PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR

În industrie, pentru confecţionarea diferitelor produse se utilizează materiale diverse care pot fi grupate în trei clase principale: materiale metalice, materiale ceramice şi polimeri. Combinaţiile dintre materialele din aceste trei clase conduc la o a patra clasă a materialelor compozite. Ponderea cea mai mare o au încă materialele metalice. Metalele pure se utilizează mai puţin deoarece ele nu satisfac întotdeauna condiţiile impuse în exploatare. În cea mai mare parte materialele metalice utilizate sunt aliaje obţinute prin topirea concomitentă a două sau mai multe componente, metale sau metale şi nemetale. Componentul de bază este întotdeauna un metal iar celelalte componente, elementele de aliere pot fi metale sau nemetale. Elementele de aliere se adaugă în scopul îmbunătăţirii proprietăţilor materialelor în concordanţă cu destinaţia acestora. Alegerea materialelor are la bază criterii care ţin seamă de condiţiile tehnice impuse în exploatare şi de o eficienţă economică ridicată, un cost de fabricaţie cât mai scăzut. Satisfacerea acestor criterii se bazează pe cunoaşterea îndeaproape a materialelor existente, cu proprietăţile lor, cu posibilităţile de înlocuire ale acestora cu altele echivalente. Proprietăţile materialelor sunt elementele pe baza cărora se apreciază comportarea acestora în condiţii de lucru complexe, pentru determinarea lor fiind necesare încercări şi măsurători. Proprietăţile materialelor se împart în patru grupe: proprietăţi fizice, proprietăţi chimice, proprietăţi mecanice şi proprietăţi tehnologice.

Proprietăţile fizice determină modul de comportare a materialelor sub acţiunea gravitaţiei, temperaturii, a câmpurilor magnetice şi electrice etc.

1. Greutatea specifică [γ] se defineşte ca fiind greutatea unităţii de volum γ=G/V [N/m3].

2. Temperatura de topire. [t oC] sau [T oK] este temperatura la care un metal pur, sub acţiunea căldurii, la presiunea atmosferică, trece din stare solidă în stare lichidă. În cazul aliajelor topirea se produce într-un interval de temperaturi limitat inferior de punctul solidus şi superior de punctul lichidus. În funcţie de temperatura de topire materialele se împart în: materiale uşor fuzibile care se topesc la temperaturi sub 300-400oC şi materiale greu fuzibile care se topesc la temperaturi ridicate peste 1200oC.

3. Dilatarea termică este proprietatea materialelor de a-şi mări volumul când sunt încălzite. Mărimea fizică ce caracterizează această proprietate este coeficientul de dilatare termică liniară [αo] reprezentând cantitatea cu care se dilată în lungime 1cm dintr-un corp atunci când I se ridică temperatura cu 1oC. αo=Δl/loΔt în care:

lo – lungimea iniţială,Δl – variaţia lungimii la creşterea Δt a temperaturii.

Lungimea totală a corpului dilatat va fi: l=lo+Δl=lo(1+ αoΔt). 4. Conductibilitatea termică [λ] este proprietatea materialelor de a permite

trecerea căldurii prin propagare. Ea se exprimă prin cantitatea de căldură care se transmite în timp de o secundă printr-o bară cu secţiunea de 1cm2 pe o distanţă de 1cm. λ [j/cm s oC].

5. Conductibilitatea electrică este proprietatea materialelor de a permite trecerea curentului electric. În opoziţie cu conductibilitatea este rezistivitatea.

6. Magnetismul este proprietatea unor materiale de a atrage alte materiale. Se cunosc materiale magnetice sau feromagnetice Fe, Ni, Co, etc. şi materiale nemagnetice Al, Mn, etc.

7. Alte proprietăţi fizice ale materialelor în legătură cu lumina pot fi amintite: culoarea, opacitatea, luciul metalic etc.

Proprietăţile chimice exprimă capacitatea materialelor de a rezista la acţiunea diferitelor substanţe chimice sau a agenţilor atmosferici cât şi a temperaturilor înalte.

1. Rezistenţa la coroziune este proprietatea materialelor de a rezista la acţiunea substanţelor chimice sau a agenţilor atmosferici Stabilitatea chimică a materialelor în condiţiile specifice de lucru ale utilajelor determină durata de viaţă a acestora.

Distrugerea prin coroziune se poate produce pe cale chimică, atunci cand intre metal şi agentul corosiv nu apare un transport de sarcini electrice sau pe caleelectrochimică, atunci când apare un astfel de transport. Coroziunea este deosebitde nocivă, conducând la pierderi semnificative de materiale metalice, îndeosebi feroase. Ca metode preventive: - evitarea punerii în contact a unui metal cu un alt metal mai electronegativ, cum arfi aluminiu-cupru, aluminiu-oţel aliat sau bronz-oţel- utilizarea metalelor şialiajelor rezistente la coroziune, - metode de protecţie anticorosivă: galvanizare, acoperiri metalice prin pulverizare sau placare, tratamentetermochimice sau vopsire cu lacuri şi emailuri.Unele metale neferoase (Cu, Zn, Pb, Al, Ti, Ni, Cr), la contactul cu aerul atmosferic, formează la suprafaţă un strat de oxid protector (pasivizare), dar ceamai frecventă metodă de creştere a rezistenţei la coroziune a metalelor este alierea (oţeluri aliate cu peste 12% Cr şi cu 5...25% Ni, aliaje ale cuprului cu aluminiul şi zincul etc.).

2. Refractaritatea este proprietatea materialelor de a-şi menţine rezistenţa mecanică la temperaturi înalte şi de a nu forma la suprafaţă straturi de oxizi sau alţi compuşi metalici în atmosfere agresive.Din această categorie fac parte metalele şi aliajele refractare. Astfel, oţelurile refractare sunt aliate cu crom, aluminiu, siliciu şi nichel şi dacă se adaugă şi

molibden, creşte rezistenţa la fluaj, păstrându-şi caracteristicile mecanice timp îndelungat. Ele se utilizează, cu bune rezultate, în condiţii de lucru la temperaturi de 600...800 ºC şi chiar până la 1000 ºC

Proprietăţile mecanice indică modul de comportare a materialelor sub acţiunea diferitelor forţe exterioare la care sunt supuse.

1. Rezistenţa la rupere este proprietatea materialelor de a se opune acţiunii forţelor care tind să le distrugă integritatea. În funcţie de tipul solicitărilor la care sunt supuse materialele, rezistenţa la rupere poate fi: rezistenţa la întindere, rezistenţa la compresiune, rezistenţa la încovoiere, rezistenţa la torsiune, rezistenţa la forfecare.

2. Elasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea forţelor exterioare şi de a reveni la forma şi dimensiunile iniţiale după încetarea acţiunii forţelor exterioare. Materialele sunt total elastice până la un anumit grad de solicitare numit limită de elasticitate. O dată cu încetarea acţiunii forţei care a produs deformarea are loc revenirea elastică şi eliberarea unei cantităţi de energie mai mică decât cea care a produs deformarea fenomen cunoscut sub denumirea de histerezis mecanic.

3. Plasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea sarcinilor exterioare fără a-şi modifica volumul, fără a mai reveni la forma iniţială după încetarea acţiunii forţelor care au produs deformarea şi totodată fără a-şi distruge integritatea. Din punct de vedere a plasticităţii materialele sunt mai uşor deformabile sau mai greu deformabile dar există şi şi materiale care nu se pot deforma plastic (ex. fonta, sticla etc.) care îşi distrug integritatea se sparg la solicitări exterioare. O dată cu creşterea temperaturii materialele îşi pot mări proprietăţile de plasticitate.

4. Tenacitatea este proprietatea materialelor de a rezista la solicitările exterioare şi de a se deforma mult înainte de rupere.

5. Fragilitatea este proprietatea materialelor de a se rupe brusc su acţiunea solicitărilor exterioare, fără a suferi deformaţii plastice prealabile. Proprietatea prezintă o importanţă deosebită la alegerea materialelor pentru execuţia unor piese supuse la solicitări dinamice.

6. Fluajul este proprietatea materialelor de a se deforma lent şi continuu în timp sub acţiunea unor sarcini constante. Proprietatea este dependentă de temperatură. Cu cât temperatura este mai ridicată, mărimea sarcinilor suportate de materiale până la apariţia deformaţiilor în timp este mai mică. Cu această proprietate se caracterizează oţelurile refractare şi în general aliajele care lucrează la temperaturi ridicate, sub sarcină.

7. Duritatea este proprietatea materialelor de a se opune pătrunderii în suprafaţa lor a unor corpuri dure care tind să le deformeze local suprafaţa.

Proprietatea permite aprecierea rapidă a caracteristicilor de rezistenţă cât şi a altor proprietăţi.

8. Rezilienţa este proprietatea materialelor de a rezista la solicitări dinamice. Ea se măsoară prin energia consumată la ruperea prin şoc a unor epruvete de secţiune dată. Prin această proprietate se poate aprecia raportul dintre caracterul tenace şi fragil al ruperii. Proprietatea se determină petru materiale destinate unor repere importante supuse la solicitări dinamice.

9. Rezistenţa la oboseală este proprietatea materialelor de a rezista la solicitări variabile repetate ciclic. Proprietatea se măsoară prin efortul maxim admis pentru ca epruveta să nu se rupă după un număr teoretic infinit de cicluri. În practică se acceptă un număr determinat de cicluri respectiv: N=107 cicluri pentru oţeluri, N=5.107 cicluri pentru aliaje neferoase.

10. Rezistenţa la uzură este proprietatea materialelor de a rezista la acţiunea de distrugere a suprafeţelor lor prin frecare.

11. Ecruisarea este proprietatea materialelor de a-şi mări rezistenţa şi duritatea şi de a-şi micşora plasticitatea în urma deformării plastice la rece.

Proprietăţile tehnologice indică modul de comportare a materialelor atunci când acestea sunt supuse diferitelor procedee tehnologice de prelucrare.

Prelucrarea prin deformare plastică1. Maleabilitatea este proprietatea materialelor de a putea fi prelucrate în foi

subţiri.2. Ductibilitatea este proprietatea materialelor de a putea fi trase în fire

subţiri.3. Forjabilitatea este proprietatea materialelor de a se prelucra prin

deformare plastică la cald, modificându-şi forma şi dimensiunile sub acţiunea unor forţe exterioare aplicate prin presare sau lovire, fără a-şi modifica volumul şi a-şi distruge integritatea.

Prelucrarea prin turnare Capacitatea materialelor de a putea fi prelucrate prin turnare se apreciază pe

baza următoarelor proprietăţi: fuzibilitatea, fluiditatea, contracţia la solidificare, segregaţia, absorbţia de gaze.

1. Fuzibilitatea este proprietatea materialelor de a se topi în condiţii tehnice rentabile. Ea depinde de doi factori esenţiali: temperatura de topire şi căldura specifică de topire. Pentru aliajele greu fuzibile nu întotdeauna este rentabilă prelucrarea prin turnare.

2. Fluiditatea este proprietatea materialelor în stare lichidă de a curge uşor şi a umple fidel cavităţile din formele de turnare. Proprietatea este dependentă şi de temperatura materialului în stare lichidă, vâscozitate şi tensiunea superficială a lichidului. Cu cât fluiditatea este mai bună, este mai uşoară turnarea pieselor cu pereţi subţiri. În ordinea crescătoare a fluidităţii materialele cel mai frecvent

turnate sunt: oţelurile, fontele: albe, cenuşii, fosforoase, aliajele de cupru, aliajele de aluminiu.

3. Contracţia la solidificare este proprietatea materialelor de a-şi reduce volumul la trecerea din stare lichidă în stare solidă. Pentru un anume material valoarea contracţiei depinde de temperatura de turnare şi de dimensiunile pieselor turnate. Ca urmare a contracţiei în piesele turnate pot să apară defecte ca: retasuri – goluri de contracţie, tensiuni interne şi fisuri ca urmare a contracţiei împiedicate. Contracţia este volumică şi împiedicată în cazul pieselor de mare complexitate, mai rar în cazul pieselor simple contracţia este liniară şi liberă. Totuşi pentru apreciere se fac determinări ale contracţiei liniare ex.: fonta cenuşie 0,8-1,0 ; oţeluri 1,6-2,0 ; bronzuri cu staniu 1,4 ; bronzuri cu aluminiu 2,0-2,2 ; alame 1,8-2,0 ; aliaje Al-Si 1,0-1,2 ; aliaje Al-Cu 1,6.

4. Segregaţia este proprietatea materialelor de a prezenta după solidificare neomogenităţi chimice şi structurale. Neomogenitatea se manifestă atât micro cât şi macroscopic Ea apare ca urmare a separării constituenţilor cu puncte de solidificare diferite, datorită greutăţii specifice diferite dintre cristalele solidificate şi topitură, datorită unui interval mare al temperaturilor de solidificare. Prezenţa segregaţiei înrăutăţeşte proprietăţile pieselor turnate, evitarea ei se poate realiza prin răcire rapidă în intervalul temperaturilor de solidificare, iar înlăturarea segregaţiei, în cazul în care ea s-a produs se poate face prin tratament termic de recoacere de omogenizare.

5. Absorbţia de gaze este proprietatea materialelor în stare topită de a dizolva gaze. Absorbţia este mai accentuată dacă temperatura de turnare este mai ridicată şi conduce la apariţia în piesa turnată a incluziunilor de gaze sub formă de sufluri, porozităţi. Diminuarea absorbţiei de gaze se face prin turnare în vid.

Prelucrarea prin aşchiere. Prelucrabilitatea sau aşchiabilitatea este proprietatea materialelor de a

putea fi prelucrate prin detaşare de aşchii cu ajutorul unor scule dotate cu muchii tăietoare (cuţite de strung, freze, burghie etc.) cu eforturi cât mai mici, asigurându-se o precizie dimensională ridicată şi o bună calitate a suprafeţelor.

Prelucrarea prin sudare Sudabilitatea este proprietatea materialelor de a realiza îmbinări rezistente

prin topire locală , cu sau fără material de adaos sau prin deformare plastică sub acţiunea unor forţe exterioare de presare cu sau fără încălzire locală a semifabricatelor. Sudabilitatea este o proprietate complexă care depinde de condiţiile metalurgice, constructive şi tehnologice ale procesului.

Prelucrarea termică Călibilitatea este proprietatea materialelor de a-şi modifica structura şi

implicit proprietăţile în urma încălzirii până la o anumită temperatură, menţinerii şi răcirii cu o anumită viteză până la temperatura mediului ambiant. Cunoaşterea

acestei proprietăţi permite alegerea tratamentelor termice ce se pot aplica materialelor.

Caracteristici mecanice Caracteristici fizice şi chimice

Fluaj Viteza de deformare la fluaj Modul de rupere

Ductilitate Alungire Gâtuire

Oboseală Anduranţă Limită de rupere prin oboseală

Duritate Zgâriere Amprentare Rată de uzare

Impact Energie absorbită la rupere Tenacitate Temperatură de tranziţie

Rezistenţă Modul de elasticitate Limită de rupere Limită de curgere Limită de elasticitate

Densitate

Electrice

Conductivitate Rezistivitate Feroelectricitate Piezoelectricitate

Magnetice Feromagnetice Ferimagnetice Paramagnetice

Optice Absorbţie Culoare Difracţie Foto electricitate Reflexie Refracţie Transmisie

Termice Capacitate calorică Conductivitate termică Dilatare termică

Comportarea la coroziune