ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELORMATERIALELOR conf.dr.ing. Liana Balteş ... iar densitatea lor...

ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELORMATERIALELOR

conf.dr.ing. Liana Balteş[email protected]

curs 2

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI ÎN ARANJAMENTULATOMIC

Mult timp s-a considerat că structura cristalelor este perfectă, atomii fiind distribuiţi riguros în nodurile reţelei, care la rândul ei este considerată o reţea ideală.considerată o reţea ideală.Proprietăţile mecanice ale metalelor depind de forţele de legătură dintre atomi.Calculându-se d.p.d.v. teoretic rezistenţa la rupere pe care ar trebui să o prezinte metalele, rezultatele au fost de ≈ 1...100 ori mai mari decât rezistenţele reale ale monocristalelor

( )2,0...008,0=E

Rσ

ori mai mari decât rezistenţele reale ale monocristalelor.Pe cale experimentală, s-au obţinut rezultate care se aproprie de valorile rezistenţei teoretice numai pe filamente foarte subţiri, de materiale metalice şi nemetalice.

DE CE ?DE CE ?


DEFECTE ÎN CRISTALE

R li d di ă t t i t li ă t id lăRealitatea a dovedit că structura cristalină nu este ideală, cristalele conţinând numeroase abateri de la distribuţia ordonată a atomilor.

1 La acelaşi material se obţin valori diferite ale uneia şi aceleiaşi1. La acelaşi material se obţin valori diferite ale uneia şi aceleiaşi proprietăţi → numărul de defecte din diferite epruvete este diferit.

2. Starea suprafeţei, loc în care se concentrează o serie de imperfecţiuni, are o influenţă foarte mare asupra proprietăţilor.

Aceste abateri se referă la:- deplasări de atomi din poziţiile normale;- modificări ale distanţelor medii dintre atomi;- modificări în distribuţia sarcinilor electrice, etc.

Aceste abateri se numesc imperfecţiuni sau defecte de structură, iar cristalele care le conţin se numesc cristale reale.


Defectele sunt la:Defectele sunt la:- Scara reţelei spaţiale, numite defecte de reţea.

Acestea la rândul lor sunt:di i ă d l ă i d t i i bil î ti- dinamice: provoacă deplasări de atomi variabile în timp.

Un astfel de defect este agitaţia termică a ionilor din corpurile solide. Atomii unei reţele nu sunt ficşi, ci execută o necontenită mişcare de vibraţie în jurul nodurilor reţelei cristaline Aceastămişcare de vibraţie în jurul nodurilor reţelei cristaline. Această mişcare este determinată de temperatură, motiv pentru care se numeşte agitaţie termică. Amplitudinea agitaţiei termice este cu atât mai mare cu cât temperatura este mai mare. Vibraţiile termice ale p ţreţelei se propagă în corpuri sub formă de unde elastice, cu frecvenţă în domeniul acustic, denumite unde termice. Acest tip de defecte nu produc distrugeri în structura cristalelor. p p g

- statice: produc deplasări de atomi care, dacă temperatura nu este prea ridicată ca atomii să difuzeze, se menţin timp îndelungat.

- Scară subatomică, numite defecte electronice.


Defectele statice se împart în:- punctiforme;- liniare;

d f ţă- de suprafaţă;- de volum.1. Defectele punctiforme au dimensiuni de mărime de p

ordinul distanţei interatomice. Se împart în: - vacanţe (fig.1.),

atomi interstiţiali (fi 2 )- atomi interstiţiali (fig.2.), - atomi de substituţie (fig.3.)- defecte conjugate sau complexe: - Schottky (fig.4) j g p y ( g )

- Frenkel (fig.5).În cristale există întotdeauna un număr bine definit de vacanţe şi atomi interstiţiali Acest număr poate fi mărit prin: încălzireşi atomi interstiţiali. Acest număr poate fi mărit prin: încălzire şi răcire bruscă, deformare plastică, bombardare cu particule de mare energie (≈1 MeV).


Fig 1 Imperfecţiuni punctuale vacanţeFig.1. Imperfecţiuni punctuale- vacanţeSe produce când un atom lipseşte din nodul unei reţele.ţEste introdusă în cristal în cursul răcirii de la temperaturi ridicate, prin deformare plastică la rece sa caprin deformare plastică la rece sau ca o consecinţă a iradierii.Favorizează difuzia pe distanțe mari p ț(ex. îmbinarea Ni-Cu).

Ni CNi

Ni

Cu

Cu


Numărul de vacanțe ca urmare a agitației termice (legea lui Arrhénius))

NV = NA × exp(-QV/kT)unde:

NA este numărul total de atomi ai solidului;QV este energia necesară pentru a forma vacanța [eV];k l i B l k 8 62 10 5 V K 1k este constanta lui Boltzmann, k = 8.62 × 10-5 eV K−1

T este temperatura în Kelvin.


Fig.2. Imperfecţiuni punctuale- atomi interstiţiali sau de pătrundere

Sunt atomi de acelaşi fel cu cei dinSunt atomi de acelaşi fel cu cei din nodurile reţelei sau străini, care ocupă poziţii în rețeaua cristalină.Atomii autointerstițiali apar prinAtomii autointerstițiali apar prin deplasarea unui atom dintr-o poziţie a rețelei într-alta, care nu este în mod obişnuit ocupată de atomiobişnuit ocupată de atomi.Reţeaua este deformată şi tensionată.


S lid l l iSolidele reale sunt impure. De cele mai multe ori, impuritățile sunt introduse în material pentru a-i îmbunătăți proprietățile.pentru a i îmbunătăți proprietățile. Ex: atomii de C sunt intenţionat adăugaţi în Fe pentru a obţine oţelurile.Sunt atomi care pot apărea accidental în reţea şi care duc la înrăutăţirea proprietăţilor.Ex: HEx: H.Atomii de mărime mică ai solvatului se plasează în spațiile interstițiale ale rețelei cristaline a solventului.

Rsolvat << Rsolvent


Singurii atomi suficient de mici pentru a produce soluții solide de inserție sunt cei de H, N, C, B.inserție sunt cei de H, N, C, B.Ceilalți atomi mici, cum sunt cei de O, tind mai repede să formeze compuși chimici decât să se dizolve în metale.Element H O N C B

Raza atomică [nm] 0,037 0,060 0,071 0,077 0,091

Solubilitatea variază cu tipul de rețea și cu temperatura.


Fig 3 Imperfecţiuni punctuale- soluţii solide deFig.3. Imperfecţiuni punctuale soluţii solide de substituţie

Soluții solide de substituție sau înlocuire:Sunt atomi străini care substituie atomii din, nodurile rețelei.Fiind elemente diferite de atomii matriceiFiind elemente diferite de atomii matricei, datorită diferenței de rază atomică, rezultă o distorsiune puternică a rețelei cristaline.


Defecte conjugate sau complexe: apar în cristale ionice.

P ţ i hi d ţ i i ă i lt ti i ăPrezenţa unei perechi de vacanţe, una anionică şi alta cationicăformează defectul Schotcky (fig.4).

Trecerea unui atom în poziţie interstiţială şi apariţia unei vacanţe duce la formarea defectului Frenkel (fig.5).

Fig.4. Defect Schotcky Fig.5. Defect Frenkel


2. Defecte liniare: două dintre dimensiuni sunt aproximativ egale cu o distanţă interatomică, a treia dimensiune fiind mult mai mare.ţ ,Cele mai importante defecte liniare sunt dislocaţiile, care pot fi:

- marginale;- elicoidale sau în şurub;- mixte.

Dislocaţiile sunt acele defecte ale reţelei prin intermediul cărora seDislocaţiile sunt acele defecte ale reţelei prin intermediul cărora se realizează alunecarea în cristale reale. Dislocaţiile pot fi definite ca fiind zone de perturbare ale reţelei care separă regiuni de cristal în care s-a produs alunecarea de regiuni în care alunecarea nuîn care s a produs alunecarea, de regiuni în care alunecarea nu s-a produs. Dislocaţiile joacă un rol important în transformările de fază, creşterea cristalelor conductivitatea electrică deformare și rupere Dislocaţiilecristalelor, conductivitatea electrică, deformare și rupere. Dislocaţiile se formează în procesul de solidificare a cristalelor, iar densitatea lor poate fi mărită prin procedee mecanice şi termice.


Fig.6. Dislocații în oțel inoxodabil deformat plastic 10% (40000x)


Dislocaţia marginală• Este aceea la care alunecarea este perpendiculară pe liniaEste aceea la care alunecarea este perpendiculară pe linia

dislocaţiei. • O dislocaţie marginală constă dintr-un semiplan atomic suplimentar

OMO’M’, introdus într-un cristal.• Acest semiplan este mărginit spre interiorul cristalului de linia OO’,

perpendiculară pe suprafaţa frontalăperpendiculară pe suprafaţa frontală.• Linia OO’ reprezintă o dislocaţie marginală.• Dacă semiplanul atomic suplimentar este plasat în partea superioară p p p p p

a cristalului, dislocaţia marginală este considerată pozitivă, şi este notată cu ⊥.D ă i l l t it t î t i f i ă i t l l i• Dacă semiplanul este situat în partea inferioară a cristalului, dislocaţia marginală este negativă şi se notează cu (fig.7.).


Fig.7. Dislocaţie marginală: a – pozitivă; b – negativă


Introducerea semiplanului atomic suplimentar OMM’O’ produce p p pdeformarea elastică locală a reţelei cristaline. În partea cristalului în care se găseşte semiplanul atomic suplimentar, atomii sunt mai înghesuiţi iar în partea opusă distanţa interatomică este mai mareînghesuiţi, iar în partea opusă distanţa interatomică este mai mare (fig.8.). Prin dislocaţie se înţelege întreaga zonă deformată din jurul liniei OO’(linia dislocaţiei), aceasta reprezentând inima sau miezul dislocaţiei. Se poate considera că dislocaţia marginală se formează printr-o alunecare incompletă a unei părţi din cristal în raport cu restulalunecare incompletă a unei părţi din cristal, în raport cu restul cristalului. Alunecarea se produce în direcţia vectorului de alunecare, perpendicular pe linia dislocaţiei.Deci o dislocaţie marginală este linia din planul de alunecare care separă porţiunea de cristal care a alunecat de partea care nu asepară porţiunea de cristal care a alunecat, de partea care nu a alunecat.

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI ÎN ARANJAMENTULATOMICFig.8. Dislocaţii marginale. Circuitul Burgers.g ţ g g


Pentru a defini cantitativ deformarea reţelei cristaline de către o dislocaţie se foloseşte vectorul Burgers care se defineşte cu ajutoruldislocaţie se foloseşte vectorul Burgers, care se defineşte cu ajutorul circuitului Burgers, care este o linie din cristal obţinută în felul următor: se pleacă dintr-un nod oarecare al reţelei şi se parcurg n distanţe interatomice în jos, n distanţe la stânga, apoi n distanţe în sus şi în final n distanţe la dreapta.Într-un cristal perfect, o astfel de linie se închide.Într un cristal perfect, o astfel de linie se închide.Dacă cristalul conţine o dislocaţie, circuitul Burgers care înconjoară dislocaţia rămâne deschis.Vectorul necesar închiderii acestui circuit este vectorul Burgers.Se observa că la dislocaţiile marginale vectorul Burgers este perpendicular pe linia dislocaţieiperpendicular pe linia dislocaţiei.

Dislocaţii elicoidale sau în şurubL di l i li id lă li i di l i i

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI ÎN ARANJAMENTUL ATOMIC

•La dislocaţia elicoidală linia dislocaţiei este paralelă cu direcţia de alunecare (fig.9).( g )•Prin alunecarea în sus a mijlocului cristalului în raport cu părţile laterale, apar două linii care despart parteaapar două linii, care despart partea alunecată de cea nealunecată a cristalului. S li id l d t ii•Se numesc elicoidale deoarece atomii

sunt distribuiţi în jurul liniei dislocaţiei, în spirală.p•După orientarea acestei spirale de atomi în jurul liniei dislocaţiei, dislocaţiile elicoidale pot fi de dreapta sau de stângapot fi de dreapta sau de stânga.


Fig.9. Dislocaţii elicoidale sau în şurub


• Fig.10. Alunecarea produsă la traversarea cristalului de o g pdislocaţie


3 f f ă3. Defecte de suprafaţăSunt defecte de reţea care au o singură mărime egală cu o distanţă interatomică, iar celelalte două mult mai mari.Aceste defecte sunt suprafeţe în interiorul corpului care separă porţiuni din material care se deosebesc între ele dintr-un punct oarecare de vedere: după orientarea cristalografică, după structura

i t li ă d ă ti t ă tcristalină, după magnetizarea spontană, etc.Din această categorie de defecte fac parte:

- Sublimitele de grăunţi. În interiorul unui grăunte reţeaua se b d l f i id lă ( f ă) f â d i iabate de la forma ei ideală (ea nu este perfectă), formând mici

domenii, numite blocuri, care fac între ele unghiuri relativ mici, de ordinul minutelor. Această structură se numeşte structură în mozaic iar blocurile au limite poligonale (fig 11 )mozaic, iar blocurile au limite poligonale (fig.11.).

- Blocurile în mozaic se formează la recoacerea cristalelor deformate plastic la rece, procesul cunoscându-se sub denumirea de poligonizare şi apare prin formarea pereţilor de dislocaţii de acelaşipoligonizare şi apare prin formarea pereţilor de dislocaţii de acelaşi semn, pozitive sau negative.


Fig.11. Defecte de suprafaţă. Sublimite de grăunţi


Limitele dintre grăunţi = zonele de trecere dintre 2 grăunţi veciniLimitele dintre grăunţi zonele de trecere dintre 2 grăunţi vecini ai unui material policristalin, cu unghiuri pe care le fac între ei mai mari (în jur de 30o) şi unghiuri mai mici ( de regulă sub 20o )(fig.12.a, b, c.).( g )Există mai multe teorii:

a. Cele două reţele sunt perfecte până la întâlnirea lor,b. Zona de la limita grăunţilor este o zonă cu atomii aşezaţi la întâmplare –strat amorf,g ţ ş ţ pc. Între cei doi grăunţi există o zonă de tranziţie în care atomii de la ambii grăunţi

vecini îşi schimbă într-o oarecare măsură poziţiile, formând o zonă de tranziţie.Fig.12. Defecte de suprafaţă. Limite de grăunţi

a. Reţea perfectă până la intersecţie, b. Strat amorf, c. Reţea de tranziţie


• Primele două (a si b) nu explică proprietăţile limitelor de grăunţi, cea de a treia însă, da.

• Limitele de grăunţi sunt caracterizate prin energie mai mare decâtLimitele de grăunţi sunt caracterizate prin energie mai mare decât interiorul grăunţilor.

• La limitele dintre grăunţi se produc în general reacţiile de precipitare, difuzie şi tot aici se găsesc impurităţile.g p


Defecte de împachetarep• Sunt abateri de la succesiunea planelor de atomi (fig.13). • Se produc prin cristalizare şi deformare plastică.• Influenţează proprietăţile mecanice în sensul că metalele care

conţin defecte de împachetare se durifică prin deformare plastică mai rapid decât cele care nu aumai rapid decât cele care nu au.

• Dintre aceste defecte fac parte maclele, pereţii dintre domeniile magnetice, etc.

Fig.13. Defecte de suprafaţă: defecte de împachetare

ARANJAMENTUL ATOMIC ŞI IMPERFECŢIUNI ÎN ARANJAMENTULATOMIC4 Defecte de volum4. Defecte de volum

Au dimensiuni mari în toate cele trei direcţiile.Pot fi de tipul:- precipitatelor (fig.14.): care sunt particule mici ale unei faze secundare a unui aliaj. Pot fi:Pot fi:

-continue (există o legătură între planele cristalografice în toate direcţiile),

-semicontinue (există o legătură între planele cristalografice dar care nu este perfectă),

-discontinue (nu există nici o legătură între plane) ( g p )- incluziunilor: de tip oxizi, silicaţi, sulfuri, etc.


Fig.14. Defecte de volum. P i it t i ( i tă l ăt ă î t l l i t l fi îPrecipitate a. continue (există o legătură între planele cristalografice în

toate direcţiile), b. semicontinue (există o legătură între planele cristalografice dar care nu este perfectă), c. discontinue (nu există nici o legătură între plane)

a. b. c.

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRI

În momentul de faţã în practicã sunt folosite o multitudine de materiale, fiecare având anumite proprietãţi care le recomandã pentru realizarea anumitor repere/produse.pentru realizarea anumitor repere/produse. Produse: bunurile materiale obţinute sau create în urma unor procese de producţie (ex. aprovizionare, pregătire, fabricaţie, reparaţie, control, livrare, etc.

Metoda tehnologică exprimã principiul de execuţie al unei operaţii sau a unei serii de operaţii din punct de vedere al naturiisau a unei serii de operaţii din punct de vedere al naturii fenomenelor fizico-chimice pe care le suportă materialul.Procedeul tehnologic se referă la mijloacele concrete prin care se realizează metoda tehnologică din punctul de vedere al utilajelor, al mediului de lucru şi al materialelor folosite.Ex Metoda - turnareaEx. Metoda - turnarea.

Procedee – directă, în sifon ...


O i h l i ă i i ă i dOperaţia tehnologică este o parte constitutivă a unui procedeu tehnologic şi este o activitate ordonată, limitată în timp, efectuată fără întrerupere de către un operator, la un singur loc de muncă, asupra

i i l i l l ii l difi iiunuia sau mai multor materiale supuse lucrării, în scopul modificării proprietăţilor fizico-chimice, a formei geometrice şi a dimensiunilor materialului Ex: găurire.Operaţia este compusă din mai multe faze .Faza este o parte a unei operaţii ce realizează un singur scop sauFaza este o parte a unei operaţii ce realizează un singur scop sau obiectiv tehnologic cu ajutorul aceluiaşi scule şi cu acelaşi regim de lucru.E i d î hi ă ă i ă iEx: prindere în menghină, măsurare şi marcare centru , găurire propriuzisă, scoaterea din menghină, măsurareFaza poate fi compusă din mai multe mânuirip pEx: şubler, măsurare pe o axă şi marcare, măsurare pe cealaltă axă şi marcare, punctare.


Mecanice

Fizice

Termice

Electrice

Proprietăţi Intrinseci

FiziceMagneticeEtc.

Chimice

i iTehnologice

De utilizareg

De exploatare

P i tăţil i t i i t l l t d t i l i t• Proprietăţile intrinseci sunt cele legate de material şi sunt independente de locul şi modul de folosire.

• Proprietăţile de utilizare sunt dependente de metoda de prelucrare tehnologică, de domeniul de utilizare şi condiţiile de exploatare.

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRIProprietăţi tehnologice- sunt cele corespunzătoare prelucrabilităţii prin

metode şi procedee tehnologice.După proprietăţile lor tehnologice, materialele se pot prelucra prin mai multe metode şi procedee.multe metode şi procedee.Turnabilitatea - proprietatea materialelor de a lua dimensiuni impuse după solidificarea materialului topit introdus în cavitatea de turnare;Deformabilitatea - proprietatea unor materiale de a permite deformări remanente sub acţiunea solicitărilor exterioare.Sudabilitatea - proprietatea materialelor de a se asambla nedemontabilSudabilitatea proprietatea materialelor de a se asambla nedemontabil prin sudare şi de a-şi păstra proprietăţile iniţiale.Călibilitatea - proprietatea unor materiale de a deveni mai dure în

î ãl i ii i ă i ii l b t l ită t t ăurma încãlzirii şi răcirii lor bruşte la o anumită temperatură;Uzinabilitatea – proprietatea unor materiale de a se lăsa prelucrate

prin detaşarea unor particule din material sub acţiunea lucrului p ş p ţmecanic. Dacă particulele sunt mai mari se referă la aşchiere, iar dacă particulele sunt mai mici se referă la eroziune.

TracţiuneCompresiune


Mecanice

Statice

CompresiuneÎncovoiereForfecareFluajjDuritate

Dinamiceîncovoiere prin şocDuritate

Incercărilematerialelor

Variabile ObosealăUzinabilitateÎndoire

ate a e o

Tehnologice

RăsucireAmbutisareRefulareS â t iScânteieCălibilitateSudabilitateTurnabilitateTurnabilitate

StructuraleMetalografice Macro şi MicroscopiceNedistructive Ultrasunete, radiaţii penetrante, curenți turbionari,

magnetic, penetranţi

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRIPROPRIETĂŢI FIZICE1 Proprietăţi termice1. Proprietăţi termice

Conductibilitatea termică: capacitatea unei substanţe de a conduce căldura. Într-un corp încălzit neuniform apare un flux termic î d d l ldă l i l iîndreptat de la partea caldă a corpului la partea mai rece.Căldura în solide se propagă prin două mecanisme:

- prin vibraţiile elastice ale atomilor şi moleculelor (vibraţiile reţelei)prin vibraţiile elastice ale atomilor şi moleculelor (vibraţiile reţelei)- cu ajutorul gazului de electroni.În solidele nemetalice transportul de căldură se realizează prin vibraţiile reţelei agitaţia produsă fiind transmisă în tot cristalul subvibraţiile reţelei, agitaţia produsă fiind transmisă în tot cristalul sub forma unor unde elastice cu frecvenţă în domeniul acustic.În metale se realizează în principal prin electroni liberi.Se creează astfel un flux termic de la suprafaţa caldă la cea rece.Datorită faptului că deplasarea electronilor de la suprafaţa caldă la cea rece se face cu o viteză de aproape 100 de ori mai mare p pdecât viteza de mişcare a undelor elastice, conductivitatea termică datorată gazului electronic este mult mai mare decât conductivitatea termică determinată de reţeaua cristalină.

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRIAstfel se explică diferenţa între conductibilitatea termică a metalelor şi nemetalelor.metalelor şi nemetalelor.

Dilatarea corpurilorDilatarea termică apare la încălzirea unui corp, când dimensiunile sale cresccresc.Dacă considerăm creşterea unei singure dimensiuni a corpului atunci dilatarea se numeşte liniară şi este caracterizată decoeficientul de dilatare liniarăcoeficientul de dilatare liniară. Putem defini coeficientul de dilatare liniară medie ά atunci când temperatura variază cu o mărime finită ΔT = T1 – T0 şi l1, l0 = lungimea corpului la temperatura T1, respectiv T0lungimea corpului la temperatura T1, respectiv T0

ά = (l1- l0) / (T1 – T0) · 1/ l0 = Δl / ΔT · 1/ l0 (oC-1)

Dacă considerăm creşterea tuturor dimensiunilor corpului sub acţiunea temperaturii, avem dilatarea volumetrică care este caracterizat de β = 3 α (α = coeficient de dilatare reală)caracterizat de β = 3 α (α = coeficient de dilatare reală).

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRIAplicaţiile proprietăţilor termice

Proprietăţile termice sunt deosebit de importante la alegerea materialelorProprietăţile termice sunt deosebit de importante la alegerea materialelor (schimbătoare de căldură, cazane, ţevi ptr. aburi şi apă fiartă, etc.) şi la stabilirea tehnologiilor care implică încălziri şi răciri (forjare, laminare, tratament termic, etc.)., )Ex.: încălzirea unui corp rece într-un cuptor de temperatură ridicată:- transmiterea cantităţii de căldură de la pereţii cuptorului şi de la gazele arse suprafeţei piesei prin radiaţie şi convecţiegazele arse suprafeţei piesei prin radiaţie şi convecţie,- transportul căldurii primite de suprafaţă spre interiorul piesei este determinat în principal de proprietăţile termice ale corpului.Căldura primită de suprafaţa corpului nu se transmite instantaneu în toată masa lui, ci se creează o diferenţă de temperatură între suprafaţă şi miez.Această diferenţă este cu atât mai mare cu cât corpul este mai gros şi cu cât cantitatea de căldură primită de suprafaţa lui este mai mare.mare.Diferenţa de temperatură între suprafaţă şi miez este cu atât mai mare cu cât conductivitatea termică a metalului este mai mică.


La încălzirea unei piese într un cuptor straturile ei exterioare au oLa încălzirea unei piese într-un cuptor straturile ei exterioare au o temperatură mai mare decât temperatura medie a corpului, iar straturile interioare mai mică decât aceasta.Deci între straturile interioare şi exterioare există o suprafaţă neutră care are o temperatură egală cu temperatura medie a corpului.Straturile din afara suprafeţei neutre tind să se dilate iar celeStraturile din afara suprafeţei neutre tind să se dilate, iar cele din interior să se contracte.Straturile exterioare nu se pot dilata din cauza straturilor interioare şi p şinvers.Ca urmare straturile exterioare vor fi supuse la compresiune iar cele interioare la întindere Cele mai mari tensiuni decele interioare la întindere. Cele mai mari tensiuni de compresiune apar pe suprafaţa corpului, iar cele mai mari tensiuni de întindere apar în miezul său. L ă i l f ă ăt î ă t i il t dLa răcire au loc fenomene asemănătoare, însă tensiunile sunt de semn opus celor obţinute la încălzire.


2. Proprietăţi electriceLegea care stă la baza studierii proprietăţilor electrice ale metalelor şi aliajelor este legea lui Ohm, care stabileşte legătura dintre tensiunea U aplicată la extremităţile unui conductor şi intensitateatensiunea U aplicată la extremităţile unui conductor şi intensitatea de curent I care străbate conductorul.

U = RIunde R = rezistenţă electrică = ρ • l/s (Ω)unde l = lungimea conductorului (m),

s = secţiunea conductorului (mm2),ρ = rezistivitate sau rezistenţă specifică (Ωmm2/m).

Mă i i ă i t ţ i t d t ţă i tMărimea inversă rezistenţei se numeşte conductanţă şi este proprietatea corpurilor de a conduce curentul electric = conductibilitate electrică = σ = 1/ ρ (m/Ωmm2).


Materiale metalice pentru conductori electriciProprietăţile pe care trebuie să le aibă un material metalic pentru conductori sunt conductivitate electrică mare şi rezistivitate electrică mică.Aceste materiale trebuie să aibă plasticitate pentru a putea fi uşor prelucrate prin deformare plastică la cald şi la rece sub formă de fire şi rezistenţă mecanică şi rezistenţă la coroziune ridicate pentru a putea rezistamecanică şi rezistenţă la coroziune ridicate pentru a putea rezista eforturilor mecanice şi acţiunilor agenţilor atmosferici şi a altor medii corozive.M t l l î d li i l d ă diţii î ă i t ţ i ăMetalele pure îndeplinesc primele două condiţii, însă rezistenţa mecanică şi rezistenţa la coroziune sunt mai scăzute decât în cazul aliajelor. Cu toate acestea sunt răspândite ca materiale pentru conductori electrici: Ag ( d idi ) C Al ( id ă i î )(preţ de cost ridicat), Cu, Al, (se oxidează puternic în aer) etc.Creşterea proprietăţilor mecanice se face în dauna celor electrice.În cazul în care este necesară o rezistenţă mecanică mare se pot utilizaÎn cazul în care este necesară o rezistenţă mecanică mare se pot utiliza conductori bimetalici: oţel – aluminiu, alcătuiţi dintr-o cămaşă exterioară din aluminiu sau aliaj din aluminiu care să conducă curentul electric şi o inimă din oţel care să preia eforturile mecanice.

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRI3. Proprietăţi magnetice

Toate corpurile care ne înconjoară sunt magnetic active adicăToate corpurile care ne înconjoară sunt magnetic active, adică interacţionează cu câmpurile magnetice exterioare fiind atrase sau respinse de acestea. Asta înseamnă că sub acţiunea unui câmp magnetic exterior orice corp se magnetizează, căpătând un moment magnetic.p g , p gIntensitatea de magnetizare B şi câmpul magnetic H sunt în relaţia:

χ = B/Hunde χ = susceptibilitatea magnetică a materialuluiunde χ = susceptibilitatea magnetică a materialuluiMaterialele se pot caracteriza din punct de vedere magnetic şi prin permeabilitatea magnetică μ.

I/Hμ = I/Hunde I = densitatea de flux magnetic din material numită inducţie magnetică.După susceptibilitate magnetică substanţele se împart în:- diamagnetice χ (negativă) = 10-6 Gs/Oe, (fig.15.)

paramagnetice χ (pozitivă) = 10-2 10-6 Gs/Oe (fig 16 )- paramagnetice χ (pozitivă) = 10 2 ... 10 6 Gs/Oe, (fig.16.)- feromagnetice χ (pozitivă) = 10 ... 105 Gs/Oe. Se magnetizează puternic chiar în câmpuri foarte mici. (fig.17.)

PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR ŞI ÎNCERCĂRIMateriale magnetice• Materialele magnetice se împart în materiale magnetic:g p g

- moi folosite la miezuri de transformatoare, relee, electromagneţi, rotor şi statori ai maşinilor electrice,- dure folosite la obţinerea magneţilor permanenţi.g p

Fig.15. O substanţă diamagnetică tinde să iasă din câmpul magnetic intens prin d i i ă li iil d âdevierea internă a liniilor de câmp.

Fig.16. Materialele paramagnetice sunt g. 6. ate a e e pa a ag et ce su tatrase slab de un câmp magnetic exterior, iar liniile de câmp sunt deviate slab de acesta, în interiorul materialului .

FigFig 1717 În cazul materialelorÎn cazul materialelor feromagneticeferomagneticeFig.Fig.1717. În cazul materialelor . În cazul materialelor feromagneticeferomagneticesunt atrase puternic de câmpul magnetic și apare o distorsionare intensă a liniilor de câmp.apare o distorsionare intensă a liniilor de câmp.


4. Proprietăţi mecanice şi încercăriCaracteristicile mecanice ale materialelor metalice se determină prin î ă i t d f ă i di i i t d di tîncercări pe epruvete de formă şi dimensiuni standardizate sau chiar pe piese, folosind maşini speciale. Sarcinile la care este supusă piesa pot fi: statice, dinamice sau variabile.Sarcini statice: creşterea lentă de la 0 până la o anumită valoare maximă care rămâne constantă sau se modifică în mică măsură.E ă tăţii ii i i i lădi i f d ţiEx: apăsarea greutăţii proprii a unei maşini sau clădiri pe fundaţie.Sarcini dinamice: acţiune de lovire numită şi şoc.Sarcini variabile: se schimbă repetat ca mărime şi sensSarcini variabile: se schimbă repetat ca mărime şi sens. Ex: de piese solicitate pistoane, biele, arbori cotiţi, arcuri, etc.După felul sarcinii încercările se împart în statice, dinamice şi la p p , şsarcini variabile sau încercări de oboseală.


Sub acţiunea unor forţe exterioare corpurile metalice se deformează, aceasta manifestându-se la nivel microscopic prin modificarea distanţelor interatomice şi apariţia unor forţe interioare având ca rezultantă o forţă numită efort şi care se opune forţeiavând ca rezultantă o forţă numită efort şi care se opune forţei exterioare rezultante. Pentru a caracteriza este necesară introducerea unei mărimi specifice

i f i i i li f lnumită efort unitar sau tensiune σ, care reprezintă totalitatea forţelor interioare ce acţionează pe suprafaţă (fig.18.).

F = σ·A→ σ = F/A [N/mm2]F σ A → σ F/A [N/mm ]

Fig.18.


Dacă tensiunea σ' nu este perpendiculară la suprafaţa A' ea se descompune într-o componentă normală σn şi o componentă tangenţială τ (fig 19 )tangenţială τ. (fig.19.)

ασσ cos' ===FF ασ

α

σ cos

cos'

'

=== AA

Fig.19.αστ

ασσ

sin

cos'

'

=

=n

σn tensiune normală care produce tracţiune şi încovoiere, iar τ tensiune tangenţială care produce forfecare şi torsiuneτ tensiune tangenţială care produce forfecare şi torsiune.


Ruperea ductilă vs. ruperea fragilăp p g

•Ruperile fragile sunt precedate de deformaţii plastice neglijabile, energia consumată în procesul ruperii fiind micăenergia consumată în procesul ruperii fiind mică. •Ruperile fragile s-au observat în metale cu reţea CVC şi HC, dar nu şi la metalele CFC, decât în cazul existenţei unor factori care au contribuit la f ili li i l ilfragilizarea limitelor grăunţilor.•Ruperile ductile sunt precedate de o deformaţie plastică apreciabilă, asociată cu o energie de rupere mare, având diferite aspecte. g p , p•Epruvetele policristalelor din metale foarte ductile (Au, Pb) se pot gâtui foarte mult, secţiunea transversală reducându-se la un punct, înainte de rupererupere. •La metalele cu ductilitate moderată, înainte de rupere, apare o zonă gâtuită.


Convertizorul Bessemer (1855)Convertizorul Bessemer (1855)

Inaugurarea vasului Titanic (1912)

Epava vasului Titanic (1985)


Comportarea unui material metalic sub acţiunea unor forţe exterioare este descrisă cu ajutorul curbelor de tensiune – deformaţie, obţinute la tracţiune, compresiune, încovoiere şi răsucire

Fig.20. Curba caracteristică tensiuned f i i l l d il d

(fig.20.).

deformaţie a materialelor ductile: OA-zona de proporţionalitate, OB-zona de elasticitate, BCD-zona de plasticitate, DE-zona de rupere

Tensiunea corespunzătoare pct. A=limită de proporţionalitate Rp (σp) tensiune până la care există o relaţie de proporţionalitate între tensiune şi deformaţie.ţTensiunea corespunzătoare pct. B=limită de elasticitate Rp0,02 (σe) tensiune până la care materialul se comportă elastic (deformaţia rămasă după înlăturarea forţelor este mai mică de 0 02%)după înlăturarea forţelor este mai mică de 0,02%).Tensiunea corespunzătoare pct. C=limită de curgere Rp0,2 (σc), de la această valoare începe practic deformarea plastică a materialului.


Tensiunea corespunzătoare pct. D=rezistenţă la rupere Rm(σr), este tensiunea maximă pe care o poate suporta un material fără să se rupă.ε grad de deformare=f(material şi factori externi)ε-grad de deformare=f(material şi factori externi)La deformări mai mari decât cea corespunzătoare pct. D se produce o scădere aparentă a tensiunii (DE) datorită faptului că se calculează ca raport între forţă şi secţiunea iniţială, fără a se ţine seama că în realitate secţiunea scade datorită producerii unei gâtuiri (fig 21 )unei gâtuiri (fig.21.).

Fig.21.


• Elasticitatea: proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea f l i i d i l f l i iţi lă d ăforţelor exterioare şi de a reveni la forma lor iniţială după ce forţele exterioare şi-au încetat acţiunea.

• Ca urmare a acţiunii forţelor exterioare se produce o modificare a pdistanţelor interatomice; în direcţia solicitării distanţa va creşte de la x = p la x’ = p + Δp apărînd forţe de atracţie între atomi, pentru ca în direcţie perpendiculară distanţa să se micşoreze de la y = p laca în direcţie perpendiculară distanţa să se micşoreze de la y p la y’ = p - Δp între atomi apărând forţe de respingere (fig.22.)

Fig.22. Schema deformării elastice St i iţi lăa. Starea iniţială

b. Starea deformată.


La îndepărtarea solicitării atomii revin în poziţia de echilibru restabilindu-se dimensiunile iniţiale ale corpului metalic.Experimental s-a constatat că deformarea elastică este însoţită de o anumită deformare permanentă, dar care nu depăşeşte 0,001-0,02%.Rigiditatea: este proprietatea materialelor de a se op neRigiditatea: este proprietatea materialelor de a se opune deformaţiilor elastice. Este contrară elasticităţii.Plasticitatea: este proprietatea materialelor deformate de a nu mai p preveni la starea iniţială după ce forţele exterioare ce au provocat deformarea şi-au încetat acţiunea. Pentru ca un material să ajungă în zona de plasticitate trebuie să treacă prin zona de elasticitate deciîn zona de plasticitate trebuie să treacă prin zona de elasticitate deci deformaţia este alcătuită dintr-una elastică şi una plastică.Tensiunile tangenţiale favorizează alunecarea pe planele cu densitate

i ă d imaximă de atomi.


Fragilitatea: este proprietatea unor materiale de a nu permiteFragilitatea: este proprietatea unor materiale de a nu permite plastic deformaţii plastice şi de a se rupe brusc sub acţiunea unor forţe exterioare. Este proprietatea opusă plasticităţii. Materialele f il j l î i t d f l ti ă ă î ăfragile ajung la rupere înainte ca deformarea plastică să înceapă (fonta, beton, sticlă).Tenacitatea: este proprietatea materialelor de a înmagazina o energie p p g gmare de deformaţie plastică pînă la rupere. Materialele tenace se rup numai după deformaţii plastice mari. Pentru a caracteriza tenacitatea s a introdus noţiunea de rezilienţă KCU sau KCV (lucrultenacitatea s-a introdus noţiunea de rezilienţă KCU sau KCV (lucrul mecanic de rupere la încovoiere prin şoc/aria secţiunii de rupere).Fluajul: proprietatea unor materiale de a se deforma lent şi progresiv, în timp, sub acţiunea unor forţe exterioare constante la o temperatură dată. Încercările la fluaj necesită durate mari de timp.


Rezistenţa la uzură: este proprietatea materialelor de a se opune la acţiunea de distrugere prin frecare a suprafeţelor. Există următoarele tipuri de uzură: de aderenţă, termică, abrazivă, oxidare ciupituri (pitting) de contact (fretting) de cavitaţieoxidare, ciupituri (pitting), de contact (fretting), de cavitaţie.Rezistenţa la rupere: este proprietatea unui material de a se opune solicitărilor exterioare care tind să-l distrugă.

Fi 23 R i i li ăFig.23. Rupere intercristalină

53


Fig.24. Rupere: a.ductilă,g p ,b.fragilă

Fi 25 R i i li ă

54

Fig.25. Rupere intracristalină


Rezistenţa la oboseală: este proprietatea materialelor de aRezistenţa la oboseală: este proprietatea materialelor de a rezista la solicitări variabile repetate. Este un factor determinant în alegerea materialelor folosite la realizarea de

i t i li it t î ti l f ţi ă iipiese puternic solicitate în timpul funcţionării.Duritatea: este proprietatea unui material de a se opune pătrunderii mecanice din exterior a unui corp mai dur, p p ,care va lăsa o amprentă pe suprafaţa materialului.

SUBIECTEDefecte punctiformeDefecte punctiforme.Defecte liniare.Defecte de suprafaţă. Defecte de volum.p ţProprietăţi termice ale materialelor.Curba caracteristică tensiune-deformare a materialelor ductile.Proprietăţi mecanice.

ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELORMATERIALELOR conf.dr.ing. Liana Balteş ... iar densitatea lor...

Documents

Transcript of ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELORMATERIALELOR conf.dr.ing. Liana Balteş ... iar densitatea lor...