U.P.M. Curs

Materiale utilizate în mecatronică

Mecatronica debutează în Japonia, fiind o combinaţie între mecanica de precizie, sistemele electronice de comandă-control şi informatică, în scopul proiectării, realizării şi punerii în funcţiune de sisteme automate inteligente.

Mecatronica este ştiinţă a maşinilor inteligente cu aplicaţii diverse:

Tehnică de calcul

Roboţi industriali

Industira auto

Aparatură electronică

Telecomunicaţii

Etc.

Materialul este o substanţă solidă cu anumite proprietăţi ce permit utilizarea lor în scopuri tehnice.

Un aliaj conţine obligatoriu un metal. Principalele aliaje sunt fontele şi aliajele pe bază de titan, nichel, cupru.

Materiale ceramice:

Al2O2 – Alumina

U.P.M. Curs

SiO2 – Bioxidul de Siliciu

MgO – Oxidul de Magneziu

Amestecurile de oxizi sunt substanţe ce conţin oxidul de siliciu, aluminiu, potasiu, plumb. Acese materiale se caracterizează prin faptul că sunt foarte dure, fiind obţinute prin metalurgia pulberilor – sinterizare.

Materiale polimerice: cauciucul, elastomerul

Proprietăţile materialelor reprezintă răspunsul dat de un material în urma unor diferite solicitări de mediu, precum:

I. Solicitări de natură mecanică:

Rezistenţă mecanică

Duritate

Rezistenţă la oboseală

II. Solicitări de natură fizică:

Temperatură

Presiune

Câmp electric

Câmp magnetic

III. Solicitări de natură chimică:

Rezistenţă la coroziuneMat. metalic+mat. Ceramic

U.P.M. Curs

Materialele ceramice au rezistenţă mecanică foarte mare, dar sunt fragile (nu au plasticitate); nu sunt conducătoare de căldură şi electriciate.

Materiale polimerice, precum ebonita, cauciucul, au diferite utilizări în tehnică.

Legătura dintre compoziţia chimică, condiţiile de prelucrare, structura şi proprietăţile materialelor

La alegerea unui anumit material pentru un produs ce trebuie realizat, se pleacă întotdeauna de la un asamblu de caracteristici fizico-mecanice, luând în calcul condiţiile de solicitare şi de exploatare a acestora. Rolul specialistului intervine în relaţia compoziţie chimică – condiţii de prelucrare – structură – proprietăţi, prin alegerea adecvată a materialului şi stabilirea condiţiilor de prelucrare, astfel încât să confere produsului maximă siguranţă şi fiabilitate corespunzătoare în exploatare.

Structura chimică se bazează pe un asamblu de cunoştiinţe privind structura atomică, caracteristicile legăturilor chimice, starea naturală, procedeele tehnologice de obţinere a substanţelor elementare.

U.P.M. Curs

Structura unui material influenţează proprietăţiile materialului respectiv. Astfel la nivelul structurii atomilor individuali care alcătuiesc materialul respectiv, se manifestă prima influenţă: modul cum sunt dispuşi electronii ce înconjoară nucleul atomului respectiv, influenţând în special proprietăţile electrice, magnetice, termice, optice.

Următorul nivel de influenţă asupra structurii îl constituie aranjamentul atomilor în spaţiu. Metalele caracterizate prin structură cristalină prezintă aranjamente atomice ordonate, fapt ce influenţează favorabil proprietăţile de rezistenţă mecanică şi plasticitate.

Materialele plastice precum şi cele ceramice, neavând un aranjament atomic ordonat prezintă proprietăţi şi caracteristici fizico-chimici diferiţi faţă de cele ale metalelor.

Proprietăţile fizico-chimice şi mecanice ale metalelor se apreciază în funcţie de reacţia sau răspunsul dat de acesta faţă de anumiţi factori perturbatori. Ex.: rezistenţa la coroziune este evaluată prin păstrarea coeziunii materialului la acţiunea agenţilor corozivi.

Proprietăţile termice au în vedere comportamentul materialelor la variaţii mari de temperatură prin prisma modificării structurale.

Proprietăţiile magneto-electrice sunt evaluate prin capacitatea materialului de a conduce sau nu curentul electric.

Condiţii de prelucrare:

Prelucrarea unui material are ca scop obţinerea formei produsului, la dimensiunile prescrise pe desenul de execuţie, concomitent cu asigurarea unei anumite stări structurale. De exemplu metalele şi aliajele lor se pot prelucra prin:

Turnare

Deformare plastică (la cald sau la rece)

U.P.M. Curs

Presare

Tratamente termice

Aşchiere

Prelucrare electro-fizică şi chimică

Materialele ceramice se pot prelucra prin sinterizare, iar cele plastice, prin injectare în matriţe.

În 1913, Bohr aplică atomului de hidrogen ideea cuantificării energiei, modelul atomului imaginat de Bohr devenind primul model cuantic, avand la bază postulatele:

1. Electronii se mişcă în jurul nucleului numai pe anumite orbite permise, fără a emite/absorbi energie. Aceste orbite corespund anumitor nivele de energie ale atomului numite şi stări staţionale.

2. Emisia sau absorţia de energie se produce numai în cazul trecerii electronului dintr-o stare staţională în alta, respectiv între două orbite diferite En1 şi En2. Emisia/absorţia de energie se realizează sub forma unei cuante de energie: hν=En2-En1

h-constanta lui Planck

ν-frecvenţa emisiei radiaţiei

Forţele de legătură dintre atomi pot fi puternice, respectiv legături primare, caracterizate prin energii mari de interacţiune între atomi de la 1 la 10 eV/atom, caracterizat prin prisma legaturilor de tip ionic, covalent şi metalic. Legăturile slabe sunt legaturi de tip secundar cu valori scăzute, de la 0,01 la 0,1 eV/atom, de energie de interacţiune.

A. Legătura ionică este determinată de o forţă de atracţie electro-statică dintre ionii pozitivi şi negativi, obţinuţi prin cedarea şi captarea de

U.P.M. Curs

electroni ca tendinţă de formare a configuraţiilor electronice stabilite – octet.

B. Legătura covalentă are la bază formarea octetului electronic prin punerea în comun a 8N electroni (N-nr de electroni de valenţă) corespunzători atomului considerat.

C. Legătura metalică este caracterizată prin imposibilitatea completării octetului electronic în procesul de punere în comun a electronilor de valenţă de unde rezultă o legătură formată din ioni pozitivi(nucleu şi straturile electrice inferioare) şi electroni de valenţă care se mişcă liber formând norul/gazul electronic. Teoria electronilor de valenţă liberi explică principalele proprietăţi de stări metalice, respectiv, lucrul mecanic, opacitatea, fero-magnetismul şi în special conductibilitatea electrică şi termică ridicată

D. Legătura Van der Walls – reunesc molecule/grupuri de atomi ca efectul unor forţe de atracţie reduse de tip electro-static. Multe materiale plastice/ceramice tiind sa fie încărcate pozitiv, în timp ce altele au încărcarea negativă. Atracţia electro-statică între moleculele încărcate pozitiv şi cele încărcate negativ într-o anumită regiune a unui material, realizându-se o legătură de tip Van der Walls.

Modele de aranjamente atomice

U.P.M. Curs

Proprietăţile fizico-mecanice şi comportarea materialelor solide este influenţată în mod determinant de modul de aranjare al atomilor a substanţelor respective. Neglijând imperfecţiunile din material, există 3 mari tipuri de aranjamente:

Fără ordine

Ordine la mică distanţă

Ordine la mare distanţă

a. Fără ordine – cazul gazelor; atomii/moleculele nu prezintă nici un aranjament, umplând incinta în care se găseşte gazul în mod haotic

b. Ordine la mică distanţă – valabil numai pentru atomii vecini, respectiv pentru distanţe mai mici decat distanţa interatomică

c. Ordine la mare distanţă – la materiale la care aranjamentul atomilor se face după un anumit model arhitectural; este acelaşi în tot volumul materialului, model întâlnit la metale, materiale ceramice şi unele materiale plastice

Reţele spaţiale

Reţeaua spaţială reprezintă un aranjament atomic ordonat, reprezentat convenţional printr-un sistem spaţial de linii drepte care se intersectează în puncte numite noduri ce sunt ocupate de atomi, toate nodurile unei reţele fiind identice. O reţea elementară poate fi definită prin următoarele elemente:

Parametrii reţelei

Numărul de atomi aparţinând celulei elementare

Număr de coordinaţie

Gradul de compactitate

U.P.M. Curs

Parametrii reţelei definesc forma şi mărimea celulei elementare în funcţie de constanta reţelei(a,b,c-not. şi α,β,γ-unghiurile reţelei). Constantele reţelei(a,b,c) reprezintă distanţa dintre celulele a doi atomi vecini, masurată pe muchia principală a reţelei. Unghiurile reţelei, α,β,γ, sunt unghiuri pe care le fac între ele muchiile celei elementare.

Există 14 posibilităţi de grupare a nodurilor/punctelor în spaţiu, astfel încât fiecare să aibă vecini identici. Există astfel 14 tipuri de reţele „spaţiale”/„Bravais”

Nr./Crt. Sistem cristalin

Parametru caracteristic

Axe Unghiuri Constante1 Cubic α=β=γ=90o a=b=c2 Hexagonal α=β=γ=120o a=b≠c3 Tetragonal α=β=γ=90o a=b≠c4 Rombic α=β=γ=90o a≠b≠c5 Trigonal α=β=γ≠90o a=b=c6 Monoclinic α=γ=90o≠β a≠b≠c7 Triclinic α≠β≠γ≠90o a≠b≠c

Cubic cu feţe centrate

cubic volum centrat

cubic

βγ

α

U.P.M. Curs

Notaţii cristaline

Proprietăţile multor materiale, în special ale metalelor şi cristalelor, sunt dependente de un plan sau de o direcţie, axă de simetrie în reţeaua cristalină a respectivelor materiale. Nodurile, direcţiile şi planele se notează cu ajutorul unor simboluri numerice numiţi indici Millen.

(010) (110) (111)

Imperfecţiuni ale aranjării atomice

Indiferent de natura lor, toate materialele prezintă imperfecţiuni în modul de aranjare a atomilor, determinând puternice influenţe asupra comportării şi proprietăţilor materialului. Aceste imperfecţiuni ale aranjamentelor atomice pot avea un caracter obiectiv datorat condiţiei practice de obţinere a materialelor sau de multe ori, imperfecţiunile structurale sau defectele de reţea sunt intenţionat produse pentru a favoriza realizarea anumitor proprietăţi şi caracteristici fizico-mecanice ale materialelor.

Acestea pot fi A) punctiforme sau B) liniare

U.P.M. Curs

A. –se pot manifesta prin absenţa unor atomi din nodurile reţelei(vacanţe), sau prin prezenţa unor atomi străini în poziţii intermediare în raport cu nodurile reţelei(atomi intersitiţiali) sau chiar în nodurile reţelei(atomi subtituţionali).

B. –se mai numesc dislocaţii; aceste defecte prezintă o deosebită importanţă prin modul în care pot influenţa procesele de deformare plastică ale materialelor şi transformările de fază

Metale şi aliaje metalice

Acestea au o structură de tip cristalin cu aranjamente atomice ordonate şi legături între atomi de tip metalic formate dintr-un asamblu rigid de ioni pozitivi cufundaţi într-un nor de electroni liberi. Electronii care formează norul electronic sunt liberi să se deplaseze de la un atom la altul în acelaşi timp şi pe o durată scurtă, electronii gravitând în jurul unui anumit nucleu determinat pe care îl neutralizează sau îl încarcă negativ. Orice perturbaţie în simetria structurii atomice la materialele ceramice, împiedică într-o anumită măsură deplasarea ansamblului de electroni, fapt ce afectează rezistivitatea electrică şi plasticitatea materialului.

Cea mai mare parte a materialelor metalice cristalizează în C.F.C., dar există şi situaţii când unele metale cristalizează în sisteme diferite, în funcţie de temperatură. Temperatura la care se schimbă cristalizarea se numeşte temperatură critică, iar fenomenul se numeşte alotropie.

Difuzia în materialele metalice

Difuzia este un proces spontan de migrare a atomilor pe distanţe interatomice aparent haotic, rezultanta numindu-se flux difuziv; aceasta are loc de la concentraţie mare la concentraţie mică, cu scopul determinant de uniformizare a concentraţiei. Pentru a avea loc un salt difuziv trebuiesc îndeplinite două condiţii:

U.P.M. Curs

a) Atomul care va executa saltul trebuie să capete o energie de acţiune(această energie o poate căpăta prin încălzire)

b) Atomul trebuie să aibă în vecinătatea sa un spaţiu în care să ajungă, un loc liber

Forme alotropiceElement chimic

Forma alotropică

Interval de temperatură Sistem de cristalizareC K

0 1 2 3

Fe

910 1183 C.C.968-910 1041-1183 C.C.

910-1410 1183-1673 C.F.C.1410-Tf 1673 C.C.

Sn18 291 Diamant

18-Tf 291-Tf T.C.

Fazele în sistemul de aliaje:

Faza lichidă – topitură

Faza solidă – metal pur – a)

– soluţie solidă – b)

– compus definit

a) O singură specie atomică – forţele de atracţie dintre atomii de aceeaşi specie sunt mai mari decât forţele de atracţie dintre atomii de specii diferite

b) Forţele de atracţie sunt de acelaşi ordin de mărime cu forţele de atracţie dintre atomii din specii diferite. Se notează cu α, β, γ, δ

În funcţie de modul de aşezare a elementelor de aliere, avem interstiţiali substiţional.

c) Omogene sau neomogene

U.P.M. Curs

Constituenţii metalografici reprezintă aspectul metalografic microscopic al fazelor.

După numărul de faze:

a. Monofazici(cu o singură fază)

b. Plurifazici

Fiecare constituent metalografic este alcătuit din cel puţin 2 sau mai multe faze(amestecuri mecanice).

punctiform ocicular

perlită fonte

L=S1+S2

Comportarea materialelor metalice sub solicitări mecanice

Deformare plastică prin:

- Alunecare sincronă(cristale perfecte)

asincronă(alunecarea se manifestă prin intermediul dislocaţiilor)

- Maclare

U.P.M. Curs

Mecanisme de durificare

A. Durificarea cu atomi străini dizolvaţi în exces(avem mai mulţi atomi decât limita de solidificare)

B. Durificare prin precipitare cu particule de fază secundară prin tratament termic

C. Durificare prin ecruisaj

Iniţial cristalele sunt E0 prin deformare ext. Căpătând forma En-1

...................................................

Iar prin tratament termic...

Cristalizarea materialelor metalice

Solidificare(L=-S) = transformarea topiturii în solid – are două etape:

- Etapa de germinare

U.P.M. Curs

-omogenă-cea care se produce singură fără o suprafaţă pe care să se aşeze germenele

-eterogenă-cea care se produce atunci când în topitură există mici particule pe care se poate forma germenele

- Etapa de grăunţi

Diagrame de echilibru

O diagramă este reprezentarea grafică în coordonate Temperatură(y) şi %Concentraţie(x) pentru un sistem pluricomponent.

T

T

T %C T

%C %C %C

O diagramă de echilibru cuprinde domeniile de existenţă ale fazelor şi constituenţilor unui sistem de aliaje. Orice linie în diagrama de echilibru repezintă o transformare de fază. Întotdeauna, o linie curbă desparte un domeniu monofazic de unul bifazic. Un punct oarecare ne arată în ce stare se găseşte aliajul de o anumită concentraţie, la o anumită temperatură.

Tipuri de transformări

1o. Eutehtică 1-2+3 eutehtic

amestec mecanic

fază lichidă

1

2 3

U.P.M. Curs

2o. Reacţie eutehtoidă

clopot de miscibilitate

3-fază lichidă

T

%C

În cadrul liniilor curbe, ultima linie curbă din diagrama care delimitează domeniul topiturii se numeşte linie lichidus

Ultima linie care delimitează terminarea solidificării se numeşte linie solidus

Diagrame complexe

T L T

lichidus

L+α

Solid

α solidus

A %C B

T L T

1

2 3

1

2

1

2

U.P.M. Curs

α+L β+L

α β

A %C B

Diagrame de echilibru fazic binare cu componente total nesolubile în fază lichido-solidă. Total solubile în fază solidă.

T T

A+L B+L

A+E B+E

A %C E B La microscop

Diagrame cu insolubilitate totală în stare solidă. Eutehnicul desparte faza lichidă.

T L T

α+L β+L

α E+α+β’ E+β+α’ β

α+β” β+α”

A %C E B

Diagrame de echilibru fazic, binare cu reacţie perlitică

Reacţie perlitică

+α β

U.P.M. Curs

T T

α+L L+β

TtA L

TtB

α α+β β

A a b B

Diagramă de echilibru fazic binar cu compuşi definiţi

Diagrame de echilibru fazic cu transformări în stare solidă

U.P.M. Curs

Diagramă de echilibru în care doar unul dintre constituenţi are o transformare alotropică

Transformarea alotropică reprezintă transformarea în care un metal α trebuie să fie total solubil în celălalt β

Aceste diagrame sunt foarte importante, deoarece metalele cu aceste proprietăţi pot suferi tratamente termice.

U.P.M. Curs

Diagrama Fe-C (steluţă)

A=austenită

U.P.M. Curs

U.P.M. Curs

Aliajele cuprinse între :

2,11-6,67%C se numesc fonte

0,0218-2,11%C se numesc oţeluri

care mai puţin de 0,0218 – fier tehnic

0,77%C se numeşte oţel eutectoid

0,0218-0,77%C se numeşte oţel hipoeutectoid (conţine perlită)

0,77-2,11%C se numeşte oţel hipereutectoid (conţine perlită)

Clasificarea oţelurilor carbon după destinaţie şi mod de prelucrare

1. Oţeluri de construcţie care au păna la 0,65%C – pot fi prelucrate prin deformare plastică, cu destinaţie generală

Grupa oţelurilor obişnuite – OL

Grupa oţelurilor de calitate – OLC(OLC 45 – 0,45%C)

Grupa oţelurilor trase la rece – OL .. TR (OL 32/38 TR – 0,32/0,38%C)

2. Oţeluri cu destinaţie precisă – 0,05 – 0,15%C

Oţel semidur – 0,4 – 0,6%C

Oţel dur – 0,7 – 0,76%C

Oţel extradur – mai mare de 0,76%C

3. Oţeluri pentru ţevi – OLT 35(35-rezistenţă mecanică)

4. Oţeluri pentru scule – OSC 8 – OSC 13

Oţeluri hipoeutectoide – 0,0218 – 0,77%C

U.P.M. Curs

Oţeluri hipereutectoide – 0,77 – 2,11%C – OSC-uri

Zona fontelor – 2,11 – 6,67%C

Fonte(2,11-6,76%C)

a) Fonte albe – sunt cele care au Fe3C drept constituent tipic, cenuşiu strălucitor

b) Fonte cenuşii – sunt cele care au carbon liber sub formă de granit reprezentat drept constituent tipic, în special fontele obţinute prin turnare

ledeburită

2,11%C cementită II cementită I 6,67%C

formă hipoeutectică formă hipereutectică

Avantajele fontelor

Sunt cele mai ieftine materiale cu o foarte bună capacitate de amortizare a vibraţiilor

Fontele se pot turna; au o turnabilitate foarte bună şi o fluiditate foarte bună

Dejavantaj ar fi proprietăţile mecanice scăzute

Grafit

U.P.M. Curs

Elaborarea primară a fontei

Principalele aliaje ale fierului utilizat în practica industrială sunt:

a) Fontele

b) Oţelurile

c) Fero-aliajele

Fontele – sunt aliaje ale fierului cu carbonul, conţinând între 2,11%C şi 6,67%C(uzual 4,5%C, şi mai multe elemente însoţitoare care provin din minereu şi din substanţele utilizate în procesul de elaborare(mangan, siliciu, fosfor, sulf)

Minereurile de fier utilizate pentru obţinerea fontei sunt:

- Minereuri siderifice, pe bază de siderită, ce au 30%-40%Fe

- Minereuri limonitice, pe bază de limonită, ce au 35%-55%Fe

- Minereuri hematidice, pe bază de hematidă, ce au 35%-40%Fe

- Minereuri magnetidice, pe bază de magnetită, ce au mai mult de 55%Fe

În afara minereului de fier se mai utilizează şi sterilul care în procesul siderurgic trebuie îndepărtat.

Procesul de extragere metalurgică al Fe şi de elaborare a fontei şi oţelului trebuie să permită eliminarea impurităţilor conţinute în minereu. Cea mai mare cantitate de fontă se produce în furnal. Sub 10% din producţia mondială se produce în cuptoare electrice.

Furnalul este un cuptor vertical de formă bitronconică ce funcţionează continuu pe principiul contracurentului, existând un curent descendent al încărcăturii furnalului şi unul ascendent de gaze, curenţii permiţând transferul de

U.P.M. Curs

căldură în cuptor şi desfăşurarea reacţiilor de producere a minereului de Fe, curenţi ce permit transferul de căldură şi reducere a minereului de fier. Încărcătura lui este formată din straturi succesive de:

- Cocs – joacă rolul de combustibil si reducător

- Fondanţi – au rolul de a fixa produsele reacţiilor de reducere şi a fixa sterilul sub formă de zgură. Aceştia sunt acizi, bazici sau amfoteri(pe bază de aluminiu)

Profilul interior al furnalului cuprinde următoarele părţi principale:

U.P.M. Curs

Reacţii din cuva furnalului

CaCO3 CaO + CO2

Fe2O3 + CO Fe3O4 + CO2

C02 + C 2CO

FeO4 + CO FeO + CO2

FeO + CO Fe + CO2

U.P.M. Curs

Procesul de formare a fontei – etape:

- Formarea buretelui de fier, reacţie ce are loc la 1273oC

- Carburarea fierului; în urma acesteia, fierul dizolvă o cantitate maximă de carbon, 1,9%, şi se formează cementita(Fe3C)

- Dizolvarea în picăturile de fier carburat a celorlalte elemente rezultate din reducerea directă, precum manganul, siliciul, sulful şi fosforul

- Arderea unei părţi din carbonul conţinut în picăturile de fier carburat, la trecerea prin zona de ardere de la baza etalajului

- Eliminarea sulfului în zgură, la trecerea picăturilor prin stratul de zgură ce se formează la partea superioară a creuzetului.

În urma procesului metalurgic se obţin:

- Fontă de primă fuziune

- Zgură

- Gaze de furnal

Din punct de vedere al compoziţiei chimice şi al structurii, fonta din prima fuziune poate fi:

- Fontă brună pentru turnătorie(fontă cenuşie), care structural este formată dintr-o masă metalică de bază(hipo/hipereutectică) şi grafit lamelar. Datorită conţinutului mare de impurităţi, are caracteristici mecanice reduse şi se utilizează sub formă de lingouri pentru obţinerea fontelor turnate şi pentru turnarea unor piese de dimensiuni mari, nepretenţioase

- Fonte brune pentru afinare(fontă albă, fontă manganoasă) care structural este formată numai dintr-o masă metalică hipoeutectică, întreaga cantitate de carbon fiind sub formă de perlită sau cementită. Această fontă este utilizată în elaborarea oţeliurilor

U.P.M. Curs

- Fontă brună specială – are un procent ridicat de elemente de aliere(siliciu, mangan)

Dacă aliajul rezultat din furnal are un conţinut mai mare de 25% mangan/siliciu, atunci se va numi fero-aliaj, acesta servind la elaborarea oţelurilor aliate.

- Zgura – reprezintă un amestec de oxizi de de siliciu, calciu, mangan, magneziu, fier şi altele, utilizându-se la pavarea drumurilor, fabricarea norului/cimentului, precum şi la confecţionarea izolatorilor fonici şi termici.

Capacitatea unui furnal se exprimă în m3 volum util. Prin volum util se înţelege volumul folosit pentru desfăşurarea proceselor de producere a fontei şi pentru colectarea produselor lichide rezultate. Uzual, un furnal clasic are între 1700 până la 4100 m3 volum util, realizând o producţie între 4000-10000 t/zi.

Fero-aliajele

- Aliaje ale fierului cu 1 sau mai multe elemente de aliere

Ferosiliciul

Feromanganul

Feronichelul

Ferocromul

Elaborarea oţelurilor

- Oţelurile sunt aliaje ale fierului care au un conţinut mai mic de 2,11%C şi mai conţin şi elemente însoţitoare(mangan, siliciu, fosfor), cu scopul de a îmbunătăţii proprietăţile mecanice ale oţelurilor; acestea se mai aliază cu crom, nichel, molibden, titan, wolfram.

U.P.M. Curs

- Oţelul se poate obţine fie prin reducerea directă a minereului de fier, fie prin afinarea fontei. Pentru reducerea directă a minereului de fier se utilizează oxidul de fier(Fe3O), sau acidul feroferic. Reducerea oxizilor se face cu un agent reducător solid(cocs sau mangan) sau cu un agent gazos(H2 sau CO) la temperaturi cuprinse între 1300-1400oK, obţinându-se buretele de fier.

- La 1500oK, buretele de fier se transformă într-o masă păstoasă care absoarbe carbonul şi de unde începe faza de topire a oţelului elaborat.

- Materia primă pentru obţinerea oţelului este fonta de afinare împreună cu fierul vechi.

Etapele de obţinere a oţelului

1. Ajustarea

- Operaţia de „reparare a zidăriei”

2. Încărcarea

- Introducerea în cuptor a fontei, fier vechi, materiale oxidante, fondanţi, fero-aliaje, cocs

În timpul topirii fierului vechi şi a fontei, în fier se dizolvă cantităţi însemnate de oxigen, azot şi hidrogen, gazele rezultate influenţănd în mod negativ proprietăţile oţelurilor.

Deoarece în multe cazuri cantitatea de fontă elaborată în furnal la o şarjă nu este suficientă pentru oţelărie, fonta pentru afinare se introduce într-un cuptor basculant(melanjor), în care şarjele de fontă se amestecă obţinându-se omogenizarea materiei prime pentru oţelării.

Particularităţile elaborării oţelului în convertizoare

U.P.M. Curs

Elaborarea oţelului în convertizoare se bazează pe afinarea fontei lichide cu aer sau cu oxigen tehnic.

Căldura necesară pentru desfăşurarea reacţiilor şi transformarea fontei lichide la temperatura de 1500oK. În oţel lichid, la 1900o, provine din reacţii de oxidare, care sunt puternic exoterme. În principal, convertizoarele sunt utilaje alcătuite dintr-un recipient metalic căptuşite cu un material refractar.

Convertizoarele pot fi acide sau bazice.

Elaborarea bazică permite eliminarea uşoară a sulfului şi fosforului, rolul de fondant jucându-l căptuşeala cuptorului. Pentru desulfizare se foloseşte oxidul de calciu. Baia suferă o agitare mecanică sub acţiunea jetului de O2 conducând la omogenizarea şarjei, iar sub contactul oxigenului, baia metalică poate să atingă 2770-3270oK. Sub acţiunea O2 tehnic, reacţiile de oxidare sunt foarte rapide, de aceea o şarjă poate să dureze foarte puţin(10-20min). Prin acest procedeu se produc oţeluri pentru table(de nave), oţeluri slabe cu crom, magneziu, siliciu.

U.P.M. Curs

Elaborarea oţelului în cuptoare cu vatră(cuptoare Siemens Martin)

Construcţia cuptorului se caracterizează prin faptul că vatra este scundă şi largă, iar încălzirea cuptorului se face cu combustibil lichid(păcură, motorină), dar şi gazos(gaze naturale).

Încărcarea cuptorului este formată din următoarele elemente:

- Fontă – 30-50% din cantitate

U.P.M. Curs

- Var – 2-5%

- Fier vechi – restul

Sau

- Fontă – 55-80%

- Calcar 7-8%

- Minereuri 8-12%

- Fier vechi – restul

Aluminiu – Al

ρ= 2700 Kg/m3

Ttopire= 660oC

U.P.M. Curs

- Prezintă remarcabile proprietăţi de conductibilitate termică şi electrică, fiind al 4-lea metal după aur, argint şi cupru

- Are rezistenţă mare la coroziune şi oxidare în aer, apă şi acizi organici

- Dezavantajul este că are rezistenţă scăzută la rupere

Aliaje

a) Al-Cu – conţin sub 15%Cu şi necesită un tratament termic. Se utilizează la execuţia unor piese turnate, de ex. pistoane.7-8%Cu, precum şi cuzineţi

b) Al-Siliciu/Siluminiu – aceste aliaje au o bună stabilitate termică şi au caracteristici favorabile pentru a fi turnate având largi întrebuinţări la execuţia blocurilor motor, trenuri de aterizare şi carcase.

c) Al-Magneziu – au până la 12% magneziu şi au 0,5-1% mangan; sunt folosite la confecţionarea suprastructurii avioanelor, automobilelor de mare viteză, rezervoare speciale, construcţii navale

d) Al-Cu-Magneziu-Mangan – duraluminiu – utilizat la construcţii metalice; are greutate redusă, concomitent cu o bună rezistenţă mecanică, fiind utilizat la construcţia de carcase, structuri de rezistenţă, caroserii pentru automobile

e) Al-Mg-Zn-Mn-Zr(zirconiu) – electron – au proprietatea de a rezista la temperaturi înalte, fiind utilizate în construcţii aeronautice, mecatronică, industria optică, automobile.

Cupru – Cu

ρ= 8940 Kg/m3

- Este un metal greu, de culoare roşiatică, având plasticitate foarte mare, conductivitate termică şi electrică ridicată, rezistenţă mare la coroziune, dar prelucrabilitate prin aşchiere modestă

U.P.M. Curs

- Ca metal nealiat, Cu se utilizează în electronică, electrotehnică, mecatronică, optică, în special pentru conductori, cât şi la confecţionarea unor electrozi utilizaţi la maşinile de prelucrat prin electroziune

Aliaje

a) Cu-Zn – alame – sunt aliaje Cu-Zn, ce conţin cel puţin 55%Cu; aceste alame pot fi simple (Cu-Zn) sau alame speciale (mai conţin elemente de aliere precum: Al, Fe, Ni, Mangan)

Tipuri de alame:

Tombacul roşu – 2-10%Zn, plasticitate ridicată, rezistent la coroziune, utilizat la executarea ţevilor de radiator, table, sârme

Tombacul galben – 10-20%Zn, este foarte rezistent la coroziune, are culoare aurie, utilizat la confecţionarea de ornamente, imitaţii de bijuterii

Alama pentru cartuşe – mai mult de 30%Zn, are cea mai bună plasticitate la rece, utilizat la execuţia sârmelor benzilor tabelelor prelucr. la o ambutisare adâncă

Alame cu 40% Zn – au cea mai mare rezistenţă mecanică, concomitent cu o plasticitate excelentă, purtând denumirea de alame pentru monezi

Simbolizare

Cu Zn 40 Pb – Simbolizarea alamelor cuprinde simbolurile elementelor chimice ale cuprului, urmat de cel al zincului şi de un grup de cifre care indică conţinutul mediu în procente la zincului urmat de alte simboluri ale altor element chimice conţinute în alamă.

Cu Zn 38 Pb2 Mn2 – Alamele pot fi livrate sub formă de semifabricate laminate, trefilate, turnate. Datorită proprietăţilor anticorozive

U.P.M. Curs

deosebite, rezistenţei mecanice indicate, aspectului şi culorii placute, se utilizează pentru conducte de radiatoare, carcase de aparate, paratură optică, elemente pentru schimbătoare termice.

Domenii de utilizare ale alamelor

Marcă aliaj Mod turnare Domenii utilizareCu Zn Sn 10 Forme metalice Organe de maşini

rezistente la apa de mareCu Zn 5 Sn 9 Continuu Lagăre

Cu Zn 4 Sn 4 Pb 17 Continuu Fire solicitate la uzură şi sarcini mici(mecatronică

şi optică)

b) Cu-Sn – bronz – este unul dintre cele mai vechi aliaje; este mai puţin utilizat datorită caracterului deficitar al Sn şi datorită apariţiei bronzurilor special.

În funcţie de gradul de participare în conţinutul aliajului al Sn, proprietăţile mecanice ale cuprului sunt influenţate astfel:

Pentru un procent mai mare de 5% de Sn, scade plasticitatea aliajului, în schimb creşte rezistenţa mecanică, până la un maxim de 20%, după care aliajul devine fragil(se rupe).

Cu zinc (Cu Zn Sn) – Zn până la 12% în aliajul bronzului, are ca efect coborârea punctului de fuziune(scade punctul de topire) şi explicit scad costurile de turnare – Cu Sn 9 Zn 5 – 9%Sn, 5%Zn; sunt utilizate pentru confecţionarea organelor de maşini care lucrează la frecare intensă – armături pentru instalaţii de apă caldă

Cu plumb – îşi păstrează proprietăţile în aliaj; îmbunătăţeşte prelucrabilitatea, diminuând frecarea; sunt tipice confecţionării lagărelor de alunecare

U.P.M. Curs

Cu beriliu(Be) – rezistenţă mare la coroziune, sudabilitate deosebită, utilizat la execuţia arcurilor, contacte elastice, scule care nu produc scântei(industria mineritului)

c) Cu-Ni(Monel) – rezistenţă mare la coroziune, maleabilitate, folosit la execuţia pieselor ce lucrează în medii corozive – pompe, turbine, aparate pentru industria farmaceutică şi chimică

Nichel – aparţine grupei metalelor tranzitive, fiind înrudit cu fierul, dar având proprietăţi superioare acestora: plasticitate, tenacitate, rezistenţa la oboseală, este de asemenea remarcabil rezistent la coroziune în apă, aer, apă de mare, cât şi la agresiunea unor substanţe organice şi anorganice. Sub formă de aliaj, are bune proprietăţi electrice şi magnetice, cu multe aplicaţii în electronică şi electrotehnică.

Aliaje

a) Ni-Fe – au un coeficient de dilatare termic foarte mic (invar, superinvar, kevarul) folosite la confecţionarea unor instrumente şi aparate de măsură, piese de ceasornicărie

b) Ni-Cr-Fe – aliaje refractare termo-rezistive, utilizate la execuţia unor piese ce pot lucra la temperaturi înalte (600oC) şi în medii corozive. În industrie, aceste aliaje conţin 15-20% Crom (aliaje crom-nichel), iar unul dintre ele se numeşte cromel – 18%Ni utilizat la execuţia conductoarelor sau a sistemelor de încălzire de la cuptoarele electrice

c) Inconel 8%Ni, 14%Cr, 6%Fe – utilizat în ind. Chimică şi farmaceutică

Cobaltul – este un metal greu, utilizat ca element de aliere în oţeluri, în aliaje ale nichelui şi ca liant pentru carburile metalice

Aliaje

-canico construcţia elementelor magnetice din motoare electrice,

U.P.M. Curs

-vicalloy generatoare electrice

Aceste aliaje fiind foarte rezistente la uzură, sunt utilizate în medicină la confecţionarea protezelor(stomatologice, osteosinteză)

Magneziul – este rezistent şi are plasticitate mică, este utilizat ca element de aliere, folosit în industria aeronautică, chimică, autovehicule, aliajele cu magneziu având rezistenţă deosebită la temperaturi înalte, utilizat în construcţii aerospaţiale, auto, aparate din mecatronică, optică, mecanică

Beriliu – aliajele cu beriliu sunt materiale ultrauşore; este toxic, fragil, folosit în construcţia reactaorelor nucleare

Zincul şi aliajele sale – zincul este un metal uşor fuzibil(pct de topire la 300oC); are o excelentă stabilitate la coroziune în atmosferă şi apă sărată, fiind utilizat în special la turnarea sub presiune a unor piese cu o configuraţie complexă(carburatoare, sisteme pentru copiatoare, etc)

Ti-Titan – face parte din categoria metalelor foarte greu fuzibile. Are o rezistenţă mecanică deosebită, fiind folosit în construcţia motoarelor cu reacţie, a elementelor din structura avioanelor supersonice, a rachetelor.

Aliaje – sunt foarte plastice la temperaturi scăzute; sunt utilizate pentru execuţia unor componente din sistemele criogenice cât şi instalaţii de producere a combustibilului nuclear.

Zirconiu – asemăntor cu titanul ca proprietăţi, principalele utilizări le are în reactoarele nucleare, absorbând neutronii în condiţii de rezistenţă foarte mare la coroziune, sau la schimbătoarele de căldură, pompe, vase din industria chimică şi farmaceutică.

Tratamente termice

Reprezintă procesele tehnologice ce constă în încălzirea şi menţinerea la o anumită temperatură, urmat de o răcire, cu o viteză diferită, aplicat atât

U.P.M. Curs

semifabricatelor cât şi pieselor metalice finite, cu scopul modificării corespunzătoare a structurii.

În cazul semifabricatelor, tratamentele termice permit obţinerea unor caracteristici tehnologice care ajută la efectuarea prelucrării ulterioare în condiţii cât mai bune de eficienţă maximă şi preţ de cost scăzut.

La piesele metalice finite, tratamentele termice dau posibilitatea obţinerii unor caracteristici de exploatare de rezistenţă la rupere, la oboseală, la coroziune ridicată, în condiţiile unei siguranţe cât mai mari în exploatare.

T

Co

τ1 τ2 τ3 t(timp)

v1=tt-t0/τ v2= tt-t0/τ

Factori ce influeneţază tratamentele termice:

-v1 – viteza de încălzire

-v2 – viteza de răcire

-tt – temperatura finală

-t0 – temperatura iniţială

Clasificarea tratamentelor termice

U.P.M. Curs

În funcţie de transformările în stare solidă care se produc, tratamentele termice pot fi împărţite în următoarele grupe:

Grupa 1

- recoacere fără tansformări de fază în stare solidă; are ca scop înlăturarea tensiunilor interne, înlăturarea ecruisajului, adică avem o recoacere de recristalizare

- egalizarea compoziţiei; recoacere de omogenizare

Grupa 2

- recoacere cu transformare de fază în stare solidă; are loc schimbarea numărului şi naturii fazelor; are scopul de a obţine grăunţi fini şi omogeni şi a obţinerii unei perlite cât mai fine

Grupa 3

- călire; are scopul de a obţine o structură care să confere o duritate ridicată şi o mare rezistenţă la uzură

Grupa 4

- revenire; aceste tratamente se fac întotdeauna după călire, în scopul înlăturării tensiunilor interne şi aducerii forţelor la rezultantă≈0

Grupa 5

- Tratamente termo-chimice; au drept scop sporirea rezistenţei la uzură prin schimbarea la suprafaţă atât al structurii, cât şi al compoziţiei chimice prin îmbogăţirea respectivei suprafeţe cu diferite elemente, precum cementare, nitrurare, carbonitrurare

Primar recoacere completă/incompletă/de recristalizare/de globulizare/de

omogenizare/ de detensionare

U.P.M. Curs

tratament

termic

Călire simplă; în două medii, în trepte, la temperaturi joase

Revenire joasă; medie; înaltă

Călire superficială cu flacără; prin inducţie; contact electric

Tratamente termo-mecanice cu deformare plastică austenită; deformare

la rece a materialului

Cementare

Secundar Tratamente termo-chimice Nitrurare

Carbonitrurare

Materiale plastice

Opţiunea pentru un anumit material plastic trebuie să plece de la cunoaşterea proprietăţilor şi caracteristicilor, avantajelor şi limitelor de utilizare a materialelor plastice şi nu în ultimul rând, posibilitatea de distrugere ecologică a materialelor plastice.

Se pot defini ca produse tehnologice de sinteză, ce au drept component de bază un produs macromolecular şi se obţin în general prin topirea în comun a mai multor constituenţi: răşini, materiale de constituţie, plastifianţi, coloranţi, materiale auxiliare.

Clasificare

În funcţie de structura materialului plastic sau a răşinii de bază, materialele plastice se pot clasifica în materiale plastice:

Pe bază de compuşi macromoleculari obţinuţi prin polimerizare în lanţ

U.P.M. Curs

Pe bază de macromolecule naturale

Pe bază de compuşi macromoleculari obţinuţi prin reacţii de polimerizare în trepte sau policondesare în trepte.

Pe bază de hidrocarburi, obţinute prin transformări pirogenetice

După modul de comportare la încălzire, materialel plastice se împart în două categorii:

Materiale termo-plastice – acestea prezintă proprietatea de a se înmuia prin încălzire la temperatura de înmuiere, putând fi sudate, vălţuite, procesul putând fi repetat de mai multe ori fără a produce transformări chimice în material

Materiale termo-rigide – acestea, la prima încălzire devin suficient de plastice, dar răcite, se întăresc irreversibil datorită transformărilor chimice suferite

Principiul formării polimerilor

Polimerii sunt constituiţi dintr-un număr mare de unităţi, numite monomeri/molecule de natură organică, a căror parte centală este deobicei alcătuită dintr-un atom de carbon.

H H H H

H C C H H C C H

H H H Cl

Etan Clor-etan

Cele mai întâlnite metode de formare a polimerilor, plecând de la monomeri sunt: polimerizarea prin condensare şi polimerizarea prin adăugare

U.P.M. Curs

Proprietăţi şi caracteristici

Masa volumică – relativ mică – 0,9g-1,1g/cm3

Coeficient de dilatare specifică – este determinat de tipul legăturii interatomice

Conductibilitate termică – relativ mică – izolatori termici(polistiren, spumă de poliuretan)

Rezistivitate electrică – foarte ridicată - 1018Ω.cm – favorizează utilizarea materialelor plastice ca izolatori electrici(cabluri de telecomunicaţii)

Electreţii – se obţin din anumiţi polimeri (polipropilenă, suplon), aduşi la o temperatură superioară celei de tranziţie şi care sunt supuşi unui câmp electric puternic unidimensional. Aceste materiale ce suferă aceste tratament se comportă în câmpul electric similar cu magneţii în câmp electric, fiind foarte utilizaţi în electrică(microfoane speciale).

Procedee de prelucrare a materialelor plastice

Au ca scop transformarea acestora în semifabricate sau produse finite. Cele mai frecvente procedee sunt:

Presarea

Extrudarea(se utilizează un cap de extrudare sau o filieră ce permite un proces de fabricare continuu)

Calandrare (se obţin folii din materiale plastice)

Filarea

U.P.M. Curs

Turnare

Sudarea

Domenii de utilizare

Datorită proprietăţilor deosebite pe care le au, costului scăzut, materialele plastice s-au impus în toate domeniile:

- Mecatronică – utilizate ca organe de maşini, arbori, roţi dinţate, carcase, etc

Izolatoare termice, electrice, materiale pentru încapsularea componentelor active, circuite integrate; în industria optică, lentile, rame, carcase, realizarea de proteze medicinale

Materiale ceramice(keramicos)

Presupune arderea materiilor prime, care iniţial au fost argilele. Sunt în special oxizi a căror coeziune este asigurată de legăturile ionice sau covalente. Acese legături sau naştere unor compuşi heteropolari(au o reţea de anioni şi cationi). În general aceşti compuşi sunt oxizi metalici, carburi, nitruri sau compuşi ai borului.

Proprietăţi – sunt rele conducătoare de electricitate şi căldură, fiind utilizate în mod frecvent ca izolatoare termice. În industrie, datorită caracterului puternic al legăturilor atomice şi ridigităţii ridicate, materialele ceramice au o largă utilizare: teracotă, gresie, porţelan – utilizări multiple – vase de laborator, izolatoare. Materialele ceramice tehnice au utilizări în electro-tehnică, electronică, construcţii aerospaţiale.

Materiale şi scule abrazive ceramice

U.P.M. Curs

Materialele abrazive sunt utilizate pentru operaţii de prelucrare prin aşchiere de tipul rectificare,lepuire,hanuire,şlefuire,polisare. Aplicaţii ale materialelor metalice, cristale tehnice, materiale monocristaline, semiconductoare

- Duritatea superioară a materialelor ceramice

- Rigiditate mare

- Rezistenţă mecanică mare

- Stabilitate la cald

Ex. diamant, nitrura cubică de bor, alumina

Utilizări

Carbura de wolfram – se obţine prin sinterizarea în anumite forme a pulberii de carbură de wolfram ce este legată printr-o matrice/liant de cobalt

Carbura de titan – legarea particulelor de titan se face printr-o matrice de nichel şi molibden – scule utilizate la prelucrări în regimuri intense

Nitrura cubică de bor – 60% din duritatea diamantului

Alumina – se utilizează ca adaos alături de oxidul de titan pentru a îmbunătăţii tenacitatea sculelor aşchiatoare.

Utilizări în electronică şi electro-tehnică

Materialele ceramice utilizate în aceste domenii sunt destinate în special realizării izolatoarelor electrice, a materialelor fero-electrice şi a materialelor ceramice cu anumite proprietăţi magnetice.

Materialele ceramice fero-electrice – sunt utilizate pentru construcţia condensatoarelor, radiatoarelor ultrasonice ce trebuie să aibă permitivitate electrică foarte mare(să înmagazineze cât mai multă energie într-un volum restrâns. Factorii de disipare sa fie cât mai mici. Titanaţii de Mg, stronţiu,

U.P.M. Curs

calciu, materiale din grupa zirconiului. Pentru confecţionarea condensatoarelor se utilizează materiale ceramice precum ar fi titanatul de bariu.

Materiale ceramice cu proprietăţi magnetice(feritele)

- Ferite uşoare: Spinneli sau granatele – utilizate la confecţionarea miezurilor pentru condensatoare

- Feritele dure: - utilzate la confeţionarea magneţilor permanenţi

Materiale ceramice utilizate ca izolatori

Pentru realizarea unui izolator, materialul se alege în funcţie de tensiunea electrică şi domeniul de frecvenţă. Pentru frecvenţe joase, cele mai utilizate sunt sticla şi porţelanul, iar pentru frecvenţe înalte, alumina

Materiale ceramice refractare – rezistă la temperaturi considerabile, fiind utilizate în construcţia unor echipamente din industria chimică, construcţia unor creuzete, cuptoare ş.a.m.d.

Materialul compozit

Generalităţi:

În general fiecare grupă de materiale de acelaşi fel sau înrudite posedă propietăţi şi caracteristici care îi sunt proprii, de exemplu: metalele sunt dure şi ductile având o bună conductibilitate termică şi electrică, materialele plastice sunt usoare au rigiditate mică dar realizează o bună izolaţie termică şi electrică, materialele ceramice au modulul de elasticitate şi rezistenţă la tracţiune foarte mare, au bune proprietăţi dielectrice şi de izolare termică dar sunt fragile. Combinând diversele tipuri de materiale şi controlând riguros morfologia, proporţiile şi distribuţia acestora se pot obţine materiale compozite ale căror proprietăţi sunt total diferite în general superioare

U.P.M. Curs

proprietăţilor materialelor componentelor de bază şi în plus aceste proprietăţi se conservă într-o masă volumică mică.

Materialele compozite se pot definii ca materiale construite din 2 faze şi anume:

o Matricea ;

o Materialul de adaos.Care nu acţionează între ele şi care trebuie să rămână inerte una faţă de cealaltă în condiţiile impuse de domeniile de utilizare.Materialele de adaos pot participa la formarea structurii materialului compozit sub forma de pulberi, fibre, si benzi.

Dupa modul de obţinere există 3 mari grupe de materiale compozite:1) Durificate – armate cu particule;2) Durificate – armate cu fibre;3) Durificate – armate cu benzi.

În funcţie de materialele care participă la realizarea materialelor compozite pot exista următoarele combinaţii:

Metal – metal; Metal – ceramic; Metal – plastic; Ceramic – plastic; Ceramic – ceramic; Plastic – plastic.

Materiale compozite armate cu particuleÎn structura acestor materiale, particulele sunt dintr-un material dur şi fragil

dispersate în mod uniform, fiind înconjurate de o matrice din material moale şi

U.P.M. Curs

ductil. Pe baza dimensiunilor particulelor şi a carcateristicilor prin care particulele influenţează proprietăţile materialelor compozite; acestea pot fi grupate astfel:

Materiale compozite durificate prin dispersie cu particule fine (diametrul particulelor 100-250 Å); întrucât particulele au dimensiuni foarte mici, vor bloca deplasarea dizlocaţiilor, producând un efect de durificare foarte ridicat pentru materialul rezultat. La temperaturi normale, materialele compozite durificate prin dispersia particulelor fine prezintă o rezistenţă comparabilă cu a aliajelor metalice durificate prin dispersie. Pentru a realiza anumite caracteristici şi propietăţi pentru materialul durificat cu particule prin dispersie este necesar să se respecte următoarele condiţii tehnice:

1) Faza dispersată (de regulă un oxid dur şi stabil ) trebuie să constituie un obstacol pentru deplasarea dislocaţiilor;

2) Particulele dispersate trebuie să fie de dimensiuni, formă şi distribuţie optimă;

3) Materialul dispersat trebuie să aiba o solubilitate scăzută în materialul matricei şi să nu intre în reacţii chimice cu acesta. Exemplu: Al – AlO3 aeronautică, construcţii de reactoare; Ag - CdO contactoare electrice; ZrO2 filamente; NiCrThO3 motoare cu reacţie.

Materiale compozite armate cu macroparticule. Aceste materiale compozite conţin în structura lor un număr mare de particule de dimensiuni mai mari care nu mai pot bloca deplasarea dizlocaţiilor. Materialele compozite de acest tip prezintă combinaţii neobişnuite de proprietăţi şi în mai mică masură are loc o îmbunătăţire a rezistentei materialului rezultant. Materialele compozite armate cu macroparticule pot fi realizate prin combinaţii diverse de materiale metalice, materiale ceramice şi materiale plastice. Exemplu: carburile metalice conţin particule dure (metale greu fuzibile) dispersate într-o matrice metalică (cobalt). Materiale compozite pe bază de wolfram şi

U.P.M. Curs

argint într-o matrice de cobalt utilizate la confecţionarea contactoarelor electrice (le conferă acestora o durabilitate excelentă şi o conductiblitate electrică foarte bună datorită argintului).

Materiale compozite armate cu fibreAceste materiale compozite prezintă o mare rezistenţă şi rigiditate

concomitent cu un excelent raport rezistenţă – densitate, datorită fibrelor dure, rigide dar fragile încorporate într-o matrice din material moale şi util. Există o mare varietate de materiale compozite armate cu fibre (exemplu de fibre: grafitul, materialele plastice, sticlă) ce pot fi dispersate sau dispuse într-o diversitate de orientări. Materialele pentru fibre pot fi sub formă de fibre continue unidirecţionale sau sub formă de fibre discontinue diametrul fiind de aproximativ 10 µm (micrometri), pe o lungime maximă de 5mm. Materialul matrice al unui material compozit armat cu fibre îndeplineşte două funcţii şi anume:

1) Asigură transferul adecvat al solicitarilor mecanice aplicate materialului compozit către fibre

2) Încorporează fibrele trebuind, să permită relativ uşor obţinerea materialului compozit final la un pret de cost scăzut. Se utilizează ca materiale pentru matrice: materiale organice-termoplastice, materiale metalice, materiale ceramice.

Domenii de utilizare ale materialelor compoziteMaterialele compozite se utilizează din ce în ce mai mult şi se utilizează în

industriile mecanice, industria materialelor electrocasnice, mobilier, echipamente sportive, industria auto, construcţiile aeronautice şi aerospaţiale.

Materiale inteligente(cu memoria formei)

Fenomenul memoriei de formă reprezintă propietatea unor materiale metalice şi nemetalice de a-şi capata forma iniţială (avută înainte de a suferi o deformare plastică) în anumite condiţii de temperatură (prin încălzire la o anumită

U.P.M. Curs

temperatură). În cazul materialelor metalice, acestea îşi păstrează memoria formei ca urmare a unei transformări reversibile pe care o suferă, trecând din faza de austenita – A, în faza de martensită – M în anumite condiţii de modificare a temperaturii. Fenomenul denumit memoria formei reprezintă o proprietate termo – mecanică deosebită ce este asociată unei transformări structurale, reversibile, de tip martensitic, ce are loc între o temperatură T1 la care s-a produs deformarea elementului şi o temperatură T2 > T1 la care a avut loc regăsirea formei.

2 scheme le vei face din insert chart ;;)

Condiţii necesare obţinerii efectului memoriei de formăTransformarea martensitică trebuie să fie termoelastică.

Mf < Ms < As < Af

Mf < As < Ms < Af

Structura cristalografică a fazei austenitice şi a celei martensitice trebuie să fie ordonată

Exemple de materiale ce pot prezenta efectul memoriei de formă

1) Materiale în soluţie primară , aliaje pe bază de Fe, Fe – Ni, Cb, Ti;

2) Aliaje cu transformare cubica tetragonala se caracterizează prin faptul că sunt materiale cu efect de memorie a formei de mică amplitudine Mg – Cu, Mg – CuSi .

Aliajele pe bază de cupru prezintă instabilităţi în efectuarea efectului memoriei de formă, au o rezistenţă scăzută, şi o îmbătrânire accentuată.

Aliajele pe bază de Ni – Ti sunt cunoscute sub formă de nitinol. Prezintă anumite avantaje: nu pun probleme de stabilitate priviind memoria formei, au o rezistenţă mecanică mare, au o rezistenţă la coroziune foarte bună, există o bună

U.P.M. Curs

compatibilitate a organismului uman cu materialele bioelementelor pe bază de Ni şi Ti (proteze). Dezavantaje: preţul de cost este foarte foarte ridicat.

Tehnologia de obtinere a materialelor cu memoria formeiInclud următoarele operaţii:

Topirea şi turnarea în lingouri;

Operaţii de prelucrare la cald sau la rece cum ar fi: forjare, laminare, tragere, extrudare;

Tratamente termice.

Aplicatii si domenii de utilizare ale aliajelor cu memoria formeiUtilizarea elementelor şi sistemelor din materiale cu memoria formei se

bazează pe propietăţile acestora de a avea două forme diferite: la temperatură joasă, la temperatură înaltă, cele 2 forme fiind bine precizate.

O alta caracterisitică a aliajelor cu memoria formei sunt folosiste la senzori, traductoare, sisteme de mecanică fină şi mecatronică, este aceea ca manifestă proprietatea de a induce martensita în urma aplicării unei tensiuni mecanice.

Domeniile de utilizare sunt extrem de diverse: robotică, construcţii aerospaţiale, hidraulică, telecomunicaţii, jucării, tehnică militară.

Aplicaţii deosebite avem: realizarea de senzori, traductoare, elemente de comandă, şi alarmare.

Nanomateriale

Generalităţi:

În acepţiunea generală, nanomaterialele sunt definite convenţional ca fiind materiale ce au o structură cu o dimensiune mai mica de 100nm. Această

U.P.M. Curs

caracteristică, sau dimensiune, poate să fie un diametru de particulă, mărimea unui grăunte cristalin, lăţimea unui conductor pe un circuit integrat.

Nanomaterialele au şi caracteristici diferite faţă de materialele solide macroscopice având temperatura de topire mult mai mică, superelasticitate la temperaturi joase, etc.

Interesul pentru aceste materiale a aparut în anul 1861 când un chimist englez, Graham Thomas, a introdus notiunea de coloid pentru a definii o soluţie conţinând particule în suspensie cu dimensiuni cuprinse intre 1-100nm.

În anul 1960 a fost pentru prima dată folosită la studierea particulelor, microscopia electronică. După anul 1980 studiile au fost făcute pe grupuri de <100 atomi.

Interesul pentru nanomateriale a fost foarte mult stimulat de aplicaţiile lor în tehnologie, mai ales în industria chimică, unde sunt utilizaţi ca pigmenţi şi catalizatori.

Propietatile fizice ale nanomaterialelor:

În general, nanomaterialele au o strucutură granulară în care alunecarea grăunţilor unul peste altul se manifestă în timpul difuziei

Cercetările experimentale au evidenţiat faptul că dizlocaţiile sunt destul de rar prezente în materialele nanofazice. Materialele nanofazice formate din clustere – grup de 100 atomi, comasate la temperatură ambiantă, au zone poroase pornind de la (25-5)% din masa lor, valorile mari întalninduse la materiale ceramice, iar cele mai mici se întâlnesc la materialele metalice

Datorită mărimii grăunţilor ultrafini, materialele nanofazice au un procent semnificativ din atomii lor situaţi în jurul grăuntelui unde acesta ocupă poziţii libere

Propietăţi chimice:

U.P.M. Curs

Nanochimia reprezintă sintetizarea nanomaterialelor prin procedee chimce, mai precis obţinerea în urma unor reacţii chimice.

Coloizii sunt particule cu o gamă diversă de copoziţie chimică, formate într-o faza condenstată

Se consideră că, coloizii sunt cele mai mici elemente ale materialului în care acesta continuă să îşi manifeste propietăţile

Propietăţi mecanice:

1)Reducerea dimensiunilor graunţilor, conduce la modificarea propietăţilor mecanice ale nanomaterialelor metalice, întrucat cantitatea de material disponibil este deseori limitată. Multe din cercetările asupra rezistenţei metalelor nanocristaline au fost limitate la măsurători de microduritate. Îndepărtând atât defectele de suprafaţă, cât şi tensiunile reziduale rămase de la etapa de compactare de înalta presiune prin procesul de sinteză, s-a constatat o crestere foarte mare a tensiunii de rupere.

2) Ceramice nanocristaline, investigaţiile la propietăţile mecanice ale materialelor ceramice nanocristaline sunt foarte reduse; totuşi au fost efectuate o serie de cercetări asupra oxidului de titan nanocristalin, mărimea grăuntelui unui astfel de material nanocristalin fiind obţinut prin tratement termic de normalizare.

3) Superplasticitatea la temperaturi înalte. Superplasticitatea se referă la capacitatea unor materiale policristaline de a suferii deformaţii excesive la întindere, fără să apară gâtuiri sau rupturi. Materialele casante precum ceramica; utilizate la temperaturi înalte, pot fi deformate superplastic la temperaturi modeste, sub formă nanocristalină şi apoi tratate termic pentru ca grăunţii să-şi recapete rezistenţa pe care o au la temperatura înaltă. S-a observat că prin reducerea dimensiunii grăunţilor de la micrometrii la nanometrii, viteza de fluaj poate să crească de la 6 până la 8 ordine de marime.

U.P.M. Curs

4) Proprietăţile magnetice ale nanomaterialelor diferă de proprietăţile magnetice ale materialelor normale, prin faptul că particulele feromagnetice de dimensiuni foarte mici (nano) aparţin unui singur domeniu magnetic. Proprietăţi super – para – magnetice, la temperaturi finite şi într-un câmp magnetic nul momentele magnetice orientate ale materialelor feromagnetice fluctuează între cele 2 stări energetice de bază, pe un anumit interval de timp. Creşterea coercivităţii în materialele granulare este explicată prin prezenţa unui înveliş magnetic subţire care îmbracă un miez feromagnetic format dintr-un singur element.

Procedee de obţinere a nanomaterialelorCele mai răspândite tehnologii de obţinere ale nanomaterialelor sunt cele

chimice datorită faptului că pot fi aplicate tuturor materialelor (materiale metalice, ceramice, semiconductoare). O problemă comună tutoror materialelor de obţinere a nanomaterialelor este faptul că deseori nanoparticulele formează aglomerări; în aceste cazuri, proprietăţile materialelor sunt influenţate de mărimea aglomerărilor şi nu de mărimea nanoparticulelor individuale.

Un procedeu de obţinere: vapori suprasaturaţi.

Formarea clusterelor sau a nanoparticulelor din faza de vapori necesită existenţa suprasaturaţiei obţinută prin următoarele metode:

Răcirea fizică a vaporilor prin tehnica destinderii sonice sau supersonice, în destinderea liberă a jetului vaporii amestecaţi cu un gaz inert se destind adiabatic printr-un ajutaj de diametru (d), într-un mediu ambiant cu presiunea (p). Vaporii se răcesc în timpul destinderii, traversează linia de existenţă a fazei gaz lichid şi devin suprasaturaţi.

Evaporare termică direct sau pulverizare laser, se utilizează un laser pulsator de înaltă energie ce este focalizat pe o ţintă ce conţine materialul care trebuie transformat în clustere. Plasma rezultată produce o vaporizare foarte

U.P.M. Curs

eficientă, vaporii fierbinţi de metal fiind angrenaţi într-un curent pulsator al unui gaz transportor (He) şi destinşi într-o camera blindată.

A doua variantă are dezavantajul că temperatura depinde de natura materialului ce este folosit de ..

Domenii de utilizare a nanomaterialelor. Perspective de viitorUtilizari în chimie prin dezvoltarea microsenzorilor chimici precum şi prin

depunerea peliculelor – obţinerea diamantului artificial.

Utilizarea nanoelectronică, cercetarile recente sunt îndreptate spre dezvoltarea unor noi tehnologii de frabricarea tranzistoarelor cu o alta arhitectură care să reducă interconexiunile şi optimizarea circuitelor.

Utilizarea în medicină, proteina feritin este utilizată în medicină pentru identificarea anumitor boli care se manifestă prin creşterea conţinutului de fier peste limitele normale.

Perpectivele de dezvoltare în viitor. Printre direcţiile de dezvoltare, se pot enumera: tehnicile de microimprimare, acoperirile cu straturi de protecţie, acoperirile cu pelicule organice, nanostructurile organice, ş.a.m.d.

Amestecurile dintre nanostructuri şi un material matrice (organic, metalic sau ceramic) conduc deasemenea la realizarea unor noi materiale compozite cu proprietăţi superioare şi nu în ultimul rând, generaţiile următoare de calculatoare şi dispozitive electronice vor depinde în mod cert de structurile nanometrice.

Materiale biocompatibile(biomateriale)

Un biomaterial reprezintă un material sintetic utilizat pentru înlocuirea unei părţi din corpul uman sau pentru a realiza un contact direct cu un ţesut viu. Materialele artificiale ce vin în contact cu pielea precum aparatele auditive sau membrele artificiale nu reprezintă biomateriale, deoarece pielea acţionează ca o barieră faţă de mediul exterior. Utilizarea biomaterialelor include:

U.P.M. Curs

Înlocuirea unor părţi din corpul uman ce şi-au pierdut funcţionalitatea datorită unor maladii sau traume;

Corectarea anormalităţilor;

Asistenţa în vindecarea unor părţi din corpul uman.

Înlocuirea unor părţi din corpul uman: valve în inimă, grefa artificială, vase sangvine;

Corectarea anormalităţilor: la sistemul osos (tije care susţin şi întăresc coloana vertebrală);

Asistarea în vindecarea unor părţi: în cazul unei fracturi se pot introduce în os tije, şuruburi, elemente de articulaţie.

Aplicatii ale biomaterialelor: sonde, tijă spinală, suruburi, plăci osoase, articulaţie artificială a şoldului.

Utilizarea biomaterialelor nu a fost practic posibilă până la implementarea tehnicii chirurgicale aseptice, realizată în anul 1860 de către Lister.

Procedurile chirurgicale anterioare chiar dacă utilizau sau nu un biomaterial, erau în general sortite eşecului, datorită apariţiei infecţiei.

Singurele implanturi eficiente practicate în trecut, cât şi o mare parte a celor din prezent sunt cele realizate în cadrul sistemului osos. În jurul anului 1900 au fost realizate cu succes primele operaţii cu elemente ajutătoare în fixarea fracturilor.

Biomaterialele în sistemele corpului uman:1. Sistemul osos: plăci osoase înlocuit total de articulaţii;2. Sistemul muscular: suturi circulare, valve artificiale ale inimii;3. Sistemul urinar: dializă renală;4. Sistemul endocrin: grupe de celule pancreatice.

Începând cu anul 1930, în urma introducerii oţelurilor inoxidabile şi a aliajelor Co-Cr (cobalt – crom), au fost obţinute succese remarcabile în fixarea fracturilor. Se mai pot folosi Ti pentru înlocuirea de articulaţii, oţeluri inox pentru şuruburi,

U.P.M. Curs

aurul în stomatologie. Fibrele de carbon utilizate în confecţionarea valvelor de inimă şi articulaţii.

Polimerii. Utilizarea polimerilor în medicină a fost întamplătoare; în cel de-al doilea război mondial s-a observat că pilotii răniţi cu plastic din construcţia avioanelor nu sufereau infecţii şi atunci s-a dezvoltat un polimetil-metacrilat (PMMA), utilizat în implanturile de cornee, valve cardiace, înlocuirea unor secţiuni ale oaselor craniene.

Materialele metalice dentare, amalgamul dentar este un aliaj în care unul dintre componenţi este mercurul (nu mai este folosit demult în stomatologie).

Aurul şi aliajele sale se utilizeaza foarte mult ca material metalic dentar datorită durabilităţii, stabilităţii şi rezistenţei la coroziune. Aliajele cu aur au cel puţin 75% aur, iar restul sunt metale nobile cum ar fi cupru, argintul, ş.a.m.d.

Coroziunea implantelor metalice Coroziunea reprezintă o reacţie chimică nedorită a metalului cu mediul

înconjurător, având ca rezultat continua degradare şi transformare a sa în oxizi, hidroxizi sau alţi compuşi.

Fluidul tisular(limfa) din corpul uman conţine apă, oxigen dizolvat, proteine şi diferiţi ioni (ionul hidroxid). Coroziunea apare în momentul în care atomii de metal fie se ionizează şi intră în soluţie, fie se combină cu oxigenul sau cu alte elemente ducând la formarea altor compuşi ce duc la fenomenul de exfoliere sau chiar la dizolvarea implanturilor metalice.

Diagrama Pourbaix pentru coroziuneAceasta diagramă este un grafic al regiunilor de coroziune de pasivitate şi

imunitate reprezentate în functie de potenţialul de electrod şi pH.

Ca definiţie, regiunea de coroziune este situată la concentraţii >10-6 g*atom / L (molar). 0,06 mg/L pentru metale cum ar fi Fe, Cu sau 0,03 mg/L cum ar fi în cazul aliajelor din Al.

U.P.M. Curs

În regiunea de imunitate coroziunea, este practic imposibilă d.p.d.v energetic. Imunitatea reprezintă echilibrul dintre metal şi ionii săi la mai puţin de 10-6 moli.

În domeniul de pasivare, constituientul solid, stabil, este un oxid, hidroxid sau sare a metalului. Pasivitatea se defineşte ca fiind echilibrul dintre un metal şi produşii săi de reacţie (oxizi, hidroxizi la o concentraţie de 10-6 moli sau mai mică).

(schema diagrama pourbaix)

Concluzia reprezentării diagramelor Pourbaix este urmatoarea: părţi diferite ale corpului uman au diferite valori ale pH-ului şi diferite concentraţii de oxigen. Ca urmare un metal poate suferii o coroziune inaceptabilă într-o altă parte a corpului uman, în plus pH-ul se poate schimba dramatic în ţesutul vătămat sau infectat.

Metalele utilizate curent ca biomateriale sunt: Au, aliajele Co-Cr, oţeluri inox, Ti, aliajele Ni-Ti. Metalele nobile sunt imune la coroziune cum ar fi Au frecvent utilizat în stomatologie, cu toate acestea Au nu este utilizat în ortopedie datorită rezistenţei mecanice insuficiente şi costului ridicat. În schimb aliajele Co-Cr ca şi titanul sunt pasive în corpul uman, fiind utilizate frecvent în aplicaţii ortopedice.

Materialele ceramice au capatat o atenţie deosebită ca potenţiale candidate pentru fabricarea implanelor din corpul uman, sunt utilizate în stomatologie pentru creearea coroanelor dentare. Unele carburi sunt utilizate în aplicaţii musculare (valvele cardiace sub formă de fibre), prezentând rezisenţă mecanică mare mai putând fi utilizate la înlocuirea de tendoane şi ligamente.

Materialele polimerice prezintă o largă aplicabilitate în cadrul implantelor din corpul uman datorită uşurinţei de fabricaţie sub diferite forme cum ar fii: fibre, tije, ş.a.m.d. Polimerii manifestă o puternică asemanare cu componenţii polimerici naturali ai ţesutului uman cum ar fi colagenul. Deteriorarea polimerilor poate fi cauzată de factori chimici, termici sau fizici, aceşti factori putând accelera procesul de deteriorare al lanţului polimeric principal. Materialele compozite pot prezenta propietăţi superioare; sunt utilizate în compozitele dentare pentru plombe,

U.P.M. Curs

cimentului osos, acoperirea unor suprafete poroase pentru implanturi ortopedice. Exemplu: poliuretanul, poliamida şi o varietate de polistiren.

În prezent colagenul poros este utilizat pentru înlocuirea unor suprafeţe de piele, piele artificială, iar polipropilena pentru realizarea de ligamente.

Materiale magnetice

1. Noţiuni de fizică a Materialelor Magnetice

Unul din realizările importante ale fizicii atomice constă în stabilirea faptului că purtătorii elementari ai magnetismului sunt însăşi particulele elementare ale materiei, acestea dispunând de un moment magnetic propriu numit „moment magnetic de spin”, precum şi de efecte magnetice datorate curenţilor macroscopici produşi la mişcarea particulelor purtătoare de sarcina electrică. Tot ce este material (alcătuit din atomi) prezintă propietăţi magnetice şi poate fi caracterizat şi prin prisma propietăţilor magnetice specifice acestuia. Acceptând modelul planetar al atomului liber distingem următoarele momente magnetice ale constituienţilor atomului.

-µN = momentul magnetic al nucleului reprezintă rezultantă însuşirii vectoriale a momentelor magnetice ale particulelor constitutive ale nucleului (protoni, neutroni, mezoni);

-µe = momentul magnetic orbital al fiecărui electron;

- µS = momentul magnetic de spin al electronului rezultat din mişcarea de rotaţie în jurul propriei axe.

Sume...

µS = e*h / 4*π * mo * c ()

U.P.M. Curs

La aplicarea din exterior a unui camp magnetic Hext ≠0, vor aparea acţiuni multiple ale câmpului magnetic cu momentele magnetice elementare ale constituienţilor atomilor:

Apariţia unei mişcări de precesie a orbitei pe care evoluează electronul a cărui efect electrodinamic este apariţia unui moment magnetic orbital de sens contrar câmpului magnetic care l-a produs;

Reorientarea momentelor magnetice de spin.

Structuri atomice magnetic ordonateÎn corpurile solide, cristaline sau amorfe distanţa dintre 2 atomi vecini (dintre

centrele acestora) este de (2÷4)Å. La astfel de distanţe, între momentele magnetice atomice intervin facţiuni de o natură specială, care în anumite condiţii determină o ordonare spontană a momentelor magnetice atomice alăturate.

Sticla

Sticla face parte din categoria materialelor solide necristaline, având o structură amorfă vitroasă şi fragilitate ridicată.

Obţinerea sticlei are loc prin răcirea până la solidificare a unui amestec de oxizi aflat în stare topită-lichidă. Întrucât în timpul procesului de răcire cristalizarea nu mai are timp să se producă, vâscozitatea va creşte, starea amorfă specifică stării lichide se păstrează şi în starea solidă, conferând sticlei structura specifică, amorfă vitroasă.

Topiturile utilizate pentru obţinerea sticlei trebuie să conţină în compoziţie: cel puţin un oxid vitirfiant (SiO2, B2O3, P2O5); fondaţii au rolul de a micşora temperatura de obţinere a topiturilor: Na2O,

K2O; stabilizatori; au rolul de a mări duritatea, rezistenţa mecanică şi stabilitatea

chimică a sticlei: PbO, Al2O3; substanţe ce asigură transparenţa; opacizatori;

U.P.M. Curs

coloranţi. Pentru a colora sticla se folosesc diversi oxizi metalici.

Principalele tipuri de sticle sunt produse pe bază de silice, elementul de bază al structurii fiind un tetraedru format din 4 ioni de oxigen, cu un ion de siliciu în centrul său. În condiţii normale, silicele nu cristalizează, formând un solid amorf vitros. Dacă adăugăm în compoziţia sticlei topite anumiţi oxizi (anhibridă borică sau anhibridă fosforică), aceste substanţe vor conduce la formarea unor anumite tipuri de sticle, ce se mai numesc şi formatori de reţea.

Daca adăugăm oxidul de potasiu, oxidul de natriu, oxidul de bariu -> fondanţi, va avea loc o modificare considerabilă a propietăţilor şi structurii sticlelor optice, toate aceste elemente purtând denumirea de modificatori de reţea.

SORTURI DE STICLE

Tip de sticlă

Oxizi formatori de retea

Oxizi modificatori de reţea Oxizi intermediari

SiO2 B2O3 Na2O K2O CaO MgO Al2O3 PbOSilice sticloasă

99,5

Vycar 96 3 <0,2 <0,2 0,4

Sticlă plată

72 13 9 2,5 1

Sticle cu plumb

64 0,2 7,6 6 0,3 0,2 0,6 21

Principala propietate caracteristică a sticlei care stă la baza majorităţii utilizarilor sale este transparentă, acesteia datorate structurii sale amorfe.În funcţie de compoziţie, indicele de refracţie al sticlei poate varia în intervalul 1,45-2. Sticla prezintă fragilitate ridicată, fiind foarte sensibilă la şocuri mecanice, la şocuri termice şi la efectul de îmbinare. Rezistenţa la tracţiune este modesta şi depinde de durata aplicării sarcinii, rezistenţa sticlei la socuri termice creşte odată cu modificarea coeficientului de dilatare.

U.P.M. Curs

Sticla pyrex suportă cel mai bine trecerile de la rece la cald cu aplicaţii numeroase în domeniul aparaturii de laborator, cât şi în domeniul casnic, acest tip de sticlă fiind confecţionate vasele din sticlă transparentă.

Procesele de solidificare a masei topite conduc la formarea stării solide cristaline a substanţei sau a stării solide amorfe a acesteia.(schema tabla)Curba 1 - scăderea progresivă fără salturi a temperaturii T, în timpul de solidificare t(sec) determină obţinerea stării amorfe a substanţei.Curba 2 – dacă în timp temperatura de solidificare are un salt şi apoi un palier orizontal se formează o substanţă sticloasă, fiind caracterizată printr-o structură amorfă şi proprietăţi izotrope.

Cristalizarea Centrele de cristalizare se formeaza ca rezultat al:

a) ciocnirilor dintre molecule ce favorizează formarea de nuclee instabile de agregare;

b) regruparea moleculelor în interiorul nucleelor cu formarea de celule elementare.Procesele de cristalizare se caracterizează prin:

a) viteza de formare a centrelor de cristalizare Δc/Δtb) viteza liniară de cristalizare Δl/Δt

Este cunoscut faptul că nu orice substanţă în stare amorfă poate fi denumită sticlă, în compoziţia chimică a sticlei intră un număr mare de elemente în principal: oxizi bazici şi oxizi acizi.

Dacă dorim să obţinem o sticle colorate, se introduc în topitură oxizi metalici cum ar fii oxidul de cupru, oxidul de fier şi oxidul ce cobalt.

Substantele sticloase sunt denumite sticle dacă posedă următoarele propietăţi fizico-optice:

1) stare amorfă necristalină;2) stare solidă la temperaturi obişnuite;3) transparenţă, chiar dacă se manifestă numai pentru o parte a spectrului

vizibil;

U.P.M. Curs

4) stabilitate chimică la acţiunea aerului, apei şi a altor agenţi fizico-chimici.

Sticla policristalină posedă propietăţile sticlei, însă cristalizează uniform în întreg volumul. Sticla policristalină se obţine dintr-o masă sticloasă obişnuită (o sticlă obişnuită pe bază de silicaţi sau alumino silicaţi), în care se introduc adaosuri catalizatoare.

Elementele catalizatoare pot fi: platina, oxizi ai magneziului, oxizi ai titanului sau oxizi ai litiului.

I. la 600° C în domeniul temperaturilor de înmuiere în catalizatori se produc schimbări structurale şi de valenţă determinând sau favorizând apariţia centrelor de cristalizare;

II. la 800° C are loc separarea uniformă a fazei cristaline în întregul volum al topiturii.Principala carcateristică a sticlelor policristaline:

indicele de refracţie ,53; coeficient de dilatare termică -3...7) * 10 stabilitate termică rezistenţă la rupere 900° C rezistenţă la rupere 15-50 deca Newton/mm2.

Sticla optica :a) cron cu conţinut de potasiu;b) flint cu conţinut de silicaţi.

Sticlele flint sunt mai grele decat cele cron, între cele două grupe principale existand o serie de sticle intermediare numite sticle crom-flint au indicele de refracţie între 1,5-1,55.

Fiecare tip de sticlă optică cuprinde mai multe sorturi de sticlă optică, notaţia făcându-se prin cifre.Exemple :

Sticla obişnuita se notează cu cifre de la 1 la 100 Sticla rezistentă la radiaţii ionizate 101 – 199

U.P.M. Curs

Calitatea fiecărui sort de sticlă optică se apreciază după următorii indici:a) Variaţia admisibilă a indicelui de refracţie şi a dispersiei medieb) Omogenitatea optică caracterizată prin constanta indicelui de refracţie al

sticlei în masa sa unde fi mare este limita de separare a unei mire, iar fi zero este unghiul teoretic de separere al mirei

c) Refringenţa se mai numeste şi .. apare datorită unor forţe mecanice reziduale (se mai numesc şi tensiuni interne) provocate de răcirea sau încălzirea neuniformă a sticlei în timpul elaborarii

d) Coeficientul de absortie a luminii e) Lipsa incluziunilor filiforme (striuri)f) Lipsa incluziunilor de gaze

Principalele materiale folosite în fabricarea sticleia) Principaleb) Auxiliare

Principale: SiO2 - silicele sau dioxidul de siliciu - are un conţinut de 99,5% cuarţ şi 0,01%

Fe; B2O3 - anhibridă borică - are rolul de a marii viteza de fierbere şi micşorează

tendinţa de cristalizare; Al2O3 - are rolul de a mării rezistenţa mecanică; GeO2 - are rolul de a îmbunătăţii permeabilitatea sticlei la razele infraroşii; CaO - oferă sticlei stabilitate chimică; MgO - măreşte rezistenţa mecanică a sticlei.

Auxiliare: au ca scop limpezirea masei sticloase, colorarea sticlei şi accelerarea procesului de topire. Agenţi de limpezire avem trioxidul de arseniu As2O3.Coloranţi Cr, Co, Se(seleniu) şi compusi opacizanti ne ajută să obţinem o sticlă lipsită de transparenţă; introducem compuşi ai fosforului, compusi ai staniului şi ai fluorului.

Fibrele din sticla

U.P.M. Curs

Structura şi propietăţile fibrelor din sticlă sunt dependente în principal de structura vitroasă, caracteristicile şi propietăţile sticlei utilizate, ca materie primă pentru obţinerea fibrelor de sticlă, folosindu-se sticlele silicate şi sticlele pe bază de fosfor sau bor pentru aplicaţii speciale.

Procedee de obţinere a fibrelor din sticlăFibrele din sticlă se obţin în general prin tragere dintr-o masă de sticlă topită

(menţinută constant la o anumită temperatură), printr-o filieră cu orificii multiple (având geometria adecvată) a fibrelor individuale care apoi se înmânunchează şi se înfăşoară pe o bobină.

Filierele pentru tragerea fibrelor din sticle au duze multiple (în număr de 102, 204 până la 816) executate deobicei dintr-un aliaj de platină, menţinute riguros la o anumită temperatură cu ajutorul unei rezistenţe electrice. După ieşirea din filieră, fibrele trebuiesc răcite imediat, procedeu urmat de operaţia de acoperire la exterior a fibrei cu un ulei siliconic şi în final înfăşurarea/inmănuncherea pe un tambur.

3 - Masa de sticlă aflată în stare topită;4 – Filera încalzită electric1 – Duzele;2 – Sistemul de răcire al firelor;5 – Tambur ce îmbracă la exterior firele cu un ulei siliconic6 – Tambur pe care se înfasoară fibrele din sticlă;7 – Fibrele din sticlă pentru depozitare

Domenii de utilizareFibrele din sticlă sunt folosite în special ca elemente de armare pentru izolaţii

termice, electrice, şi izolaţii acustice. Sunt utilzate în confectionarea materialelor compozite.

U.P.M. Curs

Siliciul este un metaloid fragil de culoare cenuşie, conductivitate electrică scazută, având unitatea 7 pe scara Mohs. În natură se găseşte sub formă de dioxid de siliciu. Cerealele păioase, trestia de zăhar îşi datorează rezistenţa la vânt datorită compoziţiei a SiO2.

Curs 10

Schema de principiu de perforare-percutarePrincipalale operaţii prin ştanţare sunt:

a) Perforarea;b) Decuparea.

Operaţii de deformare plastică a tablelorAceste operaţii de deformare plastică a tablelor au ca scop deplasarea unor

porţiuni ale unui semifabricat fără îndepărtarea unei cantităţi mari de material.Îndoirea este operaţia de deformare plastică a tablelor ce constă în

modificarea poziţiei axei în jurul unei muchii rectilinii.Ambutisarea este operaţia de prelucrare prin deformare plastică a tablelor

ce constă în modificarea formei semifabricatului de la o formă plană, la o formă concavă.

Dacă j(jocul) ≥ S (grosimea tablei) are loc o ambutisare fără subţierea pereţilor piesei.

Dacă j(jocul) < S (grosimea tablei) are loc o ambutisare cu subţierea pereţilor piesei.

După ambutisare, produsele au tendinţa de a forma încreţituri la partea superioară, care se vor elimina prin trundere.

FasonareOperaţiile de fasonare constau în deformări locale ale materialului fără

modificarea practică a grosimii acestuia, operaţiile de îndreptare sau de planare asigura planitatea piesei şi se execută deobicei după operaţiile de decupare.

U.P.M. Curs

GâtuireAceastă operaţie de gâtuire reprezintă deformarea plastică locală a unei

piese cave sau a unei ţevi, cu scopul reducerii dimensiunilor transversale. În timpul gâtuirii are loc o îngustare a peretului semifabricatului în zona de deformare.

Operaţia de gâtuire se execută cu o ştanţă a cărei placă de gâtuire are forma piesei. Piesa este gâtuita prin trecerea prin placa de gâtuire a unui poanson şi extrasă prin intermediul extractorului.

Fasonarea pe strung/Ambutisarea pe strung(figura)

Curs XI

Procedeu de turnare:1) Turnare în forme temporale;2) Turnare în forme semipermanente;3) Turnare în forme permanente.

1) A) amestec de formare obişnuit;1) B) amestec de formare special;2) A) producţie de serie mijlocie (100-2000 turnări);3) A) statice;3) B) dinamice.

1) A) i. în doua rame;ii. în miezuri;iii. în solul turnatoriei;iv. fără rame.

1) B)i. în forme cu autoîntărire;

U.P.M. Curs

ii. în forme coji modele uşor fuzibile;iii. cu liante termoreactive.

3) A)i. fără suprapresiune;ii. cu suprapresiune;

3) B)i. cu ax orizontal;ii. cu ax vertical.

Principiul obţinerii unei piese semifabricat prin turnare(Figura tabla)

Pentru obţinerea piesei 1 prin turnare prevăzută cu golul interior 2 se realizează un model cu configuraţia geometrică şi dimensională foarte apropiată de cele ale piesei ce se doreşte a fi obtinuţă astfel încât modelul este format din semimodelul inferior 3 şi semimodelul superior 4 asamblate dealungul planului de separaţie x – x, fiind prevăzute şi cu un umăr 5 ce serveste la sprijinirea miezului 6. Miezul serveşte la obţinerea golului din piesa turnată.

Avem un aliaj 11 care intră prin reţeaua de turnare 10, iar aerul şi gazele 13 din cavitatea de turnare sunt evacuate prin răsuflatoarea 12. Prin solidificarea topiturii 14 rezultă piesa turnată ce prezintă urme ale reţelei de turnare ale bavurii din planul de separaţie. 7 fiind forma piesei ce urmeaza a fi turnată, iar 8 materialul de umplere prin turnare.

Procesul tehnologic de obţinere a unei piese prin turnare în forme temporare din amestec de formare obisnuit

Preparare amestec de formare Execuţia materialului

U.P.M. Curs

Execuţia semiformelor de turnare