lucr.13_defecte

Lucrri de laborator

100

L U C R A R E A N R . 1 3

D E F E C T E M I C R O S T R U C T U R A L E N M A T E R I A L E L E M E T A L I C E

13.1. Notiuni introductive Prin defect de ntelege abaterea de la form, dimensiuni, mas, aspect exterior, macrostructur, prescrise prin standard, norme sau nelegeri contractuale. Defectele microscopice sunt abateri de la structura normal a materialelor metalice care pot fi depistate n urma studiului la microscop. Defectele microstructurale sunt rezultatul unor cauze obiective sau subiective ce intervin n timpul proceselor tehnologice de prelucrare. Nerespectarea proceselor tehnologice de prelucrare duce la apariia unor defecte, unele remediabile, altele iremediabile. Fiecrui mod de prelucrare i sunt caracteristice anumite tipuri de defecte.

13.2. Defecte microstructurale obinute n urma turnrii Sunt clasificate i definite prin STAS 782-79. Majoritatea defectelor de turnare sunt de natur macroscopic. Defectele microstructurale produse prin procesul tehnologic de turnare sunt:

mrime de grunte necorespunztoare (cu dimensiuni prea mari, sau prea mici, neuniforme);

segregaii dendritice sau intercristaline; strat decarburat; structur necorespunztoare; transcristalizare; microretasuri; microfisuri.

n general, n urma turnrii, gruntele obinut este grosolan, ceea ce determin scderea proprietilor mecanice, iar gradul de neomogenitate structural este mai mare; la exteriorul pieselor se obin straturi cu gruni foarte fini (cruste dure), urmate de zone cu cristale alungite, iar n miezul pieselor grunii sunt grosolani i echiaxiali. Acest lucru, impune aplicarea, dup turnare, a unui tratament termic de recoacere de omogenizare i de finisare a structurii.

Defecte microstructurale n materialele metalice

101

n figura 13.1 se observ o structur grosolan obinut prin turnare a unui oel carbon (0,300,45%C) marca OT55. Grunii foarte mari determin scderea proprietilor mecanice.

Dup efectuarea unei recoaceri de omogenizare structura se finiseaz (fig. 13.2), grunii devin poligonali, mai puin grosolani i cu caracteristici mecanice mbuntite. La prelucrrile tehnologice, care presupun nclzirea, meninerea la o anumit temperatur i rcirea materialelor metalice (deformare plastic la cald, tratamente termice, tratamente termochimice etc.) apar defecte specifice unor etape caracteristice: nclzire, meninere i rcire.

13.3. Defecte microstructurale ce apar la nclzirea materialelor metalice

Supranclzirea, const din creterea exagerat a dimensiunilor grunilor de faz nou format prin fenomenul de coalescen (graunii cu dimensiuni mari ce posed energii minime cresc i nghit grunii cu dimensiuni mici, ce au o energie mare, deci au o instabilitate termodinamic ridicat) datorit depirii valorii optime a temperaturii de nclzire sau a unei menineri ndelungate la temperatur optim de nclzire. Supranclzirea determin formarea unei structuri grosolane care confer materialelor metalice proprieti mecanice sczute i o tendin mare spre formarea fisurilor. Structura grosolan apare doar la materialele metalice supranclzite, n timpul nclzirii pentru tratament termic sau la nclzirea materialelor deformate

Fig. 13.2. Oel turnat OT55 recopt 1h

la 840C (ferit i perlit) (500:1)

Fig. 13.1. Oel turnat OT55. Ferit i perlit cu aspect de structur

Wiedmanstten (500:1)

Lucrri de laborator

102

plastic la rece cu grad critic de deformare; astfel, figura 13.3 reprezint structura grosolan a unui oel carbon OLT65 ars la nclzirea pentru laminare sub form de evi.

Prezena n oeluri a elementelor de aliere cum sunt: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb micoreaz tendina de cretere a gruntelui obinndu-se chiar la nclziri apreciabile o structur fin. Supranclzirea unui oel bogat aliat cu Cr, V, Mo, (Rp5) determin dizolvarea carburilor n austenit i separarea ledeburitei la limitele grunilor de austenit cu dimensiuni mari (fig. 13.4). Structura grosolan se elimin prin recoacere complet sau prin normalizare.

Fig. 13.3. Zon supranclzit cu

discontinuiti de material aprute n seciunea evii cu aspect de fisuri

plasate preferenial pe limitele grunilor (100:1)

Fig. 13.4. Oel Rp5. Microstructur

la suprafa i la centrul unui lingou. Atac nital 4% (100:1)

Fig. 13.5. Oel cu 0,160,25%C

laminat la cald (ferit i perlit cu structur Wiedmanstten (100:1)

Fig. 13.6. Oel hipereutectoid cu structur Wiedmanstten (50:1)


103

La nclzirea oelurilor hipoeutectoide (ex. n vederea laminrii), urmat de o rcire cu vitez mare, ferita ptrunde sub form de fii n interiorul gruntelui de austenit. Perlita ce se formeaz din austenit la rcirea ulterioar cristalizeaz ntre fiile de ferit obinndu-se n final o structur format din gruni mari de perlit traversai de benzi de ferit numit structur Widmansttten, (fig. 13.5). Acest tip de structur apare i la oelurile hipereutectoide, (fig. 13.6) cnd se observ o aranjare similar a cementitei n interiorul gruntelui de perlit. Aceast structur imprim oelurilor o fragilitate ridicat, ea putnd fi inlturat printr-o recoacere complet.

13.4. Oxidarea i decarburarea Sunt defecte ce se datoresc nclzirii oelurilor la temperaturi ridicate n exces de aer sau n alte medii oxidante i reductoare. Aceste defecte n general sunt superficiale dar, datorit fenomenului de difuzie, la nclziri prelungite decarburarea poate conduce la schimbarea coninutului de carbon n toat masa. Aceste defecte apar n mod curent i pe suprafaa fisurilor existente n interiorul pieselor metalice anterioare nclzirii. La temperaturi ridicate au loc reacii chimice ntre masa oelului i mediul de nclzire care determin modificarea compoziiei chimice iniiale a oelurilor:

CO2OC2CHH2C

HFeOOHFeCOFeOCOFe

FeO2OFe2

2

42

22

2

2

=+=+

+=++=+

=+

Fig. 13.7. Fisur decarburat la bar din oel de arc ARC8

Lucrri de laborator

104

Deci CO2, H2O, O2 sunt oxidante, iar H2 i O2 sunt medii care decarbureaz masa oelului. Evitarea oxidrii se face prin

nclzirea oelurilor n medii neutre (204

COCO2 < i

201

HOH

2

2 < ) sau atmosfere controlate, prin nclziri rapide n domeniul temperaturilor mari unde reaciile se produc foarte intens. Oxidarea este un defect iremediabil. Decarburarea se evit prin nclzirea oelurilor n medii carburigene (achii de font, n mediu de CO sau CH4). Decarburarea se poate remedia prin aplicarea unui tratament termochimic de cementare. Decarburarea produce modificarea structurii iniiale, micornd cantitatea de perlit din oel; figura 13.7 arat prezena decarburrii pe suprafaele unei fisuri aprute pe o bar din oel de arc, ARC8, n timpul nfurrii la cald a arcurilor. Zona decarburat (feritic) prezint proprieti mecanice sczute neputnd fi clit, este foarte moale i constituie amorse de fisuri la oboseal. Adncimea stratului decarburat se determin conform indicaiilor date de SR EN ISO 3887:2003.

13.5. Arderea Este un defect iremediabil care este produs de ptrunderea oxigenului n spaiile dintre cristalele materialului supus nclzirii la temperaturi nalte (n apropiere de curba solidus); cu aceast ocazie se produce topirea impuritilor de la limita de separare a grunilor, topire care favorizeaz oxidarea acestor limite. n urma arderii materialul devine sfarmicios, fr rezisten i fr elasticitate, datorit dispariiei forelor de coeziune dintre gruni. Defectul este foarte grav mai ales cnd pelicula de oxid

ce nconjoar grunii este continu. Oelurile bogat aliate cu Cr, W, Mo, V, Si nu se oxideaz intercristalin; n ele ns, dup nclziri peste 1300C, apare defectul de ardere care const n

Fig. 13.8. Oel 35MnSi12 ars

(supranclzit) la nclzirea pentru forjare (atac selectiv pe grunii de

austenit cu picrat de sodium)(50:1)


105

topirea parial a materialului, iar structura acestor oeluri (fig. 13.8) arse prezint gruni mari de austenit cu oxizi n separri ledeburitice, n locurile unde s-a produs topirea local. La aceste oeluri aliate cu Si, W, Co, Mo, datorit nclzirii la temperaturi ridicate, carburile se pot descompune parial, iar grafitul rezultat se poate aglomera n diverse zone dnd un aspect deosebit suprafeei de rupere.

13.6. Defecte microstructurale obinute n urma tratamentelor termice

Defecte la recoacere i normalizare se obin atunci cnd nu sunt respectate temperatura de nclzire, timpul de meninere sau viteza mic de rcire i rciri cu viteze apreciabile; se obine o dispersie mare a fazelor ferit i cementit ce determin creterea duritii. Dispunerea cementitei sub form de reea n oelurile hipereutectoide este cauza creterii fragilitii acestor oeluri n stare recoapt. Distrugerea reelei de cementit se face prin nclzire n domeniul austenitic (peste Accem) urmat de o rcire n ulei, rcire cu o vitez mare pentru a se mpiedica formarea din nou a cementitei n reea; dup aceasta se aplic o recoacere incomplet (peste Ac2 cu 30-40C), n urma cruia cementita se obine sub form globular. Defectele obinute la clirea i revenirea oelurilor se datoresc nerespectrii temperaturii de nclzire, cnd se pot obine pete moi de ferit (la nclzirea incomplet - sub Ac3 - a oelurilor hipoeutectoide) sau se obin defecte de supranclzire, ardere, decarburare, oxidare, cnd temperatura de nclzire a fost cu mult depit. Petele moi pe suprafaa pieselor clite pot fi cauzate de:

formarea unei pelicule de vapori n jurul piesei la rcire; prezena oxizilor pe suprafaa piesei; nclzirea neuniform pentru clire; decarburarea la oelurile hipoeutectoide la clire incomplet

etc. Folosind ca mediu de rcire o soluie de 9% NaCl+3% NaOH (care n mod practic nu formeaz pelicul de vapori) se evit formarea acestor pete moi superficiale sau n profunzime. Petele moi provoac frecvent apariia fisurilor la suprafaa pieselor. Apariia fisurilor n piesele de oel clite poate fi cauzat de: - un grunte grosolan de austenit;

Lucrri de laborator

106

- ncalzire neuniform cu vitez mare;

- rcire neuniform datorit poziiei greite n mediul de rcire;

- vitez prea mare de rcire;

- existena unor concentratori de tensiuni (canale, treceri brute de la o seciune la alta etc).

Figura 13.9 prezint o fisur cauzat de granulaia austenitic grosolan sau de supranclzirea pentru clire a unui oel cu granulaie austenitic fin, care se propag de-a lungul rosturilor de austenit.

Martensita grosolan, care se obine dintr-un grunte de austenit cu dimensiuni mari, este foarte fragil scznd proprietile mecanice; constituie tot un defect (fig. 13.10). Se remediaz prin repetarea clirii de la temperatura prescris. Defectele microstructurale ce se obin n urma revenirii apar datorit nerespectrii temperaturii de nclzire, cnd se obin ali constitueni intermediari dect cei urmrii, sau rcirii cu vitez necorespunztoare, cnd pot reapare tensiunile interne dac viteza este prea mare sau n cazul oelurilor Cr-Ni apare fragilitatea de revenire, dac viteza de rcire este prea mic. n fig. 13.11 este prezentat o bar din oel 41NiCr12 fisurat dup forjare, la care fisura urmrete conturul gruntelui

Fig. 13.9. Fisuri aprute la clirea unui oel

(100:1)

Fig. 13.10. Martensit de clire

Fig. 13.11. Fisuri datorate tensiunilor

termice i structurale foarte mari


107

perlitic, fisur aprut din cauza tensiunilor termice i structurale foarte mari. Aceste fisuri au fost provocate de temperatura nalt de nclzire i rcire necorespunztoare.

13.7. Defecte microstructurale la tratamente termochimice La cementarea oelurilor, datorit temperaturii ridicate i meninerii ndelungate, n stratul exterior, unde difuzeaz carbonul, apare cementita n reea, ce imprim acestuia fragilitate ridicat (fig. 13.13). Dup clire pot apare n stratul exterior fisuri i aceasta se poate explica cu uurin. Reeaua de cementit se nltur n urma unui tratament termic de dubl clire. Prezena nitrurilor n cantitate mare n stratul exterior al oelului nitrurat, imprim de asemenea o fragilitate ce constituie cauza exfolierii stratului superficial tratat.

13.8. Defecte provocate n urma deformrii plastice Deformarea plastic la cald trebuie efectuat n limite precise de temperatur. Terminarea deformrii plastice la o temperatur prea mare determin apariia structurii grosolane n oel, n timp ce deformarea plastic la o temperatur prea joas las materialul n stare ecruisat, cu o structur fibroas, ce determin o anizotropie pronunat a oelului. Structura fibroas ct i starea ecruisat se elimin printr-o recoacere de recristalizare. Structura cu grad mare de orientare n benzi a constituenilor, ntlnit la oelurile laminate

Fig. 13.12. Oel cu 0,15% C,

cementat 8h la 900C i rcit lent (corect cementat-perlit i reea

discontinu de cementit secundar)

Fig. 13.13. Oel cu 0,15% C,

cementat 12h la 920C i rcit lent (hipercementat-perlit i reea

continu de cementit secundar pe adncime mare de strat)

Lucrri de laborator

108

la cald (fig. 13.14), este o structur nefavorabil proprietilor mecanice, eliminarea ei fcndu-se printr-o recoacere complet.

Structura fibroas (fig. 13.15) n starea ecruisat a oelurilor deformate la rece cu grad mare de deformare este o cauz a apariiei fisurilor la continuarea deformrilor plastice. Acest lucru impune ca ntre diferitele treceri la laminarea la rece (tragerea, trefilarea, etc.) s se aplice recoacerea de recristalizare care s elimine aceast structur fibroas i starea ecruisat. n materialele deformate plastic la rece apare defectul

numit fulgi cauzat de existena hidrogenului atomic care difuzeaz cu uurin prin reeaua cristalin a oelului pn la ntlnirea defectelor de reea (micropori, goluri) n care se

aglomereaz sub form molecular crend presiuni foarte mari, ce depesc limita de rezisten a oelului, producnd microfisuri locale (fulgi).

13.9. Defecte microstructurale la sudare

Sudarea prin topire determin formarea unei structuri foarte eterogene (n zona cordonului de sudare). Obinerea unei structuri grosolane sau Widmansttten n zona supranclzit a cordonului duce la scderea proprietilor mecanice i constitue un pericol de apariie a

fisurilor (fig. 13.16). Eliminarea acestui defect se face aplicnd dup sudare o recoacere complet.

Fig. 13.14. Oel OLC45 laminat la cald cu structur n benzi (ferit puternic segregat pe incluziuni

nemetalice i perlit) 250:1

Fig. 13.15. Structur fibroas

dup deformarea plastic la un crlig de macara forjat


109

a b

c d

e f Fig. 13.16. Variaia structurii cu distana de la axa custurii ntr-o mbinare

sudat dintr-un oel carbon; a-structura columnar a custurii sudate; b-structura Widmansttten de supranclzire la 1400C; c- structura

Widmansttten de supranclzire la Ac3+150C d-structura de normalizare; e-structura de recristalizare parial; f-structura materialului de baz

Lucrri de laborator

110

De asemenea n zona cordonului de sudur pot s apar fulgi n cazul sudrii cu electrozi umezi sau care au un coninut mare de hidrogen n nveli. Prelucrrile tehnologice de turnare, deformare plastic, tratamente termice, sudare, n afar de defectele microstructurale introduc i alte defecte macrostructurale: de form, de suprafa, abateri dimensionale, discontinuiti, fisuri, sufluri, poroziti, retasuri, deformaii remanente. De asemenea pot produce abateri de la compoziia chimic i de la proprietile fizico-mecanice i chimice, etc. Toate fac obiectul studiului la laboratorul de tehnologia materialelor.

13.10. Aparatur i materiale Pentru lucrare se vor folosi microscoape metalografice optice i probe metalografice care s ilustreze defectele microstructurale. La ora de lucrri se va da o anex n care se vor prezenta probele i defectele coninute.

13.11. Modul de lucru n laborator se vor observa la microscoapele metalografice optice defectele structurale pe probe atacate i neatacate provenite din piese turnate, deformate plastic, tratate termic i termochimic. Defectele vor fi redate pentru fiecare prob prin desenare.

lucr.13_defecte

Documents