Rezumat:

    - Constituenii metalografici ai aliajelor din sistemul metastabil Fe-Fe3C sunt: soluia lichid,

    L; ferita, (soluie solid interstiial de max. 0,02 % C, la 7270C, n Fe); ferita, (soluie

    solid interstiial de max.0,1 % C, la 14950C, n Fe); austenita, (soluie solid interstiial

    de max. 2,11 % C, la 11480C, n Fe); cementita, Fe3C (compus definit care are 6,67 % C i

    temperatura de topire 12500C); perlita, P (amestec mecanic eutectoid de i Fe3C eutectoid,

    obinut prin descompunerea austenitei); ledeburita, Led (amestec mecanic eutectic de i

    Fe3C eutectic, obinut prin solidificarea lichidului). Transformrile aliajelor: transformarea

    eutectoid: ; transformarea eutectic:

    ; transformarea peritectic: .

  • Mihaela Mdlina CLARU

    -44-

    - Aliajele diagramei metastabile: Fe tehnic: < 0,02% C; Oeluri carbon: 0,02 2,11% C;

    Fonte albe: 2,11 6,67% C.

    Teste de autoevaluare:

    T1) Proprietatea unor metale de a-i schimba tipul reelei cristaline o dat cu schimbarea

    temperaturii, adoptnd forme cristaline noi, se numete: a) alotropie; b) plasticitate;

    c) refractaritate. Indicai varianta corect.

    T2) Formele alotropice ale fierului sunt: a) Fe stabil pn la 9100C, Fe stabil ntre (910

    1392)0C, Fe stabil ntre (1392 1538)

    0C; b) Fe stabil pn la 710

    0C, Fe stabil ntre (710

    1292)0C, Fe stabil ntre (1292 1400)

    0C; c) Fe stabil pn la 900

    0C, Fe stabil ntre (900

    0

    1500)0C, Fe stabil ntre (1500

    0 1538)

    0C. Care este varianta corect?

    T3) Trecerea unui metal din stare lichid n stare solid se numete: a) cristalizare primar;

    b) recristalizare; c) cristalizare secundar. Indicai varianta corect.

    T4) Constituentul metalografic format din dou sau mai multe faze de acelai fel sau diferite,

    care se separ simultan din lichid sau dintr-o faz solid, la o temperatur i concentraie bine

    definite, se numete: a) faz; b) amestec mecanic; c) soluie solid. Indicai varianta corect.

    T5) n sistemul de aliaje metastabil Fe-C, carbonul se gsete: a) liber, sub form de Cgr;

    b) legat, n compusul definit Fe3C; c) legat, n diferii compui chimici. Precizai varianta

    corect.

    T6) Aliajele diagramei de echilibru metastabile sunt: a) Fe tehnic, oelurile carbon, fontele

    albe; b) Fe tehnic, fontele maleabile, fontele albe; c) Fe tehnic, oelurile carbon, fontele

    nodulare. Indicai varianta corect.

    T7) Oelurile carbon au concentraia de carbon cuprins ntre: a) [0,02 2,11) % C; b) [2,11

    6,67) % C; c) mai mare de 6,67 % C. Indicai varianta corect.

    T8) Oelurile carbon prezint urmtoarele transformri: a) transformarea eutectoid;

    b) transformarea eutectic; c) transformarea eutectic i eutectoid. Indicai varianta corect.

    T9) Fontele albe au concentraia de carbon cuprins ntre: a) [0,02 2,11) % C; b) [2,11

    6,67) % C; c) mai mare de 6,67 % C. Precizai varianta corect.

    T10) Fontele albe prezint urmtoarele transformri: a) transformarea eutectoid;

    b) transformarea eutectic; c) transformarea eutectic i eutectoid. Indicai varianta corect.

    Lucrare de control:

    1) Alotropia metalelor (2 puncte).

    2) Diagrama de echilibru metastabil a sistemului de aliaje Fe-Fe3C (2 puncte).

    Rspunsuri la testele de autoevaluare:

    T1) a); T2) a); T3) a); T4) b); T5) b); T6) a); T7) a); T8) a); T9)

    b); T10) c).

    Bibliografie

    1. Drghici Gh., Albert C., Minescu M., Ispas V., Tehnologia Materialelor - ndrumar de lucrri practice, UPG Ploieti, 1995.

    2. Rdulescu M., Studiul metalelor, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.

    3. Tudor I., Svulescu M.J., Zecheru Gh., Drghici Gh., Albert C., Talle M., Tehnologia materialelor, Editura I.P.G. Ploieti, 1992.

    4. Ulmanu V., Tehnologia materialelor, I.P.G., Ploieti, 1976. 5. Zecheru Gh., Tehnologia materialelor. Partea I, Editura I.P.G. Ploieti, 1984. 6. Zecheru Gh., Drghici Gh. Elemente de tiina i ingineria materialelor, Editura

    ILEX i Editura Universitii din Ploieti, 2001.

  • Tehnologia Materialelor

    -45-

    Unitatea 4. St