sim note curs

Download SIM Note Curs

Post on 13-Jul-2015

438 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

UNIVERSITATATEA DUNAREA DE JOS DIN GALATI

Studiul si ingineria materialelorNote de curs

Conf.Dr.Ing. Sanda Levcovici

Galati, 2008

1. Materiale

1

Capitolul 1. Materiale1.1 IntroducereMaterialele reprezint substanele din care se produc diferite obiecte utile omului. Toate domeniile activitii umane sunt dependente de materiale, de la fabricarea unui circuit integrat la construirea unui nave, de la biomaterialele necesare pentru armarea sau substituirea organelor sau esuturilor umane la cele necesare pentru hran, energie sau informaie. Materialele definesc nivelul de dezvoltare al unei societi. Primii pai ai omenirii au fost marcai prin epoca pietrei, bronzului i a fierului. Astzi materialele joac un rol determinant n dezvoltarea tehnologic i cercetare. Indiferent de specializarea unui inginer, acesta nu poate concepe sau nu poate realiza noi produse sau tehnologii fr a ine cont de comportarea materialelor folosite n condiiile concrete de solicitare. Proprietile materialelor limiteaz adesea performanele mainilor i instalaiilor. De exemplu, creterea randamentului energetic al unei turbine cu gaz de la un de avion sau al unui motor Diesel se poate realiza prin mrirea temperaturii de funcionare. Performanele acestora sunt condiionate de obinerea de noi materiale metalice sau ceramice, rezistente la temperaturi nalte. Utilizarea materialelor depinde de asemenea de resurse, pre de cost, prelucrabilitate i compatibilitate cu mediul nconjurtor. O cunoatere empiric a materialelor i experiena acumulat de-a lungul miilor de ani nu mai satisfac necesitile actuale i adaptarea la tehnologiile moderne. Este necesar o abordare unificat i fundamental a descrierii comportrii materialelor. A aprut tiina materialelor ca o necesitate de a controla proprietile materialelor prin cunoaterea legilor fundamentale care le determin comportarea. tiina materialelor studiaz producerea, prelucrarea i utilizarea raional a materialelor. Aceste obiective sunt atinse n cadrul a dou discipline de studiu: - Tehnologia materialelor, care se ocup de producerea i prelucrarea materialelor; - Studiul materialelor, care are ca obiectiv utilizarea raional a materialelor. Pentru a alege corect un material trebuie neleas comportarea materialelor la diferite condiii de solicitare. Se impune cunoaterea legturii dintre fenomenele care au loc n material, la scara microscopic i submicroscopic i proprietile macroscopice. n funcie de mijloacele de investigare, la un material se pot evidenia: - macrostructura, care indic alctuirea materialului, rezultat prin observare cu ochiul liber sau cu lupe ce mresc pn la 50x; - microstructura, care descrie ansamblul grunilor cristalini i a particulelor observabile prin microscopie optic sau electronic; - aranjamentul atomic, observabil prin difracie cu raze X. n figura 1.1 se prezint observaiile efectuate asupra structurii unei palete de la o turbin cu gaz, executat dintr-un aliaj metalic pe baz de nichel, cobalt i crom, care i conserv rezistena mecanic pn la 1000C. ntre macrostructura i aranjamentul atomic rezoluia variaz cu 9 ordine de mrime: mm pentru analiza macroscopic, m prin microscopie optic, zeci de nm prin microscopie electronic i zecimi de nm pentru aranjamentul atomic. Proprietile materialelor sunt definite att de compoziia chimic, natura legturilor interatomice i aranjamentul atomic, ct i de microstructur. Constituenii microstructurali sunt caracterizai prin compoziie chimic, aranjament atomic, cantitate relativ, morfologie, mrime i mod de distribuie. De aceea, modificarea controlat a microstructurii d posibilitatea obinerii unei game largi de proprieti.

1. Materiale

2

Macrostructura

Ochiul liber

MecanicaMicroscopie optic Raze X

Microstructura

Studiul materialelor are ca obiect cunoaterea legilor de corelaie dintre compoziia chimic i organizarea atomic sau molecular, microstructura i proprietile macroscopice ale materialelor, ct i a legilor de modificare a acestor proprieti pe cale termic, chimic, mecanic, electromagnetic i radioactiv. Se exemplific modificarea pe diferite ci a rezistenei de rupere la traciune a fierului i a unor aliaje Fe-C: - metal pur, policristalin: fierul tehnic pur 300 N/mm2; - aliaj n stare de echilibru: oelul cu 0,8%C recopt 800 N/mm2; - aliaj tratat termic, n afar de echilibru: oelul cu 0,8%C clit 2600 N/mm2; - aliaj tratat mecanic: oelul cu 0,8%C deformat la rece, ecruisat 4000 N/mm2; - monocristal filiform de fier pur cu densitate redus a defectelor structurale (whisckers) 13000N/mm2. Studiul materialelor este multidisciplinar. El face apel att la cunotine fundamentale de chimie i fizic, ct i la discipline inginereti ca: mecanica, electrotehnica, construciile civile, tehnologia materialelor, rezistena materialelor. Lucrarea de fa se limiteaz la studiul materialelor solide din construcia de maini, excluznd fluidele i materialele energetice.

1.2 Clase de materialeDiversitatea materialelor decurge din multitudinea i complexitatea funciilor pe care acestea trebuie s le ndeplineasc. Un exemplu este linia suspendat de nalt

Aranjamentul atomic

Fig. 1.1 Legtura dintre observaiile macroscopice, microscopice i submicroscopice cu principalele domenii ale tiinei i tehnologiei

Chimia si fizica solidului

Microscopie electronic

Stiina materialelor

Mecanica fin

1. Materiale

3

tensiune, care are urmtoarele componente: cablul electric, stlpii de susinere, elementele izolatoare i fundaia (fig. 1.2). Cablul purttor al curentului electric trebuie s fie un bun conductor de electricitate. Cei mai buni conductori electrici sunt metalele pure, cum sunt cuprul i aluminiul. 3 Pentru a limita numrul stlpilor de susinere, 1 cablul trebuie s fie uor i rezistent. Ca urmare se folosete un cablu compus. Inima cablului este 2 sub forma unei srme din oel, un aliaj metalic 4 foarte rezistent la solicitri mecanice, dar cu o conductivitate electric mai redus. Un fir din aluminiu, dispus n jurul inimii din oel, asigur transportul celei mai mari pri din energia electric. Fig. 1.2 Schema liniei suspendate de Deoarece tensiunea electric este nalt, nalt tensiune: 1. cablu electric; 2. stlp de susinere; 3. izolator; 4. cablul se suspend pe stlpi, aerul fiind izolator fundaie. electric. Stlpii sunt construcii metalice din oel, pentru a rezista la traciunea cablului. Pentru a-i proteja de coroziunea atmosferic (rugina) se folosete vopsirea cu un polimer organic sau acoperirea cu un metal, cum ar fi zincul. Elementele izolatoare electric au rolul de a fixa cablul pe stlpii metalici. Acestea se realizeaz din porelan sau sticl, care sunt un material ceramic. Fundaia are rolul de a ancora stlpii n teren. Se execut din beton - un material ceramic compus din nisip, pietri i ciment. Diversitatea materialelor se poate clasifica, dup compoziie chimic, structur i proprieti, n patru mari grupe de materiale: metale i aliaje; polimeri organici; materiale ceramice; materiale compozite. A. Metalele reprezint majoritatea elementelor chimice cunoscute n natur. Din cele 109 elemente cunoscute, peste 80 sunt metale. Cele mai utilizate metale sunt fierul, aluminiul i cuprul. Aliajele metalice conin dou sau mai multe elemente, metale sau nemetale, preponderent fiind un metal. Astfel sunt oelurile i fontele - aliaje Fe-C; alamele - aliaje Cu-Zn etc. n stare solid, materialele metalice sunt agregate atomice cu legtura interatomic de tip metalic. Aceasta le confer proprieti caracteristice: conductibilitate electric i termic, coeficient termic de rezistivitate pozitiv, opacitate la lumina vizibil i luciu metalic, emisie termoelectronic, deformabilitate plastic, duritate, rigiditate. B. Polimerii organici sunt materiale compuse din macromolecule. Conin lanuri lungi ale atomilor de carbon, pe care sunt fixate diferite elemente ca hidrogenul, clorul, florul, radicalul metil etc. n compoziia lanului pot interveni i elemente ca sulful, azotul, siliciul etc. Cei mai cunoscui polimeri organici sunt: polietilena (abreviat PE), policlorura de vinil (PVC), polistirenul (PS), poliamidele (PA), politetrafluoretilena (PTFE) cunoscut i sub denumirea comercial de teflon, sticlele organice, cauciucul etc. Legtura ntre atomii lanului molecular este covalent. Legtura intermolecular poate varia de la legturi slabe de tip van der Waals la legturi punctuale covalente. De aceea, polimerii organici au proprieti foarte diversificate ca: termoplasticitate, elasticitate, termorezisten. Ei sunt izolatori termici i electrici, uori, foarte uor de pus n form, cu rigiditate redus i stabilitate termic limitat, n general, pn la 200C. C. Ceramicele sunt materiale anorganice care rezult din reacia unor metale (Mg, Al, Fe etc.) cu metaloizi (O, C, N etc.). Iniial termenul de ceramice s-a atribuit

1. Materiale

4

oxizilor (alumina Al2O3, silicea SiO2 etc.), apoi s-a extins i la carburi (WC, SiC), nitruri (Si3N4), boruri (TiB2), sticle minerale (amestecuri de oxizi SiO2, Na2O, CaO), diamant, grafit etc. n stare solid sunt agregate atomice cu legatur interatomic covalent, ionocovalent sau mixt. Materialele ceramice se disting prin refractaritate, care se manifest prin rezisten mecanic i termic la temperaturi ridicate. Majoritatea sunt izolatori termici i electrici (excepie grafitul, V2O etc.), n general foarte dure i fragile. D. Materialele compozite sunt formate din dou sau mai multe materiale diferite aparinnd grupelor A, B sau C, care i combin proprietile specifice. Un material compozit conine o matrice consolidat cu un element de armare. Ex. 1: poliesterii consolidai cu fibre de sticl (B+C) formeaz un compozit uor i rezistent mecanic, folosit la fabricarea brcilor de salvare. Ex.2: aliajele dure obinute prin sinterizarea particulelor de WC n matrice de Co (A+C) reprezint un compozit termostabil, dur, rezistent la uzur i suficient de tenace, folosit la creterea durabilitii tiu