3 ionici cristina prel

Analele Universităţii “Constantin Brâncuşi” din Târgu Jiu, Seria Inginerie, Nr. 1/2008

Annals of the „Constantin Brâncuşi” University of Târgu Jiu, Engineering Series, No. 1/2008

27

MATERIALE SINTERIZATE

DEFORMATE PRIN

ÎNCERCĂRI MECANICE

dr. Cristina Ionici, Adriana

Tudorache

Universitatea ,,Constantin Brâncuşi”

din Tg-Jiu

Alloying elements have an important affect upon the mechanical properties of the Sintered Materials. Compression tests show that the cupper based material obtains high results in cryogenic environments. Tests reveal the weak resistance of materials that contain 0,8% C, due to a poor classification and a inhomogenous metallographycal structure. Keyword. sintered material, mechanical properties, cryogenic environment.

Introducere Materialele metalice sinterizate sunt

materialele obţinute prin noile tehnologii şi anume metalurgia pulberilor. Dezvoltarea metalurgiei pulberilor a fost determinată de progresul ştiinţific şi tehnic care necesită produse cu proprietăţi speciale ce nu se pot elabora prin alte procedee.

Metalurgia pulberilor poate intra cu succes in rândul tehnologiilor clasice prin larga varietate de piese obţinute prin acest procedeu.

În ultimii ani în majoritatea ţărilor puternic industrializate metalurgia pulberilor

SINTERED DEFORMED

MATERIALS THROUGH

MECHANICAL TESTING

Phd. Cristina Ionici, Adriana

Tudorache

Universitatea ,,Constantin Brâncuşi” din

Tg-Jiu

Alloying elements have an important affect upon the mechanical properties of the Sintered Materials. Compression tests show that the cupper based material obtains high results in cryogenic environments. Tests reveal the weak resistance of materials that contain 0,8% C, due to a poor classification and a inhomogenous metallographycal structure. Keyword. sintered material, mechanical properties, cryogenic environment.

Introducere

The metallic materials sintered are the materials obtained through the new technologies and exactly the metallurgy of dusts. The metallurgy development was determined by the scientific and technical progress that needs products with special properties that cannot be elaborated through other procedures. The metallurgy of dusts may enter successfully among the classical technologies by the varieties of pieces obtained through this procedure. In the last years the major of countries strongly industrialized MP concur



28

concurează cu succes tehnologiile convenţionale.

După cum se v-a observa, printr-o metodă clasică de deformare, materialul sinterizat nu se comportă la o solicitare mecanică ca şi materialul compact. În structura unui material sinterizat prezenţa porilor influenţează comportarea la solicitarea mecanică, ceea ce am constatat şi în cazul încercării mecanice de compresiune.

Încercarea la compresiune este o solicitare statică şi constă în aplicarea unor sarcini axiale de comprimare a unei epruvete cilindrice până la rupere sau la apariţia unei fisuri.

Aceste încercări se fac cu viteză mică de deformare, aplicând sarcina progresiv şi fără şocuri, de aceea deformarea se face lent.

Caracteristicile materialelor supuse încercărilor sunt trecute în tabelul1.

Tabel 1.Caracteristicile materialelor supuse încercărilor

successfully the conventional technologies. As it may be observed, through a classical method of deformation, the sintered material does not behave at a mechanic request as the compact material. In the structure of a MS the presence of pores influence the behavior at the mechanic request, after it ahs been concluded also in the case of the mechanic trial of compression. The trial to compression is a static request and consists in the appliance of some axial charges of compression of a cylindrical test piece until breakage or to the apparition of a fissure. These testing are made with low speed of deformation, applying the charge progressively and without shocks that is why deformation is realized slowly. The material characteristics submitted to testing are mentioned in table 1.

Compoziţie

Material C %

Fe% Cu%

Altele %

Densitate

g/cm3

min.

Alungire %

min.

Rezistenţa la tracţiune daN/mm2

Fără tratament termic HB

Duritate după TT

FC 40 0,4 rest - Max.2 6,95 3 18 50 FC 80 0,8 rest - Max.2 6,95 2

F50U3 0,5 rest 3 Max.2 6,95 2 35 105 Carbo-nitrare

320 F80U3 0,8 rest 3 Max.2 6,95 0,5 35 105 HF 320

Table 1. Characteristics of material testing

Compoziţie

Material C %

Fe% Cu%

Altele %

Densitate g/cm3

min.

Alungire %

min.

Rezistenţa la tracţiune daN/mm2

Fără tratament termic HB

Duritate după TT

FC 40 0,4 rest - Max.2 6,95 3 18 50 FC 80 0,8 rest - Max.2 6,95 2 F50U3 0,5 rest 3 Max.2 6,95 2 35 105 320 F80U3 0,8 rest 3 Max.2 6,95 0,5 35 105 HF 320

Direcţia de solicitare în cazul testului de Direcţia de solicitare în cazul testului de



29

compresiune poate fi reprezentată ca în figura 2. Parametrii urmăriţi în timpul încercărilor sunt:

• diametrul iniţial,do, diametrul piesei înainte de încercare;[mm]

• diametrul final,du, diametrul la apariţia fisurării;[mm]

• lăţimea iniţială (grosimea iniţială) a epruvetei, h 0;[mm]

• lăţimea (grosimea) finală a epruvetei, hu;[mm]

• scurtarea epruvetei, Sc,;[%]

100×⋅

=u

uoc h

hhS [%]

(1)

• rezistenţa la strivire realizată, K. [10 MPa3 ]

( )

2fhfDFk

u

m

⋅−⋅

= [MPa]

(2)

Fig. 2. Testul de compresiune

Mediul de încercare influenţează

structura materialului. Se urmăreşte compararea mediului de încercare ambiant cu cel criogenic.

Partea experimentală Încercarea de compresiune se la

temperaturi scăzute se face în intervalul 130-

compresiune poate fi reprezentată ca în figura 2. Parametrii urmăriţi în timpul încercărilor sunt:

• diametrul iniţial,do, diametrul piesei înainte de încercare;[mm]

• diametrul final,du, diametrul la apariţia fisurării;[mm]

• lăţimea iniţială (grosimea iniţială) a epruvetei, h 0;[mm]

• lăţimea (grosimea) finală a epruvetei, hu;[mm]

• scurtarea epruvetei, Sc,;[%]

100×⋅

=u

uoc h

hhS [%]

(1)

• rezistenţa la strivire realizată, K. [10 MPa3 ]

( )

2fhfDFk

u

m

⋅−⋅

= [MPa]

(2)

Fig. 2. Test of compression

Mediul de încercare influenţează

structura materialului. Se urmăreşte compararea mediului de încercare ambiant cu cel criogenic.

The experimental part The tesr of compression at low



30

150 K şi se respectă condiţiile prevăzute prin normele tehnice de execuţie a încercărilor efectuate la temperaturi scăzute.

Încercarea la compresiune la temperaturi scăzute constă, ca şi în cazul mediului ambiant, în aplicarea sarcinii de compresiune până la apariţia primei fisuri.

În timpul încercării de compresiune se urmăreşte scurtarea şi bombarea epruvetei.

Prima operaţie înainte de efectuarea încercării de compresiune este de control vizual al epruvetelor cilindrice ce urmează a fi supuse încercării, după care epruveta se introduce în mediul de răcire, azot lichid. Alegerea azotului lichid ca agent frigorific este datorată punctului critic inferior al temperaturii de încercare, temperatura de încercare minimă corespunde valorii de 77K. Instalaţia de răcire fiind o cuvă cu azot lichid datorită dimensiunilor mici ale probelor de compresiune.

Epruvetele au fost introduse în cuva cu azot lichid iar după cinci minute de la fierberea violentă a azotului, la temperatura de 77K, se scot epruvetele cu ajutorul unui cleşte şi se poziţionează în maşina de încercat.

Poziţionarea se face corect, astfel încât epruveta să se găsească în centrul zonei de încercare, pentru a nu crea în epruvetă şi alte tensiuni în afara celei de compresiune.

După poziţionare se măsoară, cu ajutorul unui termometru, temperatura direct pe probă pentru a avea date cât mai corecte asupra măsurătorilor.

Pentru determinări mai mult decât corecte temperatura din laborator ar trebui să se apropie de temperatura de încercare. Erorile apar la deformarea miezului epruvetei de aceea este necesar ca operatorul să ţină seama de sursele de erori.

Rezultate şi discuţii Sunt vizibile deformările materialelor

prin îngustarea epruvetelor şi aplatizarea acestora, figura 3.

temperatures is made between 130-150 K and are respected the conditions foreseen by the technical norms of execution of the performed trials at low temperatures.

The test at compression at low temperatures consists, as in the case of the environment, in applying the compression charge until the apparition of the first fissure.

During the compression trial it is followed the shortage and crowning of the test piece.

The first operation before performing the test of compression is the visual control of the cylindrical test pieces that follow to be submitted to the trial, after which the test piece is introduced in the cooling environment, liquid azotes. Choosing the liquid azotes as a cooling agent is due to the critical point inferior to the trial temperature, the trial temperature minimum corresponds to the value of 77K. The cooling installation is a shaft with liquid azotes due to the small dimensions of the compression tests.

The test pieces were introduced in the shaft with liquid azotes and after five minutes from the violent boiling of the azotes, at the temperature of 77K, are taken out the test pieces with the help of pliers and are positioned in the trial machine.

The positioning is made correctly, so that the test piece to be in the centre of the trial zone, not to create in the test piece another tensions but the compression one. After the positioning, it is measured, with the help of a thermometer, the temperature directly on the test to have correct data upon the measurements

Results and discussions

There are visible the material deformations through the test pieces tightness and flattening, figure 3. The test pieces structures are submitted to the compression strictures at low temperatures.



31

Fig. 3 Epruvete cilindrice din materialele încercate Structurile epruvetelor supuse încercărilor de compresiune la temperaturi scăzute sunt evidenţiate prin micrografiile 3. a, b, c, şi rezultă în urma prelucrării probelor şi supunerii acestora unui atac metalografic cu Nital.

The test pieces structures submitted to the compression trials at low temperatures are pointed out through the micrographics 3.a, b, c, and result from the tests processed and their submission to a metallographic attack with Nital.

Fig. 3.a. Analiza structurală a materialului FC 40 supus compresiunii la temperaturi scăzute. /

The structural analyze of the material FC 40

După solicitarea de compresiune a epruvetelor din FC 40 la temperaturi scăzute se observă aceeaşi structură ferito-perlitică cu o eterogenitate dimensională mare. Astfel se pune evidenţă şi o cantitate mare de pori. Constituenţi structurali îşi pierd aspectul de deformare observat în structura probei solicitate la temperatura mediului ambiant.

The structural analyze of the material FC 40 submitted to compression at low temperatures. After requesting the compression of the test pieces from FC 40 at low temperatures it is observed the same ferito-perlitical structure with a large dimensional heterogeneity. So, it is also accentuated a large amount of freckles. The structural constituents loose their aspect of deformation observed in the structure of the requested test at the environment temperature.



32

Fig. 3.b. Analiza structurală a materialului FC 80 supus compresiunii la temperature scăzute. / Fig.3.b. The structural analyze of the material FC 80

Probele solicitate la compresiune la

temperaturi scăzute din materialul cu 0,8 % carbon, FC 80, prezintă aceeaşi constituenţi, ferită şi perlită cu o repartizare neomogenă în câmp. Iar granulaţia constituenţilor se micşorează şi se pierde aspectul de deformare plastică. Structura este mult mai omogenă în urma solicitării în mediul criogenic, iar porii sunt mai bine conturaţi.

The requested tests at compressions at low temperatures from the material with 0, 8% carbon, FC 80, presents the same constituents, protected and pearled with a non-homogenate repartition in the field. The constitutuents granulation is getting smaller and looses its aspect of practical deformation. The structure is much more homogeneousness as a result of the request in the cryogenically environment, and the freckles are better accentuated.

Fig. 3.c. Analiza structurală a materialului FC 50U3 supus compresiunii latemperaturi scăzute. / The structural analyze of the material FC 50U3

Proba de compresiune la temperaturi scăzute prezintă o structură omogenă faţă de celelalte probe supuse mediului criogenic cât şi faţă de probele supuse solicitării în mediul ambiant. Granulaţia constituenţilor este mult mai fină, aspectul de deformare este mai puţin observabil iar reţeau porilor este mai evidentă.

Dacă se face o comparare a rezultatelor compresiunii la temperaturi scăzute cu rezultatele obţinute în mediul ambiant putem spune că valorile rezultate la temperaturi scăzute sunt net superioare, ilustrez această comparaţie prin reprezentarea forţei de compresiune cu materialele epruvetelor cilindrice în figura 4.

The compression test at low temperatures presents a homogeneousness structure towards other tests submitted to the cryogenic environment and also towards the tests submitted to the request in the environment. The constituent’s granulation is more delicate, the deformation aspect is less favorable and the freckles network is more evident. If there is made a comparison of the compression results at low temperatures with the achieved results from the environment, we can say that the resulted values at low temperatures are superior, I illustrate this comparison through the representation of the compression force with the materials of cylindrical test pieces in figure 4.



33

Fig. 4. Influenţa materialelor asupra forţei de compresiune / The influence of materials upon

the compression force

Figura 4 arată cea mai bună comportare cât şi cea mai slabă, respectiv materialul cu 0,5 % carbon şi 3 % cupru, FC 50U3 şi materialul cu 0,8 % carbon. Materialul cu 0,4 % carbon păstrează proporţia avută în cazul mediului ambiant.

Toate cele trei materiale acceptă sarcini superioare mediului ambiant datorită fragilizării materialelor la temperaturi scăzute.

Un alt parametru important al influenţei compoziţiei materialului în răspunsul la solicitarea mecanică de compresiune este vizualizare scurtării în cele două medii în figura 5.

Figure 4 shows that the best behavior but also the weakest, respectively the material with 0,5% carbon and 3% copper, FC 50U3 and the material with 0,8% carbon. The material with 0, 4 % carbon keeps the proportion had in the case of the environment. All the three materials accept superior charges to the environment due to the crumbling of materials at low temperatures. Another important parameter of the composition influence of the material in the answer to the mechanic request of compression is the visualization between the two averages in figure 5.

FC40237

FC80214

FC50U3289

FC40327

FC80293

FC50U3353

0200400600800

1000

Forţa de compresiune

[KN]

Mediu ambiant Mediu criogenic

Influenţa materialelor

FC40 FC80 FC50U3



34

Fig. 5. Variaţia scurtării în funcţie de forţa aplicată / Mechanics request of compressio Analizele arată o intensificare a densificării materialelor în cazul temperaturilor scăzute care duce la o rezistenţă mărită în cazul solicitărilor mecanice ,acceptându-se tensiuni de deformare mai mari.

Pentru materiale sinterizate de compoziţia aleasă pentru tipul de epruvete supuse încercării la temperatura mediului ambiant ruperea corespunzătoare porozităţii obţinute poate fi o rupere ductilă . Concluzii Din datele experimentale corespunzătoare compresiunii cât şi din datele calculate am considerat următoarele observaţii asupra comportamentului materialelor la solicitare:

• compresiunea materialelor sinterizate este diferită de cea a materialelor compacte deoarece plasticitatea nu se bazează pe legea volumului constant;

• cea mai mare valoare a forţei de compresiune o acceptă tot materialul cu 0,5 % carbon şi 3 % carbon, FC50U3; totodată putem spune că epruveta din materialul FC50U3 la o valoare a forţei de 60 KN;

• de asemenea materialul, FC50U3,se comportă bine la deformare deoarece aplatizarea epruvetei se realizează la sarcini mult mai mari decât pentru celelalte două materiale şi în ultimul

Analyzes show that an intensification of the material densification in the case of low temperatures that leads to an increased resistance in the case of mechanic requests, large deformation tensions being accepted. For the materials sintered by the chosen composition for the type of test pieces submitted to the trial at environmental temperature, the corresponding breakage the obtained porosity may be a ductile breakage. Conclusions Among the experimental data corresponding to compression from the calculated data we have considered the following observations upon the behavior of materials at request:

• The compression of the sintered materials is different from the compact materials ones because plasticity is not based on the law of constant volume;

• The biggest value of the compression force is accepted by the material with 0,5% carbon and 3% carbon, FC50U3; at the same time we may say that the test piece from the FC50U3 material at a force value of 60N;

• Also, the material FC50U3, is behaving good at deforming because the test piece flattening is realized at bigger charges than for the other two materials and the value of the agreed

050

100150200250300350400

0 50 100 150 200 250 300

Scurtarea [%]

Fort

a [K

N]

FC-40 FC-80 FC-50U3



35

rând valoarea forţei suportate este mult mai mare faţă de celelalte două materiale, forţa suportată este 353 KN;

• cea mai slabă comportare o prezintă tot FC 80 prin acceptarea unei rezistenţe mici;

• ruperea nu este precedată ca şi în cazul materialelor compacte de fisurarea probei ci doar de deformarea acesteia prin aplatizare şi bombare, iar pentru valoarea maximă a forţei de deformare epruveta se transformă în zgură;

Bibliografie

1. A.P.M.I. Int, Powder Metallurgy 1977 Facts, www.epma.com.; 2. P.Beiss, Steam treatment of sintered parts,

PM 1990, World Conf.London, England, 1990,p.488-491;

3.C.Ionici, Studii asupra comportării oţelurilor sinterizate supuse solicitărilor mecanice la temperaturi scăzute, Craiova 2004;

4. M.Mangra, Materiale fabricate prin metalurgia pulberilor, Ed.Universitaria Craiova, 1997 5. M.Mangra, Tehnologii şi aplicaţii in

metalurgia pulberilor, Ed.Universitaria, Craiova, 2002;

6. A.Salak, Powder Metallurgy 1977 Facts, .epma.com.; 7. Catalog de firmă, Sinterom Cluj-Napoca, 2004 ; 8. STAS/SREN-10045-1-1993, Încercări de

rezistenţă, Produse din pulberi metalice sinterizate, Colecţie de stasuri ;

9. ISO 5740, Încercări de rezistenţă, Materiale metalice sinterizate, Colecţie de

force is much bigger than the other two materials, the agreed force is 353 KN;

• The weakest behavior is presented by FC 80 through the acceptance of a small resistance;

• The breakage is not preceded as in the case of compact materials by the test splitting but only for its deformation through flattening and crowning, and for the maximum value of the test piece deforming force is transformed in slag;

References 1. A.P.M.I. Int, Powder Metallurgy 1977 Facts, www.epma.com.; 2. P.Beiss, Steam treatment of sintered parts,

PM 1990, World Conf.London, England, 1990,p.488-491;

3.C.Ionici, Studii asupra comportării oţelurilor sinterizate supuse solicitărilor mecanice la temperaturi scăzute, Craiova 2004;

4. M.Mangra, Materiale fabricate prin metalurgia pulberilor, Ed.Universitaria Craiova, 1997 5. M.Mangra, Tehnologii şi aplicaţii in

metalurgia pulberilor, Ed.Universitaria, Craiova, 2002;

6. A.Salak, Powder Metallurgy 1977 Facts, .epma.com.; 7. Catalog de firmă, Sinterom Cluj-Napoca, 2004 ; 8. STAS/SREN-10045-1-1993, Încercări de

rezistenţă, Produse din pulberi metalice sinterizate, Colecţie de stasuri ;

9. ISO 5740, Încercări de rezistenţă, Materiale metalice sinterizate, Colecţie de standarde;



36

standarde; 10. SR, ISO 5755/2, Încercări la temperatură scăzută, Colecţie de standarde; 11. SR, EN ISO 10002, Forma epruvetelor la tracţiune şi compresiune, Colecţie de standarde.

10. SR, ISO 5755/2, Încercări la temperatură scăzută, Colecţie de standarde; 11. SR, EN ISO 10002, Forma epruvetelor la tracţiune şi compresiune, Colecţie de standarde.

3 ionici cristina prel

Documents