materiale si tehnologii neconventionale

Upload: ibol8306

Post on 17-Jul-2015

8.855 views

Category:

Documents


14 download

DESCRIPTION

Materialele au stat la baza tuturor cuceririlor industriale: oţelul pentru calea ferată, cuprul pentru electricitate, aluminiul pentru aviaţie, materialele plastice pentru bunurile de consum de după război, iar siliciul pentru informatică. Separarea materialelor tradiţionale (metale şi aliaje, ceramice şi polimeri) de cele avansate este din ce în ce mai greu de făcut, pentru că un material considerat astăzi avansat, s-ar putea ca mâine să intre în categoria celor tradiţionale. Folosirea materialelor noi se realizează după un scenariu clasic: pe măsură ce preţul lor scade, ele trec din industriile de vârf, în cele obişnuite. Astfel, materialele folosite iniţial în industriile de armament sau aerospaţială, sunt preluate de constructorii de automobile şi sfârşesc prin a fi bunuri de consum. De exemplu, materialele compozite au cucerit industria aerospaţială, în detrimentul aliajelor de aluminiu, care înlocuiesc oţelul în construcţia de automobile. În acelaşi timp, unele din aceste materiale sunt fie foarte fragile, fie extradure, fie foarte subţiri şi nu se pot prelucra decât prin procedee neconvenţionale. Obiectul prezentei cărţi îl constituie deci materialele avansate şi tehnologiile neconvenţionale.Materialele tradiţionale sunt tratate foarte succint, fiind amintite mate-rialele metalice (feroase şi neferoase), plasticele şi ceramicele. Ele se folosesc pe scară largă în toate domeniile de activitate, la preţuri accesibile, în funcţie de pro-prietăţile fizico-mecanice sau chimice pe care le au.Materialele avansate sunt tratate pe larg, cuprinzând toate cele patru tipuri de materiale utilizate în tehnică (metalice, plastice, ceramice şi compozite), precum şi unele tipuri care nu pot fi încadrate în 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 oţelurile avansate de înaltă rezistenţă, superaliajele, spumele metalice, aliajele amorfe şi aliajele uşoare. În industriile moderne sunt indispensabile metalele de înaltă tehnicitate, multe din ele scumpe şi rare: tantal (telefoane mobile), paladiu şi ceriu (tobe catalitice de eşapament), indiu (ecrane plate LCD), reniu (turbine), germaniu (internet mobil wi-fi), galiu (electronică), titan (aeronautică militară şi civilă). Producţia mondială a acestor metale nu depăşeşte 50 t/an, datorită răspândirii foarte reduse în scoarţa terestră, dar impactul lor în preţul final al produselor este semnificativ. Astfel, reniul care intră în construcţia unui tur-boreactor pentru avioane reprezintă doar 6% din masa acestuia, dar are un preţ de 80% din costul total al materialelor turboreactorului.Polimerii avansaţi se pot folosi la temperaturi de până la 300 0C, faţă de 70…120 0C la cât se pot utiliza cei obişnuiţi. Mai există polimeri conductori, folosiţi în electronică şi la panourile solare, polimeri fotonici (displayuri LCD şi LEP), polimeri biodegradabili şi biocompatibili şi dendrimeri (utilizaţi în medicină). Toţi aceştia îmbină proprietăţile specifice materialelor plastice cu anumite proprietăţi induse, specifice metalelor şi aliajelor.Ceramica avansată are proprietăţi indispensabile dezvoltării tehnologiilor de vârf: rezistenţe la uzură, la temperatură şi la acţiunea agenţilor chimici, duritate, stabilitate dimensională şi posibilităţi de prelucrare rapidă în piese, precum şi proprietăţi electrice, magnetice, optice, supraconductoare, termice, termomecanice sau biomedicale.Materialele compozite sunt alcătuite dintr-o osatură numită ranfort încorporată în masa unei matrice. Materialele de ranforsare pot fi sub formă de particule, fibre sau plăci, iar matricele sunt de natură plastică, metalică sau ceramică. Primul compozit utilizat a fost lemnul, un compozit natural, iar mai târziu, betonul şi betonul armat. Astăzi materialele compozite fac parte din viaţa noastră, întâlnindu-se de la carcasele de telefoane mobile şi televizoare, până la articole sporti

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 Thematerialswerethebasisforallindustrialconquests:steelforrails, copperforelectricity,aluminiumforaircraft,plasticsforconsumergoodsafter World War II and silicon for computers. Separation of traditional materials (metals andalloys,ceramicsandpolymers)oftheadvancedisincreasinglyhardertodo, becausenowconsideredadvancedmaterial;itmaybethattomorrowintothe 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 aerospaceindustries,aretakenbycarmanufacturersandendupbeingconsumer goods.Forexample,compositematerialshaveconqueredaerospaceindustries,at the expense of aluminium alloys, that replace the steel in automobile construction. Atthesametime,someofthesematerialsareveryfragile,orsuperhard,orvery thin and can not be processed only through unconventional processes. So,subjectofthisbookisadvancedmaterialsandunconventional technologies.Thebookisaddressedtostudentsoftechnicalprofileswhohavein curriculumthisdiscipline,butitisalso usefultoengineers,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,cuprulpentruelectricitate,aluminiulpentruaviaie,materialeleplastice pentru bunurile de consum de dup rzboi, iar siliciul pentru informatic. Separarea materialelortradiionale(metaleialiaje,ceramiceipolimeri)deceleavansate este din ce n ce mai greu de fcut, pentru c un material considerat astzi avansat, s-arputeacaminesintrencategoriacelortradiionale.Folosireamaterialelor 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 dearmamentsauaerospaial,suntpreluatedeconstructoriideautomobilei 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,fieextradure,fiefoartesubiriinusepotprelucradectprinprocedee neconvenionale.Obiectulprezenteicrilconstituiedecimaterialeleavansatei tehnologiile neconvenionale. Materialeletradiionalesunttratatefoartesuccint,fiindamintitemate-rialelemetalice(feroaseineferoase),plasticeleiceramicele.Elesefolosescpe 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. Catalogulmondialalmaterialelormetalicecuprindecirca18.000de produse,dincaremultesuntconsiderateavansate.Dintreacestea,sepotaminti oelurileavansatedenaltrezisten,superaliajele,spumelemetalice,aliajele amorfeialiajeleuoare.nindustriilemodernesuntindispensabilemetalelede nalt tehnicitate, multe din ele scumpe i rare: tantal (telefoane mobile), paladiu i ceriu(tobecataliticedeeapament),indiu(ecraneplateLCD),reniu(turbine), germaniu(internetmobilwi-fi),galiu(electronic),titan(aeronauticmilitari civil).Produciamondialaacestormetalenudepete50t/an,datorit rspndiriifoarteredusenscoaraterestr,darimpactullornpreulfinalal produselorestesemnificativ.Astfel,reniulcareintrnconstruciaunuitur-boreactor pentru avioane reprezint doar 6% din masa acestuia, dar are un pre de 80% din costul total al materialelor turboreactorului. Polimeriiavansaisepotfolosilatemperaturidepnla300 0C,fade 70120 0Clactsepotutilizaceiobinuii.Maiexistpolimericonductori, folosiinelectronicilapanourilesolare,polimerifotonici(displayuriLCDi LEP),polimeribiodegradabiliibiocompatibiliidendrimeri(utilizain medicin).Toiacetiambinproprietilespecificematerialelorplasticecu anumite proprieti induse, specifice metalelor i aliajelor. Ceramicaavansatareproprietiindispensabiledezvoltriitehnologiilor Prefa5 de vrf: rezistene la uzur, la temperatur i la aciunea agenilor chimici, duritate, stabilitatedimensionaliposibilitideprelucrarerapidnpiese,precumi proprietielectrice,magnetice,optice,supraconductoare,termice,termomecanice sau biomedicale. Materialelecompozitesuntalctuitedintr-oosaturnumitranfort ncorporatnmasauneimatrice.Materialelederanforsarepotfisubformde particule,fibresauplci,iarmatricelesuntdenaturplastic,metalicsau ceramic.Primulcompozitutilizatafostlemnul,uncompozitnatural,iarmai trziu,betonulibetonularmat.Astzimaterialelecompozitefacpartedinviaa noastr,ntlnindu-sedelacarcaseledetelefoanemobileitelevizoare,pnla articole sportive performante i construciile aerospaiale. Dincategoriaaltortipuridematerialeavansatefacpartematerialele magnetice(moiidure),fibreleoptice(multimodaleiunimodale),betoanele avansate(autonivelante,decorative,amprentate,fotocatalitice,conductoarei 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 celemaisofisticatemetodedeinvestigaiemedical.MajoritateaPremiilorNobel pentrufizicichimiedinultimiianiaufostacordatepentrudescoperireaunor astfel de materiale n marile laboratoare de cercetare din lume. Tehnologiileneconvenionalesebazeazpefenomenuldeeroziune,adic peaciuneadendeprtareamaterialuluidelasuprafaauneipiesedectreun agenteroziv.Agentulerozivesteunsistemfizico-chimicsaufizico-mecanic complexcarecedeazpieseienergiedenaturelectric,electromagnetic, electrochimic,termic,deradiaie,chimicsaumecanic.Energiaagentului erozivdistrugestratulsuperficialalpieseideprelucratprintopire,vaporizarei ruperidematerialsubformdemicroparticulesauprincoroziune.Setrateaz succint electroeroziunea, eroziunile chimic, electrochimic, cu plasm, cu radia-ii i cu ultrasunete. Materialeleavansateitehnologiileneconvenionalesenscriuntr-un contextncarecompetiiaglobalidezindustrializarearapidvorpermiterilor dezvoltates-iprezerveavantajultehnologic.Omenireavaaveanevoiepentru mult vreme de metale i alte materiale tradiionale, desigur, n cantiti mai mici, darsubformemultmaielaborate.Oare,dezindustrializareanunseamn dislocareaindustriilortradiionaledinriledezvoltateneconomiileemergente, unde materiile prime i, mai ales, manopera sunt mult mai ieftine? Carteaseadreseazstudenilorprofilurilortehnicecareaunprogramade nvmntaceastdisciplin,daresteutiliinginerilor,tehnicienilor,proiec-tanilor i cercettorilor din metalurgie i construcii de maini. Petroani, decembrie 2011AUTORUL 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 Cuprins7 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 laprelucrarea prin electroeroziune .. 171 4.2.3.Dielectrici utilizai la prelucrareaprin electroeroziune ............. 173 4.2.4.Scule utilizate la prelucrareaprin 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.Operaiideprelucrareprineroziuneelectrici electrochimic 187 4.5.3.Maini de prelucrat prin eroziune electrici electrochimic 187 4.6.Prelucrarea prin eroziune cu plasm ......189 4.6.1.Generaliti ...........189 4.6.2.Aplicaii tehnologice ale prelucrrii cu plasm190 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-tilematerieiiaplicaiileeindiversedomeniialetehniciiitehnologieii folosind cunotine de fizic aplicat, chimie, inginerie mecanic i electric. Dup apariia,nultimiiani,ananotiinelorinanotehnologiilor,tiinamaterialelora fost propulsat n avangarda multor universiti de prestigiu din lume. Cunotineleoamenilordesprematerialencepodatcuolritul,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. Principalelematerialeutilizatenindustriesuntcelemetalice.Dintre acestea,aliajeleferoase(fonteleioelurile)reprezintcirca90%,restulde10% fiindmetaleialiajeneferoase.Fontaseelaboreaznfurnalidincauza coninutuluimaredecarbonestedurifragilinusepoateutilizanaceast stare.Proprietilesalemecanicesepotmbuntiprinadugareaunorelemente care transform grafitul lamelar n grafit nodular (Mg, Si, Ca, Ba), precumiprin aplicareaunorrecoaceridemaleabilizaresauprinalierecudiverseelemente(Si, Mn,Cr,Ni,Mo,Al,Cu).Oelulconinemaipuincarboniareproprieti mecanice bune. Creterea coninutului de carbon conduce la creterea duritii i a rezisteneilarupere,darilascdereaductilitiiiatenacitii.Prinalierecu peste 10% crom, nichel i molibden, devine inoxidabil. Metalele i aliajele neferoase sunt mai scumpe i mai rare i se utilizeaz n domeniicarereclamproprietifizico-mecanicesauchimicespeciale.Unele dintreelesuntfoartevechiiauavutoimportanmarendezvoltareasocietii umane. Astfel, bronzul a fost descoperit n jurul anului 3500 .Hr. n Mesopotamia iSumeriaavutoasemeneaimportannctmileniulaldoilea.Hr.semai numetenistorieiepocabronzului.Maiaproapedevremurilenoastres-au descoperitaliajelealuminiului,titanului imagneziului,apreciatepentrugreutatea redus i rezistena ridicat i folosite pe scar larg n construciile aerospaiale i n industria automobilelor. Materialeleplasticeaufostdescoperitensecolultrecutiastziauajuns sledepeasc,nvolum,pecelemetalicedatoritunorproprietifavorabile: suntieftineiuoare,rezistentelaoxidareicoroziuneipermitmodificarea Materiale i tehnologii neconvenionale10 proprietilorprinfolosireaunoraditivi.Unelesepotreciclaprinsolubilizaresau topire,iaraplicaiileloracoperaproapetoatedomeniileactivitiiumane,dela 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 utilizareaunortehnologiiavansate,bazatepedepolimerizare,caresparglanurile de hidrocarburi ce alctuiesc materialele plastice i cauciucul sintetic, obinndu-se monomeri (reciclare chimic). Principalelematerialeplasticesuntpolietilena,polipropilena,policlorura devinil,polistirenul,poliamida,poliesterul,poliuretanulipolicarbonatul.Elese prelucreazprindiverseprocedeetehnologice(presare,injecie,extrudare, expandare,calandrare,sudare,lipire,tanare,achiere),darnusepotutilizala temperaturi mai mari de circa 200 oC. Atreiacategoriedematerialeutilizatentehnicoconstituiegrupa materialelorceramice.Ceramicautilitaraaprutodatcuomenirea,vaselei crmizilefiindprimeleproduseobinutedeom,prinardereaargilei.Dinaceastas-adezvoltatapoiceramicadeartcares-andeprtatdefunciautilitaris-a centratpevaloareadecorativiestetic.Pelamijloculsecoluluitrecutaaprut ceramicaindustrial,caurmareadezvoltriiindustriilordevrfcareutilizeaz materiale pe baz de oxizi, carburi, nitrri, borri i diverse forme de carbon. Materialeleceramicesuntdureirezistentelauzurilatemperaturi ridicate,iarsurseledemateriiprimedincareprovinsuntpracticnelimitate. Folosirea loreste limitatde fragilitatei de rezistena sczut latraciune. Ele se utilizeazlafabricareaunormaterialedeconstrucii(crmid,igl,teracot, faian,gresie)saudeart(porelan,mozaic),precumindomeniulindustrial (sculeachietoare,electrotehnicielectronic,izolaiitermice,aplicaiitribolo-giceimedicale).Prindozareacorespunztoareaconstituenilor,ndeosebia pmnturilor rare, ceramicele pot fi izolatoare electrice, semiconductoare, conduc-toare sau chiar supraconductoare. De altfel, pentru cercetri n domeniul supracon-ductibilitiimaterialelorceramices-auacordatctevaPremiiNobel.Printre aplicaiile devrf ale ceramicii industriale semenioneaz rulmenii ceramici care funcioneazfrungereiimplanturileceramicecarenlocuiescoaseale scheletului uman. Materialelecompozitesuntalctuitedintr-oosaturncorporatnmasa uneimatrice.Primulcompozitutilizatafostlemnul,uncompozitnatural,iarmai trziu,betonulibetonularmat.Carcaseledetelevizoritelefoanemobilesunti 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. Materialelederanforsarepotfisubformdeparticule,fibresauplci,iar matricelesuntdenaturplastic,metalicsauceramic.Procedeeledeprelucrare sunt foarte variate (formare manual, turnare, laminare, presare, nfurare), innd cont de natura materialului matricei i de configuraia armturii. Introducere n tiina materialelor 11 tiinaiingineriamaterialelorestedeciodisciplincomplexcare studiazproprietile,structuraidomeniiledeaplicarealecelorpatrumari categoriidemateriale.Dinaceastdisciplins-audesprinsrecentalteramuri tiinifice: nanotehnologia, microtehnica, biomaterialele, tribologia i ceramografia. 1.2. Tipuri de materiale nfunciedelegturileexistententreatomiidemicrostructur,materi-alele se pot clasifica dup schema prezentat n fig. 1.1. Legturametalicsedatoreazatracieidintrescheletulionicpozitivi fluxulelectronilorliberiiestecaracteristicmaterialelormetalice.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 spunecmaterialeletradiionalei-auatinslimiteleconstructive.nprezent,prin dezvoltareavertiginoasatehniciiitehnologieisuntnecesarematerialecares lucrezencondiiiextremedefore,presiuni,temperaturi,radiaii,precumin 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 ntehnicaactual,pentruexecutareapieseloriadiverselorproduse,se utilizeaz n mare msur materiale metalice, adic metalei aliaje. Metalele sunt elementechimiceculuciucaracteristic,buneconductoaredeclduri electricitate,maleabileiductile,darsefolosescmairardincauzaproprietilor defavorabileiapreuluiridicat.Aliajelesuntmaterialemetaliceobinuteprin topireampreunadousaumaimultormetalesauaunormetaleimetaloizi, avndproprietiinsuiriadecvatedomeniilordeutilizaredoriteipremai redus. Dup natura lor, materialele metalice se mpart n dou categorii:-materialeferoase(fier,fonteioeluri)carereprezintcirca90%din consumul mondial de materiale metalice; -materialeneferoase(cupru,aluminiu,magneziu,zinc,plumb,staniu, nichel,wolframetc.ialiajelelor),acesteareprezentndrestulde10%din consumul mondial. 2.1.1. Materiale feroase Aliajelefier-carbonnumitefonteioelurisuntcelemaicunoscute materialemetaliceutilizatentehnicdatoritrspndiriilarginscoara pmntuluiamateriilorprimedincareprovin,metalurgieirelativsimple, proprietilorfizico-mecanicebuneicarepotfimodificatenlimitelargiprin aliereitratamentetermice,preuluidecostrelativsczut,posibilitilorde prelucrare prin toate procedeele tehnologice existente i reciclrii prin retopire. Fierulesteunmetaldeculoarecenuie-albstruie,cuproprietilefizico-mecaniceprezentatentabelul2.1.Fierulseprelucreazbineprindeformare 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,ischimbproprietile,coninutuldecarbonconstituinddefaptcriteriul principaldeclasificareafontelorioelurilor.Aliajelefier-carbonmaiconin mangan,siliciu,fosfor,sulfetc.Manganulseintroducevoitnaliaj,mrindu-i duritateairezistenalauzur,siliciulprovinedinsterilulminereurilor,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,fierulsepoatealiacuoricecantitatedecarbon,dardinpunctde vederetehnicintereseazdoaraliajelefier-carboncareconin0,0066,67%C. Practic, se utilizeaz oeluri cu pn la 1,5 % C i fonte cu pn la 4,5 % C. Materiale tradiionale13 Tabelul 2.1. Proprietile fizico-mecanice ale fierului Proprieti fiziceProprieti mecanice [kg/m3] t [C] cp [J/kgK] [W/mK] [K-1] (la 100C) [m] [MS/m] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] Z [%] KCU [kJ/m2] HB [MPa] E [GPa] 7,87103 1538 454 74 11,9 0,0037 270,2 289,5 174,3 47 90 2350 7501150 210 235 2.1.1.1.Fontaesteunaliajfier-carboncareconine2,116,67%Cin cantitimici,mangan,siliciu,fosfor,sulfetc.Easeobinentr-oinstalaie complex numit furnal, din minereuri de fier i mangan, fondani pentru formarea zgurei,combustibiliprinardereacrorasedezvoltclduranecesartopirii materiilorprimesolideicomburant(aermbogitnoxigen)pentruntreinerea arderii.nurmaunorreaciifizico-chimicecomplexe,dinfurnalrezultfont, zgur i gaz de furnal. Proprietile fontelor variaz n limite largi, n funcie de structura acestora, astfel:masavolumic=77,7kg/dm3,rezistenalarupereRm=10150 daN/mm2,alungirearelativA=0,225%,rezilienaKCU=017daJ/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 construciabatiurilormainilor-unelte.Deasemenea,seutilizeazcuprecderela fabricareaunorpieseturnatecareauproprietimecanicebuneipreuridecost mai sczute dect ale celor deformate plastic sau sudate. n cea mai mare parte ns fontele sunt destinate elaborrii oelurilor, prin reducere indirect. Clasificareafontelorsefacedupmaimultecriterii,acesteafiind 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. -fonteledeafinaresuntdestinateelaborriioeluluinconvertizoaresau cuptoarecuvatr,precumiturnriiunorpieserezistentelauzurilaaciunea eroziv prin cavitaie; -fontelebrutedeturntoriesuntdestinateelaborriifonteideadoua 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 neconvenionale14 Fo nteD u p c o n i n u tu ld e c a r b o nD u p c o n i n u tu l n e le m e n t e d ea l ie reH 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 r e u te c t ic e (4 , 3 . . . 6 , 6 7 % C )N e a li a teA li a teD u p s tr u c tu r i d e s t in a ieB ru t e(p r im a r e )N e a li a teA li a teD e a fi n a r eD e tu r n t o r i eD e tu r n t o ri e(s e c u n d a r e )C e n u i iC u g r a fi tl a me la rC u g r a fi tn o d u l a rM 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 r a c ta r eA u s t e n it ic eA n ti fr ic iu n eD e fr i c iu n e Fig. 2.1.Clasificarea general a fontelor. b)Fonteledeturntorie(secundare)suntfontedeadouafuziune, elaborate n cuptoare electrice i destinate turnrii pieselor n construcia de maini. Dup structur i destinaie pot fi: cenuii, maleabile i speciale. -fontelecenuiiaucarbonul,nceamaimarepartesauntotalitate,sub form de grafit lamelar sau nodular, iar n ruptur prezint un aspect cenuiu; -fontelemaleabilesuntfontecugrafitnformdecuiburi,obinutedin fontelealbeprintr-orecoaceredemaleabilizare,princarecementita(Fe3C)se descompune n fier i grafit; -fontelespecialeprovindinfontelecenuii,albesaumaleabileiprin alierecuNi,Cr,Mo,Mn,W,Ti,Zr,Vetc.iaplicareaunortratamentetermice corespunztoaredobndescproprietimecaniceifizico-chimicespeciale (antifriciune, de friciune, refractare, criogenice). 2.1.1.2.Oelulesteunaliajfier-carboncareconine0,0062,11%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 careutilizeazcamaterieprimfieminereuldefier(reduceredirect),fiefonta topit(reducereindirect).Astzi,peste95%dinproduciamondialdeoelse obineprinreducereindirect,realizndu-senconvertizoare(60%),cuptoarecu 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 tradiionale15 OeluriDup coni nutulde carbon, durit atei plasti ci tateExtramoal eMoaleSemidurDurFoarte durDup st ructuracaract eristi cExtradurAustenit icEut ectoidFeri ti cHipereut ectoidHipoeut ectoidLedeburit icMartensit icDup compozi iachi mi cOel uri -carbonOel uriali ateDe bazDe cal it ateSpeciale (superioare)De cal it ateSpeciale (superioare)Dup forma de l ivrareTurnatDeformat plasti cDup gradul de dezoxidareNecalmateSemicalmateCalmateDup destinaieDe uz generalOel uri -carbon obinuit eOel uri -carbon de calit atei superioareOel uri -carbon turnate npieseOel uriali ate pentruconstruc iide mai niOel uriali ate t urnat e pent ruconstruc iide mai niOel uripent ru aut omat eOel uriinoxidabil e i refract areOel urirezi st ent e la uzurPentru cl ire superficialOel uripent ru arcuriOel uripent ru rulmen iOel uripent ru eviOel uripent ru t able de cazane i reci pient eOel uripent ru srme de sudareOel uripent ru supapeOel uripent ru organe de asamblareOel uripent ru aut ovehi cule itractoareOel uripent ru aut oturismeOel uripent ru l anuriOel uripent ru ine de cal e ferat Oel uri -carbon de scul eOel uriali ate de sculeOel urirapi de de sculeOel uripent ru pi leCu desti nai epreci zat De scule Fig. 2.2. Clasificarea oelurilor. Materiale i tehnologii neconvenionale16 b)Oelurilecudestinaieprecizatsuntutilizatendomeniilimitate: arcuri,rulmeni,evi,tablepentrucazaneirecipiente,srmedesudare,supape, organe de asamblare, autovehicule i tractoare, lanuri, ine de cale ferat. c)Oeluriledesculesuntoeluri-carbonsaualiate,destinatefabricrii sculelorachietoareipentrudeformareplasticlacaldsaularece,precumia aparatelordemsuricontrol(ublere,micrometre,calibre,rigle,cale,abloane etc.). 2.1.2. Materiale neferoase Metalele i aliajele neferoase au o importan mare n tehnic, datorit unor proprieticarelipsescfontelorioelurilor:masvolumicredus(Al,Mg,Ti), conductibilititermicielectricridicate,maleabilitate,ductilitate,rezistene ridicate la oxidare i coroziune, caliti bune de antifriciune etc. Ele se utilizeaz la elaborareaoeluriloraliate(Cr,Ni,Mo,W,V,Coetc.),nconstruciade autovehicule, vapoare, avioane i nave cosmice (Al, Mn, Ti, Zr, Mo, W), n tehnica nuclear(V,Th,Be),nmedicin(Hg,Si,Pt,Ag,Au),nindustriilechimic, alimentar,poligraficidearmamentetc.,reprezentndcirca10%dinconsumul 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. Clasificareametalelorialiajelorneferoasesepoatefacedupmaimulte 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 undenumeledearam),maleabil,ductilitenace,bunconductordeclduri 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 electriceitraciuneelectric,labobinareamainilorelectrice,lafabricarea schimbtoarelordecldur,precuminindustriilechimic,alimentaride 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 prelucreazprinturnaresauprindeformareplasticiseutilizeazlafabricarea lagrelorcualunecare,aarmturilorcarelucreaznapdemareivapori supranclzii, precum i a sculelor utilizate n medii grizutoase. b)Alamaesteunaliajcupru-zinc,putndconineialteelemente(Al, Mn, Fe, Si, Ni, Pb, Sn). Are proprieti mecanice i tehnologice bune i este foarte rezistentlacoroziune,folosindu-selafabricareaunorpiesecarelucreazn mediul marin, precum i la obinerea lagrelor turnate i a unor bunuri de consum. 2.1.2.2.Aluminiulialiajelelui.Aluminiulestecelmairspnditmetal din natur i al treilea element chimic, dup oxigen i siliciu. Este uor, are o culoa- Materiale tradiionale17 Metale ialiajeneferoaseDup masa volumicUoare (D< 5000 kg/m3)Grele (D> 5000 kg/m3)Dup compoziieMetale tehnice pureAliajeDup numrulelementelor de aliereAliaje binareAliaje ternareAliaje complexeDup tehnologia de fabricaieDeformabileTurnate n pieseDup temperatura de topireUor fuzibile (Tt < 1500 C)Greu fuzibile (Tt > 1500 C)Dup natura elementuluiprincipal de aliereAliaje de cupruAliaje de aluminiuAliaje de plumbAliaje de zincAliaje de staniuAliaje de magneziuAliaje de nichel Fig. 2.3. Clasificarea metalelor i aliajelor neferoase. realb-argintie,setopetela658 0C,estemaleabiliductil,bunconductorde cldurielectricitate.Secombinuorcuoxigenul,acoperindu-secuopelicul protectoaredeAl2O3.Seprelucreazuorprinturnareideformareplastic,se sudeaz i se lipete, dar are o achiabilitate redus. Aluminiulseutilizeazlafabricareaconductoarelorelectrice,nindustria aeronautic,lafabricareafoliilorsubiripentruambalareaiconservarea alimentelor,precumiaunorarticolecasnice.Semaifolosetelaobinerea tmplriei metalice, ca dezoxidant i la elaborarea unor aliaje. a)Aliajeledealuminiuturnateaufluiditatemareicontraciemic, coninndSi,Mg,CuiZn.Celmaiimportantestesiluminul,folositlaturnarea blocurilor motoare i chiulaselor. b) Aliajele de aluminiu deformabile conin Cu, Mn, Si, Mg, Zn, Fe i Li iseprelucreaznsemifabricateprindeformareplastic.Unelesedurificprin tratamenttermic,altelenu.Dinprimacategoriefaceparte duraluminiul,folositla fabricarea pieselor rezistente i uoare (motoare, industria aeronautic). c)Aliajeleantifriciunedealuminiuaustructuraconstituitdintr-o Materiale i tehnologii neconvenionale18 matricesemidur(soluiisolidedeAlcuCu,Si,Zn,Ni)iincluziunimoi(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.Plumbulialiajelelui.Plumbulesteunmetalgreu,deculoare cenuie-albstruie,setopetela327oC,esteruconductordeclduri electricitateirezistentlacoroziune.Areproprietimecaniceslabeise prelucreaz prin turnare, laminare, extrudare i presare, putndu-se i suda i lipi. Elseutilizeaz,nprincipal,lafabricareaacumulatoarelorpentru automo-bile(75%dinproduciamondial),precumilaprotejareacablurilorelectricei telefonicesubteraneisubmarine,nconstrucii,nindustriavopselelor(miniude 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,folositelalipireaunorpiesecarenusuntsupuselasolicitrimari(contacte electrice,instalaiisanitare,aparaturmedical,articolecasniceicutiide conserve). c)Aliajeleuorfuzibilesefolosesclaaparaturaautomatdestins 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.Setopetela419 0Cireacioneazuorcuoseriedeacizi.Areproprieti mecaniceslabei,caurmare,nusepoateutilizanconstruciademaini,dar pentru c are o mare rezisten la coroziune, se folosete la acoperirea anticorosiv atablelor,srmelorievilordinoel(50%dinproduciamondial).Semai utilizeaznindustriavopselelor(albdezinc),nelectrotehnicilaelaborarea unor aliaje. Aliereazinculuiurmretenprincipalmbuntireaproprietilorsale mecanice. Ca elemente de aliere se utilizeaz Al, Cu, Mg, Cr i Ti. Dup domeniul lordeutilizare,acestealiajepotfipentruturnarenlingouri,pentruturnaresub presiuneipentruturnarenpiese.Uneledinacestealiajesuntcunoscutesub 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,cutemperaturadetopirede232 0C,maleabiliductil.Proprietile salemecanice sunt slabe, dar este foarte rezistent la coroziunea mediului ambiant, acoperindu-se cu o pelicul protectoare de oxid. Se prelucreaz uor prin laminare, extrudare,forjareisudare,satisfctorprinachiereigreoiprintrefilarei ambutisare. Nefiindatacatdeaciziiorganici,sefolosetelacositorireacutiilorde conserveilafabricareastaniolului(50%dinproduciamondial),precumila elaborarea unor aliaje (pentru lipire moale i antifriciune). Materiale tradiionale19 a)Aliajelepentrulipireamoalesetopescla200400 0Ciconin,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)Aliajelepentrulipireamoalecareintrncontactcuproduse 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)Aliajeleantifriciunesuntmaiscumpedectcelepebazdeplumb, 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 uurinoxizii,dreptpentrucaresefolosetecadezoxidantnmetalurgie,ca reductornchimiaorganicicamodificatoralfonteicenuiiprinnodulizarea grafitului.Semaiutilizeaznpirotehnie(focurideartificii,gloanetrasoare),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 uoarealiajeutilizatentehnic.Acesteaseutilizeaznconstruciiledeavioane, vagoane i automobile, la fabricarea pistoanelor motoarelor cu turaii mari, precum iacorpurilordepompe,acarcaselorirezervoarelor.Duptehnologiade fabricaie, aceste aliaje pot fi turnate sau deformabile. 2.2. Materiale plastice 2.2.1. Generaliti Materialeleplasticesuntprodusesinteticemacromoleculare,utilizaten industriedatoritplasticitiiridicateiproprietilorfavorabilepecareleau pieseleprelucrate.Aprutenperioada19201950,astzidepescconsumulde metale datorit urmtoarelor avantaje: mas volumic redus; sunt bune izolatoare electriceitermice;suntrezistentelaaciuneaagenilorchimici;seprelucreaz uor prin multiple procedee tehnologice; au un pre sczut. nacelaitimp,utilizarealorestelimitatdeurmtoareledezavantaje: proprietilemecanicesuntrelativreduse;nusuntdegradabile,ceeacecreeaz serioase probleme de poluare; nu i pstreaz proprietile la temperaturi nalte; au coeficieni de dilatare relativ mari; prin ardere degaj produse toxice. Istoriamaterialelorplasticencepen1869,nSUA,cndfraiiHyattau inventat celuloidul, un produs de origine vegetal, pentru a nlocui fildeul natural, utilizatpnatuncilafabricareabilelordebiliard.Astfel,timpde40deani, celuloidulafostsingurulmaterialplasticcunoscut,pnn1909,cndchimistul belgianBaekelandainventat,totnSUA,bachelita.Eramaterialelorplastice ncepe,practic,odatcusecolulXX,lundundeosebitavntnperioada19201940. n1937,nAmericaapareprimapoliamidnailonulcareanlocuit Materiale i tehnologii neconvenionale20 fibreletextilenaturalei,nparticular,mtasea.Duprzboi,policloruradevinil dur,rezistentlaaciuneachimicaaciziloribazelor,acontribuitlarenaterea industrieichimice,concurndcusuccesoelulinoxidabilnconstruciarezervoa-relorpentruindustriachimicsauaconductelorpentrutransportulproduselor corosive. ncepndcu1950asistmladezvoltareanritmalertapetrochimiei,ca urmareacreteriicereriidecombustibilintransporturilerutiere.Petrochimia asigurapariiaunornoimaterialeplasticecaurmareacracriipetroluluibrut. Circa 10% din iei este utilizat n rafinrii pentru obinerea materialelor plastice. Astzi,consumulmondialdematerialeplasticeaajunss-legalezepecel deoel,nvolum,itindes-ldepeasc.Avndnvederecpeste90%din produciadematerialeplasticeprovinedinpetroligazenaturale,oproblemde 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 doarprelucrareadeeurilornvederearefolosiriilor,ciitransformarealor,prin procedee speciale, n produsele petroliere de origine. Aceste tehnologii se bazeaz pedepolimerizare,realizndu-senfinalospargerealungilorcatenedehidrocar-buricealctuiescmaterialeleplasticeicauciuculindustrialiobinndu-segaz metan i iei brut (reciclare chimic). Materialeleplasticesepotobinedinproduseanimale,vegetalesau naturale, conform schemei din fig.2.4. Fig.2.4. Clasificarea materialelor plastice dup natura lor. Materiale tradiionale21 2.2.2. Structura i constituenii materialelor plastice Materialeleplasticesuntdefaptamestecuridesubstanemacromoleculare numitepolimericumaterialeauxiliarecaremodificnmodavantajos caracteristicilepolimerilor.Moleculelepolimerilorconin103106atomiieise formeazprinunireanlanadousaumaimultormoleculedemonomeri, 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,fluiditateairezistenalaocamaterialuluiplastic.Eitrebuiesfie compatibili cu polimerul, s nu fie toxici i volatili i s aib stabilitate la lumin i cldur; -stabilizatoriisuntsubstanecareasigurmeninereaproprietilor materialelorplasticelavalorileiniialeattntimpulprelucrrii,ctintimpul exploatriilor,mpiedicndaciuneafactorilorbiologici(bacterii,ciuperci),fizici (influenaluminii,oxigenuluiiradiaiilor)ichimici(polimerizaresau depolimerizare); -materialeledeumplutursuntparticulesolideorganicesauanorganice carenusetopesclatemperaturadeprelucrareiseadaugpentrucreterea rigiditii,duritiiirezisteneilauzur,precumipentrureducereacostului (rumegu, deeuri de fibre i esturi de bumbac i in, hrtie, talc, nisip); -lubrifianiiauroluldeaevitalipireamaterialelorplasticedesculei mainiledeprelucrat,precumideaasiguraprelucrarealorlatemperaturimai 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; -antistaticelesuntsubstanecarempiedicelectrizareamaterialelor plasticesubformdefoliisaufoicaresencarcelectrostaticlafrecareacu suprafeele metalice i atrag praful; -ageniideignifugareauroluldeamrirezistenalafocamaterialului (compui ai stibiului, fosforului i clorului); - agenii fungistatici opresc dezvoltarea ciupercilor, n special n condiiile climatuluitropical,caldiumed.Ciupercileatacndeosebimaterialelede umpluturiplastifianii,nrutindcaracteristicilemecaniceiaspectulexterior al materialului plastic. 2.2.3. Clasificarea materialelor plastice Materialeleplasticesepotclasificadupmaimultecriterii,celmai 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. Materialeletermoreactive(termorigide)secaracterizeazprinaceeacn timpulprelucrrii,subaciuneaclduriiipresiunii,sufertransformrichimice Materiale i tehnologii neconvenionale22 ireversibile,devenindnefuzibileiinsolubilensolveni.Caurmare,aceste materiale nu se pot recicla. Materialele termoplaste devin vscoase prin nclzire i dup prelucrarea n piesesepotrecicla,acesteoperaiiputndu-serepetademaimulteorifrca materialul s sufere vreo transformare chimic. Dupmoduldeobinere,materialeleplasticeseproducprinreaciide policondensare, polimerizare i poliadiie. Policondensareaesteoreaciechimicncarearelocunireaalternanta maimultormoleculemicidemonomeridenaturidiferite,ntr-omacromolecul, sub aciunea cldurii, presiunii i catalizatorilor, cu eliminarea concomitent a unor substanesecundare(ap,amoniac,HCl).Eliminareaapeiconfermaterialului porozitate i higroscopicitate mai mari i deci proprieti dielectrice mai reduse.Polimerizarea este o reacie chimic prin care substane cu mas molecula-rmicdeaceeainatur,avndcaracternesaturat(monomeri),setransformn substanecumasmolecularmaimare(polimeri),pstrndaceeaicompoziie procentualiaceeaiaranjareaatomilornmolecul,freliminaredeproduse secundare. Fig.2.5. Clasificarea materialelor plastice dup modul de obinere. Poliadiiaesteoreaciechimicprincareseintroducatomisaumolecule ntr-o alt molecul cu caracter nesaturat i de alt natur chimic, fr separare de produse secundare. a)Fenoplasta(PF)seobineprinpolicondensareafenoluluicu Materiale tradiionale23 formaldehida,nprezenaunorcatalizatoriacizisaubazici.Princondensaren 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)seobineprinpolicondensareaformaldehideicu uree,melaminsauanilin,rezultndrinicarbamilice(siguranepentrucureni denalttensiuneiuleiuripentruimpregnareamaterialelorplasticestratificate), rini melaminice (lacuri i emailuri electroizolante) i rini anilinice (proprieti dielectricefoartebuneirezistenridicatlaaciuneaapeiiasubstanelor alcaline). c)Siliconul(SI)esteuncompusmacromolecularcustructuraanaloag corpurilororganice,alctuitdinlanurideatomidesiliciucarealterneazregulat cuatomideoxigen.Lanurileastfelformatemaiauvaleneliberecarepotfi completatecuhidrogensauradicaliorganici,astfelcsiliconiimbin caracteristiciledielectricealematerialelororganicecustabilitateachimici 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 injectareaacestora),cauciucsiliconic(izolareacablurilorelectrice,husepentru telefoanemobile,uideavioane)irinisiliconice(lacuripentruizolarea mainilorelectricedeputerimari).Fiindcompatibilicuesutuluman,siliconiise utilizeazpescarlargnchirurgiaplastic(implanturimamare)ilafabricarea 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 piesefolositenconstruciademaini,nfoliiifibreelectroizolantesaunalte diverse produse (ambarcaiuni, czi de baie, rezervoare, panouri protectoare). e)Poliamida(PA)seobineprinpolicondensareaacizilororganici (adipic,sebacic)cudiamine(derivatealeamoniacului).Celemaicunoscute poliamide sunt nailonul, obinut prin policondensarea acidului adipic cu clorohexan icaprolactama,obinutprinpolicondensareaaciduluiaminocaproniccu ciclohexan. Nailonul se folosete la confecionarea fibrelor sintetice din care se fac articoledembrcminte,rachetedetenis,periiiplasedepescuit,iar caprolactama, la fabricarea esturilor i tricotajelor. Fibreledepoliamidesepottratacumaterialelubrifiante(grafit,bisulfur demolibden),cptndproprietideantifriciune.Dinastfeldefibresepot confeciona lagre, roi de transmisie i inele de uzur a cror temperatur de lucru nu depete 80 0C. f)Policarbonatul(PC)seobineprinpolicondensareadianuluintr-o soluie de hidrat de sodiu i clorur de metilen, peste care se insufl gaz fosgen la 20 0C.Seutilizeazlafabricareaevilorcarelenlocuiescpeceledincuprusau alam,precumiaunorcomponentedindomeniulelectric(cutiidesiguran, Materiale i tehnologii neconvenionale24 capacededuze,tuburipentruconductoare,abajururi),ascuturilor,ctilorde protecie i indicatoarelor reflectorizante. g)Policloruradevinil(PVC)seobineprinpolimerizareacloruriide vinil i se prezint sub form dur (fr plastifiani) i moale (cu plastifiani). Cea durarerezistenmecanicirigiditatefoartebuneiseutilizeazlafabricarea rezervoareloributeliilorpentruindustriilechimicifotografic,laplacri rezistente la acizi i la realizarea panourilor acustice. Policlorura de vinil moale are ungradmaredeflexibilitateiseutilizeazlafabricareappuilorianimalelor gonflabile,anclminteloriimpermeabilelordeploaie,precumiacovoarelor pentru pardoseli. h) Polistirenul (PS) se obine prin polimerizarea stirenului i se folosete laconfecionareacarcaselorunoraparatecasnice(roboidebuctrie,storctoare de fructe, rnie de cafea, aparate de radio, televizoare, aspiratoare, frigidere). Prin introducereaunorsubstanespumogeneseobinpolistirenulexpandati polistirenul extrudat (ultimul fiind mai dens) care se utilizeaz la izolarea termic a cldirilor, sub form de plci de diverse grosimi. i)Poliacrilatul(PMMA)seobineprinpolimerizareametacrilatuluide metil,produsulrealizatfiindcunoscutsubdenumireadeplexiglas.Acestaeste asemntor cu sticla, dar nu se sparge, utilizndu-se n diverse domenii: acoperiuri transparente,machetepentruinstruciacolar,lentile,lupe,ochelarideprotecie, geamuri incasabile, vitrine i vizoare. j)Polietilena(PE)seobineprinpolimerizareaetilenei.Dac polimerizareasefacelapresiunimari(10002000bar)seobinepolietilende 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 isacilormenajeri,precumiaconductelorflexibileijucriilor,iaradouaeste maiduriseutilizeazlafabricareacanistrelorirezervoarelordeapiulei,a fitingurilor i conductelor de gaz metan, precum i la placarea schiurilor. k)Polipropilena(PP)esteasemntoarecupolietilenaiseobineprin polimerizareapropilenei.Sefolosetelafabricareaconductelorifitingurilorde gazmetan,acutiilor,rezervoareloricofrajelor,acarcaselorpentrumainide splat,frigidere,ventilatoareiusctoaredepr,amobilieruluidegrdinila acoperiri de protecie. l)Politetrafluoretilena(PTFE)seobineprinpolimerizarea tetrafluoretilenei,rezistpnla260 0Ciestecunoscutsubdenumireacomer-cialdeteflon.Arenumeroaseutilizri:aparaturindustrialidelaborator, segmeni de piston, cuzinei pentru lagre, vase de buctrie, izolatoare electrice i esturi rezistente la foc i acizi. m)Poliacetatul(POM)seobineprinpolimerizareaformaldehideiise folosetelaconfecionareaunorpiesecupreciziedimensionalridicat:buce pentru lagre, discuri, garnituri pentru nchideri rapide, roi dinate, balamale, taste pentru calculatoare, televizoare i aparate de radio. n)Rinaepoxidic(EP)seobineprinreaciadepoliadiiedintre bisfenolulde tip A i epiclorhidrin, urmat de o durificare cu un agent dentrire, Materiale tradiionale25 putnd fi lichid (cu mas molecular mic) sau solid (cu mas molecular mare). Sefolosetenelectrotehnic,nindustrialacurilorivopselelor,precumila obinereaunorlaminatepentrucomponentederezistenirigiditaten construciileaerospaiale(aripi,palederotorpentruelicoptere).Semaiutilizeaz lasconfecionareamodelelordeturntorieiamatrielordepresareiinjecie, precum i la fabricarea unor adezivi extrem de puternici. o) Poliuretanul (PU) se obine prin reacia de poliadiie dintre un cianat iunalcoolisefolosetelafabricareacabinelordecamioane,carcaselorde calculatoareiaparatedefilmat,iarrinilepoliuretanice,laobinerealacurilori uleiurilor pentru placaje. ntabelul2.2.suntprezentateprincipaleletipuridematerialeplastice,cu proprietile lor fizice, mecanice i tehnologice. 2.3. Materiale ceramice 2.3.1. Structura i proprietile materialelor ceramice Materialeleceramiceconstituieatreiagrupdematerialeutilizaten tehnic,dupcelemetaliceiplastice.Elesuntmaterialeanorganiceculegturi atomice i ionice, a cror structur complex cristalin se obine prin sinterizare. Cuvntulceramicvinedinlimbagreac(keramicos=argilars),iar activitateaomuluilegatdeolritiproducereacrmiziloriareoriginean preistorie. De-a lungul timpului, se disting trei etape ale dezvoltrii ceramicii: -ceramicautilitarestelegatdeolritiaaprutnaintedefolosirea metalelor,vaseleicrmizilefiindprimeleproduseobinutedeomprinarderea argilei; - ceramica de art a derivat din precedenta, ndeprtndu-se de funcia uti-litar i centrndu-se pe valoarea decorativ i estetic; -ceramicindustrials-adezvoltatdupanul1950,caurmareaapariiei industriilordevrf,careutilizeazmaterialepebazdeoxizi,carburi,nitruri, borri i diverse forme de carbon. Seconsidercafiindmaterialeceramiceisticla,betonuligrafitul, deoarecefolosescprocedeespecificeceramicii,precumimaterialelerefractare careseobinlatemperaturinalteiseutilizeazlacptuireafurnalelori cuptoarelor metalurgice. n componena materialelor ceramice intr: - materialeleplastice (argil, caolin, bentonit, lut, loess)constituie partea principaldincaresefabricproduseleceramicetradiionaleiauroldeliant, legnd alte componente neplastice; -degresanii(nisip,amot)reduccontracialauscareilaarderei contribuie la creterea porozitii produselor; -fondanii(feldspat,calcar,marmur,cret)contribuielacoborrea temperaturiide vitrifiere amateriilor prime solide, atunci cnd ceramica se obine prin topire; Materiale i tehnologii neconvenionale26 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 dilatareliniar [10-5/K] Contracia la prelu-crare [%] Rezisti- vitatea electric [cm] Higros- copici- tatea [%] Fenoplast PF1,4-1,91500,3-0,71-50,2-0,81011-10120,1-0,2 AminoplastUF1,5-2,0140-1600,35-0,72-60,2-1,21012-10130,01-0,7 SiliconSI1,2- 1,252000,21-0,2825-301010-10150,1-0,2 PoliesterPET 1,31-1,37130-1750,24-0,2971,3-2,01014-10160,02-0,1 PoliamidPA 1,12-1,14 1050,27-0,307-110,8-2,01012-1015 0,3-10 PolicarbonatPC1,2-1,231250,21-0,236-70,7-0,810160,15 Policlorur de vinil (dur) PVC 1,32-1,45 60-700,14-0,177-80,5-1,01011-10180,1-0,6 Polistiren PS1,0570-850,15-0,177-80,4-0,71014-10170,02-0,1 PoliacrilatPMMA1,17-1,2700,18-0,197-90,3-0,810150,3-0,4 PolietilenPE 0,94-0,96 70-1200,5113-202,0-5,01017-10190,015 Polipropilen PP0,901100,20-0,2210-181,0-2,510170,01-0,03 Politetra-fluoretilen PTFE2,1-2,22500,258-103,0-4,01016-10180,005 PoliacetatPOM1,4-1,451200,29-0,3611-131,6-2,810150,25 Rin epoxidic EP1,5-1,9130-1500,40-0,802-60,0-0,51016-10170,1-0,35 PoliuretanPU1,20127-1350,26-0,285-60,7-0,81011-10150,35-0,40 Materiale tradiionale27 materiale plastice Caracteristici mecaniceCaracteristici 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] Presare Injectare Extrudare Calandrare Expandare Sudare Lipire 15-40 6000-10.00011-1550-6090-110XXXXX 15-305000-900014-2055-80116-120XXXX 5,5-7,0 620010040-45XXXXX 50-75 2500-32003-43-41102685XXXX 60-90 1500-32006-123-2011-126104XXXXX 55-70 2000-25005-720-36701870XXXXX 50-80 2900-36003-74-870-10020-2552-98XXXXX 45-65 3000-36002-42-360-9018-2075XXXXXX 60-90 2400-45002-102-380-10015-2080-100XXXXX 20-35 400-150012-203-2013-302-555XXXXXX 18-38 650-140010-204-14455-695XXXXXXX 9-12450-750250-50013-16151-250-65XXXX 60-80 2500-35008-154-109812-1894XXXXX 60-2005000-200002-55-20120100-150110-120XXXX 40 2100-25005-62-4601840-45XXXXXXX Materiale i tehnologii neconvenionale28 -materialelerefractare(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 ncantitireduseproduselorceurmeazasefasonaprinpresare,facilitnd prelucrarea i extragerea semifabricatelor din matrie; -materialeleporifere(rumegu,prafdecrbune,mangal,turb)se descompunntimpularderiiicontribuie,pringolurileformate,lacreterea porozitii produselor. ntabelul2.3.suntprezentateproprietilefiziceimecaniceale principalelor materii prime ceramice. 2.3.2. Tipuri de materiale ceramice Pnprinanii1950,materialeleceramiceeraureprezentatedeceramica utilitarideceadeart,principaleleprodusefiindcrmizile,iglele,faiana, porelanul,precumicimentul,betonulisticla.ncepndcuanii1950,aparnoi materiale ceramice, numite industriale, cu aplicaii diverse n noile domenii. Astfel, n 1953, miezurile de ferit se utilizeaz n construcia calculatoarelor, iar din 1965, bioceramicelesefolosesccaimplanturiosoase.nanii1980sedescoper ceramicelepebazdenitrurdesiliciu,precumicelepentrufabricarea semiconductoarelorisupraconductoarelor,iarlasfritulanilor1980,ceramicele compozite. Clasificarea materialelor ceramice se face conform schemei din fig.2.6.2.3.2.1.Ceramicautilitarestereprezentatdeunelematerialede construcie (crmid i igl), de teracot, precum i de materialele pentru finisaje (faian i gresie). 2.3.2.2.CeramicadeartaaprutacumdoumileniinChina,Egipti Mesopotamia i cuprinde porelanul i mozaicul.2.3.2.3.Ceramicaindustrialaaprutnsecolultrecutcaurmarea dezvoltriiunortehnologiidevrfcareaureclamatmaterialecuproprietii performanespeciale(calculatoare,construciiaerospaiale,industrianuclear, bioingineria,industriadearmament).Dintreavantajeleacestormaterialese menioneaz:duritateirezistenmarelauzur;rezistenridicatlacoroziunea atmosfericiagazelorfierbini;pstrareaproprietilorderezistenla temperaturiridicate;rezistenbunlacompresiune;masvolumicmic;sursele de materii prime din care provin sunt practic nelimitate. nacelaitimp,folosirealorestelimitatdeurmtoareledezavantaje: fragilitate ridicat, ndeosebi la rece; variaii relativ mari ale materialului; rezisten sczutlatraciune;cheltuielisuplimentarelaproducereapulberilorioperaiilor de reprocesare. a)Ceramicapentrusculeleachietoareseutilizeazattlafabricarea unorsculeabrazive(corpuri,pnze,hrtii,lichideipasteabrazive),ctia plcuelor dure cu care searmeaz unele sculeachietoare (cuite, freze, burghie). Acestematerialetrebuiesfiedureisaibstabilitatetermic,adicsnu-i piard proprietile de achiere dup nclziri i rciri repetate. Materiale tradiionale29

Materiale i tehnologii neconvenionale30 Fig.2.6. Clasificarea materialelor ceramice. Plcuele dure cu care se armeaz unele scule achietoare se obin prin sin-terizaredincarburimetalice,materialemineralo-ceramice,nitrurcubicdebor sau diamant. b)Ceramicapentruelectrotehnicielectroniceste,ngeneral,rea conductoare de electricitate. n cazul existenei unor impuriti, anumii ioni se pot deplasasubinfluenacmpurilorelectrice,astfelcacestematerialedevin semiconductoare.Altematerialeceramiceauproprietipiezoelectrice, feromagneticesauchiarsupraconductoare.Caurmare,dinaceastcategoriefac parte: -izolatoareleceramicenuconinelectronilibericarespermitcirculaia curentuluielectriciseutilizeaznconstruciabujiilormotoarelorcuaprindere prinscnteiei,maiales,laliniilepentrutransportulenergiei,delajoaspnla nalttensiune.Semaifolosesclaconstruciaantenelordeemisieradiocaresunt alimentatecutensiuninalteitrebuieizolatefadepmnt.Acestease 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 iceramic,ultimaconstituindmaterialuldielectric.Acestatrebuiesaib permitivitateelectricmarepentruaputeanmagazinactmaimultenergientr-Materiale tradiionale31 unvolummic,unfactordedisiparefoartemiciorigiditateelectricridicat.n acestsenssefolosescperovskitele:titanatdebariu(BaTiO3),titanatdecalciu (CaTiO3),titanatdestroniu(SrTiO3),titanatdubludeplumbistroniu [(PbSr)TiO3] i titanat zirconat de plumb [Pb(Zr0,5Ti0,5)O3]; ul; -ceramicapiezoelectricsecaracterizeazprinproprietateadegenerarea unuiimpulselectricsubaciuneauneideformrimecanice(efectpiezoelectric direct)saudeasedeformasubaciuneaunuicmpelectricexterior(efect piezoelectricinvers).Camaterialeceramicepiezoelectriceseutilizeaz:berlinita (AlPO4),titanatuldebariu(BaTiO3),titanatuldeplumb(PbTiO3),titanatul zirconatdeplumb[Pb(Zr0,5Ti0,5)O3],niobatuldepotasiu(KNbO3),niobatulde litiu (LiNbO3), topazul i, bineneles, cuar-ceramicaferomagneticestereprezentatdeferitecaresuntcompuiai unor metale bivalente cu oxizi de fier, avnd proprieti magnetice superioare i o conductibilitateelectricredus.Feritelesunt,camajoritateamaterialelor ceramice, dure i fragile. Ele au o mas volumic de circa trei ori mai mic dect a magneilormetalicitradiionali,ceeaceconstituieunavantajmajorlafabricarea echipamentelorportabilesauaerospaiale.inndcontdeproprietilemagnetice, feritelepotfimoisaudure.Feritelemoiaupierderifoartemiciprinhisterezis 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 nregistraremagneticiamemoriilorcalculatoarelor,precumiaradarelor. Feriteledureauopermeabilitatemagneticridicatiseutilizeazlafabricarea magneilorpermaneniilaconstruciaminimoatoarelorelectrice,aaparatelorde radioiaincinteloracustice.Eleseobindincarbonaidebariuidestroniu (BaCO3,SrCO3).Dincategoriaceramiciiferomagnetice,pelngferite,maifac parte unele lantanide (pmnturi rare), din care se confecioneaz magnei. Cmpul magneticalacestoradepete1200militeslafade50100militesla,ncazul 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 confecionareamagneilorseutilizeazaliajedeneodim(Nd)isamariu(Sm): Nd2Fe14B i SmCo5; -ceramicasemiconductoareprezintoconductibilitateelectric intermediarntremetaleiizolatoareiseutilizeazlafabricareatermistorilor i varistoarelor.Termistorulesteundispozitivsemiconductoracruirezisten variaz proporional cu temperatura. Exist termistoare pentru temperaturi pozitive, a cror rezisten crete cu temperatura i termistoare pentru temperaturi negative, acrorrezistenscadecutemperatura.Eleacoperogamlargdetemperaturi (273,14+1700 oC).Termistoriiceramicisuntindicaincazultemperaturilor ridicate, de peste 1000 oC, ei fiind de fapt singura soluie pentru astfel de situaii i seconfecioneazdinnitrurdebor(BN),nitrurdegaliu(GaN),arseniurde galiu(GaAs),fosfoarseniurdegaliu(GaAsP)saufosfurdeindiu(InP). Varistorul este un dispozitiv semiconductor a crui rezisten electric scade rapid cucretereacurentuluielectric,aceastproprietatefiindaplicatlaprotecia staiilor electrice contra descrcrilor atmosferice (fulgere i trsnete). Varistoarele Materiale i tehnologii neconvenionale32 s-au construit iniial din carbur de siliciu (SiC), pentru ca astzi s fie fabricate din oxiddezinc(ZnO),namesteccucantitimaimicideoxiziaialtormetale(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; -ceramicasupraconductoaresecaracterizeazprinproprietateadea-i pierde rezistena electric la o anumit temperatur critic i de a conduce curentul electricfrniciopierdere.Eaafostdescoperitn1986dedoicercettori elveieni care au realizat un material ceramic cu formula chimic La2-xSrxCuO4, ce deveneasupraconductorla233 0C.Recordulmondialaltemperaturiicriticeeste de135 0C,fiinddatdeunmaterialceramiccuformulachimic Hg08Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8,33.Supraconductibilitateaarenumeroaseaplicaiipractice: rezonana magnetic nuclear (RMN) pentru investigarea corpului uman; obinerea magneilorsupraconductori;generatoaredecurentelectricdemareputerecare livreaznreeacurentelectriclatensiuninalte,nlturndtransformatoarele; aplicaii n domeniul fuziunii termonucleare controlate; stocarea pe timp ndelungat aenergieielectricenbobinesupraconductoare;trenurilecususpensiemagnetic; aplicaiinmagnetohidrodinamicinindustriadearmament(americaniiiruii testeazbombaelectromagnetic,oarmmaisofisticatdecttoatearmelereali-zate pn acum); -ceramicapentrusubstraturidecircuiteintegratesefolosetepentru fabricareaunorplcisubiripecaresemonteazmicrocircuiteleelectronice. Acesteplciseconfecioneazndeosebidintr-unamestecde90%alumin (Al2O3) i 10% rini sintetice, cu rol de liant precum i din oxid de beriliu (BeO) saunitrurdealuminiu(AlN),prinpresarenforme.Dupproiectareai imprimarea desenelor circuitelor, urmeaz arderea formei i depunerea elementelor de circuit cu grosimi de ordinul micronilor, prin evaporare i condensare n vid sau pulverizarecatodicsaucuplasm.Pacheteledecircuiteintegrateseobinprin suprapunereamaimultorfoi,culegturintreele,iarsuprafeeleexterioareale pachetelorseplacheazcunichel.Pachetelepotconineidiodesautranzistoare, nacestcazavnddimensiunimaimari,dariperformaneelectricesuperioare (circuite integrate hibride). c)Ceramicarefractaripentruizolaiitermicesefolosetela cptuireaagregatelorcarefuncioneazlatemperaturimarisaucascuttermic pentru vehiculele spaiale. -ceramicarefractarseutilizeazlacptuireafurnalelor,cuptoarelor, focareloriaparatelorcarefuncioneazlatemperaturidepeste1000 oC.Spre deosebiredecelelaltematerialedeconstrucie,ceramicarefractartrebuies ndeplineascanumitecondiiispeciale:snusetopeascsubaciunea temperaturilornalte;snu-ipiardrezistenamecaniclaacestetemperaturi;s aibunvolumconstantlatemperaturiledeexploatare;saibstabilitatetermic, adicsnuimodificeproprietilenurmanclzirilorircirilorrepetate;s rezistelaaciuneacorosivamaterialelortopitecucarevinencontact.Ca materialeceramicerefractareseutilizeazsilice,argil,alumin,magnezie,oxizi de crom i de carbon; Materiale tradiionale33 -ceramicapentruizolaiitermicesefolosetecascuttermicpentru vehiculele spaiale (navete spaiale i capsule de aterizare). La intrarea n atmosfera terestr,acestevehiculeatingtemperaturifoartemari,datoritfrecriicuaeruli dacnuarfiprotejatetermic,s-artopi.Plcueleceramicecareleprotejeaz trebuiesfiecompatibiledinpunctdevederechimiccumaterialul-suport,sfie inertelaaciuneagazelordinatmosfer,saibuncoeficientdedilatareapropiat decelalmaterialului-suport,saiboconductibilitatetermicfoartesczuti, 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 semai utilizeaz la confecionarea unor piese ale turbinelor cugazeiturbomotoarelordeaviaiecaresuntsupuselasolicitritermicei mecanice foarte mari. Astfel, camerele de ardere ale turbinelor care au temperaturi depeste1500 oCseconfecioneazdincarburdesiliciu(SiC),iarrotoarele turbinelor, din nitrur de siliciu (Si3N4). d)Ceramicatribologicareuncoeficientdefrecaremic,rezistenla aciuneaagenilorchimici,refractaritateridicatiseutilizeazlafabricarea lagrelorcualunecarecarelucreazlatemperaturiridicate,nvidsaunmedii expuselaradiaii(reactoarenucleareinavetespaiale).Oaplicaiemailargse ntlnetelafabricarearulmenilor.Utilizareaceramiciitripleazduratade exploatareaunuirulmentattdatoritmicorriifrecrii,ctireduceriiforelor centrifugecarelaturaiimaripotdepincrcareanominalarulmentului, materialele ceramice avnd o densitate mai mic dect oelul. De asemenea, rolele saubileleceramicesedeformeazmaipuinsubsarcin,ceeaceasiguromai bunrostogolirealorpecilederulareiocretereaturaieinominale.Cldura produsncazulrulmenilormetalicipoateducelasupranclzireasauchiar gripareaacestora,pecndncazulrulmenilorcucorpuriderostogolireceramici, 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. Materialulcelmaiindicatpentrufabricarearulmenilorestenitrurade siliciu(Si3N4)caresetopetela1875 oC,esterezistentlaaciuneaagenilor chimiciiareostructurfiniotenacitatebun,precumiuncoeficientde frecare mic. e)Bioceramicadevinedincencemaiutilnmedicin.Ortopezii folosescbioceramicapentrunlocuireaoldurilor,genunchilor,umerilor,coatelor, degetelorincheieturilorminilorcorpuluiuman.Eaestefolositin stomatologie i chiar la fabricarea valvelor de inim. Implanturile ceramice tind s lenlocuiascpecelemetalice,datoritfaptuluicelesuntcompatibilecucorpul uman,stimulndreformareaoaseloriaesuturilorinusuntatacatedesistemul imunitar al organismului. Materialulceramiccelmaiapropiatdecompoziiaistructuraosoasa corpuluiumanestehidroxiapatitulfosfocalcic,cuformulachimic Ca10(PO4)6(OH)2. El se obine din reacia fosfailor de calciu acizi i bazici ntr-o soluieapoas,obinndu-seopastcaresepoatemodelauor.Produsulceramic Materiale i tehnologii neconvenionale 34 are o reea cristalin foarte apropiat de cea a osului i o rezisten la compresiune decirca20MPa.Nuconinemateriiorganiceumanesauanimale,aacnu prezint nici un risc de contaminare. De asemenea, nu exist pericol de respingere saudetoxicitate.Recunoscutdeceluleleosoase,esteperfectcompatibilcu esuturile vecine, se resoarbe i dispare, lsnd locul unui os proaspt format. ntructrezistenamecanicahidroxiapatituluifosfocalcicestedestulde mic, acesta se folosete adesea pentru a mbrca implanturile ortopedice metalice nscopulevitriirespingeriilordectreesuturilevecine.Oricum,acestmaterial ceramic sintetic este sperana de viitor n domeniul implanturilor osoase. 3 MATERIALE AVANSATE 3.1. Generaliti Labazatuturorrevoluiilorindustrialeaustatdiversemateriale:oelul pentrucaleaferat,cuprulpentruelectricitate,aluminiulpentruavioane, materialeleplasticepentrubunuriledeconsumdedupaldoilearzboimondial, siliciulpentrusemiconductoareimaterialelecompozitepentruarticolelesportive 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 cuzi.Dezvoltareaimpetuoasachimieiiatiinelornruditeicunoaterea legturilorexistententrestructurachimiciproprietilematerialeloraufcut posibilobinereaunormaterialedestinateunorscopuriprecisedeutilizare. 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. Separareantrematerialeletradiionaleiceleavansateestegreudefcut, pentrucmaterialulavansatdeazi,minevaficonsiderattradiional.Folosirea materialelornoiserealizeazdupunscenariuclasic:pemsurcepreullor 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 dealuminiu,carenlocuiescoelulnconstruciadeautomobile.Acestetendine sunt prezentate schematic n fig.3.1. Fig.3.1. Evoluia materialelor n timp. nconcluzie,materialeleavansatesefolosesclafabricareaproduselornoi Materiale i tehnologii neconvenionale36 saumbuntite,denalttehnicitateiauproprietifizico-mecanicesau funcionale diferite de ale materialelor tradiionale. Dup natura lor i domeniul de utilizare,elepotfi:metalice,plastice,ceramice,compozite,biomedicalei inteligente. 3.2. Materiale metalice avansate 3.2.1 Generaliti Ghidulmondialalmaterialelormetalicecuprindepeste18.000tipuride metaleialiaje.nfig.3.2.esteprezentattendinaevoluieiacestoranperioada urmtoare.Astfel,metalelegrele(curba1)vorsuferiodescreteredestulde accentuat,datoritreglementrilordrasticeprivitoarelasntateapopulaieii proteciamediuluinconjurtor.nceeaceprivetealiajelefier-carbon(fontei oeluri), acestea vor crete liniar cu 13% pe an, o lung perioad de timp (curba 2).Metaleleuoare(aluminiu,magneziu,titan)ialiajeleacestoravormarcao creteremaiaccentuat,de26%pean(curba3),ntimpcemetaleledenalt tehnicitate (tandal, galiu, germaniu, indiu, platin, seleniu, paladiu, reniu) vor avea iniial o cretere exploziv, de peste20%pean,careseva estompa apoi asimptotic, dato-ritsectuiriiminereurilordin care provin (curba 4). Dincategoriamateria-lelormetaliceavansatefac parte:oelurileavansatede naltrezisten,aliajelede aluminiu,magneziuititan, superaliajele,spumelemetali-ce i aliajele amorfe. Fig. 3.2. Perspectiva materialelor metalice. 3.2.2. Oeluri avansate de nalt rezisten (AHSS) Acesteoeluri(fig.3.3.)aufostcreatedupprincipiulcompozitelor:prin tratamentetermomecaniceseajungelambuntireaproprietilorunorelemente componente din masa oelului de baz, obinndu-se astfel un amestec de faze dure ifazemaleabile.Datoritacestuifapt,elesemainumescoelurimultifazeiau proprieti excepionale de rezisten. nfig.3.3.suntreprezentatemaimultetipurideoeluri,ntr-unsistemde coordonate grad de deformare [%] rezisten minim la rupere [MPa]: oeluri cu rezistenmiclarupere(Rm550 MPa).ndiagrammaisuntreprezentateoelurilerapide(HighSpeedSteels HSS)ioelurileavansatedenaltrezisten(AdvancedHighStrengthSteels Materiale avansate37 AHSS)rataplasticitii,oelulmartensitic btrnit i oelurile duplex i damaschinat. . Dincategoriaoeluriloravansatedenaltrezistenfacparteoelurile bifazicimultifazic,oelulcumodificareafom Fig. 3.3. Defor ena la rupere. [Sursa: ULSAB AVC Overview Report] iaraustenitarmasse transfororprindeformareplasticiseutilizeaz ndeoseiestenlocuitcubeinit,maipuindur,careseobineprintr-oclire izotermmabilitatea oelurilor n funcie de rezista)Oelulbifazic(DualPhaseDP)esteconstituitdintr-omatrice feritic moale care ncorporeaz insule de martensit dur. Ferita confer oelului o ductilitatefoartebun,iarmartensita,proprietisporitederezistenmecanic. Aceste proprieti se obin printr-un tratament termomecanic cu deformarea la cald aausteniteiiprinalierecuCr,Mo,ViNi.Austenitasetransformnceamai marepartenferit,ntimpuldeformriiplasticelacald, m n martensit, prin rcire brusc n ap sau ulei. Oelulbifazicseprelucreazubi 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. Structurasaestefoartefin,datoritrecristalizriintrziatesauprecipitriiunor elementedealiere,cumarfititanul.ncazuloelurilormultifazice,maiuor deformabile,careseprelucreazprinlaminarelarecesautragere,opartea martensite. Oelul multifazic este mai bun dect cel bifazic, dar mai scump. c) Oelul cu modificarea forat a plasticitii (Transformation Induced PlasticityTRIP)facepartedintr-ogeneraienoudeoelurislabaliatecare mbinrezistenanaltlatraciune(Rm =500800MPa)cuoplasticitate ameliorat,rspunzndexigenelorindustrieideautomobile.Seobinede asemeneaprintr-untratamenttermomecaniccudeformarealacaldaausteniteii Materiale i tehnologii neconvenionale38 conineinsuledemartensitibeinit,ncorporatentr-omatricedeferit, comportndu-secaunmaterialcompozit.Seprelucreazbineprindeformare plasticratur, de durata de menineet, spad),ineajuns,semaialiazcuazot care i c22-5-3,ucaveautiurifoarteascuite care rezinaliastzise utilizeandeosebi la fabricarea cuitelor de foarte bun calitate. i are o foarte bun rezisten la oboseal. d)Oelulmartensiticmbtrnit(MartensiticAgeingsauMaraging SteelMART)areorezistenmecanicsuperioar(Rm =6001200MPa),o tenacitatefoartebuniomaleabilitatebun.Estealiatcu1719%nichel, 812%cobalt,35%molibdeni0,21,6%titan(X2NiCoMo18-9-5),iar pentru a deveni inoxidabil, i cu crom (X2NiCrMoTi10-10-5). Elementele de aliere formeazsoluiisuprasaturatecarepotfidescompuseprintr-untratamenttermic, aplicatdupclire,numitmbtrnire.mbtrnireaartificialestedefapto durificareprinprecipitarecareconstnnclzireaoeluluisubtemperaturade austenitizareimeninereandelungatlaaceasttemperatur,pentru descompunereasoluiilorsolidesuprasaturateiapariiafazelorsecundarentr-o dispersiecontrolatiapropiereadeechilibruasoluieisolide.Tipul,mrimea, distribuia i cantitatea de particule precipitate depind de tempere la temperatur i de starea iniial a microstructurii. Oelurilemartensiticembtrnitesepotutilizapnlatemperaturide4000Cisefolosescnindustriadeautoturisme(arboricotii,roidinate),la fabricareaarmelorautomateiaarmeloralbeutilizatenscrim(sabie,flor a unor instrumente chirurgicale, precum i n construciile aerospaiale. e) Oelul duplex este un oel inoxidabil cu structur bifazic alctuit din cantitiaproximativegaledeferitiaustenit.Fiindaliatcucrom,nicheli molibden,esterezistentlacoroziuneaintergranular,darprinsudareiscade ductilitatea(reziliena).Pentrunlturareaacesturete i rezistena la coroziunea clorului. Oelurileduplexaufostelaborateiniialprin1930,nSuedia,pentru creterea rezistenei la coroziune a instalaiilor pentru fabricarea hrtiei sulfizate i aufostperfecionateprinanii1970,cndanceputexploatareaoffshorea zcmintelordepetroldinMareaNordului.nUniuneaEuropeansunt 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)Oeluldamaschinatesteformatdinstraturialbeiductile,sracen carbon,careabsorbocurileistraturimainchise,bogatencarbon,careasigur rezisten i duritate. Denumirea lui vine de la celebrul oel de Damasc, descoperit nEvulMediuidisprutnsec.19,dincares-aufabricatsbiiilamedecuit, porninddelalingourialctuitedinstraturisuccesivecuconinuturidiferitede carbon.Prinforjare,pieseleprezentaumotiveondulatepetoatsuprafaa, asemeneaintarsiilor,iarsbiileerauvestitepentristau mult timp, datorit duritii oelului. Oeluldamaschinatafostmbuntitfadecelorigz 3.2.3. Aliaje uoare Metaleleuoare(aluminiul,magneziulititanul)formeazaliajecu Materiale avansate39 densitimiciicuproprietimecanicefoartebunecaresefolosesclafabricarea automoedealuminiudeformabile.Eleseclasificdup criteriile prezentate n fig.3.4. bilelor, vapoarelor i avioanelor, precum i n alte ramuri industriale. 3.2.3.1.Aliajedealuminiu.Existastzinlumecirca200aliajede aluminiuturnatei400aliaj Fig. 3.4. Clasificarea aliajelor de aluminiu. ientuldedilatare i conducAliajeledealuminiuprezinturmtoareleavantaje:suntuoare(camo treimedingreutateaoelului);suntrezistentelacoroziune;caracteristicimecanice bune;conductibilititermicielectricbune;sepotdurificaprintratamente termice;seprelucreazuorprinturnare,deformareplasticiprinmetalurgia pulberilor. n acelai timp, au i urmtoarele dezavantaje: rezisten slab la uzur ioboseal;contraciemarelasolidificare(3,58,5%);coefictibilitatea termic impun precauii la sudare i achiere. Ca aliaje de aluminiu avansate se menioneaz: a)Aliajeledealuminiupentruautomobilesefolosescsubformde pieseturnatesaumatriatesausubformdetable,baresauprofiluriiaulabaz urmtoarelesisteme:Al-Sicuadaosuridebor,beriliu,titan,mangan,cadmiu, zirconiuipmnturirare;Al-Si-MgiAl-Si-Cucuadaosuridemangan,beriliu, Materiale i tehnologii neconvenionale40 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-Mgcuadaosuridecupru,manganicromiculimitareaconinutuluidefieri siliciu. Dac n anul 2000, la fabricarea unui automobil european se foloseau 90 kg de aluminprecipitare.Elemaitrebuies suporte mericanSmith & Wesnavetelorspaialeamericanesunt confecarecuplasm,printopiri succesihidrogeforme;costulproduselorestemai iniu, astzi se folosesc 140 kg. Tablelepentrucaroseriileautomobilelorseprelucreazprinambutisare, putndsuportandoiridepnla1800,iarpentrumbuntireaunorproprieti mecanice sunt supuse unui tratament termic de mbtrnire artificial care, ca i n cazuloelurilormartensitice,esteodurificareprocurile, prin deformare, fr a se fisura. b)Aliajeledealuminiupentruconstruciiaerospaialeauproprieti mecanice superioare i o bun rezisten la coroziune: Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cucuadaosuridecrom,cobalt,zirconiu,nichel,cadmiu,argint,litiu, beriliu, bor i lantanide. Pentru construcia avioanelor ruseti Mig 21 i Mig 29 se foloseteunaliajalaluminiuluicu 0,10,5%scandiu,iarfirmaason folosete acelai aliaj la fabricarea patului revolverelor. Rezervoareledecombustibilale 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 lantanidecuadaosurideargint,aur,cadmiuicromiseutilizeazpnla 350400 0C.Recent,afostrealizatunaliajAl-Ti(50%Ali50%Ti)careeste foarteuorirezistpnla1000 0C.Elestefoartegreudeobinut,avndn vederediferenadintretemperaturadetopireaaluminiului(658 0C)ititanului (1.668 0C).Acestlucruesteposibilnumaincuptove, care asigur aliajului i o bun omogenitate. d)Aliajeledealuminiucriogeniceseutilizeazlatemperaturisczute, astfel:Al-Ni cuadaosuride vanadiu, molibden i mangan se potfolosipnla 196 0C ; Al-Mg, Al-Mn i Al-Mg-Mn-Cr, cu limitarea coninutului de fier, siliciu, cupruizincsauAl-Zn-Mg-CuiAl-Si-Mg,folositelafabricareacisternelor pentru transportul gazelor lichefiate (oxigen, azot, heliu, argon, hidrogen, etilen), ninstalaiilefrigorificeilaconstruciarachetelorcarefuncioneazcuoxigeni n lichid; Al-Au pentru confecionarea conductoarelor din medii criogenice. e) Aliajele de aluminiu superplastice au proprietatea de a avea alungiri la ruperecomparabilecualematerialelorplastice,dectevasutedeprocentesau chiarpesteomiedeprocente.Deformareasuperplasticestedeterminatde existenaunorgrunicristalinifini,sub10m,eafiindoptimdacsefacelao temperaturde0,5Ti(Tiestetemperaturadetopireaaliajului).Astfel,aliajul aluminiului cu 6% cupru i 0,5% zirconiu are o alungire la rupere de 2000%, dac deformareasefacelatemperaturade475 0C.Aceastaaremaimulteavantaje: datoritdeformabilitiimari,produselesepotobinedintr-osinguroperaie; foreledeprelucrareiconsumulspecificdeenergiesuntmaimici;deeurile rezultatesuntpuine;microstructuraaliajeloresteuniform,ceeaceconducela obinereaunorpiesecuproprietimecaniceuniMateriale avansate41 mic. Ex-Zr. Aceste aliaje au A= 2002000%, n interrnarela cotele f dente. nconstruciileaerospaialeiaeronautice, precum i la fabricarea automobilelor. ist i un dezavantaj: fluajul este sczut. Caaliajedealuminiusuperplasticesemenioneaz: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.Aliajedemagneziu.Aliajeledemagneziuseutilizeazndeosebi nindustriaaeronauticinconstruciadeautovehicule,fiindcelemaiuoare materialemetalice.Magneziulestecu78%maiuordectoelulicu55%mai uordectaluminiul,estefoarterezistentlaocuri,arestabilitatedimensional buniunraportrezisten/greutatefoartebun,sepoateprelucraprintuinale, este reciclabil, iar rezervele din care provine sunt abunAliajele de magneziu se clasific dup criteriile din fig.3.5. a) Aliajele de magneziu cu rezisten mecanic mare sunt soluii solide deinterstiiesausubstituie,tratatetermicprinclireimbtrnire.Eleseobin prin turnare (Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr) sau prin deformare plastic ( Mg-Mn, Mg-Al-Zn-Mn,Mg-Zn-Zr)iseutilizeaz Fig. 3.5. Clasificarea aliajelor de magneziu. ecanice i se utilizeab)Aliajeledemagneziurefractareseobinattprinturnare(Mg-Nd, Mg-Nd-Y-Zn), ct i prin deformare plastic (Mg-Nd-Mn, Mg-Nd-Zr, Mg-Th-Mn, Mg-Th-Zn-Zr) i se pot utiliza pn la 400 0C. Ele sunt supuse unor tratamente de clire i mbtrnire artificial, pentru mbuntirea unor proprieti mz n construcii aeronautice (avioane supersonice i rachete.) Materiale i tehnologii neconvenionale42 c)Aliajeledemagneziusuperuoare(Mg-Li,Mg-Li-Al,Mg-Li-Zn)se caracterizeaz prin plasticitate mare, modl de elasticitate ridicat, limit de curgere lacompresiunemare,conductibilitatetermicmare,rezistenmarelancovoiere, rezilienbun,sudabilitatebuniproprietimecanicebunelatemperaturi sczute.Eleseutilizeaznconstruciasateliilorartificialiiastaiilor extrateruport pentru elementele de combuse de fisiune nuclear. El nu se poate ns folosi la temperaturi mai mari de 360 0C. u reea hexagonal compact i Ti| , sub 883 0C, cu reea cubic cu fee -l (faza |). Clasificarea aliajelor de titan sesuperioaretitanuluitehnicdin punctulestre. d)Aliajeledemagneziucuproprietispecialesefolosescnconstruciilepentruamortizareavibraiilormecaniceiultrasunetelor(Mg-Ce, Mg-Nd), precum i n energetica nuclear ca materiale-stie din reactoarele nucleare (Mg-Zr, Mg-Zr-Pb). Totlareactoarelenucleareseutilizeazunaliajalmagneziuluicumici cantitidealuminiuialteelemente,numitmagnox,careareroluldeareine produsel3.2.3.3.Aliajedetitan.Titanulesteunmetaldeculoarealb-argintie,cu densitatea de 4,51 kg/dm3(cu 45% mai uor dect oelul i cu 60% mai greu dect aluminiul),caresetopetela1.668 0C.Deiafostdescoperitnanul1794,nua devenitmetalindustrialdectdup1950,ntructuneleimpuriti(oxigen,azot, hidrogen)lfceaucasantiinutilizabil.Astziestefoartecutat,avndcelmai bunraportrezistenlarupere/densitatedintretoatemetalele.Areocomportare bunlafluaj,orezistenexcepionallacoroziuneiestecompatibilcu organismuluman,faptpentrucareseutilizeazlaimplanturimedicale.Deieste destulderspnditnscoaraterestr0,57%fiindal9-leaelementchimicca importan, este foarte scump, datorit metalurgiei energofage, producia mondial fiinddecirca60miitone/an.Titanulprezintdouformealotropice:Tio,stabil pn la 883 0C, ccentrate. TitanulsepoatealiacuAl,Mo,V,Mn,Cr,Sn,Fe,ZriNb.Caila oelurilealiate,elementeledealieresolubilentitaninflueneazpunctulcriticde transformare, ridicndu-l (faza o) sau coborndu face dup criteriile prezentate n fig.3.6. a) Aliajele cu structur o ( Ti-Al, Ti-Al-Sn, Ti-Al-Zr, Ti-Al-Sn-Cu, Ti-Cu-Zr)aucaprincipalelementdealierealuminiul.Nusedurificprintratament termic, dar se sudeaz prin procedeele WIG-MIG i se prelucreaz satisfctor prin achiere.Auotenacitatebuniorezistenlacoroziunefoartemare.Pentru mbuntireacaracteristicilormecaniceiarefractaritiisealiazcustaniui zirconiu.Seutilizeazlafabricareaunorpiesepentruavioane,precumila instalaiilecriogenice,chimiceinavale,fiind de vedere al proprietilor i mai ieftine. b)Aliajelecustructuro+|(Ti-Al-Mn,Ti-Al-V,Ti-Al-Mo,Ti-Al-Nb, Ti-Al-Mo-V, Ti-Al-Mo-Cr) se pot durifica termic, au proprieti mecanice bune, se potprelucraprindeformareplasticlarece,sesudeaznatmosferdegaze protectoare i se pot turna. Un exemplu reprezentativ de aliaj cu structur o+| este marca TiAl6V4, care reprezint jumtate din totalitatea aliajelor de titan. Aluminiul Materiale avansate43 iscadegreutateairealizeazfazao,iarvanadiulicreteductilitatealacaldi realizeaz faza |. Aliajul are o rezisten la rupere de 1.100 MPa, este rezistent la fluaj pii de coroziune foartemare i crora lise solicit proprieti mecanice superioare. n la 300 0C, este rezistent la oboseal i se toarn uor. Aceste aliaje se folosesc n cantitate mare (pn la 2030%) n construcia unoraeronavecivile(Boeing747)saumilitare(F14,F15),precuminindustria deautomobilesaulafabricareaturbineloriaaltorinstalaiicarelucreazn mediul marin. Dac se aliaz cu 0,25 paladiu, se pot utiliza la construcia aparatelor care lucreaz n condi Fig. 3.6. Clasificarea aliajelor de titan. tilemecanicesembuntescsubstanialprin clire c)Aliajelecustructur|(Ti-Mo-V-Cr,Ti-W-Nb-Mo,Ti-Mo-Cr-Fe) sunt mai puin rspndite, dar prezint interes deoarece posed simultan rezisten mecanic bun i plasticitate foarte bun, putndu-se prelucra prin toate procedeele dedeformareplastic.Propriei mbtrnire artificial. d)Aliajeledetitanrezistentelacoroziune(Ti-Pd,Ti-Nb,Ti-Mo-Zr-V, Materiale i tehnologii neconvenionale44 Ti-Ni-Cu,Ti-Ni-Zr,Ti-Mo-Nb-Zr,Ti-W-Zr-Nb)seutilizeazninstalaiile chimice (acizi sulfuric, azotic, clorhidric i formic), n industria de medicamente i petrochimie, n construcia instalaiilor de vid i autoclavelor (vase nchise ermetic care se folosesc la sterilizri sau la efectuarea unor reacii chimice la temperaturi i presiuniridicate).MarcaTiMo24Nb6Zr6areceamaimarerezistenlaaciunea acizilorclorhidricisulfuric,iarmarcaTiNb18Al15Hf1,5Sisefolosetepentru construedetitanauconinuturiledeimpuriti(Fe,Si,C,O ,N ,H ) limitateelerespective:aliaje amorfe, aliaje supraconductoare i aliaje cu memoria formei. .2.4. Superaliaje aluminiu, crom, molibden, wolfram, zirconiu, reniu, niobiu, carbon, bor i hafniu. compupieselorceurmeazafitratate,la1080 0C,n clorurcia turbinelor. e) Aliajele criogenice (Ti-V-Cr-Al, Ti-Mn, Ti-Al-Nb-Ta, Ti-Al-V, Ti-Al-Mo-V) se folosesc la temperaturi joase, fr pericolul apariiei fragilitii. Ele sunt supuse unui tratament termic de recoacere i se utilizeaz la fabricarea instalaiilor de pstrare i transport ale gazelor lichefiate (CO2, C2H4, CH4, O2, N2, He), pentru temperaturide20 0C269 0C.Pentruarezistalaacestetemperaturijoase, aliajelecriogenic2 2 2 drastic. f)Aliajeledetitancuproprietispecialeauolargutilizaren tehnologiiledevrf,urmndafitratateulterior,lacapitol 3 Superaliajulesteunaliajmetalicdenaltperformancareareproprieti mecanice excepionale i la temperaturi mai mari de 500 0C (ndeosebi rezistene la rupere,laobosealilafluaj),precumirezistenlaoxidareilacoroziune. Elementele de baz ale unui superaliaj sunt nichelul, cobaltul i fierul, cu adaosuri de titan,Una din cele mai importante proprieti ale superaliajelor este rezistena la fluaj.Fluajuldetermindeformarealenticontinuamaterialelormetalicen timp,subaciuneauneisarciniconstantedelungdurat,chiardacsolicitarea materialului se afl sub limita de elasticitate. Aceast proprietate numit i curgere lentvariazcutemperatura,manifestndu-sebrutallatemperaturimairidicate. ntructsuperaliajelefuncioneazlatemperaturiridicate,rezistenalafluajeste mbuntitconsiderabilprinobinereaunuicristalunicntimpulsolidificrii aliajului,eliminndformareagrunilorcristalini(structurdentriticunic).Alte proprieti mecanice (duritatea, rezistena la rupere i la oboseal) se mbuntesc prinmaimulteprocedeededurificare:formareasoluiilorsolide,prinadaosuride wolfram, molibden i tantal; precipitarea carburilor de crom, molibden, wolfram i titan; precipitarea unor oxizi insolubili; formarea in situ a unor fibre de carburi saui intermetalici (eutectice orientate) printr-o rcire foarte lent a aliajului. Creterea rezistenei la oxidare i la coroziune se realizeaz prin calorizare icromizare(tratamentetermochimicecualuminiuicrom).Calorizareaseface prinnclzirea,timpndelungat,a sau fluorur de aluminiu. Elaborarea superaliajelor se face prin topire n vid, n cuptoare electrice cu inducie, dup care materialultopit este turnat n lingouri sau direct n piese. O alt Materiale avansate45 metod de obinere a pieselor direct la forma final este prin metalurgia pulberilor. Prelucrareaprinagregaredepulbericonstnamestecareaacestoranproporiile necesare, presarea sub forma dorit a amestecului i aplicarea unui tratament termic desinterizare,pentrucompactizareiobinereaunorproprietifizico-mecanice dorite. reseaplicorecoacerede detensieposibil,sfienlocuitecumaterialecompoziterezistentelatemperaturi nalte.rci de superaliaje standardizate n lume mpreun cu principalele lor caracteristici. .2.5. Spume metalice lor este de 18 mm, dar exist i pori alungii sau chiar invizi-bili cu oInstitutulFraunhoferIFAMdin Germania au folosit spum de aluminiu (Alumini-Cea mai nou metod de obinere a superaliajelor este aliajul mecanic care constnmcinareandelungatntr-omoarcubileaunorpulberimetalice, ndeosebi de nichel, mpreun cu oxizi de toriu sau ytriu. Muli oxizi sunt insolubili nmetaleletopite,dartehnicaaliajelormecanicepermitealierea,prinsudarela rece,aunorelementecaresuntdificilsauimposibildecombinatprinmetode clasice de topire. n continuare, produsul rezultat din moar este supus unei presri izostaticelacald,laotemperaturdecirca0,6dintemperaturadetopirea principaluluicomponentalamestecului,dupcaonare, pentru eliminarea tensiunilor interne. Superaliajelesefolosescndomeniicarereclammeninerea caracteristicilormecanicelatemperaturiridicate,precumiobunrezistenla oxidareicoroziune:turbinecugazindustrialeimarine,motoareiturbinede aviaie,vehiculespaiale,submarine,reactoarenucleare,schimbtoaredecldur, cameredecombustieetc.Marilefirmeconstructoaredeavioaneaunvedereo utilizare mai larg a superaliajelor la realizarea gamelor Boeing 787 i Airbus 350, iar constructorul motoarelor Pratt & Whitney mizeaz pe superaliajele de nichel i cobaltpentrufuncionareamaieficientaacestormotoarelatemperaturimai ridicate i cu un consummai sczut de combustibil. Din pcate, superaliajele sunt foarte scumpe, ia metalele din care provin, tot mai rare, existnd tendina ca, acolo undeestn tabelul 3.1 sunt prezentate principalele m, 3 Spumametalic are o structurmetalic de baz care ncorporeaz omare cantitate de pori ce pot fi nchii sau deschii, reprezentnd 7595% din volumul total al materialului. Ea pstreaz unele caracteristici fizico-mecanice ale metalului dincareprovine,darnacelaitimpestemultmaiuoar(chiarmaiuoardect lemnul) i slab conductoare de cldur. De asemenea, se poate recicla, ajungn-du-seuorlametaluldeprovenien.Metalelecaresepreteazobineriistructurii celulare sunt aluminiul, titanul, magneziul, nichelul i cuprul, cele mai bune rezul-tate obinndu-se n cazul aluminiului, datorit procedeelor mai accesibile de fabri-care. Diametrul porichiul liber. Deiprocedeulestecunoscutdeprinanii1950,elafostaplicatindustrial de abia prin anii 1990 de firma Shinko Wire din Japonia, impunndu-se apoi dup oexpoziiedeautomobiledin1998,delaDetroit,cndsocietateaKarmanni Materiale i tehnologii neconvenionale46

Materiale avansate47 Materiale i tehnologii neconvenionale48 umFoamSandwich)caelementdeamortizarelatamponareadinfaaunui autoturismMercedes.Spumadealuminiuestecunoscutprintr-ocombinare interesant a proprietilor fizice i mecanice: rigiditate mare, densitate foarte mic (1025% din densitatea metalului de baz,astfel c poate pluti pe ap),conducti- bilitate termic i electric sczut, capacitate extraordinar de amortizare a ocuri- lor,blindajelectromagnetic,capacitatedeizolareacusticireducereavibraiilor i rezisten la foc. n acelai timp, are o rezisten mecanic sczut, este scump i dup deformarea prin oc nu se mai poate utiliza (dar se poate recicla). n ceea ce privete procedeele de prelucrare a spumelor metalice, exist trei ci principale: a)Prelucrareapecalegazoasseaplicmaipuiniconstnconden-sareavaporilormetalicipeos