Radiolocatia
CUPRINS
INTRODUCERE
1. NOȚIUNI INTRODUCTICE PRIVIND RADIOLOCAȚIA
1.1. Schema de principiu a instalației de radiolocație
1.2. Tipuri de radiolocație și metodele de cercetare prin radiolocație
1.3. Gama de unde folosită în radiolocație
1.4. Determinarea poziției obiectelor în spațiu
2. MATERIALE UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ
2.1. Metale și aliaje neferoase
2.1.1. Aluminiul și aliajele aluminiului
2.1.2. Magneziul și aliajele magneziului
2.1.3. Cuprul și aliajele cuprului
2.2. Metale și aliaje feroase
2.2.1. Aliajele fier-carbon
2.2.2. Diagrama fier-carbon
2.2.3. Fonte și oțeluri
2.3. Materiale compozite
2.3.1. Clasificarea materialelor compozite
2.3.2. Fibre de armare
2.3.3. Matricele
2.4. Materialele inteligente
2.4.1. Aplicații ale materialelor inteligente
3. PROPRITĂȚILE MATERIALELOR
3.1. Proprietățile materialelor metalice
3.1.1. Proprietăți fizice
3.1.2. Proprietăți chimice
3.1.3. Proprietăți mecanice
3.1.4. Proprietăți tehnologice
3.2. Proprietățile materialelor și aliajelor neferoase
3.2.1. Proprietățile aluminiului
3.2.2. Proprietățile cuprului
3.2.3. Proprietățile magneziului
3.3. Tratamente termice
3.3.1. Recoacerea
3.3.2. Călirea
3.3.3. Revenirea
3.3.4. Tratamente termochimice
3.3.5. Tratamente termomecanice
4. STUDIU DE CAZ
BIBLIOGRAFIE
INTRODUCERE
Inițial, metodele radiolocației au fost aplicate pentru a mări siguranța circulației vapoarelor, a le feri de ciocniri între ele sau cu ghețarii plutitori, în condiții de vizibilitate redusă.
Apoi, radiolocația s-a dezvoltat pentru a corespunde condițiilor necesare atât aviației, cât și flotei sau artileriei.
Astăzi, metodele și instalațiile radiolocației au un uz foarte larg și aplicațiile pașnice s-au înmulțit considerabil. Radioastronomia, geofizica, transporturile maritime, aeriene și pe căile ferate, meteorologia, radioghidajul rachetelor, sateliților artificiali și navelor cosmice reprezintă câteva din domeniile în care radiolocația este necesară.
Ultimele decenii au marcat o evoluție spectaculoasă a radiolocației, astfel încât s-a ajuns la o nouă concepție de aplicare a ideilor în construcția radarelor, în folosirea materialelor noi și în tehnica utilizată în acest domeniu.
Prezenta lucrare de licență a fost aleasă din multiple considerente. Actualitatea și relevanța subiectului la nivel național, dorința de a acumula noi cunoștințe în domeniul tehnic militar cu precădere asupra sferei radiolocație, cunoștințe de o importanță semnnificativă în ceea ce privește cariera pe care o voi urma în viitorul apropiat și pasiunea manifestată asupra acestei arme, au fost principalii factori motivaționali în alegerea și dezvoltarea subiectului propus.
Cercetătorii din domeniul radiolocației au propus soluții constructive care nu au putut fi realizate la momentul respectiv din cauza lipsei materialelor corespunzătoare. Descoperirea aliajelor de înaltă calitate, a materialelor inteligente și a materialelor compozite a facilitat obținerea unor performanțe deosebite, dar și costuri mult mai mici de producție.
Putem afirma cu certitudine faptul că nu există domeniu al existenței noastre în care să nu-și fi făcut apariția cuvintele tehnologie, progres tehnic și retehnologizare. În zilele noastre tehnologia reprezintă principala cale prin care omenirea își risipește resursele, dar este adevărat și faptul că doar tehnologia este principala sursă de economii prin crearea și descoperirea de noi resurse și de ce nu și de reducere a consumurilor.
Direcțiile de dezvoltare privind materialele utilizate în tehnica de radiolocație urmăresc două planuri:
materiale cunoscute ale căror proprietăți pot fi îmbunătățite;
materiale moderne.
Am ales ca temă de licență, Aspecte privind influența temperaturii asupra materialelor utilizate în tehnica de radiolocație, pentru a prezenta materiale cunoscute ale căror proprietăți pot fi îmbunătățite, dar și informații privind stabilitatea proprietăților la diferite temperaturi.
În cadrul acestei lucrări am efectuat atât un studiu teoretic referitor la materialele feroase, neferoase, compozite și inteligente, precum și tehnologiile de obținere a acestora, cât și un studiu experimental care să evidențieze influența temperaturilor negative asupra materialelor utilizate în tehnica de radiolocație.
Lucrarea de licență este structurată pe patru capitole, din care trei capitole teoretice și un capitol de contribuții personale ce are în componență un studiu de caz făcut asupra unor materiale, întreaga lucrare fiind dezvoltată pe parcursul a 81 de pagini.
Astfel, în primul capitol, Noțiuni introductive privind radiolocația, am prezentat construcția și funcționarea instalațiilor radar, tipurile de radiolocație și metodele de cercetare prin radiolocație, precum și modul de determinare a poziției obiectelor în spațiu.
În al doilea capitol, Materiale utilizate în tehnica militară, sunt prezentate principalele materiale utilizate în tehnică, urmărind evoluția acestora până la materialele moderne. Capitolul trei, Proprietățile materialelor, cuprinde o prezentare generală a proprietăților materialelor și modalități de îmbunătățire a acestora prin tratamente termice.
Capitolul patru, Studiul de caz, reprezintă ultimul capitol al acestei lucrări de licență în care am studiat influența temperaturilor negative asupra proprietăților mecanice ale materialelor. În capitolul Concluzii am evidențiat cele mai importante aspecte privind stabilitatea proprietăților mecanice ale materialului studiat pentru măsurători efectuate la diferite temperaturi, urmată de bibliografia utilizată în vederea elaborării lucrării.
1. NOȚIUNI INTRODUCTICE PRIVIND RADIOLOCAȚIA
Radiotehnica este un domeniu al tehnicii care se ocupă cu studiul generării, amplificării, transformării și transmiterii oscilațiilor de înaltă frecvență și undelor electromagnetice purtătoare de informații.
Radiolocația este un domeniu important al radiotehnicii, destinată ca prin folosirea fenomenelor de reflexie, retranslație sau radiație proprie a undelor radio de către diverse obiecte din spațiu, să asigure descoperirea lor, determinarea coordonatelor spațiale și a parametrilor de mișcare, precum și aprecierea unor proprietăți și particularități fizice a acestor obiecte.
Antenele ca element al unei stații de radiolocație sunt realizate din diferite materiale, printre care: zinc, aluminiu, oțel, nichel, cupru etc. (fig. 1.1.).
Fig. 1.1 Antenă de radiolocație[]
Radiotehnica modernă a devenit o știință cu problematică amplă, puternic diversificată. Pe plan teoretic, radiotehnica a făcut progrese importante prin aplicarea realizărilor din domeniul statisticii matematice, teoria informației, teoria sistemelor prin folosirea modelării și a altor metode matematice, prin folosirea tehnicii electronicii de calcul.
Transmiterea mesajelor prin intermediul undelor electromagnetice, constituie obiectul radiotehnicii. Una din probleme de bază ale radiolocației este extragerea de către receptor a semnalului util, slab reflectat de la țintă în condițiile unor zgomote, adesea puternice, datorită perturbațiilor externe, dar și interne.
În radiolocație semnalul emis nu este purtător de informație, semnalul de radiolocație are un caracter aleator, fiind apreciat pe baza unor legi probabilistice, recepția devenind statistică și radiolocatorul trebuind să obțină o separare optimă a semnalului. Semnalul ecou, reflectat de țintă, este modificat în funcție de poziția și caracteristicile țintei. Prin comparare cu semnalul emis, se obțin informații asupra țintei.
Obiectele observării și descoperirii prin radiolocație, numite și ținte sunt: aerodinamice (avioane, elicoptere, rachete), aerostatice (baloane de cercetare), balistice sau cosmice (sateliți artificiali ai Pământului, capsule cu încărcături de luptă are rachetelor balistice), terestre și de la suprafața apei (mașini de luptă și de transport, tancuri). Tot în cadrul observării prin radiolocație intră și cele naturale, adică porțiuni ale suprafeței terestre sau maritime, nori sau corpuri din sistemul solar.
Fenomenele fizice care stau la baza radiolocației sunt:
propagarea în linie dreaptă cu o viteză constantă (c = 300000 Km/s) a undelor electromagnetice într-un mediu omogen;
reflexia undelor electromagnetice, care permit concentrarea energiei într-un fascicol îngust și măsurarea precisă a coordonatelor.
În cadrul radiolocației se studiază principiile, metodele și sistemele cu ajutorul cărora este detectată prezența unui obiect și se obțin informații asupra poziției, vitezei, dimensiunilor, numărul elementelor ce-l compun și altor parametrii ai acestuia.
Determinarea prezenței unui obiect, una din funcțiile instalației de radiolocație, denumită și detectoare, se realizează prin transmiterea unei unde electromagnetice și se recepționează în prezența zgomotului, a undei reflectate de obiect. Până în momentul detectării ecoului electromagnetic, instalația de radiolocație îndeplinește funcția de supraveghere a spațiului, prin baleiajul electric sau mecanic executat de caracteristica de directivitate a antenei. După detectarea țintei, se poate continua supravegherea sau se poate trece la urmărirea automată a țintei. În timpul detectării țintei instalația de radiolocație are rolul de instalație de decizie, datorită caracterului aleatoriu al semnalului recepționat în prezența zgomotului. Recepția are loc dacă valoarea instantanee a semnalului ecou, însumată cu zgomotul depășește o anumită valoare numită prag.
Recepția semnalului are loc atunci când este îndeplinită relația 1.1.
s(t1) + n(t1) > VT (1.1.)
unde: s(t1) – valoarea instantanee a semnalului ecou;
n(t1) – valoarea zgomotului în același moment;
VT – valoarea tensiunii prag.
Când s(t1) + n(t1) < VT nu are loc recepția și se produce pierderea semnalului (pentru semnal mai mare ca Vt se consideră receptorul cu funcție de comutator deschis, pentru semnalul mai mic decât VT, închis).
Dacă există mai mult zgomot n(t) și la un moment dat n(t2) > VT se recepționează un semnal fals, întrucât ținta nu există și se ia decizia existenței țintei.
Dacă se alege amplitudinea semnalului A, mai mare decât pragul VT se asigură o probabilitate mai mare a recepției semnalului ecou, denumit în continuare real, în opoziție cu semnalul fals. Pentru probabilitate mică a recepției semnalului fals, se alege VT > σ, unde σ este dispersia zgomotului considerat zgomot alb.
Prezența zgomotului modifică amplitudinea impulsului și îl deplasează în timp, afectând precizia măsurării, chiar în cazul unei proiectări corect, nivelul zgomotului, mic în raport cu nivelul semnalului, rămâne o sursă de eroare statistic calculabilă, limită a preciziei de măsurare.
Întrucât obiectul este, în general, format din mai multe elemente, adică reprezintă un grup, este necesară obținerea simultană a estimării parametrilor pentru mai multe ținte. Aceasta reprezintă problema asigurării rezoluției.
Detectarea, estimarea parametrilor și rezoluția sunt părți ale unuia și aceluiași proces, totuși anumite particularități proprii fiecăruia dintre ele fac imposibilă orice confuzie. Detectarea și exprimarea parametrilor, unul proces de decizie, celălalt de măsură, sunt cu atât mai sigure cu cât raportul semnal-zgomot este mai mare.
Pentru asigurarea rezoluției, această condiție este necesară dar nu și suficientă, întrucât chiar la un raport semnal-zgomot foarte bun, rezoluția poate fi nesatisfăcătoare. Aceasta pentru că rezoluția nu depinde numai de raportul semnal-zgomot, ci și de interferența semnalelor reflectate de elementele ce formează grupul țintă. Problema rezoluției este cu atât mai dificilă cu cât numărul și diversitatea elementelor este mai mare și cu cât distanțele dintre elemente sunt mai mici.
1.1. Schema de principiu a instalației de radiolocație
Instalațiile de radiolocație au următoarele caracteristici generale:
utilizează undele electromagnetice (radio sau infraroșii) pentru semnale statistic calculabilă, limită a preciziei de măsurare.
Întrucât obiectul este, în general, format din mai multe elemente, adică reprezintă un grup, este necesară obținerea simultană a estimării parametrilor pentru mai multe ținte. Aceasta reprezintă problema asigurării rezoluției.
Detectarea, estimarea parametrilor și rezoluția sunt părți ale unuia și aceluiași proces, totuși anumite particularități proprii fiecăruia dintre ele fac imposibilă orice confuzie. Detectarea și exprimarea parametrilor, unul proces de decizie, celălalt de măsură, sunt cu atât mai sigure cu cât raportul semnal-zgomot este mai mare.
Pentru asigurarea rezoluției, această condiție este necesară dar nu și suficientă, întrucât chiar la un raport semnal-zgomot foarte bun, rezoluția poate fi nesatisfăcătoare. Aceasta pentru că rezoluția nu depinde numai de raportul semnal-zgomot, ci și de interferența semnalelor reflectate de elementele ce formează grupul țintă. Problema rezoluției este cu atât mai dificilă cu cât numărul și diversitatea elementelor este mai mare și cu cât distanțele dintre elemente sunt mai mici.
1.1. Schema de principiu a instalației de radiolocație
Instalațiile de radiolocație au următoarele caracteristici generale:
utilizează undele electromagnetice (radio sau infraroșii) pentru semnalarea prezenței și coordonatelor obiectului;
transmiterea semnalelor de sondaj sub formă de impulsuri care permit mărirea puterii de vârf, deci a distanței de acțiune și preciziei;
utilizarea unor antene cu o caracteristică de directivitate foarte îngustă, astfel încât poziția antenei să poată determina direcția pe care se află obiectul semnalat;
punctele de emisie și de recepție sunt confundate intr-unul singur;
distanța la care se află obiectul se determină în funcție de viteza de propagare a undelor electromagnetice, egală cu viteza luminii în spațiul liber. În realitate, precizia determinării corecte a coordonatelor este influențată de condițiile meteorologice, ceață, ploaie, nori etc.
Structura stațiilor de radiolocație este următoarea:
Fig. 1.2. Schema de principiu a stației de radiolocație [2]
Principalele obiective realizate de instalațiile de radiolocație sunt:
descoperirea și localizarea în spațiu a obiectelor de interes;
asigurarea cu informații de radiolocație a procedeelor de dirijare pentru mijloacele de luptă sol-aer și aviație;
determinarea apartenenței de stat a țintelor descoperite;
asigurarea, ochirea în bombardamentul aerian și interceptarea propriu-zisă;
urmărirea unor formațiuni noroase, radioactive, cercetări astro-fizice;
cercetarea stării meteo în zona înconjurătoare.
Antena nu formează fascicul cu limite precise, o parte a energiei electromagnetice este radiată pe alte direcții (lobi secundari), fapt care atrage și iradierea unor ținte care se află în afara loblui principal al diagramei de directivitate precum și a suprafeței pământului.
Energia semnalelor reflectate pe lobii secundari interacționează cu energia semnalelor recepționate pe lobul principal. Ținta aflată la o anumită distanță de radiolocator primește o parte din energia radiată și o retransmite în diferite direcții inclusiv spre antena de recepție a radiolocatorului. În acest fel la radiolocator ajunge o parte a semnalului radiat, modificat datorită deplasării țintei, de proprietățile de reflexie pe care le are aceasta, de proprietățile mediului în care se propagă undele radio. O dată cu semnalele de la țintă, pe lobul principal al diagramei antenei, sosesc și semnalele nedorite, perturbatoare, zgomote etc.
Cu ajutorul instalațiilor de radiolocație se pot rezolva următoarele probleme:
descoperirea existenței obiectivului căutat (ținte);
măsurarea coordonatelor lor (distanță, azimut, unghi de înălțare etc.);
determinarea vitezei de variație a coordonatelor și vitezelor absolute ale țintelor;
determinarea traiectoriei țintelor în intervalul de observare și predicție a punctelor viitoare;
aprecierea unor proprietăți (dimensiuni, proprietatea de reflexie, compunere etc.).
1.2. Tipuri de radiolocație și metodele de cercetare prin radiolocație
Semnalul radio este folosit ca purtător de informație utilă în radiolocație care, prin reflexie, retranslație sau radiație, trebuie să parvină de la ținta către stația de radiolocație. În funcție de originile acestui semnal se disting următoarele metode folosite în radiolocație:
metoda radiolocației active, în care condiția obligatorie de apariție a semnalului de la țintă o constituie „iluminarea” acesteia cu unde radio (sau cu semnale de radiolocație directe) emise de stația de radiolocație;
metoda radiolocației pasive, în care semnalele de la țintă reprezintă unde radio emise chiar de țintă.
Radiolocatorul constă dintr-un emițător de oscilații electrice și o antenă de emisie care radiază în spațiu oscilații sub formă de unde electromagnetice, care ajung la obiect, acesta le reflectă, sunt captate de o antenă de recepție și de aici existența obiectului (țintei), locul de dispunere a acestuia și viteza relativă dintre radiolocator și obiectul dat.
Radiolocația activă în care semnalul recepționat este efectul reflexiei semnalului emis de la stația de radiolocație, este denumită primară sau cu răspuns pasiv.
În figura 1.3 este prezentată metoda bazată pe reflexia semnalului de către obiectul descoperit și recepționarea acestuia. În această situație semnalele care „iluminează” ținta se numesc semnale de sondaj, iar semnalele care sosesc de la țintă – semnale reflectate.
Fig. 1.3. Principiul radiolocației
În acest caz instalația este compusă dintr-un emițător de oscilații electrice și o antenă de emisie care radiază în spațiu oscilații sub formă de unde electromagnetice. Undele electromagnetice ajung la obiect de unde sunt reflectate, fiind captate de o antenă de recepție, apoi trec la receptor unde semnalul este prelucrat. Pe baza direcției de sosire a semnalului reflectat se determină direcția spre obiect sau coordonatele unghiulare.
Dacă semnalul emis de stația de radiolocație declanșează la obiect o instalație locală, care emite un semnal de răspuns, sistemul reprezintă tipul de radiolocație activă secundară sau cu răspuns activ (fig. 1.4).
În cadrul acestei metode de observare, semnalele directe emise de stația de radiolocație sunt retransmise de către țintă, cu ajutorul unei instalații speciale amplasată pe obiectul cercetat.
În această situație semnalele directe poartă numele de semnale de întrebare, iar semnalele sosite de la țintă se numesc semnale de răspuns. Aceste instalații de răspuns se dispun pe unele obiecte situate la distanțe mari de radiolocator sau pe obiecte ce nu asigură un semnal corespunzător pentru recepție, deoarece apar probleme la separarea semnalelor slabe din zgomotele fluctuante.
În armata română aceste instalații sunt montate pe navele maritime sau pe avioane, pentru a se putea stabili apartenența țintelor.
Fig.1.4. Principiul radiolocației active
În radiolocația pasivă obiectul este detectat prin radiolocația sa naturală sau artificială. În acest caz, stația de radiolocație are numai receptor, lipsind emițătorul. Radiolocația astronomică este cel mai bun exemplu pentru acest tip de radiolocație.
Radiațiile folosite cel mai frecvent în radiolocația pasivă sunt:
radiația termică a motoarelor sub forma radiațiilor infraroșii în banda undelor milimetrice sau chiar centimetrice;
variația undelor lungi ce apar la funcționarea motoarelor rachetelor, la reacțiile nucleare și la descărcările electrice din atmosferă.
Metoda de observare folosită în radiolocația pasivă se bazează pe recepționarea unor semnale proprii obiectivului, reprez schematica a metodei fiind prezentata in fig 1.5.
Fig. 1.5 Principiul radiolocației pasive
1.3. Gama de unde folosită în radiolocație
Factorul principal în alegerea lungimii de undă îl constituie modul de reflectare al undelor de la ținte. Dacă dimensiunile țintei și raza de curbură al părților ei componente sunt cu mult mai mici decât lungimea de undă, atunci se resimte influența difracției undelor și intensitatea undelor reflectate se micșorează. Un alt caz extrem apare atunci când dimensiunile țintei și razele de curbură ale părților sunt mult mai mari decât lungimea de undă și este determinată, în principal, de caracteristicile de reflexie și dimensiunile țintei.
Luând în considerare dimensiunile țintelor reale se ajunge la concluzia că pentru a avea lungimea de undă mult mai mică sau comparabilă cu dimensiunile țintelor reale în radiolocație este necesar să se folosească gama undelor de frecvență foarte înaltă, de la 0,3 la 30 GHz, adică de la 1 m la 1 mm.
Alt motiv pentru care trebuie să se folosească această gamă de frecvență și în principal lungimi de undă mai mici de 1 m este legat de dimensiunile antenelor.
De fapt, mărimea unghiului de deschidere al diagramei de directivitate a oricărei antene, indiferent de tipul ei, este direct proporțională cu lungimea de undă λ și invers proporțională cu dimensiunile ei.
De exemplu, pentru antene cu reflector parabolic lățimea diagramei de directivitate, la jumătate din puterea maximă se determină cu relația:
θ0,5 = 65 (1.2.)
unde: λ – lungimea de undă; dA – dimensiunea liniară a reflectorului.
Formula 1.1 arată că o diagramă îngustă care să asigure posibilitatea separării țintelor după coordonatele unghiulare și o precizie mare de determinare a coordonatelor pentru dimensiunile date ale antenei, se pot obține numai pentru o lungime de undă suficient de mică.
La alegerea gamei de unde, o importanță însemnată o au particularitățile de propagare a undelor radio în atmosferă, în concret absorbția prin rezonață (de exemplu pentru oxigen la frecvența de 60GHz absorbția este de aproximativ 13db/Km) ceea ce impune evitarea întrebuințării frecvențelor respective. Trebuie semnalat că undele de frecvență foarte înalte utilizate în stațiile de radiolocație, nu permit descoperirea țintelor dincolo de orizontul radio, pentru realizarea descoperirii în aceste cazuri se folosesc undele scurte.
1.4. Determinarea poziției obiectelor în spațiu
Observarea de radiolocație este larg folosită ca mijloc de rezolvare a sarcinilor legate de determinarea locului de dispunere a aparatelor de zbor, navelor și a altor obiecte mobile (ținte).
În figura 1.6. se arată locul de dispunere a țintei Ț în spațiu, care poate fi prezentată în sistemul de coordonate sferice (D, β, ε) sau în sistemul de coordonate cilindrice (D0, β, H).
Fig. 1.6. Procesul de determinare a coordonatelor țintei
unde: D – distanța înclinată (sau simplu distanță); D0 – distanță orizontală; β – azimutul (unghiul dintre direcția nord și proiecția direcției la țintă în plan orizontal, socotită în sensul acelor de ceasornic); ε – unghiul de înălțare (unghiul dintre proiecția direcției la țintă în plan orizontal și direcția țintei); H – înălțimea țintei.
O caracteristică a radiolocației este dată de faptul că întregul proces de determinare a coordonatelor se face din același punct (punctul 0 din figura 1.6.a).
Coordonatele determinate nemijlocit sunt: distanța înclinată și unghiurile β și ε. Prin acestea se poate considera că ținta este dispusă la intersecția a trei suprafețe: a sferei cu raza D și două planuri (vertical care trece prin punctul Ț și înclinat, situat la unghiul ε față de orizontală).
Aceste trei planuri formează locul geometric al punctelor din spațiu, în care parametrul dat de măsurare este constant și se numește suprafață de poziție. În plan este suficient să se cunoască dreapta de poziție. În exemplul realizat, acesta este cercul cu raza D0 și dreapta cu unghiul β (fig. 1.6.b) față de direcția nord.
Între coordonatele sferice și cele cilindrice există următoarele legături:
D0 = Dcosε (1.3)
H = Dsinε (1.4) În cazul unei stații de radiolocație ce lucrează la suprafața pământului azimutul poate varia de la 0˚ ̴ 360˚, iar unghiul de înălțare de la 0˚ ̴ 90˚. Pentru determinarea coordonatelor unghiulare, azimutul și unghiul de înălțare, antena stației de radiolocație are un puternic caracter directiv. Când axul antenei este îndreptat spre țintă semnalul este maxim și cu un dispozitiv cuplat mecanic cu antena, se pot stabili coordonatele unghiulare. În scopul aflării distanței înclinate se măsoară timpul ce se parcurge din momentul în care energia electromagnetică este radiată spre țintă până când sosește semnalul reflectat. Cunoscând viteza de deplasare a undelor electromagnetice, distanța înclinată este:
D = (1.5)
unde: c – viteza de propagare a undelor electromagnetice; t – timpul în care semnalul parcurge drumul până la țintă și înapoi.
Radiolocatoarele radiază un spațiu sau unul sau mai multe fascicule de unde electromagnetice. Dacă numărul de fascicule este egal cu numărul de elemente ce trebuie determinate, atunci se pot măsura simultan toate datele necesare. Când numărul de fascicule este mai mic decât numărul de elemente cercetate, observarea se face succesiv, prin deplasarea antenei în limitele nevoilor de acoperire a zonei cercetate.
Zona de observare este volumul din spațiu în care se observă pe indicatorul stației de radiolocație orice țintă. Această zonă este determinată de distanța maximă, distanța minimă (D βmax) și unghiul de înălțare (Dεmax).
Timpul de radiere (iluminare) este timpul în care este radiată energia electromagnetică spre țintă.
Perioada de observare (Tobs) este timpul în care observarea spațiului ajunge din nou într-o situație considerată inițială. Pentru observarea circulară, Tobs este timpul unei rotații a antenei.
Caracterul observației depinde în mare măsură de forma caracteristicii de directivitate a antenei. Utilizarea unei caracteristici de directivitate foarte îngustă realizează precizie mare, capacitate de separare bună și creșterea razei de acțiune, dar asigură observarea simultană doar a unui domeniu foarte mic din spațiu. Pentru acoperirea zonei de cercetare fasciculul radiat trebuie să se deplaseze în spațiu într-un anumit mod, asigurat prin balansarea lui mecanică sau electrică. Lărgimea caracteristicii de directivitatea a antenei la jumătate din putere poate fi considerată:
θL = 60 (1.6)
unde: λ – lungimea de undă; dA – dimensiunea antenei în planul respectiv.
Observarea de radiolocație se poate realiza:
simultan (în paralel);
succesiv;
combinat.
Cercetarea circulară se efectuează prin rotirea antenei radiolocatorului în jurul axei verticale. În acest scop se folosesc stații de radiolocație ce radiază cu un singur fascicul, cu care se realizează observarea într-un singur plan, determinându-se două coordonate: distanța înclinată și azimutul.
Lățimea caracteristicii de directivitate în plan orizontal se alege din condiția obținerii preciziei impuse pentru măsurarea azimutului prin metoda maximului. Lățimea caracteristicii în plan vertical se alege astfel încât să acopere zona de observare impusă în acest plan.
Forma caracteristicii de directivitate în plan vertical se alege din condiția ca țintele punctiforme să aibă aceleași proprietăți de reflexie și să formeze semnale reflectate de aceeași luminozitate pe ecran indiferent de distanță. Considerând constantă viteza de rotire a antenei, numărul de impulsuri reflectate nu depind de distanță și pentru obținerea aceleași luminozități de la toate țintele este necesar ca energia recepționată să fie independentă de distanța până la țintă.
2. MATERIALE UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ
2.1. Metale și aliaje neferoase
Metalele și aliajele neferoase reprezintă una dintre cele mai importante grupe de materiale utilizate de om din cele mai vechi timpuri și cu perspective de creștere a importanței lor în viitor. În afara materialelor neferoase clasice, unele domenii de vârf ale tehnicii, precum: tehnica aerospațială, tehnica nucleară, electrotehnica, electronica, energetica etc., solicită materiale și aliaje cu proprietăți deosebite: supraconductibilitate, superplasticitate, refractaritate, rezistențe mecanice de excepție, magnetism, rezistivitate, masă volumică redusă, ductilitate.
Elementele chimice cu caracter metalic și implicit și aliajele acestora sunt cunoscute într-un număr foarte ridicat în tehnica, mai exact metalele reprezintă 91 din cele 118 elemente din tabelul periodic, dar cu toate acestea sunt utilizate într-un număr redus deoarece au prețuri foarte ridicate. Din aceste motive se impune folosirea lor în mod cât mai rațional și înlocuirea, acolo unde este posibil, cu aliaje feroase sau cu mase plastice.
Materialele și aliajele neferoase se utilizează la elaborarea oțelurilor aliate (Cr, Ni, Mo, W, V, Co etc.), în tehnica nucleară (V, Th, Be), în medicină (Hg, Si, Ti, Zr, Mo, W), în tehnica nucleară (V, Th, Be), în medicină (Hg, Si, Pt, Ag, Au), în industriile chimică, alimentară, poligrafică și de armament etc., reprezentând circa 10% din consumul mondial de metal.
Folosirea acestor materiale depinde de următorii factori:
rezistență bună la coroziune;
extragere relativ ușoară;
răspândire largă în natură;
caracteristici fizice deosebite: conductibilitate electrică și termică bune;
prelucrare ușoară prin turnare, deformare plastică și așchiere;
aspect plăcut;
rezistență satisfăcătoare la rupere;
greutate specifică mică.
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.
Clasificarea metalelor și aliajelor neferoase se poate face după mai multe criterii, în fig. 2.1. fiind prezentată o astfel de clasificare.
Fig. 2.1. Clasificarea metalelor și aliajelor neferoase
2.1.1. Aluminiul și aliajele aluminiului
Aluminiul este cel mai răspândit metal din natură, reprezentând circa 7,51% din scoarța terestră, și al treilea element chimic, după oxigen și siliciu. Aluminiul nu se află în stare nativă în scoarța terestră, ci numai sub formă de combinații chimice (oxizi și alumino-silicați).
Aluminiul face parte din categoria metalelor ușoare, deoarecea are densitatea de 2,7 kg/dm3 (de aproximativ 3 ori mai mică decât a fierului sau a cuprului).
Aluminiul se poate extrage din: bauxită, alunit, nefelin, argilă și caolin, dar sub formă de praf alb, foarte fin, denumit alumină (Al2O3) deoarece nu se poate extrage direct din minereuri. Obținerea aluminei din minereuri se face prin procedee alcaline, acide, combinate și eletrotermice. Varietatea acestor procedee este determinată de numărul mare de minereuri de aluminiu și de cantitatea impurităților din minereuri.
Întrucât alumina are o temperatură de topire foarte ridicată (2050°C), aceasta se amestecă cu criolit (Na3AlF6), fluorură de aluminiu (Al3F) și fluorură de calciu (CaF2), acest amestec topindu-se la 950 ̴ 1000°C. Prin electroliză se obține aluminiu brut, cu puritatea de 99,5 ̴ 99,85% care este rafinat termic, prin insuflare de clor, ajungând în final ca puritatea acestuia sa fie de 99,99%.
Cu toate ca aluminiul are o afinitate mare față de oxigen, piesele și semifabricatele sunt foarte stabile la coroziunea atmosferică, datorită formării la suprafață a unei pelicule protectoare (0,01 ̴ 0,2 μm). Cu cât este mai pur, cu atât aluminiul rezistă mai bine la coroziunea atmosferică, ceea ce îl recomandă pentru industrie.
Aluminiul rafinat și polizat are capacitatea de reflexie a luminii în proporție de peste 99%, fiind destinat pentru reflectoare și învelișul sateliților artificiali.
Aliaje de aluminiu. Pentru îmbunătățirea unor caracteristici mecanice deficitare (rezistență la rupere, limită de curgere, duritate), aluminiul se aliază cu Cu, Mn, Si, Mg și uneori cu Ni, Cr, Fe și Zn. În general, aliajele de aluminiu au masă volumică mică, conductibilitate termică bună, caracteristici mecanice bune (uneori apropiate de cele ale oțelului) care pot fi îmbunătățite prin tratemente termice, rezistență la coroziune mare, temperatură de topire relativ joasă și așchiabilitate bună.
Clasificarea aliajelor de aluminiu se face după criteriile prezentate în fig. 2.2:
Fig. 2.2 Clasificarea aliajelor de aluminiu
Aliajele de aluminiu pentru piesele turnate trebuie să aibă fluiditate mare și contracție mică, precum și tendință mică de fisurare la cald și de formare a porilor.
Clasificarea aliajelor de aluminiu turnate se realizează astfel:
aliajele Al-Si: conțin până la 13,5% siliciu și se utilizeză mai puțin ca aliaje binare (pentru că nu se pot durifica prin tratament termic) și mai mult ca aliaje turnate și complexe, când mai conțin magneziu și cupru. Adaosul de cupru îmbunătățește rezistența la rupere, limita de curgere și duritatea, precum și fluiditatea și așchiabilitatea, iar adaosul de magneziu, rezistența mecanică. Proprietățile se îmbunătățesc prin tratamente termice (călire la 510°C cu răcire în apă, urmată de îmbătrânire artificială la 180°C);
aliajele Al-Mg: conțin până la 10% magneziu și sunt cele mai ușoare aliaje de aluminiu. Rezistența mecanică este destul de bună, rezistența la coroziune bună, așchiabilitatea excelentă, dar turnabilitatea este scăzută și cu tendințe de apariție a defectelor de turnate;
aliajele Al-Cu: conțin până la 5% Cu și sunt mai puțin utilizate pentru că se toarnă mai greu prin procedeele clasice și au tendință de fisurarea la solidificare. Prin adaosuri de magneziu și titan se îmbunătățesc proprietățile mecanice, se tratează termic și se prelucrează bine prin așchiere;
aliajele Al-Zn: conțin până la 6% Zn și au o rezistență mecanică și la coroziune mai reduse ca la celelalte aliaje, dar se elaborează mai ușor și se toarnă bine. Se folosește adaosul de magneziu și cupru pentru îmbunătățirea rezistenței la rupere și alungire.
Aliajele de aluminiu destinate obținerii semifabricatelor prin deformare plastică (laminare, extrudare, tragere, forjare) sunt preponderente față de cele turnate, datorită prelucrării mai ușoare și caracteristicilor mai bune.
Există două categorii de aliaje deformabile de aluminiu: care se durifică prin tratament termic și care nu se durifică prin tratament termic. Din prima categorie, denumită generic duraluminiu, fac parte aliajele aluminiului cu magneziul, cuprul și zincul, iar din a doua categorie, aliajele aluminiului uc manganul.
Clasificarea aliajelor de aluminiu deformabile se realizează astfel:
aliajele Al-Cu: conțin până la 6,8% Cu, precum și cantități mici de magneziu, mangan și siliciu și sunt cunoscute sub denumirea de duraluminiu, pentru că se durifică prin călire și îmbătrânire. Călirea se face prin încălzirea materialului la 500°C și răcire în apă, iar îmbătrânirea poate fi naturală, prin menținerea materialului la temperatură ambiantă sau artificială timp de 4 ̴ 5 zile, prin încălzire la 120 ̴ 150°C timp de 3 ̴ 6 ore. După procesele de îmbătrânire și călire, proprietățile mecanice ale duraluminiului sunt comparabile cu cele ale oțelului moale;
aliajele Al-Mn: conțin până la 1,5% Mn, precum și cantități mici de magneziu, pentru creșterea rezistenței la coroziunea apei de mare și a aerului umed. Manganul îmbunătățește rezistența mecanică și rezistența la coroziune, dar scade plasticitatea. Aceste aliaje se prelucrează bine în urma recoacerii, îndeosebi prin ambutisare, dar se utilizează și la obținerea tablelor, țevilor și a diverselor profiluri;
aliajele Al-Si: conțin până la 13,5% Si, precum și cantități mici de mangan și magneziu, pentru îmbunătățirea caracteristicilor mecanice. Proprietățile mecanice se îmbunătățesc și prin tratamente termice (călire în apă la 510°C și îmbătrânire artificială la 160 ̴ 180°C), în cazul în care conțin și alte elemente (magneziu și cupru);
aliajele Al-Mg: conțin până la 5,6% Mg și nu se durifică prin tratamente termice. Mici adaosuri de mangan, crom, titan și vanadiu măresc rezistența mecanică, rezistența la coroziune și sudabilitatea aliajelor;
aliajele Al-Mg-Si: conțin până la 1,2% Mg și 1,4% Si, precum și cantități mici de mangan.Au rezistență mecanică medie, o bună deformabilitate la cald și se sudează ușor. De asemenea, sunt rezistente la coroziune și se pot îmbunătăți prin călire și îmbătrânire. Se prelucrează îndeosebi prin extrudare, după îmbătrânire artificială;
aliajele Al-Zn: conțin până la 7,5% Zn, precum și cantități mai mici de magneziu, cupru, mangan și zirconiu. De asemenea, conferă o bună sudabilitate fiind aliaje de mare rezistență, totodată fiind ușor prelucrabile prin extrudare.
2.1.2. Magneziul și aliajele magneziului
Magneziul este un metal alb-argintiu, foarte ușor, maleabil și ductil, care se topește la 651°C și fierbe la 1107°C. Magneziul reprezintă 1,94% din scoarța terestră. În natură se găsește numai sub formă de combinații, din cauza activității chimice ridicate. Mari cantități sunt dizolvate în mări și oceane (1,3 kg/) sub formă de bisofit (MgCl2 6H2O), principalele minereuri de magneziu sunt: magnezitul (MgCO3), dolomita (MgCO3 CaCO3), carnalitul MgCl2 KCl 6H2O și serpentinul Mg3Si2O7 H2O.
Magneziul se obține din aceste combinații prin procedee electrochimice sau termice. În primul caz, el se obține prin electroliza clorurii de magneziu, iar în al doilea caz, prin reducerea oxidului de magneziu cu carbon. Magneziul brut este rafinat prin retopire cu fondanți, când se înlătură numai impuritățile nemetalice, sau prin distilare în vid, cțnd se obține o puritate de 99,99%.
Magneziul este mai ușor decât metalele uzuale, dar din cauza slabei lui rezistențe mecanice și a rezistenței slabe la acțiunea agenților chimici, nu se poate întrebuința în tehnică decât sub formă de aliaje.
Magneziul se poate prelucra prin turnare sau prin deformare. Topirea sa este dificilă din cauza oxidării puternice, iar turnarea se face sub presiune, în vid sau în atmosferă de gaze protectoare.
Aliajele magneziului. Magneziul se poate alia cu aluminiu, zinc, mangan, siliciu, argint și cupru, obținându-se cele mai ușoare aliaje utilizate în tehnică. Acestea au caracteristici mecanice destul de slabe, cu excepția celor cu conținut mare de aluminiu (8 ̴ 10%) care pot fi îmbunătățite prin tratament termic. La încălzire se oxidează ușor, iar la temperaturi mai mari de 600°C se autoaprind. Se prelucrează ușor prin așchiere, dar cu multă atenție, pentru că așchiile se pot autoaprinde. Aliajele magneziului cu aluminiul, mangan și zinc au o bună rezistență la coroziune.
Pentru că sunt foarte ușoare, aliajele magneziului au o rezistență specifică mai mare decât a aliajelor aluminiului, a bronzurilor și a unor fonte, fiind utilizate în construcțiile de avioane, vagoane și automobile, la fabricarea pistoanelor motoarelor cu turații mari, precum și a corpurilor de pompe, a carcaselor și rezervoarelor.
După tehnologia de fabricație, aliajele magneziului pot fi turnate sau deformate plastic. Aliajele de magneziu turnate se livrează sub formă de lingouri destinate retopirii sau se utilizează pentru obținerea directă a unor piese pentru construcții foarte ușoare. Aliajele de magneziu deformabile sunt mai puțin răspândite decât cele turnate. Aliajele ce conțin aluminiu, mangan, zinc, zirconiu și ceriu pot realiza o îmbunătățire satisfăcătoare a caracteristicilor mecanice, asociată cu o bună prelucrabilitate prin deformare plastică, printr-o recoacere de omogenizare la 400 ̴ 450°C.
Călirea urmată sau nu de îmbătrânire, le mărește puțin duritatea, dar le reduce plasticitatea. Adaosurile de litiu, argint, cadmiu, beriliu și unele pământuri rare au făcut ca numărul de aliaje de magneziu deformabile să crească și în același timp să se lărgească gama lor de proprietăți.
2.1.3. Cuprul și aliajele cuprului
Cuprul reprezintă 0,010% din scoarța terestră, se poate extrage din minereuri prin procedee pirometalurgice sau hidrometalurgice. Procedeul pirometalurgic se aplică minereurilor bogate și constă într-o concentrare a acestora până la 15 ̴ 25% Cu, urmată de o prăjire oxidantă, pentru desulfurare și o topire pentru mată. Mata este convertizata, iar cuprul brut obținut este rafinat termic și electrolitic. Procedeul hidrometalurgic se aplică minereurilor sărace, greu de concentrat și constă în dizolvarea cuprului într-o soluție apoasă și apoi separarea lui din soluție.
Cuprul are culoare arămie, proprietăți fizico-chimice deosebite, se topește la 1083°C, este maleabil, ductil și tenace și foarte bun conducător de căldură, fiind după argint, metalul cu cea mai mare conductivitate termică și electrică.
Dacă cuprul se găsește în stare liberă, el poate fi separat prin sfărâmarea minereului în bucăți mici și amestecarea sa cu apa. Principalele minereuri ale cuprului sunt: calcozina, calcopirita, cupritul, malachitul și azuritul. Majoritatea cuprului scos din mină este sub formă de compuși, cum ar fi sulfați sau sulfuri.
Cuprul produs pentru utilizări în industrie, numit și cupru tehnic, este cuprul rafinat chimic, termic sau electrolitic și are o puritate de 99,85 ̴ 99,99%. Cuprul este folosit la fabricarea conductelor de gaz și apă, a materialelor pentru acoperișuri, a ustensilelor și a unor obiecte ornamentale. Deoarece este un bun conducător de căldură, cuprul se utilizează la boilere și alte dispozitive ce implică transferul de căldură.
Cuprul are o rețea cubică cu fețe centrate, cu număr kaxim de sisteme de alunecare (24), de unde rezultă o plasticitate foarte ridicată. Rezistența lui la rupere este însă relativ scăzută, iar duritatea este, de asemenea, redusă.
Fig. 2.3. Rețea cubică cu fețe centrare a cuprului
Aliajele cuprului. După cum se știe, aliajul este un material cu proprietăți metalice, obținut prin topirea laolaltă a două sau mai multor metale, a unor metale și metaloizi, ori prin difuzie. Aliajele de cupru sunt:
aliaj cupru-zinc (alamă);
aliaj cupru-staniu (bronz);
aliaj cupru-nichel-zinc;
aliaje cupru-nichel-aluminiu;
aliaje speciale: cu beriliu, siliciu, mangan etc.
Alama este un aliaj cupru-zinc cu sau fără alte elemente. Dacă sunt prezente și alte elemente, atunci conținutul de zinc depășește conținutul fiecăruia dintre aceste elemente. În acest caz, termenul se completează cu numele elementului principal de aliere (ex: alame cu mangan, alame cu siliciu etc.).
Clasificarea alamelor se face după criteriile prezentate în fig. 2.4:
Fig. 2.4 Clasificarea alamelor
Alamele se utilizează după retopire, pentru obținerea unor piese prin turnarea în cochilii, în amestecuri de formare și uneori sub presiune. Alamele topite au o fluiditate bună, și nu manifestă tendința de segregare.
Alamele deformabile se pretează deformării plastice la cald sau la rece și se livrează sub formă de table, benzi, bare, profiluri, țevi, sârme și piese forjate. După compoziția chimică alamele pot fi fără plumb (aliaje binare), cu plumb ( conțin până la 3% Pb) și speciale ( conțin Fe, Mn, Al, Si, Ni). Dacă conținutul de cupru depășește 80%, alamele au o culoare roșiatică și se numesc tombacur. Aceastea sunt foarte maleabile, dar se prelucrează mai greu prin așchiere.
Pentru deformări la rece se recomandă alamele cu conținuturi mari de cupru, iar pentru deformări plastice la cald, cele cu conținut mare de zinc, precum și alamele speciale.
Bronzul este un aliaj al cuprului cu staniul (bronz obișnuit) sau cu alte elemente ( Al, Be, Cr, Mn, Pb, Si, Sn), caz în care se numesc bronzuri speciale. Bronzul este cel mai vechi aliaj cunoscut, fiind fabricat în jurul anului 3500 î.Hr., prin topirea împreună a unor minereuri de cupru și staniu. Are o importanță foarte mare în dezvoltarea societății umane, astfel că mileniul al doilea î.Hr. se mai numește și epoca bronzului.
Clasificarea bronzurilor se face după criterile prezentate în fig. 2.5:
Fig. 2.5. Clasificarea bronzurilor
Bronzul obișnuit este un aliaj cupru-staniu, cu 2 ̴ 15% Sn. Pentru îmbunătățirea unor proprietăți tehnologice se mai adaugă plumb și zinc. Bronzul are proprietăți mecanice și tehnologice bune și un coeficient de frecare mic. Este rezistent la coroziunea atmosferică și a apei de mare, dar nu rezistă la acțiunea apelor de mină, a amoniacului și a sulfului.
Bronzurile obișnuite se prelucrează prin turnare (cel mai bine dintre toate bronzurile) și prin deformare plastică.
Bronzurile turnate conțin mai mult staniu, precum și zinc și plumb (caz în care se numesc bronzuri roșii, mai ieftine, dar mai puțin rezistente).
Bronzurile deformabile conțin mai puțin staniu și uneori sunt aliate cu zinc și plumb. Ele se livrează sub formă de benzi, table, țevi, bare și sârme și se utilizează pentru arcuri, membrane, lamele arcuitoare, lagăre și piese pentru construcții de aparatură în industria chimică.
În categoria bronzurilor se regăsesc și bronzurile speciale. Clasificarea acestora se realizează astfel:
bronzul cu aluminiu: este un aliaj al cuprului cu maximum 10 ̴ 11% aluminiu care, uneori, mai conține fier, nichel, mangan sau siliciu. Bronzurile cu aluminiu deformabile sunt destinate prelucrării prin deformare plastică la rece sau la cald și se utilizează în construțiile navale și de avioane, în instalațiile electrotehnice și energetice, precum și în instalațiile chimice și de apă;
bronzul cu nichel: până la conținuturi ale nichelului de 15% are culoare roz și tinde spre alb pe măsura creșterii conținutului de nichel, având un foarte bun luciu metalic. După destinație, bronzurile cu nichel pot fi: de construcție; electrotehnice (constantanul conține 55 ̴ 60% Cu, 40 ̴ 45% Ni și 1 ̴ 2% Mn; nichelina conține 67% Cu, 30% Ni și 2 ̴ 3% Mn);
bronzul cu nichel și zinc: conține 45 ̴ 65% Cu, 10 ̴ 18% Ni, și restul Zn. În general prezintă bune proprietăți de deformare plasitcă la cald și la rece. Se utilizează la confecționarea arcurilor, tacâmurilor, instrumentelor medicale, bijuteriilor argintate, precum și a unor piese de mecanică fină și a tuburilor de condensare. Aliajul se poate și turna, iar pentru mărirea așchiabilității se adaugă mici cantități de plumb;
bronzul cu beriliu: este un aliaj al cuprului cu 0,5 ̴ 2% Be. Pentru îmbunătățirea proprietăților se adaugă cobalt și nichel (până la 0,6%), iar pentru îmbunătățirea așchiabilității, plumb (până la 0,6%). Se utilizează la fabricarea unor arcuri, contacte electrice arcuite, diafragme, electrozi de sudură, piese de ceasornicărie. Întrucât prin lovire nu dă scântei, se utilizează la confecționarea unor scule utilizate în minele grizutoase (dălți, ciocane, clești);
bronzul cu siliciu: pe lângă cupru și nichel, mai conține și mangan pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice și a rezistenței la coroziune;
bronzul cu mangan: aliajul cuprului cu circa 12% mangan si 4% nichel se numește manganin și se caracterizează printr-o rezistivitate electrică foarte mare și un coeficient de temperatură al rezistivității foarte mic;
bronzul cu plumb: conține 4 ̴ 17% Pb, precum și Sn, Ni și Zn, pentru îmbunătățirea proprietăților;
bronzul cu argint: conține 0,02 ̴ 0,28% Ag și se prelucrează prin deformare plastică sub formă de bare și benzi utilizate în industriile electronică și electrotehnică;
bronzul cu crom: conține 0,5 ̴ 1% Cr și este utilizat în industrie datorită asocierii foarte bune a proprietăților mecanice și electrice, îndeosebi în stare turnată, călită și îmbătrânită. Se utilizează la fabricarea electrozilor de sudură, a pieselor de întrerupătoare electrice supuse uzurii prin frecare, a pieselor conducătoare de curent care au și rolul de arcuri, precum și a tuburilor electronice, conductoarelor pentru linii de înaltă tensiune și cuzineților;
bronzul grafitat: conține cupru, staniu și 2 ̴ 5% grafit și se obține prin metalurgia pulberilor.
2.2. Metale și aliaje feroase
În ultimii ani se constată o răspândire din ce în ce mai largă a aliajelor pe bază de elemente ușoare (Al,Mg) sau de elemente refractare (Ti, Zr) dar, cu toate acestea aliajele pe bază de fier continuă să fie cele mai mult utilizate în cadrul structurilor de rezistență din tehnica militară. Datorită răspândirii minereurilor de fier din scoarța terestră și datorită polimorfismului fierului și proprietăților acestuia, putem afirma faptul că fierul constituie un element principal în cadrul construcției tehnicii militare.
Cele mai utilizate și studiate aliaje ale fierului sunt bazate pe oțeluri și fonte, atât obișnuite, cât și aliate, cu prelucrări, structuri și proprietăți deosebite sau speciale, respectiv bazate pe sistemul binar Fe-C.
Un loc important în producția mondială de materiale metalice îl ocupă oțelurile ( ̴ 500 milioane tone anual), devansând toate metalele și aliajele de largă utilizare, de exemplu aliajele aluminiului (13 milioane tone anual) sau aliajele cuprului (9 milioane tone anual).
Fierul este cel mai răspândit metal din natură (4,7%). Liber se găsește în meteoriți și extrem de puțin printre roci, iar în scoarța terestră se găsește sub formă de compuși, în diferite minereuri. Minereul reprezintă un amestec mecanic de compuși de Fe cu rocă de natură calcaroasă sau silicioasă, iar dacă acesta conține peste 50% fier minereul este reprezentat ca fiind un amestec bogat, iar dacă are mai puțin de 30% fier acesta este reprezentat ca fiind un amestec sărac.
Fierul este un metal de culoare cenușie-albăstruie, dacă este pur, adică nealiat cu alte elemente, nu poate fi utilizat în scopuri industriale deoarece are o rezistență mecanică redusă.
2.2.1. Aliajele fier-carbon
Aliajele fier-carbon numite fonte și oțeluri sunt cele mai cunoscute materiale metalice utilizate în tehnica militară, datorită răspândirii largi în scoarța pământului a materiilor prime din care provin, metalurgiei relativ simple, proprietăților fizico-mecanice bune și care pot fi modificate în limite largi prin aliere și tratamente termice, prețului de cost relativ scăzut, posibilităților de prelucrare prin toate procedeele tehnologice existente și reciclării prin retopire.
Elementul principal de aliere a fierului este carbonul care, chiar în cantități mici, îi schimbă proprietățile, conținutul de carbon constituind de fapt criteriul principal de clasificare a fontelor și oțelurilor. Aliajele fier-carbon mai conțin mangan, siliciu, fosfor, sulf etc. Manganul se introduce voit în aliaj, mărindu-i duritatea și rezistența la oboseală, siliciul provine din sterilul minereurilor, mărindu-i elasticitatea și rezistența la oboseală, iar fosforul și sulful sunt elemente dăunătoare care nu se pot înlătura complet și provin din cocs. Fosforul produce fragilitate la rece, iar sulful, fragilitate la cald.
2.2.2. Diagrama fier-carbon
Fierul împreună cu cel mai important al său de aliere, carbonul, realizează o diagramă cu solubilitate totală în stare lichidă și parțial solubilă în stare solidă. Carbonul poate să apară în diagrama fier-carbon sub două aspecte: în stare pură, sub formă de grafit, sau sub forma compusului chimic Fe3C numit cementită. În consecință, diagrama fier-carbon conține două grupuri de curbe de transformare, unele indicând separarea cementitei, iar altele separarea grafitului.
Fig. 2.6 Diagrama fier-carbon
Deoarece cementita se descompune la temperaturi înalte, aliajele cu grafit sunt în echilibru stabil, iar sistemul cu cementită este considerat metastabil (aparent este stabil, dar la cea mai ușoară perturbație exterioară se distruge).
Aliajele Fe-C care conțin 0,006-2,11% C se numesc oțeluri și după conținutul de carbon se împart în:
oțeluri hipoeutectoide (0,006-08% C) care au în structură ferită și perlită, perlita crescând proporțional cu creșterea conținutului de carbon;
oțeluri eutectoide (0,8% C) care, după recoacere, au în structură numai perlită;
oțeluri hipereutectoide (0,8-2,11% C) care au în structură cementită secundară și perlită.
Tabelul 2.1 Punctele principale ale diagramei Fe-C
Aliajele Fe-C ce conțin 2,11-6,67% C se numesc fonte și după conținutul de carbon se împart în:
fonte hipoeutectice (2,11-4,3% C) care au în structură perlită și ledeburită;
fonte eutectice (4,3% C) care au în structură numai ledeburită;
fonte hipereutectice (4,3-6,67% C) care au în structură ledeburită și cementită.
2.2.3. Fonte și oțeluri
Fonta este un aliaj fier-carbon care conține 2,11 .. 6,67% C și în cantități mici conține mangan, siliciu, fosfor, sulf etc. Ea se obține într-o instalație complexă numită furnal, din minereuri de fier, mangan, fondanți pentru formarea zgurei, combustibili prin arderea cărora se dezvoltă căldura necesară topirii materiilor prime solide și comburant (aer îmbogățit în oxigen) pentru întreținerea arderii. În urma unor reacții fizico-chimice complexe, din furnal rezultă fontă, zgură și gaz de furnal.
Tabel 2.2 Clasificarea generală a fontelor
Fontele brute sau primare sunt cele obținute în furnal, conținând 2,3 ̴ 5% C și cantități acceptabile de Mn, Si, P, S etc. În funcție de compoziția chimică, felul în care sunt produse și modul de utilizare, pot fi fonte de afinare, de turnătorie și aliate.
Fontele brute (primare) se clasifică în: fonte de afinare; fonte brute de turnătorie; fonte brute aliate.
Fontele de afinare sunt fonte de primă fuziune, elaborate în furnal și datorită conținutului ridicat de mangan se mai numesc fonte manganoase, iar pentru că în spărtură au culoare albă, se numesc și fonte albe. Ele reprezintă circa 80% din producția totală de fontă brută, fiind destinate în principal elaborării oțelului în convertizoare și în cuptoare cu vatră.
Fontele brute de turnătorie sunt destinate elaborării fontei de a doua fuziune, din care se obțin piesele turnate și se livrează sub formă de blocuri sau sub formă de granule. Datorită conținutului mare de siliciu, se mai numesc fonte silicioase, iar datorită conținutului ridicat de impurități au proprietăți slabe, utilizându-se sporadic la turnarea unor piese mari, puțin pretențioase.
Fontele brute aliate sunt fonte de primă fuziune care se utilizează la elaborarea oțelurilor, ca dezoxidant și ca adaos de aliere.
Fontele de turnătorie sau secundare sunt fonte de a doua fuziune, elaborate în cuptoare electrice și destinate turnării pieselor în construcția de mașini. După structură și destinație fontele de turnătorie pot fi: cenușii, maleabile și speciale.
Fontele cenușii conțin în cea mai mare parte carbon sub formă de grafit, iar în ruptură prezintă aspect cenușiu.
Fig. 2.7 Forme de grafit în fonte
Fontele maleabile sunt fonte cu grafit în formă de cuiburi, obținute din fontele albe printr-un tratament termic numit recoacere de maleabilizare, prin care cementita se descompune în fier și grafit.
Fonta maleabilă cu inimă albă are în ruptură o culoare gri-argintie la interior și mai închisă spre exterior. Se obține din fontele albe printr-o recoacere de maleabilizare care constă în încălzirea materialului la 950˚C, timp de 75 de ore, într-un mediu oxidant de minereu de fier care favorizează decarburarea stratului superficial, urmată de o răcire lentă.
Fonta maleabilă cu inimă neagră are o culoare mai închisă la interior și mai deschisă spre exterior. Se obține din fontele albe printr-o recoacere de grafitizare care constă în încălzirea materialului la 950˚C, timp de aproximativ 50 de ore, într-un mediu neutru (nisip cuarțos spălat), urmată de o răcire lentă.
Fontele speciale provin din fontele cenușii, albe sau maleabile și prin aliere și aplicarea unor tratamente termice corespunzătoare dobândesc proprietăți mecanice și fizico-chimice speciale. Ca elemente de aliere se utilizează Ni, Cr, Mo, Mn, W, Ti, Zr, V etc.
Din categoria fontelor speciale fac parte fontele antifricțiune (fontă cu grafit lamelar, nodular sau maleabil), de fricțiune(fontă albă sau înalt aliată cu Cr, Ni, Mo, Cu, Mn și Si), refractare (fontă aliată cu Cr, Si și Al) și austenitice (fontă înalt aliată cu Ni, Cr, Mn).
Oțelul este un aliaj fier-carbon care conține 0,006 ̴ 2,11% C și o cantitate redusă de elemente însoțitoare: Mn, Si, P, S, O etc. Elaborarea oțelului este un proces fizico-chimic complex care utilizează ca materie primă fie minereul de fier, fie fonta topită. Oțelul se obține din minereul de fier prin reducere directă, iar din fontă, prin reducere indirectă.
Reducerea directă nu se mai aplică din cauza consumului specific de energie ridicat, dar se fac cercetări pentru perfecționarea lui. Astfel, procedeele moderne de reducere directă se pot realiza la temperaturi joase, de 500 ̴ 1100˚C, având ca rezultat buretele de fier, sau la tempperaturi înalte, de peste 1400˚C, produsul rezultat prezentându-se în stare lichidă. Principalul avantaj oferit de aceste procedee constă în faptul că pentru reducere nu se folosește cocs metalurgic, combustibil deficitar și scump, putându-se utiliza combustibili mai ieftini: lignit, semicocs, hidrocarburi gazoase naturale sau combustibili lichizi.
Reducerea indirectă se realizează în stare topită și constă în principal în eliminarea unei părți din carbon și elementele însoțitoare din fontă până la limitele prescrise pentru oțel. Astăzi, peste 95% din producția mondială de oțel se obține prin reducere indirectă, realizându-se în convertizoare, cuptoare cu vatră și cuptoare electrice.
Clasificarea oțelurilor se realizează după următoarele criterii:
după conținutul de carbon, duritate și plasticitate: extramoale, moale, semidur, dur, foarte dur, extradur;
după structura caracteristică: austenitic, eutectoid, feritic, hipereutectoid, hipoeutectoid, ledeburitic martensitic;
după compoziția chimică: oțeluri-carbon: de bază, de calitate, speciale; oțeluri aliate: de calitate, speciale;
după forma de livrare: turnat, deformat plastic;
după gradul de dezoxidare: necalmate, semicalmate, calmate;
după destinație:
de uz general: oțeluri-carbon obișnuite, oțeluri-carbon de calitate și superioare, oțeluri-carbon turnate în piese, oțeluri aliate pentru construcții de mașini, oțeluri aliate turnate pentru construcții de mașini, oțeluri pentru automate, oțeluri rezistente la uzură;
cu destinație precizată: oțeluri pentru arcuri, oțeluri pentru rulmenți, oțeluri pentru țevi, oțeluri pentru table de cazane și recipiente, oțeluri pentru sârme de sudare, oțeluri pentru supape, oțeluri pentru organe de asamblare, oțeluri pentru autovehicule și tractoare, oțeluri pentru autoturisme, oțeluri pentru lanțuri;
de scule: oțeluri-carbon de scule, oțeluri aliate de scule, oțeluri rapide de scule, oțeluri pentru pile.
Oțelurile carbon obișnuite sunt oțeluri nealiate ce conțin până la 0,6% C, folosite la obținerea semifabricatelor laminate (bare, table, benzi, sârme și țevi) și forjate (bare). Se prelucrează foarte ușor prin deformare plastică și prin așchiere, se sudează bine (îndeosebi prin presiune) și se utilizează de obicei netratate termic, la confecționarea unor piese mai puțin solicitate sau în construcții metalice (organe de mașini, lanțuri comerciale, carcase, ambalaje metalice etc.)
Oțelurile carbon de calitate sunt oțeluri nealiate, cu compoziții chimice și proprietăți mecanice garantate, ce conțin sub 0,25% C si care poartă denumirea de oțeluri de cementare, fiind supuse carburării și ulterior călirii și revenirii joase, sau ce conțin peste 0,25% C și se numesc oțeluri de îmbunătățire, fiind supuse unei căliri și unei reveniri înalte. În ambele cazuri rezultă o structură martensitică dură la suprafață și un miez tenace.
Oțelurile carbon turnate în piese sunt oțeluri nealiate, destinate turnării pieselor cu configurație complicată, cărora li se cer rezistență și tenacitate și din punct de vedere tehnologic și economic este mai avantajos a se realiza prin turnare decât prin forjare sau sudare. Deoarece piesele rezultate prin turnare sunt fragile, ele se supun obligatoriu unui tratament de recoacere. Astfel de piese se utilizează la construcția utilajelor metalurgice, chimice, miniere și petroliere, a mașinillor de ridicat și transportat, autovehiculelor etc.
Oțelurile aliate turnate pentru construcții de mașini sunt oțeluri slab aliate cu Mn, Ni, Cr, Mo, Si, Ti etc, elementul principal de aliere fiind sub 2%, iar suma tuturor elementelor de aliere nedepășind 5%. Conțitutul maxim de siliciu este limitat la 0,6%, iar conținuturile maxime de sulf și fosfor, la 0,035%, pentru fiecare. Aceste oțeluri sunt destinate turnării pieselor pentru construcții mecanice generale și pentru construcții cu ușoare solicitări la uzură, precum și elementelor pentru construcții rezistente la solicitări mecanice mari.
Oțelurile inoxidabile și refractare sunt oțeluri înalt aliate, îndeosebi cu crom și nichel, rezistente la coroziune chiar în medii puternic oxidante și la temperaturi ridicate (până la 300˚C se utilizează oțelurile inoxidabile, iar până la 1000˚C se folosesc oțelurile refractare). După procedeul tehnologic de obținere a semifabricatelor, oțelurile inoxidabile și refractare pot fi turnate în piese și destinate prelucrării prin deformare plastică, iar după structură, feritice, martensitice și austenitice.
Oțelurile rezistente la uzură prezintă o duritate mare și o bună călibilitate datorită alierii cu mangan. Ele se prelucrează prin deformare plastică la cald sau la rece și se livrează sub formă de laminate, produse plate, oțel calibrat și țevi.
Oțelurile pentru arcuri fac parte din categoria oțelurilor-carbon sau slab aliate, caracterizate de o limită de elasticitate foarte ridicată (>700 N/mm2), rezistență la oboseală foarte bună, caracteristici mecanice stabile în timp și o plasticitate adecvată tehnologiei de obținere a arcurilor.
Oțelurile pentru rulmenți. Acestea sunt oțeluri laminate la cald sau trase la rece, cojite, șlefuite și calibrate. De asemenea ele trebuie să fie lipsite de defecțiuni macroscopice (segregații, sulfuri, fulgi sau fisuri), să prezinte incluziuni nemetalice cât mai puține și mai uniform distribuite, să aibă o capacitate de deformare prin presare la cald și la rece bună, o călibilitate bună și constantă, să se preteze bine la rectificare în stare călită și să asigure o stabilitate dimensională a pieselor finite chiar și la o depozitare îndelungată.
Oțelurile pentru țevi sunt oțeluri-carbon sau aliate, laminate la cald în țagle rotunde sau pătrate și destinate fabricării țevilor pentru construcții, instalații, cazane, cuptoare sau industriei petroliere.
Oțelurile pentru supape sunt oțeluri aliate folosite la fabricarea supapelor și a locașurilor pentru supape de la motoarele cu ardere internă. Pe lângă rezistența la oxidare la temperaturi ridicate, aceste oțeluri trebuie să prezinte caracteristici superioare privind rezistențele la oboseală, fluaj și uzură, alături de o bună tenacitate. Pentru obținerea acestor proprietăți se utilizează cromul, siliciul, nichelul, molibdenul, wolfram și chiar azotul, precum și tratamente termice adecvate. Ele se livrează sub formă de bare laminate sau forjate, supuse controlului defectoscopic nedistructiv.
Oțelurile de scule sunt oțeluri-carbon sau aliate și se obțin prin deformare plastică (forjare sau laminare). Datorită solicitărilor mecanice și termice deosebite la care sunt supuse în timpul așchierii, ele trebuie să îndeplinească următoarele condiții: corpul și partea de prindere a sculelor trebuie să aibă o bună rezistență mecanică în condiții de solicitări dinamice, o bună preluare și amortizare a vibrațiilor, precum și o bună conductibilitate termică.
Oțelurile-carbon de scule sunt oțeluri de calitate, laminate la cald, forjate sau trase la rece, cu conținut ridicat de carbon (0,65 ̴ 1,24%), elaborate de regulă în cuptoare electrice și caracterizate prin grade mari de puritate, durități superficiale mari și miezuri tenace. Sunt folosite în special pentru fabricarea sculelor așchietoare pentru prelucrări la rece.
Oțelurile aliate de scule sunt oțeluri aliate cu Cr, Ni, W, V, Mo și Mn, deoarece acestea favorizează formarea unor carburi mai dure decât carbura de fier și micșorează viteza critică de călire, mărind astfel rezistența la uzură și conferind stabilitate proprietăților mecanice la cald. Au tenacitate medie, sunt stabile termic până la 300 ̴ 350˚C, au așchiabilitate foarte bună, dar sunt mai scumpe decât oțelurile-carbon. Se elaborează în cuptoare electrice și se prelucrează prin deformare plastică la cald (laminare sau forjare).
2.3. Materiale compozite
Pentru definirea materialelor compozite poate fi folosită noțiunea de “sinergie”, care reprezintă rezultatul unitar produs prin asocierea și dozarea convenabilă a caracteristicilor unor componente. Astfel, prin combinarea acestor componente, deficiențele unora vor fi suplinite de calitățile altora, conferind ansamblului proprietăți pe care niciun component nu le poate avea.
Materialele compozite sunt amestecuri de materiale asociate pentru a îndeplini o anumită caracteristică. Combinația poate cuprinde materiale de același tip, de exemplu două metale care au în stare solidă structuri net diferite sau materiale diferite ca de exemplu sticlă și plastic.
Un astfel de material este constituit dintr-o osatură numită ranfort care asigură rezistența mecanică și un material de legătură numit matrice care asigură coeziunea structurii și transmiterea solicitărilor la care sunt supuse piesele. Ele mai conțin materiale de umplutură care modifică sensibil proprietățile mecanice, electrice și termice, ameliorează aspectul superficial și reduc prețul de cost. Materialele astfel obținute sunt eterogene(au proprietăți diferite în puncte diferite) și anizotrope(nu au aceleași proprietăți în toate direcțiile).
Clasificarea materialelor compozite se face după criteriile prezentate în tabelul 2.2:
Tabel 2.2. Clasificarea materialelor compozite
Cel mai elocvent exemplu de material compozit, folosit încă din antichitate îl reprezintă chirpiciul, care este un amestec de lut și paie, alte exemple fiind placajul, betonul armat și impermeabilul(a fost inventat în anul 1823, realizându-se prin cauciucarea unei țesături de bumbac).
Materialele compozite prezintă următoarele avantaje: greutate redusă;rezistență bună la tracțiune; coeficient de dilatare mic; rezistență la oboseală ridicată; reziliență ridicată; capacitate bună de amortizare a vibrațiilor; rezistență la umiditate, căldură, coroziune, precum și la acțiunea unor produse chimice (uleiuri, solvenți, petrol); ciclul de fabricație scurt și preț de cost acceptabil; siguranță mare în funcționare.
2.3.1. Clasificarea materialelor compozite
Materialele de armare constituie osatura compozitelor, conferindu-le rezistență la tracțiune, rigiditate și un modul de elasticitate bun. După natura lor, ele pot fi organice sau anorganice, iar după modul de prezentare, sub formă granulară, de fibre sau plăci.
Matricea leagă compozitul într-un monolit, transmite eforturile materialelor de ranforsare și împiedică deplasarea acestora. De asemenea, asigură protecția chimică a osaturii împotriva agenților exteriori și dă forma dorită produsului finit. Ca matrice, se folosesc materiale plastice ( până la 200°C), metalice (până la 600°C) sau ceramice (până la 2000°C).
Materialul compozit obținut îmbină proprietățile favorabile ale componentelor și înlătură proprietățile nefavorabile ale acestora. Astăzi există un număr însemnat de materiale compozite, cum ar fi:
materialele compozite armate cu particule;
materiale compozite armate cu fibre;
materiale compozite structurale;
alte tipuri de materiale compozite.
Materiale compozite armate cu particule. Materialul compozit este alcătuit din particule dure și fragile dispersate aleatoriu în matricea moale și ductilă. Cu cât aceste particule sunt mai fine și distanța dintre ele este mai mică, cu atât compozitul este mai dur și mai rezistent.
Fig. 2.9. Material compozit armat cu particule:
1- dispersate aleatoriu în matricea moale
2- dispersate aleatoriu în matricea ductilă
Clasificarea materialelor compozite armate cu particule:
carburile metalice: sunt alcătuite din particule ceramice dure (carburi de wolfram, titan și tantal), cu concentrații volumice de până la 94%, încorporate într-o matrice de cobalt;
sculele abrazive: în urma unui proces de prelucrare (fasonare) capătă forme de discuri sau prisme, alcătuite din particule abrazive, încorporate în masa unui liant. Materialele abrazive sunt materiale cristaline dure sub formă de granule, pulberi sau micropulberi care, datorită muchiilor și vârfurilor aleatoare pe care le au, detașează numeroase așchii mărunte de pe suprafața de prelucrat;
contactele electrice: sunt alcătuite din pulberi de wolfram și argint care se presează și se încălzesc până la topirea argintului. Particulele dure de wolfram vor fi încorporate într-o matrice de argint. Contactele electrice vor avea astfel o rezistență la uzură ridicată și o conductibilitate electrică foarte bună;
aliajele antifricțiune: se obțin din compuși intermetalici duri încorporați într-o matricem oale și cu temperatura de topire scăzută. Cristalele dure (Sb, SnSb, Cu3Sn) au un coeficient de frecare redus și asigură rezistența mecanică a cuzineților lagărelor cu alunecare, iar matricea moale (Pb, Sn) conferă un coeficient de frecare și mai mic, precum și acomodarea la fusul arborelui, pe măsura uzării;
cermeturile (ceramică + metal): sunt amestecuri de pulberi ceramice dure () până la o concentrație volumică de 80%, cuprinse într-o matrice metalică (Fe, Cr, Ni, Co, Mo) se obțin prin tehnologii de metalurgia pulberilor (presare și sinterizare) și se folosesc ca materiale rezistente la temperaturi înalte sau la uzură (căptușirea camerelor de combustie ale reactoarelor);
masele plastice cu materiale de umplutură: sunt alcătuite dintr-un material termoplast (polimetacrilat de metil, polipropilenă, poliamidă, teflon) sau termoreactiv (rășini fenolice sau epoxidice), în care sunt înglobate materiale de umplutură de naturi diferite cu concentrații volumice de până la 70%.
Compozitele armate cu fibre au caracteristici mecanice foarte bune și densități mici, fiind utilizate îndeosebi în industria aerospațială. De asemenea, ele sunt singurele materiale care se pot folosi la temperaturi mai mari de 900°C, în condiții de solicitări mecanice mari și în medii oxidante (reactoare nucleare, industriile aerospațială și de armament).
O fibră se definește ca fiind un material sub formă de filament, cu o lungime mai mare decât 100mm și un raport de formă, lungime/diametru, mai mare de 10. Ele pot fi amorfe, monocristaline sau policristaline. În funcție de lungimea lor fibrele pot fi scurte, numite și fibre discontinue cu raportul de formă de la 10 la 10000 sau lungi (continue), cu raportul de formă de peste 10000.
2.3.2. Fibre de armare
Performanțele materialelor compozite asociate cu costurile nu foarte ridicate implicate de producerea lor și cu gradul mult redus de poluare pe care îl induc datorită posibilităților de reciclare, fac din ele materialele viitorului, studiate, dezvoltate și îmbunătățite în prezent.
Fig. 2.10. Secțiune transversală printr-un material compozit fibros, metal
Clasificarea fibrelor de armare este prezentată în figura 2.11:
Fig. 2.11. Clasificarea fibrelor
Dispunerea fibrelor în materialul compozit se poate realiza în mai multe moduri (fig. 2.12. ):
Fig. 2.12. Materiale compozite armate cu fibre
După natura lor, fibrele de armare se clasifică astfel:
fibrele de sticlă: au fost printre primele fibre utilizate la armarea compozitelor și se obțin prin tragere. Sticla este un material nemetalic termoplast, cu structură amorfă care se obține prin topirea în comun a mai multor materiale componente. Aceste componente se amestecă în stare solidă și se topesc în creuzete, la 1300 ̴ 1500°C, timp de 12 ̴ 15 ore, încărcătura fiind supusă unor transformări fizico-chimice complexe;
fibrele de carbon: conțin 80 ̴ 95% C, sunt ușoare, rezistente la acțiunea agenților chimici și a mediului înconjurător, stabile la temperaturi înalte, bune conducătoare de căldură și electricitate și rezistente la tracțiune și compresiune;
Se obțin din materii prime solide sau gazoase care se supun unui proces de combustie incompletă. Dacă arderea are loc la 1000 ̴ 1500°C se obțin fibre de înaltă rezistență, iar la 1800 ̴ 2000°C se obțin fibre cu module de elasticitate foarte bune;
fibrele de aramide: își au proviniența din poliamide aromatice și au fost introduse pe piață în 1973 sub numele de kevlar. Sunt rezistente la tracțiune, la șoc și la abraziune. De asemenea, sunt rezistente la foc și la căldură, precum și la acțiunea solvenților organici;
fibrele de bor: conțin un miez de wolfram pe care se depune, prin vaporizare, un strat subțire de bor și prezintă rezistențe la rupere și la compresiune foarte bune, precum și un modul de elasticitate înalt și o rezistență la oboseală excepțională;
fibrele de cuarț: conțin 99,95 ̴ 99,97 Si și se obțin prin tragere din material topit la 1800°C. Sunt foarte rezistente la acțiunea agenților chimici și a mediului înconjurător și stabile termic până la 1000°C.
Fibrele pentru armarea compozitelor sunt supuse înainte de încorporarea în matrice unei ungeri cu un amestec de substanțe cleioase și antistatice în următoarele scopuri: compatibilizarea fibrelor cu matricea; rigidizarea fibrelor în vederea manipulării ușoare; protecție contra deteriorării superficiale prin frecare reciprocă sau cu piese metalice; împiedicarea apariției sarcinilor electrostatice prin frecare.
2.3.3. Matricele
Matricea are 2 scopuri principale: să transmită solicitările mecanice fibrelor de ranforsare și să asigure protecția acestora la acțiunea mediului înconjurător. Pentru îndeplinirea acestor scopuri, matricea trebuie să adere la fibre, să fie ductilă și să aibă o bună rezistență la fluaj.
După natura lor, matricele se clasifică astfel:
organice – plastice: termoreactive, termoplaste, elastiomeri;
anorganice – metalice: feroase, neferoase;
– ceramice: oxizi, carburi, siliciuri, boruri.
Matricele plastice au proprietăți mecanice mai slabe decât cele metalice sau ceramice, dar se pot prelucra la temperaturi mai joase și astfel pericolul de distrugere a fibrelor de ranforsare dispare. De asemenea, ele se obțin mai ușor și costă mai puțin decât metalele și ceramicele. Dezavantajul lor major este că nu se pot utiliza la temperaturi mai mari de 200°C. Matricele organice sunt cele mai răspândite, reprezentând circa 75% din totalul matricelor folosite.
Materialele plastice termoreactive au o structură tridimensională și prin încălzire se înmoaie și se fasonează în forma dorită, dar nu se mai pot recicla, fiind infuzibile și insolubile, datorită încheierii polimerizării în timpul încălzirii și prelucrării. Aceste materiale se mai numesc și rășini, cele mai importante fiind:
rășinile poliesterice
rășinile vinilesterice
rășinile epoxidice
rășinile fenolice
rășinile poliuretanice
Matricele metalice reprezintă circa 10% din matricele utilizate la fabricarea materialelor compozite și au apărut la începutul anilor 1960 în SUA și Franța, cu aplicații în industria aerospațială. Fabricarea compozitelor cu matrice metalice este destul de dificilă, având în vedere asigurarea coeziunii acestora cu fibrele de ranforsare. Matricea trebuie adusă în stare lichidă sau semisolidă, astfel încât să aibă fluiditatea necesară infiltrării și, în același timp, să aibă o temperatură care să nu deterioreze fibrele de ranforsare și să nu reacționeze metalurgic cu ele.
Cele mai răspândite matrice metalice sunt:
aluminiul: este materialul cel mai folosit ca matrice metalică datorită densității mici și prețului accesibil
magneziul: are stabilitate chimică, un coeficient de dilatare stabil într-un interval mare de temperaturi și este cu 55% mai ușor decât aluminiul
titanul: este un metal ușor, cu temperatură înaltă de topire (1668°C), proprietăți mecanice foarte bune și stabilitate chimică, dar este scump.
Matricele ceramice reprezintă aproximativ 15% din matricele folosite la fabricarea compozitelor și se utilizează datorită unor proprietăți specifice: rezistență la temperatură (până la 2000°), rigiditate, duritate și stabilitate chimică.
2.4. Materialele inteligente
Materialele inteligente sunt noua generație de materiale care își pot schimba semnificativ proprietățile mecanice (forma, vîscozitatea sau rigiditatea), sau termice, optice, electromagnetice, într-un mod controlabil sau previzibil cu răspuns la mediu.
Materialele inteligente încorporează caracteristicile de adaptabilitate și de multifuncționalitate, fiind capabile să prelucreze informațiile, utilizând exclusiv caracteristicile intrinseci ale materialelor. Inteligența artificială, care poate fi modelată prin simulare pe calculator, implică cinci caracteristici de bază:
senzitivitatea;
modificabilitatea (adaptare și învățare);
imprevizibilitatea (posibilitate de abatere de la experiența anterioară);
activitatea (realizate de sarcini și acțiuni);
impresionabilitatea (memorie).
Materialele inteligente posedă abilități pentru a-și schimba proprietățile într-o manieră specifică cu un răspuns specific la stimulii de intrare. Acești stimuli ar putea fi: presiunea, radiațiile chimice sau nucleare, câmpul electric și câmpul magnetic. Programarea inteligenței materialulu depinde de compoziția materialului, procesarea specifică a acestuia, introducerea de defecte sau modificând microstructura, astfel încât să se adapteze la diferite niveluri de stimuli într-un mod controlat.
Astfel, s-au dezvoltat noțiunile de “inteligență pasivă”( permite doar reacția la mediu) și de “inteligență activă” (reacționează în mod discret la constrângeri mecanice, termice sau electrice exterioare, ajustându-și caracteristicile printr-un sistem de feed-back).
Sistemele inteligente pot îndeplini funcții de activatori (mușchi), de senzori (nervi) sau de control (creier).
Actuatorii sunt constituiți din materiale inteligente capabile să efectueze o acțiune. Ei pot să-și modifice: forma, poziția, rigiditatea, frecvența vibrațiilor interne, capacitatea de amortizare, frecarea internă și vâscozitatea, ca reacție la variațiile de temperatură, câmp electric sau câmp magnetic. Cele mai răspândite materiale pentru actuatori, sau materiale reactive, ori adaptive, sunt: materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice și magnetoreologice.
Senzorii (captatori) sunt sisteme de detecție care traduc modificările mediului prin emiterea unor semnale cu ajutorul cărora este descrisă starea structurii și a sistemului material.
Senzorii au următoarele funcții: controlul defectelor, amortizarea vibrațiilor, atenuarea zgomotului și prelucrarea datelor. Unei structuri i se pot atașa senzori externi sau îi pot fi încorporați senzori.
Cele mai răspândite materiale senzoriale sunt: materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice, materialele electrostrictive, fibrele optice și particulele de marcare.
Sistemele de control (dispozitive de transfer) 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 fac după o anumită “arhitectură” care include: organizarea globală, organizarea locală, ierarhia simplă și multiierarhia.
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.
Materialele inteligente, numite și: senzoriale, metamorfice, adaptive, multifuncționale sau deștepte, sunt rezultatul colaborării specialiștilor din trei domenii:știința materialelor, inginerie mecanică și construcții civile. Cea mai eficientă metodă de obținere a materialelor inteligente este asamblarea de particule care se realizează prin atașarea sau prin integrarea elementelor active într-o structură unitară.
Asamblarea particulelor presupune: producerea unui amestec ordonat de diferite particule; manipularea cu o microsondă și aranjarea particulelor pe substraturi. Metoda de aranjare pe substraturi presupune parcurgerea a trei etape: desenare, developare și fixare.
Un ansamblu de materiale inteligente, analizat la scară macroscopică dar integrat la scară microscopică poartă denumirea de “structură inteligentă”. O astfel de structură 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.
În urma studiului, dezvoltării și implementării materialelor inteligente în diverse sisteme materiale a apărut noțiunea de “viață artificială” 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.
Materiale cu memoria formei. După ce o scurtă perioadă au fost numite aliaje cu memorie piezomorfică, termomorfică sau feroselastică, aliajele cu memoria formei sunt cunoscute de la începutul anilor 1970 sub denumirea de “marmen”-uri (subliniază legătura dintre martensită și memorie). La ora actuală, la aliajele obținute prin tehnologia clasică (bazată pe topire-turnare-deformare) 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: bioxidul de zirconiu policirstalin stabilizat;
polimeri: polielectoliții cu grupuri ionizabile, hidrogelurile polimerice cu rețele interpenetrante;
materiale compozite.
Transformarea martensitică provine de la produsul de reacție “martensita”, care reprezintă un microconstituent din oțel călit caracterizat printr-un model acicular sau aciform, obținut dintr-o soluție solidă stabilă la temperaturi înalte.
Se consideră că istoria aliajelor cu memoria formei a început în 1932, odată cu descoperirea unui aliaj Au-Cd care prezenta la temperatura camerei o elasticitate surprinzătoare, aproximativ 8 %, ceea ce a determinat denumirea aliajului ca fiind 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) și Cu-Zn-Al (1970) precum și o serie de aliaje feroase cum ar fi: Fe-Mn-Si, Fe-Ni-Co-Ti și Fe-Ni-C.
Prima aplicație a materialelor cu memoria formei a fost expusă în 1958 la Târgul Internațional de la Bruxelles. Este vorba despre un dispozitiv ciclic de ridicare acționat de un monocristal de Au-Cd care ridica o greutate dacă era încălzit și o cobora dacă era răcit.
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) au fost efectuate pe monocristale. Cum monocristalele aliajelor pe bază de cupru se obțin mai ușor, acestea au fost materialele experimentale care au permis stabilirea atât a originii microstructurale a fenomenelor legate de memoria formei cât și a legăturii dintre acestea și transformarea martensitică.
2.4.1. Aplicații ale materialelor inteligente
Materialele inteligente pot fi folosite în numeroase aplicații comerciale, dar cea mai importantă dintre acestea este atunci când sunt utilizate în studiul și înțelegerea unor fenomene fizice complexe, în special din domeniul fizicii fundamentale. Principalele domenii de aplicabilitate ale materialelor inteligente sunt:
controlul vibrațiilor la structurile spațiale flexibile mari (cu dimensiuni până la cea a unui teren de fotbal), care trebuie să-și mențină o precizie dimensională ridicată;
controlul nivelului intensității luminoase (lentile fotocromatice, geamuri cu indice de refracție autoreglabil);
controlul mișcării instabile a tronsoanelor și a sistemelor de legătură ale subsateliților aflați pe orbită circumterestră;
controlul geometriei aripilor de avion, a palelor de elicopter și a elicelor sau velaturii navelor prin ameliorarea aerodinamicii sau a hidrodinamicii în scopul reducerii/suprimării vibrațiilor produse de curenții turbionari din aer sau apă;
chirurgie (filtre sangvine, mușchi, membre și organe artificiale), ortopedie (implanturi) sau oftalmologie (retinp artificială);
monitorizarea continuă a stării de sănătate (toalete inteligente care analizează dejecțiile, avertizând depășirile limitelor admise);
reducerea activă a concentrărilor de tensiuni, din vecinătatea găurilor și a crestăturilor, prin intermediul activatorilor încorporați, cu deformație impusă;
conectică (asamblări nedemontabile rezistente la vibrații);
modificarea adaptivă a formei suprafețelor-oglindă ale antenelor convenționale de precizie sau ale telescoapelor de înaltă rezoluție;
cadre cu geometri variabilă care pot modifica impedanța structurilor mari;
robotică;
reducerea “semnăturii” (zgomotului) torpilelor;
protecția la supracurent;
controlul atmosferei din incinte (umiditate, nivel de oxigen);
micromotoare;
controlul acustic structural activ (cu ajutorul vibratorilor cu oscilații transversale);
controlul distribuției și dozării medicamentelor.
3. PROPRITĂȚILE MATERIALELOR
În tehnica actuală, pentru executarea pieselor și a diverselor produse, se utilizează în mare măsură materiale metalice, adică metale și aliaje. Metalele sunt elemente chimice cu luciu caracteristic, bune conducătoare de căldură și electricitate, maleabile și ductile, dar se folosesc mai rar din cauza proprietăților defavorabile și a prețului ridicat. Aliajele sunt materiale metalice obținute prin topirea împreună a două sau mai multor metale sau a unor metale și metaloizi, având proprietăți și însușiri adecvate domeniilor de utilizare dorite și preț mai redus.
Materialele plastice sunt produse sintetice macromoleculare, utilizate în industrie datorită plasticității ridicate și proprietăților favorabile pe care le au piesele prelucrate. Apărute în perioada 1920 – 1950, astăzi depășesc consumul de metale datorită următoarelor avantaje: masă volumică redusă; sunt bune izolatoare electrice și termice; sunt rezistente la acțiunea agenților chimici; se prelucrează ușor prin multiple procedee tehnologice; au un preț scăzut.
În același timp, utilizarea lor este limitată de următoarele dezavantaje: proprietățile mecanice sunt relativ reduse; nu sunt degradabile, ceea ce creează serioase probleme de poluare; nu își păstrează proprietățile la temperaturi înalte; au coeficienți de dilatare relativ mari; prin ardere degajă produse toxice.
Asemenea metalelor, materialele plastice au proprietăți fizice, chimice, mecanice și tehnologice.
3.1. Proprietățile materialelor metalice
3.1.1. Proprietăți fizice
Proprietățile fizice caracterizează natura materialelor metalice și se clasifică după următoarele criterii:
masa volumică (densitate);
temperatură de topire;
capacitate termică masică (căldură specifică);
conductibilitate termică;
coeficient de dilatare liniară;
conductibilitate electrică;
proprietăți magnetice.
Masa volumică sau densitatea este raportul dintre masa unui corp și volumul său:
(3.1.)
Dintre metale, masa volumică minimă o are litiul ( 0,53 103 kg/m3 ), iar cea mai mare, osmiul ( 22,48 103 kg/m3).
Temperatura de topire (θt) este temperatura la care, sub acțiunea căldurii și la presiunea normală, un metal pur trece din stare solidă în stare lichidă. În cazut aliajelor, există un interval de topire.
Dintre metalele cunoscute, cel mai greu se topește wolframul (θt = 3410˚C), iar cel mai ușor, staniul (θt = 232˚C).
Capacitatea termică masică sau căldura specifică (Cp) reprezintă cantitatea de căldură necesară ridicării temperaturii cu un grad a unui kilogram dintr-un material și se exprimă în J/kg K (beriliu).
Ea este necesară pentru calculul cuptoarelor de încălzire sau topire a metalelor.
Conductibilitatea termică () este proprietatea unui corp de a transmite un flux de temperatură sub acțiunea unei diferențe de temperatură, măsurându-se în J/m s K. Cel mai bun conducător de căldură este argintul (λ = 7,91 J/m s K), valorile fiind date pentru temperatura mediului ambiant.
Coeficientul de dilatare liniară (α) reprezintă creșterea unității de lungime a unui corp datorită creșterii temperaturii cu un grad, determinându-se cu relația:
(3.2)
unde: l0 – lungimea inițială; – creșterea lungimii la o creștere a temperaturii cu
Cel mai mic coeficient de dilatare liniară îl are invarul (oțel aliat cu 36% nichel și folosit la fabricarea instrumentelor și a aparatelor de precizie) și anume α = 0,15 10-5K-1, iar cel mai mare, cadmiul (α = 3,08 10-5K-1).
Conductibilitatea electrică (σ) este proprietatea materialelor metalice de a conduce curentul electric și se exprimă în S/m (siemens pe metru). Inversul conductibilității electrice se numește rezistivitate electrică (ρ) și se exprimă în Ωm.
Conductibilitatea electrică scade cu creșterea temperaturii, a conținutului de impurități și a gradului de deformare, iar rezistivitatea crește. La temperaturi foarte scăzute, aproape de 0 K, rezistivitatea este nulă, apărând fenomenul de supraconductibilitate, la care materialele metalice devin conducătoare electrice perfecte.
În condiții normale, conductibilitatea electrică maximă o are argintul (σ = 62,5 106 S/m), iar cea mai mică, manganul (σ = 0,388 106 S/m). Ca urmare, argintul se utilizează la fabricarea contactelor electrice, iar manganulm la obținerea manganinului (aliaj de cupru, mangan și nichel folosit la fabricarea rezistențelor electrice).
Proprietățile magnetice se datorează mișcării orbitale a electronilor în jurul nucleului, aceștia formând de fapt circuite electrice care creează câmpuri magnetice. În materialele metalice cu proprietăți magnetice bune, aceste circuite electrice sunt orientate paralel, formând astfel un magnet elementar. Prin aplicarea unui câmp magnetic exterior, toți magneții elementari primesc aceeași orientare, ajungându-se la magnetizarea de saturație, care are intensitatea de magnetizare maximă.
Dintre proprietățile magnetice ale materialelor metalice se menționează: inducția magnetică, permeabilitatea magnetică, susceptibilitatea magnetică, magnetostricțiunea și temperatura Curie.
Din punct de vedere al susceptibilității magnetice (proprietatea unui material metalic de a se supune acțiunii magnetismului și de a se magnetiza), materialele metalice pot fi:
diamagnetice care au o magnetizare de sens contrar câmpului magnetic exterior și care dispare când acțiunea exterioară încetează (Cu, Cd, Sb, Pb, Zn, Au, Ag), susceptibilitatea lor magnetică K fiind negativă;
paramagnetice care se magnetizează slab și temporar prin introducerea lor într-un câmp magnetic (Sn, Al, Mg, Na, K, Ca, Mo, Ti, Cr, V, Mn), având susceptibilitatea magnetică K ușor pozitivă;
feromagnetice care sunt atrase puternic de câmpul magnetic exterior și capătă o magnetizare permanentă, intensă și de același sens cu câmpul magnetic (Fe, Co, Ni) și cu susceptibilitate magnetică pozitivă.
3.1.2. Proprietăți chimice
Proprietățile chimice ale materialelor metalice exprimă capacitatea acestora de a rezista la acțiunea mediilor corosive, a agenților atmosferici și a apei de mare, precum și la temperaturi înalte. Cele mai importante sunt rezistența la coroziune și refractaritatea.
Rezistența la coroziune este proprietatea materialelor metalice de a se opune acțiunii corosive a agenților chimici externi.
Distrugerea prin coroziune se poate produce pe cale chimică, atunci când între metal și agentul corosiv nu apare un transport de sarcini electrice sau pe cale electrochimică, atunci când apare un astfel de transport. Coroziunea este deosebit de nocivă, conducând la pierderi semnificative de materiale metalice, îndeosebi feroase.
Distrugerile prin coroziune pot fi substanțial reduse prin metode preventive (evitarea punerii în contact a unui metal cu un alt metal mai electronegativ, cum ar fi aluminiu-cupru, aluminiu-oțel aliat sau bronz-oțel), prin utilizarea metalelor și aliajelor rezistente la coroziune, precum și prin metode de protecție anticorosivă: galvanizare, acoperiri metalice prin pulverizare sau placare, tratamente termochimice sau vopsire cu lacuri și emailuri.
Unele metale neferoase (Cu, Zn, Pb, Al, Ti, Ni; Cr), la contactul cu aerul atmosferic, formează la suprafață un strat de oxid protector (pasivizare), dar cea mai frecventă metodă de creștere a rezistenței la coroziune a metalelor este alierea (oțelurile aliate cu peste 12% Cr și cu 5 ̴ 25% Ni, aliaje ale cuprului cu aluminiul și zincul etc.)
Refractaritatea este proprietatea materialelor metalice de a-și păstra caracteristicile mecanice la temperaturi ridicate și de a nu forma la suprafață un strat oxidat care să se exfolieze.
Din această categorie fac parte metalele și aliajele refractare. Astfel, oțelurile refractare sunt aliate cu crom, aluminiu, siliciu și nichel și dacă se adaugă și molibden, crește rezistența la fluaj, păstrându-și caracteristicile mecanice timp îndelungat. Ele se utilizează, cu bune rezultate, în condiții de lucru la temperaturi de 600 ̴ 1000˚C.
3.1.3. Proprietăți mecanice
Proprietățile mecanice arată modul de comportare a materialelor metalice la solicitările exterioare la care sunt supuse atât în procesele de prelucrare, cât mai ales în exploatare (fig. 3.1.).
Fig. 3.1 Clasificarea proprietăților mecanice ale materialelor metalice []
Rezistența la rupere este proprietatea unui material metalic de a se opune forțelor exterioare care tind să-l distrugă. După modul de acționare, aceste solicitări pot fi de tracțiune (întindere), compresiune, încovoiere, răsucire (torsiune), forfecare, flambaj etc. și pentru fiecare din aceste solicitări se definește o rezistență specifică de rupere.
Sub acțiunea forțelor exterioare, materialele metalice se deformează, ceea ce conduce la modificarea distanței dintre atomii din rețeaua lor cristalină. Dacă distanța se mărește, apar forțe de atracție, iar dacă se micșorează, forțe de respingere. Rezultanta tuturor forțelor interioare, raportată la unitatea de suprafață, se numește efort unitar (σ) și se calculează cu relația (3.3.):
σ = [daN/mm2] (3.3.)
unde: F – forța exterioară, A – aria secțiunii transversale a corpului solicitat.
Dintre rezistențele specifice de rupere, cea mai importantă este rezistența de rupere la tracțiune (Rm) care este raportul dintre sarcina maximă Fmax pe care o poate suporta un material supus la tracțiune și aria inițială a secțiunii sale transversale A0:
Rm = [daN/mm2]
Fig. 3.2 Curba caracteristică la tracțiune a unui oțel moale
Determinarea experimentală a acestei rezistențe se face prin încercarea la întindere a unei epruvete prelevate din materialul de încercat, mașina de încercat trasând automat curba efort-deformație, σ = f(ε), numită curba lui Hooke care, pentru un oțel moale, are forma prezentată în fig. 3.2. Pe curbă există mai multe puncte caracteristice care determină următoarele limite și rezistențe admisibile:
limita de proporționalitate (σp) este efortul limită până la care eforturile sunt proporționale cu deformațiile, aplicându-se legea lui Hooke:
σ = E ε (3.4.)
unde: E – modulul de elasticitate longitudinal, daN/mm2;
limita de elasticitate (σe) este efortul limită până la care materialul se comportă elastic, adică deformațiile dispar prin înlăturarea forțelor care le-au cauzat și materialul revine la forma inițială;
limita de curgere (σc) este efortul limită începând de la care pentru creșteri mici ale forței ce produce deformația, vom avea creșteri mari ale deformației, adică materialul începe “să curgă”. Convențional, limita de curgere a unui material reprezintă valoarea efortului unitar σ de la care deformațiilr specifice permanente sunt mai mari de 0,2% și se mai notează cu Rp0,2;
rezistența la rupere (σr , Rm) este efortul unitar maxim înregistrat pe diagramă și constituie cea mai importantă proprietate mecanică a materialelor;
rezistența efectivă la rupere (σz) este efortul unitar la care se produce ruperea efectivă a epruvetei, în zona de gâtuire. După ruperea epruvetei, se constată, prin măsurare, că lungimea inițială de referință L0 a crescut la valoarea Lu. Cu aceste date se pot defini:
alungirea relativă la rupere (ε, δ, A) este raportul dintre lungimea epruvetei după rupere și lungimea inițială:
δ = [%] (3.5.)
gâtuirea relativă la rupere (Z) este raportul dintre micșorarea secțiunii transversale a epruvetei în locul ruperii Au și secțiunea transversală inițială A0:
Z = 100 [%] (3.6.)
Elasticitatea este proprietatea unui material metalic de a reveni la forma și dimensiunile inițiale după încetarea acțiunii forțelor exterioare.
Majoritatea materialelor metalice sunt elastice, fără a depăși însă limita de elasticitate σe. Practic însă nu există metale perfect elastice, acestea prezentând chiar înainte de limita de elasticitate deformații plastice foarte mici, până la 0,01% (pentru oțeluri) și până la 0,03% (pentru neferoase).
Rigiditatea este proprietatea unui material metalic de a se deforma cât mai puțin sub acțiunea forțelor exterioarem fiind deci contrară elasticității. Mărimea care reflectă gradul de rigiditate al materialelor metalice este modul de elasticitate E sau modului lui Young care este raportul dintre efortul unitar și deformația specifică.
Plasticitatea este proprietatea materialelor metalice de a păstra parțial sau total deformațiile și după înlăturarea acțiunilor care le-au produs. Urmărind curba lui Hooke se constată că, solicitând materialul cu tensiuni mai mari decât limita de elasticitate, la un moment dat materialul începe „să curgă”, iar deformațiile specifice permanente sunt mai mari de 0,2%, adică ne aflăm în „zona de plasticitate”.
Majoritatea materialelor metalice se pot prelucra ușor prin deformare plastică (laminare, extrudare, tragere, forjare liberă, matrițare etc.), dar există și metale și aliaje fragile care nu suportă deformările plastice, fiind casante (fonta, unele bronzuri, beriliul, zincul etc.).
Tenacitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma mult înainte de rupere, având proprietăți plastice pronunțate și în același timp proprietăți ridicate de rezistență la rupere.
Tenacitatea se poate detemrina prin încercarea de reziliență care este o metodă dinamică și constă în ruperea, dintr-o singură lovitură, cu un ciocan-pendu, a unei epruvete așezate pe două reazeme și crestate la mijloc. Reziliența este raportul dintre lucrul mecanic necesar ruperii prin încovoiere W și secțiunea inițială a epruvetei rupte Ao:
KCU = [daJ/cm2] (3.7.)
Aparatul cu care se face încercarea de reziliență a fost conceput și construit în 1901 de chimistul și metalurgul francez A. Charpy.
Metalele și aliajele cu reziliență mare sunt considerate tenace (oțeurile moi și cele destinate confecționării arcurilor, aluminiului, cuprul, alama), iar cele cu reziliență mică, fragile (fonta, beriliul, zincul).
Fragilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se rupe sau distruge sub acținea unor forțe, fără ca în prealabil să se deformeze, fiind proprietatea opusă plasticității. În cazul materialelor fragile, rezistența la rupere este practic egală cu limita de curgere.
Fragilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a se deforma lent și continuu în timp, sub acțiunea unei sarcini constante de lungă durată, chiar dacă solicitarea materialului se află sub limita de elasticitate. Această proprietate numită și curgere lentă variază cu temperatura, manifestându-se sensibil la temperaturi mai ridicate. Ca urmare, este necesar să se țină seamă de ruperea prin fluaj la proiectarea și exploatarea mașinilor și instalațiilor care lucrează la temperaturi înalte (cazane, turbine cu gaze, motoare de rachete).
Fig. 3.3. Curba teoretică de fluaj a unui metal []
În acest sens, au fost create aliaje refractare care se comportă bine și la temperaturi ridicare, de 550 ̴ 1000˚C, timp îndelungat (oțeluri austenitice, aliaje pe bază de nichel sau cobalt, aliaje superrefractare complexe), toate acestea având în componență molibden care este deosebit de eficace pentru mărirea rezistenței la fluaj
Se observă forma teoretică a unei curbe de fluaj (fig. 3.3.), într-un sistem de coordonate alungire-timp. După o alungire inițială rapidă a epruvetei ε0 vom avea un fluaj primar nestabilizat 1, un fluaj secundar stabilizat 2 și un fluaj terțiar accelerat 3, până când apare ruperea. Încercarea de rupere prin fluaj se realizează cu echippament specializat de laborator, durând câteva luni de zile.
Duritatea este proprietatea unui material metalic de a se opune pătrunderii în stratul său superficial a unui obect dintr-un material mai dur și nedeformabil. Cunoașterea durității este un mijloc foarte important pentru verificarea calității pieselor după aplicarea unor tratamente termice sau termochimice.
Determinarea durității prin zgâriere se aplică mai rar metalelor, prezentând un interes deosebit pentru mineralogi. Confirm acestei metode, materialele se clasifică în funcție de posibilitatea pe care o au de a zgâria un alt material, duritatea măsurându-se după scara Mohs. Metalele dure au pe scara Mohs durități cuprinse între 4 și 8.
În cazul măsurării durității prin metode dinamice, penetratorul este lăsat de obicei să cadă pe suprafața metalului, duritatea fiind exprimată în funcție de energia de impact. Scleroscopul Shore, care constituie cel mai cunoscut exemplu de aparat pentru încercarea dinamică a durității, măsoară duritatea în funcție de înălțimea de recul a unui ciocănel cu vârf de oțel dur, lăsat să cadă, printr-n ghidaj vertical, pe materialul de încercat.
Din punct de vedere tehnic, cea mai răspândită metodă pentru dterminarea durității metalelor este cea prin pătrundere, realizându-se prin apăsarea asupra materialului de încercat a unei bile din oțel călit și lustruit (metoda Brinell) a unei piramide din diamant cu unghiul de 136˚ între fețele opuse (metoda Vickers) sau a unui con de diamant cu unghiul la vârf de 120˚ (metoda Rockwell).
Rezistența la uzură este proprietatea materialelor metalice de a se uza greu prin frecare. Uzura unui material se măsoară prin pierderea de masă a unei epruvete în unitatea de timp, raportată la unitatea de suprafață aflată în frecare.
Rezistența la uzură crește aproape liniar cu duritatea și se poate îmbunătăți prin aliere (îndeosebi cu mangan), prin tratamente termice, termochimice și termomecanice sau prin acoperiri de protecție. De asemenea, pentru o aderență miniă, metalele trebuie să fie insolubile reciproc, pentru a nu forma aliaje, compuși intermetalici sau soluții solide.
Rezistența la oboseală este valoarea maximă la care se rupe un material, după un număr prescris de solicitări periodice alternante la acea sarcină. În principiu, ea reprezintă asimptota la curba efort unitar σ – număr de cicluri N, numită curba lui Wȍhler (fig. 3.4.). Metoda obișnuită pentru determinarea curbei constă în a încerca prima epruvetă la un efort unitar σ1 suficient de ridicat pentru ca ruperea să apară după un număr redus de cicluri N1. Efortul unitar de solicitare periodică alternantă (întindere-compresiune, încovoiere alternantă etc.) se micșorează până când ultima epruvetă nu se mai rupe, aceasta fiind de fapt rezistența la oboseală σ-1. Numărul de cicluri care se ia ca bază este de 106 ̴ 107, pentru aliaje feroase și 107 ̴108, pentru metale și aliaje neferoase.
Fig. 3.4. Curba lui Wȍhler
3.1.4. 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.
Proprietățile tehnologice ale materialelor metalice indică modul de comportare a acestora la diferite procedee de prelucrare la cald sau la rece și se clasifică după următoarele criterii:
turnabilitate;
deformabilitate;
sudabilitate;
călibilitate;
așchiabilitate.
Turnabilitatea este proprietatea materialelor metalice topite de a umple cavitatea unei forme la turnare și de a reproduce configurația cavității după solidificare. Totodată este proprietatea unui material de a căpăta în urma solidificării configurația geometrică și dimensiunile cavității în care se introduce în stare lichidă.
Turnabilitatea unui material metalic depinde de caracteristicile de turnare ale acestuia:
fluiditatea este proprietatea unui metal topit de a curge cu ușurință și a umple cavitatea formei ăn care este turnat, acest lucru fiind foarte important la piese cu pereți subțiri și cu contur complicat;
segregarea este fenomenul nedorit care determină separarea elementelor chimice ale unui aliaj cu diferite temperaturi de topire diferite în timpul cristalizării, ceea ce conduce la o neomogenitatea chimică a piesei turnate;
absobția de gaze este tot o proprietate nedorită a metalelor, de a dizolva gaze, crescând odată cu temperatura de turnare și conducând la apariția suflurilor în piesele turnate. Dintre materialele metalice, cea mai bună turnabilitate o au fonta (fluiditate bună, contracție mică), în timp ce oțelul are o fluiditate mai mică, o contracție și o tendință de segregare mai mari.
Deformabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a căpăta deformații permanente, fără a se rupe, sub acțiunea unor forțe exterioare. Deformabilitatea este influențată direct de proprietățile fizice (temperatura de solidificare, temperatura de recristalizare), de proprietățile chimice (rezistența la coroziune, oxidarea), de proprietățile mecanoce (elasticitatea, plasticitatea, rezistența la curgere, fluajul, ecruisarea), de proprietățile magnetice în cazul procedeelor de magnetodeformare și de proprietățile estetice (aspect, rugozitate). Deformabilitatea poate fi caracterizată în practică prin:
maleabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se prelucra ușor în table și foi subțiri (aur, cupru, aluminiu, alamă, oțeluri moi);
ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase în fire subțiri sau trefilate (cupru, aluminiu, alamă, oțeluri moi);
forjabilitatea este proprietatea metalelor de a se deforma plastic la cald sau la rece, sub acținea unor forțe de lovire sau presare.
Sudabilitatea este o proprietatea complexă a materialelor metalice care determică aptitudinea lor tehnică pentru realizarea unor îmbinări sudate. Sudarea se poate realiza prin topire sau prin presiune, cu sau fără adaos de material, iar sudabilitatea are două caracteristici:
comportarea la sudare este o caracteristică ce depinde de proprietățile metalurgice ale metalelor de bază și de adaos;
siguranța la sudare este capacitatea materialelor metalice de a-și păstra plasticitatea și după sudare și de a nu căpăta tendință spre rupere fragilă.
Cea mai bună sudabilitate o au oțelurile calmate și cele cu conținut scăzut de carbon (sub 0,2%) și nealiate. Fontele, metalele și aliajele neferoase au sudabilități scăzute.
Călibilitatea este proprietatea unor materiale metalice de a se durifica în urma răcirii bruște de la o anumită temperatură. Din categoria materialelor călibile fac parte fontele și oțelurile, bronzul și unele aliaje ale aluminiului și nichelului.
Călibilitatea depinde de condițiile de încălzire și răcire, de compoziția chimică și, în cazul oțelului, în special de cinetica transformării austenitei. Cu cât stabilitatea austenitei este mai mare la temperatura de transformare perlitică și bainitică, cu atât călibilitatea este mai bună.
Călibilitatea este o proprietate tehnologică dependentă de proprietățile fizice și chimice ale materialului cu influențe deosebite în modificarea stării structurale a acestuia și implicit asupra celorlalte proprități tehnologice și de exploatare într-un sens dinainte stabilit. Durificarea structurală se aplică următoarelor tipuri de metale și aliaje cu aplicabilitate industrială:
aliaje pe bază de aluminiu, binare (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn), ternare (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Ti, Al-Zn-Si), complexe (Al-Cu-Mg-Ni, Al-Si-Mg-Mn, Al-Si-Cu-Mg-Ni);
aliaje pe bază de cupru (bronzuri cu beriliu, cu crom, cu aluminiu, cu siliciu și nichel, bronzuri complexe);
aliaje pe bază de magneziu, binare (Mg-Al, Mg-Zn) și ternare (Mg-Al-Zn);
aliaje pe bază de titan;
oțeluri carbon, slab aliate, alite și înalt aliate, oțeluri de scule, oțeluri inoxidabile, anticorozive și refractare;
fonte;
mase plastice.
Așchiabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a putea fi prelucrate cu scule așchietoare, pe diverse mașini-unelte, obținându-se de obicei piese finite.
Așchiabilitatea este cu atât mai bună cu cât durabilitatea sculelor așchietoare este mai mare, iar forțele de așchiere, mai mici. Majoritatea materialelor metalice au o așchiabilitate bună, exceptând fontele albe, oțelurile călite și aliajele foarte dure.
3.2. Proprietățile materialelor și aliajelor neferoase
În tehnică sunt cunoscute un număr foarte mare de elemente chimice cu caracter metalic și implicit și de aliaje ale acestora. Cu toate acestea, practic se utilizează un număr redus de metale și aliaje neferoase, cu toate că sunt utilizate foarte mult în practica industrială. Metalele neferoase se pot clasifica după următoarele criterii:
după densitate:
metale ușoare (Al, Mg, V, Ti etc.) având densitatea sub 5000 kg/m3;
metale cu densitatea medie, între 5000 kg/m3 și 10000 kg/m3 (Cu, Sn, Zn);
metale grele (Pb, Ag, Au, Hg, Ni, Pt etc.).
după temperatura de topire:
metale ușor fuzibile (pb, Sn, Zn, Ag) având temperatura de topire sub 1000 K;
metale greu fuzibile (Cu, Si, Cr, Co etc.) având temperatura de topire cuprinsă între 1000 și 2000 K;
metale refractare (W, Mo etc.) având temperatura de topire peste 2000 K.
Cele mai utilizate metale neferoase sunt: cuprul, aluminiul, cromul, zincul, manganul, titanul, nichelul, plumbul și aliajele acestora.
3.2.1. Proprietățile aluminiului
Aluminiul este cel mai răspândit metal din scoarța terestră (aproximativ 7,5%), denumirea acestuia provenind din cuvântul latin „alumen” care înseamnă alaun sau piatră-acră, un sulfat dublu de aluminiu și potasiu utilizat ca astringent.
Este cunoscută importanța deosebită a aluminiului în tehnică. Nu este nicio ramură a industriei moderne 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 face parte din grupa a III-a secundară a sistemului periodic al elementelor, având numărul atomic 13, masa atomică 26,98 și volumul atomic 1010-6 m3/mol. Este un metal ușor (ρ=2710 kg/m3), de culoare albă-argintie, maleabil și ductil, cu temperatura de topire 933 K, temperatura de fierbere la 2207°C, bun conducător de căldură (cp=903,2 J/kgK la 25°C) și de electricitate (σ=38,16106 S/m, ρ=0,0262 μΩm). Conductibilitățile termică și electrică sunt influențate de conținutul de impurități și de procedeul de prelucrare (turnare sau deformare plastică). Este ușor paramagnetic, cu susceptibilitate magnetică pozitivă.
Din punct de vedere chimic, are o mare afinitate față de oxigen cu care se combină, formând o peliculă protectoare de Al2O3. În contact cu alte metale și în prezența umezelii se distruge repede prin coroziune electrochimică. Prezintă o mare rezistență la acțiunea acizilor azotic și sulfuric, dar reacționează cu hidroxizii alcalini și cu halogeni. Datorită caracterului său electropozitiv, din care rezultă și marea lui afinitate pentru oxigen, aluminiul poate descompune, la temperaturi înalte, aproape toți oxizii metalici, fapt pentru care este utilizat ca dezoxidant la elaborarea oțelului și a altor aliaje.
Caracteristicile mecanice ale aluminiului sunt influențate de impuritățile pe care le conține, procedeul de prelucrare și tratamentul termic aplicat.
Tabelul 3.1. Proprietățile mecanice ale aluminiului
Din punct de vedere tehnologic, aluminiul se prelucrează bine prin turnare și prin deformare plastică, se sudează și se lipește (lipire moale), dar are o așchiabilitate redusă (așchiile se lipesc de sculă).
Aluminiul utilizat în industrie trebuie să conțină cât mai puține impurități, cele mai întâlnite fiind fierul și siliciul. În funcție de modul de obținere și de compoziția chimică, aluminiul poate fi tehnic primar, de înaltă puritate și extrapur.
Prin aliere se pot obține aliaje de aluminiu cu proprietăți deosebite, astfel:
proprietăți de rezistență mecanică la temperaturi joase (Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Mg);
proprietăți de rezistență mecanică la temperaturi înalte (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Li);
proprietăți antifricțiune (Al-Sb-Pb, Al-Sn, Al-Cu-Si-Fe);
rezistență înaltă la coroziune (Al-Mg, Al-Cu, Al-Mg-Si);
proprietăți mecanice superioare, cum ar fi duraluminiul (Al-Cu-Mg) sau aliaje Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu care au rezistență la rupere la tracțiune cuprinse între 500 și 600 MPa.
Tabelul 3.2. Proprietățile tehnologice ale aluminiului
3.2.2. Proprietățile cuprului
Cuprul a fost cunoscut din vremuri străvechi în Mesopotamia și Egipt, unde se afla în stare nativă, fiind primul metal folosit în scopuri practice. Numele i-a fost dat de către romani (cuprum) după denumirea insulei Cipru care constituia baza de aprovizionare a Romei cu acest metal.
Reprezentând 0,010% din scoarța terestră, cuprul se află atât în stare nativă, cât și în minereuri oxidice și sulfuroase astfel: cuprit (Cu2O), tenorit (CuO), malahit [CuCO3Cu(OH)2], azurit [2CuCO3Cu(OH)2], calcozină (Cu2S), covelină (CuS), bornit (Cu5FeS4), calcopirită (CuFeS2).
Cuprul face parte din grupa I secundară a sistemului periodic, având numărul atomic 29, masa atomică 63,54 și valențele 1 și 2. Are culoare arămie, cristalizează în sistemul cubic cu fețe centrate și nu are alte stări alotropice. Se topește la 1083°C, este maleabil, ductil și tenace și foarte bun conducător d căldură (conductivitatea termică la 20°C este de 397 W/mK) și electricitate (electrică la 20°C este de 0,01724 Ωmm2/m). Densitatea cuprului pur este de 8,92 kg/dm3, iar a cuprului tehnic, de 8,90 ̴ 8,96 kg/dm3.
Din punct de vedere chimic este deosebit de rezistent la coroziunea atmosferică, a apei de mare și vaporilor supraîncălziți, dar este puțin reactiv, dizolvându-se numai în HNO3 și H2SO4. Hidrogenul sulfurat, dioxidul de azot și amoniacul îl atacă la temperatura obișnuită, iar Pb, Bi și Sb creează dificultăți serioase laminării la cald a cuprului. Aerul umed ce conține CO2 acoperă cuprul cu un strat de carbonat bazic, de culoare verde și toxic (cocleală).
Proprietățile mecanice ale cuprului depind de starea sub care se prezintă materialul (turnat, deformat sau recopt), unele valori medii fiind prezentate în tabelul 3.3:
Tabelul 3.3. Proprietățile mecanice ale cuprului
Observații: Re – rezistență la oboseală după 108 cicluri; D – deformat plastic prin laminare (ecruisat); R – recopt.
Din punct de vedere tehnologic, cuprul are o foarte bună plasticitate atât la cald, cât și la rece, se sudează și se lipește ușor și se prelucrează acceptabil prin așchiere. Înainte de prelucrare, se decaprează cu o soluție de 10% H2SO4. În tabelul 3.4. se prezintă principalele proprietăți tehnologice ale cuprului.
Tabelul 3.4 Proprietățile tehnologice ale cuprului
Cuprul produs pentru utilizări în industrie, numit și cupru tehnic, este cuprul rafinat chimic, termic sau electrolitic și are o puritate de 99,85 ̴ 99,99%.Formele brute de rafinare cuprind bare pentru sârme turnate continuu orizontal și vertical, plăci, bilete (semifabricate cu secțiunea circulară, cu diametre mari) și lingouri din care se obțin, prin deformare plastică, sârme, bare, table, plăci, benzo, platbande, discuri, țevi și anozi.
După natura lor, aliajele de cupru sunt împărțite în:
bronzuri – aliaje ale cuprului cu staniul, cu aluminiul sau cu plumbul;
alame – aliaje ale cuprului cu zincul;
alpaca – aliaj al cuprului cu nichelul și zincul;
aliaje cupru-argint.
Bronzurile se caracterizează prin proprietăți mecanice mai bune decât ale cuprului, o turnabilitate net superioară și rezistență la coroziune foarte bună. Proprietățile bronzurilor pot fi influențate dacă se adaugă în compoziție diverse elemente de aliere, cum ar fi:
aluminiul – îmbunătățește turnabilitatea și plasticitatea;
siliciul – mărește fluiditatea;
manganul – îmbunătățește elasticitatea și rezistența electrică;
plumbul – îmbunătățește plasticitatea și proprietățile antifricțiune;
nichelul – mărește rezistența mecanică și rezistivitatea electrică;
beriliul și titanul – măresc rezistența mecanică
Alamele prezintă proprietăți mecanice superioare atât cuprului cât și bronzurilor obișnuite. Se caracterizează prin bune proprietăți de turnabilitate, foarte bune proprietăți de deformabilitate, rezistență la coroziune. În plus, prin adăugarea în compoziție a anumitor elemente de aliere se influențează favorabil unele proprietăți, astfel:
plumbul micșorează coeficientul de frecare;
fierul și manganul măresc rezistența la rupere;
aluminiul mărește duritatea;
siliciul crește fluiditatea;
staniul mărește rezistența la coroziune;
nichelul favorizează formarea unei structuri fine și conferă un aspect strălucitor.
3.2.3. Proprietățile magneziului
Magneziul este un metal alb, foarte ușor (ρ = 1,738kg/dm3), care se topește la 651 °C și fierbe la 1107°C, asemăntor din punct de vedere fizic cu aluminiul, iar din punct de vedere chimic cu calciul și beriliul.
Denumirea magneziului provine de la Magnesia (district din regiunea Thessalia a vechii Grecii), unde s-au găsit zăcăminte de carbonat de magneziu (magnezit). În anul 1808 a fost descoperit sub formă de amalgam, în 1828 în formă brută, iar în 1886 a fost produs la scară industrială.
Magneziul este mai ușor decât metalele uzuale, dar din cauza slabei lui rezistențe mecanice și a rezistenței slabe la acțiunea agenților chimici, nu se poate întrebuința în tehnică decât sub formă de aliaje.
Magneziul face parte din grupa a II-a principală a sistemului periodic, având numărul atomic 12, masa atomică 24,312, volumul atomic 14 și valența 2. Are căldura specifică (la 20°C) de 1030 J/kgK, conductibilitatea termică (la 0°C) de 159 J/mK și rezistivitatea electrică (la 0°C) de 0,046 Ωm.
Tabelul 3.5. Proprietățile mecanice ale magneziului
Din punct de vedere chimic este foarte activ, reducând cu ușurință oxizii, carbonații și hidroxizii de bor, aluminiu, siliciu, precum și ai metalelor grele și alcalino-pământoase și utilizându-se ca dezoxidant în metalurgie. În aer se oxidează ușor, iar pulberea se arde cu luminozitate mare. Se combină cu halogenii, sulful, azotul și fosforul și, în anumite condiții, cu carbonul. Rezistența la coroziune este scăzută.
Datorită activității sale chimice, magneziul se întrebuințează în mare măsură ca dezoxidant în metalurgie, ca reducător în chimia organică și ca modificator al fontei cenușii prin nodulizarea grafitului. Se mai utilizează în pirotehnie (semnalizări, gloanțe trasoare, focuri de artificii, explozivi), la fabricarea tuburilor pentru radiații Roentgen, precum și în electrotehnică, la fabricarea unor redresoare de curent.
Magneziul formează aliaje cu aluminiul, cuprul, manganul etc. Din aliajele de magneziu se realizează cadre pentru motoarele de avioane, elice, cartere, rezervoare de benzină și ulei, corpuri pentru aparate radio, binocluri, camere fotografice.
Aliajele de magneziu cu 3-10% Cu (aliaje denumite piston), au o foarte bună conductibilitate temrică, motiv pentru care se întrebuințează pentru fabricarea pistoanelor motoarelor cu explozie.
Aliajele de magneziu, mai des întrebuințate, sunt cele care conțin între 5% și 11% Al, precum și alte elemente de aliere în cantități mai mici (Zn, Mn, Si).
O serie de alte avantaje ale magneziului și a aliajelor sale au condus la utilizarea acestora pentru obținerea pieselor turnate solicitate mult în mecanica fină, în construcțiile aeronautice și în construcțiile auto. Aliajele de magneziu turnate se clasifică în funcție de compoziția chimică în aliaje magneziu-mangan, aliaje magneziu-aluminiu, aliaje magneziu-zinc.
Alte aliaje ale magneziului sunt: Mg-Zn-Zr-Cd, Mg,Zn,Zr și Mg-Zn-Zr-La. Acestea sunt aliaje superioare caracterizate prin bune proprietăți mecanice, proprietăți bune de turnare și prin fluiditate ridicată. Proprietățile mecanice ale acestor aliaje pot fi îmbunătățite prin tratamente termice de durificare.
Aliajele aluminiu-zinc prezintă proprietăți tehnologice de turnare bune, rezistență la coroziune acceptabilă, utilizându-se pentru realizarea unor piese turnate solicitate mult în construcțiile auto, în aviație sau în mecanica fină.
3.3. Tratamente termice
Tratamentul termic este un procedeu tehnologic care constă în încălzirea unui material până la o anumită temperatură, menținerea la această temperatură, urmată de o răcire care se face în condiții determinate, în scopul obținerii anumitor proprietăți fizice sau mecanice. Această succesiune de operații se numește ciclu de tratament termic, fiind reprezentată în figura următoare: 1- încălzire; 2- durată de menținere la temperatură; 3- răcire.
Fig. 3.5. Diagrama unui tratament termic
Tratamentele termice sunt caracterizate de următorii parametrii:
viteza de încălzire (vi);
temperatura de încălzire (Ti);
durata de menținere la temperatură (t2);
viteza de răcire (vr).
Viteza de încălzire nu influențează în măsură prea mare rezultatul tratamentului termic, dar poate influența rezistența la rupere, dilatația și deformația la cald a piesei și poate produce degradări ale materialului. Din aceste considerente, viteza de încălzire se alege ținând seama de conductivitatea termică a materialului și compoziția sa chimică, precum și de complexitatea piselor. Un oțel cu mult carbon sau cu elemente de aliere sau o piesă complexă se vor încălzi cu viteză mai mică și invers. Viteza de încălzire se calculează cu relația:
[°C/h] (3.8.)
unde: Ti – temperatura de încălzire; T0 – temperatura mediului ambiant; t1 – durata încălzirii.
Temperatura de încălzire – se alege după felul tratamentului termic și compoziția chimică a materialului. În practica industrială, cazul cel mai frecvent este acela când tratamentul termic este indicat de către proiectant, iar materialul din care este confecționată piesa este standardizat, recurgându-se la indicațiile și recomandările cuprinse în standarde. În celelalte situații, determinarea temperaturii de încălzire se face experimental, prin încercări succesive.
Durata de menținere la temperatură este timpul în care piesa este menținută în cuptor, astfel încât întreaga masă a ei să atingă temperatura cuptorului, încălzirea făcându-se în straturi succesive, de la exterior către interior. Transformările de structură prevăzute trebuie să aibă loc în toată masa piesei.
Viteza de răcire este parametrul cel mai important al unui tratament termic, de ea deprinzând structura materialului tratat termic, precum și caracteristicile mecanice ale acestuia. Dacă viteza de răcire este lentă, vom avea o recoacere, dacă este rapidă, o călire, iar dacă are o valoare medie, o revenire. Ca medii de răcire se utilizează: cuptorul, aerul, uleiurile, apa, soluții de săruri în apă și sărurile topite.
Viteza de răcire se calculează cu relația:
[°C/h,min,s] (3.9.)
Clasificarea tratamentelor termice se realizează astfel:
primare:
recoacere: completă, incompletă, de cristalizare, de globulizare, de omogenizare, de detensionare, de grafitizare, de maleabilizare, de normalizare;
secundare:
călire: simplă, în două medii, în trepte, izotermă, în trepte, la temperaturi joase, superficială (cu flacără, cu încălzire prin inducție, cu încălzire prin rezistență de contact);
revenire: joasă, medie, înaltă;
tratamente termochimice: cementare (carburare), nitrurare, cianizare, sulfizare, sulfocianizare, calorizare, cromizare, borurare, șeradizare;
tratamente termomecanice: cu deformare la cald a austenitei, cu deformare la rece a martensitei.
3.3.1. Recoacerea
Recoacerea este un tratament termic primar, aplicat îndeosebi semifabricatelor, care constă în încălzirea până la o temperatură la care se produc transformări structurale, menținerea la această temperatură și apoi o răcire lentă, de obicei în cuptor.
Prin recoacere se urmărește realizarea unui anumit echilbru fizico-chimic sau structural, ea putând avea ca scop obținerea unuia din următoarele rezultate: înmuiere, ușurarea prelucrării prin așchiere, înlăturarea tensiunilor interne, omogenizarea structurii, recristalizarea, obținerea unor anumite structuri.
Recoacerea completă se aplică oțelurilor hipoeutectoide și se realizează prin încălzirea materialului cu 30 ̴ 50°C, apoi prin răcirea lentă a acestuia, cu 10 ̴ 20°C/h, odată cu cuptorul, până la 500 ̴ 600°C, pentru formarea perlitei și feritei, răcirea putând continua în aer. Recoacerea completă regenerează structura produsă de supraîncălzirea materialului, în urma unor operații de prelucrare la cald (turnare, forjare), iar la oțelurile cu conținut mai mare de carbon, pentru distrugerea rețelei de carburi.
Recoacerea incompletă se aplică îndeosebi oțelurilor hipereutectoide, dar și oțelurilor hipoeutectoide și constă în încălzirea acestora cu 30 ̴ 50°C, răcirea făcându-se foarte încet, cu 10 ̴ 20°C/h, până la 600°C, după care poate continua în aer. Prin recristalizarea perlitei, urmată de o răcire lentă, are loc micșorarea gradului de dispersie a acesteia și, deci, micșorarea durității.
Recoacerea de omogenizare constă în încălzirea și menținerea îndelungată (20 ̴ 100 ore) la o temperatură de 1000 ̴ 1150°C a materialului, în scopul omogenizării compoziției chimice și a proprietăților, după diferite direcții.
Fig. 3.6. Diagrama recoacerii de globulizare
Prin încălzirea la temperaturi apropiate de linia solidus se înlătură segregațiile, dar cresc și grăunții de austenită, obținându-se în final o structură cu granulație grosolană, caracterizată prin tenacitate redusă. Pentru corectarea acestui defect este necesară aplicarea ulterioară a unei recoaceri de normalizare. Ca urmare, recoacerea de omogenizare este un tratament costisitor care se aplică numai în cazuri bine justificate, cum ar fi piesele sau lingourile turnate din oțeluri aliate.
Recoacerea de recristalizare se aplică produselor metalice deformate plastic la rece care sunt ecruisate, în scopul înlăturării ecruisării și readucerii materialului în starea inițială. Ecruisarea conduce la alungirea și turtirea grăunților cristalini și are ca efect creșterea rezistenței la rupere Rm și a durității HB și micșorarea alungirii relative A și a rezilienței, stratul ecruisat fiind dur și fragil.
Fig. 3.7. Strat superficial ecruisat și normal
Temperatura de încălzire pentru recoacerea de recristalizare este, de obicei, cu 50 ̴ 150°C mai mare decât temperatura de recristalizare a materialului metalic respectiv care se calculează cu relația:
(3.10.)
unde Tt – temperatura de topire a metalului. Ea se aplică benzilor, sârmelor, țevilor și barelor trase și extrudate la rece, din oțel sau aliaje neferoase.
Fig. 3.8. Diagrama recoacerii de globulizare
Recoacerea de globulizare se aplică oțelurilor pentru scule pentru a trasnforma cementita lamelară în cementită globulară, realizându-se astfel duritate mai mică, reziliență mai mare și prelucrabilitate prin așchiere mai bună. Ea constă într-o încălzire pendulară în jurul punctului Acl (723°C), trei-patru cicluri fiind suficiente, urmată de o răcire lentă.
La încălzirea oțelului peste 723°C, apar în structură centre de austenită, iar la răcirea sub temperatura de 723°C, apar centre de cristalizare a perlitei. La încălzirile următoare, aceste centre nu au timp să se dizolve, iar la răcirile ulterioare apar noi centre de cristalizare a perlitei. Numărul mare de centre favorizează globulizarea perlitei.
Recoacerea de detensionare se aplică produselor turnate, forjate, deformate plastic la rece sau sudate, înainte de prelucrarea prin așchiere, pentru înlăturarea tensiunilor interne. Piesele din oțel se încălzesc la 600 ̴ 650°C, iar cele de fontă, la 500 ̴ 650°C, răcindu-se apoi lent, până la 150 ̴ 200°C și în continuare în aer liniștit.
Recoacerea de detensionare se aplică și metalelor și aliajelor neferoase, în acest caz temperaturile de încălzire fiind joase (400 ̴ 500°C), iar duratele de menținere, scurte (0,5 ̴ 2 ore), datorită plasticității ridicate a acestora.
Recoacerea de normalizare constă în încălzirea oțelurilor hipoeutectoide cu 30 ̴ 50°C peste linia Acl, iar a fontelor la 850 ̴ 950°C și viteză mai mare ca la celelalte recoaceri, în aer liniștit. Normalizarea are drept scop realizarea unei structuri fine și omogene și, prin aceasta, obținerea unor proprietăți mecanice superioare. Ea se aplică după deformarea plastică la cald, turnare sau sudare.
3.3.2. Călirea
Călirea este un tratament termic secundar care se aplică pieselor prelucrate și constă în încălzirea acestora peste punctul critic de transformare, urmată de o răcire rapidă, pentru creșterea durității și a rezistenței la uzură. Oțelurile hipoeutectoide se încălzesc cu 30 ̴ 50°C, cele hiperutectoide cu 50 ̴ 70°C deasupra punctelor critice, iar fontele la 850 ̴ 950°C. Răcirea se face cu viteze mari, obținându-se structuri cu totul diferite de cele aflate în starea de echilibru.
Diversitatea mare a mărcilor de oțeluri, având viteze și temperaturi de transformare diferite, precum și complexitatea și proprietățile variate ale pieselor, conduc la un număr mare de metode de călire. Clasificarea acestor metode se face după modul de încălzire (cu energie electrică, cu flacără oxiacetilenică, cu gaze etc.) sau după modul de răcire (călire obișnuită, în două medii, în trepte, izotermă etc.).
Temperatura maximă la care apare martensita se numește punct martensitic superior (Ms), iar temperatura la care se termină transformarea austenitei se numește punct martensitic inferior (Mf).
În tabelul 3.6. sunt prezentate vitezele de răcire pentru diferite medii de călire.
Tabelul 3.6. Vitezele de răcire ale unor medii utilizate la călire
Călirea simplă (v1, fig.3.9.) este cea mai răspândită metodă de călire. Piesa se încălzește la temperatura prescrisă, după care se introduce în mediul de răcire (apă sau ulei), unde rămâne până la răcirea completă. Metoda fiind una ușor de realizat, prezintă si un dezavantaj, și anume apariția unor tensiuni interne mari, motiv pentru care nu este recomandată pieselor cu complexitate mare sau celor cu mai mult de 0,8% C, tensiunile interne favorizând apariția fisurilor.
Fig. 3.9. Diagrame: v1 – călire simplă; v2 – călire în două medii;
v3 – călire în trepte; v4 – călire izotermă, []
Călirea în două medii sau întreruptă (v2, fig.3.9.) se realizează prin răcirea succesivă, de la temperaturi la care a avut loc încălzirea, în două medii de răcire. În primul mediu (apă), răcirea se produce cu o viteză mai mare decât cea critică, iar în al doilea mediu (ulei), cu o viteză mai mică. Dezavantajul metodei constă în dificultate stabilirii cu precizie a momentului optim de schimbare a mediului. Dacă această schimbare se produce prea repede, în material nu se mai realizează călirea martensitică, iar dacă se produce prea târziu, călirea devine obișnuită. Această metodă se recomandă pentru călirea oțelurilor-carbon de scule care sunt foarte sensibile la tensiunile interne.
Călirea în trepte (v3, fig.3.9.) se realizează prin răcirea piesei într-un cu o temperatură constantă, puțin superioară punctului Ms (ulei cald, baie de săruri), cu o viteză de răcire superioară celei critice, menținerea la această temperatură un anumit interval de timp pentru uniformizarea acesteia în toată masa piesei și răcirea, în continuare, în alt mediu (de obicei aer), cu o viteză relativ mică, până la temperatura mediului ambiant. Metoda este recomandată pieselor mici din oțel-carbon sau oțeluri slab aliate care ar trebui călite în apă, precum și pentru călirea sculelor așchietoare din oțel-carbon de scule.
Călirea izotermă (v4, fig.3.9.) este asemănătoare călirii în trepte, cu deosebirea că piesa este menținută în mediul de răcire până la transformarea completă a austenitei. De obicei, temperatura de descompunere a austenitei se află în intervalul 450 ̴ 350°C, obținându-se beinită. Beinita are o duritate apropiată de cea a martensitei și în același timp prezintă avantajul unor tensiuni interne mult mai mici, ducând la înlăturarea periculului apariției deformărilor și crăpăturilor.
3.3.3. Revenirea
Revenirea este un tratament termic secundar care constă în încălzirea pieselor, pentru o perioadă suficient de lungă, sub punctul critic de transformare (723°C) pentru a avea loc transformări structurale și o răcire în aer liber. În urma călirii, structura oțelului constă din martensită și austenită reziduală și se caracterizează prin duritate și fragilitate mari, astfel că piesele călite nu se pot utiliza ca atare. Prin revenire se restabilesc parțial proprietățile anterioare călirii, îndeosebi tenacitatea, reducându-se și tensiunile interne.
Revenirea joasă constă în încălzirea pieselor călite la 150 ̴ 250°C, urmată de o răcire în aer. Ea are ca scop menținerea structurii martensitice și micșorarea tensiunilor interne produse după călire. Martensita de călire se transformă în martensită de revenire, tot atât de dură, dar mai puțin fragilă.
Revenirea joasă se aplică pieselor călite superficial, sculelor din oțeluri-carbon și aliate și instrumentelor de măsură și control care trebuie să-și păstreze stabilitatea dimensională.
Revenirea medie se realizează prin încălzirea pieselor la 350 ̴ 450°C și răcire în aer. Are ca scop eliminarea fragilității structurii cu caracter martensitic și menținerea unei durități corespunzătoare, prin obținerea trustitei de revenire. Se aplică îndeosebi arcurilor care trebuie să fie dure și elastice, precum și sculelor pentru prelucrarea lemnului.
Revenirea înaltă constă în încălzirea pieselor la 450 ̴ 650°C, menținerea timp de câteva ore la această temperatură și răcire în apă, aer sau cuptor, în funcție de mărimea, complexitatea și calitatea oțelului din care sunt executate piesele. Duritatea scade mult, dar reziliența atinge valori foarte ridicate, datorită sorbitei de revenire care se obține. Tratamentul se aplică pieselor supuse unor solicitări dinamice puternice: arbori cotiți, fuzete, biele și scule din oțel.
Tratamentul termic complex, constând dintr-o călire și o revenire înaltă se numește îmbunătățire și este caracteristic oțelurilor cu un conținut de 0,35 ̴ 0,65%C, numite și oțeluri de îmbunătățire. Prin îmbunătățire se obține o structură sorbitică omogenă și dispersă ce asigură rezistență la rupere, plasticitate și reziliență foarte bune.
3.3.4. Tratamente termochimice
Tratamentele termochimice constau în modificarea compoziției chimice a straturilor superficiale ale pieselor, prin difuziunea unor elemente (C, N, S, Al, Cr, Zn, Si etc.), la temperaturi înalte, pentru obținerea unor proprietăți speciale ale straturilor superficiale, cu menținerea plasticității și tenacității miezului. Tehnologia unui tratament termochimic presupune trei etape succesive:
disocierea: fenomenul de descompunere a moleculelor unui mediu gazos în atomi activi. Dacă se folosesc medii solide sau lichide, faza gazoasă este absolut necesară și apare ca urmare a unor reacții chimice de descompunere sau de alt tip;
adsorbția: fenomenul de acumulare la suprafața piesei a atomilor activi și de interacțiune cu atomii metalului. Ei pătrund în locurile vacante din rețeaua metalului de bază, formând soluții solide, iar după atingerea solubilității maxime are loc o restructurare a rețelei și formarea unor faze noi;
difuziunea: fenomenul de migrare a atomilor adsorbiți, de la suprafața piesei spre interiorul ei. Difuziunea este posibilă în cazul când elementul activ este solubil în metalul de bază și dacă temperatura de încălzire asigură o energie de activare suficientă.
După natura elementului chimic care se introduce în stratul superficial al metalului de bază și după scopul urmărit, există mai multe tipuri de tratamente termochimice.
Cementarea (carburarea) constă în încălzirea pieselor din oțeluri cu conținut scăzut de carbon, la temperaturi situate în domeniul austenitic, în intervalul 880 ̴ 930°C, în medii solide, lichide sau gazoase, pentru formarea unor straturi superficiale îmbogățite în carbon, în scopul creșterii durității și a rezistenței la uzură și oboseală. Oțelurile potrivite pentru cementarea au conținuturi scăzute de carbon, de 0,1 – 0,25%, rareori până la 0,3%, în cazul oțelurilor aliate.
Fig. 3.10. Structura stratului carburat []
O piesă corect carburată (fig. 3.10.) trebuie să prezinte în zona superficială o structură perlitică, cu 0,87% C, corespunzătoare oțelurilor eutectoide, în zona de trecere, o structură perlito-feritică (oțel hipoeutectoid, cu 0,6 ̴ 0,7 %C), iar în zona neafectată de carburare, structura inițială ferito-perlitică (oțel hipoeutectoid, cu 0,25% C).
Nitrurarea constă în încălzirea pieselor din oțel la 500 ̴ 600°C, timp de 50 ̴ 60 ore, în medii gazoase sau lichide, pentru formarea unor straturi cu conținut ridicat de azot, în scopul creșterii durității și a rezistențelor la uzură, oboseală și coroziune.
Nitrurarea în mediu gazos se face în cutii închise, încălzite la 500 ̴ 530°C, timp de 20 ̴ 80 de ore, unde se introduce în amoniac, punând în libertate atomi de azot activ. Adâncimea stratului nitrurat nu depășește 0,5 ̴ 0,6 mm, dar are o duritate foarte mare.
Nitrurarea în mediu lichid se face prin încălzirea pieselor în băi cu cianuri la 550 ̴ 580°C, în băi de săruri neutre, în care se insuflă amoniac (10 ̴ 15 min, la 730°Cauîn soluții apoase de amoniac.
Nitrurarea reprezintă un tratament termochimic final, deci piesele pot fi prelucrate complet înainte de nitrurare. Aceasta modifică foarte puțin dimensiunile pieselor, calitatea suprafețelor fiind corespunzătoare.
Cianizarea este un tratament termochimic prin care se face îmbogățirea simultană a straturilor superficiale în carbon și azot, îmbinând efectele și avantajele cementării cu cele ale nitrurării: duritatea și rezistențele la uzură și coroziune sunt mai mari ca la cementare, dar mai mici ca la nitrurare; temperatura de încălzire este mai scăzută ca la cementare, deci deformațiile vor fi mai reduse; durata încălzirii este mai scurtă ca la nitrurare; la aceeași duritate, stratul cianizat este mai subțire ca cel cementat. Cianizarea se poate face în mediu lichid sau gazos.
Sulfizarea are ca scop îmbogățirea în sulf a straturilor exterioare ale pieselor din oțel sau fontă, care funcționează în condiții de ungere insuficientă, pentru creșterea rezistențelor la uzură și la gripare. Proprietățile antigripante ale stratului sulfizat se explică prin polarizarea electrostatică a sulfurii de fier din strat, datorită frecării și absorbției lubrifiantului. În lipsa lubrifiantului, sulfura de fier se descompune și creează o peliculă lubrifiantă.
Sulfizarea se poate face prin încălzirea pieselor la temperaturi joase (180 ̴ 200°C), timp de 2 ̴ 3 ore, în băi de sulfocianură de potasiu și sulfat de sodiu sau în prezența vaporilor de sulf, la temperaturi medii (450 ̴ 560°C), în atmosfere de hidrogen sulfurat și amoniac și la temperaturi înalte (560 ̴ 1000°C), într-un amestec de 1% H2S și 99% H2, timp de 40 de ore. De asemenea, se poate realiza prin încălzirea pieselor în sulf topit, la 120 ̴ 140°C, timp de 10 ̴ 15 min. Sulfizarea nu se produce în topitura de sulf, ci printr-o recoacere ulterioară de difuziune, la 600°C. Indiferent la ce temperatură se realizează sulfizarea, piesele trebuie în prealabil decapate într-o soluție de 2% sodă calcinată.
Calorizarea (alitarea) este un tratament termochimic pentru saturarea suprafeței oțelului sau a altor materiale metalice cu aluminiu, pentru creșterea rezistenței la oxidare la temperaturi înalte (până la 1000°C) și a rezistenței la coroziunea atmosferică.
În practică se folosesc diferite metode de calorizare: în pulberi, în băi de aluminiu topit, prin metalizare cu aluminiu, în băi de săruri topite, în gaze. Cea mai răspândită este metoda calorizării în amestecuri de pulberi. Ea constă în încălzirea produselor de oțel sau fontă la 950 ̴ 1000°C, timp de 3 ̴ 10 ore, într-un amestec de praf de aluminiu sau de feroaluminiu, clorură de amoniu și alumină, adâncimea stratului tratat fiind de 0,1 ̴ 0,5 mm. Calorizarea se mai poate face prin cufundarea pieselor în aluminiu topit, la 700 ̴ 800°C, timp de 45 ̴ 90 min, după care se aplică o recoacere de difuziune, la 900 ̴ 1100°C, pentru micșorarea fragilității stratului tratat.
Silicierea este îmbogățirea în siliciu a suprafeței pieselor confecționate din oțeluri cu conținuturi reduse sau medii de carbon, în vederea creșterii rezistenței la uzură și a rezistenței la coroziunea apei marine și acizilor (HCl, H2SO4, HNO3). Se poate face în amestecuri de pulberi, în medii lichide și în medii gazoase.
Silicierea în mediu solid se face prin încălzirea pieselor la 1100 ̴ 1200°C, timp de 6 ̴ 12 ore, în amestecuri pulverulente de ferosiliciu și Al2O3, la care se adaugă NH4Cl. Se aplică numai în producția d serie mică și de unicate. Silicierea în mediu lichid se realizează prin încălzirea pieselor la 1000°C, timp de 2 ore, într-o baie de BaCl2, NaCl și ferosiliciu. Cel mai frecvent procedeu este silicierea în mediu gazos, care se realizează prin încălzirea pieselor la 1000°C, timp de 2 ore, în ferosiliciu sau carbură de siliciu, peste care se trece un curent de clor. Piesele se răcesc împreună cu cuptorul, în curent de clor, până la 100 ̴ 200°C, pentru împiedicarea oxidării.
Șeradizarea constă în saturarea cu zinc a stratului superficial al pieselor din oțel, pentru creșterea rezistenței la coroziunea gazelor fierbinți și a rezistenței la oboseală în mediu corosiv. Șeradizarea în mediu solid se realizează prin încălzirea pieselor în praf de zinc, la 380°C, timp de 1 ̴ 10 ore, adâncimea stratului tratat fiind de 0,02 ̴ 0,07 mm. Ca mediu lichid se utilizează zinc topit, la 430 ̴ 460°C, iar ca mediu gazos, vapori de zinc. În ultimul caz, tratamentul are loc în vid (10-2 ̴ 10-3 mmHg), timp de 48 de ore, la temperatura de 870°C, adâncimea stratului șeradizat fiind de 0,15mm.
3.3.5. Tratamente termomecanice
Tratamentul termomecanic este o succesiune de operații de deformare plastică, încălzire și răcire, în intervale diferite de timp, aplicate materialelor metalice în scopul obținerii unor proprietăți mecanice și fizice mai bune. Ținând seama de temperatura la care se aplică deformarea plastică, tratamentele termomecanice pot fi cu deformarea la cald a austenitei sau cu deformarea la rece a martensitei.
Tratamentul termomecanic cu deformarea la cald a austenitei (fig. 3.11 ) constă dintr-o călire (1-2-3-4), urmată de o deformare plastică la cald (4-5) și o răcire cu viteză mare (5-6), după care se aplică o revenire joasă (7-8-9-10). Aplicarea acestui tratament conduce la creșterea, cu 30-40% a lui σr, și σc, precum și a plasticității și a rezilienței.
Fig. 3.11. Tratament termomecanic cu deformare la cald
Tratamentul termomecanic cu deformare la rece a martensitei (fig. 3.12. ) constă dintr-o călire (1-2-3-4), urmată de o deformare plastică la rece (4-5) și o revenire joasă (5-6-7-8).
Aplicarea acestui tratament conduce la creșterea proprietăților mecanice ale oțelurilor cu 10 ̴ 20%.
Fig. 3.12. Tratament termomecanic cu deformarea la rece a martensitei
4. STUDIU DE CAZ
Deoarece componentele din structura tehnicii de radiolocație trebuie să funcționeze corespunzător într-un interval larg de temperaturi, este important de studiat influența temperaturilor negative asupra proprietăților mecanice ale materialelor.
În perioada de realizare a cercetărilor experimentale am urmărit comportamentul din punct de vedere al stabilității proprietăților la temperaturi scăzute pentru aliajul din aluminiu pe care le-am studiat. Am utilizat în acest scop 18 probe din aliaj de aluminiu ATSi6Cu4Mn. Șase probe au fost lăsate în stare naturală, șase probe au fost călite și îmbătrânite natural prin tratament termic aplicat timp de șapte zile și șase probe călite și îmbătrânite artificial prin tratament termic aplicat timp de două ore. Pentru toate probele am măsurat duritatea Brinell la temperatura mediului și la temperatura de -25°C (fig. 4.1.). Măsurătorile efectuate la temperatura mediului le-am realizat atât înainte înainte cât și după răcirea la -25°C.
Măsurătorile efectuate au urmărit influența temperaturilor negative asupra durității Brinell pentru toate probele.
Fig. 4.1. Probe din aliaj ATSi6Cu4Mn utilizate la încercările de duritate
Încălzirea probelor s-a realizat într-un cuptor electric tip UTTIS (figura 4.2.) cu următoarele caracteristici:
– temperatura maximă de lucru: 1150ºC;
– precizia de măsurare: 5ºC;
– tensiunea și frecvența de alimentare: 380V/50Hz;
– puterea instalată: 3,3 kW.
Fig. 4.2. Cuptor electric tip UTTIS
Pentru călirea în apă și îmbătrânirea artificială am utilizat vase din tablă de aluminiu, umplute cu ulei aflat la temperatura de 170°C, temperatură menținută constantă timp de două ore. Cu ajutorul unui aparat de măsurare a durității Brinell, utilizând sarcina de 250 kgf și bila de 5mm am amprentat probele conform fig. 4.1.b; diametrul amprentei l-am măsurat cu lupa Brinell, iar valoarea citită am transformat-o în unități Brinell prin intermediul tabelelor de valori.
Toate probele le-am răcit utilizând un dispozitiv de răcire de tip GFL (fig. 4.3) aflat în laboratorul de analiză instrumentală al catedrei de chimie din cadrul Universității Transilvania din Brașov.
Fig. 4.3. Dispozitiv de răcire tip GFL
Dispozitivul de răcire prevăzut cu sistem automat de setare a temperaturii și termostat este alimentat în curent continuu la 220V și 50Hz. Setarea temperaturii dispozitivului la -25°C a determinat existența unei atmosfere controlate la temperatura negativă aleasă. Epruvetele de aliaj din aluminiu le-am introdus în dispozitivul de răcire timp de o oră, interval de timp după care am reluat măsurătorile de amprentă în vederea determinării durității Brinell.
Compoziția chimică a aliajului studiat conform Normelor Europene este prezentată în tabelul 4.1., iar compoziția chimică a probelor utilizate în perioada cercetărilor experimentale am verificat-o în laboratorul Universității Transilvania din Brașov (tabelul 4.2.).
Tabelul 4 .1. Compoziția chimică conform NE a aliajului ATSi6Cu4Mn
Tabelul 4.2. Compoziția chimică a epruvetelor utilizate, [%]
Pentru toate probele am măsurat amprenta și am determinat valoarea durității Brinell la temperatura mediului, la -25ºC și din nou la temperatura mediului (la revenire).
Pentru fiecare tratament termic am utilizat șase probe, astfel:
netratate termic : 1, 2, 3, 4, 5, 6;
călire și îmbătrânire naturală: 7, 8, 9, 10, 11, 12;
călire și îmbătrânire artificială (2h): 13, 14, 15, 16, 17, 18.
Tabelul 4.3. Amprente și durități Brinell (netratate termic)
La temperatura mediului ambiant, amprentele și duritățile corespunzătoare, în funcție de tratamentul termic aplicat, sunt redate în tabelele 4.3., respectiv 4.4.
Îmbătrânirea naturală timp de șapte zile determină o creștere a valorilor medii ale durității Brinell comparativ cu valorile măsurate pe probele netratate termic de la 99,66 HB la 105 HB (tabelul 4.3., tabelul 4.4.). Prin aplicarea tratamentelor termice urmărim obținerea unor valori îmbunătățite ale durității într-un interval de timp mai scurt; astfel aplicarea unui tratament termic de îmbătrânire artificială timp de două ore conduce la obținerea următoarelor rezultate (tabelul 4.4.):
Tabelul 4.4. Amprente și durități Brinell
Aplicarea tratamenului termic de îmbătrânire artificială timp de două ore, determină obținerea unor durități medii apropiate de valoarea determinată prin îmbătrânire naturală, dar într-un interval de timp mult mai scurt. Reprezentarea grafică a valorii medii a durității în funcție de tratamentul termic aplicat evidențiază influența tipului de tratament asupra fenomenului de îmbătrânire artificială (fig. 4.4.).
Obținerea unor proprietăți mecanice îmbunătățite prin aplicarea tratamentelor termice de îmbătrânire artificială, nu dă informații referitoare la comportarea aliajului la temperaturi scăzute, de aceea este important de urmărit ce se întâmplă în cazul în care epruvetele sunt răcite la temperaturi caracteristice straturilor atmosferice superioare.
Fig. 4.4. Variația durității Brinell la temperatura mediului
Tabelul 4.5. Amprenta și duritatea epruvetelor aflate la temperatura de – 25 ºC
Epruvetele au fost răcite la -25ºC timp de o oră, amprentele și duritățile Brinell corespunzătoare fiind prezentate în tabelul 4.5.
Reprezentarea grafică (fig. 4.5.) a valorilor medii ale durității Brinell evidențiază modificările care apar în cazul menținerii epruvetelor timp de o oră la temperaturi scăzute.
Fig. 4.5. Variația durității Brinell la -25°C
Valorile din tabelul 4.5 evidențiază faptul că valoarea medie a durității pe epruvetele aflate la temperatura de -25°C este mai mare pentru toate probele studiate.
După măsurătorile efectuate la -25°C probele au fost readuse la temperatura mediului, amprentele corespunzătoare fiind înregistrate în tabelele 4.6. și 4.7.
Tabelul 4.6. Amprenta și duritatea la revenire la temperatura mediului
Tabelul 4.7. Amprenta și duritatea epruvetelor aflate
la temperatura mediului (revenire)
Reprezentarea durităților medii evidențiază diferențele care apar între valorile determinate pe același tip de aliaj, în funcție de procedeul de îmbătrânire aplicat (fig. 4.6.).
Fig.4.6. Variația durității Brinell la revenire
Valorile medii ale durității pentru fiecare stare a probelor în funcție de temperatură sunt reprezentate grafic în figurile 4.7.; 4.8.; 4.9.
Fig. 4.7. Duritatea Brinell la diferite temperaturi pentru epruvetele netratate termic
Reprezentarea din figura 4.7. evidențiază faptul că duritatea Brinell a probelor netratate termic atinge o valoare mult mai ridicată la revenire, comparativ cu prima măsurătoare efectuată la temperatura mediului.
Fig. 4.8. Duritatea Brinell la diferite temperaturi pentru epruvetele îmbătrânite natural
Pentru probele îmbătrânite natural se observă că duritatea Brinell la revenire are aproximativ aceeași valoare ca la prima măsurătoare. Deși la -25°C duritatea Brinell a crescut destul de mult, la revenire valoarea medie este apropiată de valoarea inițială; un astfel de comportament demonstrează stabilitatea proprietății pentru epruvetele îmbătrânite natural (fig. 4.8.).
Fig. 4.9. Duritatea Brinell la diferite temperaturi pentru epruvetele îmbătrânite artificial
Valoarea de 110,16 HB măsurată la revenire pentru epruvetele îmbătrânite artificial este apropiată de valoarea inițială măsurată tot la temperatura mediului (108,83 HB). Și în acest caz se poate spune că duritatea Brinell prezintă stabilitate pentru epruvetele îmbătrânite artificial timp de două ore (fig. 4.9.).
Graficele evidențiază clar faptul că pentru valorile medii înregistrate pe epruvetele aflate în stare de îmbătrânire naturală sau îmbătrânire artificială, duritatea Brinell se modifică semnificativ la temperatura de -25°C (fig. 4.8.; fig. 4.9.), prezentând însă stabilitate la temperatura mediului (înainte și după răcire). În cazul epruvetelor aflate în stare naturală, duritatea Brinell se modifică semnificativ (fig. 4.7.).
.
BIBLIOGRAFIE
1. Marian Alexandru, Dumitru Fecioru, Bazele Radiolocației. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, 2002.
2. G. Rulea, Radiolocație. București: Editura didactică și pedagogică, 1966.
3. *** www.radartutorial.eu
4. Ion Dinescu, Mihaela Smeadă, Maria Stoicănescu, Materiale moderne utilizate în tehnica militară. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”,2012
5. Stelian Pânzaru, Ion Dinescu, Materiale utilizate în producția specială. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, 2002
6. Mihaela Smeadă, Ion Dinescu, Maria Stoicănescu, Materiale metalice și nemetalice utilizate în tehnica militară. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, 2012
7. Gheorghe Amza, Gabriel Marius Dumitru, Viorel Ovidiu Rîndașu, Tehnologia materialelor. București: Editura tehnică, 1997
8. *** www.creeaza.com
9. *** aei.geniu.ro
10. *** http://3nanosae.org
11. Gridan. T. – Pietre și metale prețioase, Editura enciclopedică, București, 1996
13. Golestaneh, A.A. – Energetic shape recovery associated with martensitic transformation in shape memory alloys, Acta metal, 1980
14. I. Ohkata and Y. Suzuki – The design of shape memory alloy actuators and their applications, Cambridge University Press, 1998
15. K. Otsuka, C. Wayman , Shape Mem.Mater., Cambridge University Press, 1998
16. *** www12.tuiasi.ro
17. http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Compozite-structurale-tip-sand651871211.php
BIBLIOGRAFIE
1. Marian Alexandru, Dumitru Fecioru, Bazele Radiolocației. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, 2002.
2. G. Rulea, Radiolocație. București: Editura didactică și pedagogică, 1966.
3. *** www.radartutorial.eu
4. Ion Dinescu, Mihaela Smeadă, Maria Stoicănescu, Materiale moderne utilizate în tehnica militară. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”,2012
5. Stelian Pânzaru, Ion Dinescu, Materiale utilizate în producția specială. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, 2002
6. Mihaela Smeadă, Ion Dinescu, Maria Stoicănescu, Materiale metalice și nemetalice utilizate în tehnica militară. Brașov: Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, 2012
7. Gheorghe Amza, Gabriel Marius Dumitru, Viorel Ovidiu Rîndașu, Tehnologia materialelor. București: Editura tehnică, 1997
8. *** www.creeaza.com
9. *** aei.geniu.ro
10. *** http://3nanosae.org
11. Gridan. T. – Pietre și metale prețioase, Editura enciclopedică, București, 1996
13. Golestaneh, A.A. – Energetic shape recovery associated with martensitic transformation in shape memory alloys, Acta metal, 1980
14. I. Ohkata and Y. Suzuki – The design of shape memory alloy actuators and their applications, Cambridge University Press, 1998
15. K. Otsuka, C. Wayman , Shape Mem.Mater., Cambridge University Press, 1998
16. *** www12.tuiasi.ro
17. http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Compozite-structurale-tip-sand651871211.php
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Radiolocatia (ID: 123370)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.