Creeaza.com - informatii profesionale despre


Evidentiem nevoile sociale din educatie - Referate profesionale unice



Acasa » referate » fizica
Proprietatile materialelor metalice

Proprietatile materialelor metalice



PROPRIETATILE MATERIALELOR METALICE

Criteriul fundamental in alegerea si utlizarea materialelor, este dependent de proprietatilor acestora. Materialele metalice se deosebesc intre ele prin proprietati specifice ce tin de: natura lor,compozitia chimica, structura, mod de prelucrare etc.

Materialele metalice sunt corpuri cristaline care la nivelul unui mono cristal prezinta anizotropie - respectiv valorile proprietatilor sunt diferite in functie de directia de masurare. In general metalele sunt policristaline astfel incat caracterul proprietatilor acestora este cvaziizotrop.


Criteriile de clasificare ale proprietatilor materialelor metalice sunt multiple insa, in mod obisnuit, exista doua criterii importante:

A)                       Dupa natura lor, acestea pot fi: intrinseci (proprietati fizice,
chimice si mecanice) si de utilizare sau exploatare si tehnologice.

B)                            Dupa sensibilitatea fata de structura, sunt: insensibile la defecte structurale (conductibilitate electrica si termica, paramagnetismul, temperatura de topire si fierbere si sensibile structural (forta corectiva, rezistenta la rupere,plasticitatea, fragilitatea, duritatea, fluajul, tenacitatea ).

Proprietatile intrinseci sunt strict dependente de natura, compozitia si structura materialelor metalice.

Proprietatile insensibile asupra structurii sunt cele a caror natura poate fi explicata avand in vadere notiunea de retea cristalina ideala, care au valori apropiate indiferent de densitatea defectelor.

Proprietatile sensibile structural sunt cele ale caror valori depind de densitatea defectelor reticulare ce sunt prezente in cristal. Toate proprietatile atat cele sensibile, cat si cele insensibile la defecte reticulare pot fi modificate valoric, prin modificarea structurii cristaline la nivel micro si macroscopic al materialelor.

Proprietatile materialelor metalice se pot clasifica astfel : fizice, chimice, mecanice, tehnologice si de exploatare.

1. Proprietatile fizice

Sunt cele care stabilesc comportarea materialelor metalice sub actiunea unor fenomene fizice: gravitatie, camp termic, electric, magnetic, luminos etc. Ele au importanta deosebita in alegerea si utilizarea materialelor metalice in domeniile speciale: electrotehnica, electronica, aerospatial, nuclear etc. Ele determina comportarea materialelor metalice la turnare, deformare plastica, tratamente termice . si termochimice etc.

a)Densitatea reprezinta masa uniatii de volum a unui corp omogen, masurata in kg/m3 (g/cm3).

Pentru metale, densitatea variaza cu temperatura, iar pentru aliaje, variaza atat cu temperatura, cat si cu compozitia chimica. De exemplu, pentru oteluri care contin 0,1 1,3 % C, densitatea este :

y = 7,871 - 0,32 T - 0,025 %C

unde :

T - este temperatura in K;

C - continutul de carbon in procente de masa.

Cel mai usor metal este litiul (y - 0,534 g/cm3), iar cele mai grele metale sunt iridiul si osmiul (y = 25,5 respectiv 22,6 g/cm3), urmate in ordine descrescatoare de Pt (21,45), Re (20,5), Au (19,32), W(19,30), V(18,7).

b)Temperatura de fuziune(topire) este temperatura la care un metal pur sau un aliaj trece din stare de agregare solida in stare lichida.

Este o constanta fizica, spre deosebire de temperatura de solidificare, fiind cu atat mai scazuta, pentru unul si acelasi metal, cu cat viteza de racire este mai mare. Aliajele metalice, cu exceptia eutecticelor si compusilor chimici, se topesc intr-un interval de temperaturi. Cel mai usor fuzibil este Hg (-38,87 C) si cel mai gre fuzibil este W (3 410C).Unele dintre cele mai cunoscute metale prezinta urmatoarele temperaturi de fuziune:

Pb (327 0C), Zn (419 0C), Al (6600 C), Ag (9600 C), Au (10630 C), Cu (10830 C), Si (14400 C), Ni (14530 C), Fe (1535o C), Pt (1769o C), Cr (1800o C), Mo (2625o C), Os (27000 C) etc.

c)Caldura specifica este cantitatea de caldura necesara cresterii temperaturii masei de 1 kg cu 1 C. Se masoara in cal/gC sau J/kg K.

Este data de relatia Cp = ΔQ/ΔT, in care ΔQ este cantitatea de

caldura furnizata masei de 1 kg, iar ΔT este saltul de temperatura (la presiunea constanta). Caldura specifica a metalelor cu greutatea atomica mare este mica (de exemplu, uraniul are Cp = 109,3 J/kg K, iar litiul are Cp = 4171,6 J/kg K).

d)Conductibilitatea termica este proprietatea materialelor metalice de a conduce si transmite caldura cu ajutorul electronilor liberi. Se masoara in cal/cm C sau W/mm K. Practic, este independenta de temperatura, deoarece cu cresterea temperaturii creste energia termica a electronilor liberi, dar accelerarea lor va fi franata de cresterea dezordinei retelei de ioni din metal, data de cresterea amplitudinii de vibratie a ionilor. S-a constatat totsti scaderea conductivitatii termice cu temperatura, exceptie facand otelurile bogat aliate cu crom, nichel si mangan.

Coeficentul de conductivitate este dat de relatia:

λ= -dQ


In care dQ este cantitatea de caldura care trece prin suprafata dS in timpul dt, la un gradient de temperatura dTIdX pe directia X de transmitere a caldurii.

Cu cat coeficientul de conductivitate termica este mai mare, cu atat transmitera caldurii se face mai rapid. Transmiterea caldurii nu poate fi instantanee, deoarece este franata de caldura si densitate (cu cat produsul Cp y este mai mare, cu atat caldura si se va transmite mai greu). Asfel, viteza de uniformizare a temperaturii intr-un corp la incalzirea sau racirea lui este data de difuzivitatea termica :

Cea mai mica conductivitate o au bismutul si mercurul cu 0,02 cal/cm C, iar cea mai mare o are argintul, cu 1,0 cal/cm C, urmat in ordine descrescatoare de Cu (0,94), Al (0,53), W (0,48), Mg si Be (0,38)

e)Caldura latenta de topire este cantitatea de caldura necesara pentru topirea masei de 1 kg, masurata in J/kg sau cal/g. Ea este aceeasi cu caldura latenta de solidifcare, fiind necesara pentru distrugerea, respectiv, refacerea aspectului cristalin al metalelor (trecerea de la ordinea indepartata la ordinea apropiata si invers).

Cea mai mare caldura latenta de topire o are siliciul (395,6 cal/g), iar cea mai mica o are mercurul (2,8 cal/g).

f)Dilatarea termica este proprietatea materialelor metalice de a-si modifica dimensiunile la variatia (cresterea) temperaturii.Este inversul contractiei si se exprima in grad C-1. Dilatarea liniara se exprima cu relatia :

l = lo(l ΔT)

in care l este lungimea finala, cand temperatura a crescut cu ΔT, lo este lungimea initiala, iar α este coeficientul de dilatare liniara. Dintre metale, cel mai mic coeficient il are wolframul (2,4 10-60C-1), iar cel mai mare il are cesiul (98 10-60 C-1). Aliajul metalic cu cel mai mic coeficient de dilatare (de 8 ori mai mic decat fierul) este invarul (36% Ni + 64% Fe) cu 1,4- 10-60 C-1

g)Conductibilitaea electrica este proprietatea materialelor metalice de a conduce curentul electric prin intermediul electronilor liberi. Se caracterizeaza prin marimea denumita conductivitate electrica :

σ = I/R S m-1Ω-1 (m/Ω mm2)

unde :

I - este lungimea conductorului;

S -sectiunea lui;

R - rezistenta electrica.

Conductivitatea electrica este inversul rezistivitatii =1, ea scade continuu cu cresterea temperaturii, cauza fiind franarea deplasarii electronilor liberi prin ciocnirea lor de ionii din reteaua cristalina, tot mai dezordonata la temperaturi tot mai mari. La scaderea temperaturii, conductivitatea electrica creste, putand aparea supraconductibilitatea ( p~0) in preajma lui 0K la unele metale (plumb). La aceste temperaturi, vibratia ionilor din reteaua cristalina este foarte mica, iar electronii liberi se pot deplasa practic fara a fi franati. Metalele au intodeauna conductivitatea electrica mai mare decat aliajele metalice, care in general sunt rezistoare. Alierea metalelor si ecruisarea lor micsoreaza intodeauna conductivitatea electrica. Valoarea coeficientului de

temperatura al rezistivitatii, a = , imparte materialele in conductoare (α>0) si dielectric (α<0). La temperatura ambianta, cele mai bune conductoare electrice sunt : Ag (63,0 m/Ω mm2), Cu ( 60,0), Au (45,7), Al (37,6), iar cele mai slabe sunt: Si (10- 3), Sn (0,16), Mn (0,54), Hg(1,06)etc.

h) Magnetismul este proprietatea materialelor metalice de a prezenta insusiri magnetice. Provine din miscarea orbitala a electronilor in jurul nucleelor, cand formeaza de fapt circuite electrice care, potrivit legii lui Lentz, creeaza campuri magnetice. Materialele metalice se caracterizeaza, din punct de vedere magnetic, prin doua marimi:

- permeabilitatea magnetica sau constanta de inductie, exprimata prin relatia :

, gauss/oersted

in care B este inductia magnetica;

I - intensitatea de magnetizare ;

H -intensitatea campului magnetic ;

-susceptibilitatea magnetica, exprimata prin relatia:

Materialele care au susceptibilitatea negativa (K=-10-6 Gs/Oe), sau permeabilitatea subunitara 0<1) - sunt diamagnetice (zincul, cuprul, rubidiul, bismutul, argintul etc); ele disperseaza liniile de forta magnetica, nu se magnetizeaza si sunt respinse de campul magnetic.

Materialele care au susceptibilitatea pozitiva si mica (K = 10-2 10-6 Gs/Oe) si permeabilitatea unitara sau supraunitara o>1) sunt paramagnetice (aluminiul, manganul, cromul, wolframul, titanul, molibdenul, vanadiul, niobiul, cesiul), ele conduc liniile de forta magnetica mai bine decat vidul si sunt putin atrase de campul magnetic. Materialele care au susceptibilitatea pozitiva si mare (K = (10 105)Gs/Oe) si permeabilitatea foarte mare ( μo>>S1) sunt feromagnetice (fierul, nichelul, cobaltul, gadoliniul); ele se magnetizeaza usor, pana la saturatie, in campuri magnetice slabe, fiind puternic atrase de acestea. Aceste materiale prin incalzire la anumite temperaturi (punctul Curie) devin paramgnetice (770C - Fe; 372C - Ni; 1131C - Co).

Aliajul Heusler este feromagnetic desi este compus din metale para si diamagnetice, cum sunt manganul, aluminiul, si cuprul. Permeabilitate magnetica cea mai mare o are permalloyul (75% Ni, 25% Fe) 100 000 Gs/Oe; nichelul si otelul cu siliciu au 10 000 Gs/Oe, iar fierul are 5 000 Gs/Oe.

i) Forta electomotoare este caracteristica a doua metale, aliaje sau semiconductoare diferite, sub forma de fire sudate la un capat (punctul cald), de a da nastere unei tensiuni electrice intr-un circuit deschis, sau unui curent electric in circuitul inchis, adica de a transforma energia calorica in energie electrica. Sta la baza construirii termocuplurilor (traductoare temperatura -tensiune electrica).

j) Coloratia reprezinta capacitatea materialelor metalice de a absorbi si de a reflecta selectiv lungimile de unda din spectrul vizibil. Lungimea de unda reflectata va da culoarea (cuprul - rosu, alama , bronzul, aurul - galbene).

Majoritatea metalelor si aliajelor metalice reflecta aproape intregul spectru luminos, iar culoarea lor este alba sau gri (argintul, zincul, stibiul, plumbul, staniul, otelul, fonta).

k) Luciul metalic exprima capacitatea materialelor metalice care au suprafete lustruite si curate, de a reflecta imagini ca in oglinda. Proprietatea este legata de caracterul opac al materialelor metalice; luciul metalic se estompeaza sau dispare in timp datorita oxidarii. Materialele metalice cu cel mai bun luciu sunt: aurul, argintul, staniul, aluminiul, nichelul, cuprul, cromul, plumbul, alama, bronzul etc; fara luciu este fonta cenusie.

2. Proprietatile chimice

Sunt cele care stabilesc comportarea materialelor metalice sub actiunea agentilor atmosferici, chimici, electrochimici la temperaturi diferite. Prezinta o mare importanta in algerea si utilizarea materialelor metalice, in industria chimica, alimentara, medicala, nucleara si aerospatiala.

Majoritatea materialelor metalice sunt instabile termodinamic fata , de oxigen, apa, solutii de acizi, baze si saruri.Principalele proprietati chimice sunt: rezistenta la coroziune si refractaritatea.

a) Rezistenta la coroziune, sau stabilitatea chimica, este proprietatea materialelor metalice de a se opune actiunii distructive a agentilor atmosferici si chimici.

Cand mediul corosiv este un electrolit (mediu cu ioni disociati capabili sa primeasca ioni de metal), coroziunea este un proces electrochimie. Coroziunea se manifesta prin reducerea in greutate, modificarea structurii, compozitiei chimice, dimensiunilor, culorii suprafetei si toate proprietatile fizice, mecanice si tehnologice ale materialelor metalice.

Practic toate materialele metalice in prezenta oxigenului se
oxideaza, insa rezistenta lor la oxidare si la coroziune depinde de calitatile peliculei de oxizi formata la suprafata. Cand pelicula de oxizi este compacta, subtire si aderenta la masa metalului, aceasta izoleaza
metalul de agentul coroziv, iar rezistenta la coroziune a acestuia e mare
(cazul platinei, iridiului, aurului, cuprului, argintului, wolframului, zincului,plumbului, nichelului, cromului, molibdenului, titanului etc, care in mod natural nu corodeaza). Fenomenul se numeste pasivizarea metalelor.

Cand pelicula de oxizi este poroasa si neaderenta la masa materialului, aceasta permite contactul permanent dintre material si agentul chimic, iar fenomenul de coroziune continua pana la distrugerea completa a materialului, cum este cazul fierului si aliajelor obisnuite ale acestuia cu carbonul - otelurile si fontele.

Rezistenta la coroziune se apreciaza prin viteza de corodare Vcor = Δm/S.t, g/m2 ,sau prin penetratie p = Vcor/g, mm/s, unde Δm este pierderea de masa; S - suprafata; t - timpul; g - densitatea.

Un metal are o rezistenta la coroziune electrochimica in contact cu un electrolit (chiar aer atmosferic), cu atat mai mare, cu cat potentialul electochimic este mai accentuat pozitiv fata de un alt metal electronegativ sau tot electropozitiv, cu care va forma macro sau micro elemente galvanice locale. Acelasi fenomen apare si la aliajele metalice eterogene din punct de vedere structural (polifazice) sau mecanic (ecruisate, calite, sudate) in contact cu un electolit.

Coroziunea poate fi micsorata prin evitarea contactului, metal electropozitiv - metal electronegativ (de exemplu; aluminiul langa cupru sau otel aliat, bronzul langa otel etc.), prin aliere (de exemplu; otelurile aliate cu peste 12% Cr, 5-25% Ni, aliate cu molibden, cupru etc, aliajele de Cu - Al, Cu - Be, Cu - Zn etc.) sau prin protectia anticorosiva; galvanizare, metalizare, placare, tratamente termochimice, vopsire, lacuire etc.

b)Refractaritatea sau stabilitatea chimica la cald, este proprietatea complexa a metalelor si aliajelor de a-si pastra rezistenta mecanica, in special fluajul, de a nu oxida puternic (formand tunder sau arsura) si de a nu creste inacceptabil in volum in conditii de temperaturi inalte. Pentru aceasta, este necesar ca in masa materialelor metalice sa nu se produca transformari secundare care pot micsora rezistenta mecanica sau pot forma pelicule subtiri continue, compacte si aderente de oxizi pe suprafata lor (cum este cazul wolframului, tantalului, titanului, molibdenului, nichelului, otelurilor si fontelor aliate cu crom, aluminiu, siliciu etc.). Aceste materiale metalice se numesc refractare sau termostabile, ele sunt caracterizate prin limita de fluaj mare si rezistenta constanta si de durata la temparturi inalte.

4.3. Proprietatile mecanice

Aceste proprietati determina comportarea materialelor metalice la actiunea unor solcitari mecanice, ce pot fi statice si dinamice de intindere, compresiune, incovoiere, forfecare, rasucire, penetrare etc.

Din punctul de vedere al alegerii si utiliziarii materialelor metalice pentru industria constructiilor metalice si cea constructoare de masini, cum ar fi instalatii, echipamente si utilaje, aceste proprietati au rol preponderent, intrucat ele determina comportarea materialelor metalice in procesele de prelucrare si mai ales in exploatare.

Aceste proprietati sunt: rezistenta mecanica, elasticitatea, plasticitatea, tenacitatea, duritatea, ecruisarea, fragilitatea, curgerea, fluajul, rezilienta, rezistenta la oboseala, relaxarea plastica si revenirea elastica.

a)Rezistenta mecanica - incercarea la tractiune reprezinta proprietatea materialelor metalice de a se opune deformarii si ruperii sub actiunea unor solicitari (forte) interne sau externe. Rezistenta la rupere este cea mai importanta proprietate a materialelor mecanice, fiind definita ca tensiunea care corespunde valorii maxime a sarcinii (fortei) pentru care, capacitatea de deformare se epuizeaza si materialele se rup si este data de relatia:

Rm - Fmax/S0 , Mpa(daN/mm2)

in care : Fmax este forta maxima si So - sectiunea initiala a epruvetei.

Sub actiune solicitarilor exterioare, in masa corpurilor metalice, iau nastere tensiuni (eforturi) care se opun deformarii si ruperii.

Totalitatea acestor tensiuni care actioneaza pe unitatea de suprafata se numeste efort unitar σ=F/S. Efortul unitar intr-o suprafata a carei normala face unghiul θ cu directia solicitarii F, se va descompune in doua componente: una normala σncosG si una tangentiala cuprinsa in suprafata t = (σ/2) sin 26. Sub actiunea solicitarilor externe (forte de tractiune, compresiune, rasucire etc.) sau interne (tensiuni remanente de la tratamentele termice, de la deformarile la rece etc), materialele metalice se deformeaza si in final se rup. Deformatiile specifice pot fi

liniare (modificarea lungimii corpurilor):

(Lf si Li fiind lungimea finala si initiala) si unghiulare (modificarea unghiurilor drepte dintre diferite elemente lineare ale corpului):

(0 este unghiul de deformare). Deformatiile liniare si unghiulare pot fi elastice si plastice. Comportarea unei epruvete asupra careia actioneaza axial o forta statica (F) este data de curba caracteristica tensiune -deformatie, care pentru un material plastic (otel recopt) are forma prezentata in fig. 4.1.

Portiunea OA exprima comportarea elastica, si este zona in care deformarea are:

-          caracter nepermanent si in care actioneaza legea lui Hooke: σ = E.ε Aceasta zona se mai numeste si zona deformatiilor elastice sau zona de proportionalitate, adica deformatiile sunt proportionale cu fortele .

Pe portiunea curbei AB deformatia are caracter permanent,si se caracterizeaza prin deformatii remanente concomitent cu aplicarea unor eforturi unitare mai mari. Pana la punctul B deformatia este uniforma iar in punctul B epruveta datorita alungirii si subtierii uniforme, conduce la aparitia gatuirii, iar in zona BC apare o variatie a fortelor de tractiune datorita aparitiei unei zone din ce in ce mai subtiata a epruvetei.

Mentinand forta aplicata la valoare constanta, gatuirea continua accentuat astfel incat in punctul D, apare fenomenul de rupere a epruvetei. Alungirea la rupere determinata din lungimea finala in momentul ruperii se calculeaza conform relatiei:


Ar=100% εr=100 Lf Li / Li %

Un interes deosebit reprezinta gatuirea la rupere Z ce se determina prin raportul dintre diferenta ariilor transversal,e initiala si finala si aria initiala :

Z=(ΔS/S0)100%

Principalele caracteristici mecanice care se determina la incercarea la tractiune sunt urmatoarele :

1) Limita elastica sau limita de proportionaiitate este definita prin

raportul σo=F0/S0 daN/mm2; conventional se foloseste limita de proportionaiitate tehnica, definita prin relatia Rp0,01=F0,01/S0 daN/mm2, adica tensiunea care produce o deformatie plastica (remanenta) foarte mica

(Ae = 0,01%).

Pana la aceasta limita, deformatia este elastica si creste liniar cu tensiunea aplicata (σ), intre aceste marimi stabilindu-se relatia:

σ= Eε (legea lui Hooke),

in care s este deformatia elastica unitara =Δl / lo ), iar E este modulul de elasticitate longitudinal, care este o marime caracteristica fiecarui material metalic, deoarece este o masura a fortelor de coeziune dintre cationii retelei cristaline.

2) Limita de curgere, σc, este definita prin raportul σc=Fc / So si reprezinta tensiunea de la care materialul incepe sa se deformeze plastic. Conventional, se foloseste limita de curgere tehnica, definita prin relatia:

daN/mm2

adica tensiunea care produce o deformatie plastica (remanenta) finita Ac = 0,2%, in domeniul deformarii plastice, alungirea nu mai este proportionala cu tensiunea, ci creste mai repede decat creste tensiunea.

3)Rezistenta la rupere, or, este definita prin raportul σr=Fm /S0

daN/mm2. Aceasta este o tensiune maxima pe care o suporta materialul metalic inainte de a se rupe, rezistenta la rupere tehnica se noteaza cu

Rm =Fm / So daN/mm2.

4)      Alungirea la rupere este definita prin raportul

Ar=(lf lo / l0)100%,

care este o masura a plasticitatii materialului metalic.

5)Gatuirea la rupere este definita prin rapotul

Z =(S0-Sf / So)100%,

care este o masura a tenacitatii materialului metalic, in sensul ca este proportionala cu energia pe care o consuma materialul metalic in procesul de deformare plastica, inainte de a se rupe.

Observatii indelungate si considerente teoretice au demonstrat ca rezistenta la rupere prin tractiune si duritatea materialelor metalice sunt legate prin relatia de proportionalitate orientativa :

Rm = cHB,

in care coeficientul de proportionalitate ( c ) este subunitar ( c < 1) si depinde de natura si starea materialului metal

b)incercarea la incovoiere statica se executa prin sprijinirea unei
epruvete (bare) pe doua reazeme in pozitie orizontala si aplicarea statica (lenta) a unei forte F perpendicular pe mijlocul barei. Prin cresterea fortei F, bara se inconvoaie elasic, apoi plastic si - in final - se rupe.

La aceasta incercare se determina forta de rupere ( Fr ) si deformatia la rupere ( fr ) exprimata prin 'sageata' (abatera de la orizontala) in momentul ruperii.

c)Rezistenta la incovoiere prin soc sau rezilienta este
determinata in conditii asemanatoare cu incercarea la incovoiere statica,dar cu doua deosebiri esentiale :

a) epruveta (o bara prismatica, cu sectiune transversala patrat cu latura 10mm si lungimea de 55 mm) are o crestatura cu fund rotunjit, pe latura opusa acceleia pe care se aplica forta de lovire;

b) epruveta este sprijinita pe capete si este lovita central - in partea opusa crestaturii - cu un pendul care are o anumita masa (m) si cade de la o inaltime initiala (h0), ceea ce inseamna ca loveste epruveta cu soc, cu o viteza initiala v0 = si cu o energie intiala Eo = mgh0.

Dupa ce epruveta s-a rupt, pendulul de masa m, continua sa execute un arc de cerc si sa se mai ridice la o inaltime finala hf < h0, fata de locul de lovire, ceea ce inseamna ca a consumat pentru ruperea epruvetei un lucru mecanic ( Lrup ) egal cu diferenta de energie ΔE = mg (h0 - hf). Rezistenta la incovoiere prin soc (sau rezilienta) a materialului se noteaza cu KCU si se determina din raportul :

KCU = ΔE / So J/cm2

in care So este aria transversala a epruvetei in planul crestaturii, in cm2.

Rezilienta este o masura a ductilitatii materialului metalic, in sensul ca este proportionala cu energia consumata de material inainte de a se rupe, atunci cand este solicitat dinamic (la soc).

Notatia KCU exprima faptul ca rezistenta la incovoiere prin soc (Kick) este determinata la pendulul Charpy (C) pe o epruveta care are crestatura cu fund rotunjit (in forma de U).

Pentru solicitari dinamice sau mai severe, materialele metalice se incearca pe epruvete cu crestatura ascutita (in V), in acest caz ductilitatea se noteaza KV si exprima lucrul mecanic efectiv consumat pentru ruperea epruvetei (KV = Lrup = ΔE / J).

Ductilitatea este o caracteristica mecanica foarte importanta, in special pentru piesele care lucreaza in conditii de socuri si la temperaturi negative (recipiente mobile pentru transportul gazelor lichefiate, structura de rezistenta a navelor ce navigheaza in conditii de furtuni la temperaturi coborate, structura de rezistenta a platformelor marine pentru exploatarea titeiului submarin s.a.

d) incercarea la oboseala se executa pe epruvete si masini de incercare speciale, in care materialul metalic este supus actiunii unor forte variabile ca marime si sens de actiune, aplicate ciclic (repetat, periodic), timp indelungat. Cel mai frecvent se aplica incovoierea ciclica (rotativa), in cursul careia epruveta este supusa la cateva sute de mii sau milioane de rotatii (cicluri). in cursul fiecarui ciclu, epruveta este solicitata periodic la intindere (+σ) si compresiune (-σ) , deci are o solicitare variabila. Incercarea se executa pana cand epruveta se rupe. Variind tensiunile maxime aplicate (varfurile de tensiune + σmax si - σmax, alese in asa fel incat (max | < σc ) se determina numarul de cicluri pana la rupere.

De regula, numarul de cicluri este cu atat mai mic cu cat varfurile de tensiune sunt mai mari. Pe aceasta cale, se determina rezistenta la oboseala prin incovoiere rotativa, notata r-1n si reprezenta tensiunea la care epruveta se rupe dupa N cicluri.

in figura 4.2, se reprezinta - schematic - variatia tensiunilor in timpul incercarii la oboseala prin incovoiere rotativa simetrica si modul de trasare a curbei de oboseala in coordonate σ - N, din care se deduce rezistenta la oboseala.

 


Multe organe de masini functioneaza in conditii de solicitare la oboseala: roti dintate, arbori cotiti, biele s.a. Ele trebuie sa functioneze la tensiuni de lucru σ < R-1, pentru a fi siguri ca durata de functionare va depasi zeci de milioane de cicluri.

e) Deformabilitatea se determina prin metode specifice fiecarui procedeu de deformare. De exemplu, capacitatea de forjare (forjabilitatea) se determina prin metoda refularii, care consta in turtirea -prin presare lenta sau prin soc - a unei probe cilindrice cu inaltimea intiala h0 si diametru initial d0, pana la o inaltime finala hf < h0 si un diametru final d1 < d0, dinainte stabilite.

In urma incercarii, proba refulata nu trebuie sa prezinte fisuri sau crapaturi pe suprafata laterala.

e.1 Daca in procesul de fabricatie se foloseste ca operatie de prelucrare, indoirea la rece (pentru a forma virole, coturi sau borduri), semifabricatul (de regula, tabla laminata) se supune incercarii de indoire pe dorn, care consta in plierea tablei in jurul unui dorn cilindric cu diametrul d < a (a este grosimea tablei); capacitatea de indoire este exprimata prin unghiul a la care, pe partea intinsa a probei apar fisuri cnform fig. 4.3. e.2). in multe aplicatii practice, se cere ca, la aceasta incercare, tabla sa nu se fisureze la unghiul a = 180 (la plierea completa pe dorn).

Deformabilitatea la rece se mai poate determina si prin metoda indoirilor alternante, care consta in indoirea in ambele sensuri, la unghiul de 90 a unei probe (sarma, banda, tabla subtire) prinse intr-o menghina e.3; capacitatea de indoire se exprima prin numarul de indoiri alternante pana la rupere.

Trecerea de la deformatia elastica la cea plastica are loc treptat pe portiunea ec, unde se produce o deformatie remanenta de 0.2%, corespunzatoare limitei de curgere. Curbele caracteristice tensiune-deformatie pentru cateva materiale metalice sunt diferite si sunt date in fig. 4.4.

Materialele metalice, datorita defectelor reticulare si structurale au o rezistenta la rupere de 102 103 ori mai mica, decat rezistenta teoretica. Considerand o retea metalica cristalina ideala, in care ionii au sarcina electrica e = 5. 10 10 u.e.s. si sunt situati pe distanta r = 2. 103 cm, si asupra careia actioneaza forta de tractiune F, intre ioni va lua nastere o forta de interactiune care se opune ruperii : F e2/r. Fiecare ion ocupa suprafata aproximativ egala cu r2, deci forta exercitata de ion pe unitatea de suprafata va fi:

dyne/cm2=104 daN/mm2

in realitate, rezistenta la rupere are valori de ordinul 10102 daN/mm2.

Diferenta se explica prin faptul ca, defectele reticulare si structurale apar pentru ca o parte a atomilor din sectiunea de rupere participa si se opun ruperii.

Acest lucru este dovedit experimental. Masurand rezistenta la rupere a fibrelor metalice in a caror sectiune foarte mica sunt putine defecte, se obtin valori foarte mari ale rezistentei la rupere, comparativ cu acelasi material, dar cu sectiune mare.

f) Elasticitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma sub actiunea solicitarilor interne si externe si a reveni la forma si dimensiunile initale dupa eliminarea solicitarilor.

Limita elastica este tensiunea corespunzatoare unei deformatii specifice permanente foarte mici de 0,010,03 % (pentru oteluri 0,01 %). in cadrul limitei elastice se considera proportinalitatea dintre efortul si deformatia data de legea lui Hooke σ = E ε, respectiv τ= G γ, unde E si G sunt modulele de elasticitate longitudinal si transversal iar e si y sunt deformatiile linara (alungire), respectiv unghiulara (lunecare) specifice. Pe langa constantele E si G, care caracterizeaza elasticitatea unui material, mai exista v - coeficientul Iui Poisson (de contractie transversala), dat de raportul dintre deformatia in directie transversala si cea in directie longitudinala, legate intre ele prin relatia :

G=E/2(1+ν)

Pentru majoritatea materialelor metalice policristaline, v= 0,33.

Modulul de elasticitate longitudinal E caracterizeaza fortele de
legatura interatomice, cre reprezinta o masura a fortei necesare pentru deplasarea atomilor unul in raport cu celalalt. El este putin influentat de factorii structurali si este o masura a rigiditatii materialelor metalice (proprietatea de a se opune deformatiilor elastice). Cel mai rigid material este cesiul cu E = 56 000 daN/mm2, apoi Wolframul cu numai E = 42 000 daN/mm2; iar cel mai putin rigid este plumbul cu E = 1 800 daN/mm2. Aliajul dur
sintetizat (94% WC si 6% Co) are E = 70 000 daN/mm2, iar otelurile au E = 21 000 daN/mm2.

Un material metalic se apreciaza din punct de vedere elastic, nu numai dupa valoarea modulului de elasticitate, ci si dupa capacitatea de a absorbi energie pe unitatea de volum care este necesara pentru a deforma elastic materialul de la tensiunea 0 la limita de curgere :

Uecε / 2=σc2 / 2E

Deci, un material pentru a suferi o deformatie elastica mare (materiale pentru arcuri), trebuie sa aiba limita de curgere mare si modulul de elasticitate mic..

g) Plasticitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma la volum constant fara produceri de fisuri. Se caracterizeaza prin alungirea la rupere An = s .100% (n - factor dimensional, care si in cazul epruvetelor de tractiune uzuale este dat de raportul L/d si gatuirea la rupere Z 100%, unde Ψ este gatuirea specifica; Ψ=ΔS/S,=(Si - Sf)/Si, (Si si Sf - sectiunea intiala si finala a epruvetei).

in domeniul deformarii plastice, pana la aparitia gatuirii ,curbele reale tensiune - deformatie sunt date de relatia :

σ=K.εn

in care K este coeficientul de rezistenta si n - coeficientul de ecruisare. Foarte plastice sunt: plumbul , cuprul, aluminiul, aurul, argintul, nichelul, fierul, otelul moale, alama si bronzurile monofazice etc, toate fiind materiale cristalizate in sistemul cubic cu fete centrate.

Superplasticitatea unor materiale metalice este capacitatea acestora de a se deforma plastic foarte mult si uniform fara sa se rupa. Aceste materiale prezinta alungiri mai mari de 2 000%, deformandu-se la tensiuni mici.Materialele superplastice prezinta sensibilitate mare la viteza de deformare. intre limita de curgere σe si viteza de deformare ds/dt exista relatia:

σe=K (dε / dt)m

in care K este o constanta, iar m este coeficientul de sensibilitate la viteza de deformare, care pentru materialele plastice este de 0,2 - 0,3, iar pentru cele superplastice este de 0,60,9.

Superplasticitatea se intalneste la aliajele metalice care indeplinesc una din conditiile: contin graunti foarte mici (sub 0,01 mm), acestea sunt superplastice la viteze mici de deformare 103 S 1 si la temperaturi mari (0,70,8) . Tp K; au transformari cu difuzie in stare

solida; Superplastice sunt urmatoarele materiale metalice:

-    Zn-Al cu 22 % Al, la 200 260C, cu 0,001 0,002 mm marimea grauntelui si coeficientul de sensibilitate m = 0,5;

-    Al-Cu cu 33 % Cu la 440 500C, cu 0,001 0,002 mm marimea grauntelui si m= 0,9;

-    aliaje complexe de Al cu 1,21,9 % Cu; 1,92.6 % Mg; 5,26,2 % Zn; max. 0,006 % Mn; max. 0,1 % Si max. si 0,12 % Fe;

-    aliajele de titan cu 5,66,5 % Al; 3,54,5% V; max. 0,3 % Fe; max. 0,2% O2; max. 0,8% C; max. 0,05 % Ni; max. 0,015% H2.

h) Tenacitatea este proprietatea materialelor metalice de a absorbi energie prin deformare plastica, adica de a se deforma mult inainte de rupere. Implica atat rezistenta mecanica, cat si plasticitate. Tenacitatea poate fi statica, fiind egala cu suprafata de sub curba tensiune-deformatie si dinamica, obtinuta prin incercarea de rezilienta (incovoiere prin soc pe epruvete cu crestatura). Tenace sunt : cuprul, aluminiul, otelul moale, alamele si bronzurile bifazice etc.

i) Fragilitatea este proprietatea materialelor metalice da a se rupe brusc sub actiunea solicitarilor, fara a suferi in prealabil deformatii plastice. Fragilitatea este o caracteristica relativa, ea fiind in functie de temperatura la care are loc solicitarea. Astfel, sunt materiale fragile la temperatura ambianta si plastice la temperaturi inalte (wolframul, otelul dur, alamele si bronzurile bifazice). In general, sunt fragile materialele cu duritate mare si rezilienta mica (fonta alba si cenusie, otelurile calite etc). Materialele fragile nu prezinta fenomenul de curgere si nici de gatuire.

j) Curgerea plastica este proprietatea materialelor metalice de a se deforma plastic continuu sub actiunea unei sarcini constante (portiunea cd a curbei tensiune-defrmatie).

Curgerea plastica este caracterisica la toate materialele tenace.

k) Fluajul, numit si curgere lenta, este proprietatea materialelor metalice de a se deforma lent, continuu si progresiv in timp, sub actiunea unei sarcini constante. Fluajul se accentueaza cu crestera temperaturii.Limita tehnica de fluaj este tensiunea constanta maxima pentru care la temperatura de lucru (peste 450500C), dupa timpul t, nu se depaseste o anumita deformatie specifica e, iar rezistenta la rupere la fluaj (rezistenta de durata) este tensiunea maxima constanta care la temperaturi de peste 500C provoaca ruperea dupa un timp dat (103105h).

Timpul de actiune al sarcinii asupra deformarii plastice are o influenta neglijabila cand Tu < 0,4Tf pentru metale pure si Tu 0,5 T? pentru aliaje metalice (Tu si Tf sunt temperaturile de utilizare si topire) Fluajul este proprietatea de baza a matrialelor metalice termostabile si refractare.

Curba teoretica de fluaj ε = f (t), sub sarcina constanta (1) si sub tensiune constanta (2), este data de fig. 4.5. Portiunea AB corespunde fluajului tranzitoriu, portiunea BC, fluajului stabilizat cu viteza de fluaj constanta, iar CD, fluajului accelerat iar in punctul D are loc ruperea epruvetei prin gatuire. Forma curbei de fluaj depinde de temperatura si de sarcina sau tensiunea de incercare; cu cat acestea sunt mai mari, cu atat apare mai devreme fluajul accelerat si invers. La temperaturi scazute Tu < (0,40,5). T1f cand difiuzia este neglijabila si fluajul este numit tranzitoriu, fiind fluaj logaritmic ε = αLg t.

l) Duritatea reprezinta rezistenta opusa de un corp la patrundere in masa sa a unor corpuri mai tari si nedeformabile care se numesc penetratoare. Este proprietatea care se determina cel mai rapid si cel mai frecvent in practica industriala, evdentiind efectul tratamentelor termice, termochimice, termodinamice, mecanice asupra materialelor metalice. In functie de metodele de incercare duritatea poate fi: Brinell (HB), Rockwell (HRC, HRB), Vickers (HV), microduritatea sau duritatea Vickers cu microsarcini MHV, Rockwell (HRC), Shore (HS), Poldi etc.

La executarea incercarii de duritate trebuie sa se aiba in vedere urmatoarele principii:

-     penetratorul trebuie sa aiba o duritate mult mai mare, in raport
cu corpul de incercat;

-     marimea sarcinii care actioneaza asupra penetratorului trebuie
sa fie astfel aleasa, incat sa nu se produca decat o deformare strict
locala, intr-o zona pe suprafata piesei;

-       suprafata de asezare a piesei si cea pe care actioneaza
penetratorul trebuie sa fie paralele;

-inainte de executarea incercarii de duritate se va verifica corecta functionare a apatatului cu ajutorul placutelor cu duritate etalon;

- calitatea suprafetelor pieselor trebuie sa asigure o citire corecta.

Principalele metode uzuale pentru incercarea duritatii pieselor metalice se bazeaza pe determinarea dimensiunilor amprentelor, sau prin citirea directa a duritatii materialului incarcat cu anumite sarcini.

A. Incercarea duritatii dupa metoda Brinell.

Schematic duritatea Brinell se realizeaza conform fig 4.6.

Asa cum se observa in fig. 4.6 sarcina F(62,5-3000dan/mm2) actioneaza asupra penetratorului 1, care este o bila din otel cu diametrul D 2,5-5-10mm . Sarcina actioneaza asupra bilei un timp limitat. Ca urmare a acestei actiuni, pe piesa ramane amprenta (urma) bilei cu diametrul d si adancimea h.

Relatia care exprima valoarea duritatii Brinell este prezentata mai jos:

HB=F/Dh=2F/D(D-)

Aceasta relatie se aplica pentru domeniul duritatilor de la 2, 3 pana la 601.

Diametrul urmei este media aritmetica a doua diametre perpendiculare ale acesteia. Diferenta dintre cele doua diametre nu va depasi 2%; in caz contrar incercarea se va relua.

Bila poate fi din otel, cand duritatea acesteia este 800 (HB) sau din carburi de wolfram (HBW).

Intre sarcina de apasare F si patratul diametrului bilei D exista relatia (grad de solicitare):

F = K D2

in care: F - sarcina care actioneaza asupra penetratorului (daN sau kgf);

D - diametrul bilei (penetrator) in mm.

Duritatea Brinell se exprima simbolic prin HB 5/750/15, unde:

HB este duritatea Brinell;

5 - diametrul bilei utilizate (mm);

750 - sarcina care actioneaza asupra penetratorului (kgf sau daN);

15 - timpul de aplicare al sarcinii (secunde).

Prin HB se exprima duritatea executata cu bila de 10mm si sarcina de 3000 kgf (duritatea Brinell normala).

In cazul incercarii materialelor cu elasticitate mare, cum ar fi masele plastice, cand urma nu ramane cu o deformatie permanenta, aparatele pentru incercarea de duritate sunt prevazute cu un comparator care masoara adancimea h de patrundere a bilei in materialul de incercat.

Intre valoarea duritatii Brinell si rezistenta la rupere la tractiune exista relatia:

σr