materiale si tehnologii neconventionale, curs ingineria materialelor

Upload: oana-gicovanu

Post on 30-Oct-2015

683 views

Category:

Documents


20 download

DESCRIPTION

Materialele au stat la baza tuturor cuceririlor industrial: otelul pentru calea ferata, cupru pentru electricitate, aluminiu pentru aviatie, material plastic pentru bunurile de consum de dupa razboi iar siliciul pentru informatica. Separarea metalelor traditionale (metale si aliaje, ceramic si polimeri) de cele avansate, este din ce in ce mai greu de facut, pentru ca un material considerat astazi avansat, s-ar putea ca maine sa intre in categoria celor traditionale. Folosirea metalelor noi se realizeaza dupa un scenariu classic pe masura ce pretul lor scade, ele trec din industriile de varf in cele obisnuite. Astfel materialele folosite initial in industriile de armament sau aerospatiala sunt preluate de constructorii de automobile si sfarsesc prin a fi bunuri de consum. De exemplu materialele composite au cucerit industria aerospatiala, in detrimentul aliajelor de aluminiu, care inlocuiesc otelul in constructia de automobile. In acelasi timp unele din aceste material sunt fie foarte fragile, fie extradure, fie foarte subtiri si nu se pot prelucra decat prin procedee neconventionale. Materialele traditionale sunt material metalice (feroase si neferoase), plasticele si ceramicele. Ele se folosesc pe scara larga in toate domeniile de activitate, la preturi accesibile, in functie de proprietatile fizico-mecanice sau chimice pe care le au. Materialele avansate cuprind toate cele patru tipuri de material utilizate in tehnica, metalice, ceramic, plastic si composite, precum si unele tipuri ce nu pot fi incadrate in aceste categorii.

TRANSCRIPT

  • Prof.univ.dr.ing. Ioan-Lucian BOLUNDU

    MATERIALE I TEHNOLOGII NECONVENIONALE

    Moto: Contiina este ceva care nu te

    mpiedic niciodat s comii un pcat, dar te mpiedic s te bucuri de el n pace.

    Theodore Dreiser (1871-1945) - scriitor american

    EDITURA TEHNICA-INFO CHIINU, 2012

  • 620.22+621.7(075.8) B 91 Refereni tiinifici: Prof.univ.dr.ing. Sorin DIMITRIU

    Universitatea Politehnica din Bucureti Prof.univ.dr.ing. Ioan VIDA-SIMITI

    Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca Conf.univ.dr.ing. Alexei TOCA

    Universitatea Tehnic a Moldovei din Chiinu

    Coordonatori serie: Prof.univ.dr.ing. Alexandru MARIN Prof.univ.dr.ing. Drago PARASCHIV

    Descrierea CIP a Camerei Naionale a Crii Materiale i tehnologii neconvenionale/: / Ioan-Lucian Bolundu - Ch.: Tehnica Info SRL, 2012 228 p. ISBN: 978-9975-63-334-5 CZU: 620.22+621.7(075.8) B 91 250 ex.

    Redactor: Conf.univ.dr.ing. Sorin Mihilescu Tehnoredactare computerizat: Alina-Ana Csiki Coperta: ing. Cornel Chiril

  • MATERIALS AND UNCONVENTIONAL TEHNOLOGIES

    The materials were the basis for all industrial conquests: steel for rails, copper for electricity, aluminium for aircraft, plastics for consumer goods after World War II and silicon for computers. Separation of traditional materials (metals and alloys, ceramics and polymers) of the advanced is increasingly harder to do, because now considered advanced material; it may be that tomorrow into the traditional category.

    Using new materials is a classic screen play: their price drops as they pass from the top industries in the ordinary. Thus, materials used initial in armament or aerospace industries, are taken by car manufacturers and end up being consumer goods. For example, composite materials have conquered aerospace industries, at the expense of aluminium alloys, that replace the steel in automobile construction. At the same time, some of these materials are very fragile, or superhard, or very thin and can not be processed only through unconventional processes.

    So, subject of this book is advanced materials and unconventional technologies. The book is addressed to students of technical profiles who have in curriculum this discipline, but it is also useful to engineers, technicians, designers and researchers in metallurgy and machine building.

    CONTENTS

    1. Introduction to materials science ... 9 2. Traditional materials ... 12 3. Advanced materials ..... 35 3.1. Advanced metallic materials ... 36 3.2. Advanced polymers ..... 52 3.3. Advanced ceramics ......... 65 3.4. Composite materials .... 85 3.5. Other advanced materials .... 111 3.5.1. Magnetic materials .... 111 3.5.2. Optical fibers ......... 119 3.5.3. Advanced concretes ... 126 3.5.4. Superconducting materials 134 3.5.5. Smart materials .. 148 4. Unconventional technologies ... 168 4.1. Electroerosion machining .... 170 4.2. Electrochemical machining . 180 4.3. Chemical erosion machining ....... 185 4.4. Plasma erosion machining ....... 189 4.5. Laser machining ...... 198 4.6. Ultrasonic machining .. 201

  • PREFA Materialele au stat la baza tuturor cuceririlor industriale: oelul pentru calea

    ferat, cuprul pentru electricitate, aluminiul pentru aviaie, materialele plastice pentru bunurile de consum de dup rzboi, iar siliciul pentru informatic. Separarea materialelor tradiionale (metale i aliaje, ceramice i polimeri) de cele avansate este din ce n ce mai greu de fcut, pentru c un material considerat astzi avansat, s-ar putea ca mine s intre n categoria celor tradiionale. Folosirea materialelor noi se realizeaz dup un scenariu clasic: pe msur ce preul lor scade, ele trec din industriile de vrf, n cele obinuite. Astfel, materialele folosite iniial n industriile de armament sau aerospaial, sunt preluate de constructorii de automobile i sfresc prin a fi bunuri de consum. De exemplu, materialele compozite au cucerit industria aerospaial, n detrimentul aliajelor de aluminiu, care nlocuiesc oelul n construcia de automobile. n acelai timp, unele din aceste materiale sunt fie foarte fragile, fie extradure, fie foarte subiri i nu se pot prelucra dect prin procedee neconvenionale. Obiectul prezentei cri l constituie deci materialele avansate i tehnologiile neconvenionale.

    Materialele tradiionale sunt tratate foarte succint, fiind amintite mate-rialele metalice (feroase i neferoase), plasticele i ceramicele. Ele se folosesc pe scar larg n toate domeniile de activitate, la preuri accesibile, n funcie de pro-prietile fizico-mecanice sau chimice pe care le au.

    Materialele avansate sunt tratate pe larg, cuprinznd toate cele patru tipuri de materiale utilizate n tehnic (metalice, plastice, ceramice i compozite), precum i unele tipuri care nu pot fi ncadrate n nici una din aceste categorii.

    Catalogul mondial al materialelor metalice cuprinde circa 18.000 de produse, din care multe sunt considerate avansate. Dintre acestea, se pot aminti oelurile avansate de nalt rezisten, superaliajele, spumele metalice, aliajele amorfe i aliajele uoare. n industriile moderne sunt indispensabile metalele de nalt tehnicitate, multe din ele scumpe i rare: tantal (telefoane mobile), paladiu i ceriu (tobe catalitice de eapament), indiu (ecrane plate LCD), reniu (turbine), germaniu (internet mobil wi-fi), galiu (electronic), titan (aeronautic militar i civil). Producia mondial a acestor metale nu depete 50 t/an, datorit rspndirii foarte reduse n scoara terestr, dar impactul lor n preul final al produselor este semnificativ. Astfel, reniul care intr n construcia unui tur-boreactor pentru avioane reprezint doar 6% din masa acestuia, dar are un pre de 80% din costul total al materialelor turboreactorului.

    Polimerii avansai se pot folosi la temperaturi de pn la 300 0C, fa de 70120 0C la ct se pot utiliza cei obinuii. Mai exist polimeri conductori, folosii n electronic i la panourile solare, polimeri fotonici (displayuri LCD i LEP), polimeri biodegradabili i biocompatibili i dendrimeri (utilizai n medicin). Toi acetia mbin proprietile specifice materialelor plastice cu anumite proprieti induse, specifice metalelor i aliajelor.

    Ceramica avansat are proprieti indispensabile dezvoltrii tehnologiilor

  • Prefa 5 de vrf: rezistene la uzur, la temperatur i la aciunea agenilor chimici, duritate, stabilitate dimensional i posibiliti de prelucrare rapid n piese, precum i proprieti electrice, magnetice, optice, supraconductoare, termice, termomecanice sau biomedicale.

    Materialele compozite sunt alctuite dintr-o osatur numit ranfort ncorporat n masa unei matrice. Materialele de ranforsare pot fi sub form de particule, fibre sau plci, iar matricele sunt de natur plastic, metalic sau ceramic. Primul compozit utilizat a fost lemnul, un compozit natural, iar mai trziu, betonul i betonul armat. Astzi materialele compozite fac parte din viaa noastr, ntlnindu-se de la carcasele de telefoane mobile i televizoare, pn la articole sportive performante i construciile aerospaiale.

    Din categoria altor tipuri de materiale avansate fac parte materialele magnetice (moi i dure), fibrele optice (multimodale i unimodale), betoanele avansate (autonivelante, decorative, amprentate, fotocatalitice, conductoare i translucide), supraconductoarele i materialele inteligente (dure i moi). Fiecare din aceste materiale au proprieti specifice, se fabric prin procedee aparte i se aplic n domenii noi de activitate, ncepnd cu avioanele sau lupttorii invizibili, pn la cele mai sofisticate metode de investigaie medical. Majoritatea Premiilor Nobel pentru fizic i chimie din ultimii ani au fost acordate pentru descoperirea unor astfel de materiale n marile laboratoare de cercetare din lume.

    Tehnologiile neconvenionale se bazeaz pe fenomenul de eroziune, adic pe aciunea de ndeprtare a materialului de la suprafaa unei piese de ctre un agent eroziv. Agentul eroziv este un sistem fizico-chimic sau fizico-mecanic complex care cedeaz piesei energie de natur electric, electromagnetic, electrochimic, termic, de radiaie, chimic sau mecanic. Energia agentului eroziv distruge stratul superficial al piesei de prelucrat prin topire, vaporizare i ruperi de material sub form de microparticule sau prin coroziune. Se trateaz succint electroeroziunea, eroziunile chimic, electrochimic, cu plasm, cu radia-ii i cu ultrasunete.

    Materialele avansate i tehnologiile neconvenionale se nscriu ntr-un context n care competiia global i dezindustrializarea rapid vor permite rilor dezvoltate s-i prezerve avantajul tehnologic. Omenirea va avea nevoie pentru mult vreme de metale i alte materiale tradiionale, desigur, n cantiti mai mici, dar sub forme mult mai elaborate. Oare , dezindustrializarea nu nseamn dislocarea industriilor tradiionale din rile dezvoltate n economiile emergente, unde materiile prime i, mai ales, manopera sunt mult mai ieftine?

    Cartea se adreseaz studenilor profilurilor tehnice care au n programa de nvmnt aceast disciplin, dar este util i inginerilor, tehnicienilor, proiec-tanilor i cercettorilor din metalurgie i construcii de maini.

    Petroani, decembrie 2011 AUTORUL

  • CUPRINS

    PREFA ......

    4

    CUPRINS ...

    6

    PARTEA NTI MATERIALE ...

    9

    1. INTRODUCERE N TIINA MATERIALELOR ..

    9

    1.1. Generaliti .... 9 1.2. Tipuri de materiale ........

    11

    2. MATERIALE TRADIIONALE ........

    12

    2.1. Materiale metalice . 12 2.1.1. Materiale feroase .. 12 2.1.2. Materiale neferoase .. 16

    2.2. Materiale plastice ... 19 2.2.1. Generaliti .. 19 2.2.2. Structura i constituenii materialelor plastice . 21 2.2.3. Clasificarea materialelor plastice 21

    2.3. Materiale ceramice ........ 25 2.3.1. Structura i proprietile materialelor ceramice ... 25 2.3.2. Tipuri de materiale ceramice ...

    28

    3. MATERIALE AVANSATE ..

    35

    3.1. Generaliti ........ 35 3.2. Materiale metalice avansate .. 36

    3.2.1. Generaliti ... 36 3.2.2. Oeluri avansate de nalt rezisten (AHSS) ... 36 3.2.3. Aliaje uoare .... 38 3.2.4. Superaliaje 44 3.2.5. Spume metalice 45 3.2.6. Aliaje amorfe ... 49

    3.3. Polimeri avansai ... 52 3.3.1. Generaliti ............................................................... 52 3.3.2. Polimeri pentru temperaturi ridicate ........ 54 3.3.3. Polimeri conductori .. 55 3.3.4. Polimeri fotonici .. 56 3.3.5. Polimeri biodegradabili 58

  • Cuprins 7

    3.3.6. Polimeri biocompatibili ... 60 3.3.7. Dendrimeri ... 61 3.3.8. Alte tipuri de polimeri avansai ... 63

    3.4. Ceramice avansate . 65 3.4.1. Generaliti ... 65 3.4.2. Materiale ceramice funcionale . 70 3.4.3. Materiale ceramice structurale .. 71 3.4.4. Acoperiri cu materiale ceramice ... 77 3.4.5. Prelucrarea materialelor ceramice . 81

    3.5. Materiale compozite ..... 85 3.5.1. Generaliti ..... 85 3.5.2. Tipuri de materiale compozite . 86 3.5.3. Prelucrarea materialelor compozite . 102

    3.6. Alte tipuri de materiale avansate ... 111 3.6.1. Materiale magnetice . 111 3.6.2. Fibre optice .......... 119 3.6.3. Betoane avansate .. 126 3.6.4. Materiale supraconductoare . 134 3.6.5. Materiale inteligente

    148

    PARTEA A DOUA TEHNOLGII NECONVENIONALE ..

    168

    4. TEHNOLOGII NECONVENIONALE .

    168

    4.1. Domenii de utilizare a tehnologiilor neconvenionale ........... 168 4.2. Prelucrarea prin electroeroziune 170

    4.2.1. Generaliti .......... 170 4.2.2. Fenomene fizico-mecanice i chimice la

    prelucrarea prin electroeroziune ..

    171 4.2.3. Dielectrici utilizai la prelucrarea

    prin electroeroziune .............

    173 4.2.4. Scule utilizate la prelucrarea

    prin electroeroziune..

    174 4.2.5. Generatoare de impulsuri folosite la

    prelucrarea prin electroeroziune .............

    174 4.2.6. Maini de prelucrat prin electroeroziune . 177

    4.3. Prelucrarea prin eroziune electrochimic .. 180 4.3.1. Generaliti .. 180 4.3.2. Eroziunea electrochimic natural ............... 182 4.3.3. Eroziunea electrochimic hidrodinamic . 183 4.3.4. Eroziunea electrochimic abraziv .......... 185

    4.4. Prelucrarea prin eroziune chimic . 185 4.5. Prelucrarea prin eroziune electric i electrochimic 186

    4.5.1. Generaliti ... 186

  • Materiale i tehnologii neconvenionale

    8

    4.5.2. Operaii de prelucrare prin eroziune electric i electrochimic

    187

    4.5.3. Maini de prelucrat prin eroziune electric i electrochimic

    187

    4.6. Prelucrarea prin eroziune cu plasm ...... 189 4.6.1. Generaliti ........... 189 4.6.2. Aplicaii tehnologice ale prelucrrii cu plasm 190

    4.7. Prelucrarea prin eroziune cu radiaii .. 193 4.7.1. Prelucrarea cu fascicul de electroni . 193 4.7.2. Prelucrarea cu fascicul de ioni . 195 4.7.3. Prelucrarea cu fascicul de fotoni (cu laser) .......... 198

    4.8. Prelucrarea prin eroziune cu ultrasunete ... 201 4.8.1. Generaliti ... 201 4.8.2. Maini de prelucrat prin eroziune cu ultrasunete.. 202 4.8.3. Aplicaii tehnologice ale prelucrrii cu ultrasunete.

    203

    DICIONAR ROMN-ENGLEZ-FRANCEZ DE CUVINTE-CHEIE

    205

    BIBLIOGRAFIE................. 216

  • PARTEA NTI

    MATERIALE

    1

    INTRODUCERE N TIINA MATERIALELOR

    1.1. Generaliti

    tiina materialelor trateaz probleme interdisciplinare, implicnd proprie-tile materiei i aplicaiile ei n diverse domenii ale tehnicii i tehnologiei i folosind cunotine de fizic aplicat, chimie, inginerie mecanic i electric. Dup apariia, n ultimii ani, a nanotiinelor i nanotehnologiilor, tiina materialelor a fost propulsat n avangarda multor universiti de prestigiu din lume. Cunotinele oamenilor despre materiale ncep odat cu olritul, dezvol-tndu-se din epoca pietrei n cea a bronzului i apoi a oelului. tiina materialelor moderne s-a dezvoltat din metalurgie, iar metalurgia din minerit. Dac la nceputul secolului XX ea se ocupa doar de metale, pe la jumtatea acestui secol ea a inclus i materialele plastice i ceramice, iar mai recent i pe cele compozite. Principalele materiale utilizate n industrie sunt cele metalice. Dintre acestea, aliajele feroase (fontele i oelurile) reprezint circa 90%, restul de 10% fiind metale i aliaje neferoase. Fonta se elaboreaz n furnal i din cauza coninutului mare de carbon este dur i fragil i nu se poate utiliza n aceast stare. Proprietile sale mecanice se pot mbunti prin adugarea unor elemente care transform grafitul lamelar n grafit nodular (Mg, Si, Ca, Ba), precum i prin aplicarea unor recoaceri de maleabilizare sau prin aliere cu diverse elemente (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Al, Cu). Oelul conine mai puin carbon i are proprieti mecanice bune. Creterea coninutului de carbon conduce la creterea duritii i a rezistenei la rupere, dar i la scderea ductilitii i a tenacitii. Prin aliere cu peste 10% crom, nichel i molibden, devine inoxidabil. Metalele i aliajele neferoase sunt mai scumpe i mai rare i se utilizeaz n domenii care reclam proprieti fizico-mecanice sau chimice speciale. Unele dintre ele sunt foarte vechi i au avut o importan mare n dezvoltarea societii umane. Astfel, bronzul a fost descoperit n jurul anului 3500 .Hr. n Mesopotamia i Sumer i a avut o asemenea importan nct mileniul al doilea .Hr. se mai numete n istorie i epoca bronzului. Mai aproape de vremurile noastre s-au descoperit aliajele aluminiului, titanului i magneziului, apreciate pentru greutatea redus i rezistena ridicat i folosite pe scar larg n construciile aerospaiale i n industria automobilelor. Materialele plastice au fost descoperite n secolul trecut i astzi au ajuns s le depeasc, n volum, pe cele metalice datorit unor proprieti favorabile: sunt ieftine i uoare, rezistente la oxidare i coroziune i permit modificarea

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 10

    proprietilor prin folosirea unor aditivi. Unele se pot recicla prin solubilizare sau topire, iar aplicaiile lor acoper aproape toate domeniile activitii umane, de la banalele pungi pentru cumprturi i jucrii, pn la conductele subterane de ap i gaze care le nlocuiesc treptat pe cele metalice. Reciclarea materialelor plastice este foarte important, avnd n vedere faptul c peste 90% din acestea provin din petrol i gaze naturale materii prime valoroase i din ce n ce mai deficitare. Ca urmare, prin reciclare nu se urmrete doar prelucrarea deeurilor (reciclare mecanic), ci i utilizarea unor tehnologii avansate, bazate pe depolimerizare, care sparg lanurile de hidrocarburi ce alctuiesc materialele plastice i cauciucul sintetic, obinndu-se monomeri (reciclare chimic). Principalele materiale plastice sunt polietilena, polipropilena, policlorura de vinil, polistirenul, poliamida, poliesterul, poliuretanul i policarbonatul. Ele se prelucreaz prin diverse procedee tehnologice (presare, injecie, extrudare, expandare, calandrare, sudare, lipire, tanare, achiere), dar nu se pot utiliza la temperaturi mai mari de circa 200 oC. A treia categorie de materiale utilizate n tehnic o constituie grupa materialelor ceramice. Ceramica utilitar a aprut odat cu omenirea, vasele i crmizile fiind primele produse obinute de om, prin arderea argilei. Din aceasta s-a dezvoltat apoi ceramica de art care s-a ndeprtat de funcia utilitar i s-a centrat pe valoarea decorativ i estetic. Pe la mijlocul secolului trecut a aprut ceramica industrial, ca urmare a dezvoltrii industriilor de vrf care utilizeaz materiale pe baz de oxizi, carburi, nitrri, borri i diverse forme de carbon. Materialele ceramice sunt dure i rezistente la uzur i la temperaturi ridicate, iar sursele de materii prime din care provin sunt practic nelimitate. Folosirea lor este limitat de fragilitate i de rezistena sczut la traciune. Ele se utilizeaz la fabricarea unor materiale de construcii (crmid, igl, teracot, faian, gresie) sau de art (porelan, mozaic), precum i n domeniul industrial (scule achietoare, electrotehnic i electronic, izolaii termice, aplicaii tribolo-gice i medicale). Prin dozarea corespunztoare a constituenilor, ndeosebi a pmnturilor rare, ceramicele pot fi izolatoare electrice, semiconductoare, conduc-toare sau chiar supraconductoare. De altfel, pentru cercetri n domeniul supracon-ductibilitii materialelor ceramice s-au acordat cteva Premii Nobel. Printre aplicaiile de vrf ale ceramicii industriale se menioneaz rulmenii ceramici care funcioneaz fr ungere i implanturile ceramice care nlocuiesc oase ale scheletului uman. Materialele compozite sunt alctuite dintr-o osatur ncorporat n masa unei matrice. Primul compozit utilizat a fost lemnul, un compozit natural, iar mai trziu, betonul i betonul armat. Carcasele de televizor i telefoane mobile sunt i ele confecionate din materiale compozite, avnd o matrice termoplastic armat cu particule de cret i talc i cu fibre tocate de sticl sau de carbon. Materialele de ranforsare pot fi sub form de particule, fibre sau plci, iar matricele sunt de natur plastic, metalic sau ceramic. Procedeele de prelucrare sunt foarte variate (formare manual, turnare, laminare, presare, nfurare), innd cont de natura materialului matricei i de configuraia armturii.

  • Introducere n tiina materialelor

    11

    tiina i ingineria materialelor este deci o disciplin complex care studiaz proprietile, structura i domeniile de aplicare ale celor patru mari categorii de materiale. Din aceast disciplin s-au desprins recent alte ramuri tiinifice: nanotehnologia, microtehnica, biomaterialele, tribologia i ceramografia. 1.2. Tipuri de materiale n funcie de legturile existente ntre atomi i de microstructur, materi-alele se pot clasifica dup schema prezentat n fig. 1.1. Legtura metalic se datoreaz atraciei dintre scheletul ionic pozitiv i fluxul electronilor liberi i este caracteristic materialelor metalice. Legturile ionic i covalent sunt specifice materialelor ceramice i se caracterizeaz printr-o aezare alternativ a ionilor pozitivi i negativi n reelele cristaline sau pe punerea n comun a cte unui electron de valen, ntre doi atomi vecini de aceeai natur. Legtura de adsorbie caracterizeaz materialele plastice, adsorbia fiind fenomenul de penetrare superficial a unui gaz sau a unui lichid ntr-un solid. Dup perioada apariiei lor i mai ales dup proprietile pe care le posed, materialele pot fi tradiionale sau clasice i neconvenionale sau avansate. Se poate spune c materialele tradiionale i-au atins limitele constructive. n prezent, prin dezvoltarea vertiginoas a tehnicii i tehnologiei sunt necesare materiale care s lucreze n condiii extreme de fore, presiuni, temperaturi, radiaii, precum i n medii agresive sau n vid. Acestea sunt materiale avansate.

    Fig.1.1. Clasificarea materialelor n funcie de legturile interatomice i de microstructur.

  • 2

    MATERIALE TRADIIONALE

    2.1. Materiale metalice n tehnica actual, pentru executarea pieselor i a diverselor produse, se

    utilizeaz n mare msur materiale metalice, adic metale i aliaje. Metalele sunt elemente chimice cu luciu caracteristic, bune conductoare de cldur i electricitate, maleabile i ductile, dar se folosesc mai rar din cauza proprietilor defavorabile i a preului ridicat. Aliajele sunt materiale metalice obinute prin topirea mpreun a dou sau mai multor metale sau a unor metale i metaloizi, avnd proprieti i nsuiri adecvate domeniilor de utilizare dorite i pre mai redus.

    Dup natura lor, materialele metalice se mpart n dou categorii: - materiale feroase (fier, fonte i oeluri) care reprezint circa 90% din

    consumul mondial de materiale metalice; - materiale neferoase (cupru, aluminiu, magneziu, zinc, plumb, staniu,

    nichel, wolfram etc. i aliajele lor), acestea reprezentnd restul de 10% din consumul mondial.

    2.1.1. Materiale feroase Aliajele fier-carbon numite fonte i oeluri sunt cele mai cunoscute

    materiale metalice utilizate n tehnic datorit rspndirii largi n scoara pmntului a materiilor prime din care provin, metalurgiei relativ simple, proprietilor fizico-mecanice bune i care pot fi modificate n limite largi prin aliere i tratamente termice, preului de cost relativ sczut, posibilitilor de prelucrare prin toate procedeele tehnologice existente i reciclrii prin retopire.

    Fierul este un metal de culoare cenuie-albstruie, cu proprietile fizico-mecanice prezentate n tabelul 2.1. Fierul se prelucreaz bine prin deformare plastic la cald i la rece, se sudeaz, se lipete i are o achiabilitate bun.

    Elementul principal de aliere a fierului este carbonul care, chiar n cantiti mici, i schimb proprietile, coninutul de carbon constituind de fapt criteriul principal de clasificare a fontelor i oelurilor. Aliajele fier-carbon mai conin mangan, siliciu, fosfor, sulf etc. Manganul se introduce voit n aliaj, mrindu-i duritatea i rezistena la uzur, siliciul provine din sterilul minereurilor, mrindu-i elasticitatea i rezistena la oboseal, iar fosforul i sulful sunt elemente duntoare care nu se pot nltura complet i provin din cocs, iar n cocs, din crbuni. Fosforul produce fragilitate la rece, iar sulful, fragilitate la cald.

    Desigur, fierul se poate alia cu orice cantitate de carbon, dar din punct de vedere tehnic intereseaz doar aliajele fier-carbon care conin 0,0066,67 % C. Practic, se utilizeaz oeluri cu pn la 1,5 % C i fonte cu pn la 4,5 % C.

  • Materiale tradiionale 13

    Tabelul 2.1. Proprietile fizico-mecanice ale fierului

    Proprieti fizice Proprieti mecanice

    [k

    g/m

    3 ]

    t [

    C]

    c p [J

    /kg

    K]

    [W

    /mK

    ]

    [K

    -1]

    (la 1

    00C

    )

    [

    m]

    [M

    S/m

    ]

    Rm

    [MPa

    ]

    Rp0

    ,2 [M

    Pa]

    A [%

    ]

    Z [%

    ]

    KC

    U

    [kJ/

    m2 ]

    HB

    [MPa

    ]

    E [G

    Pa]

    7,87

    103

    1538

    454

    74

    11,9

    0,00

    37

    270,

    2

    289,

    5

    174,

    3

    47

    90

    2350

    750

    1150

    210

    2

    35

    2.1.1.1. Fonta este un aliaj fier-carbon care conine 2,116,67 % C i n

    cantiti mici, mangan, siliciu, fosfor, sulf etc. Ea se obine ntr-o instalaie complex numit furnal, din minereuri de fier i mangan, fondani pentru formarea zgurei, combustibili prin arderea crora se dezvolt cldura necesar topirii materiilor prime solide i comburant (aer mbogit n oxigen) pentru ntreinerea arderii. n urma unor reacii fizico-chimice complexe, din furnal rezult font, zgur i gaz de furnal.

    Proprietile fontelor variaz n limite largi, n funcie de structura acestora, astfel: masa volumic = 77,7 kg/dm3, rezistena la rupere Rm = 10150 daN/mm2, alungirea relativ A = 0,225 %, reziliena KCU = 017 daJ/cm2, duritatea Brinell HB = 120700 daN/mm2.

    Fontele au proprieti slabe de forjabilitate i sudabilitate, dar se toarn uor i au o capacitate bun de amortizare a vibraiilor, fapt pentru care se utilizeaz la construcia batiurilor mainilor-unelte. De asemenea, se utilizeaz cu precdere la fabricarea unor piese turnate care au proprieti mecanice bune i preuri de cost mai sczute dect ale celor deformate plastic sau sudate. n cea mai mare parte ns fontele sunt destinate elaborrii oelurilor, prin reducere indirect.

    Clasificarea fontelor se face dup mai multe criterii, acestea fiind prezentate n fig. 2.1.

    a) Fontele brute (primare) sunt cele obinute n furnal, coninnd 2,3 5 % C i cantiti acceptabile de Mn, Si, P, S etc. n funcie de compoziia chimic, felul n care sunt produse i modul de utilizare, pot fi fonte de afinare, de turntorie i aliate.

    - fontele de afinare sunt destinate elaborrii oelului n convertizoare sau cuptoare cu vatr, precum i turnrii unor piese rezistente la uzur i la aciunea eroziv prin cavitaie;

    - fontele brute de turntorie sunt destinate elaborrii fontei de a doua fuziune, din care se obin piesele turnate;

    - fontele brute aliate se utilizeaz la elaborarea oelurilor, ca dezoxidant sau ca adaos de aliere.

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 14

    F o n te

    D u p c o n i n u tu ld e c a r b o n

    D u p c o n i n u tu l n e le m e n t e d ea l ie re

    H ip o e u t e c t ic e ( 2 ,1 1 . . . 4 ,3 % C )

    E u te c ti c e ( 4 ,3 % C )

    H ip e re u te c t ic e (4 ,3 .. . 6 ,6 7 % C )

    N e a li a te

    A li a te

    D u p s tru c tu r i d e s t in a ie

    B ru t e(p r im a re )

    N e a li a te

    A li a te

    D e a fi n a re

    D e tu rn t o r i e

    D e tu rn t o r i e(s e c u n d a re )

    C e n u i iC u g ra fi t l a m e la r

    C u g ra fi t n o d u l a r

    M a l e a b i leC u in i m a l b

    C u in i m n e a g r

    S p e c i a leR e f ra c ta r e

    A u s t e n it ic e

    A n ti fr ic iu n e

    D e fr i c iu n e

    Fig. 2.1. Clasificarea general a fontelor.

    b) Fontele de turntorie (secundare) sunt fonte de a doua fuziune, elaborate n cuptoare electrice i destinate turnrii pieselor n construcia de maini.

    Dup structur i destinaie pot fi: cenuii, maleabile i speciale. - fontele cenuii au carbonul, n cea mai mare parte sau n totalitate, sub

    form de grafit lamelar sau nodular, iar n ruptur prezint un aspect cenuiu; - fontele maleabile sunt fonte cu grafit n form de cuiburi, obinute din

    fontele albe printr-o recoacere de maleabilizare, prin care cementita (Fe3C) se descompune n fier i grafit;

    - fontele speciale provin din fontele cenuii, albe sau maleabile i prin aliere cu Ni, Cr, Mo, Mn, W, Ti, Zr, V etc. i aplicarea unor tratamente termice corespunztoare dobndesc proprieti mecanice i fizico-chimice speciale (antifriciune, de friciune, refractare, criogenice).

    2.1.1.2. Oelul este un aliaj fier-carbon care conine 0,0062,11%C, precum i elemente nsoitoare (Mn 0,9%, Si 0,45%, P 0,04%, S 0,04%) i uneori elemente de aliere. Elaborarea oelului este un proces fizico-chimic complex care utilizeaz ca materie prim fie minereul de fier (reducere direct), fie fonta topit (reducere indirect). Astzi, peste 95% din producia mondial de oel se obine prin reducere indirect, realizndu-se n convertizoare (60%), cuptoare cu vatr (20%) i cuptoare electrice (20%).

    Clasificarea oelurilor se face dup schema i criteriile prezentate n fig.2.2. a) Oelurile de uz general cuprind o serie de oeluri obinuite sau aliate,

    utilizate n construcia de maini, prin turnare sau deformare plastic.

  • Materiale tradiionale 15

    O eluri

    Dup coninutulde carbon, duritatei plasticitate

    ExtramoaleMoaleSemidurDurFoarte dur

    Dup structuracaracteristic

    ExtradurAusteniticEutectoidFeriticHipereutectoid

    HipoeutectoidLedeburiticMartensitic

    Dup compozi iachimic

    O eluri-carbon

    O eluri aliate

    De bazDe calitateSpeciale (superioare)De calitateSpeciale (superioare)

    Dup forma de livrare

    TurnatDeformat plastic

    Dup gradul de dezoxidare

    NecalmateSemicalmateCalmate

    Dup destinaie

    De uz general

    O eluri-carbon obinuiteO eluri-carbon de calitatei superioareO eluri-carbon turnate npiese

    O eluri aliate pentruconstruc ii de mainiO eluri aliate turnate pentruconstruc ii de mainiO eluri pentru automateO eluri inoxidabile i refractare

    O eluri rezistente la uzurPentru cl ire superfic ial

    O eluri pentru arcuri

    O eluri pentru rulmen i

    O eluri pentru evi

    O eluri pentru table de cazane i recipiente

    O eluri pentru srme de sudare

    O eluri pentru supapeO eluri pentru organe de asamblare

    O eluri pentru autovehicule i tractoare

    O eluri pentru autoturisme

    O eluri pentru lanuriO eluri pentru ine de cale ferat

    O eluri-carbon de sculeO eluri aliate de sculeO eluri rapide de scule

    O eluri pentru pile

    Cu destinaieprecizat

    De scule

    Fig. 2.2. Clasificarea oelurilor.

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 16

    b) Oelurile cu destinaie precizat sunt utilizate n domenii limitate: arcuri, rulmeni, evi, table pentru cazane i recipiente, srme de sudare, supape, organe de asamblare, autovehicule i tractoare, lanuri, ine de cale ferat.

    c) Oelurile de scule sunt oeluri-carbon sau aliate, destinate fabricrii sculelor achietoare i pentru deformare plastic la cald sau la rece, precum i a aparatelor de msur i control (ublere, micrometre, calibre, rigle, cale, abloane etc.).

    2.1.2. Materiale neferoase Metalele i aliajele neferoase au o importan mare n tehnic, datorit unor

    proprieti care lipsesc fontelor i oelurilor: mas volumic redus (Al, Mg, Ti), conductibiliti termic i electric ridicate, maleabilitate, ductilitate, rezistene ridicate la oxidare i coroziune, caliti bune de antifriciune etc. Ele se utilizeaz la elaborarea oelurilor aliate (Cr, Ni, Mo, W, V, Co etc.), n construcia de autovehicule, vapoare, avioane i nave cosmice (Al, Mn, Ti, Zr, Mo, W), n tehnica nuclear (V, Th, Be), n medicin (Hg, Si, Pt, Ag, Au), n industriile chimic, alimentar, poligrafic i de armament etc., reprezentnd circa 10% din consumul mondial de metal.

    ntrebuinarea mai larg a lor este limitat de faptul c sunt deficitare i, n general, au preuri foarte ridicate. Din aceste motive se impune folosirea lor n mod ct mai raional i nlocuirea, acolo unde este posibil, cu aliaje feroase sau cu mate-riale plastice.

    Clasificarea metalelor i aliajelor neferoase se poate face dup mai multe criterii, n fig. 2.3. fiind prezentat o astfel de clasificare.

    2.1.2.1. Cuprul i aliajele lui. Cuprul este un metal de culoare armie (de unde numele de aram), maleabil, ductil i tenace, bun conductor de cldur i electricitate, care se topete la 1.083 0C. Este rezistent la coroziunea atmosferic, a apei de mare i a vaporilor supranclzii i se prelucreaz prin deformare plastic, sudare, lipire i achiere.

    Cuprul se utilizeaz la fabricarea conductoarelor pentru transportul energiei electrice i traciune electric, la bobinarea mainilor electrice, la fabricarea schimbtoarelor de cldur, precum i n industriile chimic, alimentar i de armament. Principalele sale aliaje sunt bronzul i alama.

    a) Bronzul este un aliaj al cuprului cu staniu (bronz obinuit) sau cu alte elemente (Al, Be, Cr, Mn, Pb, Si, Sn), caz n care se numesc bronzuri speciale. Se prelucreaz prin turnare sau prin deformare plastic i se utilizeaz la fabricarea lagrelor cu alunecare, a armturilor care lucreaz n ap de mare i vapori supranclzii, precum i a sculelor utilizate n medii grizutoase.

    b) Alama este un aliaj cupru-zinc, putnd conine i alte elemente (Al, Mn, Fe, Si, Ni, Pb, Sn). Are proprieti mecanice i tehnologice bune i este foarte rezistent la coroziune, folosindu-se la fabricarea unor piese care lucreaz n mediul marin, precum i la obinerea lagrelor turnate i a unor bunuri de consum.

    2.1.2.2. Aluminiul i aliajele lui. Aluminiul este cel mai rspndit metal din natur i al treilea element chimic, dup oxigen i siliciu. Este uor, are o culoa-

  • Materiale tradiionale 17

    Metale ialiaje

    neferoase

    Dup masa volumicUoare (D < 5000 kg/m3)

    Grele (D > 5000 kg/m3)

    Dup compoziieMetale tehnice pure

    Aliaje

    Dup numrulelementelor de aliere

    Aliaje binare

    Aliaje ternare

    Aliaje complexe

    Dup tehnologia de fabricaie

    Deformabile

    Turnate n piese

    Dup temperatura de topire

    Uor fuzibile (Tt < 1500 C)

    Greu fuzibile (Tt > 1500 C)

    Dup natura elementuluiprincipal de aliere

    Aliaje de cupru

    Aliaje de aluminiu

    Aliaje de plumb

    Aliaje de zinc

    Aliaje de staniu

    Aliaje de magneziu

    Aliaje de nichel

    Fig. 2.3. Clasificarea metalelor i aliajelor neferoase.

    re alb-argintie, se topete la 658 0C, este maleabil i ductil, bun conductor de cldur i electricitate. Se combin uor cu oxigenul, acoperindu-se cu o pelicul protectoare de Al2O3. Se prelucreaz uor prin turnare i deformare plastic, se sudeaz i se lipete, dar are o achiabilitate redus.

    Aluminiul se utilizeaz la fabricarea conductoarelor electrice, n industria aeronautic, la fabricarea foliilor subiri pentru ambalarea i conservarea alimentelor, precum i a unor articole casnice. Se mai folosete la obinerea tmplriei metalice, ca dezoxidant i la elaborarea unor aliaje.

    a) Aliajele de aluminiu turnate au fluiditate mare i contracie mic, coninnd Si, Mg, Cu i Zn. Cel mai important este siluminul, folosit la turnarea blocurilor motoare i chiulaselor.

    b) Aliajele de aluminiu deformabile conin Cu, Mn, Si, Mg, Zn, Fe i Li i se prelucreaz n semifabricate prin deformare plastic. Unele se durific prin tratament termic, altele nu. Din prima categorie face parte duraluminiul, folosit la fabricarea pieselor rezistente i uoare (motoare, industria aeronautic).

    c) Aliajele antifriciune de aluminiu au structura constituit dintr-o

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 18

    matrice semidur (soluii solide de Al cu Cu, Si, Zn, Ni) i incluziuni moi (Sn), fiind mai dure i suportnd sarcini mai mari dect cele pe baz de Pb i Sn, pe care le nlocuiesc cu succes fiind i mai ieftine.

    2.1.2.3. Plumbul i aliajele lui. Plumbul este un metal greu, de culoare cenuie-albstruie, se topete la 327 oC, este ru conductor de cldur i electricitate i rezistent la coroziune. Are proprieti mecanice slabe i se prelucreaz prin turnare, laminare, extrudare i presare, putndu-se i suda i lipi.

    El se utilizeaz, n principal, la fabricarea acumulatoarelor pentru automo-bile (75% din producia mondial), precum i la protejarea cablurilor electrice i telefonice subterane i submarine, n construcii, n industria vopselelor (miniu de plumb), n industria de armament (alice i gloane), ca protector contra radiaiilor i la elaborarea unor aliaje (antifriciune, de lipit i uor fuzibile).

    a) Aliajele antifriciune conin, pe lng plumb, pn la 18% Sb, pn la 12% Sn, precum i Cu, As i Cd i se utilizeaz la fabricarea cuzineilor lagrelor cu alunecare.

    b) Aliajele pentru lipire moale sunt aliaje ale plumbului cu Sn, Sb, Bi i Ag, folosite la lipirea unor piese care nu sunt supuse la solicitri mari (contacte electrice, instalaii sanitare, aparatur medical, articole casnice i cutii de conserve).

    c) Aliajele uor fuzibile se folosesc la aparatura automat de stins incendii i la protecia cazanelor cu aburi i a oalelor sub presiune, fiind aliaje ale plumbului cu Bi, Sn i Cd, cu temperaturi mici de topire.

    2.1.2.4. Zincul i aliajele lui. Zincul este un metal relativ greu, de culoare alb-albstruie, al crui luciu dispare repede, prin acoperire cu un strat protector de ZnO. Se topete la 419 0C i reacioneaz uor cu o serie de acizi. Are proprieti mecanice slabe i, ca urmare, nu se poate utiliza n construcia de maini, dar pentru c are o mare rezisten la coroziune, se folosete la acoperirea anticorosiv a tablelor, srmelor i evilor din oel (50% din producia mondial). Se mai utilizeaz n industria vopselelor (alb de zinc), n electrotehnic i la elaborarea unor aliaje.

    Alierea zincului urmrete n principal mbuntirea proprietilor sale mecanice. Ca elemente de aliere se utilizeaz Al, Cu, Mg, Cr i Ti. Dup domeniul lor de utilizare, aceste aliaje pot fi pentru turnare n lingouri, pentru turnare sub presiune i pentru turnare n piese. Unele din aceste aliaje sunt cunoscute sub denumirile comerciale de zamak, zimal, zilloy i zikson.

    2.1.2.5. Staniul i aliajele lui. Staniul este un metal relativ greu, de culoare alb-argintie, cu temperatura de topire de 232 0C, maleabil i ductil. Proprietile sale mecanice sunt slabe, dar este foarte rezistent la coroziunea mediului ambiant, acoperindu-se cu o pelicul protectoare de oxid. Se prelucreaz uor prin laminare, extrudare, forjare i sudare, satisfctor prin achiere i greoi prin trefilare i ambutisare.

    Nefiind atacat de acizii organici, se folosete la cositorirea cutiilor de conserve i la fabricarea staniolului (50% din producia mondial), precum i la elaborarea unor aliaje (pentru lipire moale i antifriciune).

  • Materiale tradiionale 19

    a) Aliajele pentru lipirea moale se topesc la 200400 0C i conin, n afar de staniu, Pb, Sb, Bi, Cu, In i Ag i sunt destinate lipirii unor piese care nu sunt supuse unor solicitri mari.

    b) Aliajele pentru lipirea moale care intr n contact cu produse alimentare sunt aliaje ale staniului cu Sb, Cu i Ag, avnd coninutul maxim de Pb de 0,25%, iar cel de Cd de 0,05%, ambele fiind metale toxice.

    c) Aliajele antifriciune sunt mai scumpe dect cele pe baz de plumb, dar mai bune. Ele sunt aliaje ternare (Sn-Sb-Cu) sau complexe (Sn-Sb-Cu-Pb) i se utilizeaz la confecionarea lagrelor cu alunecare care lucreaz la presiuni mici i turaii mari.

    2.1.2.6. Magneziul i aliajele lui. Magneziul este un metal foarte uor, de culoare alb-argintie, maleabil i ductil care se topete la 651 0C. Proprietile sale mecanice sunt slabe, dar din punct de vedere chimic este foarte activ, reducnd cu uurin oxizii, drept pentru care se folosete ca dezoxidant n metalurgie, ca reductor n chimia organic i ca modificator al fontei cenuii prin nodulizarea grafitului. Se mai utilizeaz n pirotehnie (focuri de artificii, gloane trasoare), la fabricarea redresoarelor de curent i, mai ales, la elaborarea unor aliaje.

    Magneziul se poate alia cu Al, Zn, Mn, Si, Cu i Ag, obinndu-se cele mai uoare aliaje utilizate n tehnic. Acestea se utilizeaz n construciile de avioane, vagoane i automobile, la fabricarea pistoanelor motoarelor cu turaii mari, precum i a corpurilor de pompe, a carcaselor i rezervoarelor. Dup tehnologia de fabricaie, aceste aliaje pot fi turnate sau deformabile.

    2.2. Materiale plastice 2.2.1. Generaliti Materialele plastice sunt produse sintetice macromoleculare, utilizate n

    industrie datorit plasticitii ridicate i proprietilor favorabile pe care le au piesele prelucrate. Aprute n perioada 1920 1950, astzi depesc consumul de metale datorit urmtoarelor avantaje: mas volumic redus; sunt bune izolatoare electrice i termice; sunt rezistente la aciunea agenilor chimici; se prelucreaz uor prin multiple procedee tehnologice; au un pre sczut.

    n acelai timp, utilizarea lor este limitat de urmtoarele dezavantaje: proprietile mecanice sunt relativ reduse; nu sunt degradabile, ceea ce creeaz serioase probleme de poluare; nu i pstreaz proprietile la temperaturi nalte; au coeficieni de dilatare relativ mari; prin ardere degaj produse toxice.

    Istoria materialelor plastice ncepe n 1869, n SUA, cnd fraii Hyatt au inventat celuloidul, un produs de origine vegetal, pentru a nlocui fildeul natural, utilizat pn atunci la fabricarea bilelor de biliard. Astfel, timp de 40 de ani, celuloidul a fost singurul material plastic cunoscut, pn n 1909, cnd chimistul belgian Baekeland a inventat, tot n SUA, bachelita. Era materialelor plastice ncepe, practic, odat cu secolul XX, lund un deosebit avnt n perioada 1920 1940.

    n 1937, n America apare prima poliamid nailonul care a nlocuit

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 20

    fibrele textile naturale i, n particular, mtasea. Dup rzboi, policlorura de vinil dur, rezistent la aciunea chimic a acizilor i bazelor, a contribuit la renaterea industriei chimice, concurnd cu succes oelul inoxidabil n construcia rezervoa-relor pentru industria chimic sau a conductelor pentru transportul produselor corosive.

    ncepnd cu 1950 asistm la dezvoltarea n ritm alert a petrochimiei, ca urmare a creterii cererii de combustibili n transporturile rutiere. Petrochimia asigur apariia unor noi materiale plastice ca urmare a cracrii petrolului brut. Circa 10% din iei este utilizat n rafinrii pentru obinerea materialelor plastice.

    Astzi, consumul mondial de materiale plastice a ajuns s-l egaleze pe cel de oel, n volum, i tinde s-l depeasc. Avnd n vedere c peste 90% din producia de materiale plastice provine din petrol i gaze naturale, o problem de maxim importan o constituie reciclarea acestora, pentru limitarea consumului de materii prime valoroase i din ce n ce mai deficitare. Prin reciclare nu se urmrete doar prelucrarea deeurilor n vederea refolosirii lor, ci i transformarea lor, prin procedee speciale, n produsele petroliere de origine. Aceste tehnologii se bazeaz pe depolimerizare, realizndu-se n final o spargere a lungilor catene de hidrocar-buri ce alctuiesc materialele plastice i cauciucul industrial i obinndu-se gaz metan i iei brut (reciclare chimic).

    Materialele plastice se pot obine din produse animale, vegetale sau naturale, conform schemei din fig.2.4.

    Fig.2.4. Clasificarea materialelor plastice dup natura lor.

  • Materiale tradiionale 21

    2.2.2. Structura i constituenii materialelor plastice Materialele plastice sunt de fapt amestecuri de substane macromoleculare

    numite polimeri cu materiale auxiliare care modific n mod avantajos caracteristicile polimerilor. Moleculele polimerilor conin 103106 atomi i ei se formeaz prin unirea n lan a dou sau mai multor molecule de monomeri, monomerii fiind de aceeai natur sau diferii. Polimerii au rol de liant i determin proprietile materialului plastic.

    Ca materiale auxiliare se utilizeaz: - plastifianii sunt substane lichide i mai rar solide care au rolul de a mri

    plasticitatea, fluiditatea i rezistena la oc a materialului plastic. Ei trebuie s fie compatibili cu polimerul, s nu fie toxici i volatili i s aib stabilitate la lumin i cldur;

    - stabilizatorii sunt substane care asigur meninerea proprietilor materialelor plastice la valorile iniiale att n timpul prelucrrii, ct i n timpul exploatrii lor, mpiedicnd aciunea factorilor biologici (bacterii, ciuperci), fizici (influena luminii, oxigenului i radiaiilor) i chimici (polimerizare sau depolimerizare);

    - materialele de umplutur sunt particule solide organice sau anorganice care nu se topesc la temperatura de prelucrare i se adaug pentru creterea rigiditii, duritii i rezistenei la uzur, precum i pentru reducerea costului (rumegu, deeuri de fibre i esturi de bumbac i in, hrtie, talc, nisip);

    - lubrifianii au rolul de a evita lipirea materialelor plastice de scule i mainile de prelucrat, precum i de a asigura prelucrarea lor la temperaturi mai joase prin mbuntirea curgerii (grafit, cear, parafin, spun mineral);

    - coloranii sunt pigmeni anorganici sau organici care asigur materialului plastic culoarea dorit. Ei trebuie s fie rezisteni la lumin, cldur i intemperii;

    - antistaticele sunt substane care mpiedic electrizarea materialelor plastice sub form de folii sau foi care se ncarc electrostatic la frecarea cu suprafeele metalice i atrag praful;

    - agenii de ignifugare au rolul de a mri rezistena la foc a materialului (compui ai stibiului, fosforului i clorului);

    - agenii fungistatici opresc dezvoltarea ciupercilor, n special n condiiile climatului tropical, cald i umed. Ciupercile atac ndeosebi materialele de umplutur i plastifianii, nrutind caracteristicile mecanice i aspectul exterior al materialului plastic.

    2.2.3. Clasificarea materialelor plastice

    Materialele plastice se pot clasifica dup mai multe criterii, cel mai

    important fiind acela care are n vedere modificrile suferite prin prelucrarea lor la cald (fig.2.5). Din acest punct de vedere, materialele plastice pot fi grupate n dou categorii: materiale plastice termoreactive i termoplaste.

    Materialele termoreactive (termorigide) se caracterizeaz prin aceea c n timpul prelucrrii, sub aciunea cldurii i presiunii, sufer transformri chimice

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 22

    ireversibile, devenind nefuzibile i insolubile n solveni. Ca urmare, aceste materiale nu se pot recicla.

    Materialele termoplaste devin vscoase prin nclzire i dup prelucrarea n piese se pot recicla, aceste operaii putndu-se repeta de mai multe ori fr ca materialul s sufere vreo transformare chimic.

    Dup modul de obinere, materialele plastice se produc prin reacii de policondensare, polimerizare i poliadiie.

    Policondensarea este o reacie chimic n care are loc unirea alternant a mai multor molecule mici de monomeri de naturi diferite, ntr-o macromolecul, sub aciunea cldurii, presiunii i catalizatorilor, cu eliminarea concomitent a unor substane secundare (ap, amoniac, HCl). Eliminarea apei confer materialului porozitate i higroscopicitate mai mari i deci proprieti dielectrice mai reduse.

    Polimerizarea este o reacie chimic prin care substane cu mas molecula-r mic de aceeai natur, avnd caracter nesaturat (monomeri), se transform n substane cu mas molecular mai mare (polimeri), pstrnd aceeai compoziie procentual i aceeai aranjare a atomilor n molecul, fr eliminare de produse secundare.

    Fig.2.5. Clasificarea materialelor plastice dup modul de obinere.

    Poliadiia este o reacie chimic prin care se introduc atomi sau molecule ntr-o alt molecul cu caracter nesaturat i de alt natur chimic, fr separare de produse secundare.

    a) Fenoplasta (PF) se obine prin policondensarea fenolului cu

  • Materiale tradiionale 23 formaldehida, n prezena unor catalizatori acizi sau bazici. Prin condensare n mediu acid se obine novolac, folosit la fabricarea lacurilor, iar prin condensare n mediu bazic se obin rezol (lac de impregnare), rezitol (mas de formare) i rezit (piese electroizolante prelucrabile prin achiere). Aceste rini se folosesc i pentru impregnarea materialelor textile (textolit), hrtiei (pertinax) i lemnului (fanerit).

    b) Aminoplastul (UF) se obine prin policondensarea formaldehidei cu uree, melamin sau anilin, rezultnd rini carbamilice (sigurane pentru cureni de nalt tensiune i uleiuri pentru impregnarea materialelor plastice stratificate), rini melaminice (lacuri i emailuri electroizolante) i rini anilinice (proprieti dielectrice foarte bune i rezisten ridicat la aciunea apei i a substanelor alcaline).

    c) Siliconul (SI) este un compus macromolecular cu structura analoag corpurilor organice, alctuit din lanuri de atomi de siliciu care alterneaz regulat cu atomi de oxigen. Lanurile astfel formate mai au valene libere care pot fi completate cu hidrogen sau radicali organici, astfel c siliconii mbin caracteristicile dielectrice ale materialelor organice cu stabilitatea chimic i termic a materialelor anorganice.

    n funcie de structura molecular, siliconii se prezint sub form de uleiuri i unsori siliconice (ungerea mecanismelor din mase plastice i a matrielor pentru injectarea acestora), cauciuc siliconic (izolarea cablurilor electrice, huse pentru telefoane mobile, ui de avioane) i rini siliconice (lacuri pentru izolarea mainilor electrice de puteri mari). Fiind compatibili cu esutul uman, siliconii se utilizeaz pe scar larg n chirurgia plastic (implanturi mamare) i la fabricarea unor articole erotice.

    d) Poliesterul (PET) se obine prin policondensarea unui acid organic cu un alcool (acid tereftalic cu alcool metilic), n prezena unui catalizator, punnd n libertate ap. Produsul obinut este granular i prin presare la cald se prelucreaz n piese folosite n construcia de maini, n folii i fibre electroizolante sau n alte diverse produse (ambarcaiuni, czi de baie, rezervoare, panouri protectoare).

    e) Poliamida (PA) se obine prin policondensarea acizilor organici (adipic, sebacic) cu diamine (derivate ale amoniacului). Cele mai cunoscute poliamide sunt nailonul, obinut prin policondensarea acidului adipic cu clorohexan i caprolactama, obinut prin policondensarea acidului aminocapronic cu ciclohexan. Nailonul se folosete la confecionarea fibrelor sintetice din care se fac articole de mbrcminte, rachete de tenis, perii i plase de pescuit, iar caprolactama, la fabricarea esturilor i tricotajelor.

    Fibrele de poliamide se pot trata cu materiale lubrifiante (grafit, bisulfur de molibden), cptnd proprieti de antifriciune. Din astfel de fibre se pot confeciona lagre, roi de transmisie i inele de uzur a cror temperatur de lucru nu depete 80 0C.

    f) Policarbonatul (PC) se obine prin policondensarea dianului ntr-o soluie de hidrat de sodiu i clorur de metilen, peste care se insufl gaz fosgen la 20 0C. Se utilizeaz la fabricarea evilor care le nlocuiesc pe cele din cupru sau alam, precum i a unor componente din domeniul electric (cutii de siguran,

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 24

    capace de duze, tuburi pentru conductoare, abajururi), a scuturilor, ctilor de protecie i indicatoarelor reflectorizante.

    g) Policlorura de vinil (PVC) se obine prin polimerizarea clorurii de vinil i se prezint sub form dur (fr plastifiani) i moale (cu plastifiani). Cea dur are rezisten mecanic i rigiditate foarte bune i se utilizeaz la fabricarea rezervoarelor i buteliilor pentru industriile chimic i fotografic, la placri rezistente la acizi i la realizarea panourilor acustice. Policlorura de vinil moale are un grad mare de flexibilitate i se utilizeaz la fabricarea ppuilor i animalelor gonflabile, a nclmintelor i impermeabilelor de ploaie, precum i a covoarelor pentru pardoseli.

    h) Polistirenul (PS) se obine prin polimerizarea stirenului i se folosete la confecionarea carcaselor unor aparate casnice (roboi de buctrie, storctoare de fructe, rnie de cafea, aparate de radio, televizoare, aspiratoare, frigidere). Prin introducerea unor substane spumogene se obin polistirenul expandat i polistirenul extrudat (ultimul fiind mai dens) care se utilizeaz la izolarea termic a cldirilor, sub form de plci de diverse grosimi.

    i) Poliacrilatul (PMMA) se obine prin polimerizarea metacrilatului de metil, produsul realizat fiind cunoscut sub denumirea de plexiglas. Acesta este asemntor cu sticla, dar nu se sparge, utilizndu-se n diverse domenii: acoperiuri transparente, machete pentru instrucia colar, lentile, lupe, ochelari de protecie, geamuri incasabile, vitrine i vizoare.

    j) Polietilena (PE) se obine prin polimerizarea etilenei. Dac polimerizarea se face la presiuni mari (10002000 bar) se obine polietilen de joas densitate, iar dac se face la presiuni obinuite (1 bar), se obine polietilen de nalt densitate. Prima este mai puin rigid i se folosete la fabricarea pungilor i sacilor menajeri, precum i a conductelor flexibile i jucriilor, iar a doua este mai dur i se utilizeaz la fabricarea canistrelor i rezervoarelor de ap i ulei, a fitingurilor i conductelor de gaz metan, precum i la placarea schiurilor.

    k) Polipropilena (PP) este asemntoare cu polietilena i se obine prin polimerizarea propilenei. Se folosete la fabricarea conductelor i fitingurilor de gaz metan, a cutiilor, rezervoarelor i cofrajelor, a carcaselor pentru maini de splat, frigidere, ventilatoare i usctoare de pr, a mobilierului de grdin i la acoperiri de protecie.

    l) Politetrafluoretilena (PTFE) se obine prin polimerizarea tetrafluoretilenei, rezist pn la 260 0C i este cunoscut sub denumirea comer-cial de teflon. Are numeroase utilizri: aparatur industrial i de laborator, segmeni de piston, cuzinei pentru lagre, vase de buctrie, izolatoare electrice i esturi rezistente la foc i acizi.

    m) Poliacetatul (POM) se obine prin polimerizarea formaldehidei i se folosete la confecionarea unor piese cu precizie dimensional ridicat: buce pentru lagre, discuri, garnituri pentru nchideri rapide, roi dinate, balamale, taste pentru calculatoare, televizoare i aparate de radio.

    n) Rina epoxidic (EP) se obine prin reacia de poliadiie dintre bisfenolul de tip A i epiclorhidrin, urmat de o durificare cu un agent de ntrire,

  • Materiale tradiionale 25 putnd fi lichid (cu mas molecular mic) sau solid (cu mas molecular mare). Se folosete n electrotehnic, n industria lacurilor i vopselelor, precum i la obinerea unor laminate pentru componente de rezisten i rigiditate n construciile aerospaiale (aripi, pale de rotor pentru elicoptere). Se mai utilizeaz las confecionarea modelelor de turntorie i a matrielor de presare i injecie, precum i la fabricarea unor adezivi extrem de puternici.

    o) Poliuretanul (PU) se obine prin reacia de poliadiie dintre un cianat i un alcool i se folosete la fabricarea cabinelor de camioane, carcaselor de calculatoare i aparate de filmat, iar rinile poliuretanice, la obinerea lacurilor i uleiurilor pentru placaje.

    n tabelul 2.2. sunt prezentate principalele tipuri de materiale plastice, cu proprietile lor fizice, mecanice i tehnologice.

    2.3. Materiale ceramice 2.3.1. Structura i proprietile materialelor ceramice Materialele ceramice constituie a treia grup de materiale utilizate n

    tehnic, dup cele metalice i plastice. Ele sunt materiale anorganice cu legturi atomice i ionice, a cror structur complex cristalin se obine prin sinterizare.

    Cuvntul ceramic vine din limba greac (keramicos = argil ars), iar activitatea omului legat de olrit i producerea crmizilor i are originea n preistorie. De-a lungul timpului, se disting trei etape ale dezvoltrii ceramicii:

    - ceramica utilitar este legat de olrit i a aprut nainte de folosirea metalelor, vasele i crmizile fiind primele produse obinute de om prin arderea argilei;

    - ceramica de art a derivat din precedenta, ndeprtndu-se de funcia uti-litar i centrndu-se pe valoarea decorativ i estetic;

    - ceramic industrial s-a dezvoltat dup anul 1950, ca urmare a apariiei industriilor de vrf, care utilizeaz materiale pe baz de oxizi, carburi, nitruri, borri i diverse forme de carbon.

    Se consider ca fiind materiale ceramice i sticla, betonul i grafitul, deoarece folosesc procedee specifice ceramicii, precum i materialele refractare care se obin la temperaturi nalte i se utilizeaz la cptuirea furnalelor i cuptoarelor metalurgice.

    n componena materialelor ceramice intr: - materialele plastice (argil, caolin, bentonit, lut, loess) constituie partea

    principal din care se fabric produsele ceramice tradiionale i au rol de liant, legnd alte componente neplastice;

    - degresanii (nisip, amot) reduc contracia la uscare i la ardere i contribuie la creterea porozitii produselor;

    - fondanii (feldspat, calcar, marmur, cret) contribuie la coborrea temperaturii de vitrifiere a materiilor prime solide, atunci cnd ceramica se obine prin topire;

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 26

    Tabelul 2.2. Caracteristicile principalelor

    Caracteristici fizice

    Tipul

    Cod ISO 1043

    Densi-tatea

    [g/cm3]

    Stabi- litatea

    termic

    [0C]

    Conducti- bilitatea termic

    [J/mK]

    Coefici- entul

    de dilatare liniar

    [10-5/K]

    Contracia la prelu-

    crare

    [%]

    Rezisti- vitatea

    electric

    [cm]

    Higros- copici- tatea

    [%]

    Fenoplast

    PF 1,4-1,9 150 0,3-0,7 1-5 0,2-0,8 1011-1012 0,1-0,2

    Aminoplast UF 1,5-2,0 140-160 0,35-0,7 2-6 0,2-1,2 1012-1013 0,01-0,7

    Silicon SI 1,2- 1,25 200 0,21-0,28 25-30 1010-1015 0,1-0,2

    Poliester PET 1,31-1,37 130-175 0,24-0,29 7 1,3-2,0 1014-1016 0,02-0,1

    Poliamid PA 1,12-1,14 105 0,27-0,30 7-11 0,8-2,0 1012-1015 0,3-10

    Policarbonat PC 1,2-1,23 125 0,21-0,23 6-7 0,7-0,8 1016 0,15

    Policlorur de vinil (dur) PVC

    1,32-1,45 60-70 0,14-0,17 7-8 0,5-1,0 1011-1018 0,1-0,6

    Polistiren

    PS 1,05 70-85 0,15-0,17 7-8 0,4-0,7 1014-1017 0,02-0,1

    Poliacrilat PMMA 1,17-1,2 70 0,18-0,19 7-9 0,3-0,8 1015 0,3-0,4

    Polietilen PE 0,94-0,96 70-120 0,51 13-20 2,0-5,0 1017-1019 0,015

    Polipropilen

    PP 0,90 110 0,20-0,22 10-18 1,0-2,5 1017 0,01-0,03

    Politetra-fluoretilen PTFE 2,1-2,2 250 0,25 8-10 3,0-4,0 10

    16-1018 0,005

    Poliacetat POM 1,4-1,45 120 0,29-0,36 11-13 1,6-2,8 1015 0,25

    Rin epoxidic EP 1,5-1,9 130-150 0,40-0,80 2-6 0,0-0,5 10

    16-1017 0,1-0,35

    Poliuretan PU 1,20 127-135 0,26-0,28 5-6 0,7-0,8 1011-1015 0,35-0,40

  • Materiale tradiionale 27 materiale plastice

    Caracteristici mecanice Caracteristici tehnologice Rezis- tena la

    traciune

    [N/mm2]

    Modulul de elasticitate

    [N/mm2]

    Alun-girea la rupere

    [%]

    Rezi- liena la oc

    [kJ/m2]

    Rezis- tena la ncovo-

    iere [N/mm2]

    Fluajul

    [N/mm2]

    DuritateaShore

    [0Shore] Pre

    sare

    Inje

    ctar

    e

    Extru

    dare

    Cal

    andr

    are

    Expa

    ndar

    e

    Suda

    re

    Lipi

    re

    15-40

    6000-10.000 1 1-15 50-60 90-110 X X X X X

    15-30 5000-9000 1 4-20 55-80 116-120 X X X X

    5,5-7,0

    6200 100 40-45 X X X X X

    50-75

    2500-3200 3-4 3-4 110 26 85 X X X X

    60-90

    1500-3200 6-12 3-20 11-12 6 104 X X X X X

    55-70

    2000-2500 5-7 20-36 70 18 70 X X X X X

    50-80

    2900-3600 3-7 4-8 70-100 20-25 52-98 X X X X X

    45-65

    3000-3600 2-4 2-3 60-90 18-20 75 X X X X X X

    60-90

    2400-4500 2-10 2-3 80-100 15-20 80-100 X X X X X

    20-35

    400-1500 12-20 3-20 13-30 2-5 55 X X X X X X

    18-38

    650-1400 10-20 4-14 45 5-6 95 X X X X X X X

    9-12 450-750 250-500 13-16 15 1-2 50-65 X X X X

    60-80

    2500-3500 8-15 4-10 98 12-18 94 X X X X X

    60-200 5000-20000 2-5 5-20 120 100-150 110-120 X X X X

    40

    2100-2500 5-6 2-4 60 18 40-45 X X X X X X X

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 28

    - materialele refractare (alumin, magnezit, dolomit, cromit, carburi, nitruri, boruri) rezist la temperaturi ridicate, fr a se topi i fr a se nmuia;

    - lubrifianii (motorin, petrol, uleiuri vegetale, parafin, lignin) se adaug n cantiti reduse produselor ce urmeaz a se fasona prin presare, facilitnd prelucrarea i extragerea semifabricatelor din matrie;

    - materialele porifere (rumegu, praf de crbune, mangal, turb) se descompun n timpul arderii i contribuie, prin golurile formate, la creterea porozitii produselor.

    n tabelul 2.3. sunt prezentate proprietile fizice i mecanice ale principalelor materii prime ceramice.

    2.3.2. Tipuri de materiale ceramice Pn prin anii 1950, materialele ceramice erau reprezentate de ceramica

    utilitar i de cea de art, principalele produse fiind crmizile, iglele, faiana, porelanul, precum i cimentul, betonul i sticla. ncepnd cu anii 1950, apar noi materiale ceramice, numite industriale, cu aplicaii diverse n noile domenii. Astfel, n 1953, miezurile de ferit se utilizeaz n construcia calculatoarelor, iar din 1965, bioceramicele se folosesc ca implanturi osoase. n anii 1980 se descoper ceramicele pe baz de nitrur de siliciu, precum i cele pentru fabricarea semiconductoarelor i supraconductoarelor, iar la sfritul anilor 1980, ceramicele compozite.

    Clasificarea materialelor ceramice se face conform schemei din fig.2.6. 2.3.2.1. Ceramica utilitar este reprezentat de unele materiale de

    construcie (crmid i igl), de teracot, precum i de materialele pentru finisaje (faian i gresie).

    2.3.2.2. Ceramica de art a aprut acum dou milenii n China, Egipt i Mesopotamia i cuprinde porelanul i mozaicul.

    2.3.2.3. Ceramica industrial a aprut n secolul trecut ca urmare a dezvoltrii unor tehnologii de vrf care au reclamat materiale cu proprieti i performane speciale (calculatoare, construcii aerospaiale, industria nuclear, bioingineria, industria de armament). Dintre avantajele acestor materiale se menioneaz: duritate i rezisten mare la uzur; rezisten ridicat la coroziunea atmosferic i a gazelor fierbini; pstrarea proprietilor de rezisten la temperaturi ridicate; rezisten bun la compresiune; mas volumic mic; sursele de materii prime din care provin sunt practic nelimitate.

    n acelai timp, folosirea lor este limitat de urmtoarele dezavantaje: fragilitate ridicat, ndeosebi la rece; variaii relativ mari ale materialului; rezisten sczut la traciune; cheltuieli suplimentare la producerea pulberilor i operaiilor de reprocesare.

    a) Ceramica pentru sculele achietoare se utilizeaz att la fabricarea unor scule abrazive (corpuri, pnze, hrtii, lichide i paste abrazive), ct i a plcuelor dure cu care se armeaz unele scule achietoare (cuite, freze, burghie). Aceste materiale trebuie s fie dure i s aib stabilitate termic, adic s nu-i piard proprietile de achiere dup nclziri i rciri repetate.

  • Materiale tradiionale 29

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 30

    Fig.2.6. Clasificarea materialelor ceramice.

    Plcuele dure cu care se armeaz unele scule achietoare se obin prin sin-terizare din carburi metalice, materiale mineralo-ceramice, nitrur cubic de bor sau diamant.

    b) Ceramica pentru electrotehnic i electronic este, n general, rea conductoare de electricitate. n cazul existenei unor impuriti, anumii ioni se pot deplasa sub influena cmpurilor electrice, astfel c aceste materiale devin semiconductoare. Alte materiale ceramice au proprieti piezoelectrice, feromagnetice sau chiar supraconductoare. Ca urmare, din aceast categorie fac parte:

    - izolatoarele ceramice nu conin electroni liberi care s permit circulaia curentului electric i se utilizeaz n construcia bujiilor motoarelor cu aprindere prin scnteie i, mai ales, la liniile pentru transportul energiei, de la joas pn la nalt tensiune. Se mai folosesc la construcia antenelor de emisie radio care sunt alimentate cu tensiuni nalte i trebuie izolate fa de pmnt. Acestea se confecioneaz din steatit, o varietate de talc de culoare alb, cu rezisten la rupere mare i pierderi dielectrice foarte sczute (Mg2SiO4);

    - condensatoarele ceramice sunt construite din straturi alternative de metal i ceramic, ultima constituind materialul dielectric. Acesta trebuie s aib permitivitate electric mare pentru a putea nmagazina ct mai mult energie ntr-

  • Materiale tradiionale 31 un volum mic, un factor de disipare foarte mic i o rigiditate electric ridicat. n acest sens se folosesc perovskitele: titanat de bariu (BaTiO3), titanat de calciu (CaTiO3), titanat de stroniu (SrTiO3), titanat dublu de plumb i stroniu [(PbSr)TiO3] i titanat zirconat de plumb [Pb(Zr0,5Ti0,5)O3];

    ul;

    - ceramica piezoelectric se caracterizeaz prin proprietatea de generare a unui impuls electric sub aciunea unei deformri mecanice (efect piezoelectric direct) sau de a se deforma sub aciunea unui cmp electric exterior (efect piezoelectric invers). Ca materiale ceramice piezoelectrice se utilizeaz: berlinita (AlPO4), titanatul de bariu (BaTiO3), titanatul de plumb (PbTiO3), titanatul zirconat de plumb [Pb(Zr0,5Ti0,5)O3], niobatul de potasiu (KNbO3), niobatul de litiu (LiNbO3), topazul i, bineneles, cuar

    - ceramica feromagnetic este reprezentat de ferite care sunt compui ai unor metale bivalente cu oxizi de fier, avnd proprieti magnetice superioare i o conductibilitate electric redus. Feritele sunt, ca majoritatea materialelor ceramice, dure i fragile. Ele au o mas volumic de circa trei ori mai mic dect a magneilor metalici tradiionali, ceea ce constituie un avantaj major la fabricarea echipamentelor portabile sau aerospaiale. innd cont de proprietile magnetice, feritele pot fi moi sau dure. Feritele moi au pierderi foarte mici prin histerezis magnetic i prin cureni Foucault. Ca urmare, se utilizeaz n construcia antenelor de recepie, a transformatoarelor de impuls sau de putere, la fabricarea capetelor de nregistrare magnetic i a memoriilor calculatoarelor, precum i a radarelor. Feritele dure au o permeabilitate magnetic ridicat i se utilizeaz la fabricarea magneilor permaneni i la construcia minimoatoarelor electrice, a aparatelor de radio i a incintelor acustice. Ele se obin din carbonai de bariu i de stroniu (BaCO3, SrCO3). Din categoria ceramicii feromagnetice, pe lng ferite, mai fac parte unele lantanide (pmnturi rare), din care se confecioneaz magnei. Cmpul magnetic al acestora depete 1200 militesla fa de 50100 militesla, n cazul magneilor confecionai din ferit. n acelai timp, magneii fabricai din pmnturi rare sunt foarte fragili, astfel c trebuie s fie protejai cu un strat de nichel. Pentru confecionarea magneilor se utilizeaz aliaje de neodim (Nd) i samariu (Sm): Nd2Fe14B i SmCo5;

    - ceramica semiconductoare prezint o conductibilitate electric intermediar ntre metale i izolatoare i se utilizeaz la fabricarea termistorilor i varistoarelor. Termistorul este un dispozitiv semiconductor a crui rezisten variaz proporional cu temperatura. Exist termistoare pentru temperaturi pozitive, a cror rezisten crete cu temperatura i termistoare pentru temperaturi negative, a cror rezisten scade cu temperatura. Ele acoper o gam larg de temperaturi (273,14+1700 oC). Termistorii ceramici sunt indicai n cazul temperaturilor ridicate, de peste 1000 oC, ei fiind de fapt singura soluie pentru astfel de situaii i se confecioneaz din nitrur de bor (BN), nitrur de galiu (GaN), arseniur de galiu (GaAs), fosfoarseniur de galiu (GaAsP) sau fosfur de indiu (InP). Varistorul este un dispozitiv semiconductor a crui rezisten electric scade rapid cu creterea curentului electric, aceast proprietate fiind aplicat la protecia staiilor electrice contra descrcrilor atmosferice (fulgere i trsnete). Varistoarele

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 32

    s-au construit iniial din carbur de siliciu (SiC), pentru ca astzi s fie fabricate din oxid de zinc (ZnO), n amestec cu cantiti mai mici de oxizi ai altor metale (Bi, Co, Mn). Grunii de oxizi sunt fixai ntre dou plci metalice i doi gruni vecini formeaz o diod care permite circulaia curentului ntr-un singur sens;

    - ceramica supraconductoare se caracterizeaz prin proprietatea de a-i pierde rezistena electric la o anumit temperatur critic i de a conduce curentul electric fr nici o pierdere. Ea a fost descoperit n 1986 de doi cercettori elveieni care au realizat un material ceramic cu formula chimic La2-xSrxCuO4, ce devenea supraconductor la 233 0C. Recordul mondial al temperaturii critice este de 135 0C, fiind dat de un material ceramic cu formula chimic Hg08Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8,33. Supraconductibilitatea are numeroase aplicaii practice: rezonana magnetic nuclear (RMN) pentru investigarea corpului uman; obinerea magneilor supraconductori; generatoare de curent electric de mare putere care livreaz n reea curent electric la tensiuni nalte, nlturnd transformatoarele; aplicaii n domeniul fuziunii termonucleare controlate; stocarea pe timp ndelungat a energiei electrice n bobine supraconductoare; trenurile cu suspensie magnetic; aplicaii n magnetohidrodinamic i n industria de armament (americanii i ruii testeaz bomba electromagnetic, o arm mai sofisticat dect toate armele reali-zate pn acum);

    - ceramica pentru substraturi de circuite integrate se folosete pentru fabricarea unor plci subiri pe care se monteaz microcircuitele electronice. Aceste plci se confecioneaz ndeosebi dintr-un amestec de 90% alumin (Al2O3) i 10% rini sintetice, cu rol de liant precum i din oxid de beriliu (BeO) sau nitrur de aluminiu (AlN), prin presare n forme. Dup proiectarea i imprimarea desenelor circuitelor, urmeaz arderea formei i depunerea elementelor de circuit cu grosimi de ordinul micronilor, prin evaporare i condensare n vid sau pulverizare catodic sau cu plasm. Pachetele de circuite integrate se obin prin suprapunerea mai multor foi, cu legturi ntre ele, iar suprafeele exterioare ale pachetelor se placheaz cu nichel. Pachetele pot conine i diode sau tranzistoare, n acest caz avnd dimensiuni mai mari, dar i performane electrice superioare (circuite integrate hibride).

    c) Ceramica refractar i pentru izolaii termice se folosete la cptuirea agregatelor care funcioneaz la temperaturi mari sau ca scut termic pentru vehiculele spaiale.

    - ceramica refractar se utilizeaz la cptuirea furnalelor, cuptoarelor, focarelor i aparatelor care funcioneaz la temperaturi de peste 1000 oC. Spre deosebire de celelalte materiale de construcie, ceramica refractar trebuie s ndeplineasc anumite condiii speciale: s nu se topeasc sub aciunea temperaturilor nalte; s nu-i piard rezistena mecanic la aceste temperaturi; s aib un volum constant la temperaturile de exploatare; s aib stabilitate termic, adic s nu i modifice proprietile n urma nclzirilor i rcirilor repetate; s reziste la aciunea corosiv a materialelor topite cu care vine n contact. Ca materiale ceramice refractare se utilizeaz silice, argil, alumin, magnezie, oxizi de crom i de carbon;

  • Materiale tradiionale 33

    - ceramica pentru izolaii termice se folosete ca scut termic pentru vehiculele spaiale (navete spaiale i capsule de aterizare). La intrarea n atmosfera terestr, aceste vehicule ating temperaturi foarte mari, datorit frecrii cu aerul i dac nu ar fi protejate termic, s-ar topi. Plcuele ceramice care le protejeaz trebuie s fie compatibile din punct de vedere chimic cu materialul-suport, s fie inerte la aciunea gazelor din atmosfer, s aib un coeficient de dilatare apropiat de cel al materialului-suport, s aib o conductibilitate termic foarte sczut i, evident, s aib o refractaritate foarte mare. Aceste plcue au, de fapt, o structur compozit, fiind confecionate din fibre de silice sau din fibre de carbon. Ceramica pentru izolaii termice se mai utilizeaz la confecionarea unor piese ale turbinelor cu gaze i turbomotoarelor de aviaie care sunt supuse la solicitri termice i mecanice foarte mari. Astfel, camerele de ardere ale turbinelor care au temperaturi de peste 1500 oC se confecioneaz din carbur de siliciu (SiC), iar rotoarele turbinelor, din nitrur de siliciu (Si3N4).

    d) Ceramica tribologic are un coeficient de frecare mic, rezisten la aciunea agenilor chimici, refractaritate ridicat i se utilizeaz la fabricarea lagrelor cu alunecare care lucreaz la temperaturi ridicate, n vid sau n medii expuse la radiaii (reactoare nucleare i navete spaiale). O aplicaie mai larg se ntlnete la fabricarea rulmenilor. Utilizarea ceramicii tripleaz durata de exploatare a unui rulment att datorit micorrii frecrii, ct i reducerii forelor centrifuge care la turaii mari pot depi ncrcarea nominal a rulmentului, materialele ceramice avnd o densitate mai mic dect oelul. De asemenea, rolele sau bilele ceramice se deformeaz mai puin sub sarcin, ceea ce asigur o mai bun rostogolire a lor pe cile de rulare i o cretere a turaiei nominale. Cldura produs n cazul rulmenilor metalici poate duce la supranclzirea sau chiar griparea acestora, pe cnd n cazul rulmenilor cu corpuri de rostogolire ceramici, acest pericol este nlturat. De asemenea, ceramica este foarte rezistent la aciunea agenilor chimici i se poate utiliza i n medii umede, unde rulmenii de oel nu pot funciona. Inconvenientul principal al rulmenilor ceramici este costul ridicat.

    Materialul cel mai indicat pentru fabricarea rulmenilor este nitrura de siliciu (Si3N4) care se topete la 1875 oC, este rezistent la aciunea agenilor chimici i are o structur fin i o tenacitate bun, precum i un coeficient de frecare mic.

    e) Bioceramica devine din ce n ce mai util n medicin. Ortopezii folosesc bioceramica pentru nlocuirea oldurilor, genunchilor, umerilor, coatelor, degetelor i ncheieturilor minilor corpului uman. Ea este folosit i n stomatologie i chiar la fabricarea valvelor de inim. Implanturile ceramice tind s le nlocuiasc pe cele metalice, datorit faptului c ele sunt compatibile cu corpul uman, stimulnd reformarea oaselor i a esuturilor i nu sunt atacate de sistemul imunitar al organismului.

    Materialul ceramic cel mai apropiat de compoziia i structura osoas a corpului uman este hidroxiapatitul fosfocalcic, cu formula chimic Ca10(PO4)6(OH)2. El se obine din reacia fosfailor de calciu acizi i bazici ntr-o soluie apoas, obinndu-se o past care se poate modela uor. Produsul ceramic

  • Materiale i tehnologii neconvenionale

    34

    are o reea cristalin foarte apropiat de cea a osului i o rezisten la compresiune de circa 20 MPa. Nu conine materii organice umane sau animale, aa c nu prezint nici un risc de contaminare. De asemenea, nu exist pericol de respingere sau de toxicitate. Recunoscut de celulele osoase, este perfect compatibil cu esuturile vecine, se resoarbe i dispare, lsnd locul unui os proaspt format.

    ntruct rezistena mecanic a hidroxiapatitului fosfocalcic este destul de mic, acesta se folosete adesea pentru a mbrca implanturile ortopedice metalice n scopul evitrii respingerii lor de ctre esuturile vecine. Oricum, acest material ceramic sintetic este sperana de viitor n domeniul implanturilor osoase.

  • 3

    MATERIALE AVANSATE

    3.1. Generaliti La baza tuturor revoluiilor industriale au stat diverse materiale: oelul

    pentru calea ferat, cuprul pentru electricitate, aluminiul pentru avioane, materialele plastice pentru bunurile de consum de dup al doilea rzboi mondial, siliciul pentru semiconductoare i materialele compozite pentru articolele sportive i construciile aerospaiale. Multe materiale au fost iniial utilizate n industria de rzboi, pentru ca ulterior s-i gseasc aplicaii n diferite domenii ale vieii de zi cu zi. Dezvoltarea impetuoas a chimiei i a tiinelor nrudite i cunoaterea legturilor existente ntre structura chimic i proprietile materialelor au fcut posibil obinerea unor materiale destinate unor scopuri precise de utilizare. Industriile moderne reclam, n continuare, materiale care s funcioneze n condiii din ce n ce mai severe, inovaiile tehnice fiind adesea condiionate de apariia unor noi materiale. Inginerii care lucreaz n diversele ramuri ale tehnicii trebuie s tie s aleag materialul potrivit la locul potrivit.

    Separarea ntre materialele tradiionale i cele avansate este greu de fcut, pentru c materialul avansat de azi, mine va fi considerat tradiional. Folosirea materialelor noi se realizeaz dup un scenariu clasic: pe msur ce preul lor scade, ele trec din industria aerospaial n cea a automobilelor i sfresc prin a fi bunuri de larg consum.

    Astfel, compozitele au cucerit industria aerospaial n detrimentul aliajelor de aluminiu, care nlocuiesc oelul n construcia de automobile. Aceste tendine sunt prezentate schematic n fig.3.1.

    Fig.3.1. Evoluia materialelor n timp.

    n concluzie, materialele avansate se folosesc la fabricarea produselor noi

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 36

    sau mbuntite, de nalt tehnicitate i au proprieti fizico-mecanice sau funcionale diferite de ale materialelor tradiionale. Dup natura lor i domeniul de utilizare, ele pot fi: metalice, plastice, ceramice, compozite, biomedicale i inteligente.

    3.2. Materiale metalice avansate 3.2.1 Generaliti Ghidul mondial al materialelor metalice cuprinde peste 18.000 tipuri de

    metale i aliaje. n fig.3.2. este prezentat tendina evoluiei acestora n perioada urmtoare. Astfel, metalele grele (curba 1) vor suferi o descretere destul de accentuat, datorit reglementrilor drastice privitoare la sntatea populaiei i protecia mediului nconjurtor. n ceea ce privete aliajele fier-carbon (fonte i oeluri), acestea vor crete liniar cu 13% pe an, o lung perioad de timp (curba 2). Metalele uoare (aluminiu, magneziu, titan) i aliajele acestora vor marca o cretere mai accentuat, de 26% pe an (curba 3), n timp ce metalele de nalt tehnicitate (tandal, galiu, germaniu, indiu, platin, seleniu, paladiu, reniu) vor avea

    iniial o cretere exploziv, de peste 20% pe an, care se va estompa apoi asimptotic, dato-rit sectuirii minereurilor din care provin (curba 4).

    Din categoria materia-lelor metalice avansate fac parte: oelurile avansate de nalt rezisten, aliajele de aluminiu, magneziu i titan, superaliajele, spumele metali-ce i aliajele amorfe.

    Fig. 3.2. Perspectiva materialelor metalice.

    3.2.2. Oeluri avansate de nalt rezisten (AHSS) Aceste oeluri (fig.3.3.) au fost create dup principiul compozitelor: prin

    tratamente termomecanice se ajunge la mbuntirea proprietilor unor elemente componente din masa oelului de baz, obinndu-se astfel un amestec de faze dure i faze maleabile. Datorit acestui fapt, ele se mai numesc oeluri multifaze i au proprieti excepionale de rezisten.

    n fig. 3.3. sunt reprezentate mai multe tipuri de oeluri, ntr-un sistem de coordonate grad de deformare [%] rezisten minim la rupere [MPa]: oeluri cu rezisten mic la rupere (Rm < 210 MPa), oeluri cu rezisten mare la rupere (Rm= 210550 MPa) i oeluri cu rezisten foarte mare la rupere (Rm > 550 MPa). n diagram mai sunt reprezentate oelurile rapide (High Speed Steels HSS) i oelurile avansate de nalt rezisten (Advanced High Strength Steels

  • Materiale avansate 37

    AHSS)

    rat a plasticitii, oelul martensitic btrnit i oelurile duplex i damaschinat.

    . Din categoria oelurilor avansate de nalt rezisten fac parte oelurile

    bifazic i multifazic, oelul cu modificarea fom

    Fig. 3.3. Defor ena la rupere.

    [Sursa: ULSAB AVC Overview Report]

    iar austenita rmas se transfor

    or prin deformare plastic i se utilizeaz ndeose

    i este nlocuit cu beinit, mai puin dur, care se obine printr-o clire izoterm

    mabilitatea oelurilor n funcie de rezist

    a) Oelul bifazic (Dual Phase DP) este constituit dintr-o matrice feritic moale care ncorporeaz insule de martensit dur. Ferita confer oelului o ductilitate foarte bun, iar martensita, proprieti sporite de rezisten mecanic. Aceste proprieti se obin printr-un tratament termomecanic cu deformarea la cald a austenitei i prin aliere cu Cr, Mo, V i Ni. Austenita se transform n cea mai mare parte n ferit, n timpul deformrii plastice la cald,

    m n martensit, prin rcire brusc n ap sau ulei. Oelul bifazic se prelucreaz ubi n industria automobilelor. b) Oelul multifazic (Complex Phase CP) este constituit dintr-o matrice

    de ferit care ncorporeaz mici insule de martensit, austenit rezidual i perlit. Structura sa este foarte fin, datorit recristalizrii ntrziate sau precipitrii unor elemente de aliere, cum ar fi titanul. n cazul oelurilor multifazice, mai uor deformabile, care se prelucreaz prin laminare la rece sau tragere, o parte a martensite

    . Oelul multifazic este mai bun dect cel bifazic, dar mai scump. c) Oelul cu modificarea forat a plasticitii (Transformation Induced

    Plasticity TRIP) face parte dintr-o generaie nou de oeluri slab aliate care mbin rezistena nalt la traciune (Rm = 500800 MPa) cu o plasticitate ameliorat, rspunznd exigenelor industriei de automobile. Se obine de asemenea printr-un tratament termomecanic cu deformarea la cald a austenitei i

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 38

    conine insule de martensit i beinit, ncorporate ntr-o matrice de ferit, comportndu-se ca un material compozit. Se prelucreaz bine prin deformare plastic

    ratur, de durata de menine

    et, spad),

    i neajuns, se mai aliaz cu azot care i c

    22-5-3,

    u c aveau tiuri foarte ascuite care rez

    inal i astzi se utilizea ndeosebi la fabricarea cuitelor de foarte bun calitate.

    i are o foarte bun rezisten la oboseal. d) Oelul martensitic mbtrnit (Martensitic Ageing sau Maraging

    Steel MART) are o rezisten mecanic superioar (Rm = 6001200 MPa), o tenacitate foarte bun i o maleabilitate bun. Este aliat cu 1719% nichel, 812% cobalt, 35% molibden i 0,21,6% titan (X2NiCoMo18-9-5), iar pentru a deveni inoxidabil, i cu crom (X2NiCrMoTi10-10-5). Elementele de aliere formeaz soluii suprasaturate care pot fi descompuse printr-un tratament termic, aplicat dup clire, numit mbtrnire. mbtrnirea artificial este de fapt o durificare prin precipitare care const n nclzirea oelului sub temperatura de austenitizare i meninerea ndelungat la aceast temperatur, pentru descompunerea soluiilor solide suprasaturate i apariia fazelor secundare ntr-o dispersie controlat i apropierea de echilibru a soluiei solide. Tipul, mrimea, distribuia i cantitatea de particule precipitate depind de tempe

    re la temperatur i de starea iniial a microstructurii. Oelurile martensitice mbtrnite se pot utiliza pn la temperaturi de

    4000C i se folosesc n industria de autoturisme (arbori cotii, roi dinate), la fabricarea armelor automate i a armelor albe utilizate n scrim (sabie, flor

    a unor instrumente chirurgicale, precum i n construciile aerospaiale. e) Oelul duplex este un oel inoxidabil cu structur bifazic alctuit din

    cantiti aproximativ egale de ferit i austenit. Fiind aliat cu crom, nichel i molibden, este rezistent la coroziunea intergranular, dar prin sudare i scade ductilitatea (reziliena). Pentru nlturarea acestu

    rete i rezistena la coroziunea clorului. Oelurile duplex au fost elaborate iniial prin 1930, n Suedia, pentru

    creterea rezistenei la coroziune a instalaiilor pentru fabricarea hrtiei sulfizate i au fost perfecionate prin anii 1970, cnd a nceput exploatarea offshore a zcmintelor de petrol din Marea Nordului. n Uniunea European sunt standardizate urmtoarele mrci: X2CrNi 23-4, X2CrNiMoN 27-5-2, X2CrNiMoN

    X2CrNiMoCuN 25-6-3, X2CrNiMoN 25-7-4 i X2CrNiMoCuWN 25-7-4. f) Oelul damaschinat este format din straturi albe i ductile, srace n

    carbon, care absorb ocurile i straturi mai nchise, bogate n carbon, care asigur rezisten i duritate. Denumirea lui vine de la celebrul oel de Damasc, descoperit n Evul Mediu i disprut n sec. 19, din care s-au fabricat sbii i lame de cuit, pornind de la lingouri alctuite din straturi succesive cu coninuturi diferite de carbon. Prin forjare, piesele prezentau motive ondulate pe toat suprafaa, asemenea intarsiilor, iar sbiile erau vestite pentr

    istau mult timp, datorit duritii oelului. Oelul damaschinat a fost mbuntit fa de cel origz 3.2.3. Aliaje uoare Metalele uoare (aluminiul, magneziul i titanul) formeaz aliaje cu

  • Materiale avansate 39

    densiti mici i cu proprieti mecanice foarte bune care se folosesc la fabricarea automo

    e de aluminiu deformabile. Ele se clasific dup criteriile prezentate n fig.3.4.

    bilelor, vapoarelor i avioanelor, precum i n alte ramuri industriale. 3.2.3.1. Aliaje de aluminiu. Exist astzi n lume circa 200 aliaje de

    aluminiu turnate i 400 aliaj

    Fig. 3.4. Clasificarea aliajelor de aluminiu.

    ientul de dilatare i conduc

    Aliajele de aluminiu prezint urmtoarele avantaje: sunt uoare (cam o treime din greutatea oelului); sunt rezistente la coroziune; caracteristici mecanice bune; conductibiliti termic i electric bune; se pot durifica prin tratamente termice; se prelucreaz uor prin turnare, deformare plastic i prin metalurgia pulberilor. n acelai timp, au i urmtoarele dezavantaje: rezisten slab la uzur i oboseal; contracie mare la solidificare (3,58,5%); coefic

    tibilitatea termic impun precauii la sudare i achiere. Ca aliaje de aluminiu avansate se menioneaz: a) Aliajele de aluminiu pentru automobile se folosesc sub form de

    piese turnate sau matriate sau sub form de table, bare sau profiluri i au la baz urmtoarele sisteme: Al-Si cu adaosuri de bor, beriliu, titan, mangan, cadmiu, zirconiu i pmnturi rare; Al-Si-Mg i Al-Si-Cu cu adaosuri de mangan, beriliu,

  • Materiale i tehnologii neconvenionale 40

    cadmiu, molibden, titan, crom i zirconiu; Al-Cu-Mg cu adaosuri de litiu, cadmiu, nichel i titan; Al-Mg i Al-Mg-Zn cu adaosuri de mangan, crom i beriliu; Al-Si-Mg cu adaosuri de cupru, mangan i crom i cu limitarea coninutului de fier i siliciu. Dac n anul 2000, la fabricarea unui automobil european se foloseau 90 kg de alum

    in precipitare. Ele mai trebuie s suporte

    merican Smith & Wes

    navetelor spaiale americane sunt confec

    are cu plasm, prin topiri succesi

    hidroge

    forme; costul produselor este mai

    iniu, astzi se folosesc 140 kg. Tablele pentru caroseriile automobilelor se prelucreaz prin ambutisare,

    putnd suporta ndoiri de pn la 1800, iar pentru mbuntirea unor proprieti mecanice sunt supuse unui tratament termic de mbtrnire artificial care, ca i n cazul oelurilor martensitice, este o durificare pr

    ocurile, prin deformare, fr a se fisura. b) Aliajele de aluminiu pentru construcii aerospaiale au proprieti

    mecanice superioare i o bun rezisten la coroziune: Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu cu adaosuri de crom, cobalt, zirconiu, nichel, cadmiu, argint, litiu, beriliu, bor i lantanide. Pentru construcia avioanelor ruseti Mig 21 i Mig 29 se folosete un aliaj al aluminiului cu 0,10,5% scandiu, iar firma a

    son folosete acelai aliaj la fabricarea patului revolverelor. Rezervoarele de combustibil ale ionate dintr-un aliaj ultrauor Al-Li. c) Aliajele de aluminiu refractare fac parte din sistemele Al-Cu-Mg-Mn,

    Al-Cu-Si-Mn, Al-Cu-Si, Al-Si-Cu, Al-Cr-Zr, Al-Cr-Fe, Al-Be-Mg, Al-Zn lantanide cu adaosuri de argint, aur, cadmiu i crom i se utilizeaz pn la 350400 0C. Recent, a fost realizat un aliaj Al-Ti (50% Al i 50% Ti) care este foarte uor i rezist pn la 1000 0C. El este foarte greu de obinut, avnd n vedere diferena dintre temperatura de topire a aluminiului (658 0C) i titanului (1.668 0C). Acest lucru este posibil numai n cupto

    ve, care asigur aliajului i o bun omogenitate. d) Aliajele de aluminiu criogenice se utilizeaz la temperaturi sczute,

    astfel: Al-Ni cu adaosuri de vanadiu, molibden i mangan se pot folosi pn la 196 0C ; Al-Mg, Al-Mn i Al-Mg-Mn-Cr, cu limitarea coninutului de fier, siliciu, cupru i zinc sau Al-Zn-Mg-Cu i Al-Si-Mg, folosite la fabricarea cisternelor pentru transportul gazelor lichefiate (oxigen, azot, heliu, argon, hidrogen, etilen), n instalaiile frigorifice i la construcia rachetelor care funcioneaz cu oxigen i

    n lichid; Al-Au pentru confecionarea conductoarelor din medii criogenice. e) Aliajele de aluminiu superplastice au proprietatea de a avea alungiri la

    rupere comparabile cu ale materialelor plastice, de cteva sute de procente sau chiar peste o mie de procente. Deformarea superplastic este determinat de existena unor gruni cristalini fini, sub 10 m, ea fiind optim dac se face la o temperatur de 0,5Ti (Ti este temperatura de topire a aliajului). Astfel, aliajul aluminiului cu 6% cupru i 0,5% zirconiu are o alungire la rupere de 2000%, dac deformarea se face la temperatura de 475 0C. Aceasta are mai multe avantaje: datorit deformabilitii mari, produsele se pot obine dintr-o singur operaie; forele de prelucrare i consumul specific de energie sunt mai mici; deeurile rezultate sunt puine; microstructura aliajelor este uniform, ceea ce conduce la obinerea unor piese cu proprieti mecanice uni

  • Materiale avansate 41

    mic. Ex

    -Zr. Aceste aliaje au A= 2002000%, n inter

    rnare la cotele f dente.

    n construciile aerospaiale i aeronautice, precum i la fabricarea automobilelor.

    ist i un dezavantaj: fluajul este sczut. Ca aliaje de aluminiu superplastice se menioneaz: Al-Cu-Mg, Al-Cu-Ni,

    Al-Mg-Si, Al-Si-Ni, Al-Cu-Zr i Al-Zn-Mgvalul de temperatur 400550 0C. 3.2.3.2. Aliaje d