Download - SIM Cursuri
AURELIA CHIOIBAŞ
ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR
Cuprins
1. Proprietaţile materialelor metaliceő Incercările materialelor 2. Structura cristalină a materialelor metalice 3. Deformarea plastică a materialelorő Recristalizarea 4. Aliaje Fe-C 5. Tratamente termice aplicate materialelor metalice 6. Oţeluri aliate 7. Aliaje neferoase 8. Materiale compozite 9. Turnarea materialelor metalice 10. Prelucrarea materialelor metalice prin deformare plastică 11. Sudarea materialelor metalice 12. Controlul defectoscopic nedistructiv aplicat pieselor metalice
1.1. INTRODUCERE
Tehnologia materialelor este ştiinţa tehnico-aplicativă care studiază procesele la care
sunt supuse materiile prime, materialele, semifabricatele în timpul operaţiilor de prelucrare, cu scopul obţinerii pieselor finite în condiţii tehnico-economice optime.
În tehnică se utilizează atât materiale metaliceν cât şi nemetaliceő Materialele metalice
se împart în două categoriiβ a) feroase: Fe şi aliajele sale σoţeluriν fonteε⁄ b) neferoase: celelalte metale şi aliajele lorő Metalele sunt materiale caracterizate prin conductibilitate termică şi electrică bunăν
coeficient de temperatura al rezistivităţii pozitivν luciu metalicν plasticitateν ductilitateν opacitate
şi existenţa structurii cristaline în stare solidăő Metale precum fierul, aluminiul, cuprul, zincul, plumbul, nichelul, etc., care au o
importanţă foarte mare în industrie se numesc metale tehniceő Aliajele se obţin prin topirea sau difuziunea metalelor σsau a metalelor şi a metaloizilor)
între ele şi prin sinterizareő Acestea au anumite proprietăţi fizico-chimice superioare componentelor pure.
Utilizarea materialelor se face în funcţie de proprietăţile acestoraν care pot fiβ fiziceν
chimice, mecanice şi tehnologiceő 1.2. PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR
A. Proprietăţi fizice
a) Greutatea specifică⁄ b) Dilataţia termică⁄ c) Contracţia⁄ d) Conductivitatea termică⁄ e) Conductivitatea electrică⁄ f) Capacitatea de iluminare; g) Magnetismul.
B. Proprietăţi chimice a) Rezistenţa la coroziune⁄ b) Refractaritatea.
C. Proprietăţi mecanice
a) Rezistenţa la rupere⁄ b) Elasticitatea; c) Plasticitatea; d) Tenacitatea; e) Fragilitatea; f) Duritatea; g) Fluajul; h) Rezilienţa⁄
i) Rezistenţa la uzură⁄ j) Rezistenţa la oboseală⁄
k) Relaxarea; l) Ecruisarea.
D. Proprietăţi tehnologice a) Turnabilitatea; cuprinde 3 aspecte: fluiditatea, contracţiaν tendinţa de segregareő
b) Capacitatea de prelucrare prin deformare plastică⁄ vizează două aspecteβ
maleabilitatea şi ductilitatea; c) Forjabilitatea; d) Sudabilitatea;
e) Prelucrabilitatea prin aşchiere⁄ f) Călibilitateaő
1.3. ÎNCERCĂRILE MATERIALELOR Pentru evidenţierea proprietăţilor materialelor folosite în industrie se fac încercăriν în
general, pe epruvete standardizate. A. Încercări mecanice
Prin încercările mecanice ale metalelor se înţeleg toate determinările privind
comportarea metalelor, în anumite condiţii de solicitare mecanicăő Încercările mecanice sunt
clasificate după mai multe criteriiő După felul caracteristicilor exprimate: încercări de rezistenţă şi încercări tehnologiceő După tipul solicităriiβ încercări la tracţiuneν la compresiuneν la încovoiereν la răsucireν la
forfecare, la presiune de contact şi la solicitări compuseő După modul de acţionare a forţei: încercări statice σviteza de solicitare ≤≠δ daNγmm
2s sau frecvenţa de solicitare ≤ ≥δ cicluriγsecundăε şi încercări dinamice σviteza de
solicitare > 10 daN/mm2s sau frecvenţa de solicitare > ≥δ cicluriγsecőε După temperatura la care se execută încercarea: încercări la temperatura mediului
ambiant, încercări la cald si încercări la receő Temperatura normală de încercare este
293,15 K± ↓ Kő Pentru încercările la caldν respectiv la receν temperatura limita va fi în
funcţie de natura metalului sau aliajului încercat. 1. Încercarea statică la întindere a) Diagrama încercării la tracţiune Diagrama încercării la tracţiune dă variaţia F = fσΔlε, în care F � forţa de tracţiuneν Δl �
alungirea epruvetei; alura depinde de dimensiunea epruvetei astfel că se preferă obţinerea curbei caracteristice convenţionale (ccc) σ = fσεε, în care - efort unitar, - lungire specifică.
2mm/daN
0AF
;
0L0LuL
F - forţa de tracţiune⁄ A0 � secţiunea iniţială⁄ L0 � ungimea iniţială dintre reperele trasate pe porţiunea calibrată a epruvetei⁄ Lu � lungimea dintre aceleaşi repereν măsurată la aplicarea unei sarcini sau după rupereő
b) Punctele şi zonele caracteristice de pe c.c.c. αfig. 1.3→ 1) (Rp)p = limita de proporţionalitate⁄ OP � singura zonă rectilinie 0A/pFp , [daN/mm2] unde: Fp � forţa corespunzătoare punctului Pő
p = 0,002 care corespunde unei deformaţii p = 0,002 %.
2) e = limită de elasticitate⁄ e = 0,02 care corespunde unei deformaţii e = 0,02%. pt < e, descărcarea epruvetei se suprapune cu încărcarea⁄ pt > e, descărcarea epruvetei se va face paralel cu OPν obţinându-se o deformare totalăβ
total = permanent + elastic
3) (Rc)c = limită de curgere σaparentăε
0A/cFcR , [daN/mm2].
CC' - palier de curgere (sinuos sau orizontal) � pt materiale tenace → modificările structurale
determină ecruisarea c = 0,2 = limită de curgere convenţionalăν
pentru materialele fragile 0,2 corespunde unei lungiri specifice permanente de 0,2%. 4) C'R = zonă de întărire σecruisareν
autoconsolidare). 5) pt Fmax (R) apare gâtuirea epruveteiő Rezistenţa mecanică σRm, r):
0A/rFmR , [daN/mm2].
6) RR' = zonă de cedareő c) Caracteristici mecanice (mărimi
caracteristice): 1. lungirea specifică alungirea la rupere
0L0LuL
r %1000L
0LuLnAn
, n=5; 10
2. gâtuirea specifică gâtuirea σstricţiuneaε la rupere
0AuA0A
r
%1000A
uA0AZ
A0 = πd0
2/4, A = πd2/4.
3. limita de curgere
0A/cFcR)c( , [daN/mm2]
4. limita de rupere 0A/rFmR)r( , [daN/mm2]
Observaţii: a) aspectul secţiunii de rupere⁄ b) alungirea este însoţită de contracţia transversală
0d0dd
t
Deformaţia specifică transversală t este o parte din lungirea : t = - ν·,
Figura 1.3. Curba caracteristică
a unui oţel moale
K
1
2
[daN/mm2]
ε[%]
unde: ν � coeficientul lui Poisson. d) Legea lui Hooke la tracţiune Zona OP este caracterizată de ecuaţiaβ
E , E = modulul de elasticitate longitudinal (modulul lui Young) (E = tgαε⁄ σEoţel = 2,1 106 daN/cm2). Oţelul dur, oţelul aliatν Alν Cuν bronzul prezintă zona de proporţionalitate pe cőcőcő
Betonul, fibrele textile, alama, fonta nu prezintă nici zonă de proporţionalitate şi nici palier de
curgere; betonul sau fonta prezintă o rezistenţă mult mai mare la compresiune decât la
tracţiune σbetonul prezintă σr tracţiune = 0,1 σr compresiune , iar fonta σr tracţiune = 0,25 σr compresiune). 2. Încercarea la compresiune 3. Încercarea la încovoiere 4. Încercarea la forfecare 5. Încercarea la fluaj 6. Încercarea la flambaj 7. Încercarea de rezilienţă 8. Încercarea de rezistenţă la oboseală 9. Încercarea durităţii
Metoda Brinell Metoda Vickers Metoda Rockwell Metoda Shore Metoda Poldi
B. Încercări tehnologice Încercările tehnologice exprimă capacitatea de prelucrare a metalului, astfel că
rezultatele se exprimă de cele mai multe ori prin calificativeő 1) încercarea de ambutisare a tablelor prin metoda Erichsen, în urma căreia se
determină indicele Erichsenν IE [mm]. 2) încercarea la îndoire alternantă a tablelor şi benzilor de oţelν în urma căreia se
determină nrő maxim de îndoiri la care poate fi supus materialul în timpul prelucrăriiő 3) încercarea la refulare, pescifică materialelor ce urmează a fi prelucrate prin forjareő 4) încercarea la îndoireν care se aplică numai materialelor tenace. C. Încercări fizice Se pot realiza: a) fără distrugerea probei σdefectoscopieε - raze Rőentgen σXε - raze γ - cu pulberi magnetice - cu ultrasunete b) cu distrugerea probei (studiul metalografic).
D. Încercări chimice
Se determinăβ a) elementele de aliere, adăugate intenţionat b) elementele însoţitoareν rezultate în urma elaborării σSν Oν Hν Nν Pεő
2. STRUCTURA ŞI PROPRIETĂŢILE METALELOR
2.1. LEGĂTURI INTERATOMICE Între atomi se evidenţiazăβ - forţe de legătură puternice σprimareεβ
- legătura ionică σdure, fragile şi au conductibilitate electrică redusă) - covalentă σdureν Ttop înalteν fragileν conductibilitate electrică nulă σ izolatoareβ
ceramice, polimeri)) - metalică σreţea cristalină compactăν plasticitateν conductibilitatea termică şi
electricăν luciu metalicν emisie termoelectricăν opacitateν reflexieνε - forţe slabe σsecundareεβ de tip Van der Waalső
2.2. SISTEME CRISTALINE Şir reticular Plan cristalografic (reticular) Reţea cristalină Celula elementară Mărimile caracteristice ale celulei elementareβ
Figura 2.2. Şir reticular
a
Figura 2.3. Plan reticular
a
b
Figura 2.4. Reţeaua cristalină
Figura 2.5. Celula elementară
- lungimile laturilor a, b, c (parametrii reţeleiν constantele sau perioadele reţeleiε - mărimile unghiurilor , , Sisteme cristaline În funcţie de valorile celor ˚ parametri se deosebesc ≈ sisteme cristaline şi ≠↓ tipuri de
reţele cristaline σreţele Bravaisεő 1. Sistemul cubic În sistő CVC cristalizează Vν Crν Fe, Nb, Mo, Ta, W, care au rezistenţă mecanică
ridicatăν plasticitate moderatăő În sistő CFC cristalizează Alν Cuν Niν Agν Irν Ptν Auν Pbν Fe, care au ductilitate şi
maleabilitate ridicatăő 2. Sistemul tetragonal
3. Sistemul ortorombic (rombic) 4. Sistemul trigonal 5. Sistemul hexagonal În sistő H cristalizează Beν Mgν Cdν Tiν Zrν care au - plasticitate scăzută 6. Sistemul monoclinic
7. Sistemul triclinic
2.2.2. Alotropia metalelor - Alotropie (polimorfism) ; - forme alotropice: , , şőaő⁄ - transformare alotropică σpolimorficăεβ permite realizarea tratamentelor termiceő
Alotropia fierului
Transformarea Li → S = cristalizarea primară a fierului (1538C)
Transformările în stare solidă = cristalizarea
secundarăν cuprindeβ - transformări de ordinul I = transformările
alotropice ale fierului: (A4) 1394C: Fe δ → Fe (A3) 912 C: Fe → Fe
- transformări de ordinul II = transformarea
magnetică ((A2) 770C = pct. Curie) Aci ≠ Ari → există histerezis termic. Fe (C.F.C.) permite o solubilitate mai mare a
C, comparativ cu Fe (C.V.C.), fapt care stă la baza
tratamentelor termice.
Figura 2.12. Curba de răcireő
Punctele critice ale fierului
2.3. IMPERFECŢIUNI ÎN CRISTALE Orice abatere de la aranjarea regulată a atomilor în reţeaua cristalină se numeşte
imperfecţiune σdefectε cristalinăő 2.3.1. Clasificarea imperfecţiunilor reticulare
A. Defecte punctiforme
simple
punctiforme
complexe
vacanţe
atomi interstiţiali
atomi de substituţie
Schottky
Frenkel
limite dintre grăunţi de suprafaţă
sublimite de grăunţi
liniare marginală elicoidală
defecte de volum microscopice
macroscopice
Defecte reticulare
a) b) c)
d1) d2) Figura 2.13. Defecte punctiforme
B. Defecte liniare (dislocaţii→ 1. Dislocaţia marginală (Taylor) (fig. 2.14)
2. Dislocaţia elicoidală (Bürgersε În generalν dislocaţiile sunt mixte formând reţele de dislocaţii. Ele iau naştere în timpul proceselor de solidificare şi PDPRő C. Defecte de suprafaţă 1. Sublimite de grăunţi (fig. 2.18)
Fig.2.16. Dislocaţie
elicoidală σde tip Bürgersε
Fig.2.15. Circuitul Bürgers
Figura 2.14. Cristal cu reţea cubică care
conţine o dislocaţie marginală
Figura 2.18. Structura în mozaic a cristalelor
θ
2. Limitele dintre grăunţi (fig. 2.19)
D. Defecte de volum Ele includ: fisurile şi microfisurileν porozităţile şi microporozităţileν retasurile şi microretasurile, incluziunile străine metalice sau nemetaliceő Defectele de volum trebuie reduse la minim, deoarece determină scăderea tuturor
proprietăţilor mecanice ale materialelor metaliceő
Figura 2.19. Reprezentarea schematică a limitelor dintre grăunţi
3. DEFORMAREA PLASTICĂ ŞI RECRISTALIZAREA
3.1. Deformări elastice. Deformări plastice Deformări elastice; E � ct de material
Deformări plastice; D - modulul de plasticitate este o mărime variabilă în timpul
deformării 3.2. Deformarea plastică a monocristalelor Deformarea plastică a monocristalelor se poate
produce fie prin translaţie σalunecareν clivajεν fie prin
maclare. a) Deformarea plastică prin alunecare (clivaj)
- linii de alunecare = linii Lüders - benzi de alunecare - plane de alunecare - direcţii de alunecare b) Deformaţia plastică prin maclare
3.3. Deformarea plastică a agregatelor policristaline
Figura 3.1. Schema deformării
plastice prin alunecare a monocristalului
F1 F1
Linii de alunecare
F2
c
F2
Plane de alunecare
p
Monocristal
a
b
45°
a) b) Figura 3.2. Reţeaua cristalină la
deformarea prin alunecare a) înainte de deformare⁄
b) după deformare
a) b) Figura 3.3. Deformarea plastică prin
maclare: a) înainte de deformare⁄ b) după deformare
F
F
Zona maclata
Figura 3.4. Deformarea plastică a
agregatului policristalin: a) înainte
de deformare; b) după deformare
a b
La creşterea gradului de deformare Gd se alungesc grăunţiiν astfel că structura capătă
un aspect de fibraj la rece. La creşterea şi mai accentuată a gradului de deformare Gd, dispar contururile dintre
grăunţiν iau naştere goluriν iar unii grăunţi capătă o anumită orientareν astfel că se obţine o
textură a metalului (laminare, trefilare). Se observă că la creşterea Gd → ↑ duritateaν rezistenţa, ↓alungirea → se instalează
starea de ecruisare.
3.4. Recristalizarea Ecruisarea presupune existenţa tensiunilor interne în structurăν aspect care
echivalează cu o stare de neeechilibruő Aceasta poate fi îndepărtată prin aplicarea unei
recoaceri de recristalizare. Temperatura de recristalizare reprezintăβ
Trecr = 0,4 · Ttop, unde Ttop = temperatura de topire a metalului.
a) b) Figura 3.5. Secţiuni prin agregate
policristaline: a) grăunţi neorientaţi⁄
b) grăunţi orientaţi
[daN/mm²]Rm Restaurare
A [%]
Recristalizare Recristalizare colectiva
Temp [º C]T0 Trecr. Tlim.
a b c d estare initiala transformari structurale in timpul incalzirii
Rm
A
Figura 3.6. Modificarea proprietăţilor şi a structurii
în timpul încălzirii materialelor metalice ecruisate
Un semifabricat căruia i s-a aplicat o recoacere de recristalizare, poate fi din nou deformat plastic la rece până la o nouă ecruisareν după care urmează un nou tratament
termic de recristalizare şőaőmődő
4. STRUCTURA ŞI PROPRIETĂŢILE
ALIAJELOR FIER-CARBON
4.1. CONSIDERAŢII GENERALE - Componentele aliajului - sistem: - omogen - eterogen - fazăβ soluţie solidăν metal purν compus intermetalic - constituent structural (metalografic): soluţie solidăν amestecul mecanicν compus
intermetalic Metalul pur se caracterizează prinβ
- conductibilitate electrică şi termică ridicatăν plasticitate mare - duritate, limita de curgere şi rezistenţa la rupereν scăzute - cristalizează la temperatură constő Soluţia solidă - Poate fi: sss, ssi
Compusul intermetalic se caracterizează prinβ - între atomii metalului de bază şi atomii elementelor de aliere se stabilesc legături
chimice; - reţeaua sa cristalină este diferită de cea a componenţilor - prezintă duritate ridicatăν în cosecinţă o rezistenţă mare la uzurăν fragilitate mare şi o
Ttopire ridicatăő Amestecul mecanic poate fi:
- eutectic - eutectoid.
Fe formeazăβ - sss cu metalele - ssi cu unele nemetale (C, H, N, B).
Ferita (F, α→ - este soluţia solidă interstiţială a C cu Fe (se mai numeşte ss αεν având reţea CVCő - dizolvă δνδδ˚şC la θδ
0C şi δνδθ≠ρşC la ≈θ≈0C
- este un constituent moale şi plastic
Atom de substituţie Fig. 4.1. Soluţie
solidă de substituţie
Atom interstiţial Fig. 4.2. Soluţie
solidă interstiţială
- are punctul Curie la A2 = 7700C Austenita (A, )
- este soluţia solidă interstiţială a C cu Fe (se mai numeşte ss ), având reţea CFC - dizolvă δν≈≈şC la ≈θ≈
0C şi θν≠≠şC la ≠≠↓ρ°C - în cazul oţelurilor aliate apare la tempő mediului ambiant - constituent plastic, favorabil prelucrărilor prin deformare plastică la cald a oţelurilor - are greutatea specifică mare - este paramagnetică
4.2. Forme de separare ale carbonului în aliajele Fe-C
C se poate separa sub două formeβ - legat sub formă de cementită σcarbură de fierεν care corespunde echilibrului
metastabil; - liber sub formă de grafitν corespunzător echilibrului stabilő
Cementita: - conţine de ˚ν˚≈ş C - Ttop = 12270C - este dură σHB700�ρδδdaNγcm
2) şi fragilă - are punctul Curie A0 = 2300C - nu este un produs stabil, astfel că în anumite condiţii de temperatură se descompune
în atomi de Fe şi carbon liber σgrafitεβ Fe3C 3Fe+C(grafit)
Carbonul liber sub formă de grafitβ - se întâlneşte numai în structura fontelor cenuşiiő - Ttop < 4.200oC) - este refractar - este moale şi are rezistenţă scăzutăő 4.3. DIAGRAMA DE ECHILIBRU METASTABIL ŞI STABIL
Sistemul Fe3C corespunde unei răciri cu o viteză mai mareν când în lichid se găsesc în
cantităţi ceva mai mari de elemente carburigene σMnν Crν Vν Mo etcε şi C se află în cantităţi
mai reduse, separarea făcându-se sub formă de σFe3C). Sistemul Fe-grafit corespunde unei răciri cu o viteză mai micăν când în lichid sunt
prezente în cantităţi mai mari elemente grafitizante σSiν Niν Al etcε şi C se află în cantităţi mai
mari, separarea făcându-se sub formă de grafitő
Li+
0,170,09
N
1350
A[°C]
1495
H
%C0,53
Li+
BLi
J
Figura 4.2. Colţul din stânga
sus al diagramei Fe-Fe3C
4.3.1. Semnificaţia liniilor din diagramă
Perlita reprezintă un amestec mecanic eutectoidν este dură şi plasticăő Ledeburita reprezintă un amestec mecanic eutecticν este foarte dură şi fragilăν în
general inutilizabile în construcţia de maşiniő Ledeburita este feromagnetică deoarece conţine
perlită feromagneticăő
γ α (0,0218%C)+Fe3C (6,67%C)
727° C 0,77% C
Li γ (2,11%C)+Fe3C (6,67%C)
1148° C 4,3% C
738°C
727°C
1148°C
1154°C
S
S'
G912
E
E'
C
C'
F
F'D
1227°C
D'(5,56%C)
[%] C
1538
1495
1394
J BA
N
H
KK'
O
0,006
0,0218
A+
Li+
Li
Li+Gf I
Li+Fe3C I
A+Fe3C I
(A+Gf I)
A+Fe3C II
(A+Gf II)
Pe+Fe3C II+Led.tr.
(F+Gf)Led.tr.+Fe3C IPe+Fe3C II
Per
lita
Led.
tr.
Lede
burit
a
+Fe3CIII+Pe
F
F+Fe3C III
0,68
0,77
2,08
2,11
4,26
4,3
F+A
P'
P
Li + A
A ()
Q600
t [°C]
6,67
4.3.2. Diagrama de constituenţi a sistemului Fe-Fe3C
4.3.3. Punctele critice din sistemul Fe-Fe3C Punctele critice la încălzire se notează
- Ac (din lb. francezăν Arrêt chauffage - oprire la încălzireε - Ar (Arrêt refroidissement - oprire la răcireεő
Există şase puncte critice care sunt prezentate în figura ↓ő↓ şi tabelul ↓ő≠ő
t [°C]
6,67
727°C
1148°C
S
G912
E C
F
D
[%] C
1538 A
K
O
0,006
0,0218
Li
Li+Ce I
Led + Ce IA+Ce II + Led
Pe+Ce II+Led.tr. Led.tr.+Ce IPe + Ce II
Per
lita
Led.
tr.
Lede
burit
a
+ Ce III+ Pe
F()
+Ce III
0,77 2,11 4,3
A+F
P
Li+A
A ()
Q
A+Ce II
6,67[%] C0,0218
FeritaCementita
Perlita
FeritaLedeburita
5 [%] C
Ce Ig
Ce IIbf h
Con
stitu
ient
i st
ruct
ural
i [%
]
100
a c
d
Faz
e
100[%]
e
Figura 4.3. Diagrama Fe-Fe3C
Tabelul 4.1 Punctele critice ale sistemului Fe-Fe3C
Pct. critic
Temp. punctului [0C]
Linia ce marchează punctul
Caracterul transformării
Ao 210 - Transformarea magnetică cementiteiβ la
încălzireν din feromagneticăν cementita devine paramagneticăő
A1 727 PSK Transformarea eutectoidă σperliticăεő La răcire
austenita se transformă în perlităő
A2 770 MOSK
Transformarea magnetică a soluţiei solide . La încălzire sőső feromagnetică trece în sőső paramagneticăν sőső (după linia MO) sau în
s.s., care este întotdeauna paramagnetică
(după linia OSKε
A3 912 ÷ ≈θ≈ GOSK Transformarea s.s. în sőső la încălzire
(sfârşitul transformăriiε
NJ Transformarea s.s. în sőső la încălzire
(începutul transformăriiε A4
1496 ÷
1394 NH Transformarea s.s. în sőső la încălzire σsfârşitul
transformăriiε
Acem 1148 ÷
727 ES
Separarea (precipitarea) cementitei secundare în austenităν la răcireő
t [°C]
6,67
727°CS
G 912
E CF
D1227°C
Fe3C
1538 1495
1394
JB
A
N
H
K
0,006 0,0218
0,77 2,11 4,3
PA 2
MO
A 1A 1, A 2, A 3
A 0 (210°ε
A cem
1148°C
A 4
A 2, A 3
[%] C
A 3
°C
Fe3C II
Q
4.3.4. Domeniul oţelurilor carbon şi al fontelor în diagrama Fe-C (fig. 4.10) După şCν aliajele se împart în două categoriiβ
- oţeluri, care conţin până la θν≠≠şC⁄ - fonte albe (aspect argintiu al rupturii datorat Fe3C), cu un %C de la 2,11 până la
6,67%C. În raport cu punctul eutectoid Sν oţelurile se subîmpart înβ
- oţeluri hipoeutectoide, care conţin până la δν≈≈şC - oţeluri eutectoide, care conţin δν≈≈şC - oţeluri hipereutectoide, care conţin între δν≈≈ şi θν≠≠şCő
În raport cu punctul eutectic Cν fontele se clasifică înβ - fonte hipoeutectice care conţin între θν≠≠ şi ↓ν↑şC⁄ - fonte eutectice, care conţin ↓ν↑şC⁄ - fonte hipereutectice, care conţin între ↓ν↑ şi ˚ν˚≈şCő
4.3.5. Mecanismul formării structurilor în diagrama Fe-Fe3C A: Oţeluri 1. C → δνδδ˚ ş 2. C: (0,006 � 0,0218) %
3. C: 0,2%
Ferita
Fe3C III
Ferita
Pe
α
4. C: 0,4% 5. C: 0,6%
6. C: 0,77% (ol. ed.)
7. C: 1,2% (ol. Hed.)
Pe
α σlipsa limitelor dintre grăunţiε
Pe
α σreţea cu margini
neregulate)
Perlită
Pe
Fe3C (sub formă de reţeaε
B. Fonte albe 8. C: 3% (Fa hec.)
t [°C]
6,67
S
G912
E C
F
D
[%] C
1538 A
K
0,0218
Li
Li+Ce I
Led + Ce IA+Ce II + Led
Pe+Ce II+Led
Led + Ce I
Pe + Ce II
Per
lita
Lede
burit
a
F+Pe
0,77 2,11 4,3
P
Li+A
A ()
A+Ce II
0,5 1,2 3,0 5,0
M
Oteluri hipoeu-tectoide
Oteluri hipereutectoide Fonte hipoeutectice Fonte hipereutectice
Ferita
Ce I
Led
Led
Ce II
Pe
Pe
Ce II
Led
Pe
Pe F
Q
O
1148
727
Figura 4.10. Oţelurile carbon şi al fontele albe în diagrama Fe-Ce
Pe
Ce II
Led
9. C: 4,3% (Fa ec.) 10. C: 5% (Fa Hec.)
4.3.6. Clasificarea şi simbolizarea oţelurilor carbon
a) după ş Cβ b) după agregatul de elaborareβ c) după gradul de dezoxidare d) după tratamentul termic e) după modul de prelucrare
1. oţeluri deformabile - cu destinaţie generală
oţeluri de uz generalβ OL↑θőθ σO - oţel⁄ L - laminat; σr = 32daN/mm2; 2 - clasă de
calitate) oţeluri de calitateβ OLC≠δν OLC≠≥ν OLCθδν�ν OLC˚δ σOLC ≠δβ O - oţelν L -
laminat, C - de calitate, 10 → δν≠şCε oţeluri de calitate superioarăβ OLC ↓≥X σO - oţelν L - laminat, C - de calitate, 45 → δν↓≥şCν X � superior)
- cu destinaţie precisă oţeluri pt prelucrare pe maşini automateβ AUT θδL σAUT � pt. prel. pe MA, 20→
0,2%C, L � laminat la cald); AUT 22T (AUT � pt. prel. pe MA, 22→ δνθθşCν T � tras la rece)
oţeluri de sculeβ OSC≈ν OSCρν OSCρMν OSC≠δν OSC≠≠ν OSC13; (OSC 8M: O - oţel⁄ SC � scule; 8 - → δνρşC⁄ M � un conţinut ridicat de manganε
2. oţeluri turnateβ OT ↓δő≠ σO - oţel⁄ T - turnat; σr = 40daN/mm2; 1 - clasă de
calitate) f) după duritate
Fontele albe Se utilizeză Fa hecν dură şi fragilă → se toarnă piese care sunt supuse ulterior
operaţiilor de recoacere de maleabilizareő
Fonte cu crustă dură - au o utilizare ceva mai largă decât fontele albe - în miez este structură de fontă cenuşie şi la suprafaţăν structură de fontă albă - grosimea crustei dure este de 12-30mm şi se obţine în general prin turnarea fontei
respective în forme metalice σcochilieε - din fonta cu crustă dură se toarnă piese care lucrează în condiţii de uzură foarte
intensă cum suntβ cilindrii de laminor pentru siderurgieν calandrii pentru industria chimică şi a hârtieiν axele cu came pentru motoarele cu ardere internăν roţile pentru
vagoane, etc. 4.3.8. Sistemul Fe-Gf (grafit)
Caracteristici: - carbonul se prezintă sub formă de grafit
Led
Ce I
Led
- în locul cementitei va apare grafitul - în locul eutecticului cu cementită σledeburităε apare eutecticul cu grafit σformat din soluţia
solidă şi grafitε - în locul eutectoidului cu cementită σperlităε apare eutectoidul cu grafit σformat din ferită şi
grafit). A. Fontele cenuşii αFc→
Clasificare Masa metalică de bază poate fiβ
- feriticăν fonta numindu-se fontă cenuşie feritică⁄ - ferito-perliticăν fonta numindu-se fonta cenuşie ferito-perlitică⁄ - perliticăν fonta numindu-se fontă cenuşie perlitică⁄ - perlito-cementiticăν fonta numindu-se fontă cenuşie perlito-cementiticăő
Simbolizare Fc 100: F � fontăν c � cenuşieν σr = 100 N/mm2 B. Fontele maleabile Se obţin din Fa hec σ~↑νθşCε supuse recoacerii de maleabilizareν cândβ
Fe3C → ↑FeπC σGfε C sub formă de grafit în cuiburi σgrafit de recoacereεő Fontele maleabile pot fi: a) cu inimă albă σPe lamelarăεβ Fma ↑≥ ν Fma ↓δ b) cu inimă neagră σferiticăεβ Fmn ↑δν Fmn ↑θν Fmn ↑≥ν Fmn ↑≈ c) perlitice (Pe sorbiticăεβ Fmp ↓≥ν Fmp ≥δν�ν Fmp ≈δ Simbolizare F-fontăν m-maleabilă⁄ a-albă⁄ n-neagră sau p-perliticăν iar cifrele reprezintă σr
[daN/mm2]. Fm rezistă la solicitări staticeν dinamiceν vibraţii → punţi spate pentru autovehiculeν
cârligeν coliereν bucşeν etcő
Fc feritică
F
Gf
Pe
G
Fc perlitică
F
Pe
G
Fc ferito-perlitică
C. Fonte modificate cu grafit lamelar - prezintă în generalβ Rm = 30-40daN/mm2, A = 0,8-1% - Fgl 30-0.8: fontă cu Gf lamelar cu Rm = 30 daN/mm2 şi A = δνρşő
D. Fontele modificate cu grafit nodular
- Gf are formă sferică σde noduliε → este eliminată sursa concentrare a tensiunilorν de
amorsare a fisurilor → caractő mecő se apropie de a oţelurilor slabeν se TT asemănător
oţelurilorő - Fgn 40-12: fontă cu grafit nodular cu Rm = ↓δdaNγmm
2 şi A = ≠θş - După masa metalică de bazăν fontele cu grafit nodular se împart înβ
- fonte cu grafit nodular perlitice; - fonte cu grafit nodular ferito-perlitice; - fonte cu grafit nodular feritice.
E. Fontele aliate Fontele albe se aliază cuβ
Fgn feritică
Gf
F Pe
Gf
Fgn perlitică
F
Pe
Gf
Fgn ferito-perlitică
Figura 4.13. Microstructura fontelor maleabile: a) albe, b) negre, c) perlitice; sc. 200:1
Grafit în Grafit în
cuiburi
Perlită Ferită
Grafit în
cuiburi
a) b)
Sorbită
Grafit în
cuiburi
c)
- elementele carburigene (Mn, Cr, V şi Moεν care formează carburi şi favorizează
separarea carbonului sub formă de cementită⁄ - elemente grafitizante (Si, Al, Cu şi Niεν care favorizează separarea carbonului sub
formă de grafitő Pentru alierea fontelor se folosesc cel mai des Cr, Mo, Si, Ni şi Cuő a) Cromul formează carburi → ↑ duritateaν σr, σuzură. Ft speciale bogat aliate cu Cr (1,8%C+15-30%Cr) sunt refractare, Cr opunându-se
tendinţei de creştere a fontei la încălzireő b) Molibdenul ridică rezistenţa la şoc a fontei cenuşii c) Fontele speciale bogat aliate cu Si (14%Si+0,4-1%C+ 0,3-0,5%Mn) au proprietăţi
antiacide, rezistând la coroziunea acidului sulfuric şi acidului azoticő Aceste fonte sunt
cunoscute si sub denumirea de duriron. F. Fontele antifricţiune Proprietăţile antifricţiune ale fontelor cenuşii depind deβ a) cantitatea de Gf, care absorbe lubrifiantul şi-l menţine pe suprafeţele de frecare; b) cantitatea de Pe în masa metalica de bazăő
5. TRATAMENTE TERMICE (TT)
5.1. INTRODUCERE TT = procesul tehnologic aplicat semifabricatelor sau pieselor finite, care constă în
încălzireaν menţinerea şi răcirea cu diferite vitezeν cu scopul îmbunătăţirii proprietăţilorő TT pp. modificarea sau nu a structurii şi nemodificarea dimensiunilor şi ale formeiő
Un TT simplu (ciclu elementar) se reprezintă în
coordonate temperatură � timp (fig. 5.1) şi se
caracterizează prinβ a) perioada de încălzire t1, caracterizată de temperatura
de încălzire σTinc) şi viteza de încălzire σVinc), obţinute
într-un mediu de încălzire⁄ b) durata de menţinereν t2; c) perioada de răcire t3, caracterizată de temperatura de
răcire σTrăc) şi viteza de răcire σVrăc), obţinute într-un mediu de răcireő
Clasificarea TT: a) gr. I: recoaceri fără transformare de fază în stare solidăβ
- recoacere de detensionare (înlăturarea tensiunilor interneε - recoacere de recristalizare (înlăturarea ecruisăriiε - recoacere de omogenizare (omogenizarea compoziţieiε
b) gr. II: recoaceri fără transformare de fază în stare solidăβ - recoacerea obişnuită σpt aducerea structurii cât mai aproape de una de echilibruε - recoacerea de normalizare (pt obţinerea unui grăunte fin şi omogenε - recoacerea de globulizare (pt obţinerea unei Pe σCeε globulare
c) gr. III: căliriν pt obţinerea unor structuri în afara echilibruluiν caracterizate de ↑ durităţiiν
↑ σuzură d) gr. IV: reveniri, aplicate după căliriν pt aducerea structuriloi mai aproape de echilibruν ↓
tensiunilor interne e) tratamente termochimice, pt ↑ durităţiiν ↑ σuzură a straturilor superficiale cu păstrarea
plasticităţii miezuluiő
Figura 5.1. Reprezentarea grafică
a unui tratament termic simplu
5.2. PUNCTELE CRITICE ALE OŢELURILOR A1 = punctul critic inferior al oţelurilor Ac1 = grad de supraîncălzire cu care se produce transformarea la încălzire⁄ Ar1 = grad de subrăcire cu care se produce
transformarea la răcire⁄ Ac1 corespunde Pe → A σγε Ar1 corespunde A (γε → Pe A3 = punctul critic superior al oţelurilor hed Ac3 corespunde F(α) → A σγ) Ar3 corespunde A (γ) → Fσα) Acem = punctul critic superior al oţelurilor Hed
Ac cem corespunde dizolvării Fe3C în A σγ) Ar cem corespunde separării Fe3C din A (γ) 5.3. TTRANSFORMĂRI DE BAZĂ ÎN OŢELURI
1. Pe → A 2. A → Pe 3. A → Ms 4. Ms → Pe
1. Pe → A: la încălzirea peste Ac1 2. A → Pe: la răcirea izotermă sau continuă sub Ar1, rezultă structuri diferiteν cărora le
corespund proprietăţi fizico-mecanice şi tehnologice specificeő Corespunzător transformării izoterme a A s-a trasat diagrama TTT pt un oţel
eutectoid (fig. 5.6).
Corespunzător răcirii continue a A se suprapun peste diagrama TTT curbele de răcire
continuă a A cu diferite viteze (fig. 5.7)
Figura 5.2. Domeniul oţelurilor
în diagrama Fe-Ce
Figura 5.6. Diagrama TTT a unui oţel eutectoid
IV
Pe
Bs
log τ [s] Mf
Ms
T
Bi
S
A1 T [°C]
550
230
- 100
M+Arez
I
II III
V
1 2
M
v5 = viteza critică de călireν tg la cotul perliticν pt care în structură rezultă numai
martensită.
3. A → Ms Martensita de călire este o ss de Feα suprasaturată în C cu reţea tetragonală σcγa > ≠ε
cu volum centrat (fig. 5.8). M de călire = M albăő 4. Ms → Pe După diferite stadii de încălzire ale Mν aceasta se transformă înβ
- Ms de revenire = M neagră - Troostită de revenire σcea mai bun elasticitateε - Sorbită de revenire σcea mai bună rezilienţăε - Pe globulară σcea mai bună plasticitateε
5.4. TRATAMENTE TERMICE APLICATE OŢELURILOR 5.4.1. Tratamente de recoacere 1. Recoacerea pentru detensionare (fig. 5.9)
Scop: înlăturarea tensiunilor interne rămase în urma prelucrărilor prin deformare
plastică la rece sau la caldő
Figura 5.7. Suprapunerea diferitelor viteze de răcire peste diagrama TTT
Pe S T T+M
Mf
Ms
V1
2. Recoacerea de recristalizare (fig. 5.10)
Scop: înlăturarea ecruisării 3. Recoacerea pentru omogenizare (fig. 5.11)
Scopuri: - înlăturarea microsegregaţiilor din produsele turnate σpiese şi lingouriεν deformate
plastic la cald (matriţateν forjateεν sudate → creşterea grăuntelui austenitic → structură
grosolană cu proprietăţi mecanice inferioare → recoacere de normalizare pt finisarea structurii (îmbunătăţirea proprietăţilor mecaniceεő
4. Recoacerea obişnuită αrecoacerea completă→ (fig. 5.12)
Scopuri: - reducerea durităţii semifabricatelor turnate sau forjate pt a fi ulterior prelucrate uşor prin
aşchiereν diminuarea tensiunilor interne şi finisarea granulaţieiő
+Pe
0,0218 0,77
%C
2,11
T [°C]
+CeII
Pe+CeII
P S
K
E
Figura 5.9. Recoacerea de detensionare
Figura 5.10. Recoacerea de recristalizare
+Pe
0,0218 0,77
%C
2,11
T [°C]
+CeII
Pe+CeIIP S
K
E
+Pe
0,0218 0,77
%C
2,11
T [°C]
+CeII
Pe+CeII
P S
K
E
Figura 5.11. Recoacerea de omogenizare
P
°CE
+CeII
Tem
pera
tura
Pe+CeII
SK
2,110,770,0218
%C
+Pe
Figura 5.12. Recoacerea obişnuită � banda
temperaturilor de încălzire
5. Recoacerea de normalizare (Normalizarea) (fig. 5.13) Scop:
- se aplică ol C sau slab aliate pt obţinerea structurii sorbitice având o granulaţie
fină şi omogenăν caracterizate printr-o duritate, rezistenţă la rupere şi la şoc mariő 6. Recoacerea de înmuiere αde globulizare→ (fig. 5.14)
Scop: - transformarea Ce lamelare în Ce globulară → ↓durităţiiν ↑plasticităţiiν
îmbunătăţirea prelucrabilităţii prin aşchiereő 5.4.2. Tratamente de călire
În structura oţelurilor călite se regăseşte în general Mν T sau Bő Acestea rezultă în
urma răcirilor rapideν sunt structuri în afara echilibruluiν caracterizate printr-o duritate, rezistenţă la uzare şi fragilitateν ridicateő 5.4.2.1. Călirea obişnuită Călirea obişnuită σcea mai utilizatăε se aplică oţelurilor cu peste δνθ≥ş C σfigő ≥ő≠˚εő În timpul călirii apar tensiuni structurale datorate transformării A în Mν ce se produce
cu creştere de volumő Pentru reducerea acestor tensiuni interne, deci pentru diminuarea pericolului de fisurare a pieselor, se practică călirea în două medii sau călirea în trepteν în locul călirii
obişnuiteő
E
2,11
P
Tem
pera
tura S
Pe+CeII
0,770,0218
°C
K
%C
+CeII
Pe
Figura 5.13. Recoacerea de normalizare � banda
temperaturilor de încălzire
Figura 5.14. Recoaceri de globulizare: a � recoacere subcritică⁄ b � recoacere incompletă⁄ c � recoacere pendulară
Figura 5.17. Călirea în două medii
Figura 5.16. Călirea obişnuită -banda temperaturilor de încălzire
N
P
E
2,11
Tem
pera
tura
Pe+CeII
0,770,0218
°C
S
%C
K
+CeII
Pe
5.4.2.2. Călirea în două medii (fig. 5.17) (apă π uleiε
5.4.2.7. Călirea superficială
5.4.2.7.1. Călirea superficială a
pieselor încălzite în băi de săruri sau
metale topite Poate fi aplicată doar pieselor cu geometrie
simplă deoarece la piese mai complexe apare
pericolul fisurări în timpul răciriiν iar grosimea
stratului martensitic nu este uniformăő
5.4.2.7.2. Călirea superficială a pieselor
încălzite cu flacără Acest procedeu se aplică de obicei la diverse
lucrări de reparaţiiν la călirea unor piese de
dimensiuni foarte mari (roţi dinţateν ghidajeε şi în producţia de unicate.
5.4.2.7.4. Călirea superficială prin curenţi de inducţie
Prin acest procedeu se pot căliβ axeν ineleν bolţuriν
roţi dinţateν plăciν ghidajeν sculeν etcő Marele avantaj al
procedeului, constă în faptul că instalaţiile de călire
având un gabarit relativ mic, pot fi amplasate pe fluxurile tehnologice de prelucrare prin aşchiereν fiind
eliminată astfel necesitatea transportului pieselor până
la secţiile de tratament termicő
5.4.3. Revenirea Revenirea este un tratament termic ce se aplică
obligatoriu pieselor călite cu scopul reducerii parţiale a
stării de maxim neechilibru şi implicit scade duritatea şi
se îmbunătăţeşte plasticitateaő Tratamentul constă în
încălzirea oţelului călit până la o temperatură sub Ac1, menţinerea la temperatură pentru transformarea M,
după care urmează răcirea în aer liberő Se deosebesc trei tipuri de reveniri: revenire joasăν revenire medie şi revenire înaltăő
6. OŢELURI ALIATE 6.1. GENERALITĂŢI. CLASIFICARE Oţelurile aliate sunt aliaje ale fierului cu carbonulν care pe lângă elementele însoţitoare
aflate în cantităţi relativ reduseν conţin unul sau mai multe elemente de aliere σEAεő După comportarea EA faţă de atomii de C din oţeluriν acestea se împart înβ - elemente grafitizante (Ni, Si, Cu, Al), care favorizează descompunerea Ce cu formarea de Gf; - elemente neutre (Co) care nu favorizează nici grafitizarea şi nici formarea carburilor⁄
strat calit
strat incalzit
deplasarile piesei
piesa
inductor
jet de apa rece
Figura 5.24. Schema procedeului de călire prin curenţi de inducţie
Figura 5.21. Călirea superficială
simultană a unei piese plane
- elemente carburigene (Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr), care au o afinitate ridicată
pentru atomii de C, formând carburi σîn oţelurile aliate, numai elementele sistemul periodic aflate înaintea Fe formează carburiεő 6.2. SIMBOLIZAREA OŢELURILOR ALIATE
a) Oţelurile aliate de construcţie Clasificare 1. după TTβ
- oţeluri aliate de cementare σC<θşε - oţeluri aliate de îmbunătăţire σC≥θşε
2. după modul de prelucrare - turnate în piese⁄ T↑˚MoCrNi≠↓ - deformabile
a) cu destinaţie generală obişnuite⁄ ↑δMoCrNiθδ superioare; 40Cr10X
b) cu destinţie precizată pt rulmenţi⁄ RUL ≠ şi RUL θ pt rulmenţi ce lucrează în condiţii grele⁄ RUL ≠Vν RUL θV pt arcuri; 51 VCr 11 A pt cazane şi recipienţi⁄ OLK≠νőőőν OLK≥⁄ pt ţevi⁄ OLT ≥≥β pt construcţii sudate⁄ OCS ↓˚δ
b) oţeluri pt scule aşchietoare slab aliate; - pt freze, filiere, burghie, tarozi avânt temperatura muchiei aşchietoare de θδδ-300°C⁄ înalt aliate⁄ Rp≠ν Rpθν�ν Rp10 plăcuţe din carburi metalice σtemperatura muchiei aşchietoare de ρδδ-1000°Cεő
c) oţeluri cu proprietăţi speciale 1. oţeluri inoxidabileβ - cu Cr; 12 Cr 120 - cu Cr şi Ni⁄ ≠≠ Ni Cr ≠˚δ 2. oţeluri refractare - pt O.M. ce lucrează la max ≥δδ°C σturbineν cazaneε
- pt O.M. ce lucrează la max ˚≥δ°C σmotoare cu reacţieν racheteε d) materiale cu proprietăţi termice speciale a) invar: nu se dilată până la ≠δδ°C⁄ utilizat la fabricarea etaloanelor de lungimeν
cronometrelor, aparatelor de măsură b) platinit: are coeficientul de dilatare termică egal cu al sticlei şi al platineiν aő cő este
folosit ca înlocuitor al Pt la piesele ce se îmbină cu sticla din componenţa aparaturii utilizată
mai ales în domeniul fiziciiő c) elinvar: nu-şi modifică E până la 100°C⁄ utilizat la confecţionarea arcurilor de
precizie.
7. METALE ŞI ALIAJE NEFEROASE 7.1. CONSIDERAŢII GENERALE
Metalele şi aliajele neferoase prezintă un deosebit interes pentru diferite domenii
datorită rezistenţei lor ridicate la coroziune, conductibilităţii termice şi electrice mariν greutăţii
specifice (densităţiiε miciν unor caracteristici mecanice mai înalte la greutate egală cu aliajele
feroase. Deşi oţelurile carbon au caracteristici mecanice buneν se prelucrează uşor prin
deformare plastică şi prin aşchiereν nu au rezistenţă la coroziuneő Oţelurile aliate sunt
rezistente la coroziune, dar au cost foarte ridicat şi sunt înlocuite prin metale şi aliaje
neferoase în numeroase aplicaţii practiceő Fontele deşi au cost scăzutν se toarnă şi se
prelucrează cu uşurinţăν au caracteristici mecanice mai scăzuteő Principalele metale
neferoase utilizate în stare pură sau ca element de aliere σEAε principal în diverse aliaje suntβ
Al, Au, Ag, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Mg, Mo, Ni, Pb, Pt, Sb, Sn, Ti, W, Zn, Zr; cel mai frecvent sunt utilizate: Cu, Al, Ti, Mg, Pb şi Znő
După felul metalului de bazăν aliajele neferoase se împart înβ aliaje pe bază de Al⁄
aliaje pe bază de Cu⁄ aliaje pe bază de Tiν etcő După numărul EA se deosebescβ aliaje
binare; aliaje ternare; aliaje complexe. După greutatea specifică se împart înβ aliaje
neferoase uşoare σγ=θ-4 g/cm3) (ex: cele pe bază de Alε⁄ aliaje neferoase grele σγ>˚ gγcm3)
(ex: aliaje pe bază de Cuν Pbν Znε⁄ aliaje semiuşoare σγ=↓-6 g/cm3) (ex: cele pe bază de Tiε şi aliaje suprauşoare σγ<θ gγcm
3) (ex: aliaje pe bază de Mgεő
7.2. CUPRUL ŞI ALIAJELE DE CUPRU
7.2.1. Cuprul Cuprul are o largă utilizare datorită conductibilităţii termice şi electrice ridicate şi
rezistenţei bune la coroziuneő Cu se topeşte la ≠δρ↓˚C; prezintă reţea CFC⁄ are rezistenţă la
rupere la tracţiune mică σRm=20�θ≥ daNγmm2), alungire după recoacere de A = ↑δ�↑≥ ş
şi
greutatea specifică γ = ρν● gγcm3 la 20˚C⁄ conductibilitatea electrică ridicată σal doilea după
Ag); este foarte plastic, deformându-se bine la rece şi la caldő După modul de obţinereν
cuprul poate fi: cupru brut de convertizor; cupru electrolitic; cupru tehnic pur în scopuri
electrotehnice; cupru de înaltă puritate chimică sau spectralăν obţinut prin topire zonară sau
atmosferă de azot. 7.2.2. Aliaje Cu-Zn (Alame) a) Alame obişnuite (simple) Alamele obişnuite sunt utilizate datorită caracteristicilor mecanice ridicate şi costului
mai scăzut decât al cuprului⁄ au o bună turnabilitateν o bună aşchiabilitate şi o bună
rezistenţă la coroziune. Simbolizarea alamelor obişnuite se face prin notarea elementului de bază Cuν după
care urmează simbolul elementului de aliere Zn şi grupul de cifre ce arată şZn⁄ de exβ
CuZn5, CuZn10, CuZn15, CuZn20, CuZn28, CuZn30, CuZn36, CuZn37, CuZn40, CuZn43. CuZn37 = Am 63 b) Alame speciale Aceste alame se aliază cu Cuν Alν Mnν Siν Niν Feν Pbν Snν cu scopul îmbunătăţirii
anumitor proprietăţi caβ rezistenţa la oxidare la caldν rezistenţa la coroziuneν valori mai
ridicate ale rezistenţei şi tenacităţiiő
7.2.3. Bronzuri a) Bronzuri obişnuite Bronzurile obişnuite sunt aliajele cuprului cu staniulő Variaţia anumitor proprietăţi
mecanice demonstrează că importanţă tehnică au numai aliajele cu până la θ≥-30% Sn, iar din diagrama de echilibru parţială rezultă că aceste bronzuri pot prezenta microstructuri
mono sau bifazice, respectiv ssα sau ssα π Ed σαπδεő Bronzurile cu peste 10% Sn sunt utilizate ca aliaje pentru turnătorie σCuSn≠δTν
CuSn12T, CuSn14T). Acestea au σr>30 daN/mm2, dar alungiri la rupere mici (1-10%); prin urmare sunt dure şi fragile şi nu pot fi prelucrate prin deformare plastică la receő Ele au însă o
bună rezistenţă la uzare şi un coeficient de frecare reduső Bronzurile pentru piese turnate
prezintă o structură formată din ssα π Ed(ssαπCu31Sn8). Compusul chimic electronic Cu31Sn8 (faza δε determină creşterea accentuată a durităţii şi rezistenţei la uzareő Din astfel de
bronzuri se execută prin turnare carcase pentru pompeν roţi dinţateν cuzineţiν ghidaje etcő b) Bronzuri speciale Bronzurile speciale sunt aliaje ale cuprului cu Al, Pb, Si, Mn, Be şi se numesc bronzuri
cu Al, bronzuri cu Pb, etc.
7.2.4. Tratamente termice aplicate aliajelor pe bază de Cu Principalele tratamente termice care sunt aplicate aliajelor pe bază de Cu suntβ
recoacerea de omogenizare, recoacerea de recristalizare, recoacerea de detensionare, iar la unele aliaje susceptibile la durificare prin precipitare � călirea şi îmbătrânireaő
7.3. ALUMINIUL ŞI ALIAJELE PE BAZĂ DE ALUMINIU 7.3.1. Aluminiul
Aluminiul ocupă primul loc în producţia mondială de metale neferoase şi al doilea loc
după Feő El intră în categoria metalelor uşoareν având o densitate de θν≈ gγcm3. În tehnică
este utilizat Al de puritate tehnică σexő de mărciβ Al●●νρşν Al●●ν≈şν Al●●ν˚şν Al●●ν≥şν
Al99,4%, Al99,3%) şi Al pentru electrotehnică σAlEεő Se mai utilizează şi Al de înaltă puritate
(0,005-0,05% impurităţiε pentru fabricarea aparaturii speciale şi a foilor pentru condensatoare
electrice, precum şi Al extrapur σmaxő δνδδ≠ş impurităţiε în tehnica nucleară şi în tehnica
semiconductoarelor. Impurităţile obişnuite şi de neînlăturat din compoziţia Al prin tehnologiile
obişnuite (Cu-Zn)
speciale (Cu-Zn + Al, Mn, Ni, Sn, Si)
Alame
obişnuite (Cu-Sn)
speciale (Cu-Pb, Si, Mn, Be, Al, Zr)
Bronzuri
Aliaje de cupru
Fig. 7.1. Aliajele cuprului
actuale sunt Fe şi Siν care împreună cu Al formează compuşi ternari care se depun la limita
grăunţilor şi determină scăderea plasticităţiiő Aluminiul se caracterizează prin conductibilitate termică şi electrică mariν rezistenţă
bună la coroziuneν plasticitate ridicată şi rezistenţă mică la rupere⁄ Al de înaltă puritate
laminat şi recopt are σr = 6 daN/mm2, δr = 40% şi o duritate de θ≥ HB. 7.3.2. Aliaje de Al deformabile Principalele EA ale aliajelor de Al deformabile sunt: Cu, Mg şi Mnν rezultând aliaje
binare Al-Cu, Al-Mn, Al-Mg sau aliaje ternare Al-Cu-Mg, Al-Mn-Mg, sau aliaje polinare Al-Cu-Mn-Mg (duraluminiu). Aliajele din sistemele Al-Mn, Al-Mg şi Al-Mn-Mg nu pot fi durificate prin tratament termic, Mg şi Mn au rolul de a creşte rezistenţa la rupereν duritatea şi rezistenţa la
temperaturi mai mari. Aliajele nedurificabile prin tratament termic se deformează plastic
foarte uşor având în stare recoaptă σr ≈ ≠≥ daNγmm2 şi δr ≈ θ≥şν iar în stare ecruisată σr ≈
20-25 daN/mm2 şi δr ≈ ≥şő Aceste aliaje sunt utilizate pentru semifabricate de tipul barelorν
tablelor, profilelor şi ţevilorő 7.3.3. Tratamentul termic al aliajelor de Al Solubilitatea maximă a Cu în Al este de ≥ν≈ş la temperatura de ≥↓ρ˚C σfigő ≈ő↓εő
Solubilitatea Cu în ssα scade odată cu scăderea temperaturiiν astfel încât la temperatura
ordinară ajunge la δν≥ş Cuő La răcirea cu viteză micăν excesul de Cu va fi eliminat din ssα
formând compusul chimic CuAl2, care se separă la limita grăunţilor de ssα şi în planele de
alunecare. Tratamentul termic al aliajului Al-
Cu (4,5% Cu) este prezentat în figő ≈ő≥ő
Atunci când după încălzirea în
domeniul ssαν răcirea se efectuează
rapid (în apăεν se va obţine la
temperatura ambiantă o structură călită
formată din ssα suprasaturată cu atomi
de Cu. Aceasta este nestabilă şi
datorită difuziei atomilor de Cu vor avea
loc modificări care tind să aducă aliajul
la o stare mai apropiată de cea de echilibru. Acest proces care are loc după călire se numeşte de îmbătrânireő
Ea se poate desfăşura spontan în
decurs de câteva zileν la temperatura
ambiantăν fiind numită îmbătrânire
naturalăő Prin cercetare microscopică
nu pot fi evidenţiate modificări ale structurii rezultate după călireν
deoarece transformările care se produc
nu conduc la separarea de faze noi, dar în timpul îmbătrâniriiν datorită tensionării reţelei cristaline se înregistrează o creştere
importantă a durităţii şi a rezistenţei la rupere. Procesul de îmbătrânire poate fi accelerat
printr-o încălzire a aliajului călit la ≠≥δ-180˚C cu menţinere de ≠ orăő Acest tratament este
numit recoacere artificialăő Dacă este depăşită temperatura de θδδ˚Cν Cu în exces iese din
soluţie formând compusul chimic CuAl2 (evidenţiat prin analiză microscopicăεν starea de
tensiune a ss scade şi ca urmare duritatea şi rezistenţa la rupere vor scădeaő
Figura 7.5. Tratamentul termic de durificare prin precipitare-călire de punere în soluţie şi îmbătrânire
a unui aliaj Al-Cu cu 4,5%Cu (diagramăν structuri): a) aliaj încălzit σîn condiţiile din punctul Mε⁄ bε aliaj
recopt; c) aliaj călit⁄ dε aliaj îmbătrânit⁄ eε aliaj
supraîmbătrânit
α
M *
α+CuAl2sec (la microscop)
[°C
]
8. MATERIALE COMPOZITE
8.1. INTRODUCERE Materialele compozite de azi au o rezistenţă mult mai mare comparativ cu cea a
materialelor clasice (oţeluriν fonteν aliaje neferoaseε şi la rândul lor vor prezenta rapoarte
rezistenţă la tracţiune γ densitate la jumătatea celor preconizate a fi obţinute în viitor σfigő ρő≠εő
Proprietăţile acestora sunt determinate de tipulν forma, dimensiunea şi orientarea fibrelor de
armare. Matricile în care sunt înglobate acestea pot fi constituite dintr-un singur material (metallic, ceramic, vitros, polimeric, etc.) sau din mai multe (hibridăεő Produsele obţinute din
astfel de materiale au utilizări în construcţia de avioane şi vehicule aerospaţialeν automobileν
ambarcaţiuniν construcţiiν componente electroniceő 8.2. FIBRE ŞI PRODUSE DIN FIBRE 8.2.1. Fibre de armare Fibra constituie un produs solid caracterizat printr-un raport lungime / diametru (l / d)
în valoare de cel puţin ≠δδő Filamentul (monofilamentul) este o fibră pentru care acelaşi raport poate depăşi
valoarea de 1000. Filamentele se utilizează în mănunchiuri σrovingν strandν towν yarnεő Whiskers este o fibră cu lungimea de ordinul milimetrilor sau centimetrilor şi diametre
de 1 � 25 µmν astfel că l γ d = ≠δδ � 15000. Ele sunt incluse în matrici polimericeν metaliceν
ceramice (σr = 280 � 2400 daN/mm2). Fibrele whiskers sunt monocristale aproape perfecte, realizate sintetic în condiţii controlateν obţinute dinβ
- oxizi: de Si, de Al, de Be; - carburi: de Si (d = 0,05 � 0,2 µmεν de B⁄ - nitruri de Si (d = 0,2 � 0,5 µmε⁄ - compuşi organici⁄ - halogenuri. Microfibra este o fibră mai fină ca mătaseaν obţinută din acrilν nylonν poliester, viscoză⁄
are 0,5 � 0,9 denier, 1 denier = grame / 9000 m (mătasea are ≠νθ≥ denierεő Nanofibra este o fibră cu diametrul de ordinul nanometrilor σfibre de carbonν fibre
chimice). 8.2.1.1. Clasificarea fibrelor
a) după compoziţia
chimică
Fibre organice: alcătuite din polimeri cu greutate
moleculară mare σfibrele bicomponente conţin θ
polimeri)
Fibre metalice: conţin un metal, un aliaj sau sunt fibre (de sticlăν de carbonν de plasticε metalizate⁄
pot fi conductoare sau superconductoare
Fibre anorganice: de sticlăν ceramiceν minerale
Nanocompozite 20 Fibre aramidice 12 Fibre carbon Compozite 4 Sticla 2 Piatra Bronz Aluminiu 1800 2000 2050 Anul
Lemn Oţel
Rez
iste
nţăγD
ensita
te (
ln,x
106 )
Figura 8.1. Evoluţia rezistenţei specifice a materialelor în timp
g) după prelucrareν fibrele pot fiβ măcinateν tocateν ţesuteν împletiteν tricotateő
b) după origine
artificiale
naturale
minerale
animale
vegetale
artificiale (celulozice): produse prin transformarea polimerilor organici (alterarea fibrelor naturale)
sintetice: produse prin polimerizarea monomerilor organici
fibre alginice derivate din plante marine
fibre derivate din proteina din plante / animale: caseinăν soia
fibre celulozice artificiale: acetat de viscozăν mătase
cupro-amoniacală
c) din punct de vedere al materialului constituent
fibre din materiale asociate (unul depus pe celălaltεβ fibre metalizateν fibre de Bν
SiC depuse pe W, etc.
amestecuri: polimerice omogene, heterogene
fibre dintr-un singur material (unitar)
d) după continuitate şi mod de dispunere
continue (l / d ≈ ≠δδε
discontinue (l / d = 300 - 1000)
bidirecţionale
tridirecţionale
unidirecţionale
dispunere selectivă
dispunere aleatorie
e) după forma secţiunii
geometrică cilindrică
barăβ fibre de C plină
cavăβ fibre de sticlăν nanotuburi de C
f) după structură
unidimensionalăőβ fibre de poliesterν de poliamidăν de
aramidă bidimensionalăβ fibre de C
tridimensionalăβ fibre de sticlăν de ceramice
8.2.2. Produse din fibre 8.2.2.1. Terminologie Filamentele se utilizează în general sub formă de mănunchiuriν care se obţin astfel
încă de la filareő Dacă nu se răsucesc se numesc strand sau endő În cazul firelor de C sau
grafit se denumec tow. Firele cuprinse într-un strand sunt în număr de ≥θν ≠δθ sau θδ↓ő
Uneori strandul este împărţit în θ sau ↑ subdiviziuni numite bundleő Dacă filamentele sunt paralele între eleν strandul se denumeşte rovingő Dacă
filamentele sunt răsucite împreunăν strandul se denumeşte yarnő Când răsucirea se face în
sens trigonometric se foloseşte simbolul ŢZŢ⁄ cînd răsucirea se face în sensul acelor de ceas se foloseşte simbolul ŢSŢő Gradul de răsucire se exprimă prin ŢTPIŢ σtorsiuni γ inchε sau ŢTPMŢ
(torsiuni / m). Două sau mai multe fire simplu răsucite σyarnε se pot răsuci unul cu altul formând un
fir dublat / multiplu răsucit σpliedν multipleν folded yarn). Două sau mai multe fire dublate
răsucite împreună formează un fir cablat σcabled yarnεő Ţesătura cu roving se numeşte woven roving⁄ ţesătura cu
yarn se numeşte clothő Cloth conţine mai puţină răşină decât
woven roving. Într-o pânzăν firele continue din direcţia lungimii
formează urzeala σwarpν endsε σfigő ρő↑; s-au notat: w � deschiderea, d � diametrul firului, p � pasul, n � nr ochiurilor (deschiderilor) măsurate pe distanţa de ≠ inchεő Firele scurteν
ţesute pe direcţia transversală a pânzei sunt firele de bătătură σfillν
weft, picks, ends). Indicatorul de fineţe al ţesăturii γ sistemul de
numerotare al firului (count) se referă la titrul firului σstrand countε
sau la numărul firelor σcapetelorε de urzeală şi de bătătură pe
unitatea de lungime (inch, cm).
8.2.2.2. Ţeserea Prin această tehnică se obţin pânzeleν care însă din cauza orientării fibrelor numai la
0° şi ●δ°ν prezintă o rezistenţă mică la impact şi delaminareő Pentru îmbunătăţirea
proprietăţilor se folosesc tehnici de ţesere multiaxială ↑D şi de introducere a straturilor
orientate la ± ↓≥° sau de introducere a unui strat subţire de mat σrealizat din voalν filamente
continue sau strand tocat) în timpul procesului de ţesereő Orice ţesătură trebuie să îndeplinească următoarele caracteristici: - integritate � datorată interblocării mecanice a fibrelor⁄ - drapaj � capacitatea pânzei de a se conforma unei suprafeţe complexe⁄ - planeitate; - stabilitate. Stilurile de ţesere suntβ
1. ţesătura simplă σplain weaveν linen weaveε la care firul de urzeală trece alternativ pe sub şi peste fiecare fir de bătăturăő Prezintă un nivel ridicat de încreţire cu efect
negativ asupra proprietăţilor mecanice σfigő ρő↓aεő 2. ţesătura diagonală σtwill weaveεν care prezintă o linie diagonală dreaptă sau întreruptă
şi care este mai fină decât cea simplă σfigő ρő↓bε⁄ 3. ţesătura satin σsatin weavwν atlazεν cu un aspect mai neted decât cea diagonală σfigő
8.4c). O formă a acestei ţesături o reprezintă cea crowfoot σfigő ρő≥εν caracterizată de
bune proprietăţi mecanice⁄ 4. fund de coş σbasketε (fig. 8.6a), care este o variantă a ţesăturii simple⁄ 5. ţesătura fină σvoalν gazν Leno weaveεν la care firele de urzeală sunt răsucite în jurul
firelor de bătătură formând o spirală dublăν ceea ce-i conferă o deschidere mareν astfel
că nu poate fi folosită singură σfigő ρő˚bε⁄
Figura 8.3. Structura şi caracteristicile unei
pînze ţesute
6. Mock Leno este o variantă a ţesăturii simple σfigő ρő˚cε⁄
ţesătura unidirecţionalăν la care toate fibrele din strat au direcţia urzelii sau bătăturii⁄ are
rezistenţă mare la impactν pe direcţia fibreiν rigiditate bunăν dar integritate slabă⁄ 7. pânza bidirecţională σbiaxialăν biasν woven fabricε σfigő ρő≈aεν la care fibrele sunt
dispuse 0/90 sau +/- 45 şi care au o bună rezistenţă la impact⁄ 8. pânza triaxială σtriaxial woven fabricε (fig. 8.7b), care au o rezistenţă bună la torsiune⁄ 9. pânza cvadriaxială σπ ↓≥°ν δ°ν ●δ°ν - 45°εν obţinută prin ţesere şi coasere⁄ 10. pânze multiaxiale σfigő ρő≈cεν alcătuite din straturi de fibre lungi menţinute împreună
printr-un fir de coasere poliesteric; se folosesc în industria maritimăν aeronauticăν la
pânzele morilor de vântő 11. pânze hibride de tipul Cγaramidăν Cγsticlăν aramidăγsticlăő
Plain weave Twill weave Satin weave Figura 8.4. Stiluri de ţesere
5 harness satin 8 harness satin crowfoot satin Figura 8.5. Tipuri de ţesături satin
basket Leno Mock leno Figura 8.6. Tipuri de ţesături speciale
8.2.2.3. Tricotarea şi împletirea Pânzele de armare tricotate au rezistenţă şi rigiditate mai mari şi suprafeţe orizontale
drepte faţă de rovingurile ţesuteő Ele se fabrică dintr-un singur set de fire răsucite care merg
în lungul sau latul pânzei şi care sunt menţinute împreună prin asamblarea firelor unul în
jurul celuilalt. Împletirea este o interblocare a 3 sau mai multe fibre sau mănunchiuriν astfel încât
două fire să nu fie răsucite unul împrejurul altuiaő Ele se caracterizează printr-o rezistenţă
mare la impact, la forfecare, la torsiune şi la obosealăő Împletiturile pot fiβ
- biaxiale; - triaxiale.
Împletiturile se utilizează în domeniileβ sportivν medicalν aerospaţialν etcő 8.4.2. Fibre sintetice
8.4.2.1. Fibre aramidice Fibrele aramidice (aramida este abrevierea termenului "aromatic polyamide") sunt fibre polimerice organice obţinute prin filarea umedă a polimerului de cristal lichid liotropicν
sub formă de fir răsucit σyarnεν roving sau fibre tocateő Polimerii de cristale lichide pot fiβ - liotropici (rezultă din acţiunea unui solventεβ PBZTν PBOν PBI⁄ - termotropici (rezultă prin încălzire): VECTRAN.
Caracteristici: 1. culoare galben-auriu strălucitor⁄ 2. nu au punct de topire; 3. inflamabilitate scăzută⁄ 4. rezistenţă bună la impact înalt⁄
a) b)
c)
Figura 8.7. a) Pânza biaxială⁄
b) triaxială⁄ cε multiaxiale
5. rezistenţă specifică la întindere foarte mare⁄ 6. rezistenţă termică bună⁄ 7. rezistenţă chimică bunăő
Utilizări:
a. ţesături rezistente la foc⁄ b. veste antiglonţ⁄ c. căşti de protecţie⁄ d. înlocuitori de azbest⁄ e. ţesături pentru filtrarea aerului cald⁄ f. armături pentru cauciuc⁄ g. pânze groase pentru vele⁄ h. confecţionarea agitatoarelorν pompelor centrifuge utilizate în industria hârtiei,
zahăruluiν etcő i. armături în coloane de beton şi alte structuriő
8.4.2.1.1. KEVLAR (para-aramidă→ Caracteristici:
- sunt anizotrope; - greutate redusă⁄ - alungire la rupere mică⁄ - rezistenţă la întindere şi modul de elasticitate mari σde ≥ ori mai mari ca ale oţeluluiε⁄ - rezistenţă chimică mare⁄ - slabă conductivitate electrică⁄ - rezistenţă mare la focν autostingere⁄ - tenacitate înaltă⁄ - foarte bună stabilitate dimensională⁄ - rezistenţă mică la compresiune⁄ - absorb umiditate, fiind mai sensibile decât fibrele de C sau sticlă⁄ - rezistenţa mare la tăiere implică utilizarea unor scule speciale pentru tăierea ţesăturii
uscate, a prepregurilor sau a unor burghie speciale pentru găurirea laminatelor
întăriteő Utilizăriβ
- veste antiglonţν ghete antimină⁄ - blindaj rezistent la şrapnelν pentru motoarele avioanelor cu reacţieν pentru protecţia
pasagerilor în caz de explozie⁄ - compozite: părţi din structura corpului avioanelor⁄ - sisteme de încălzire-răcire la automobile⁄ furtune industriale şi de automobile⁄ - plăcuţe de frână şi garnituri (înlocuitor de azbestε⁄ - anvelope; - mănuşi pentru protecţie împotriva tăieturilor ce pot apărea la prelucrarea sticleiν a
tablei, folosite în poliţie şi armată⁄ - obiecte sportive: skiuri, rachete de tenis, ambarcaţiuniν căşti de protecţie⁄ - frânghii şi cabluri.
8.5. FIBRE DE CARBON
Fibra de carbon conţine cel puţin ●δş Cő Fibra grafitică are peste ●●ş Cő Fibrele de C
pot fi continue, scurte, ne- şi răsuciteν ţesuteν împletiteν tricotateν caveν nanotuburiν whiskerső
Prin difracţie de raze X şi microscopie electronică se evidenţiază că în fibra de C miezul are o
slabă orientare a cristalelorν care au o mică înălţimeν în timp ce la suprafaţa exterioară
cristalele au o orientare axială şi sunt stratificate într-un strat gros. Ele se caracterizează
printr-o densitate micăν rezistenţă mare la tracţiuneν la coroziuneν la uzurăν flexibilitateν
conductivitate termică şi electricăν inerţie chimică σexceptând oxidareaεő Sunt permeabile la
raze X, aspect folosit în domeniu medicalő Fibra de C de înaltă performanţă este mai rezistentă ca oţelulν mai uşoară ca Al şi mai rigidă ca Tiő Este sensibilă la şoc σare rigiditate
mare, alungire la rupere micăν este fragilăεν la acţiunea acizilor oxidanţiν a O2 din aer la temperaturi peste 400°Cν la coroziunea de tip galvanic la contactul cu metalele şi aliajeleő
8.7. FIBRE DE STICLĂ 8.7.1. Generalităţi Fibra de sticlă are proprietăţi remarcabile oglindite în componenţa compozitelorν în
care reprezintă armătura preferatăő 1. Are rezistenţa specifică σRγρε aprox de ≥ ori mai mare ca a oţeluluiν fiind de ↑ ori mai
uşoarăν ceea ce o recomandă pentru compozitele de înaltă performanţăő 2. Alungirea la rupere la tracţiune este aprox ≥şν are coeficient de dilatare termică liniară
mic, nu este afectată de variaţiile de umiditateν astfel că prezintă o stabilitate
dimensională remarcabilăő 3. Nu arde (este necombustibilăε şi nu întreţine arderea⁄ la ↑≈δ°C păstrează peste ≈≥ş
din rezistenţa de rupere şi la ≥↓δ°Cν aprox ≥δş din eaő 4. Are o slabă conductivitate termicăν ceea ce o recomandă în compozitele folosite la
izolaţiile din industria construcţiilorő 5. Compatibilitatea cu diferiţi ancolanţi permite combinarea cu multe răşini sintetice şi
matrici minerale (gips, ciment). 6. Nu putrezeşte, nu se deterioreazăő 7. Este un excelent izolator electric, chiar la grosimi mici. 8. Permeabilitatea dielectrică îi conferă utilizări la cupolele de protecţie ale antenelor
radar fără modificarea radiaţiei electromagnetice σmai ales în aviaţieεν ferestre
magnetice, etc. 9. Obţinerea pieselor care integrează mai multe funcţiiő 10. Combinate cu răşini potrivite formează compozite de mare rezistenţă chimicăő 11. Prezintă o mare rezistenţă la obosealăő 12. Sunt cele mai ieftine fibre de înaltă performanţăő
Materiile prime utilizate la producerea fibrelor de sticlă suntβ - produse principale: cuarţν silicaţiν aluminăν sodăν argilăν calcarν dolomitν acid boricν
fluorinăν oxizi metaliciν etcő - produse secundare: deşeuri tocate rezultate din procesul de filare şi cioburi de sticlă
provenite din programele comunitare de reciclare.
9. TERMODINAMICA PROCESULUI DE SOLIDIFICARE
9.1. Curbe de răcire
9.2. MECANISMUL SOLIDIFICĂRII Formarea grăunţilor cristalini în timpul procesului de solidificare este rezultatul a două
procese elementare: - formarea în topitură a unor germeni de solidificare⁄ - dezvoltarea (creştereaε germenilor formaţiő 9.2.1. Procesul de creştere al germenilor de cristalizare Un germen de cristalizare, fie el omogen sau eterogen, odată format într-o topitură
subrăcităν se va dezvolta dând naştere unui grăunte cristalinő Creşterea germenilor se
desfăşoară prin ataşarea atomilor din topitură pe suprafaţa cristalului în devenireő
Figura 9.4. Schema creşterii germenilor de cristalizare
dislocaţie elicoidală
Fig. 9.3. Histerezis termic
4
1
2 3
1
2 3
4 τ [s]
Tt
T [°C]
Ts
h.t.
Fig. 9.1. Curba de răcire a unui metal pur
aflat în stare solidă
Tîncălzire
τ (timpul) [s]
T [°C]
Fig. 9.2. Curba de răcire a unui metal pur
aflat în stare lichidă
τ [s]
Tt 1
2 3
4
Ts
T [°C]
9.3. STRUCTURA DE SOLIDIFICARE A MATERIALELOR METALICE Structura rezultată in urma solidificării prezintă o importanţă practică deosebită pentru
două categorii de aplicaţii ale procesului de cristalizareβ - producerea de lingouri destinate prelucrării prin deformare plastică⁄ - producerea de piese turnate. Procesul de solidificare exercită o influenţă decisivă asupra următoarelor aspecteν
care determină calitatea materialului turnatβ - microstructura (forma şi mărimea grăunţilorν modul de distribuire a fazelor constitutive, precum şi variaţia acestora în volumul materialuluiε⁄ - tensiunile reziduale; - porozităţile⁄ - incluziunile străine⁄ - segregaţia elementelor de aliere şi a impurităţilorő
9.3.1. Microstructura materialelor metalice turnate În urma cristalizării va rezulta o
microstructură neomogenăν care este
neavantajoasă deoarece proprietăţile
mecanice nu sunt uniforme pe întreaga secţiune a pieselorő Pentru
îmbunătăţirea structurii de turnare a
pieselor se pot lua unele măsuriν caβ - introducerea de modificatori în topiturile metaliceν în vederea
măririi numărului de germeni de
cristalizare eterogeni; - supunerea topiturii pe toată
durata cristalizării unor vibraţii
mecanice, cu scopul fragmentării
dendritelor în curs de formare, care pe lângă dimensiunile miciν vor
constitui şi noi germeni de cristalizareő
Figura 9.5. Schema procesului de formare a agregatului policristalin
Figura 9.6. Schema procesului de solidificare a unei topituri metalice turnate într-o formă de turnare
cristale de răcire
cristale columnare cristale dendritice
Pe aceste căi se vor putea obţine piese turnate cu structuri uniforme şi fineν şi deci cu
proprietăţi ridicate pe întreaga secţiuneő 9.3.2. Tensiuni reziduale în semifabricatele turnate În timpul solidificării pieselorν temperaturile înregistrate în diferitele puncte ale unei
piese nu sunt uniforme. Astfel, în zonele în care secţiunea piesei este mai mareν timpul în
care căldura va fi evacuată în mediul înconjurător va fi mai lung decât în zonele unde
secţiunea este mai mică şi unde temperatura scade mai rapidő Aceste tensiuni reziduale pot
atinge valori foarte ridicate, putând determina chiar fisurarea sau ruperea pieselor în curs de
solidificare sau răcireν în timpul prelucrărilor mecanice sau în timpul funcţionării pieselorő Pentru reducerea cât mai avansată a tensiunilor rezidualeν pieselor li se vor aplica
tratamente termice specifice. 9.3.3. Porozităţi Ele determină scăderea rezistenţei la rupereν a rezistenţei la uzareν a rezilienţeiν etcő şi
pot fi generate fie de contracţiile ce apar la solidificare şi răcireν fie de scăderea solubilităţii
gazelor dizolvate în topiturăν fie ca efect combinat al celor două cauzeő
9.3.4. Incluziuni Un defect aparte des întâlnit în semifabricatele turnate o reprezintă incluziunileν care
întrerup continuitatea materialului metalic afectectând mult proprietăţile pieselorő Incluziunile pot fi metalice sau nemetalice. 9.3.5. Segregaţii Materialul metalic obţinut în urma cristalizării nu este omogen din punct de vedere
chimic, iar această neomogenitate chimică a materialului solidificat se numeşte segregaţieő
Clasificarea segregaţiilor se face astfelβ - intracristaline ● minore σmicrosegregaţiiε - intercristaline Segregaţiiβ - normale ● majore σmacrosegregaţiiε - inverse - gravitaţionale 9.4. PRELUCRAREA PRIN TURNARE A MATERIALELOR METALICE
9.4.1. CONSIDERAŢII GENERALE
Turnarea este procedeul tehnologic de fabricare a unei piese prin solidificarea unei cantităţi determinate de metal lichidν introdus în cavitatea formei de turnareν care are
configuraţia şi dimensiunile corespunzătoare formei de turnare a reperuluiő
a) b) c) d) Figura 9.7. Formarea retasurii
deschise
Figura 9.8 Retasură închisă
Figura 9.9 Retasură dispersată
Piesele turnate pot fi clasificate în funcţie de greutateν astfelβ - piese mici, având sub ≠δδ kg⁄ - piese mijlocii, având ≠δδ � 1000 kg; - piese mari, având ≠δδδ � 5000 kg; - piese foarte mari, având peste ≥δδδ kgő
9.4.2. TURNAREA PIESELOR METALICE ÎN FORME TEMPORARE DE AMESTEC Forma de turnare reprezintă ansamblul metalic sau nemetalic ce conţine cavitateaő
Acestea pot fi: - temporare, când se folosesc la o singură turnare⁄ - permanente (durabile), folosite pentru un mare număr de turnăriő
9.4.2.1. Structura formelor de turnare
9.4.2.2. Reţele de turnare Elementele componente ale reţelei de turnare sunt σfigő ●ő≠θ): - gura (1) şi piciorul pâlniei de turnare σθε⁄ - colectorul de zgură σ↑ε⁄ - canalele de alimentare (4).
9.4. 3. METODE SPECIALE DE TURNARE A. Turnarea în formă metalică αcochilă→ Piesele rezultate prin acest procedeu se remarcă prinβ
caracteristici mecanice mai bune decât cele obţinute în amestecuri de formare⁄ precizie dimensională mai mare⁄ calitatea suprafeţei ridicată⁄ piesele mici nu mai necesită prelucrări ulterioare⁄ un număr mare de utilizări ale unei formeő
Dezavantajele turnării în aceste tipuri de forme permanente suntβ conductivitatea mare a formei metalice determină scăderea fluidităţii metalului
topit;
Figura 9.10. Structura formei de turnare
9
8 7 6 5 4
3
2
1
10 11
1
2 3
4
Figura 9.11. Părţile
componente ale reţelei de turnare
a) b) c) Figura 9.12. Tipuri de reţele de turnare
piesele sunt mai scumpe; formele sunt scumpe şi trebuie să conţină canale de evacuare a gazelorő
B. Turnarea fontei cu crustă dură Acest procedeu presupune utilizarea formelor combinate. Astfel, pentru obţinerea unui
cilindru de laminor se foloseşte forma metalică în zona tăblieiν pentru ca în urma răcirii rapide
să rezulte crusta durăν iar fusurile se obţin în forme temporare din amestec de formareν care
permit o grafitizare normală în condiţiile unei răciri lenteő
C. Turnarea sub presiune Acest procedeu are ca principiu de lucru injectarea metalului lichid sub presiune în
forme metalice Se obţin piese utilizate în industria electrotehnicăν mecanică finăν în
construcţia de avioaneν de automobile σcarburatoareεν şőaő D. Turnarea centrifugală Principiul acestui procedeu constă în obţinerea pieselor prin turnarea metalului topit în forma metalică, în timp ce aceasta ce se roteşte în jurul axului de antrenareő Ca urmareν
forţa centrifugă împinge metalul lichid pe pereţii formeiν unde se solidificăő E. Turnarea continuă Specific acestui procedeu este faptul că introducerea metalului în cavitatea formei şi
scoaterea piesei finite se realizează simultan F. Turnarea prin aspiraţie
Introducerea metalului în cavitatea formei se datorează depresiunii create de pompa
de vid. Se obţin piese tubulare σbucşeν ineleν roţi dinţate din aliaje cu greutate specifică mică
(aliaje de Mg)).
10. PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE PLASTICĂ A MATERIALELOR
METALICE
10.1. INTRODUCERE Prelucrarea prin deformare plastică se poate face la rece sau la caldő În urma prelucrării la rece se înregistrează ecruisarea materialuluiν care impune
aplicarea unor recoaceri de recristalizare, atunci când este necesară continuarea procesului
de prelucrare. Există situaţii când se doreşte ca materialul să fie ecruisatν deoarece
caracteristicile mecanice finale sunt mai ridicate decât ale unui material normalizatő 10.2. PRELUCRAREA PRIN LAMINARE 10.2.1.Consideraţii generale Laminarea este procedeul tehnologic de prelucrare a metalelor şi aliajelorν care constă
în trecerea semifabricatului prin spaţiul dintre doi cilindriν care se rotesc în sens contrar În urma laminării rezultă semifabricate şi piese finite cu structură finăν îmbunătăţirea
proprietăţilor mecaniceν creşterea compactităţii metalelorν obţinerea unor suprafeţe curate şi
în general fără defecteő Materia primă pentru laminare o reprezintă lingourileő
Semifabricatele obţinute în urma laminării suntβ Grele
blumuri
sleburi (brame)
uşoare ţagle
platine Cilindrul de laminor este alcătuit din tăblie σvine în contact cu semifabricatulεν fusuri
(se sprijină în lagăreε şi rozete σpermit cuplarea cilindrilor pentru antrenareε Tăblia poate fiβ
netedăβ pentru tableν benzi profilatăβ pentru diferite profile; calibrele pot fi închise sau deschiseő
Clasificarea laminoarelor: după organizarea cajelor de lucru
În linie În paralel
după numărul cilindrilor din caja de lucru după destinaţieβ pentru blumuriν sleburiν tableν profile, etc. după natura materialuluiβ pentru oţeluriν Cuν Alν Znν şőaő după temperatura de lucruβ la caldν la rece⁄ după sensul de rotaţie al cilindrului de lucruβ reversibile şi ireversibile⁄ după amplasarea cilindrilor de lucruβ cu cilindrii orizontaliν cu cilindrii verticali, cu
cilindrii aşezaţi oblicν universali⁄ 10.2.3. Tehnologia laminării la cald Materia primă folosită este reprezentată deβ
lingouri (de diferite forme şi mărimiε la care se taie retasura şi piciorul lingoului⁄ semifabricate obţinute dintr-o laminare anterioară σblumuriν sleburiν ţagleν platineεν care
se taie la dimensiuni. Din aceste materiale se obţin următoarele tipuri de produse laminateβ
o oţeluri cu diferite forme ale secţiuniiβ pătratν triunghiularν rotundν semirotundν ovalν etc.; o profile: L, LL, U, I, T, Z; o profile speciale: şină de cale feratăν pentru ferestre metaliceν pentru industria
constructoare de maşini σagricoleν maşini de cusutε⁄ o benzi de oţel pentru arcuri în foiő
10.2.4. Tehnologia laminării la rece Materia primă folosită o constituie semifabricatele obţinute prin laminare la caldő Produsele rezultate prin laminare la rece sunt tablele şi benzile subţiriő
10.3. PRELUCRAREA PRIN TRAGERE ŞI TREFILARE
10.3.1. Consideraţii generale
Profile grele
Tablă groasă
Profile uşoareν mijlocii, sârmă, benzi
Tablă subţireν benzi subţiri
Produse laminate
Tragerea este procedeul tehnologic de deformare plastică care constă în trecerea
forţată a semifabricatului σbareν ţevi cu sau fără cusăturăε prin orificiul unei matriţe cu
secţiunea mai mică decât a semifabricatuluiő Avantajele acestui procedeu de prelucrare sunt reprezentate de obţinerea unor
dimensiuni precise, a unei foarte bune calităţi a suprafeţeiν a unor suprafeţe ecruisate σde
exemplu: sârme de arcεő
10.3.2. Scule şi utilaje Prelucrarea semifabricatelor (bare, ţeviε cu diametre mai mari de ≠δ mm se face cu
ajutorul matriţelorν iar pentru cele cu dimensiuni sub această valoare se utilizeză filiereleő Filiere şi matriţe
Pentru tragerea barelor sau ţevilor se utilizează bancul de tras. Pentru trefilarea sârmelor groase se foloseşte maşina de trefilat singulară σfigő ≠δ.11). Pentru micşorarea diametrului sârmelor se utilizează maşinile multipleν la care tobele sunt
amplasate în serie sau în paralelő 10.3.3. Tehnologia tragerii
Tragerea ţevilor Ţevile obţinute prin laminare sunt prelucrate prin tragere cu scopul:
micşorării diametrului şi grosimii pereţilor⁄ finisării dimensiunilor σobţinerea toleranţelor prescriseε⁄ ecruisării suprafeţelorő
Tragerea la rece se poate face: a) fără dorn⁄ b) cu dorn scurt fix; c) cu dorn scurt flotant; d) cu dorn lung, pentru ţevi cu diametre mici.
7
1 2 3 4
6 5
Figura 10.11. Maşina de trefilat singulară
l c
d
1 2 3
4 5 6
2
Figura 10.9. Filieră
60
2
d
Figura 10.10. Matriţă
10.4. PRELUCRAREA PRIN EXTRUDARE 10.4.1. Consideraţii generale. Tipuri de extrudare Extrudarea este procedeul de deformare plastică care constă în trecerea forţată a
semifabricatului datorită unei forţe de compresiuneν prin orificiul profilat al unei matriţeő Avantaje ale acestui procedeu sunt: obţinerea de ţeviν bareν piese cu profile
complicate din materiale cu plasticitate mică⁄ precizie foarte mare de prelucrareν astfel încât
nu se mai impun operaţii ulterioare de finisare. Printre dezavantaje se pot menţionaβ durabilitate scăzută a matriţei⁄ neuniformitatea
deformaţiilor volumiceő Tipuri de extrudare:
Extrudarea directă Extrudarea indirectă (inversă) Extrudarea combinată Extrudarea laterală Extrudarea prin explozie
10.5. PRELUCRAREA PRIN FORJARE
10.5.1. Consideraţii generale
Forjarea este procedeul de prelucrare prin deformare plastică al cald sau la receν în
care se aplică manual sau mecanicν forţe exterioare statice sau dinamiceő Prelucrarea la cald
presupune încălzirea semifabricatului în cuptoare cu combustibil solidν lichid sau gazosν cu
rezistenţă electrică sau inducţie şi se face în condiţiile neapariţiei fisurilor şi cu forţe cât mai
mici. Piesele forjate de dimensiuni mari se obţin plecând de la lingouriν iar pentru cele de dimensiuni mici şi mijlocii se folosesc profile laminate tăiate la lungimile corespunzătoareő Este un procedeu ieftin, relativ simplu, iar piesele prezintă o stuctură densă şi
omogenă şi caracteristici mecanice buneő În schimb sunt necesare forţe deformatoare mariν
iar calitatea suprafeţelor şi precizia dimensională sunt scăzuteő Forjarea poate fiβ liberă
(manuală şi mecanicăεν în matriţă σmatriţareε şi pe maşini specialeő 10.5.2. Forjarea liberă Prin forjare liberă manuală se obţin piese mici pentru lăcătuşerieν uz casnicν agricolν
reparaţiiő Sculele sunt acţionate manual şi se împart în două categoriiβ de bazăβ nicovaleν ciocaneν baroaseν dălţiν dornuriν gâtuitoareν şőaő ajutătoare σpentru manevrareν sprijin şi fixareεβ cleştiν menghini de forjăν şőaő
Cele mai importante operaţii simple de forjare suntβ
a) refularea; b) lungirea; c) lăţirea⁄ d) întinderea pe dorn⁄ e) găurirea cu dorn plin sau inelar σpentru diametre de ↑δδ-400 mm); f) tăierea⁄
a) b) c) d) e) f) Figura 10.18. Scule folosite la forjarea liberă mecanică
g) îndoirea⁄ h) răsucirea⁄ i) sudarea prin forjare. Prin forjare se pot prelucra arbori cotiţi. În funcţie de masa pieselorν forjarea se
realizează cu ciocane mecaniceν cu abur cu simplă şi dublă acţiuneν pneumatice şi prese cu
fricţiuneν cu excentricν hidrauliceő 10.5.3. Matriţarea
Forjarea în matriţă (matriţareaε este procedeul de prelucrare prin deformare plastică la
cald sau la rece, prin care materialul se deformează simultan în tot volumul cavităţii sculei
numită matriţăν ce se caracterizează prin forma şi dimensiunile produsuluiő Clasificarea matriţelorβ - simple - duble - închise - deschise Tăierea bavurii se realizează cu ajutorul ştanţei pentru debavurareν la cald sau la receν
în funcţie de grosimea bavurii şi puterea utilajuluiő Matriţa se montează pe o instalaţie de forţă precumβ ciocan matriţorν presă cu
excentric, presă cu fricţiuneν presă hidraulică sau utilaj specializat σde exempluν maşina de
forjat orizontalăεő
10.6. PRELUCRAREA TABLELOR PRIN FORFECARE ŞI DEFORMARE
PLASTICĂ 10.6.2. Prelucrarea tablelor prin tăiere Prin operaţia de tăiere se realizează separarea unei părţi din semifabricatul supus
prelucrăriiő Porţiunea separată poate constitui deşeul sau piesaő Tăierea tablelor se poate
realiza prin forfecare şi ştanţare. 10.6.2.1. Tăierea cu foarfeci În funcţie de configuraţia piesei şi de grosimea tablei se pot utilizaβ Foarfeca cu lame paralele
Foarfeca cu lame înclinate αghilotina→ Foarfeca cu cuţite disc 10.6.2.2. Tăierea prin ştanţare Prin ştanţare se execută următoarele operaţiiβ
- decuparea; - perforarea; - crestarea; - tăierea marginilor.
a) b) c) d) Figura 10.21. Tipuri de matriţe
10.6.3. Prelucrarea tablelor prin deformare plastică
10.6.3.1. Prelucrarea tablelor prin îndoire
10.6.3.2. Prelucrarea tablelor prin ambutisare Ambutisarea este operaţia de prelucrare a tablelor prin deformare plastică prin care
dintr-un semifabricat plan se obţine o piesă cavă sau care constă din continuarea deformării
semifabricatului cav în scopul scăderii diametrului şi creşterii înălţimiiő Ambutisarea se realizează din semifabricate individuale sau din bandă obţinându-se produse ca: scuturi pentru maşini electrice şi transformatoareν cutiiν capsuleν capaceν
ambalaje pentru industria alimentară şi chimicăν rezervoareν bidoaneν părţi componente ale
caroseriilor auto, tractoarelor, maşinilor agricole, fuzelajului, articole de marochinărieν tuburi
de cartuşeν şőaő
11. SUDAREA METALELOR
11.1. CONSIDERAŢII GENERALE Procedeul prin care se realizează îmbinări nedemontabile ale materialelor metalice cu
sau fără materiale de adaosν în anumite condiţii de temperatură şi presiuneν se numeşte
sudare. Sudura realizată se numeşte cusătură sau cordon de sudură σCSεő Porţiunea din
materialul de bază aflată în jurul cusăturiiν care nu a ajuns în stare de topireν dar care a
suferit transformări structurale datorită încălzirii puterniceν formează zona influenţată termic
(ZIT). CS împreună cu ZIT şi zonele învecinate acesteia formează îmbinarea sudatăő Clasificarea procedeelor de sudare este prezentată în fig. 11.1.
Metodele de deformare plastică prin îndoire
Îndoire propriu-zisă Profilare Curbare
Prin presare
Prin laminare
Cu role, pe maşini
speciale
Cu ştanţe specialeν
pe maşini universale
de îndoit
Simplă σîn Vε
Dublă σîn U)
Complexă
Figura 10.33 Metodele de deformare plastică
prin îndoire
11.2.2. Sudabilitatea altor metale şi aliaje Fonta este un material nesudabil datorită şC mareν care determină apariţia fisurilor şi
ruperilor. Sunt sudabile doar cele cenuşiiν dacă se execută la cald σ˚≥δ-700°Cε şi se aliază
baia de sudare cu elemente de grafitizare; sunt importante condiţiile de răcire ulterioareő Al, Cu şi aliajele lor sunt greu sudabileν motiv pentru care se iau măsuri de precauţie
precum: folosirea fluxurilor de dezoxidare a oxizilor ce se formează în baia de sudurăν
preîncălziriν surse puternice la sudareν utilizarea de gaze protectoare. Alamele se sudează
greu datorită oxidării puternice a Znő Bronzul se sudează greu datorită segregaţiei foarte
mari. Ti, Zr se sudează numai în mediu de gaz inertő Mo, W (metale greu fuzibile) se sudează cu WIGν cu jet de plasmăν cu fascicul de electroni, etc. Pb, Zn, Ni se sudează cu flacără utilizând fluxuri decapanteő
Cu fascicul de ioni / electroni
Cu fascicul de fotoni
Prin rezistenţă
de contact Prin inducţie
WIG
MIG
Procedee de sudare
Prin topire
Prin presiune
Cu energie electrică Cu flacără Cu termit Cu energie de radiaţie
În baie
de zgură Cu arc electric
Descoperit Acoperit
Sub strat de flux
În atmosferă de
gaze protectoare
În gaze inerte
În H atomic
În CO2
Cu jet de plasmă
La rece La cald
Prin deformare plastică la rece
Cu ultrasunete
Cu încălzire
prin frecare
Cu încălzire
în cuptor
Cu încălzire
la flacără
Cu încălzire
electrică
Figura 11.1 Clasificarea procedeelor de sudare
11.3. ÎMBINĂRI SUDATE 11.3.1. Tipuri de îmbinări
Rostul cusăturii reprezintă spaţiul delimitat de marginile pieselor de sudatν în care se
formează CSő La procedeele de sudare prin topire CS se formeaza prin solidificarea băii de
metal topit (BMT), care ia naştere din materialul de adaos σce se aşează pe direcţia rostuluiε
şi materialul de bază σMBεő La procedeele de sudare prin presiune sudura rezultă în urma
întrepătrunderii materialelor celor două piese aduse în stare plastică sau de topire
superficialăő Îmbinarea sudată primeşte denumirea după cea a rostului suduriiő Forma rostului se
stabileşte în funcţie de grosimea pieselor de sudat şi de poziţia lor relativă
11.4. SUDAREA PRIN TOPIRE Topirea materialelor de sudat se poate realiza cu energie electricăν cu flacărăν cu
termit şi cu energie de radiaţieő 11.4.1. Sudarea prin topire cu arc electric Piesele de sudat pot fi asamblate în prezenţa arcului electric ce ia naştere între cei doi
electrozi, a electrozilor şi fluxurilorő 11.4.1.1. Materiale de adaos 11.4.1.1.2.2. Electrozi înveliţi. Fluxuri
Învelişurile au următoarele roluriβ a) de ionizare, necesar stabilităţii arcului⁄ b) de protecţie a BMT de acţiunea H2 şi N2; c) de rafinare, în cazul în care picăturile transferate au suferit oxidări sau nitrurări⁄ d) de aliere a BMT, când în înveliş sunt introduse feroaliaje sau oxizi ai elementelor de aliere⁄ e) de topire a compuşilor greu fuzibiliν când în înveliş sunt introduse fondanţi, fluidifianţi⁄ f) de protecţie termică a CSν zgura fiind rea conducătoare de căldură⁄ g) de creştere a masei metaliceν când în înveliş este introdusă pulbere de Feő Fluxurile au rolurile:
- de protejare a BMT; - de aliere a cusăturii⁄ - de dezoxidant; - de eliminare a gazelor din CS; - de reducere a vitezei de răcire a cusăturii⁄ - de stabilizare a arcului electric.
11.4.1. 2. Arcul electric
Clasificarea arcurilor electrice: - arc cu acţiune directă şi electrod nefuzibil ; - arc cu acţiune directă şi electrod fuzibil⁄ - arc cu acţiune indirectă .
11.4.1.2.2. Fenomenul de ionizare 11.4.1.2.3. Mecanismul formării şi amorsării AE Sudurile se pot efectua:
în curent continuu cu polaritate directă. Este procedeul cel mai des utilizat. în curent continuu cu polaritate inversă. Metoda este recomandată pentru sudarea tablelor
subţiri sau în cazul utilizării electrozilor greu fuzibiliő în cőaő
Materiale de adaos
Înveliţi Neînveliţi
Electrozi fuzibili
După formă După secţiune
Sârmă
Vergele Benzi
Bare
Cu secţiune plină
Cu inimă σtubulariε
După natura
învelişului
Înveliş special
După
destinaţie Pt oţeluri carbon
şi slab aliate Pt oţeluri slab aliate
rezistente până la ≥δδ°C Pentru oţeluri înalt aliate
anticorozive şi refractare
Pentru încărcare
de straturi dure
Pentru fonte
Pentru metale şi aliaje neferoase
Figura 11.3. Clasificarea materialelor de adaos
Înveliş acid Înveliş bazic Înveliş celulozic Înveliş oxidant Înveliş titanic Înveliş rutilic
Fluxuri
După modul
de elaborare După destinaţie După felul zgurei
Pt sudare cu arc
Pt sudare în
baie de zgură
Fluxuri topite
Fluxuri ceramice
Fluxuri acide
Fluxuri bazice
Fluxuri neutre
11.4.1.3. Sudarea cu AE descoperit şi electrod învelit
11.4.1.3.5. Tehnologia sudării manuale cu arc electric
Variante ale mişcării σIIIε a) b) c) III II
I
Figura 11.13 Mişcările
efectuate de electrod
Figura 11.9 Schema sudării cu AE deschis
şi electrod învelit
6 7 8
4 3
5
2 1
50º 90º
30º
a) b) c) Figura 11.12 Poziţia electrodului
a) b) c) Figura 11.14 Sudura în jgheab şi de înărcare
45º = = =
=
11.4.1.3.6. Recomandări privind sudarea manuală a materialelor metalice cu arc
electric descoperit şi electrod învelit Sudarea oţelurilor carbon şi aliate
În general sudarea acestor materiale se realizează cu electrozi înveliţiő La repararea
pieselor sparte sau uzate este necesară scobirea şi curăţarea defectului până la nivel de
luciu metalic, după care se efectuează sudareaő Oţelurile turnate se sudează asemănător
celor laminate. Oţelurile laminate în table groase pentru cazane şi recipiente sub presiune
(OLK 1, OLK 2, OLK 3) şi cele pentru ţevi σOLT ↑θν OLT ↑≥ν őőőν OLT˚≥ε se sudează cu
electrozi cu înveliş titanic şi bazicő Oţelurile slab aliate au sub δνθşCν cantităţi reduse de EA
(Mn, Si, Cr, şőaőεν care conferă creşterea rezistenţei la rupere şi limitei de curgereν precum şi
modificatori (Al, V, B, şőaőε cu rol de finisare a granulaţieiő În funcţie de valoarea carbonului
echivalent Ce (v. rel. 12.1), la sudarea lor se deosebesc următoarele situaţiiβ Ce ≤ δν↓≥şν sudare fără preîncălzire⁄ dacă grosimile sunt mariν iar solicitările sunt
dinamice se aplică preîncălzire⁄ Ce ≤ δν˚δşν sudare cu preîncălzire la ≠δδ - 200°C⁄ Ce > 0,60%, sudare cu preîncălzire la θδδ - 350°C. În cazul sudării oţelurilor aliate cu oţelurile carbon alegerea electrozilor se face în
funcţie de cel aliatő
Sudarea fontelor Fonta cenuşie se sudează cu vergele de acelaşi fel ce conţin Siν P σVT-S30 (3% Si), VT-S36 (3,6% Si)), care împiedică formarea Fe3C la răcirea lentă a CSν ceea ce o va face
prelucrabilă prin aşchiereő Prelucrarea se face numai cu preîncălzire la ˚≥δ - 750°C sau ↓δδ - 450°Cő Fonta albă se sudează numai cu electrozi de acelaşi felν după care se supune
recoacerii de maleabilizare. Fonta devenind brusc lichidăν se sudează numai în poziţie
orizontalăν capetele rostului fiind delimitate cu plăci de grafitő Sudarea la rece este eterogenă
şi se efectuează cu electrozi de Ni-Cu, Ni, Fe-Ni, Cu-oţelν baziciő În cazul sudării pieselor cu
grosimi peste 6 mm, se prelucrează rosturi în Vν X şi pe suprafeţele acestoraν se realizează
pe direcţie perpendiculară găuri filetate în care se introduc şuruburi prezoaneν care rămân
deasupra feţei rostului cu θ � 3 mm, pentru a constitui o ancoră între CS şi MBő Sudarea metalelor neferoase Acestea sunt dificil de sudat prin acest procedeu datorită avidităţii lor faţă de O2, care determină apariţia porilor şi oxizilorν iar zgura formează incluziuni nemetalice în CSő De
aceea se recomandă sudarea lor în atmosferă de gaze protectoareő Conductivitatea termică
ridicată impune folosirea unor surse de curent puterniceő Dilatările importante generează
deformaţii mariő Sudarea Al şi aliajelor sale se realizează cu preîncălzire la ≠≥δ - 400°Cν cu electrozi
înveliţiν în cőcő cu polaritate inversăν pentru a evita străpungerea tablelor subţiriő Până la
grosimi de 6 mm sudura se execută în ŢIŢ pe o garnitură de Cu sau oţelν pe care s-a practicat un şanţ sub rostő Până la grosimi de θδmm nu se prelucrează marginile pieselor care formează un rost de δν≥ � 1mm şi care se vor suda pe ambele părţiő
Figura 11.16 Sudarea pe perete vertical
1
2
Figura 11.15 Mişcările
electrodului la sudura de colţ
Sudarea Cu şi aliajelor sale se realizează cu preîncălzire la θδδ - 300°C sau ≈δδ°C la
piesele groase, cu electrozi înveliţiν în cőcő cu polaritate inversăő Marginile tablelor nu se prelucrează până la grosimi de ˚ mmν care se sudează pe garnituri de grafitő Tablele groase
se sudează în X sau Yő Bronzurile Cu-Si, Cu-Al sau alamele Cu-Zn se sudează cu
preîncălzire la ↓δδ - 500°Cν deoarece sunt foarte fragileő Sudarea metalelor neferoase cu arc electric descoperit şi electrozi înveliţi nu este
recomandabilăν cu excepţia Ni şi aliajelor saleő
11.4.1.4. Sudarea cu arc electric acoperit sub strat de flux 11.4.1.4.1. Principiul procedeului
Arcul electric 1 ia naştere sub stratul de flux 2
determinând topirea electrodului ↑ şi a materialului de bază ↓ν formând BMT ≥ σfigő ≠≠.27). Se evidenţiază θ
mişcări necesare obţinerii CSβ a) avansul sârmei electrod către BMTν pentru
menţinerea constantă a lungimii arculuiν care se
realizează automat cu ajutorul unor capete de sudare;
b) avansul sârmei electrod în lungul rostuluiν pentru
obţinerea CS pe toată lungimeaν care se poate
face manual (sudare semiautomatăε sau automat
(sudare automatăεő 11.4.1.5. Sudarea cu arc electric în atmosferă de gaze protectoare Utilizarea acestor atmosfere se face cu scopul protejăriiν în generalν a BMT de
acţiunea oxigenului şi azotului din aerő 11.4.1.5.1. Sudarea în atmosferă de gaze inerte
Procedeul constă în acoperirea BMT cu gaze inerte ca Arν Heν care nu au nici o acţiune chimică asupra acesteia şi care protejează cusătura de acţiunea O2 şi N2 din atmosferăő Se utilizează θ metode de sudare în atmosferă de gaze protectoareβ WIG
(Wolfram inert gaz) şi MIG σmetal inert gazεő
a) Procedeul WIG (TIG sau argonare) Metoda se aplică la sudarea pieselor cu pereţi subţiri din oţeluri inoxidabileν Alν Cuν Niν
Ti, Zr, Nb, Be si aliajele acestora. Piesele din Al şi aliajele sale se degreseazăν se sudează
fără fluxuri după care se spală pentru a preveni coroziuneaő Oţelurile inox se sudează în cőcő
cu polaritate directăő b) Procedeul MIG
Ambele procedee fiind scumpe se sudează numai piesele importanteő
11.4.1.5.2. Sudarea cu jet de plasmă Procedeul se aplică sudării în ŢIŢ a foliilor cu g = δνδ≠ � 0,8mm cu ajutorul
microplasmei (plasma obţinută în domeniul δνθ � 10 A). Tablele sub 7 mm, se sudează fără
prelucrarea rostului şi fără material de adaoső La grosimi de peste ≈ mm se prelucrează
rostul în formă de Yν cu rădăcina de ≥ mmν în care se execută θ treceriβ aε prima se face cu plasmă⁄ bε a doua se face sub strat de flux sau cu MIGő Prin acest procedeu se sudează
oţeluri înalt aliateν inoxidabileν Niν Tiν Al şi aliajele lorő
Figura 11.27. Sudarea sub strat de flux
11.4.1.5.3.Sudarea cu CO2 (MAG) CO2 este un gaz protector care reacţionează cu BMTν motiv pentru care procedeul se
numeşte Ţmetal activ gazŢő Schema de principiu este identică cu cea de la MIGν cu
deosebirea că gazul protector este CO2. Metoda este recomandată sudării oţelurilor carbon obişnuiteν de calitate având până la
0,45% C şi oţeluri slab aliate cu Mn şi Siő 11.4.1.6. Sudarea în baie de zgură
- Permite sudarea economică a pieselor cu g = ↓δ � 1000 mm, cu depunere până la
300 kg metal/orăν la un singur electrodő Cel mai bine se sudează oţelul calmat cu C < δνθ≥ş sau cel slab aliatő Oţelurile cu
0,25% < C < 0,5% se sudează cu sârme slab aliateő Oţelurile austenitice înalt aliate şi
refractare sau încărcarea oţelului carbon cu oţel aliat se sudează cu sârme aliate şi
fluxuri cu fluoruri. După efectuarea sudurii este obligatorie aplicarea tratamentului de normalizare.
11.4.2. Sudarea prin topire cu flacără
11.4.2.1. Flăcări de sudare Flacăra rezultă din arderea combustibililor gazoşi sau a vaporilor de hidrocarburi în
prezenţa O2. Cea mai folosită este acetilena deoarece în prezenţa O2 aceasta atinge o temperatură de ↑≠≥δ - 3200°C⁄ vaporii de lichide combustibile σbenzinaν petrolulν şőaőε
dezvoltă în prezenţa O2 temperaturi de 1900 - 2500°Cő Acetilena σC2H2) se obţine în urma
reacţiei dintre carbid σCaC2) şi apăő C2H2 se produce în generatoare de acetilenă şi datorită
pericolului de explozie în amestec cu aerul se păstrează în butelii compartimentate specialν
care conţin o masă poroasă îmbibată cu acetonă σcare dizolvă acetilenaεő Flacăra depinde de raportul dintre O2 şi C2H2, adică
β0 = O2 ⁄ C2H2. Astfel se disting 3 categorii de flăcăriβ a) flacără normalăν pentru β0 = 1,1-1,2; b) flacără carburantăν pentru β0<1,1; c) flacără oxidantă σfigő ≠θő↓δbεν pentru β0 >
1,1.
11.4.2.2. Materiale de adaos şi fluxuri Pentru sudarea oţelurilor se utilizează sârme nealiate obişnuite sau de calitateő
Utilizarea fluxurilor (sub formă lichidăν de paste sau pulberiε este absolut necesară la sudarea
oţelurilor specialeν fontelorν metalelor şi aliajelor neferoase. Fluxurile se îndepărtează după
sudare prin periere, după care se spală bine CSő 11.4.2.3. Utilajul sudării cu flacără
Flacăra ce iese din arzător se datorează arderii acetileneiν obţinută în generatoare de
acetilenăν în prezenţa oxigenuluiν stocat în butelii specialeő 11.4.2.3.1. Generatoare de acetilenă. Supape de siguranţă
În funcţie de presiunea la care este debitată acetilena se deosebesc: - generatoare de presiune joasă σpnominală < 0,1 daN/cm2); - generatoare de presiune medie (pnominală < 1,5 daN/cm2).
Figura 12.40. Flacăra
oxiacetilenicăβ aε
carburantă⁄ bε oxidantă
11.4.2.3.2. Butelii de oxigen şi acetilenă Atât O2 cât şi C2H2 se stochează în buteliiő Se acţionează robinetul de la partea superioară a butelieiν se purjează puţin O2 pentru eliminarea eventualelor impurităţi lăsate de
garnitura capacului, se închide robinetulν după care se înşurubează reductorul de presiune
pentru O2. Reductorul de O2 serveşte la micşorarea presiunii din butelie la 1 � 15 daN/cm2 şi la menţinerea constantă a acesteiaő Reductoarele funcţionează pe principiul a două forţe
opuse: forţa de presare a unui arc care închide admisia O2 şi forţa de presare a unei
membrane acţionate de presiunea O2, opusă arcului şi care tinde să deschidă admisia O2. Reductorul de presiune la buteliile de acetilenă are acelaşi principiu de funcţionare ca şi cel
de O2 cu deosebirea că manometrul de înaltă presiune permite maxim ↑δ daNγcm2, iar cel de
joasă presiune maxim ˚ daNγcm2.
2 4 1 3 5 9
1187610Figura 11.44. Trusa de sudare şi tăiere acetilenică
11.4.2.3.3. Arzătoare
11.4.2.4. Tehnologia sudării cu flacără Se utilizează cu precădere la sudarea metalelor şi aliajelor cu temperatura de topire
sub 1000°Cν la piesele de fontă cu grosimi mici, la încărcarea cu metale şi aliaje dureν la
recondiţionarea pieselor din bronzν etcő Procedeul este economic pentru pisele cu grosimi
mici, deoarece numai ≈ ≠δş din căldura degajată de flacără este folosită pentru sudarea
propriu-zisăő Avantaje: procedeul este ieftin, flacăra este o sursă de căldură uşor reglabilăν iar în
cazul pieselor subţiri este mai productivă decât cea cu arcő Se recomandă sudarea
recipientelor din industria chimicăν recipientelor de presiune din industria alimentarăν a
recipientelor pentru abur, boilerelor, căldărilor de presiuneν conductelorν autoclavelorν
separatoarelor, şőaő Dezavantaje: nu se pot face alieri în cusăturăν apar deformaţii mari ale pieselor
sudate, iar în zonele învecinate sudurii se produc transformări structurale. Nu se recomandă
efectuarea sudurilor de colţ sau sudarea tablelor suprapuse deoarece apar deformaţii mari şi
rezistenţa acestor îmbinări este redusăő 11.5. SUDAREA PRIN PRESIUNE În acest caz îmbinarea are loc datorită forţelor de coeziune interatomice, nefiind necesare materiale de adaos, fluxuri, gaze protectoare şi ca urmare îmbinarea are rezistenţa
metalului de bazăő 11.5.1.1. Sudarea prin deformare plastică la rece
Sudarea prin presiune la rece, aplicabilă metalelor cu o mare deformabilitate, precum Al (70%), Cu (80%), Ni, se realizează cap la capν prin suprapunere σprin puncteν în linieε şi
Figura 11.45. Suflai de sudare oxiacetilenică
prin explozie. Sudarea se datorează întrepătrunderii straturilor de material astfel încât
electronii de pe suprafeţele de îmbinat să fie în sfera de atracţie reciprocăő Pentru aceasta
este obligatorie curăţarea suprafeţelor de îmbinat cu răzuitoareν perii rotative din sârmă de
oţelν pentru îndepărtarea oxizilor sau a altor impurităţiő
11.5.1.2. Sudarea cu ultrasunete Sudarea cu ultrasunete se aplică metalelor feroaseν neferoaseν a metalelor cu metale
refractare, cu materiale ceramice sau plastice. Procedeul are o largă aplicabilitate în
electrotehnicăν la sudarea sârmelor şi tablelor subţiriν deoarece eliminarea impurităţilor
asigură îmbinării o conductivitate electrică bună şi pentru că Al poate fi asamblat astfel cu
orice metal (excepţie făcând W şi Nbεő 11.5.2. Sudarea prin presiune la cald Deoarece îmbinarea rezultă în urma coeziunii la nivel interatomic a materialelor
supuse prelucrăriiν fără material de adaos, atunci cusătura va prezenta aceeaşi rezistenţă cu
a materialelor de bazăő 11.5.2.1. Sudarea prin presiune cu încălzire în cuptoare Aceasta reprezintă sudarea prin forjareν care se aplică pieselor din oţel cu până la
0,6% C, tablelor cu diferite concentraţii de C sau tablelor din oţel carbon cu cele din oţel
inoxidabil. Pentru obţinerea îmbinării se aplică iniţial lovituri dese şi uşoareν apoi puterniceν
folosindu-se ciocane cu abur sau prese hidraulice. 11.5.2.2. Sudarea prin presiune cu încălzire la flacără Aceasta se realizează cu un arzător inelarν care încălzeşte piesele cilindrice la exterior
sau cu unul ce asigură încălzirea suprafeţelor frontale ale pieselor de sudatő 11.5.2.3. Sudarea prin presiune cu difuziune Sudarea prin difuziune se aplică la îmbinarea metalelor şi aliajelor specialeő Piesele se
încălzesc în vid sau în mediu de gaz inert la σδν≈ � 0,8)Ttopire, se aplică o presiune de ≠
daN/mm2, timp îndelungat pentru realizarea difuziei şi pentru evitarea apariţiei deformaţiilorő 11.5.2.4. Sudarea prin presiune cu încălzire electrică de contact αsudare electrică
prin rezistenţă→ În cadrul acestui procedeu se realizează o încălzire locală a pieselorν datorată trecerii
unui curent de intensitate mare, concomitent cu aplicarea unei presiuni. La creşterea
presiunii se realizează aplatizarea microneregularităţilor suprafeţelorν ceea ce conduce la
creşterea suprafeţei de contact şi îndepărtarea peliculelor izolatoareő Sudarea se poate executa: - prin puncte - în linie. 11.5.2.5. Sudarea prin presiune cu încălzire prin inducţie
Principiul de lucru permite obţinerea unor temperaturi înalte pe lungimi de zeci de mm
în timpi scurţiν care determină sudarea cu viteze mariő Procedeul se aplică la sudarea ţevilor
de Al sau oţel austeniticő 11.6. Tratamentele termice ale sudurilor Zona influenţată termic determină scăderea proprietăţilor asamblării sudateő Ca
urmare, se are în vedere o combinare a procesului de sudare cu un tratament termicν cu
scopul obţinerii unei structuri corespunzătoare cerinţelor de exploatareő Se deosebescβ
1. tratamente anterioare sudării σde detensionare, de normalizare a pieselor ) 2. tratamente aplicate în timpul sudării⁄ 3. tratamente ulterioare sudării (de detensionare, de normalizare, de recoacere, de călireν
de revenire), aplicate cu scopul micşorării sau înlăturării tensiunilor. 12. CONTROLUL DEFECTOSCOPIC A STRUCTURII MATERIALELOR 12.1. DEFECTE ŞI METODE DE CONTROL 12.1.1. Definirea şi clasificarea defectelor Defectele se regăsesc în piese turnateν forjateν laminate sau îmbinări sudate şi pot fi
grupate astfel: - fisuri ; - goluri; - incluziuni; - discontinuităţi de material - defecte de formăő
12.1.2. Clasificarea metodelor de control Se deosebesc:
- controlul preventiv, dinaintea fabricaţiei⁄ - controlul operativ, aplicat în timpul desfăşurării procesului de producţie⁄ - controlul final, dinaintea livrăriiő
12.2. CONTROLUL CU LICHIDE PENETRANTE (CLP)
12.2.1 . Generalităţi Această metodă de control presupune utilizarea a θ varianteβ
1. controlul cu petrol lampant, utilizat la verificarea etanşietăţilor sudurilor pereţilor planiν
rezervoarelor deschise, carcaselor reductoarelor. metoda luminescentă de control 12.2.2. Tehnologia controlului cu lichide penetrante Aceasta cuprinde următoarele etapeβ - pregătirea suprafeţelorν - aplicarea lichidului penetrant, - îndepărtarea excesului de penetrant - aplicarea developantului - examinarea suprafeţelor colorate la ≥ν ≠≥ν ↑δ minute pentru identificarea defectelor
profunde sau a celor foarte mici (care apar mai târziuε - curăţarea finalăő
12.2.3. Echipamente de control Avantajele utilizării CLP sunt:
preţ de cost scăzutν echipamente simple⁄ uşor de folosit în condiţii de şantier⁄ interpretarea imediată a rezultatelor⁄ aplicabilitatea pe orice tip de materiale (feroase, neferoase, ceramice, sticlăν mase
plastice etc) sensibilitate foarte mare la depistarea defectelor superficiale (deschiderea 0,01mm,
adâncimea δνδ↑ mmν lungimea δν↑mm ε
Dezavantajele CLP sunt: numai depistarea defectelor deschise; nu se poate folosi la depistarea defectelor metalelor poroase sau fibroase; suprafeţele protejate prin vopsireν nichelareν cromareν zincare nu pot fi controlate⁄ volum mare de manoperăő
12.2.3.1. Seturi de lichide penetrante Sunt produse sub diferite mărciβ Spotcheckν Met-L-Check, Zyglo, Ardrox, Karl
Deutsch, Nivea Braşov etcő 12.2.3.2. Lampă cu ultraviolete Lampa cu ultraviolete este o lampă specială cu cuarţ şi vapori de mercurν care se
foloseşte împreună cu lichidele penetrante fluorescente. 12.2.3.3. Piese de probă Sunt piese simple cu defecte naturale sau provocate artificial, rigide sau reglabile,
denumite şi corp de probăν defectometruν bloc de controlν etalon etcő Aceste piese sunt
folosite pentru apreierea calităţii lichidelor sau stabilirea tehnologiei optime de control.
12.3. CONTROLUL MAGNETIC
12.3.1. Principiul controlului magnetic. Magnetizarea. Dispozitive pentru magnetizare
Materiale introduse într-un câmp magnetic uniform au proprietatea de a concentra sau dispersa (devia) liniile de câmp, proprietate ce stă la baza principiului controlului magnetic. Introducerea unui câmp magnetic uniform în materialele controlate se face prin magnetizarea
acestora. Magnetizarea poate fi produsă cu ajutorul magneţilor permanenţi sau a curentului
electric (alternativ, continuu, pulsatoriu). Dispozitivele folosite la magnetizarea cu ajutorul curentului electric sunt:
Jugul electromagnetic Solenoidul Tije de Cu, Al Electrozi plani sau mobili ce asigură magnetizarea prin injecţie de curent. Defectoscop specializat pe magnetizarea prin inducţie de curent (fig. 15.17).
12.3.3. Echipamente pentru magnetizare Având în vedere dimensiunileν greutatea şi modul de utilizareν echipamentele de
magnetizare pot fi: portative, mobile, staţionareν improvizate.
12.3.4. Metode de control magnetic A. Controlul cu pulberi magnetice
B. Controlul magnetografic C. Controlul magnetic prin inducţie
12.4. CONTROLUL ULTRASONIC 12.4.1. Producerea ultrasunetelor. Proprietăţile şi incidenţa acestora
Ultrasunetele în domeniul ≠őőő≠δ MHz au aplicaţii în controlul materialelor metalice, după cum urmeazăβ
a) Oţelurile carbon sunt controlabile astfel:
Oţelurile turnate şi forjate se pot controla cu frecvenţe joase δν≥őőő≠ MHz datorită
granulaţiei mari⁄ Oţelurile laminate se pot controla cu frecvenţe mai ridicate 2...6 MHz.
b) Fontele sunt controlabile astfel: Fontele cenuşiiν datorită grafitului sunt mai greu controlabileő Pot fi controlate fontele cu
grafit lamelar având rezistenţa la rupere peste θδδ Nγmm2;
Fontele albe sunt similare oţelului turnatő c) Oţelurile austenitice inoxidabile sau refractare, bogate în cromν nichel sau mangan
sunt mai greu de controlat datorită mărimii grăunţilorő d) Aluminiu, magneziul şi aliajele lor se controlează uşorν cu parametrii reglaţi pentru
oţel carbonő e) Cuprul şi aliajele sale (alamele, bronzurile), datorită coeficientului mare de atenuare
şi vitezei relativ mici de propagere a ultrasunetelorν sunt dificil de controlatő