Materiale Utilizate In Tehnica Militara

CUPRINS

INTRODUCERE

1. MATERIALE UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ

1.1. Metale și aliaje feroase

1.2. Metale și aliaje neferoase

1.2.1. Aluminiul și aliajelor sale

1.2.2. Aliaje neferoase grele

1.2.3. Utilizarea altor metale neferoase în tehnică

1.3. Materialele nemetalice

1.4. Nanomateriale

1.5. Materiale compozite

1.5.1. Domenii de utilizare ale materialelor compozite

1.5.2. Materiale compozite cu proprietăți special utilizate în industria aerospațială

2. PROPRIETĂTII ALE MATERIALELOR UTILIZATE IN TEHNICA MILITARĂ

2.1. Proprietăți funcționale

2.1.1. Proprietățile fizice

2.1.2. Proprietățile chimice

2.1.3. Proprietățile mecanice

2.1.4. Proprietăți electice

2.1.5 Proprietățile magnetice

2.2. Proprietăți tehnologice

2.3. Proprietăți economice

3. MATERIALE CU MEMORIA FORMEI UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ

3.1. Aspecte generale privind materialele moderne

3.2. Materiale inteligente

3.3. Materiale cu memoria formei

3.3.1. Aplicatii ale materialelor cu memoria formei

3.3.1. Materiale electrostrictive și magnetostrictive

3.3.2. Materiale electroreologice și materiale magnetoreologice

INTRODUCERE

Baza dezvoltării tehnicii civile,dar și militare a constituit-o în cea mai mare măsură materialele metalice și nemetalice,structura și proprietățile acestora constituind surse experimentale și inepuizabile.

La început oamenii pentru a-și construi arme au utilizat materiale anorganice precum pământul și piatra,astfel oameni din epoca pietrei și-au ales materialele naturale pe care le-au găsit pentru a-și confecționa unelte și arme, dar după ceva timp a ajuns la putere materialele de ordin metalic, ele fiind foarte mult timp utlizate fară întrerupere.

Dezvoltarea rapidă a tehnicii începând cu secolul XIX, conflictele armate precum și amplele mișcări sociale care au caracterizat secolul XX încă din primele decenii, au determinat apariția și diversificarea protecției individuale prin vestă antiglonț, cască de protecție, ș.a., impunându-se totodată în mod substanțial și implicarea industriei constructoare de mașini în dotarea structurilor militare cu mașini de intervenție și tehnică de luptă, dotate corespunzător pentru a asigura protecția luptătorilor.

Țarile cu un buget destul de ridicat și cu o economie prosperă oferă fonduri pentru ca puterea militară să prospere și să aibă un grad destul de ridicat deoarece orice armată pentru a-și putea indeplini o misiune oricare ar fi ea,de pace sau de război trebuie să aibă la dispoziție tehnică și echipamente de ultimă generație.

Cerințele impuse materialelor destinate realizării echipamentelor militare sunt din ce în ce mai ridicate având in vedere necesitatea utilizării acestora într-un mod cât mai eficient, astfel devine necesar cautarea unor noi materiale care să satisfacă această problemă.

Astfel ca argument al alegerii acestei teme pot invoca actualitatea ei, și potențialul deosebit pe care îl au materialele moderne la dezvoltarea societății în general și echipamentelor militare din forțele terestre în caz particular.

Din marea diversitate de materiale care pot intra în compunerea echipamentelor militare, în această lucrare voi prezenta principalele materiale folosite de-a lungul timpului și proprietățile lor după care vom intra în lumea materialelor moderne sau celor care au revoluționat intr-un fel noile echipamente prin îmbunătațirile pe care le-au adus.

Din punct de vedere structural lucrarea de față este alcătuită din cinci capitole debutând cu aspecte teoretice pe fundamentul cărora în final am întreprins un studiu privind proiectarea și simularea unor componente realizate din materiale moderne.

Primul capitol al lucrării intitulat “Materiale utilizate în tehnica militară” cuprinde clasificarea materialelor și aspecte generale privind utilizarea lor, precum și a caracteristicile care le definesc.

În cel de-al doilea capitol al lucrării sunt prezentate principalele proprietății ale materialelor utilizate în tehnică.

Cel de-al treilea capitol reprezintă baza acestei lucrări, prin intermediul căruia am pus în evidență utilitatea materialelor inteligente în tehnică, prin referire la materialele cu memoria formei.

MATERIALE UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ

Metale și aliaje feroase

Cele mai vechi, mai studiate și mai utilizate aliaje ale fierului sunt cele bazate pe sistemul binar Fe-C, respectiv oțelurile și fontele obișnuite cât și aliate, cu prelucrări, structuri și proprietăți deosebite sau speciale.

Cel mai important loc în producția mondială îl ocupa oțelurile,aproximativ 500 de milioane tone anual, următoarele fiind aliajele aluminiului (13 milioane tone anual), și cele ale cuprului (9 milioane tone anual).[1]

Circa 75% din totalul pieselor executate și utilizate în tehnica; militară sunt realizate din oțeluri și fonte.

Oțelurile sunt aliaje fier-carbon cu un conținut de carbon cuprins între 0,02 și 2.11% acestea fiind clasificate după cum urmează:

După conținutul de carbon:

oțeluri hipoeutectoide (conțin pănă la 0,77% C );

oțeluri eutectoide (conțin 0,77% C );

oțeluri hipereutectoide (conțin între 0,77 % C și 2,11 % C );

Din punct de vedere al gradului de aliare:

oțeluri carbon;

oțeluri slab aliate;

oțeluri mediu aliate;

oțeluri înalt aliate.

Din punct de vedere al duritații:

oțeluri extra moi (%C<0,2);

oțeluri moi (0,2-0,3%C);

oțeluri semidure (0,4-0,6%C);

oțeluri dure (0,6-0,9%C);

oțeluri extra dure (0,9-1,3%C),iar cele %C>1,3% nu prezintă interes din

punct de vedere tehnic.

Din punct de vedere al destinației de utilizare și al tratamentelor care se aplică:

oțeluri pentru carburare (<0,25%C);

oțeluri de îmbunătățire (0,25 – 0,65%C);

oțeluri carbon de scule (0,7 – 1,3%C).[1]

Oțelurile reprezintă materiale tehnice de rezistență care nu pot fi înlocuite de alte materiale întrucât prezintă o serie dezavantaje cum ar fi :

rezistență mecanică mare ;

se pot folosi la temperaturi relative mari;

interval foarte larg al valorilor proprietăților mecanice (rezistență la rupere, plasticitate,

tenacitate) și valori acceptabile pentru rezistența la uzură si la coroziune;

se pretează la tehnologii de fabricație simple, putându-se turna, deforma la rece și la cald,

suda și prelucra prin așchiere ;

preț de cost relativ redus;

își pot modifica proprietățile în limite largi prin procedee de aliere, microaliere.

Folosirea oțelurilor în tehnica militară a apărut pentru prima dată în construcția plăcilor protectoare (blindaj) acestea fiind din oțel-carbon obișnuit, care însă nu asigurau o bună rezistență la impactul cu proiectilul observându-se în figura 1.1. și figura 1.2.

Fig.1.2. Efectul lovituri proiectilelor pe placă de oțel [2].

Creșterea puterii de foc a artileriei a determinat în scurt timp luarea unor măsuri în ceea ce privește protecția prin blindaj, fapt care a dus la o creștere a grosimii plăcilor.

Mijloacele protejate de asemenea blindajele deveneau însă din ce în ce mai grele, mai dificil de manevrat, mai puțin mobile. Era deci necesar să se reducă grosimea blindajelor, adică să se fabrice dintr-un oțel mai rezistent. Totodată, s-au încercat noi metode de așezare a plăcilor de blindaj, pentru creșterea și pe această cale a eficacității protecției. Astfel, apar blindajele formate din două plăci suprapuse: o placă exterioară (călită) cu duritate ridicată și o alta interioară din oțel moale.

Ulterior rezistența blindajelor a crescut cu încă 20-30% prin folosirea în anul 1893 a plăcilor cementate din oțel aliat cu nichel.

Oțelurile cu nichel, autotrampante, după cementare erau călite prin răcire în aer iar oțelurile cu nichel carburate nu mai aveau nevoie de cementare, călirea unică a acestora din urmă reclamând o temperatură de încălzire cu mult inferioară aceleia ce ar fi trebuit realizată pentru regenerarea miezului oțelurilor puțin carburate și supuse cementației. Este cunoscut faptul că influența wolframului ca element de aliere este aproape identică cu cea a molibdenului; la proporție egală cel din urmă acționând mai energic decât cel dintâi.[1]

Wolframul, ca și molibdenul, produc o carbură dublă de îndată ce ating procentele respective din oțelurile binar; această carbură nu influențează caracterul micrografic al structurii, acesta fiind influențat numai de proporția de nichel. Oțelurile utilizate sunt cele care nu conțin carburi. Acestea au cel mult 5% W sau Mo.[1]

Oțelul cu Ni și W, mai puțin fragil decât cel cu Ni și Cr, are calitatea de a rezista în mod deosebit la lovituri repetate aplicate în acelși punct. Acest tip de oțel a fost foarte utilizat de către amiralitatea germană.

Fontele sunt aliaje ale fierului cu carbonul cu conținut mai mare de 2 %. Sunt considerate aliaje nedeformabile, întrucât este prezent in structură compusul Fe3C dur și fragil, dar și grafitul nemetalic, după cum carbonul se regăsește legat sau liber, iar structura fontelor se formează pe diagrama Fe -C sau Fe -Gr. Denumirea fontelor se va face de asemenea după același criteriu , în albe dacă tot C este legat în compus, cenușii dacă au carbonul total sub formă de carbon legat în cementite (Cleg…8 % ) și carbon liber sub formă de grafit sau chiar pestrițe dacă se regăsește C sub ambele forme (Cleg fiind însă numai 2…4 %).[3]

Se obțin din fontele cenușii, albe sau maleabile prin aliere sau tratamente termice. Din această categorie se pot aminti:

fonte antifricțiune: proprietățile antifricțiune depind de forma și cantitatea incluziunilor de

grafit, care au proprietatea de a absorbi lubrifiantul și a-l menține pe suprafețele în frecare, de raportul dintre ferită și perlită precum și de prezența eutecticului fosforos în structură;

fonte rezistente la uzare: sunt fontele cu crustă dură;

fonte de înaltă rezistență mecanică: aliate cu Ni, Cr, V, Mo;

fonte refractare: cu conținut ridicat de Cr, Ni;

fonte anticorosive: aliate cu Si, Cr, Ni, Cu;

fonte cu proprietăți magnetice.

Cu toate că nu au o întrebuințare deosebită în tehnica militară, este bine să amintim fontele deoarece unele dintre ele se apropie ca proprietăți de cele ale oțelurilor.

Fontele aliate sunt fontele care conțin cantități mai mari decât cg|g normale pentru elementele: Mn, Cr, V, Ti, Mo, Si, Al, Cu, Ni etc. în acest caz devin elemente de aliere.

Elementele de aliere influențează în general masa metalică de bază, finisându-i structura, ridicând astfel proprietățile mecanice precum fi forma de separare a carbonului. Acestea pot fi:

carburigene: Mn, Cr, V, Ti și Mo care formează carburi și îfavorizează separarea carbonului sub formă de cementită;

grafitizante: Si, Al, Cu și Ni care favorizează separarea carbonului sub formă de grafit.

Cele mai întâlnite elemente de aliere în cazul fontelor sunt: Cr, Mo, Si, Cu și Ni.

Cromul formează carburi de crom și duce la obținerea unei perlite fine în masa metalică de bază, ceea ce are ca efect creșterea durității, rezistenței la rupere și rezistenței la uzare. Alături de crom, care se găsește de obicei în fontele aliate între 0,2…0,3%, se introduc cupru sau nichel, elemente cu efect grafitizant, pentru a contracara tendința de înălbire a suprafeței fontei ce reprezintă un inconvenient deoarece îngreunează prelucrabilitatea prin așchiere a acesteia.[1]

Fontele refractare (rezistente și stabile la temperaturi ridicate) sunt fonte speciale bogat aliate cu Cr, care conțin 15%Cr și 1,8%C sau 30%Cr și 1,8%C, deci nu pot fi considerate ca fiind fonte cenușii.

Molibdenul, când este asociat mai ales cu nichel sau cupru, conduce la obținerea unei mase metalice de bază bainitică, structură cu proprietăți superioare. O astfel de fontă cu 1%Mo și 2%Ni are rezistența la rupere de 35 – 50 daN/mm2. Aceste fonte se mai numesc și fonte aciculare după aspectul la microscop al bainitei și a grafitului lamelor. Molibdenul ridică rezistența la șoc termic a fontelor cenușii.[1]

Siliciul este un element grafitizant care dacă se află într-o cantitate mai mare de 3% este considerat element de aliere. Acesta se adaugă în fonte în scopul creșterii refractaritățiistenței la uzare. Alături de crom, care se găsește de obicei în fontele aliate între 0,2…0,3%, se introduc cupru sau nichel, elemente cu efect grafitizant, pentru a contracara tendința de înălbire a suprafeței fontei ce reprezintă un inconvenient deoarece îngreunează prelucrabilitatea prin așchiere a acesteia.[1]

Fontele refractare (rezistente și stabile la temperaturi ridicate) sunt fonte speciale bogat aliate cu Cr, care conțin 15%Cr și 1,8%C sau 30%Cr și 1,8%C, deci nu pot fi considerate ca fiind fonte cenușii.

Molibdenul, când este asociat mai ales cu nichel sau cupru, conduce la obținerea unei mase metalice de bază bainitică, structură cu proprietăți superioare. O astfel de fontă cu 1%Mo și 2%Ni are rezistența la rupere de 35 – 50 daN/mm2. Aceste fonte se mai numesc și fonte aciculare după aspectul la microscop al bainitei și a grafitului lamelor. Molibdenul ridică rezistența la șoc termic a fontelor cenușii.[1]

Siliciul este un element grafitizant care dacă se află într-o cantitate mai mare de 3% este considerat element de aliere. Acesta se adaugă în fonte în scopul creșterii refractarității.

Fontele bogat aliate cu siliciu (14%Si, 0,4-1 %C, 0,3-0,5%Mn) sunt fonte speciale care au proprietăți antiacide,[1] fiind rezistente la coroziunea acidului sulfuric și acidului azotic și se mai numesc și duriron.

Nichelul este un element grafitizant, cu efect de stabilizare asupra austenitei, care face ca transformarea acesteia în perlită să se producă la temperaturi mai mici. În acest fel se obține o perlită fină cu proprietăți mecanice mai ridicate. Acest element duce la creșterea durității, rezistenței la rupere și a rezistenței la uzare a fontei.[1]

Cuprul are un puternic efect antiferitizant care, în timpul răcirii în domeniul temperaturii eutectoide, reduce la minim cantitatea de ferită din masa metalică de bază, eliminând apariția punctelor moi – feritice, ca și formarea punctelor dure – carburi libere. Alierea cu Cu duce la obținerea unei mase metalice de bază perlitice omogenă cu proprietăți ridicate.

Prin alierea fontelor cu 2% Cu se obține o creștere de duritate și rezistență la rupere prin tracțiune mai mare cu aproximativ 10%, precum și o ameliorare a rezistenței la uzare și la coroziune.

Fontele antifricțiune fac parte din categoria fontelor cu proprietăți speciale. Proprietățile antifricțiune ale fontelor cenușii depind atât de cantitatea și forma incluziunilor de grafit, cât și de raportul dintre ferită și perlită în masa metalică de bază. Incluziunile de grafit au proprietatea de a absorbi lubrifiantul și de a-l menține pe suprafața de frecare.[1]

Pentru lagărele ce lucrează cu arbori netratați termic ponderea perlitei trebuie să depășească 60%, iar pentru lagăre ce lucrează îri pereche cu arbori din oțel călit sau normalizat ponderea perlitei în masa metalică de bază trebuie să fie peste 85%. Fontele cenușii cu conținut ridicat de fosfor (0,3-0,5%) se utilizează pentru executarea segmenților pistoanelor din motoarele cu ardere internă deoarece fosforul crește fluiditatea fontei și permite turnarea acestor piese cu pereți subțiri.[1]

Metale și aliaje neferoase

În tehnică sunt cunoscute un număr foarte mare de elemente chimice cu caracter metalic. Cu toate acestea, practic se utilizează un număr redus de metale și aliaje neferoase.

Folosirea acestor materiale depinde de următorii factori:

răspândire largă în natură;

extragere relativ ușoară;

rezistență bună la coroziune;

prelucrare ușoară prin turnare, deformare plastică și așchiere;

caracteristici fizice deosebite cum ar fi: conductibilitate electrică și termică bune;

greutate specifică mică;

aspect plăcut;

rezistență satisfăcătoare la rupere.

Aliajele nu se obțin din metale pure din două motive majore și anume: metodele actuale de rafinare nu permit eliminarea completă a impurităților și prețul de cost foarte mare care ar rezulta în urma folosirii unor metale de puritate avansată.[1]

Din aceste considerente se poate face o primă clasificare a metalelor după gradul de puritate, astfel:

puritate tehnică:

scăzută 95 – 99% ;

medie 99 – 99,9%;

puritate chimică:

ridicată 99,9 – 99,99%;

înaltă 99,99 – 99,999%;

puritate spectrală: >99,999%;

puritate fizică: metalele conțin sub o milionime elemente străine și sunt cât mai lipsite de

imperfecțiuni structurale.[1]

În general metalele propriu-zise au durități mici și plasticități mari și nu pot răspunde necesităților foarte variate ale tehnicii care adesea cer asocieri de proprietăți optime. Pentru a elimina acest inconvenient, cel mai frecvent se folosesc aliajele. Un aliaj se caracterizează prin compoziția chimică, structură și proprietăți. Elementele chimice care intră în compoziția aliajului se numesc componenții aliajului.[1] Aliajele formate din componenți dați la care variază proporția acestora formează un sistem de aliaje.

Aliajele neferoase rezultate în urma combinării celor 82 de metale neferoase și a câtorva nemetale și semimetale se clasifică după următoarele criterii:

după natura metalului de bază, aliaje cu bază de Al, cu bază de Cu, cu bază de Ni etc.;

după numărul elementelor de aliere, aliaje binare, ternare, cuaternare și complexe;

după conținutul în elemente de aliere:

slab aliate cu un conținut de elemente de aliere < 2,5%;

mediu aliate cu un conținut de elemente de aliare cupins între 2,5 – 10%;

bogat aliate, cu un conținut de elemente de aliere >10%;

după greutatea specifică:

aliaje neferoase grele cu p > 4000Kg/m3;

aliaje neferoase ușoare cu p< 4000Kg/m3;

după structură:

aliaje neferoase cu structură monofazică;

aliaje neferoase polifazice;

după destinație și proprietățile de utilizare:

mecanice;

fizice;

chimice;

după tehnologiile de prelucrare:

aliaje de turnare;

aliaje deformabile;

aliaje deformabile și tratabile termic;

prealiaje;

după natura elementelor însoțitoare:

impurități neutre care nu dăunează structurii și proprietăților aliajului;

impurități nocive care înrăutățesc proprietățile și structura și trebuie evitate.[1]

Proprietățile aliajelor depind de procentul și proprietățile metalelor care le alcătuiesc, precum și de modul de prelucrare. Proprietățile aliajelor pot fi clasificate astfel:

proprietăți sensibile structural: rezistență mecanică, rezistență la coroziune, rezistivitate electrică, proprietăți magnetice, acestea fiind determinate de compoziția lor chimică și de structura atomică;

proprietăți insensibile structural: temperatura de topire, căldura latentă de topire, căldura de formare a oxizilor, greutate specifică, fiind determinate de natura și proporția componentelor.

Aluminiul și aliajelor sale

Aluminiul și aliajele pe bază de aluminiu intră în categoria aliajelor ușoare și supraușoare, aluminiul fiind cel mai răspândit metal din scoarța pământului (aproximativ 7,5%), negăsindu-se în natură în stare pură, ci sub formă de combinații, din care se poate extrage cu un mare consum de energie. Caracteristicile lui mecanice sunt relativ scăzute (duritate în jurul a 30-45HB, rezistența la rupere în jurul a 13 daN/mm2), având insă o plasticitate ridicată, exprimată printr-o alungire la rupere ridicată, de aproximativ 45%. Datorită plasticității sale ridicate, aluminiul este utilizat la fabricarea tablelor, benzilor și profilelor. Semifabricatele din aluminiu se prelucrează bine prin laminare, trefilare, ambutisare și extruziune [1].

Este cunoscută importanța deosebită a aluminiului în tehnică. Nu este nici o ramură a industriei modeme care să poată exista și să se poată dezvolta fără aluminiu și aliajele sale sub formă de piese turnate, forjate, matrițate, de tablă, de benzi, folii, sârmă, profile etc.

Aluminiul, ca metal pur, se utilizează ca material de placare pentru protejarea metalelor de coroziunea atmosferică, la confecționarea de robinete pentru utilaje din industria chimică, pentru cabluri electrice, ca material pentru confecționarea condensatoarelor electrice, pentru oglinzi reflectoare la telescoape etc.

Aluminiul are un rol însemnat în industria oțelului unde se folosește nu numai ca dezoxidant, dar și ca adaos de aliere la oțelurile refractare, precum și la sudarea cu termit. Având afinitate mare față de oxigen, aluminiul sub formă de pulbere este reducător energic și de aceea el se utilizează în aluminotermie și pirotehnie.

În vederea îmbunătățirii proprietăților sale mecanice, aluminiul se aliază cu diferite elemente de aliere cum sunt Cu, Si, Mg, Mn, Fe, I Ni, Zn și altele.

Aluminiul și aliajele aluminiului au și proprietăți de turnare bune, câteva dintre aceste proprietăți fiind:

greutatea specifică prezintă interes datorită valorilor mici;

temperatura de topire a aluminiului pur (99,996%) este de 660,24°C, cea a aluminiului tehnic (99,2%) de 657°C, iar a aluminiului rafinat (99,9%) este de 659,8°C;

rezistivitatea electrică a aluminiului variază sensibil în funcție de gradul de puritate, de

starea materialului (turnat, ecruisat și recopt) fiind o caracteristică foarte sensibilă în funcție de structură și temperatură [1];

Aluminiul a fost folosit in diverse combinații la vehicule și tancuri ușoare, conferă rezistență mecanică și greutate mică, dar este puțin rezistent la incendii sau la anumite tipuri de proiectile perforante (figura 1.3.).

În tehnica militară sunt folosite aliaje ale aluminiulului cu siliciul, sau siluminuri, dar doar cu o concentrație de 10 – 12% Si. Se utilizează pe scară largă în construcțiile aeronautice, pentru realizarea carcaselor aparaturii de bord.

Prezintă proprietăți de turnare foarte bune, având în stare topită o fluiditate ridicată, iar după solidificare o retasură neînsemnată.

Un alt aliaj al aluminiului utilizat pe scară largă este duraluminiul. Duraluminiul face parte din categoria aliajelor laminabile, care pot fi durificate prin tratamentul termic de călire, urmată de îmbătrânire. Duraluminiul este un aliaj polinar, care, pe lângă Al mai conține Cu, Mg, Mn, Si și Fe.

În funcție de conținutul în cupru și magneziu, aliajele de tip duraluminiu se clasifică astfel:

slab aliate (2,2-4,5%Cu; 0,2-0,5%Mg; 0,2-0,5%Mn);

mediu aliate (3,8-4,8%Cu; 0,4-0,8%Mg; 0,4-0,8%Mn);

înalt aliate (2,6-5,2%Cu; 0,6-2,7%Mg; 0,3-0,9%Mn) [1]

Aliaje neferoase grele

Aliajele neferoase grele sunt aliajele cuprului, aliaje care au masa specifică mai mare de 4 g/cm3. Cuprul și aliajele sale au, după aliajele Fe-C și aliajele de aluminiu, cea mai largă întrebuințare în tehnica militară. Aceasta datorită faptului că, prezintă o serie de proprietăți tehnice foarte importante, ca de exemplu: plasticitate ridicată, conductibilitate termică și electrică mare și o bună rezistență la coroziune [1].

Cuprul are temperatura de topire de 1083°C, are proprietăți fizico-chimice deosebite, conductibilitate termică și electrică foarte mare, o foarte bună plasticitate, o rezistență deosebit de bună la coroziune atât în atmosferă, gaze de combustie cât și în agenți organici și o densitate de 8,96 g/cm3[1].

Datorită proprietăților sale cuprul poate fi utilizat pe o scară destul de largă:

la obținerea sârmei magnetice pentru bobinarea motoarelor, generatoarelor și

transformatoarelor electrice;

la fabricarea de piese masive;

la fabricarea conductorilor de curent electric etc.

Domeniul principal de utilizare al cuprului rămâne industria electrotehnică și construcțiile de mașini. Aliajele cuprului se împart în două categorii: aliaje Cu – Zn (cu până la 45 % Zn ) se numesc alame si aliaje Cu – Me (Me = Sn, Al, Pb etc)) se numesc bronzuri.

După proprietățile și domeniile de utilizare aliajele cuprului pot fi împărțite în următoarele categorii : antifricțiune, cu conductibilitate termică și electrică ridicată, anticorosive, refractare, criogenice etc.

Aliajelor de cupru li se aplică următoarele tratamente termice :

recoaceri cu scopul de a aduce materialul în stare de echilibru din punct de

vedere structural și al proprietăților;

căliri de punere în soluție și martensitice în scopul obținerii structurilor în afara

echilibrului;

îmbătrâniri și reveniri pentru readucerea structurilor călite în stări cât mai

apropiate de echilibru.

Alamele sunt aliajele cuprului cu zincul și eventual continând și alte elemente de aliere fiind denumite alame binare (obișnuite), respectiv alame complexe (special) .În tehnică se uilizează foarte rar alamele cu unconținut de zinc de peste 45%, datorită rezistenței scăzute și fragilității ridicate[1].

Alamele speciale se obțin prin adăugarea altor elemente în alamele obișnuie fără ca materialul să-și modifice caracterul de alamă.

Principalele elemente de adaos, alături de Cu și Zn, sunt: Si, Al, Sn, Pb, Ni, Fe, Mn.

Alamele cu siliciu se toarnă foarte bine, siliciul mărind fluiditatea alamei topite. De asemenea, siliciul îmbunătățește sudabilitatea alamelor și mărește rezistența lor la coroziune în apă dulce.

Alamele cu aluminiu (aluminiul se poate găsi în alame până la 3,5%) au o bună rezistență la coroziune la temperaturi ridicate. La temperaturi ridicare tenacitatea nu scade. Aluminiul determină creșterea durităfii și rezistenței la rupere și la uzare.

Alamele cu staniu conțin staniu până la 4%. Staniul formează compuși intermetalici cu Cu și Zn, care duc la creșterea rezistenței la rupere, dar scad alungirea.. Alamele cu staniu au o rezistență ridicată.

Alamele cu plumb (plumbul se poate găsi între 0,5…3%). Plumbul se introduce în scopul îmbunătățirii prelucrabilității deoarece provoacă fărâmițarea așchiilor la strunjire și reduce frecarea între sculă și piesă, fiind utilizate în construcția aparatelor de precizie.

Alamele cu nichel sunt rezistente la coroziune la temperaturi ridicate, au o rezistență la rupere ridicată și o tenacitate foarte bună,plasticitatea rămânând aceeași. Se utilizează la obținerea organelor de mașini puternic solicitate, supuse vibrațiilor sau care lucrează în medii corozive ca exemplu: roți dințate, elice pentru nave etc[1].

Alamele cu mangan (manganul se găsește în alame până la 4%) se utilizează la fabricarea elicelor pentru nave și a pieselor ce lucrează la presiuni interioare mari. Prin alierea cu mangan crește rezistența la rupere și limita de elasticitate a acestora[1].

Alamele cu fier conțin dier până la maxim 2%, uneori 3,5%. Fierul în alame finisează granulația, crește alungirea, rezistența la rupere și la uzare. Crește de asemenea temperatura de topire alamelor. Se combină cu zincul formând compusul chimic FeZn7, ca duce la sfărâmarea așchiilor la prelucrările prin așchiere, fiind utilizate în construcții navale.

Bronzurile se clasifică in două mari categorii: bronzuri cu staniu pe bază sistemului Cu-Sn și bronzuri speciale cu Al, Ag, Be etc. Folosirea bronzurilor în tehnică este aproape inexistentă, din acest tipar ieșind brozurile cu beriliu.

Bronzurile cu beriliu sunt aliaje formate din Cu și Be, fiind deosebit de importante pentru tehnica modernă, datorită proprietăților lor excepționale de rezistență la rupere, duritate, elasticitate, rezistență la corosiune, rezitență la oboseală, la uzare. O importanță deosebită pentru tehnica militară o au bronzurile cu aproximativ 2,5% Be. Structura de echilibru a acestora, la temperatura ordinară, este formată din soluție solidă α și eutectoid Ed (α + y)[4].

Proprietăți deosebite ale aliajelor Cu – Be sunt utilizate în realizarea de: lagăre speciale, piese supuse la uzare, arcuri pentru aparatele de precizie etc.

Utilizarea altor metale neferoase în tehnică

Câteva dintre metalele neferoase utilizate în tehnică vor fi prezentate în continuare:

Nichelul are o culoare alb-cenușie, ρ=8,93 g/cm3 și ttopire = 1445oC. Este tenace, maleabil și ductil, are o rezistență mare la rupere, și alungire mare, A= 15-20. Are o rezistență la coroziune foarte bună, nu se oxidează în aer sau în apă la temperatura ambiantă, fiind larg întrebuințat la protejarea anticorozivă a metalelor. Se folosește pentru obținerea unor catalizatori de mare importanță, iar în metalurgie ca element de aliere a oțelurilor și fontelor, mărind rezistența mecanică, tenacitatea, rezistența la coroziune. În electronică și electrothenică se folosește la fabricarea diferitelor elemente pentru încălzire pentru cuptoare electrice și termocuplurii [1].

Cobaltul este un metal puțin răspândit în natură și are proprietăți asemănătoare nichelului. Densitatea este de 8,8 g/cm3 și ttopire = 1495 oC. În tehnică este utilizat ca element de aliere, dar este deficitar și scump. Este magnetic, forjabil și mai dur decât fierul. Cobaltul se folosește în industrie la elaborarea oțelurilor pentru magneți permanenți, a oțelurilor refractare și antiacide, a oțelurilor rapide etc.

Cromul are o culoare albă-cenușie, densitatea de 7,1 g/cm3, ttopire=1903°C și este foarte dur. Are o rezistență foarte bună la coroziune față de agenții atmosferici și chimici, ceea ce se explică prin formarea la suprafața metalului a unui strat foarte fin și aderent de oxid de crom.

Pe o scară largă este utilizat și la acoperiri galvanice, pentru cromarea pieselor de oțel sau fontă cu scopul de a mări concomitent rezistența la uzare și rezistența la coroziune și de a da produselor un aspect foarte plăcut [1].

Wolframul are o culoare cenușie, asemănătoare oțelului, densitatea este foarte mare, ρ = 19,3 g/cm3, și ttopire=3377°C. Fiind un metal foarte scump și deficitar. Din cauza punctului de topire foarte ridicat, se întrebuințează ia fabricarea filamentelor pentru becurile electrice și tuburile electronice, la fabricarea elementelor de încălzire prin rezistență a cuptoarelor electrice speciale pentru temperaturi foarte ridicate, până la 3000°C, la confecționarea anticatozilor tuburilor Roentgen și la fabricarea prin metodele metalurgiei pulberilor a diferitelor contacte electrice.

De asemenea din wolfram sunt executați electrozi pentru procedeul de sudare arc-atom și diferite duze și piese speciale pentru motoarele cu reacție și de rachete [1].

Molibdenul are o culoare cenușie, p=10,2 g/cm3 și ttopire =2 617°C Proprietățile sale fizice și chimice sunt asemănătoare cu cele ale wolframului. Se topește la o temperatură mai mică decât wolframul, fiind totodată și mai puțin deficitar. Aliajele de molibden rezistente la acizi și temperaturi ridicate se utilizează la aparatele chimice, palete pentru turbocompresoare, precum și în tehnica rachetelor.

Zirconiul este un metal plastic și rezistent de culoare albă- argintie. Are ρ= 6,5 g/cm3 și ttoplre = 1055°C. Zirconiul este foarte avid din punct de vedere chimic, îndeosebi în stare de pulberi, iar în stare compactă este rezistent la coroziune. [1].

Aliajele de Mg-Zr-Zn se utilizează la motoarele cu reacție. Tabla de zirconiu este folosită la fabricarea tuburilor Roentgen și ca material de construcție pentru pompe centrifuge și condensatoare utilizate în industria chimică, iar în ultimul timp pentru rachete nucleare.

Unul printre cele mai utilizate matelele neferoase utilizate în tehnica militară este titanul, acesta fiind un metal alb, strălucitor, cu o densitate mică (p=4,50 g/cm3) și ttopire = 1665°C.

Datorită raportului mare rezistență la întindere/masă, rezistență mare la coroziune, oboseală, fisurare și a capacității de a rezista la temperaturi relativ mari fără să-și piardă proprietățile, aliajele de titaniu sunt folosite în industria aeronautică, navală, spațială și militară.

Pentru aceste aplicații titanul, aliat cu aluminiu, zirconiu, nichel, vanadiu și alte elemente este utilizat pentru o gamă largă de componente, incluzând elemente structurale vitale, pereți rezistenți la foc, trenuri de aterizare, conducte de evacuare (elicoptere) și sisteme hidraulice. Practic, circa două treimi din titanul produs este utilizat in motoare și elemente structurale pentru avioane. SR-71 Blackbird a fost unul din primele avioane la a cărui construcție titanul a fost folosit extensiv (25 tone din totalul de 70 de tone), acesta fiind ilustrat în figura 1.4., astfel deschizând drumul pentru folosirea sa la scară largă in avioanele comerciale și militare moderne.

Astfel, 59 tone sunt necesare la construirea unui Boeing 777, 45 tone la Boeing 747, 18 tone la Boeing 737, 32 tone la Airbus A340, 18 tone la Airbus A330 și 12 tone la Airbus A320. Airbus A380 va folosi circa 77 tone, din care circa 11 tone în motoare. La motoare titanul este folosit pentru rotoare, palele compresoarelor, componentele sistemului hidraulic și nacele. Aliajul titanului 6AL-4V reprezintă circa 50% din consumul de aliaje din industria aeronautica [5].

Datorită rezistenței mari la coroziunea apei de mare titanul este utilizat la producerea axelor elicelor, a schimbătoarelor de căldură din instalațiile de desalinizare, instalațiilor de incălzire-răcire a acvariilor cu apă marină, a echipamentelor de pescuit, a carcaselor echipamentelor marine de cercetare și militare.

Fig.1.4. Avionul SR-71 Blackbird

Titanul se utilizează mai ales în aeronautică, construcții navale și în industria constructoare de automobile datorită faptului că raportul între rezistența mecanică și greutatea specifică este mai mare decât la oțel și la aliajele ușoare de aluminiu.

Proprietățile fizice și mecanice ale titanului depind în mare măsură de gradul de puritate, tipul impurităților și metoda de obținere. Principalele proprietăți fizice și mecanice ale titanului sunt prezentate în tabele 1.1 și 1.2 [1].

Tabelul 1.1. Proprietățile fizice ale titanului [1].

Tabelul 1.2. Proprietățile mecanice ale titanului [1].

Materialele nemetalice

În tehnica militară, în afară de metale, datorită unor proprietăți specifice importante, o largă utilizare au materialele denumite nemetalice sau materialele plastice dintre care cele mai importante sunt: masele plastice, cauciucul, sticla, azbestul, materialele ceramice, lemnul, hârtia, pielea, grundurile, chiturile, lacurile, vopselele și emailurile [1].

Greutatea specifică relativ mică (de cca. 5 ori mai mică decât a aliajelor feroase), rezistența relativ ridicată și aspectul exterior frumos al maselor plastice fac să fie din ce în ce mai des folosite (tablouri de distribuție, carcase de aparate, organe de mașini etc.). Textolitul și masele lemnoase având un coeficient de frecare scăzut și rezistență mecanică ridicată se utilizează la fabricarea cuzineților pentru lagăre, a roților dințate și altor piese care lucrează cu frecare. Tehnologiile modeme urmăresc din ce în ce mai mult înlocuirea metalelor cu materiale nemetalice [1].

Masele plastice sunt utilizate în ultimul timp din ce în ce mai mult atât pe plan național cât și pe plan mondial datorită multiplelor proprietăți și avantaje care le prezintă.

Principala proprietate a maselor plastice o constituie capacitatea acestora de a se modela ușor, datorită unei plasticități ridicate.

Rezistența deosebită pe care o au masele plastice la acțiunea majorității acizilor sau bazelor, rezistența la oxidare, impermeabilitatea, conductibilitatea termică și electrică reduse, greutatea specifică comparabilă cu a aluminiului sau rezistența comparabilă sau chiar mai mare decât a oțelului, fac posibilă utilizarea lor, cu precădere, ca înlocuitori ai aliajelor feroase sau neferoase [1].

Masele plastice sunt obținute prin topirea în comun a mai multor constituenți. Din punct de vedere structural acestea fac parte din categoria materialelor nemetalice cu structură amorfă.

Cauciucul este folosit în multe domenii ale tehnicii, facându-și apariția și în tehnica militară, datorită proprietăților deosebite ale acestuia: elasticitate foarte mare, rezistență ridicată la acțiunea chimică a unor substanțe, rezistență ridicată la vibrații etc.

Sticla este un material nemetalic, termoplast, cu structură amorfă, obținut prin topirea împreună a mai multor componenți:

vitrifianți: conțin SiC și constituie componenta de bază a sticlei;

fondanți: coboară temperatura de topire (Na20 și K2O);

stabilizatori: măresc duritatea, rezistența mecanică și stabilitatea chimică (MgO, PbO,

transparenți: produc transparența sticlei (As2O3,KNO3);

opacizatori: dau opacitate sticlei, cel mai utilizat fiind CaF2 [1];

În domeniile tehnici militare (autovehicule,aeronave etc) unde prin spargerea sticlei există pericolul accidentării se utilizează sticla securit. Acest tip de sticlă, prin spargere formează cioburi rotunjite sau reține cioburile, înlăturând astfel pericolul formării unor tăieturi (care de cele mai multe ori sunt foarte grave). în același scop se utilizează și sticla triplex formată din două straturi de stadâ obișnuită lipite prin intermediul unei folii de celuloid, masă plastică incoloră sau colorată [1].

Un alt material nemetalic folosit în tehnica militară este pielea, acesta făcându-și apariția la garniturile de etanșare, curelele de transmisie, manșoane.

Nanomateriale

Studiul nanomaterialelor a prezentat un interes ridicat în cercetarea științifică din ultimele decenii. Producția materialelor moderne multifuncționale se bazează din ce în ce mai mult pe nanomateriale.

Nanomaterialele reprezintă produsul nanotehnologiei și sunt definite ca fiind materiale noi, a căror structură elementară este adusă la o scară nanometrică și au un potențial în dezvoltarea viitoarelor echipamente militare. Un nanometru este prin comparație ca și dimensiune echivalentul a 3 – 5 atomi aliniati unul dupa altul. S-ar părea că nanotehnologia este doar un pas firesc în procesul permanent de modernizare. Totuși nanotehnologia este mai mult decât urmatoarea etapă a miniaturizării microtehnologiilor [6].

Nanomaterialele si nanotehnologiile vor avea în viitorul apropiat un impact deosebit, practic în toate sectoarele industriale de la aplicații high-tech la industriile tradiționale din care nu va putea fi omisă industria militară.

Altfel spus, prin utilizarea, înglobarea, și manipularea unor particule foarte mici de material, se creează noi materiale la scară mare. Avantajul este următorul: aduse la dimensiuni de ordinul a 100 nm, materialele încep să prezinte proprietăți radical îmbunătățite, controlabile, și chiar proprietăți complet noi. Deoarece raportul suprafață-volum este mult mai mare decât în cazul materialelor clasice, nanomaterialele au proprietăți fizice și chimice specifice. Efectele cuantice conduc la modificarea proprietăților optice, electrice și magnetice.

Modul de clasificare al nanomaterialelor poate varia. O posibilă clasificare a acestor materiale se poate face în funcție de dimensiunea și materialul din care sunt fabricate [10].

După dimensiunea lor sunt:

nanomateriale (0D)

nanoparticule; nanopulberi; nanocristale;

nanomateriale (1D)

nanofibre; nanosârme; nanofilamente; nanotuburi;

nanomateriale (2D)

filme subțiri;

nanomateriale (3D)

nanocompozite.

După materialul din care sunt fabricate:

metalice;

ceramice;

semiconductoare;

compozite metal-ceramică;

hibride organice-anorganice.

Pe lângă acestea se mai pot aminti nanomaterialele speciale (nanostructuri din siliciu poros) și nanomateriale biologice (existente în organismele vii: proteine, bacterii) [6].

Primele structuri din categoria nanomaterialelor 0D (numite quantum wells) au constituit baza multor dispozitive optoelectronice. Evoluția tehnologiilor de fabricație a nanomaterialelor a condus la miniaturizarea componentelor și obținerea unei noi structuri numită quantum dot. Astfel de structuri cuantice sunt nanocristalele semiconductoare ce au dimensiuni comparabile cu ale atomilor, ele fiind numite și atomi artificiali.

Aceste structuri, datorită dimensiunilor, au proprietăți importante care se modifică o dată cu mărimea, forma lor, concentrația de purtători, aplicarea unui câmp electric sau magnetic.

Aplicațiile acestora se găsesc în nanoelectronică și optoelectronică. Aceste structuri fiind de tipul tranzistorului cu un singur electron sau cele folosite pentru studiul fenomenelor de transport ale electronilor.

Nanomateriale de tipul 1D cele mai cunoscute dintre acestea fiind denumite fullerene (numele acestora provine de la numele americanului Richard Buckminster Fuller).

Carbonul, în natură este cel mai des întâlnit în stare solidă sub două forme distincte: grafit și diamant, ale căror proprietăți fizice și chimice sunt mult diferite. Prezența unui număr de patru electroni de valență permite carbonului formarea de legături covalente tetragonale între fiecare atom și patru dintre vecinii săi, plasați în vârfurile unui tetraedru regulat. Structura cristalină ce se obține poartă denumirea de structură de tip diamant [7].

În ceea ce privește nanomaterialele de tip 2D și 3D cele mai cunoscute sunt nanotuburile de carbon. Istoria descoperirii acestora este foarte interesantă: în anul 1991, un cercetător pe numele lui Sumio Iijima din Japonia, care fabrica fullerene a studiat rezidurile rezultate [7].

Dată fiind rigurozitatea care îl caracteriza ca pe orice om de știință japonez, uitându-se la microscop, a constatat forme noi ale carbonului decât cele cunoscute până în acel moment, grafit și diamant (fig.1.5.). Așa a devenit acest om de știință descoperitorul nanotuburilor de carbon, structuri de dimensiuni nanometrice, dar cu un potențial extrem de valoros în ce privește aplicațiile viitoare din domeniul echipamentelor militare.

Fig. 1.5. Structurile cristaline ale grafitului și diamantului [8]:

a) grafit b) diamant

Domeniul cercetării militare este unul extrem de strict, iar informațiile care ajung la public nu reprezintă probabil nici 5% din realitatea analizată și procesată de oamenii de știință. Se cunoaște totuși că tehnologia folosită la confecționarea materialelor folosite pentru echipamentul viitorului este în strînsă legătură atât cu avansata nanotehnologie precum și cu materialele sintetice fortificate cu diverși polimeri. S.U.A. alocă anual sume fabuloase pentru modernizarea forțelor militare.

Miliarde de dolari sunt destinate domeniilor de cercetare care au o singură preocupare: modernizarea echipamentelor militare.

În pofida faptului că forțele militare americane sunt și în prezent cele mai dotate și mai eficiente din lumea întreagă, autoritățile americane sunt foarte interesate de a aduce noi îmbunătățiri atât echipamentelor cât și aparaturii și armamentului din dotare.

Ultimele descoperiri în materie de echipamente vor fi implementate curând, urmând ca până în anul 2025 militarul american să aibă o uniformă inteligentă, capabilă să-și adapteze instantaneu culoarea într-o perfectă corelare cu zona geografică și fauna, dar și cu modificarea proprietăților de izolare, asigurând o temperatură optimă în funcție de condițiile de mediu specifice zonelor din teatrele de operații unde militarii își execută misiunile.

Uniformele inteligente se bazează pe inserarea în materialele din care acestea sunt confecționate, a unor particule inteligente, programate special pentru a se adapta situațiilor. Dincolo de faptul că această uniformă se va comporta ca un cameleon, are și proprietăți inteligente: dacă se rupe, se activează un mecanism de regenerare, iar în cazul în care intră în contact cu substanțe chimice, are un sistem de autoapărare prin care se va evita deteriorarea. În plus, uniformele militare din viitor nu fâșâie și nu fac nici un fel de zgomot pe timpul mișcării.

Principala caracteristică a hainelor și uniformelor inteligente fabricate din materiale îmbogățite cu anumiți polimeri este că fac corp comun cu purtătorul. Aceste haine respiră. În ciuda faptului că sunt rezistente și acționează descurajator asupra efectelor mediului exterior, purtătorului îi dau senzații dintre cele mai benefice: sunt ușoare, nu se transpiră în ele, asigură o lejeritate în mișcare.

Dacă la toate acestea mai adăugăm și faptul că aceste haine anticipează multe dintre posibilele efecte ale mediului înconjurător și apără purtătorul de o mulțime de pericole, putem recunoaște pe bună dreptate că aceasta reprezintă haina ideală pentru om și nu doar pentru militarii viitorului.

Cercetările efectuate au luat și iau în considerare îmbunătățirea ținutei militare în ansamblul ei, deci nu numai a uniformelor propriu-zise dar și a căștilor din dotare. Fiind de obicei dintr-un material dur – de cele mai multe ori din fier și de câțiva ani din kevlar – casca militarului rămâne totuși un obiect vestimentar nu tocmai comod.

Pentru a contribui pe deplin la mărirea gradului de mobilitate al militarului pe timpul misiunilor, în laboratoarele americane s-au direcționat cercetările astfel încât se află în stadiu de proiect o cască ce va fi confecționată dintr-un material de 70 de ori mai ușor decât actuala piesă a garderobei militare.

Celulele solare cu nanodot-uri sunt folosite pentru încarcarea bateriilor folosite de militari în cadrul echipamentelor elecronice, electrice, cât și la suplimentarea nevoilor aparaturii sau încarcarea unor acumulatori din componența sateliților militari.

Construcțile aeronautice vor cunoațte o dezvoltare fără precedent prin utilizarea nanomaterialelor, care sunt mai ușoare, mai rezistente și mai inteligente decât materialele clasice (aliaje feroase, aliaje neferoase etc,).

Vopsirea suprafețelor aeronavelor cu nanofilme subțiri conduce ta: protecția împotriva coroziunii, reducerea coeficientului de reflexie radar sau a amprentei In infraroșu. Un nanomaterial obținut dintr-o combinație de lantanide cu zirconiu este aplicat sub formă de strat de protecție termică pe palele de la turbinele motoarelor.

Materialele nanocristaline introduse în structura metalelor determină creșterea rezistenței la temperaturi ridicate. Acestea sunt folosite la fabricarea componentelor motoarelor avioanelor care funcționează ia temperaturi ridicate. Nanotehnologia și nanomaterialele contribuie din plin la navigația spațială interplanetară, într-un alt mediu dimensional, deschizând perspective noi de cunoaștere.

Materiale compozite

Progresul continuu al științei și tehnicii a fost fără îndoială, un rezultat firesc al cerințelor impuse de activitățile practice cărăra trebuia să li se facă față în condițiile de creștere a competitivității, de îmbunătățire a performanțelor produselor, în paralel cu asigurarea unui cost de producție optim.

Pe de altă parte, domenii de vârf, cum ar fi: nuclear, militar, aerospațial, etc., au impulsionat activitatea de cercetare, proiectare și producție, impunând performanțe extrem de înalte, fapt justificat de competiția acerbă specifică acestor sectoare de activitate.

Materialele compozite au fost folosite cu mult înainte de a fi fost definite (piatra, lemnul, iar mai târziu, dar cu peste o sută de ani în urmă, betonul).

Au trecut aproape 60 de ani de când materialele plastice armate cu fibre de sticlă au fost utilizate pentru prima oară datorită calităților lor deosebite în comparație cu ale materialelor clasice.

Performanțele tot mai înalte cerute structurilor de rezistență în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii și aplicațiilor militare, impun acestora condiții foarte severe în timpul funcționării [9].

În cazul aplicațiilor militare și aerospațiale primează de obicei, cerințele de a asigura caracteristici mecanice înalte în condiții de exploatare deosebit de dificile (temperaturi extreme, presiuni înalte, agenți corozivi, etc.), în timp ce greutatea produsului finit trebuie să fie minimizată prin scăderea densității materialelor. Aceasta a impus adoptarea unor materiale noi, alcătuite din două sau mai multe componente.

Domeniul materialelor compozite cu matrici metalice reprezintă, fără îndoială, un teritoriu fascinant.

Paleta foarte largă de procese de fabricație, aplicațiile cu totul inedite, problemele ridicate de optimizarea procesului de fabricație, complexitatea datelor ce trebuie luate în considerare atunci când se ia decizia de producere a unui astfel de material, constituie factori ce obligă a se considera ca materialele compozite reprezintă un domeniu de vârf al științei și tehnicii actuale.

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale” și sunt create special pentru a răspunde unor exigențe deosebite în ceea ce privește:

rezistența mecanică și rigiditatea;

rezistența la coroziune;

rezistența la acțiunea agenților chimici;

greutatea scăzută;

stabilitatea dimensională;

rezistența la solicitări variabile, la șoc și la uzură;

proprietățile izolatoare și estetica [9].

Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat între rezistența și greutatea lor volumică.

Aceste caracteristici nu numai că au asigurat utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a materialelor composite, dar au stimulat cercetările pentru descoperirea unor noi tipuri de materiale compozite cu proprietăți îmbunătățite.

Materialul compozit poate fi descris ca fiind un amestec de materiale create special pentru a satisface anumite cerințe tehnologice, folosind proprietățile dorite ale componentelor, odată cu diminuarea proprietăților nedorite ale acelorași materiale.

Fig. 1.6. Consumul de materiale compozite [10]

Preocupări majore și realizări de materiale compozite performante există în toate țările dezvoltate, ca urmare a dorinței de a continua procesul de dezvoltare tehnologică, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare și posibil de realizat prin procedee și tehnologii eficiente și nepoluante. În figura 1.6. se prezintă consumul unor asemenea materiale până în anul 2010, în comparație cu materialele clasice ori cu produsele naturale [10]. În Japonia, producția de materiale compozite a anului 2002 s-a ridicat la aproximativ trei miliarde de dolari.

Din cele prezentate anterior, se deduce faptul că materialele compozite fac parte din categoria materialelor compuse.

În cadrul generației de materiale noi care înlocuiesc metalele, având în vedere caracteristicile și perspectivele lor de viitor, o atenție deosebită se cuvine a fi acordată compozitelor, denumite, până nu demult, materiale plastice consolidate.

Materialele compozite sunt primele materiale a căror dispunere structurală internă o concepe omul, nu numai în înlănțuirea lor moleculară, ci conferindu-le rezistențe favorabile în direcții preferențiale.

Ca o definiție generală, materialul compozit reprezintă un amestec de două sau mai multe componente, ale căror proprietăți se completează reciproc, rezultând un material cu proprietăți superioare celor specifice fiecărui component în parte [10].

Astfel, aceste componente vor coopera, deficiențele unora fiind suplinite de calitățile altora, conferind ansamblului proprietăți pe care niciun component nu le poate avea.

Din punct de vedere tehnic, noțiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăți:

– sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente (sunt excluse compozitele naturale sau cele apărute fără intenția de a crea un compozit, cum ar fi lemnul, fonta cenușie, etc.);

– reprezintă o combinare a cel puțin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafață de separație distinctă;

prezintă proprietăți pe care niciun component luat separat nu le poate avea [10].

Avantajul major, esențial al compozitelor constă în posibilitatea modulării proprietăților și obținerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.

În cele mai multe cazuri, compozitul cuprinde un material de bază, denumit matrice, în care se află dispersat un material complementar sub formă de fibre sau particule, iar principalele proprietăți care se urmăresc să se obțină sub o formă îmbunătățită sunt: rezistența la rupere, rezistența la uzare, densitatea, rezistența la temperaturi înalte, duritatea superficială, stabilitatea dimensională, capacitatea de amortizare a vibrațiilor.

O clasificare mai generală a materialelor compozite, care le reprezintă în mod sintetic, are la bază utilizarea concomitentă a două criterii și anume: particularitățile geometrice ale materialului complementar și modul de orientare a acestuia în matrice (fig.1.7.).

Prin asociații corespunzătoare ale materiilor prime de bază se pot realiza compozite care să reprezinte proprietățile combinate ale compușilor.

În funcție de natura componentelor inițiale, materialele compozite pot fi de mai multe tipuri, astfel:

metal-metal;

metal-ceramic;

metal-polimer;

ceramic-polimer;

ceramic-ceramic;

polimer-polimer [11].

Fig.1.7. Clasificarea materialelor compozite [11]

Materialele care formează structura compozitelor pot fi:

materile plastice;

fibre sintetice;

fibre de sticlă;

fibre de carbon;

fibre de bor;

fibre metalice;

metale (Ni, Co, Al, Cr, Ti, W, Ta, Zr, Mo);

materiale celulozice;

plăci aglomerate; placaje, etc [11].

Matricea materialelor compozite trebuie să fie constituită dintr-un material capabil să înglobeze componenta dispersă, pe care să nu o distrugă prin dizolvare, topire, reacție chimică sau acțiune mecanică.

Rezistența compozitului la temperatură și la coroziune sau oxidare este determinată în primul rând de natura matricei.

În cele mai multe cazuri, matricea reprezintă partea plastică, deformabilă a materialului compozit, având o rezistență mecanică mai scăzută decât materialul complementar pe care îl include.

Alegerea matricei se face în funcție de scopul urmărit și de posibilitatea de producere a compozitului. în tehnologiile actuale, se folosesc numeroase tipuri de matrice de natură organică, metalică, ceramică, din sticlă sau carbon.

O comparație a câtorva tipuri de matrice în funcție de temperatura de utilizare este prezentată în figura 1.8 [9].

Fig.1.8. Domeniul termic de utilizare pentru principalele

materiale care alcătuiesc o matrice [9].

Matricele metalice s-au folosit din necesitatea de a obține compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte, comparativ cu cele cu matrice organică.

Metalele (aliajele) prezintă și alte proprietăți care le recomandă în calitate de matrice: proprietăți mecanice bune, conductivitate termică și conductivitate electrică mari, rezistență mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate (determinată de gaze) scăzută. În schimb, densitatea este relativ mare (1,74… 7,0 g/cm3), iar fabricarea compozitelor este uneori destul de dificilă.

Principalele aliaje folosite ca matrice sunt cele pe bază de Al, Cu, Mg, Ti, Fe, (tabelul 1.3) și ele intră în procesul de fabricație în stare solidă (pulbere), lichidă, păstoasă sau în stare de vapori.

Tabelul 1.3. Principalele aliaje folosite ca matrice [7]

În cazul matricelor metalice, rezistente la temperaturi înalte, nu se poate folosi un material complementar organic, ci de natură ceramică sau metalică.

Materialele metalice utilizate în componența matricelor se remarcă prin foarte bune proprietăți tribologice (în special uzuri reduse) și o bună rezistență la impact.

În prezent, există două categorii de compozite cu caracteristici funcționale superioare: cele cu matricea din aluminiu (armată cu particule de carbură de siliciu, până la 15 % în volum, obținută prin turnare în amestecuri de formare fluide) și cele cu matricea din oțel (ranforsată cu carbură de wolfram, elaborată printr-un procedeu original, materialul aflându-se în stare semifluidă) [9].

Pentru materialele destinate produselor care lucrează la temperaturi sub 450°C se poate utiliza ca matrice metalică aluminiul și aliajele sale datorită costului relativ scăzut, densității mici, conductivității termice mari, fluidității bune și prelucrării ușoare.

În vederea îmbunătățirii comportării aliajelor de aluminiu la temperaturi înalte se recomandă utilizarea titanului ca element de aliere. Prezența acestuia mărește stabilitatea termică și influențează pozitiv caracteristicile structurii primare [9]. În ultimul timp, titanul și aliajele sale s-au impus datorită unei bune ductibilități și posibilității de a ține sub control interacțiunea chimică cu materialul complementar.

Matricele din titan au densități mici și rezistență la rupere bună (în special aliajele aliate cu aluminiu, vanadiu, molibden, crom), fragilitate la rece redusă, iar coeficientul de dilatare liniară este de 1,4 ori mai mic decât cel al fierului și de 2,8 ori mai mic decât cel al aluminiului, ceea ce înseamnă o mai mare stabilitate dimensională la temperaturi înalte [7].

Matricea ceramică utilizează materiale ceramice care sunt tot mai frecvent utilizate pentru realizarea materialelor compozite, deoarece această categorie de materiale este caracterizată prin proprietății deosebite: rezistență mecanică mare la temperaturi înalte; valori mari ale rezistenței la rupere; rezistență la oxidare și la agenți chimici; densitate de două sau chiar trei ori mai mică decât a oțelurilor; valori ale modulului de elasticitate superioare celor ale oțelurilor; duritate mare, stabilă la creșterea temperaturii [11].

Fragilitatea mare pe care o prezintă aceste materiale, din cauza defectelor interne și superficiale, se reduce substanțial prin prezența materialului de armare sub formă de fibre, care blochează procesul de propagare a microfisurilor, determinând astfel îmbunătățirea tenacității.

Matricele ceramice se pot realiza din alumină, carbură de siliciu, nitrură de siliciu, etc principalele proprietăți ale acestora fiind prezentate în tabelul 1.4. De asemenea matricele ceramice pot fi obținute și din amestecuri cu alte substanțe [11].

Tabelul 1.4. Proprietățile unor materiale ceramice folosite ca matrice pentru materialele compozite [7]

De obicei, la aceste materiale compozite nu numai matricea, ci și armătura este constituită din material ceramic. Materialul de armare este format, de regulă, din fibre discontinue foarte scurte. Au fost concepute diferite cupluri matrice cum sunt fibrele de: carbură de siliciu – carbură de siliciu cu compatibilitate fizică și chimică ideală, carbură de siliciu – alumină, silice –carbură de siliciu, etc [11].

Uneori, deși componentele au aceeași compoziție chimică, diferă între ele prin structura cristalină. Principalul obiectiv avut în vedere la realizarea materialelor compozite cu matrice ceramică este reducerea fragilității matricei prin ranforsarea ei cu fibre. Legătura dintre fibră și matrice influențează atât rezistența la rupere, cât și fragilitatea.

Compozitele ceramică – ceramică sunt materiale cu proprietăți excelente, utilizate în multe domenii ale tehnicii, însă fabricarea lor la nivel industrial este relativ dificilă.

Există dificultăți de ordin tehnologic sau legate de alegerea unor cupluri compatibile matrice – fibre, iar costul componentei dispersate este ridicat [11].

Matrice organice folosite frecvent ca matrice sunt cele termoplastice și cele termorigide (tabelul 1.5). Proprietățile acestor materiale sunt dependente aproape în exclusivitate de temperatură, comportarea lor fiind determinată de mărimea forțelor de legătură dintre atomi, numărul de legături chimice pe unitatea de volum și rezistența la degradare a legăturilor sub acțiunea unor agenți externi.

Deși matricele de natură organică satisfac cele mai multe dintre cerințele care se impun pentru a putea fi folosite la producerea materialelor compozite, ele prezintă și numeroase dezavantaje: rezistență mecanică redusă la temperaturi înalte, o durată scurtă de menținere în stare lichidă după preparare, conductivitate termică redusă, un coeficient mare de dilatare termică și rezistență relativ mică la șoc mecanic.

Tabelul 1.5. Materialele organice folosite frecvent ca matrice [7].

Cea mai utilizată clasă de materiale pentru matricea compozitelor, rășinile sintetice și în general plasticele, se evidențiază prin procedee tehnologice de elaborare simple și ieftine. Principalul avantaj al compozitelor, anizotropia, ridică probleme în cazul pieselor cu forme complicate și variații bruște de secțiune. În contrast cu rășiniJe termorigide, termoplastele permit aplicarea unor tehnici de fabricație ușor adaptabile la orice formă a piesei, elaborarea unor procese tehnologice flexibile și eficiente, utilizarea unor procedee de formare superplastică.

1.5.1. Domenii de utilizare ale materialelor compozite

Datorită caracteristicilor lor deosebite, materialele compozite au numeroase aplicații în diverse domenii, cum ar fi: construcția structurilor aerospațiale și aeronautice, construcția de mașini, automobile și nave, medicină, chimie, electronică și energetică, bunuri de larg consum, optică etc., așa cum se poate observa și din figura 1.9. [12], [13].

Fig. 1.9. Domenii de utilizare ale materialelor compozite [12].

Utilizarea compozitelor in industria aeronautică – Avionul Airbus A310

Caracteristicile avionului Airbus A310, sunt: masa totală în sarcină – 150 t, masa structurii – 44,7 t, masa totală de material compozite – 6,2 t, masa de compozite de înaltă performanță – 1,1 t, câștigul de masă pe structura avionului – 1,4 t, procentajul de compozite – 13,8% din masa structurii avionului. Un câștig masic de 1 kg din structură mărește raza de acțiune a aparatului cu o milă marină [5].

Structurile compozite la avionul Airbus A310 sunt diverse după cum se poate vedea în figura 1.10.

Se estimează că un caștig de masă de 15-20 % justifică întotdeauna trecerea de la materiale clasice la materiale compozite, de unde se poate înțelege interesul față de compozitele de înaltă performanță.

Fig.1.10. Utilizarea materialelor compozite la a Avionul Airbus A310 [5].

Utilizarea compozitelor in industria spațială – navetele NASA

Masa netă a navetelor NASA este de 70 t. În funcție de zone, se utilizează garnituri din compozite carbon/carbon, SiC/SiC, și piese de structură din bor/aluminiu. Partea centrală este protejată de “țigle” compozite, ceramice, care formează un scut termic. Scutul termic este format din aproximativ 30000 de “țigle” [5]. Modul de fixare al “țiglelor” este prezentat în figura 1.11.

Fig.1.11. Componente ale navetei aerospațiale NASA

realizate din materiale compozite [5].

Industria chimică – recipiente sub presiune, containere, elemente pentru placări

anticorozive, exhaustoare, bazine, hote, coșuri de fum, turnuri de răcire, aparate care lucrează în medii corozive, conducte.

Agricultură – panouri transparente și termoizolante pentru sere, silozuri, ambalaje,

piese pentru mașini agricole (tablouri de bord, caroserii, blindaje, vane), sisteme de irigație, rezervoare pentru furaje.

Industria alimentară – Camere și vitrine frigorifice, recipiente de dimensiuni mari, elemente de etanșare rezistente la atacul microorganismelor, rozătoarelor sau

insectelor, coșuri, cutii, structuri interioare igienice.

Construcția de automobile – rezervoare de benzină, palete de ventilator, caroserii, carcase, scaune, pardoseli, apărătoare pentru roți, panouri de bord, radiatoare, uși.

1.5.2. Materiale compozite cu proprietăți special utilizate în industria aerospațială

Parte din materialele speciale cu proprietățile lor, utilizate frecvent în industria aerospațială, sunt: kevlarul, teflonul, hyfilul.

Kevlarul este un polimer organic cu fibră de aramide poliamidice aromatice. A fost

conceput pentru realizarea unor elemente nestructurale sau semistructurale cu rezistență ridicată.

Calitățile lui deosebite superioare altor materiale utilizate în construcțiile aerospațiale, au determinat o evoluție rapidă a cercetărilor și investigațiilor pentru obținere.

Caracteristicile principale care i-au asigurat superioritatea față de alte materiale și i-au creat un larg câmp de aplicare sunt:

rezistență ridicată la șoc și la abraziune;

rezistență sporită la tracțiune de două ori mai mare ca a sticlei;

rezistență ridicată la temperaturi înate și stabilitate excelentă într-un domeniu larg de temperaturi atât în ceea ce privește calitățile mecanice, cât și dimensiunile, până la 500º;C

capacitate ridicată de amortizare a vibrațiilor;

densitate redusă (1,7 g/cm3 față de 2,5 g/cm3 a sticlei și 2,7 g/cm3 a aluminiului);

puțin sensibil la agenți chimici și la microorganisme [7];

În vederea extinderii aplicațiilor în tehnica militară, s-a trecut la realizarea unor materiale hibride, astfel:

materiale plastice armate cu kevlar, ce cântăresc cu 10-30% mai puțin decât cele armate cu fibre de carbon sau fibre de sticlă;

hibrizi carbon – kevlar prin care se urmărește obținerea unor materiale cu calități ameliorate de rezistentă la încovoiere și la compresiune.

Aplicațiile fibrelor de kevlar ca atare sau în matenaie compozite și hibrizi cu fibre de carbon, sunt tot mai largi în cadrul firmelor de construcții aerospațiale de prestigiu ca Sikorsky (fig.1.12.), Lockheed (fig. 1.13.) etc.,se constată că multe componente de înveliș și de structuri neportante, carenaje, se comportă foarte bine atât la sol cât și în zbor și că aduc avantaje importante concretizate în:

reducerea greutății cu cca. 30%;

reducerea costurilor cu cca. 50%;

creșterea durabilității de la 2 la 5.

Fig.1.12. Sikorsky S-61 Sea King – firma Sikorsky [14].

Fig.1.13. Lockheed SR-71 Blackbird – firma Lockheed [15]

Teflonul datorită calităților sale a determinat folosirea acestuia în zonele cele mai critice din punctul de vedere al securității avioanelor, motoarelor și echipamentelor acestora.

De asemenea, teflonul se poate utiliza în foarte bune condiții in circuitele hidraulice. Rezistența sa la atacul, practic al tuturor produselor chimice cunoscute și mai ales al fluidelor sintetice, permite să se asigure tubulaturii și învelișurilor cablurilor în contact cu lichidele hidraulice un timp îndelungat de funcționare normală și sigură.

Un material extrem de important, fiind în acelați timp un material modern folosit la fabricarea torboreactoarelor și rachetelor este hyfilul. Acesta este un material plastic, armat cu fibre de sticlă. Densitatea lui este de aproximativ un sfert din cea a oțelului și o treime din cea a titanului, rezistența la tracțiune egală sau superioară cu a celor mai bune oțeluri, elasticitatea superioară celei a aluminiului și titanului, au conferit hyfilului o largă și eficientă utilizare (tabelul 4.3).

Tabelul 1.6. Comparație între caracteristicile hyfilului și ale unor materiale pe care le înlocuiește [7].

Structura stratificată a materialului permite:

obținerea unei valori mari a rezistenței în direcția dorită prin orientarea fibrelor;

autoamortizarea oricărui început de vibrație a palelor (masa plastică are capacitate mare de

amortizare);

mare siguranță în funcționare; ruperea unei fibre nu constituie amorsa de rupere a palei;

în cazul ruperii unor pale, datorită densității mici, deteriorările pieselor cu care vin în contact;

bucățile rupte sunt considerabil reduse;

realizarea palelor într-o gamă largă de profile aerodinamice; se pot realiza pale cu o coardă;

mai mare la vârf, ceea ce permite îmbunătățirea randamentului scurgerii gazelor în porțiunea de intrare; palele din oțel nu se pot realiza cu o coardă mare la vârf pentru că devin mai grele și asupra secțiunii de la încastrare (prindere) acționează o forță centrifugă mare și ca urmare, la aceasta se impune o anumită dimensionare (coardă mai mare la rădăcina paletei).

2. PROPRIETĂTII ALE MATERIALELOR UTILIZATE IN TEHNICA MILITARĂ

Metalele și aliajele constituie baza materială a tehnicii, iar domeniul de folosire este determinat de proprietățile lor.

Cunoașterea temeinică a proprietăților și a factorilor de care depinde are o importanță deosebită pentru utilizarea optimă a materialelor. Folosirea diferitelor metale și aliajelor în tehnica se sprijină nemijlocit pe valorile proprietăților materialelor metalice, determinate prin încercări industriale standarizate, care pot fi încercări de labolator sau probe tehnologice uzuale.

Proprietățile materialului folosit influențează in mod determinant calculul de rezistență și calculul procesului tehnologic de prelucrare, precum și indicațiile de garanție în funcțioanare și de fiabilitatea a organului de mașina proiectat.

Proprietățtile unui material sunt definite de suma de relații dintre material si totalitatea fenomenelor din mediul inconjurător in care se găseste materialul respectiv.Practic s-a constatat că acestă sumă de relații calculată pentru cristalele ideale rămâne uneori valabilă și in cazul cristalelor reale,dar de cele mai multe ori prezintă diferențe importante între valoarea teoretică și cea reală. Aceste diferențe fiind rezultatul imperfecțiunilor structurii, apare împărțirea proprietăților materialelor in două marii grupe (fig.2.1):

– proprietăți insensibile la structură;

– proprietăți sensibile la structură.

Imperfecțiunile de structură sunt, în general, repartizate neuniform în masa corpurilor metalice de unde rezultă că proprietățile sensibile la sructură vor prezenta deosebiri în diferitele puncte ale corpurilor (au caracter local). Acest fapt este deosebit de important deoarece permite obținerea unor proprietăți dorite strict localizate și modificarea unor proprietăți fară schimbarea formei piesei, numai prin modificarea gradului de perfecțiune al structurii cristaline.

Experimental se constată însă că existența unei imperfecțiuni a rețelei cristaline influențează toate proprietățile mai mult sau mai puțin, cel puțin local, dacă nu în toată masa cristalului, astfel că o împărțire a proprietăților conform schemei din figura 2.1 este pur teoretică, ea permițând doar calcularea sumei de relații de interdependență material – mediu.

Deoarece în practică interesează toate proprietățile materialelor, apare necesitatea clasificării acestora conform fig.2.2.

\

Fig.2.2. Proprietățile materialelor după natura lor [16]

2.1. Proprietăți funcționale

Sunt definite de suma de relații de interdependență dintre material și fenomenele care apar în timpul utilizării materialului.

2.1.1. Proprietățile fizice

Aceste proprietăți caracterizează natura materialelor, fiind rezultatul interdependenței dintre material și fenomenele fizice.

Greutatea specifică y este greutatea unității de volum dintr-un material cristalin. Ea poate fi calculată pornind de la mesele atomice și parametrii rețelei cristaline cu relația 2.1. [16]

y = (2.1)

Deoarece imperfecțiunile cristaline afectează un număr relativ mic de atomi ai cristalului, influența lor asupra densitații este neglijabilă. În cazul soluțiilor solide de substituție, în primă aproximație, se pot neglija distorsiunile rețelei datorate atomilor de substituție, densitatea variind liniar cu concentrația. În cazul soluțiilor interstițiale modificările de densitate sunt foarte mici, iar in cazul aliajelor eterogene greutatea specifică este media ponderată a greutății specifice fazelor componente.

Greutatea specifică [16] este principala proprietate cu implicații deosebite asupra dimensiunilor de gabarit și greutății în ansamblu a unui produs, de ea depinzând direct consumul de energie necesar tuturor transformărilor prin care trece materialul din starea inițiala până la forma finală corespunzătoare cu scopul propus.

Temperatura de topire ( punctul de topire, t în °C, T în K) este temperatura la care sub acțiunea căldurii, la presiunea atmosferică normală, un metal pur trece din stare solidă în stare lichidă.În cazul aliajelor există un interval de topire. În funcție de punctul de topire metalele și aliajele se împart în:

ușor fuzibile (temperatura de topire aproximativă 200…800°C);excepție face mercurul (Hg)

care este lichid la temperatura ambiantă.

greu fuzibile (temperatura de topire peste 800°C); cel mai greu se topește wolframul la 3377°C [17].

Capacitatea calorică este definită de cantitatea de energie termică pe care o poate absorbi sau elibera un material la o variație a temperaturii cu o unitate.Atunci când capacitatea calorică se referă la unitata de masă, este vorba de căldura specifică c, iar când se referă la atom-kg sau la kmol, este vorba de căldura atomică sau molară C, între acestea existând relațiile 2.2 :

C = c ∙ A ; C = c ∙ M (2.2)

unde A și M sunt masa unui atom-kg și respectiv a unui kmol [16].

Capacitatea calorică poate fi determinată în condiții de volum constant (Cv și cv) sau în condiții de presiune constantă (Cp și cp), între ele existând relația 2.3 :

Cp– Cv = α²/χ ∙ V ∙ T , (2.3)

în care V este volumul atomic; α – coeficientul de dilatare volumică; χ – coeficientul de compresibilitate; T – temperatura în K.

Capacitatea calorică este o proprietate deosebit de importantă nu numai în procesele metalurgice de elaborare, ci și în procesele tehnologice de prelucrare și tranformare succesivă de la starea inițială la starea finală corespunzătoare rolului fucțional dorit. Pentru materialele metalice, în practică, se lucrează de obicei cu căldura specifică cp, a cărei valoare depinde și de natura materialului, compoziția chimică, temperatură etc. Prelucrările metalurgice pot modifica căldura specifică numai în masura care modifică densitatea. Pe aceste considerente rezultă că alierea unui material metalic cu elemente cu densitate mare reduce căldura specifică (de exemplu creșterea de la 0% la 1,2% a conținutului de carbon în oțel, conduce la creșterea căldurii specifice la temperatura camerei de la 438,9 J∙kg-1∙K-1 la 484,9 J∙kg-1 la ∙ K-1, în timp ce un oțel rapid, tot cu 1,2% C, dar și cu 18% W, 4% Co, 2% V, are căldura specifică de numai 409,6 J∙kg-1 ∙ K-1 ) [16].

Căldura specifică (c) [17] reprezintă cantitatea de căldură necesară ridicării temperaturii cu un grad a unui kilogram dintr-un material; se exprimă în [J/kg∙grd].

Căldura latentă de topire sau solidificare (λ) reprezintă cantitatea de căldură necesară topirii (sau solidificării) unui kilogram din materialul respectiv; se exprimă în [J/kg].

Dilatarea termică este proprietatea metalelor de a-și mări volumul prin încălzire.Dilatarea este o consecință a creșterii distanței medii dintre atomi, ca urmare a creșterii amplitudinii de vibrație a ionilor din rețeaua cristalină [16].

Coeficientul de dilatare liniară (α) reprezintă cantitatea cu care se dilată în lungime 1 cm dintr-un corp când i se ridică temperatura cu 1°C, determinându-se cu relația 2.4. :

α = , (2.4)

unde : 10 reprezintă lungimea inițială in [m] [17];

Contracția este proprietatea metalelor de a-și micșora volumul la răcire.

Cele două proprietăți, dilatarea și contracția, prezintă interes deosebit pentru piesele care lucrează la temperaturi joase sau temperaturi înalte și pentru procedeele tehnologice de transformare a materialelor [16][17].

Conductibilitatea termică λ este proprietatea unui material de a transporta energie termică în condiițile existenței unui gradient de temperatură. Fluxul termic, care ia naștere în direcția x, când există gradientul termic φT/ φx, este dat de relația 2.5. :

q =, (2.5)

unde λ poartă numele de conductibilitate termică sau conductivitate termică [16].

Într-un material metalic, fluxul termic este transportat, atât de rețeaua ionică prin vibrațiile ei (conductibilitate termică, fononică), cât și de gazul de electroni (conductibilitatea termică electronică).

Conductibilitatea termică a materialelor metalice depinde de temperatură, de compoziție chimică și de structură.

De exemplu, pentru oțeluri în stare recoaptă, conductibilitate termică se poate calcula cu relația 2.6. :

λ = a – bS + cS², (2.6)

în care a, b, c și S sunt coeficienții dați de relațiile 2.7. :

a = 9,5 – 6,67∙ 10-3 ∙ T ;

b = 67,186 – 1,429 ∙10-1 ∙ T + 8,134 ∙ 10-5 ∙ T² ;

c = 23,198 – 6,286 ∙ 10-2 ∙ T + 4,183 ∙T² ; (2.7)

Dintre metalele cunoscute, Ag are conductivitatea cea mai ridicată, după care urmează în ordine Au, Cu, Al, Mg, Zn etc. Sn și aliajele feroase sunt mai puțin conductibile iar Pb și Hg sunt rele conductoare de căldură.

Tratamentele termice și deformarea plastică, prelucrările mecanice și iradierea cu radiații sau particule de mare energie, modificând sensibil numărul și repartiția defectelor de rețea care acționează ca centrii de împrăștiere statică a alectronilor și fotonilor, influențează puternic conductivitatea termică.

Rezistivitatea (ρ – rezistența elecrică specifică) [16] este proprietatea metalelor și aliajelor de a se opune trecerii curentului electric. Metalele pure au rezistivitatea scazută, dar sunt aliaje cu rezitivitate ridicată:

constantan (60% Cu + 40% Ni);

nichelină (Cu + maximum 35% Ni);

alpaca (60% Cu, 15% Ni, restul Zn).

Magnetismul este proprietatea unor metale și aliaje de a atrage alte metale și aliaje. Prin

încălzire la anumite temperaturi, numite PUNCTE CURIE, metalele își pierd proprietățile magnetice (de exemplu Fe la peste 770°C).

2.1.2. Proprietățile chimice

Proprietățile chimice exprimă capacitatea metalelor și aliajelor de a rezista la acțiunea diferitelor substanțe chimice, a agenților atmosferici sau a temperaturilor înalte.Prezintă importanța tehnologică doar capacitatea meterialelor de a rezista la acțiunea chimică a diferitelor medii active.

Principale proprietăți chimice sunt:

rezistența la coroziune;

refractaritatea.

Rezistența la coroziune este proprietatea caracteristică a unui material de a rezista la acțiunea chimică a deferiților agenți sau substanțe chimice. Coroziuna este fenomenul de distrugere a materialelor datorită reacțiilor chimice sau electrochimice cu mediul înconjurător. Atacul chimic direct este posibil la toate materialele folosite în industrie, în timp ce atacul electrochimic apare doar la metalele și aliajele lor,deoarece ele posedă alectroni liberi.

Ca efect al coroziunii se pierd permanent din economia mondială cantități importante de materiale (de exemplu, din producția mondială de oțel din ultimii 50 de ani se apreciază că peste 44% s-a pierdut datorită coroziunii).

Cunoașterea comparativă a acestei proprietăți este deosebit de impotantă, deoarece permite utilizarea metaleor și aliajelor rezistente la coroziune, stabilirea metodelor de prevenire a coroziunii, stabilirea metodelor de acționare asupra mediului corosiv, precum și a metodelor de acoperire anticorosivă a suprafețelor metalice [16].

Refractaritatea este gradul de rezistență a materialelor la temperaturi înalte. De această proprietate se ține cont mai ales la alegerea materialelorpentru confecționarea unor produse ce lucrează la temperarturi înalte.

2.1.3. Proprietățile mecanice

Sunt reprezentate de o sumă de relații de comportare a materialelor la solocitările unor forțe exterioare. Sub acțiunea forțelor exterioare, corpurile se deformează sau se distrug. Deformațiile corpurilor sub acțiunea anumitor forțe exterioare pot fi:

deformații elastice – dispar odată cu anihilarea forțelor care le-au produs;

deformații plastice – apar la forțe relativ mari și rămân și după ce au fost îndepartate forțele

care le-au produs;

deformații anelastice – partea din deformația totală care dispare lent, în timp, după

îndepărtarea forțelor care au produs deformarea [16].

Piesele confecționate din materiale metalice (metale sau aliaje), folosite cu cea mai mare pondere în construcția de mașini și utilaje, sunt supuse în timpul utilizării (exploatării) la acțiunea unor încărcări mecanice (forțe) exterioare. Ca efect al acțiunii forțelor exterioare, în aceste piese se crează așa-numitele forțe interioare sau eforturi și piesele se deformează.

Comportarea unei piese la solicitările mecanice produse de forțele exterioare depinde de anumite însușiri specifice materialului metalic din care este confecționată piesa, numite proprietăți mecnice. De obicei, proprietățile mecanice ale unui material metalic se determină prin încercări mecanice, constând din solicitarea unor epruvete în condițiile adecvate evidențierii proprietăților urmărite. Cu ajutorul încercărilor mecanice se obțin date calitative privind comportarea materialelor în condițiile de solicitare corespunzătoare acestor încercări și valorile unor mărimi fizice sau convenționale, numite caracteristici mecanice, care se pot utiliza ca parametri cantitativi de exprimare a proprietăților mecanice [16].

Elasticitatea este proprietatea unui material de a se deforma sub acțiunea solicitărilor mecanice și de a reveni la forma inițială când solicitările și-au încetat acțiunea.

S-a stabilit pe cale experimentală că, în cazul în care solicitările mecanice aplicate asupra unei piese crează stări de tensiuni capabile să producă numai deformații elastice ale materialului acesteia, este valabilă legea lui Hooke, adică dependența dintre tensiunile generate de solicitările mecanice și deformațiile specifice de natură elastică produse este liniară [18]. Astfel, în cazul unei piese metalice care suferă deformații elastice sub acțiunea unei solicitări de întindere sau compresiune monoaxială, starea de tensiuni generată în piesă este caracterizată numai printr-o tensiune normală σ (orientată după direcția forțelor exterioare care produc întinderea sau comprimarea monoaxială a piesei) și legea lui Hooke are următoarea relație 2.8. :

σ = Eε, (2.8)

ε fiind deformația specifică liniară (de natură elastică) a materialului piesei, măsurată pe

direcția tensiunii σ. De asemenea, în cazul unei piese metalice care suferă deformații elastice sub acțiunea unei solicitări de forfecare pură, starea de tensiuni generată în piesă este caracterizată numai print-o tensiune tangențială τ și legea lui Hooke are următoarea exprimare analitică 2.9. :

τ = Gy, (2.9)

y fiind lunecarea specifică (de natură elastică) a materialui piesei, produsă pe direcția

tensiunii τ. Factorii de proporționalitate E și G, care intervin în formulările particulare (expuse anterior) ale legii lui Hooke, sunt caracteristici (constante) proprii materialului piesei solicitate, ce exprimă capacitatea materialului de a se opune acțiunii de deformare elastică exercitate de solicitările mecanice exterioare; caracteristica E este denumită modul de elasticitate longitudinală, iar caracteristica G – modul de elasticitate transversală. În teoria elasticității este demonstrat că formulările analitice ale legii lui Hooke pentru materialele continue, omogene și izotrope conțin ca factori de proporționalitate numai caracteristicile E și G, oricare ar fi complexitatea stărilor de tensiuni mecanice care produc deformațiile elastice [18].

Deformarea elastică a cristalelor care alcătuiesc structura pieselor metalice se realizează prin modificarea distanțelor interatomice și schimbarea parametrilor structurii cristaline (rețelei spațiale). Deformarea elastică a materialelor (pieselor) metalice cu structură policristalină se realizează prin deformarea cristalelor componente conform mecanismului anterior prezentat. Comportarea la deformare și valorile caracteristicilor elastice (E și G) ale materialelor metalice policristaline sunt determinate în principal de natura și intensitatea forțelor de legătură dintre atomii care alcătuiesc cristalele (dependente de compoziția chimică a materialului, de tipul și de parametrii structurii sale cristaline) și sunt influențate în măsură nesemnificativă de factorii structurali modificabili prin prelucrări tehnologice, cum ar fi forma și dimensiunile cristalelor, tipul și densitatea imperfecțiunilor structurii cristaline (vacanțe, dislocații, limite de cristale, limite de subcristale) etc.

Rigiditatea este proprietatea materialelor de a opune deformațiilor elastice. Este proprietatea contrară elasticității și reprezintă o masură a rigidității fiind dată de modulele de elasticitate longitudinal E și transversal G. Rezultă ca rigitatea materialelor metalice și implicit elasticitatea pot fi modificate prin variția lui E și aceasta prin aplicarea metodelor tenologice de prelucrare ca turnarea, deformarea plastică, tratamentele termice și alierea. Prin aceste metode tehnologice de prelucrare se modifică mult limita de curgere Rp0,2 rezutând că poate fi modificată capacitatea materialului de a absorbi energie în domeniul elastic (U = R² p0,2/2E) [16].

Fragilitatea este proprietatea materialelor de a se rupe brusc sub acțiunea diferitelor forțe, fară a permite practic deformații plasctice, fiind proprietatea opusă plasticității. Unele materiale fragile ajung la rupere înainte ca deformația plastică să înceapă (oțelurile de mare rezistență, fonta, sticla, betonul etc).

Tenacitatea este proprietatea materialelor de a înmagazina o energie mare de deformație plastică până la rupere, rezultând că materialele tenace se rup numai după deformații plastice mari (cuprul, aluminiul, oțelurile de mică rezistență etc) [16]. Tenacitatea materialelor depinde de natura lor, natura solicitărilor( statice sau dinamice), viteza de realizare a lucrului mecanic, și temperatura la care se găsește materialul. Pentru a caracteriza tenacitatea dinamică s-a introdus noțiunea de reziliență KCU sau KCV definită ca raportul dintre lucrul mecanic W de rupere la încovoiere prin șoc și aria Sr a secțiunii de rupere (2.10) :

KCU = [J/cm2]. (2.10)

Fluajul reprezintă fenomenul de deformare lentă și continuă în timp a unui material metalic sub acțiunea unor solicitări (tensiuni) mecanice constante, iar ruperile produse datorită acestui fenomen se numesc ruperi prin fluaj. S-a constatat experimental că unul din factorii principali care determină apariția și desfășurarea fenomenului de fluaj este temperatura, fenomenul manifestându-se cu intensitate mare dacă materialul metalic solicitat mecanic are temperatura T ≥ 0,4Ts ≅ Trp, Ts fiind temperatura de solidificare – topire, iar Trp – temperatura de recristalizare primară ale materialului.

Dacă solicitările mecanice aplicate acționează timp îndelungat (zile, luni, ani), procesul de deformare plastică a materialelor metalice poate începe chiar dacă tensiunile create sub acțiunea acestora au intensități mai mici decât limita lor de curgere și se continuă chiar dacă solicitările și, ca urmare, tensiunile create de acestea, își mențin constantă intensitatea.

Pentru un material metalic aflat la o anumită temperatură T = ct., în care o solicitare mecanică invariabilă generează tensiuni cu intensitatea σ = ct., comportarea la fluaj poate fi redată sintetic prin curba de fluaj, reprezentând variația deformațiilor specifice ale materialului ε în funcție de timp τ, ε = f(τ) și prin curba de variație în timp a vitezei de fluaj vf, vf = f’(τ). Curbele de acest tip, reprezentate în figura 2.4, evidențiază că fenomenul de fluaj are mai multe etape de desfășurare [18]:

În etapa inițială (0), pe materialul metalic aflat la temperatura T = ct. se aplică solicitările mecanice care generează tensiunile σ = ct. și materialul capătă (instantaneu) deformația specifică ε0, de natură elastică (dacă tensiunile σ se situează sub limita de curgere a materialului la temperatura T) sau plastică (dacă tensiunile σ depășesc limita de curgere a materialului la temperatura T).

În următoarea etapă (I), numită etapa fluajului primar sau etapa fluajului nestabilizat, are loc creșterea continuă a deformației specifice ε, în condițiile unei evoluții descrescătoare a vitezei vf. Procesele de deformare plastică ce se produc în această etapă sunt localizate în corpul cristalelor care alcătuiesc structura materialului metalic și se desfășoară prin acțiunea combinată a tensiunilor mecanice și a fenomenelor de difuzie.

Din momentul în care procesele de deformare plastică – ecruisare și restaurare – recristalizare primară și-au echilibrat reciproc efectele, viteza de fluaj devine constantă (vf = ct.) și începe o nouă etapă (II), numită etapa fluajului secundar sau etapa fluajului stabilizat, în care principalele procese care se desfășoară sunt localizate la limitele cristalelor care alcătuiesc structura materialului solicitat mecanic. În această etapă, dislocațiile deplasate prin alunecare în cristale sunt blocate la limitele cristalelor, se acumulează în aceste zone și generează microgoluri (microfisuri), care se unesc între ele și își măresc astfel dimensiunile.

Datorită apariției și creșterii microgolurilor intercristaline, de la un moment dat viteza de fluaj începe să crească, procesul de deformare se accelerează progresiv și se intră într-o nouă etapă (III), numită etapa fluajului terțiar sau etapa fluajului accelerat, care se încheie în momentul când se produce ruperea materialului (IV).

Comportarea la fluaj a unui material metalic, descrisă de configurația curbei de fluaj, de curba vitezelor de fluaj, de duratele celor trei etape principale ale procesului de fluaj și de durata (totală) de solicitare a materialului înainte de rupere τf , este influențată esențial de intensitatea tensiunilor de solicitare σ = ct și de mărimea temperaturii la care se desfășoară procesul T = ct.

Pentru determinarea comportării la fluaj a unui material metalic se folosesc încercări mecanice speciale, cum ar fi, de exemplu, încercarea la rupere prin fluaj. Cu ajutorul acestor încercări se determină curbele de fluaj și curbele de variație în timp a vitezei de fluaj în diferite condiții de solicitare mecanică și la diferite temperaturi și se definesc două caracteristici mecanice capabile să reflecte comportarea la fluaj a materialului analizat:

a) limita tehnică de fluaj RTε/τ : tensiunea mecanică de solicitare a materialului la temperatura T, corespunzătoare realizării unei deformații specifice prescrise ε, după o perioadă de timp prescrisă τ; în mod obișnuit, valorile prescrise sunt ε = 1 % și τ = 100000 ore și limita tehnică de fluaj se notează RT1/10000 ;

b) rezistența tehnică de durată RTr/τ : tensiunea mecanică de solicitare a materialului la temperatura T , pentru care ruperea prin fluaj se înregistrează după o perioadă de timp prescrisă τ ; în mod obișnuit, durata de solicitare până la rupere prescrisă este τ = 100000 ore și rezistența tehnică de durată se notează RTr/10000 ;

La proiectarea pieselor sau construcțiilor tehnice care urmează a fi exploatate în condiții de temperatură ridicată trebuie avut în vedere atât pericolul apariției ruperii, cât și cel al creșterii inadmisibile a deformațiilor în timp datorită fenomenului de fluaj. În acest scop se folosesc criterii de durabilitate limitată: “durata de exploatare a piesei sau construcției (la temperatura T, cu tensiunile de solicitare σ ) τe nu trebuie să fie mai mare decât durata necesară apariției ruperii prin fluaj τf (sau decât durata necesară înregistrării unor deformații specifice mai mari decât cele admisibile τd )” [18], relația 2.11. :

τe < τf (sau τe < τd ) (2.11)

Utilizarea criteriului impune cunoașterea caracteristicilor τf și/sau τd pentru materialele metalice cu utilizări industriale (tehnice), caracteristici care se pot determina construind experimental curbele de fluaj, la diferite temperaturi, ale acestor materiale.

Plasticitatea este proprietatea unui material de a se deforma sub acțiunea solicitărilor mecanice și de a nu reveni la forma inițială (de a-și menține configurația obținută prin deformare) când solicitările și-au încetat acțiunea.

Cercetările experimentale și studiile teoretice efectuate au evidențiat următoarele aspecte privind deformarea plastică a cristalelor metalice:

a) Deformarea plastică a cristalelor care alcătuiesc structura materialelor metalice se realizează, în mod obișnuit, prin alunecarea unor zone ale cristalelor, de-a lungul unor plane cristalografice numite plane de alunecare, sub acțiunea tensiunilor tangențiale τ generate de solicitările mecanice aplicate asupra acestor materiale; acest mecanism de realizare a deformării plastice a fost sugerat de observarea unor linii sau benzi de alunecare pe suprafețele libere ale cristalelelor deformate plastic.

b) Planele de alunecare ale cristalelor metalice sunt planele cristalografice cu densitate atomică maximă [18]. În fiecare plan de alunecare, direcțiile preferențiale de realizare a proceselor de alunecare sunt direcțiile cu densitate atomică maximă. Un plan de alunecare împreună cu o direcție de alunecare conținută în acesta formează un sistem de alunecare; structurile cristaline CFC, având cel mai mare număr de sisteme de alunecare, prezintă cea mai bună capacitate de deformare plastică, în timp ce structurile cristaline HC, fiind caracterizate prin numărul cel mai redus de sisteme de alunecare, prezintă plasticitate scăzută.

c) Deformarea plastică prin alunecare a unui cristal nu se realizează prin deplasarea relativă simultană, cu un număr întreg de distanțe interatomice, a tuturor atomilor din zonele adiacente unuia sau mai multor plane de alunecare.

d) Deformarea plastică prin alunecare a cristalelor metalice reale (cu imperfecțiuni ale structurii cristaline) se realizează prin mecanismul bazat pe deplasarea dislocațiilor în planele de alunecare ale cristalelor.

e) Procesul de deformare plastică prin alunecare nu conduce la micșorarea numărului de dislocații conținute în cristale, ci la mărirea acestuia (creșterea densității de dislocații). De asemenea, procesul de deformare plastică bazat pe deplasarea dislocațiilor în lungul planelor de alunecare determină blocarea mișcării multor dislocații, datorită interacțiunii acestora cu obstacolele întâlnite (alte dislocații, vacanțe, impurități etc.). Datorită acestor fenomene (creșterea densității de dislocații și blocarea mișcării unor dislocații), pe măsură ce procesul de deformare plastică a unui cristal avansează, crește intensitatea tensiunii tangențiale τ care asigură continuarea procesului (crește rezistența la deformare a materialului cristalului), fenomen numit ecruisare (întărire) prin deformare plastică.

Deformarea plastică a unui material metalic (a unei piese metalice) cu structură policristalină începe în cristalele având planele de alunecare orientate cel mai favorabil în raport cu sistemul de solicitare al materialului (piesei); în aceste cristale tensiunile tangențiale dezvoltate prin acțiunea solicitărilor mecanice exterioare au intensități maxime și este posibilă demararea procesului de deformare plastică (bazat pe mecanismul descris anterior, de deplasare prin alunecare a dislocațiilor). Dislocațiile deplasate în interiorul cristalelor în primele secvențe ale procesului de deformare plastică sunt blocate la limitele dintre cristale (unde nivelul energetic este mai ridicat și se face trecerea spre cristalele vecine, cu alte orientări ale planelor cristalografice) și apare fenomenul de ecruisare. Mărind intensitatea solicitărilor mecanice la care este supus materialul (piesa), procesul de deformare plastică poate continua, fie prin realizarea condițiilor de deplasare a dislocațiilor în planele de alunecare ale altor cristale, fie prin continuarea deplasării dislocațiilor blocate la marginea cristalelor [18].

În baza mecanismului descris anterior rezultă că, mărind suficient solicitările la care este supus un material cu structură policristalină, se poate obține deformarea plastică globală (generală) a acestuia. Într-o astfel de situație, materialul policristalin va prezenta o structură fibroasă, deoarece cristalele (grăunții cristalini) din care este alcătuit își modifică forma poliedrică (echiaxială) inițială, alungindu-se în direcția eforturilor care le-au produs deformarea. Orientarea unidirecțională a cristalelor materialelor metalice policristaline deformate plastic, denumită textură de deformare, produce anizotropia proprietăților mecanice ale acestor materiale.

Duritatea este proprietatea unui material metalic de a opune rezistență la pătrunderea în stratul său superficial a unui penetrator (corp mai dur). Pentru determinarea caracteristicilor prin care se exprimă cantitativ duritatea materialelor metalice se folosesc, de obicei, metodele prezentate în continuare.

A. Metoda Brinell, reglementată prin standardul SR EN 10003-1 (care reprezintă versiunea în limba română a standardului european EN 10003-1) [18], este o metodă de determinare a durității materialelor metalice care utilizează ca penetrator o sferă (bilă) confecționată din oțel (aliaj Fe-C) sau din carburi metalice.

Duritatea Brinell (simbolizată HBS, în cazul utilizării unui penetrator din oțel și HBW, în cazul utilizării unui penetrator din carburi metalice) este o caracteristică mecanică definită (convențional) ca fiind raportul dintre forța aplicată pe penetrator la efectuarea determinării F, exprimată în kgf (1kgf = 9,80665 N) și aria suprafeței urmei lăsate de acesta pe materialul metalic analizat Sp, exprimată în mm2, în relația 2.12. :

HBS sau HBW = ; (2.12)

deoarece suprafața urmei lăsate de penetrator pe materialul analizat are forma unei calote sferice, aria Sp este dată de relația 2.13. :

Sp = πDh = πD (2.13)

Duritatea Brinell a unui material metalic se indică precizând valoarea durității, simbolul HBS sau HBW (funcție de materialul penetratorului sferic utilizat la determinarea durității) și condițiile în care s-a determinat duritatea: diametrul penetratorului sferic D (în mm) / forța aplicată pe penetrator la determinarea durități F (în kgf) / durata aplicării forței pe penetrator τd (în secunde); de exemplu, dacă duritatea Brinell a unui material metalic s-a determinat cu un penetrator sferic confecționat din oțel, cu diametrul D = 5 mm, apăsat cu forța F = 750 kgf (7355 N), o durată τd = 15 s, iar valoarea durității a fost 220, se face indicația: “materialul metalic are duritatea 220 HBS 5/750/15” [18].

Rezistența la uzură este acea proprietate a materialelor de a se opune la acțiunea de distrugere prin frecare a suprafețelor. Rezistența la uzură a materialelor în contact este influențată de principali factori:

duritatea;

structura;

microgeometria suprafețelor;

compoziția chimică;

puritatea;

starea tensiuni.

În funcție de viteza relativă dintre factorii exteriori de acțiune și suprafețele în contact se

deosebesc următoarele tipuri de uzură:

de aderență;

abrazivă;

de oxidare;

termică;

de contact;

de cavitație.

Rezistența la rupere este proprietatea unui material de a se opune solicitărilor exterioare

care tind sa-l distrugă, fiind cea mai importantă proprietate a materialelor, de acea determinarea ei se face prin epruvete standardizate solicitate la întindere, încovoiere, compresiune, torsiune, forfecare, sau solicitări compuse. Rezistența la rupere Rm(σr) reprezintă raportul dintre forța maximă Fmax raportată la secțiunea S a unei epruvete standardizate, acest raport fiind dat de relația 2.14. :

Rm = , [daN/mm2] sau [GN/m2]. (2.14)

Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui material (unei piese) în două sau mai multe părți sub acțiunea unei stări de tensiuni mecanice.

Ruperile materialelor (pieselor) metalice se pot clasifica folosind mai multe criterii:

modul cristalografic de rupere;

aspectul ruperii;

mărimea deformațiilor plastice care preced ruperea.

Utilizând primul criteriu (modul cristalografic de rupere), care consideră fenomenul de rupere la scară atomică, ruperile se încadrează în două categorii:

ruperi prin clivaj (smulgere), produse prin acțiunea unor tensiuni mecanice normale σ;

ruperi prin forfecare, produse prin acțiunea unor tensiuni mecanice tangențiale τ ;

Dacă se utilizează cel de-al doilea criteriu (aspectul ruperii), care consideră fenomenul de rupere la scară microscopică, ruperile se clasifică în două categorii:

ruperi cu aspect cristalin – strălucitor

ruperi cu aspect fibros.

Dacă se folosește cel de-al treilea criteriu (mărimea deformațiilor plastice care preced ruperea), care consideră fenomenul de rupere la scară macroscopică, ruperile se încadrează în două categorii:

ruperi fragile, precedate de deformații plastice nesemnificative și care se propagă cu viteze

foarte mari ;

ruperi ductile, caracterizate prin deformații plastice apreciabile produse înaintea și în timpul

realizării fenomenelor de rupere.

Categoriile de clasificare a ruperilor materialelor (pieselor) metalice sunt net corelate astfel:

ruperile fragile se produc prin clivaj (smulgere), au propagare intercristalină (prin limitele

cristalelor care alcătuiesc structura materialului) sau transcristalină (prin grăunții cristalini care compun structura materialului) și prezintă aspect cristalin – strălucitor;

ruperile ductile se produc prin forfecare, au, de obicei, propagare transcristalină și prezintă

aspect fibros.

Comportarea la rupere poate fi influențată esențial de factorii ce descriu condițiile solicitării mecanice care determină ruperea:

temperatura materialului în timpul solicitării;

viteza de solicitare (viteza de aplicare a sarcinilor și/sau viteza de deformare a materialului);

gradul de triaxialitate al stărilor de tensiuni generate în materialul supus solicitării, dependent

de complexitatea solicitării și de prezența în material a concentratorilor de tensiuni.

Prin cercetări experimentale privind comportarea la rupere a unui număr mare de materiale metalice cu utilizări industriale s-a constatat că, pentru fiecare din cei trei factori de descriere a condițiilor de solicitare mecanică (precizați anterior) poate fi definit un prag caracteristic, la traversarea căruia comportarea la rupere se modifică din ductilă în fragilă sau invers (în funcție de sensul de variație a factorului la traversarea pragului). De obicei, se consideră ca factor principal temperatura materialului în timpul solicitării, iar pragul caracteristic corespunzător acestui factor este denumit temperatură de tranziție ductil – fragil ttr, (dacă temperatura materialului solicitat mecanic este t > ttr, comportarea sa la rupere este ductilă, iar dacă temperatura materialului coboară la t < ttr materialul prezintă o comportare fragilă la rupere) [19]. Influențele celorlalți doi factori se iau în considerare prin modificările pe care le produc valorii temperaturii de tranziție, astfel: mărirea vitezei de solicitare (solicitarea dinamică sau prin șocuri) și/sau creșterea gradului de triaxialitate al stărilor de tensiuni (datorită complexității solicitării mecanice sau prezenței concentratorilor de tensiuni) determină tendința oricărui material metalic spre o comportare fragilă la rupere și produce creșterea temperaturii de tranziție a materialului respectiv (extinderea domeniului de temperaturi în care materialul manifestă o comportare fragilă la rupere și, ca urmare, restrângerea domeniului de temperaturi în care comportarea la rupere a materialului este ductilă).

Procesul de rupere (fragilă sau ductilă) a unui material metalic are două etape de desfășurare:

a) inițierea ruperii, constând din apariția (germinarea) unor microfisuri (germeni sau nuclee de rupere) în materialul metalic solicitat mecanic;

b) propagarea ruperii, constând din extinderea (creșterea) microfisurilor în materialul

metalic supus solicitărilor mecanice.

Din cele prezentate anterior rezultă că ruperea fragilă este un fenomen greu de diagnosticat (prognozat), care se produce intempestiv , se propagă cu viteze foarte mari (instabil) și poate avea urmări catastrofale, în timp ce ruperea ductilă este un fenomen ușor de detectat, care se produce stabil, după epuizarea capacității de deformare plastică a materialului metalic supus solicitărilor mecanice. Ca urmare, la proiectarea pieselor metalice destinate aplicațiilor tehnice se pune condiția ca materialul metalic ales pentru confecționarea acestora să prezinte o comportare ductilă la rupere pe tot domeniul temperaturilor de exploatare (utilizare) a lor; astfel, dacă domeniul temperaturilor de exploatare a pieselor are limita inferioară temin, materialul metalic din care se realizează acestea trebuie să prezinte o temperatură de tranziție ductil-fragil ttr, care să asigure îndeplinirea condiției 2.15 :

temin > ttr (2.15)

Utilizarea criteriului impune cunoașterea caracteristicii ttr pentru materialele metalice cu utilizări industriale (tehnice).

Rezistența la oboseală este proprietatea materialelor de a rezista la solicitările variabile repetate, iar ruperile produse datorită acestuia se numesc ruperi prin oboseală.

În mod obișnuit, solicitările variabile la care sunt supuse piesele din materiale metalice au caracter periodic (ciclic) și, ca urmare, funcția σ = f(τ), ce exprimă dependența de timp τ a intensității tensiunilor generate de solicitări σ, este o funcție periodică; în aceste condiții, orice solicitare variabilă se poate caracteriza complet printr-un ciclu al solicitării, reprezentând funcția σ = f(τ) pe durata unei perioade a acesteia π.

Examinând figura 2.6, care reprezintă un astfel de ciclu de solicitare, se pot defini următoarele mărimi caracteristice ale unei solicitări variabile:

tensiunea maximă σmax;

tensiunea minimă σmin;

tensiunea medie σm =

amplitudinea tensiunii σv = σmax – σm = ;

coeficientul de asimetrie R = [18].

Cercetările experimentale au evidențiat următoarele aspecte principale privind oboseala materialelor metalice:

a) Graficul dependenței dintre tensiunea maximă a ciclurilor de solicitare, σmax și numărul ciclurilor de solicitare până la ruperea unui material metalic (unei piese metalice) Nr , grafic numit curbă de durabilitate la oboseală sau curbă Wöhler, poate avea, așa cum se observă în figura 2.7 două configurații:

1) pentru majoritatea materialelor metalice, graficul are forma I, Nr crescând continuu odată cu micșorarea tensiunii σmax;

2) pentru unele materiale (de exemplu, fierul, oțelurile, titanul și aliajele pe bază de Ti) graficul are forma II, prezentând un palier la tensiunea σO, numită rezistență la oboseală; la aceste materiale, solicitările variabile caracterizate prin σmax < σO nu produc ruperea (numărul ciclurilor de solicitare până la ruperea materialului este, teoretic, infinit).

Curbele de durabilitate la oboseală și/sau rezistența la oboseală corespunzătoare unui material metalic se determină experimental prin încercări mecanice speciale, cum ar fi încercarea la oboseală prin încovoiere rotativă, reglementată prin STAS 5878.

b) Procesul de degradare prin oboseală a unui material metalic (unei piese metalice) are trei stadii de desfășurare:

inițierea unei fisuri;

propagarea lentă (într-un număr mare de cicluri) și continuă a fisurii, până când secțiunea transversală nefisurată (secțiunea portantă) a piesei devine insuficientă pentru preluarea solicitărilor;

ruperea bruscă a secțiunii transversale nefisurate în stadiile anterioare.

2.1.4. Proprietăți electice

Proprietățile electrice sunt rezultatul interacțiunii dintre material și fenomenele electrice din mediul înconjurător.

Conductivitatea electrică este capacitatea unui material de a permine transportul de sarcini electrice și energie în stare solidă sau lichidă. Potrivit teoriei cinetice clasice a electronilor liberi conductibilitatea electrică a metalelor este determinată de gazul de electroni. La aplicarea unui câmp electric electonii gazului de electronii capătă o mișcare suplimentară în deirecția câmpului electric [16]. Ca rezultat al mișcării suplimentare apere un flux de electroni în direcția câmpului, adică un curent electric a cărui intensitate i se calculează cu relația:

i = σ · E, (2.16)

în care E este diferența de potențial aplicată, iar σ = n ·e·µ, acesta fiind factorul de proporționalitate dintre intensitate și diferența de potențial numindu-se conductivitate electică, n – fiind numarul de electroni din unitatea de volum; e – sarcina electronului; µ – factorul de mobilitate a electronilor.

Rezistivitatea electrică este inversul conductivității electrice.

2.1.5 Proprietățile magnetice

Proprietățile magnetice sunt rezultatul interacțiunii dintre materiale și câmpul magnetic. Magnetismul corpurilor este cauzat de mișcarea sarcinilor electrice ale particulelor elementare, care determină apariția unor momente magnetice. După valorile posibile ale momentului magnetic atomic, corpurile se împart în:

diamagnetice ( au momentul magnetic atomic total µAT = 0);

paramagnetice ( au momentul magnetic atomic total µAT ≠ 0);

Termostricțiunea este capacitatea unui material de a-și modifica forma și dimensiunile ca urmare a magnetizării spontane, când temperatura scade sub temperatura Curie.

Magnetostricțiunea este proprietatea unui material de a-și modifica forma și dimensiunile în procesul de magnetizare și invers. Acestă proprietate se caracterizează prin constanta de magnetostricțiune λ calculată cu relația 2.17:

λ = (2.17)

Din punct de vedere magnetic materialele magnetice se clasifică în:

materiale magnetice moi, utilizate ca miezuri de transformare și bobine, relee, rotoare și

statoare la mașinile electrice, electromagneți, piese polare etc; sunt caracterizate prin ciclu de histerezis îngust, permeabilitate magnetică mare, saturație magnetică mare, câmp coercitiv mic, rezistivitatr relativ mare;

materiale magnetice dure, utilizate ca magneți permanenți; sunt caracterizate prin ciclu de

histerezis lat, energie magnetică în întrefier mare, câmp coercitiv și inducție remanentă mare;

materiale cu proprietăți magnetice speciale, de exemplu materialele cu permeabilitate

constantă când variază câmpul aplicat,materialele cu magnetostricțiune mare magnetodielectrici, materialele termocompostoare, la care permeabilitatea magnetică variază brusc cu temperatura, semiconductoare magnetice etc;

materiale magnetice cu proprietăți mecanice relativ mari, de exemplu fontele și oțelurile

utilizate ca elemente de rezistență mecanică în diferite circuite magnetice.

2.2. Proprietăți tehnologice

Proprietățile tehnologice sunt rezultatul îmbinării și corelării mai multor proprietăți funcționale pentru ca la rândul lor o parte din proprietățile funcționale să fie modificate de proprietățile tehnologice prin intermediul metodei tehnologice sau procedeului tehnologic de transformare, fiind definite de suma de relații dintre proprietățile materialelor și fenomenele ce apar în interacțiunea cu diferitele metode thenologice de transformare la cald sau la rece a acestora.

Proprietățile tehnologice sunt cele care impun procedeul tehnologic optim de transformare a acestuia, existând o strânsă interdependență între procedeele tehnologice de prelucrare și proprietățile tehnologice.

Turnabilitatea este proprietatea unui material de a căpăta în urma solicitării configurația geometrică și dimensiunile cavității în care se introduce în stare lichidă, fiind apreciată cu ajutorul calificativelor( foarte bună, bună, satisfăcătoare, nesatisfăcătoare, rea). Turnabiliatea este direct influențată de unele proprietăți funcționale cum ar fi: fuzibilitatea, fluiditatea, contracția de solidificare, tensiunea superficială permeabilitatea de gaze, tendința de secregare [16].

Turnabilitatea depinde de proprietățile fizice (temperatura de topire, temperatura de solidificare, dilatația termică), de proprietățile chimice (rezistența la coroziune, refractaritatea), de proprietățile mecanice ( rezistența la rupere, rezistența la curgere) si de proprietățile estetice (culoare aspect, grad de netezime etc).

Deformabilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a căpăta deformații permanente,fară a se rupe, sub acțiunea unor forțe exterioare, fiind apreciată cu ajutorul calificativelor( foarte bună, bună, satisfăcătoare, nesatisfăcătoare, rea) [16].

Deformabilitatea este influențată direct de propritățile fizice (temperatura de solidificare, temperatura de cristalizare), de proprietățile chimice (rezistența la coroziune, oxiadarea), de proprietățile mecanice ( elasticitatea, plasticitatea, rezistența la curgere, fluajul, ecruisare), de proprietățile magnetice în cazul procedeelor de magnetodeformare și de proprietățile estetice (aspect, rugozitate). Principale forme sub care se definește deformabilitatea sunt:

forjabilitatea reprezintă capacitatea unor metale sau aliaje de aprezenta rezistență

redusă la deformare sub acțiunea unor forțe de presare sau lovire și de a curge ușor liber sau limitat cavitațional;

ductibilitatea reprezintă capacitatea unor materiale de a putea fi transformate în fire sub

acțiunea unor forțe exterioare;

maleabilitatea reprezintă capacitatea unor materiale de a putea fi transformate în table

sub acțiunea unor forțe exterioare de deformare;

Uzinabilitatea reprezintă proprietatea unui material de a-și modifica forma prin prin îndepărtarea de particule sau microparticule materiale sub acțiunea unor forțe exterioare aplicate prin intermediul unor scule așchiatoare. Toate proprietățile funcționale au o influență deosebită asupra uzinabilității.

Sudabilitatea reprezintă proprietatea unui material de a se îmbina nedemontabil cu alt material prin formarea unor legături atomice între atomii marginali ai suprafețelor de îmbinat în anumite condiții de temperatură și/sau presiune. Reprezintă o caracteristică complexă a unui material, ea depinzând mai mult sau mai puțin de proprietățile funcționale ale materialului de bază și ale metalului de adaos (compoziție chimică, structură, proprietăți, prelucrări anterioare) [16].

Călibilitatea reprezintă proprietatea materialelor de a deveni dure în urma unui ciclu termic de forma: încălzire la o anumită temperatură – răcire după o anumită lege. Călibilitatea este dependentă de proprietățile fizice și chimice ale materialului cu influențe deosebite în modificarea stării structuralea acestuia și implicit asupra celorlalte proprietăți tehnologice [16]. Durificarea structurală se aplică următoarelor tipuri de metale și aliaje cu aplicabilitate industrială:

aliaje pe bază de aluminiu, binare (Al-Cu, Al-Mag, Al-Zn), ternare (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si,

Al-Cu-Ti, Al-Zn-Si), complexe (Al-Cu-Mg-Ni, Al-Si-Mg-Mn, Al-Si-Cu-Mg-Ni) etc ;

aliaje pe bază de cupru (bronzuri din beriliu, cu crom, cu aluminiu, cu siliciu și nichele,

bronzuri complexe);

aliaje pe bază de magneziu, binare (Mg-Al, Mg-Zn) și ternare (Mg-Al-Zn);

oțeluri carbon, slab aliate, aliate și înalt aliate etc;

fonte;

mase plastice.

2.3. Proprietăți economice

Proprietățile economice sunt o sumă de relații de interdependență între material și piața de desfacere și utilizare. Prezintă importanță deosebită în oricare proces tehnologic de transformarea și exploatare deoarece ele fac legătura între proprietățile tehnologice și proprietățile funcționale, legătură foarte greu de exprimat printr-o funcție obiectiv, exprimată de relația 2.18 :

Pe = f (Pf, Pt) (2.18)

3. MATERIALE CU MEMORIA FORMEI UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ

3.1. Aspecte generale privind materialele moderne

Viitoarele echipamente militare au nevoie de materiale mai ușoare și mai inteligente pentru a face față rigorilor luptei armate. Astfel descoperirea de noi materiale sau noi modalități de utilizare și combinare a materialelor existente reprezintă o necesitate care tinde să devină din ce în ce mai pronunțată în vederea dezvoltării echipamentelor militare (fig. 3.1.).

Această nevoie este accentuată de influența crescândă pe care acestea o au în vederea unui conflict armat asupra performanțelor echipamentelor militare, fiind un bun sprijin pentru militarii care le folosesc.

Materialele moderne includ noi materiale care au caracteristici obișnuite dar cu valori superioare din punct de vedere al proprietăților pe care materialele clasice nu le pot avea.

Astfel în cele ce urmeză vor fi tratate aspecte ale acestor materiale care pot contribui la dezvoltarea echipamentelor militare din forțele terestre, dintre care spre exemplificare au fost alese materialele compozite, nanomaterialele și materialele inteligente.

3.2. Materiale inteligente

Făcând legătura cu științele biologice, materialele inteligente au capacitatea de a îndeplini funcții de activatori de senzori sau de control.

Ideea de material inteligent poate fi dezvoltată la un nivel mai ridicat de inteligență artificială, prin încorporarea unei "funcții de învățare". Obținând un material foarte inteligent care poate detecta variațiile mediului și-și poate modifica caracteristicile proprii astfel încât să controleze variațiile care au generat anumite modificări. S-au dezvoltat, astfel, noțiunile de"inteligență activă" reprezentând materiale care reacționează în mod discret la constrângeri mecanice, termice sau electrice exterioare, îmbunătățindu-și caracteristicile printr-un sistem de feed-back, și de "inteligență pasivă" un material care permite reacția doar la mediu [7].

Materialele inteligente au proprietatea de a se auto-adapta la stimulii externi. Funcțiile acestor materiale se manifestă inteligent în funcție de schimbările mediului exterior (fig3.2.).

Intrare stimul Ieșire răspuns

Material activ

Fig. 3.2. Sub actiunea stimulilor externi, materialul inteligent se modifică intrinsec [20]

Răspunsul materialelor active la schimbările de mediu poate consta în modificarea lungimii materialului, modificarea vâscozității, a conductivițății electrice, ș.a.

Componentele de bază ale materialelor inteligente și structurilor inteligente sunt:

actuatorii, senzorii și sistemele de control.

Actuatorii (termen preluat din limba engleză) sunt constituiți din materiale inteligente capabile să efectueze o acțiune. Ei au capacitatea de a-și modifica: forma (generând lucru mecanic), rigiditatea, poziția, frecvența vibrațiilor interne, capacitatea de amortizare, frecarea internă sau vâscozitatea, ca rezultat al variațiilor de temperatură, câmp electric sau magnetic. Cele mai răspândite materiale pentru actuatori (numite și adaptive sau materiale reactive) sunt: materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice, materialele electrostrictive și magnetostrictive precum și materialele electroreologice și magnetoreologice [7].

Senzorii sau captatorii sunt sisteme de detecție cu rol de a traduce modificările mediului prin emiterea unor semnale cu ajutorul cărora este descrisă starea structurii și a sistemului material. Printre funcțiile lor se numără: controlul defectelor, amortizarea vibrațiilor, atenuarea zgomotului și prelucrarea datelor. Unei structuri i se pot atașa senzori externi sau îi pot fi incorporați senzori. Cele mai răspândite materiale senzoriale sunt: materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice, materialele electrostrictive, fibrele optice și particulele de marcare [7].

Sistemele de control sunt dispozitive de transfer și se bazează pe așa numitele "rețele neurale" care au rolul de-a asigura comunicarea complexă, prelucrarea semnalului și memoria prin evaluarea stimulilor primiți de sistem și controlul reacției acestuia. Prelucrarea semnalului și acțiunea rezultată se realizează după o anumita "arhitectură" care include: organizarea globală, organizarea locală, ierarhia simplă și multi-ierarhia. După acest model, informațiile mai puțin importante, care nu necesită precizii foarte ridicate, pot fi prelucrate la un nivel inferior, fără a mai trebui să treacă prin nivelul central. Rezultă atât reducerea timpului de stimulare-acțiune, cât și reducerea consumului energetic. În felul acesta este prelungită "viața" sistemului de control care trebuie să fie mai lungă decât duratele de funcționare ale oricăruia dintre componentele sale [7].

Cea mai eficace metodă de obținere a materialelor inteligente este asamblarea de particule care se poate realiza fie prin atașarea, fie prin integrarea elementelor active într-o structură unitară.

Acest concept de asamblare de particule presupune [7]:

a) producerea unui amestec ordonat de diferite particule;

b) manipularea particulelor cu o microsondă;

c) aranjarea particulelor pe substraturi.

Metoda de aranjare pe substraturi presupune parcurgerea a trei etape (după modelul copierii xerografice): desenarea, developarea și fixarea. Cu ajutorul sistemelor materiale inteligente au fost concepute sisteme de prelucrare mecanică inteligentă cum ar fi, de exemplu, îndoirea precisă "în L" a tablelor subțiri [7].

Un ansamblu de materiale inteligente, analizate la scară macroscopică dar integrate la scară microscopică poartă denumirea de “structură inteligentă”. Ea se poate auto-monitoriza, reacționând unitar la orice stimul extern . Cea mai simplă structură materială inteligentă este alcătuită dintr-un senzor, un actuator și un amplificator de feed-back. Între senzor și actuator poate să existe sau nu un cuplaj mecanic, prima variantă fiind mult mai eficace, deoarece culegerea informației și acționarea se produc în același punct [7].

În urma studiului, dezvoltării și implementării materialelor inteligente în diverse sisteme materiale a apărut noțiunea de "viață artificială" (a-life) dedicată creării și studiului unor organisme și sisteme de organisme construite de oameni. În conformitate cu conceptul a-life, sistemele materiale inteligente sunt astfel concepute încât să poată manifesta atât caracteristici adaptive (pot fi "educate" sau pot reacționa în mod spontan la mediu) cât și posibilitatea de-a transmite informații la proiectant și utilizator, astfel acestea pot ajuta la îmbunătățirea echipamentelor militare .

Pot exista numeroase aplicații comerciale ale materialelor inteligente, dar cea mai valoroasă dintre acestea este posibilitatea de-a studia și înțelege o serie de fenomene fizice complexe, în special din domeniul fizicii fundamentale. Principalele domenii de aplicabilitate ale materialelor inteligente sunt următoarele:

tehnică militară – controlul geometriei aripilor de avion, a palelor de elicopter și a elicelor

sau velaturii navelor prin ameliorarea aero- sau a hidrodinamicii în scopul reducerii sau suprimării vibrațiilor produse de curenții turbionari din aer sau apă;

reducerea zgomotului torpilelor;

tehnica aerospatiala -controlul mișcării instabile a tronsoanelor și a sistemelor de legătură ale

subsateliților aflați pe orbită circumterestră;

domeniul medical – chirurgie (filtre sangvine, mușchi, membre și organe artificiale),

ortopedie (implanturi) sau oftalmologie (retină artificială); monitorizarea continua a stării de sănătate (toalete inteligente care analizează dejecțiile, avertizând depășirile limitelor admise);

micromotoare;

robotică;

protecție la supracurent;

Piața mondială a materialelor inteligente depășește 1 miliard $ anual dintre care 75% reprezintă materialele piezoelectrice și electrostrictive, câte 10 % materialele magnetostrictive și cele cu memoria formei și restul de 5 % materialele electro- și magnetoreologice.

3.3. Materiale cu memoria formei

După ce o scurtă perioadă au fost numite aliaje cu memorie piezomorfică, termomorfică sau feroelastică, aliajele cu memoria formei au fost cunoscute la începutul anilor ‘70 sub denumirea de “marmem”-uri (care sublinia legătura dintre martensită și memorie) . La ora actuală, la aliajele obținute prin tehnologia clasică s-au adăugat cele obținute prin metalurgia pulberilor și prin solidificare ultrarapidă. Mai mult chiar, au apărut și o serie de materiale nemetalice cu memoria formei care cuprind: materiale ceramice, cum ar fi bioxidul de zirconiu policristalin stabilizat, polimeri, cum sunt polielectroliții cu grupuri ionizabile sau hidrogelurile polimerice cu rețele interpenetrante și materiale compozite. În aceste condiții, s-a generalizat denumirea de materiale cu memoria formei [7].

Primele experimente legate de fenomenele de memoria formei (pseudoelasticitate, efect simplu de memoria formei, efect de memoria formei în dublu sens, efect de amortizare a vibrațiilor, efecte premartensitice, etc.) au fost efectuate pe monocristale. Cum monocristalele aliajelor pe baza de cupru se obțin mai ușor, acestea au fost materialele experimentale care au permis, în anii ’70, stabilirea atât a originii microstructurale a fenomenelor de memoria formei cât și a legăturii dintre acestea și transformarea martensitică [7].

Se consideră că istoria materialelor cu memoria formei a început în 1932, odată cu descoperirea unui aliaj Au-Cd care prezenta la temperatura camerei o elasticitate surprinzătoare – de aprox. 8 % – care a fost numită de "tip cauciuc" . Efectul propriu-zis de memoria formei a fost descoperit mai întâi la Au-Cd în 1951 și apoi la In-Tl în 1953. La acestea s-au adăugat și alte aliaje neferoase dintre care cele mai importante sunt: Cu-Zn (1956), Ti-Ni (1963), Cu-Al-Ni (1964) [9] și Cu-Zn-Al (1970) [9] precum și o serie de aliaje feroase cum ar fi: Fe-Mn-Si [9], Fe-Ni-Co-Ti și Fe-Ni-C [9].

"Vedeta" materialelor cu memoria formei este în mod incontestabil aliajul NITINOL, numit astfel după Ni-Ti și Naval Ordnance Laboratory (actualmente Naval Surface Warfare Center) – locul unde a fost descoperit. Aliajul Ni-Ti prezintă în stare policristalină excelente caracteristici legate de fenomenele de memoria formei, cum ar fi capacitatea de înmagazinare a energiei elastice la încărcarea izotermă (42 MJ/m3) sau deformațiile maxime care pot fi recuperate în cadrul memoriei mecanice (10 %) sau termice (8%). S-a calculat că în 50 l de Nitinol se poate înmagazina tot atâta energie cât în motorul unei mașini.

În anii ’80 s-a manifestat cea mai intensă activitate legată de inventica aplicațiilor materialelor cu memoria formei, media numărului de brevete prezentate la nivelul deceniului respectiv fiind de două pe zi. Ulterior, preocuparea de-a găsi noi aplicații pentru aceste materiale "revoluționare" considerate drept o "soluție care își caută problema" s-a redus în mod simțitor, numărul total de cereri de brevete depășind de abia 15000 în anul 1996 [9].

3.3.1. Aplicatii ale materialelor cu memoria formei

Aplicații ale materialelor și aliajelor cu memoria formei în tehnica militară sunt: cuplaje hidro-pneumatice, conectori electrici, dispozitive de fixare, inel de fixare a încărcăturii proiectilelor, inel de fixare a sigiliilor ermetice, aplicații spațiale, armarea focoaselor, actuatori piezoelectrici, materiale piezocompozite, piezostructuri.

            Principiul de functionare a unui cuplaj hidro-pneumatic din material cu memoria formei este ilustrat în figura 3.3.           

Cuplajului i se imprima forma calda (1), caracterizată printr-un diametru interior mai mic decât cel nominal, D0, al conductelor sau țevilor pe care urmează să le îmbine. După răcire până în domeniul martensitic (2), cuplajul, care acum s-a înmuiat considerabil, este expandat prin introducerea forțată a unui dorn cu diametrul mai mare decât D0. În această stare (3), care este practic starea de livrare, cuplajul poate fi depozitat o perioadă îndelungata. La instalare, cuplajul este montat rapid, fiind scos din mediul de depozitare (de exemplu azot lichid) în atmosferă, unde se încălzeste până în domeniul austenitic (4) si prin EMF cu revenire retinută, asigură strângerea necesară realizării unei îmbinări etanșe între conducte.

Pentru deschiderea cuplajului, este necesară o răcire puternică până în domeniul martensitic (5). Din acest motiv, valoarea prescrisă a lui Ms este destul de scăzută: -400C la cuplajele industriale, de uz comercial si -900C la cele militare. Primele cuplaje hidro-pneumatice s-au confecționat în 1967 din AMF Ni-(49-50)Ti-(3-4)Fe și au fost utilizate la legarea conductelor de răcire ale avioanelor de luptă "Gruman" F14, care atingeau, în timpul zborului, o temperatură minim de -550C [21].

După cum s-a arătat, alierea cu Fe, a AMF Ni-Ti, inhibă foarte puternic transformarea martensitică, coborând Ms pâna la −1500C. Exemplul tipic de cuplaj hidro-pneumatic, confecționat din AMF Ni-Ti-Fe, este CRYOFIT cu forma constructivă schițată în figura 3.4.

            Pentru a evita dezavantajul păstrarii în azot lichid, s-au dezvoltat aliaje la care histerezisul termic a fost majorat, până la 800C sau chiar 1450C, prin adăugarea a cca. 9 % Nb.

 Principalele avantaje ale cuplajelor hidro-pneumatice din AMF pe bază de Ni-Ti sunt: compactitatea, instalarea ușoară si fiabilitatea [21].

            Spre deosebire de AMF pe bază de Ni-Ti, care oferă cea mai bună combinație de fiabilitate si instalare nepretențioasă (dar sunt si cele mai scumpe) AMF Cu-Zn-Al-Mn au forțe și deformații recuperabile mult mai reduse iar cele pe bază de Fe-Mn-Si dezvoltă forțe, prin EMF cu revenire retinută, care variază foarte puternic în funcție de deformația nerecuperată.

            În ciuda dezavantajelor de mai sus, AMF pe bază de cupru s-a folosit la confecționarea unor cuplaje de uz militar în S.U.A. iar AMF pe bază de Fe-Mn-Si la producerea unor cuplaje care se înfiletează, în stare expandată, pe capetele conductelor și apoi, prin încalzire, dezvoltă forțe de strângere considerabile.

            O utilizare de perspectivă a AMF, la confecționarea cuplajelor hidro-pneumatice, constă din folosirea acestor materiale ca elemente de întărire a unor îmbinări existente dintre două conducte sau țevi. Această tehnică utilizează sârma din AMF Ni-Ti-Nb și se aplică la repararea operativă a legăturilor dintre conductele din centralele nucleare, a cuplajelor tehnice deteriorate după luptă sau pur și simplu la întărirea sudurii dintre conductele de diametre mari.

În ultimul deceniu au fost fabricate și cuplaje hidro-pneumatice din polimeri cu memoria formei, care au avantajul densității reduse și a înaltei rezistențe la coroziune.

Conectorii electrici cu memoria formei se utilizează de peste 25 de ani. Spre deosebire de cuplajele hidro-pneumatice, conectorii electrici trebuie să facă față unui număr mult mai mare de cicluri de cuplare-decuplare. Acești conectori au următoarele caracteristici: 1-forța de cuplare nulă; 2-rezistență la coroziune; 3-au carcase cu gabarit redus, deoarece nu trebuie să preia componente ale forțelor de cuplare; 4-forța de reținere este foarte ridicată, 5-etanșare perfectă; 6-rezistență la șocuri și vibrații [22].

Principalele tipuri de conectori electrici sunt CRYOCON si CRYOTACT. Principiul constructiv-funcțional al cuplajelor CRYOCON este ilustrat în figura 3.5.

            Cuplajul este asamblat după ce mufa din bronz cu beriliu (2) a fost lărgită, fig.3.5(b) iar inelul din AMF Ni-Ti, aflat în stare austenitică, este introdus forțat peste mufă, fig.3.5(d). Dacă inelul nu este răcit pentru a se înmuia și este lărgit de mufă, fig.3.5(e),fișa nu poate fi introdusă. În felul acesta se realizează conectarea electrică, fără forța de apăsare. În timpul încălzirii cuplajului până la temperatura camerei, fișa este strânsă de mufa care primește forța de la inel, fig.3.5(f), pe întreaga ei suprafață. Pentru a mări cursa de strângere, evitând curgerea austenitei, inelele active se fac din AMF Ni-Ti-Cu [22].

Principalul dezavantaj al conectorilor electrici tip CRYOCON este precizia foarte ridicată care se impune diametrului fișei pentru a asigura forța de strângere, în condițiile în care însuși materialul fișei este deformat elastic și trebuie evitată suprasolicitarea elementului activ din AMF, care poate provoca deteriorarea memoriei termice și reducerea rezistenței la oboseală.

Datorită părții de compensare, (1) în fig.3.5(a), o parte din energia de strângere a ramei (2), din AMF Ni-Ti, este disipată. Din acest motiv fișa care se introduce în zona de contact poate avea o precizie dimensională mult mai redusă fața de cuplajele CRYOCON.

Tot în cadrul conectorilor electrici dar de tip permanent, pot fi încadrate și ramele conductoare din AMF Cu-Zn-Si-Sn, utilizate la asamblarea circuitelor integrate. Principiul constructiv-functional al uneia dintre aceste metodele de asamblare este ilustrat în  figura 3.6.

            Din banda de AMF Cu-Zn-Si-Sn bifazic (α+β) s-au fabricat, prin ștanțare, ramele cu forma din fig.3.6(a). Aripioarele centrale au fost încovoiate la 900C, prin introducerea unui dorn, ceea ce corespunde unei deformații de 7 % a fibrei exteriore. Apoi ramele au fost încălzite la 8300C, în domeniul fazei β si călite în apă. După călire, ramele au fost mai întâi îndreptate și apoi aliniate deasupra unui "chip", în poziția reprezentată cu linie întreruptă în fig.3.6(b). Încălzind tot ansamblul la 2000C, aripioarele s-au îndoit intrând în contact cu un aliaj de lipit. După răcire, aliajul de lipit se solidifică reținând aripioarele în această poziție [23].

La dispozitivele de fixare, materialele cu memoria formei se folosesc sub formă de inele ce lucrează în domeniul austenitic și care permit obținerea unor asamblări permanente, nedemontabile. La încălzire, inelele suferă EMF cu revenire reținută și nu-și mai modifică forma la răcire.

Sistemele de fixare pe bază de AMF au următoarele avantaje:

controlul tensiunii de strângere (max. 400 MPa) prin deformația de contact (max. 1,5 %);

toleranțe mai mari ale pieselor conjugate ce pot compensa abateri dimensionale mai mari

decât alte sisteme de fixare;

presiune radială uniformă;

temperatură scazută de instalare;

instalare ușoară (ce poate fi automatizată);

temperaturi variate de funcționare (de la -65 la 300) 0C.

În plus, aceste inele pot fi instalate într-o poziție foarte precis localizată, fixând anumite elemente (rulmenți, roți dințate, etc.) într-un loc prestabilit de-a lungul unui ax sau arbore.

      Prin marcarea inelului cu o vopsea termocromatica, se poate urmări dacă încălzirea pentru instalarea lui s-a efectuat până la temperatura corespunzătoare.

            Primele aplicații ale dispozitivelor de fixare pe bază de materiale cu memoria formei au fost inelele din Cu-Zn-Al-Mn, cu histerezis termic mărit prin "precondiționare" (mărirea temperaturii As în urma îmbătrânirii în stare austenitică), utilizate la fixarea împletiturii de ecranare, din cupru cositorit, pe capetele mufelor adaptoare. Ulterior aceste inele s-au confecționat din sârmă de AMF Ni-Ti-Nb sudată, ceea ce a permis renunțarea la precondiționare, temperatura de lucru lărgindu-se, între -650C si 1500C. Fixarea acestor inele se realizează printr-o simplă încălzire, cu ajutorul unei rezistențe electrice.

            Alte aplicații ale materialelor cu memoria formei, ca dispozitive de fixare, sunt inelele cu diverse secțiuni transversale, utilizate în domenii specifice cum ar fi: fixarea proiectilelor, sigilarea ermetică, preîncărcarea rulmenților, etc.

            A. Inelul de fixare a încărcăturii proiectilelor este reprezentat schematic în figura 3.7.

            Poziționarea încărcăturii explozive (4) se realizează prin intermediul inelului din aluminiu (3) introdus în interiorul proiectilului. Inelul din AMF (2) fixează definitiv inelul din aluminiu, controlând forța de pretensionare axială a încărcăturii.

            B. Inelul de fixare a sigiliilor ermetice este reprezentat în figura 3.8.

            Inelul din AMF (2) se montează peste recipientul pe care trebuie să-l etanșeze (1). Prin încălzirea inelului, acesta se strânge, deformând plastic recipientul peste baza de prindere (3). Această tehnică de ermetizare se utilizează cu succes la etanșarea de înaltă calitate a giroscoapelor, a rachetelor, a detonatoarelor, etc [23].

            În celelalte situații larg răspândite, etanșările uzuale nu se fac prin sisteme de fixare din materiale cu memoria formei din cauza costurilor prea ridicate.

Armarea focoaselor este o operație importantă care precede detonarea explozibililor. Aceasta poate fi realizată – în condiții de protecție maximă la supraîncălzire și șocuri, concomitent cu o importantă simplificare constructivă – prin intermediul unui actuator electric reprezentat printr-o sârmă din aliaj Ni-Ti. Dacă este încălzită electric se contractă, extrăgând „cuiul" declanșator. Sârmele din aliaj Ni-Ti, pregătite special în acest scop, sunt stabile (inactive) între – 55°C și 80°C; în acest mod este asigurată protecția la detonare prematură între 100°C și 120°C și armează focosul. Pentru armare, sârma trebuie să se contracte cu 6 mm, sub efectul unei energii de 10 J, înmagazinată într-un condensator electric [7].

Actuatori piezoelectrici exercită forțe mecanice, ca efect al tensiunii electrice aplicate, prin efect piezoelectric invers. Principalele avantaje ale actuatorilor piezoelectrici sunt timpii reduși de reacție și coeficienții ridicați de cuplare piezoelectrică. Aceștia sunt de tip: monocristal, material ceramic polarizat și compozit piezoelectric.

Cuarțul este cel mai răspândit mineral, cel mai vechi (și primul) material piezoelectric și reprezintă o formă polimorfică a silicei (SiO2), regăsită atât în compoziția chimică a sticlei silicioase (de geam) cât și în unele tipuri de pietre prețioase: agat, ametist, calcedonie, opal etc.

Monocristalele de cuarț artificial, obținute prin solidificare dirijată, se utilizează în componentele oscilatoarelor electronice. Tăiat în plăci subțiri, după anumite orientări și cu grosimi foarte exacte, cuarțul capătă o frecvență de rezonanță foarte precisă, dependentă de dimensiunile plăcii. Prin aplicarea unui curent alternativ, se obține un oscilator electronic cu frecvență foarte precisă și ridicată (cca. 20 GHz), care produce impulsuri „de ceas" în computere sau ceasuri cu cuarț sau poate să controleze frecvențele emițătoarelor radio [7].

Cea mai largă întrebuințare a actuatorilor piezoelectrici o au cei ceramici. Aceștia, deoarece sunt capabili să genereze forțe mari în timpi foarte reduși, sunt utilizați la: controlul vibrațiilor, capetele imprimantelor matriciale și motoarele piezoelectrice.

Materialele piezoceramice sunt utilizate pe scară largă ca actuatori, cele mai importante aplicații fiind în domeniile militar, aerospațial sau spațial, pentru controlul structurilor mari și a vibrațiilor [7]. Dezavantajul materialelor piezoceramice este fragilitatea lor foarte ridicată. Diminuarea acestui dezavantaj a fost posibilă prin realizarea materialelor compozite piezoelectrice (piezocompozite).

Materialele piezocompozite reprezintă asocierea într-un produs unic a unor elemente active dintr-un material piezoceramic și a unei matrice pasive din polimer, în scopul valorificării proprietăților benefice ale acestora. Materialele piezocompozite sunt utilizate pentru fabricarea de actuatori și senzori care rezistă la undele de șoc provenite din exploziile submarine. Acestea au capacitatea de a-și relua funcțiile după fiecare explozie [7].

Piezostructurile sunt actuatori piezoelectrici utilizați în mod curent pentru controlul vibrațiilor. O astfel de aplicație o constituie controlul complianței (indică gradul de elasticitate și este inversa rigidității) structurilor mari, terestre și spațiale. Efectul deosebit de grav al vibrațiilor constă în concentrarea periodică a tensiunilor care grăbesc apariția fisurilor și mai departe a crăpăturilor și distrugerea unei structuri.

Introducerea actuatorului piezoelectric în zona cu cel mai mare risc de fisurare determină creșterea rezistenței la fisurare cu peste un ordin de mărime. Un exemplu în acest sens îl reprezintă pala de elicopter care este supusă la vibrații foarte mari, mai ales în timpul zborului pe orizontală.

Un domeniu deosebit de important privind utilizarea actuatorilor piezoelectrici la controlul vibrațiilor este reprezentat de structurile spațiale mari – antenele și sateliții.

Antenele spațiale sunt instalații complexe cu formă cvasi- statică, compuse din ansambluri de cabluri și împletituri, cu o structură de susținere și rigidizare. Deschiderea antenelor se realizează prin intermediul unor brațe extensibile care se alungesc în sens centrifug, pe direcție radială. Forma suprafeței antenei este importantă deoarece influențează în mod direct capacitatea de emisie-recepție a instalației. Din cauza suprafeței mari (antena are un diametru de deschidere de cca. 8 m), instalația captează o cantitate importantă de energie solară radiantă, care determină dilatarea întregului ansamblu. Controlul geometriei antenei se realizează prin utilizarea actuatorilor piezoceramici, în formă de benzi din bioxid de zirconiu, care dezvoltă momente de încovoiere prin efect piezoelectric invers [7].

Aceleași soluții (utilizarea unor elemente de rezistență, active, cu actuatori piezoelectrici înglobați) au fost adoptate la amortizarea activă a vibrațiilor din elementele flexibile ale sateliților. Astfel, s-a reușit controlul formei structurilor spațiale și au fost reduse duratele de reparație în care astronauții sunt nevoiți să iasă în spațiul cosmic.

O altă problemă o constituie vibrațiile produse de motoarele de la bordul sateliților. Chiar dacă sunt foarte bine izolate, acestea pot perturba funcționarea transmisiei prin laser și trebuie amortizate. Sistemele de amortizare activă (actuatori și senzori piezoelectrici distribuiți pe întreaga structură), montate pe satelitul de comunicații ARTEMIS (Advaced Relay and Technology Mission), au determinat o reducere a nivelului vibrațiilor de până la 69 de ori.

Materiale electrostrictive și magnetostrictive

Materialele electrostrictive și magnetostrictive au proprietatea de a-și modifica dimensiunile atunci când sunt plasate în câmp electric respectiv câmp magnetic.

Materialele electrostrictive sunt materiale inteligente care sunt caracterizate de următoarele proprietăți [10]:

– nu prezintă histerezis magnetic;

– constanta dielectrică este reglabilă cu ajutorul câmpului electric și pot atinge valori de 2-3 ori mai mari decât materialele piezoceramice;

– nu este necesară polarizarea inițială;

– au efecte electrostrictive inverse, comparabile, ca mărime a deformației, cu cele mai bune materiale piezoceramice convenționale.

Lipsa histerezisului magnetic determină ca la fiecare valoare a intensității câmpului electric aplicat să corespundă o valoare unică a deformației, indiferent de creșterea sau descreșterea curentului electric.

Actuatorii electrostrictivi față de actuatorii realizați din alte materiale inteligente prezintă următoarele avantaje: forța dezvoltată mare, putere consumată mică, timp de reacție redus, precizie foarte bună, posibilități de miniaturizare.

Actuatorii piezoelectrici/electrostrictivi multistrat se obțin prin asocierea unui material inteligent electrostrictiv cu unul piezoelectric.

Aplicația de bază a acestor materiale inteligente este folosirea lor la realizarea traductorilor analogici de deplasare (dispozitive de poziționare), numiți servotraductoare de deplasare.

Dintre aplicațiile dispozitivelor de poziționare se pot aminti [10]:

– oglinzile deformabile: sunt întâlnite la structuri mari, telescoape spațiale lasere de mari energii, sisteme de comunicații prin laser, dilatometre interferometrice ultrasensibile. Oglinda este centrată dinamic printr-un actuator de feed-back care elimină efectele parazite datorate gravitației, turbulenței atmosferice și dilatării termice;

– dispozitive de micropoziționare mecanică: se folosesc în poziționarea capetelor magnetice și optice de redare-înregistrare, robotică, dispozitive de tăiere cu precizie ridicată, microscopie optică;

– dispozitive de impact: sunt actuatori cu control de tip pornit-oprit. Au rolul de a deplasa anumite piese, cu care se ciocnesc, până într-o poziție stabilită;

Spre exemplu se poate aminti: elementele active ale releelor și comutatoarelor, imprimantele prin puncte sau cu jet de cerneală. Acești actuatori prezintă viteză de reacție ridicată, factori mari de cuplare piezoelectrică și forțe mari.

– motoare ultrasonore: au în componență elemente active din materiale inteligente electrostrictive care prezintă o deplasare rigidă și o deformație indusă unidirecțional (de tip servotraductor sau de tip pornit-oprit). Dispozitivul de focalizare automată al camerei video poate fi un exemplu al acestei aplicații.

Materiale magnetostrictive (cristaline, amorfe) sunt o clasă importantă a materialelor inteligente și au proprietatea de transformare a energiei magnetice în energie mecanică și invers.

Magnetostricțiunea reprezintă modificarea lungimii unui material atunci când este introdus într-un câmp magnetic, fenomen ce se mai numește și efect Joule. Magnetostricțiunea poate fi pozitivă atunci când se produce alungirea și negativă când se produce contracția.

Dacă este aplicat un câmp magnetic elicoidal se produce răsucirea materialului, lucru ce poartă denumirea de efect Wiedemann. Efectul Joule și efectul Wiedemann au și variante inverse.

Varianta inversă a efectului Joule (efectul Villari) se caracterizează prin magnetostricțiune pozitivă sau negativă, după direcția câmpului magnetic generat la aplicarea unei tensiuni mecanice externe aceasta fiind paralelă, respectiv perpendiculară pe axa tensiunii aplicate. Efectul Villari constând în producerea unui câmp magnetic de deformare [10].

Varianta inversă a efectului Wiedemann este efectul Matteuci care constă din crearea unui câmp magnetic elicoidal într-un material feromagnetic supus unei solicitări de torsiune.

Posibilitatea de cuplare a celor două energii: mecanică și magnetică denumită capacitate de transducere reprezintă condiția esențială de utilizare a materialelor inteligente magnetostrictive ca actuatori și ca senzori [10].

Cel mai performant material magnetostrictiv actual este TERFENOL-D (TE- terbium, FE-fier, Naval Ordinance Laboratory: inițialele laboratorului unde a fost descoperit D-disprosiul și Nitinolul). Cele două actinide, terbiul (Tb) și disprosiul (Dy), prezintă deformații magnetostrictive foarte mari, cu două până la patru ordine de mărime mai mari decât aliajele nichelului, dar la temperaturi scăzute.[10]

Dintre aplicațiile materialelor magnetostrictive se pot aminti [10]:

– receptoare telefonice;

– hidrofoare de tip SONAR de joasă frecvență utilizate pentru ecolocație;

– oscilatoare magnetostrictive;

– traductoare de cuplu.

Materialele inteligente din această categorie pot fi utilizate ca actuatori și senzori pentru controlul vibrațiilor în echipamentele militare.

Materiale electroreologice și materiale magnetoreologice

Materialele electroreologice și magnetoreologice sunt sisteme de particule care, sub influența câmpului electric, respectiv magnetic, au capacitatea de a-și mări vâscozitatea cu 2-6 unități de mărime, trecând din stare lichidă în stare solidă, într-un timp de câteva milisecunde.

Proprietățile reologice ale substanțelor se exprimă prin vâscozitate, care reprezintă coeficientul de frecare interioară [7].

Materiale electroreologice sunt soluții de particule coloidale, polarizabile, în solvenți izolatori, cu constană dielectrică ridicată.

Acestea se caracterizează prin faptul că într-un câmp electric puternic, aflate în curgere, își modifică vâscozitatea.

Ca și aplicații ale materialelor electroreologice în echipamentele militare se poate aminti [7]:

– dispozitivele controlabile: supapă, suport pentru motoare și mecanisme, frână, ambreiaj, amortizor.

Materialele magnetoreologice sunt suspensii stabile de particule feromagnetice ultrafine, într-un mediu fluid purtător izolator.

Acestea se caracterizează prin faptul că la aplicarea unui câmp magnetic au capacitatea de a-și modifica vâscozitatea cu până la 6 unități de mărime. Structura unui astfel de material este formată din următoarele componente: particule feromagnetice, fluid purtător și stabilizator.[7]

Particulele feromagnetice au formă sferică și ocupă aproximativ 0.2 – 0.5% din volum . În mod curent se folosește pulbere din material magnetic moale, cum ar fi carbonilul de fier.

Fluidul purtător servește ca mediu continuu de izolare. Ca fluide purtătoare pot fi utilizate: apa, kerosen, glycol, sau diferite tipuri de ulei cum sunt: uleiul sintetic, ulei mineral sau siliconic.

Stabilizatorul păstrează particulele suspendate în fluid, împiedicându-le să se adune împreună sau să se depună gravitațional.

Stabilizarea se face diferit în funcție de concentrația particulelor [7]:

la concentrații mici aproximativ 10 % stabilizarea are loc prin formarea unui gel care

favorizează dispersia și lubrifierea, modificând vâscozitatea și inhibă uzura. Silicagelul este un astfel de stabilizator, și este format din particule ultrafine și poroase de silice, care au capacitatea de-a absorbi mari cantității de lichid;

la concentrații mari aproximativ 50% stabilizarea se va face cu ajutorul substanțelor

tensioactive, care aderă pe suprafața particulelor, favorizând dispunerea lor în structuri fin dispersate.

Aceste materiale prezintă avantaje în plus comparative cu materialele electroreologice [7]:

rezistentă la curgere mai mare;

stabilitate mai mare la elemente de contaminare și impurități, care pot apare în timpul producerii și utilizării materialului ;

un consum energetic mai redus.

Datorită acestora cât și proprietăților lor magnetoreologice controlabile, materialele magnetorelologice sunt folosite cu succes în controlul șocurilor și vibrațiilor fiind deasemenea utilizate în echipamentele militare în dispozitivele controlabile.

STUDIUL COMPARATIV AL MATERIALELOR MODERNE ÎN RAPORT CU MATERIALELE CONVENȚIONALE ÎN DIFERITE DOMENII MILITARE

Pentru realizarea unei piese din compunerea tehnicii militare, este nevoie ca materialul să întrunească anumite proprietăți cerute de proiectant. Materialele convenționale nu îndeplineau toate cerințele folosirii în orice domeniu al tehnicii militare, de aici rezultând nevoia de materiale diferite cu proprietății specifice.

Așa și-a făcut apariția materialele inteligente, aceastea având proprietății diferite, cu ajutorul cărora s-au realizat numeroase progrese în domeniul industriei aeronautice și aerospațiale. Materialele inteligente sunt caracterizate de așa numite inteligență artificială. Aceasta poate fi modelată prin simulare cu ajutorul calculatorului electronic. Inteligența artificială este definită de următoarele proprietăți de bază: sensivitate, memorie, modificabilitate, activitate, imprevizibilitate.

Avantajul major al compozitelor

Avantajul esențial, al materialelor compozite constă în posibilitatea modulării proprietăților și obținerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.

În ultimii ani, datorită creșterii spectaculoase a consumului de materiale și a rezultatului cercetăriilor ștințifice privind proprietățile unor materiale, s-a trecut la realizarea materialelor compozite numite de specialiști, materiale compozite de generația a doua.

Aceastea au avantaje esențiale în confrutarea cu materialele naturale, precum ar fi:

rezistență la tracțiune sporită Rm (kevlarul are Rm = 2760-3620 MPa față de 1720 MPa

rezistența oțelului);

masă volumică mică în raport cu metalele (compozitele din rășini epoxidice armate cu fibră de Si, B, C au masa volumică de 2Kg/dm3);

rezistență la șoc și abraziune ridicată (kevlar);

coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;

durabilitate mare în funcționare (în aceleași condiții de funcționare 1 Kg de kevlar

înlocuiește 5 Kg de oțel la o durată egală de funcționare);

capacitate ridicată de amortizare a vibrațiilor (de trei ori mai mare decât cea a aluminiului);

siguranță mare în funcționare ( ruperea unei fibre dintr-o piesă de compozit nu constituie

amorsă de rupere pentru piesă);

consum energetic scăzut și instalații mai puțin costisitoare în procesul de obținere, în raport

cu metalele; pentru obținerea polietilenei se consumă 23 Kcal/cm3, în timp ce pentru oțel se consumă 158 Kcal/cm3);

rezistență practic nelimitată la acțiunea agenților atmosferici (oxidare, coroziune, mucegai);

stabilitate chimică și rezistență mare la temperaturi ridicate (fibrele de kevlar, teflon,

hyfil până la 500ºC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N4 și Al2O3 între 1400ºC și 2000ºC).

Superioritatea materialelor compozite in comparație cu materialele convenționale în ceea ce privește rezistența la temperaturi înalte, rezultă și din datele prezentate în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Caracteristicile materialelor compozite în comparație cu alte materiale

Totuși utilizarea materialelor compozite prezintă și unele dezavantaje în raport cu cele naturale, cum ar fi:

uzarea prin frecare reprezintă un proces distructiv al materialelor compozite echivalent cu cel

a ruperii sau al deformarii.

oxidarea și/sau coroziunea sunt procese care duc la degradarea progresivă și rapidă a

suprafeței produselor, deci la uzarea lor avansată. Oxidarea devine mai periculoasă la temperaturi înalte, însă depinde în mare măsură de natura matricei și a materialului complementar. Coroziunea se produce la temperaturi joase și înalte, în zona de contact dintre componente (coroziunea galvanică, din cauza diferenței de potențial electrochimic dintre matrice și faza complementară).

cedarea materialului sub acțiunea solicitărilor mecanice ciclice se datorează apariției,

creșterii și propagării fisurilor sau dezlipirilor.

După cum se observă, materialele compozite cu matrice metalică sunt în mod evident superioare celor convenționale, dar cu proprietăți inferioare compozitelor ceramice și a celor pe baza de carbon.

În tabelul 4.2. sunt prezentate principalele caracteristici ale unor categorii de materiale compozite care au proprietăți de loc de neglijat.

Tabelul 4.2. Prorietăți caracteristice ale unor materiale compozite

Datele prezentate sunt aproximative, ele transmitându-se materialului compozit, în funcție de orientarea lor în cadrul acestuia. Se remarcă, în mod evident, valorile spectaculoase ale rezistentei și modulelor (lui Young și de elasticitate), fapt care le conferă caracterul de unicate.

Caracteristicile funcționale menționate, dublate de tehnologiile foarte simple de prelucrare, specifice compozitelor, și de o importantă reducere a greutății ca rezultat al rezistenței specifice ridicate, determină utilizarea tot mai intensă a materialelor compozite armate cu fibre organice, nu numai în detrimentul metalelor, dar chiar și a celor armate cu fibre de altă natură, cărora le-au luat locul de exemplu în fabricarea recipientelor sub presiune pentru navele aerospatiale precum și a diverselor piese pentru rachete.

Folosirea materialelor compozite în detrimentul materialelor clasice a cunoscut o vastă răspândire în construcția componentelor militare și tehnicii militare, astefel:

la construcția elementelor folosite la elicoptere;

la mijloacele de transport militar;

la piesele pentru motoate;

la radare;

în construcția blindajelor;

Compararea materialelor în construcția blindajelor

Totuși acestea sunt surclasate de cele moderne, deoarece materialele compozite nu pot fi

folosite fară a fi combinate cu cele moderne în diferite aplicații cum ar fi:

aplicatiile aerospațiale;

la echipamentul militar de ultimă generație;

la construcția diferitelor blindaje;

Folosirea compozitelor transparente la undele radar au fost realizate pentru scăderea vulnerabilității avioanelor militare prin reducerea secțiunii transversale radar de la 1/10 până la 1/100 ca urmare a utilizării unor compozite din carbon ranforsat, cu grafit și matrice din rășini epoxidice (kevlar, hyfil) ale căror structuri moleculare neregulate absorb undele radar sau le deviază.

În construcția mijloacelor de transport militar se folosesc în primul rând datorită greutății lor reduse, rezistenței ridicate la oxidare și coroziune. În procente, cantitatea materialelor compozite utilizate în producerea mijloacelor de transport cunoaște creșteri de 10-15% anual, înlocuind metalele. S-a calculat că reducerea greutății unui autoturism de teren cu 100 kg echivalează cu economisirea unui litru de benzină la fiecare 100 km.

Rezistența și rigiditatea specifice, raportate la densitate (de cinci ori mai mari ca ale oțelului), rezistența la oboseală prin solicitarea de încovoiere (de două ori mai mare ca a oțelului), consumul redus de energie (1 m3 de materiale compozite se obține cu un consum de energie mai mic de 3,6 ori față de oțel și de 6,8 ori față de unul de aluminiu), autolubrifierea, etc., recomandă materialele compozite în construcția autovehiculelor militare, știindu-se faptul că acestea sunt supuse unei uzuri mari în timp de campanie și trebuie să fie fiabile în condiții dificile de teren și de climă.

Introducerea materialelor moderne în construcția motoarelor cu ardere internă a îmbunătățit cu 5-10% performanțele energetice, reducerea greutății, a zgomotelor și vibrațiilor. Diminuarea vibrațiilor și greutății a rezultat totodată și din construcția carcaselor, a punții motoare și a cutiei de viteză din material modern (compozit).

Materialele moderne de rezistență au debutat, pe scară largă, în domeniul aerospațial la fabricația elicopterelor. Elicopterele SA 341 "Gazelle" (Franța) și BO 105 (Germania) au fost primele elicoptere fabricate în serie cu palele rotorului principal din fibre de sticlă, cu importante influențe pozitive privind performanța, siguranța, durata de funcționare (resursa) și eficiența acestuia. Aria de aplicabilitate a materialelor modern cu referire la cele compozite s-a extins și la realizarea rotorului principal. În tabelul 4.4. se prezintă comparativ, pentru rotorul metalic articulat în cazul a două elicoptere fabricate în Anglia și două elicoptere fabricate în Franța, numărul total de componente.

Tabelul 4.4. Reducerea numărului componentelor la rotoarele de elicopter

Rezultă suficient de clar că introducerea materialelor compozite la fabricația rotoarelor de elicoptere a revoluționat domeniul prin:

reducerea numărului de piese în mișcare și prin aceasta creșterea fiabilității și siguranței în

funcționare a acestora;

diminuarea lucrărilor de întreținere și reparare;

creșterea durabilității rotoarelor (resursa) de la 1000 h la cca. 5000 h;

simplificarea procesului de pregătire a personalului navigant și tehnic.

Folosirea din ce în ce mai mult a materialelor inteligente s-a pus în practică și in modernizarea căsti de protecție, un accesoriu extreme de important al militarului, dar și a ținutei militare pe viitor, reprezentată în figura 4.3.

Fig. 4.3. Soldatul viitorului

Casca de protecție fiind de obicei dintr-un material dur, de cele mai multe ori realizată din oțel este un obiect vestimentar dificil de purtat chiar și de cei mai bine pregătiți și antrenați militar, pentru a crește posibilitățile de mobilitate ale militarului pe timpul executării misiunii, cercetările sunt îndreptate spre crearea unei căști dintr-un material inteligent de 70 de ori mai ușor decât actuala cască de protecție.

Casca protectoare a capului va fi foarte rezistentă și în plus va fi dotată cu sisteme de extindere a acuității vizuale și auditive, plus un translator automat al cuvintelor, rostite de militar în limba engleză, sau în orice altă limbă. Dacă adăugăm sistemele de night-vision, cu infraroșu, este limpede că avem un veritabil robot.