Tratamente Termice Si Incercari Aplicate Aliajelor Neferoase

– Pagină albă –

INTRODUCERE

Domeniul aviației este un domeniu aflat într-o continuă dezvoltare, în zilele noastre, aeronavele, atât cele civile cât și cele militare, reușind să depășească o serie de performanțe la care pionierii aviației de la începutul secolului XX nu îndrăzneau nici măcar sa viseze. Încă de la primul zbor controlat, autopropulsat, cu un aparat de zbor mai greu decât aerul al lui Traian Vuia, de la mijlocul lunii martie 1906, acest domeniu necunoscut la vremea aceea, a atras atenția multor oameni de știință care au adus contribuții esențiale dezvoltării industriei aeronautice. Avioanele au suferit de-a lungul timpului o serie de transformări, atât din punct de vedere al formei, al tipului de motor, al combustibilului folosit cât și din punctul de vedere al materialelor utilizate în construcția lor.

Astfel de la avionul lui Vuia realizat dintr-un cadru de țevi de oțel, cu aripi din pânză și până la cele din prezent construite în totalitate din aliaje de aluminiu, titan, magneziu, cupru, nichel, beriliu, zirconiu, zinc sau cobalt a fost nevoie de mai multe etape în care inovatori celebrii precum Herman Oberth, Elie Carafoli sau Petre Augustin și-au demonstrat priceperea, măiestria și agerimea minții. Toți marii inventatori au avut în vedere realizarea unor aeronave mai sigure, mai rapide, care să poată zbura mai sus, mai ieftin și în toate condițiile atmosferice, aeronave care să reziste solicitărilor externe care apar în timpul zborului.

Aliajele au fost folosite de oameni încă din cele mai vechi timpuri, acestea având proprietăți net superioare metalelor nealiate. Primul aliaj folosit a fost un aliaj al fierului cu nichel, provenit din spațiu sub formă de meteorit, denumit meteorit de fier. Acesta a fost utilizat pentru confecționarea vârfurilor de săgeți, sau sulițe, al cuțitelor, topoarelor sau săbiilor. Ulterior, odată cu dezvoltarea aliajelor și producerea în masă a acestora, s-a început și studiul mai amănunțit al proprietăților lor care au dus la experimente elaborate în vederea observării cantității ideale de metale din compoziție pentru diferitele utilizări ale acestora. Dezvoltarea aeronauticii nu ar fi fost posibilă fără dezvoltarea ingineriei aliajelor.

Prin lucrarea pe care am redactat-o prezint un studiu atât teoretic cât și practic asupra aliajelor ușoare și întrebuințarea acestora în diferite domenii ale tehnicii de aviație. Tema pe care mi-am ales-o a reprezentat un domeniu de interes pentru mine, întocmind o altă lucrare asemănătoare, dar mult mai scurtă, cu care am participat la sesiunea de comunicări științifice CADETNAV 2014.

Lucrarea de licență este structurată pe patru capitole în care sunt cuprinse detalii despre diferite aliaje, comportarea și rolul lor în cadrul aeronauticii. Astfel, primul capitol cuprinde generalități despre materialele utilizate în tehnică și sunt prezentate categoriile de aliaje utilizate în tehnica de aviație. În cel de al doilea capitol am clasificat și detaliat proprietățile materialelor, iar cel de al treilea capitol este legat de tratamentele termice la care sunt supuse aliajele pentru îmbunătățirea anumitor proprietăți și de încercările mecanice care pot fi aplicate acestor aliaje în scopul determinării limitelor între care pot fi ele utilizate. În capitolul al patrulea, studiul de caz, sunt prezentate date experimentale culese în urma măsurătorilor efectuate și interpretările statistice aferente acestora, iar în ultimul capitol, cel de concluzii, sunt sintetizate principalele rezultate.

Studiul aliajelor nu reprezintă un element inovativ, cercetarea în acest domeniu fiind realizată în trecut de numeroși specialiști, totuși acest aspect reprezintă punctul de plecare în cercetarea mea de a realiza o analiză amănunțită legată de aliajele ușoare, proprietățile acestora și metode de îmbunătățire ale acestora.

1. MATERIALE UTILIZATE ÎN TEHNICĂ

1.1 Generalități

În cadrul dezvoltării aviației (avioane și motoare de avion), un factor determinant a fost acela al materialelor folosite pentru construcția aparatelor de zbor. Construcțiile de celule de avioane și elicoptere au necesitat în mod special folosirea unor materiale, care să aibă o densitate cât mai mică și o rezistență la rupere cât mai mare, astfel încât să se poată ajungă la o valoare cât mai mare a raportului greutate utilă, la greutate totală.

Primele construcții de avioane au folosit ca materiale lemnul, pânza de avion, oțelul etc. Dar, o dată cu apariția posibilității măririi vitezelor avioanelor prin echiparea lor cu motoare puternice, astfel de construcții nu mai puteau rezista la solicitările apărute în timpul zborului.[1]

Aeronavele moderne sunt aparate care se deplasează cu viteze foarte mari, fiind supuse la diverse solicitări care, în principal, sunt consecințe ale accelerațiilor liniare și unghiulare. O clasificare a aeronavelor în funcție de viteză, le împarte pe acestea în cinci categorii:

aeronave subsonice de viteze mici (cu viteze mai mici de 0,5 M);

aeronave subsonice de viteze mari (cu viteze cuprinse între 0,5 și 0,9 M);

aeronave transsonice (cu viteze cuprinse între 0,9 și 1,3 M);

aeronave supersonice (cu viteze cuprinse între 1,3 și 5 M);

aeronave hipersonice (cu viteze mai mari de 5 M).

unde M reprezintă numărul Mach. Numărul Mach este rezultatul raportului dintre viteza aeronavei și viteza sunetului din masa de aer în care zboară aeronava.[2]

Pe lângă solicitările mecanice, aeronavele mai sunt supuse și unor solicitări chimice și termice. Aeronavele sunt supuse acțiunilor diverșilor agenți chimici din atmosferă. Efectul acestora este favorizat de diferența mare a temperaturilor de la nivelul pistei de pe care decolează aeronava și plafonul de zbor în croazieră. Efectul corosiv al substanțelor chimice din atmosferă este amplificat de vaporii de apă ce se condensează și se depun sub formă de picături în interiorul structurii.

Acțiunea agenților chimici asociată cu solicitările mecanice conduce la apariția unor fisuri intercristaline care, neputând fi depistate macroscopic, reduc drastic perioada de exploatare a aeronavelor.

Acțiunea agenților chimici asupra materialelor de etanșare produce în timp degradarea acestora astfel încât zone întregi din aeronavă își pierd calitățile funcționale de bază, motiv pentru care multe componente sunt garantate doar pentru un anumit interval de timp.

Solicitările termice care apar datorită diferențelor de temperatură pe care le suportă o aeronavă se suprapun solicitărilor mecanice rezultând în acest mod fenomene complexe care prin neluare în considerare pot conduce la ruperea structurii. În același timp fenomenele elastice și aeroelastice sunt influențate de temperatură, deoarece sunt modificate chiar proprietățile mecanice ale materialelor din care sunt realizate componentele aeronavelor.

Aeronavele moderne sunt construite astfel încât să respecte o serie de cerințe:

parametri de zbor cât mai ridicați la o putere (tracțiune) a sistemelor de propulsie cât mai mică;

stabilitate și manevrabilitate necesare la regimurile de zbor considerate;

încălzire cinetică minimă în timpul zborului în păturile joase ale atmosferei;

efecte minime în condițiile apariției fenomenelor aeroelastice sau a zborului în prezența rafalelor.[3]

Pentru a respecta aceste cerințe, o problemă importantă în construcția aeronavelor este necesitatea utilizării unor materiale ușoare, dar cu proprietăți care sa le permită sa facă față solicitărilor care apar în timpul zborului. Prin utilizarea unor materiale grele, aeronava obținută ar fi evident mult mai grea și ar necesita motoare mult mai puternice, cu un consum mare de combustibil pentru a obținerea acelorași perfomanțe. În general, materialele ușoare au rezistența mecanică mai mică decât metalele grele, din acest motiv pentru construcția aeronavelor se utilizează aliaje speciale ușoare pe bază de aluminiu (cu elemente de aliere Cu, Mg, Zn, Mn, Ni, Cr, Li, Cd, Ti, V, Zr, Si), pe bază de magneziu (cu elemente de aliere Zn, Zr, Rh, Th, Mn, Al, Li), pe bază de titan (cu elemente de aliere Mn, Fe, Cr, Mo, Al, Cu, Zr) și pe bază de beriliu (cu elemente de aliere Al, C, Fe, Si). Pentru realizarea pieselor puternic solicitate mecanic se utilizează oțeluri de înaltă rezistență (pe bază de Ni, Si, Mn, Cr, Mo), pentru blindaje se folosesc oțeluri aliate pe bază de mangan, iar piesele intens solicitate termic se construiesc din oțeluri aliate cu tungsten. Alte materiale utilizate sunt superaliaje refractare pe bază de nichel, fier-nichel și cobalt, materiale sinterizate, materiale compozite, polimeri.

Metalele utilizate astăzi în tehnică nu sunt pure, deoarece oricât de perfecționate ar fi procesele de rafinare, nu se pot îndepărta complet elementele străine. Gradul de puritate al metalelor, se exprimă prin diferența rezultată la scăderea din 100% a sumei conținuturilor tuturor elementelor străine, prezente în compoziția metalul respectiv.

De obicei, în tehnică se folosește exprimarea în procente de greutate. În funcție de compoziția chimică se folosește următoarea clasificare:

metale de puritate tehnică scăzută (95—99%), deci cu peste 1% elemente străine, și de puritate medie (99,0—99,9%), deci cu mai puțin de 1%. Metalele cu puritate mai mică de 95% sau degradate din punct de vedere chimic (oxidare, zgurificare, amestecare cu alte substanțe) sau fizic (scursori, picături, pulberi), care nu mai pot fi folosite pentru scopul în care au fost fabricate, intră în categoria deșeurilor metalice, pentru care se pune problema recuperării metalelor utile;

metale de puritate chimică ridicată (99,9—99,99%), adică cu mai puțin de 0,1% elemente străine și înaltă (99,99—99,999%), adică cu mai puțin de 0,01% elemente străine;

metale de puritate spectrală (99,999%) cu un conținut mai mic decât o miime de procent de elemente străine;

metale de puritate fizică care conțin mai puțin de o milionime de procent elemente străine și, în același timp, sunt cât mai lipsite de imperfecțiuni structurale, astfel încât se pot pune în valoare integral proprietățile fizice intrinseci ale elementului respectiv; astfel de purități se întâlnesc în domeniile tehnicii moderne cu caracter special: tehnica semiconductorilor, tehnica nucleară, aparatura cosmonautică etc.

Metalele propriu-zise nu pot să acopere nici pe departe necesitățile tehnicii, unde, în cele mai multe cazuri, se cer asociații de proprietăți cu valori optime, în funcție de scopul urmărit. De aceea, încă din cele mai vechi timpuri, metalele s-au folosit mult mai frecvent sub formă de aliaje metalice.

Denumim aliaje metalice acele materiale alcătuite din două sau mai multe metale, sau alcătuite din metale, semimetale și metaloide, însă în care predomină însușirile metalice. Aliajele a căror bază o constituie fierul se numesc aliaje feroase (oțeluri, fonte, feroaliaje), iar aliajele a căror bază o constituie un metal neferos se numesc aliaje neferoase. Pentru caracterizarea unui aliaj în vederea utilizării în industrie, trebuie să i se cunoască compoziția, structura și proprietățile.

Componenți se numesc elementele chimice care intră în compoziția unui aliaj. Aliajele formate pe baza acelorași componenți formează un sistem de aliaje. Component de bază sau principal este acel metal care predomină în compoziția aliajului, care devine astfel un derivat al metalului de bază. În consecință, aliajele neferoase se pot clasifica după metalul de bază în: aliaje cu bază de cupru, aliaje cu bază de nichel, aliaje cu bază de aluminiu, aliaje cu bază de titan etc.

Componentul (sau elementul) de aliere reprezintă elementul sau elementele (metale, semimetale sau metaloide) care sunt introduse în mod intenționat în metalul de bază pentru a forma aliaje cu proprietăți specifice. După numărul elementelor de aliere se disting aliaje binare, ternare, cuaternare și complexe. După conținutul în element de aliere, se consideră, în mod convențional:

slab aliate (cu mai puțin de 2,5% în greutate elemente de aliere);

mediu aliate (cu 2,5% pînă la 10% în greutate elemente de aliere);

bogat (puternic, înalt) aliate (cu peste 10% în greutate elemente de aliere).

Suma conținuturilor tuturor elementelor de aliere definește gradul de aliere. În multe cazuri, când predomină numai unul dintre elementele de aliere care, în cooperare cu metalul de bază, determină în ansamblu însușirile aliajului, iar celelalte elemente sunt adăugate numai în cantități mai mici pentru a accentua anumite calități sau a-i conferi calități noi, aliajul își păstrează denumirea proprie, adăugându-se cuvântul „special”. De exemplu: alamele speciale, bronzurile speciale sunt aliaje cu bază de Cu-Zn sau Cu-Sn cu adaosuri de alte elemente ca aluminiu, mangan, fier, nichel, siliciu, în proporții mici, dar cu influență considerabilă asupra proprietăților. Aceste elemente se denumesc convențional adaosuri de aliere speciale.

În afară de metalul de bază și elementele de aliere, aliajele industriale mai conțin impurități, adică elemente străine care nu au putut fi îndepărtate complet în procesele de rafinare sau au fost introduse accidental în procesele de elaborare și prelucrare. Se pot distinge impurități neutre, care nu dăunează asupra structurii și proprietăților aliajelor, și impurități nocive, care înrăutățesc proprietățile și, deci, trebuie evitate sau reduse sub limita maximă admisibilă. în general, impuritățile sub formă de urme nu se determină cantitativ prin analize chimice.

Mai putem întâlni și o altă categorie, și anume categoria modificatorilor, adică acele elemente adăugate în mod intenționat și în cantități infime într-un aliaj, pentru a-i modifica structura și a-i îmbunătăți proprietățile. În consecință, ele nu pot fi socotite impurități, ci mai degrabă adaosuri de aliere, ca de exemplu, sodiul pentru modificarea siluminurilor, beriliul în aliajele de cupru, titanul în unele aliaje de aluminiu, thoriul și cesiul în unele aliaje de magneziu etc. În terminologia modernă sunt denumite oligoelemente.[6]

Într-o aeronavă modernă materialele metalice contribuie cu următoarele procente în greutate: aliaje ușoare pe bază de aluminiu, 54…56%; oțeluri, 25…27%; materiale compozite 5..10%; aliaje pe bază de nichel, 1.0…1.5%; aliaje de magneziu, 1.0…1.5%; aliaje de titan, 0.1…0.5%; cupru, 1.5…2.5%; aliaje de cupru, 0.1…0.4%.

Materiale refractare și ablative

Sunt materiale capabile să suporte nu numai solicitările mecanice, ci și temperaturile foarte ridicate rezultate din frecările cu mediul exterior, sau din condițiile funcționale specifice grupurilor propulsoare, sunt des utilizate în construcțiile aeronautice. Materialele refractare și ablative iau locul celor convenționale pentru piesele și organele de mașini ce lucrează la temperaturi depășind 1000oC.

Materiale de fricțiune și antifricțiune

Solicitările termice și mecanice deosebit de severe, caracteristice sistemului de frânare al aeronavelor, a condus la elaborarea unor materiale de fricțiune cu totul speciale, principalele categorii fiind:

pe bază de rășini și azbest;

materiale sinterizate pe bază de cupru;

materiale sinterizate pe bază de fier;

cermeturi (produse sinterizate cu conținut ridicat de materiale ceramice);

pe bază de materiale refractare din fibre de carbon.

Materiale ceramice

Ceramicele sunt materiale caracterizate de o excelență rezistență la temperaturi înalte, rezistența la coroziune în diverse medii, proprietăți optice, electrice și termice deosebite. Deși prezintă valori relativ mari de rezistență și duritate, ductilitatea, plasticitatea și rezistența la șoc mecanic sunt reduse.

Polimerii

Polimerii sunt materiale caracterizate prin conductibilitate termică și electrică reduse, proprietăți de ductilitate și plasticitate înalte, comportare bună la șocuri mecanice, un raport rezistență-masă favorabil și o excelentă comportare la coroziune.

Materiale compozite

Materialele compozite utilizate în domeniul construcțiilor aeronautice răspund cu succes următoarelor cerințe:

greutate scăzută;

rezistență mecanică ridicată;

rigiditate;

rezistență la oboseală;

stabilitate dimensională, libertate a formei, finisare superioară a suprafețelor, rezistență la coroziune.

Materialele compozite utilizate în structurile aeronautice aparțin clasei cunoscute sub numele de compozite fibroase formate din fibre continue cufundate într-o matrice de rășină.

Cel mai important factor în utilizarea compozitelor îl reprezintă micșorarea substanțială a greutății aeronavei în condițiile în care raportul rezistență – greutate și rigiditate – greutate este comparabil cu cel al materialelor convenționale cum ar fi aliajele de aluminiu. Factorul cost în cazul materialelor compozite este luat în considerare în mod deosebit, deoarece costul de fabricație al compozitelor de înaltă performanță este foarte ridicat. Acest aspect este privit din punctul de vedere al costului total al unei structuri din acest gen de materiale, în timpul duratei de viață a aparatului de zbor. Pe lângă costul de fabricație se au în vedere și alte criterii ca: economia de carburant datorată greutății scăzute a aparatului, durata de viață a piesei, fiabilitatea sa, costul de întreținere, de control și de reparație, mărimea încărcăturii de transport.[5]

În aviația militară, cele mai utilizate materiale pentru fibre sunt carbonul (grafitul), borul, aramide (kevlar) și sticla în timp ce pentru matrice se utilizează rășina epoxidică. Materialele obținute, din fibre de carbon și fibre de bor numite „materiale compozite avansate” prezintă proprietăți superioare în ceea ce privește rezistența și rigiditatea, față de materialele aeronautice convenționale, fiind incluse în proiectarea avioanelor militare de înaltă performanță (ex. F – 111, F – 14, F – 15).

De asemenea, materiale cu fibre de carbon sunt întâlnite în structura aripilor, a învelișului ampenajelor verticale și orizontale, a fuzelajului dorsal, a elementelor de bracare și a altor suprafețe de control a avioanelor americane F – 16, F/A – 18.

După descoperirea materialelor compozite, acestea au fost introduse și în structura internă a palelor rotorului portant al elicopterelor. Astfel, inițial, palele erau compuse dintr-un amestec de materiale metalice și materiale plastice, treptat ajungându-se să se elimine materialele metalice, soluția optimă fiind pale din materiale plastice numite și pale compozite (figura 1.1).

Fig. 1.1 Utilizarea materialelor compozite la pala rotorului portant [6]

Principalele aplicații ale materialelor compozite în construcția de avioane sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Aplicații ale materialelor compozite în aviație [3]

În tehnică, se confecționează conducte, carcase, capace, diafragme, suporți din fibră de sticlă și materiale plastice, precum și piese de rezistență din materiale compozite, care prin proprietățile lor mecanice ridicate, înlocuiesc tot mai mult materialele metalice, obținându-se o apreciabilă reducere a greutății pieselor.[7]

1.2 Clasificarea aliajelor utilizate în tehnica de aviație

Aliajele utilizate în tehnică se împart în două mari categorii:

aliaje feroase (aliajele fierului)

aliaje neferoase

În ultimii ani se constată o răspândire din ce în ce mai largă a aliajelor neferoase pe bază de elemente ușoare (Al, Mg) sau de elemente refracatre (Ti, Zr), dar, cu toate acestea, aliajele feroase continuă să fie cele mai mult utilizate în cadrul structurilor de rezistență din tehnica de aviație. Materialele metalice neferoase sunt totalitatea materialelor metalice (metale și aliaje) cu excepția fierului și a aliajelor sale. Materialele neferoase sunt larg folosite în industria electrotehnică, electronică, chimică, în domeniul aerospațial, în tehnica nucleară etc.

Metalele neferoase tehnice (ușor accesibile, cu fragilitate naturală scăzută) sunt: Cu; Al; Ni; Mg; Zn; Pb; Sn; Bi; Cd etc. Dintre metalele neferoase tehnice Ni și Sn sunt metale deficitare în natură. Metalele neferoase, datorită slabelor caracteristici fizico-mecanice, se folosesc mai rar în tehnică în stare pură, însă se folosesc foarte des sub formă de aliaje, care în funcție de natura și calitatea constituenților, au proprietăți fizico-mecanice superioare metalelor pure.

În clasificarea aliajelor neferoase, se utilizează o serie de criterii, astfel încât acestea se împart în mai mule categorii (figura 1.4):

Fig. 1.4 Clasificarea aliajelor neferoase [6]

1.3 Aliaje feroase

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

1.3.1 Oțeluri

Oțelurile sunt aliaje Fe-C deformabile, cu un conținut de carbon cuprins între 0,02 și 2,11%. Aliajele Fe-C se pot clasifica după următoarele criterii:

după conținutul de carbon:

oțeluri hipoeutectoide (conțin până la 0,77% C)

oțeluri eutectoide (conțin 0,77% C)

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

b. din punct de vedere al durității

oțeluri extramoi

oțeluri moi

oțeluri semidure

oțeluri dure

oțeluri extradure

c. după modul de obținere și destinație

oțeluri turnate

oțeluri deformabile

Oțelurile sunt utilizate ca elemente ale trenului de aterizare (figura 1.2), piese de joncțiune, elemente de rigidizare al fuzelajului sau al aripii, cum sunt lonjeroanele și nervurile (figura 1.3) etc. Acestea au limita de curgere în jur de 180 daN/mm2, iar rezistența la rupere de ordinul a 200…210 daN/mm2. Oțelurile utilizate în acest scop sunt fabricate prin metode capabile să asigure materialului un complex de proprietăți mecanice favorabile, cum ar fi asocierea unei rezistențe ridicate cu o ductilitate cel puțin satisfăcătoare, asigurarea unei limite de rezistență la oboseală corespunzătoare etc.

Fig. 1.2 Trenul de aterizare [4]

Fig. 1.3 Elemente de rigidizare ale aripii [4]

Pentru îmbunătățirea proprietăților lor și pentru o mai largă utilizare în tehnică, oțelurile se aliază cu diferite elemente cum ar fi: Si, Mn, Cu, Cr, Ni, Al, P, S, N, Mo, V, Nb, Ti.

Unul dintre cele mai utilizate elemente la alierea oțelurilor este cromul. Acesta determină creșterea proprietăților oțelurilor de construcție, a celor de scule și a celor cu proprietăți fizico-chimice speciale. Cromul are rolul de a reduce reziliența si alungirea. În schimb scade prelucrabilitatea prin așchiere și sudabilitatea.

Nichelul determină creșterea rezistenței la rupere și curgere, a rezilienței, călibilității, rezistenței la uzare, sudabilității și stabilității termice, dar mai ales creșterea tenacității și a rezistenței la coroziune.

Molibdenul determină creșterea durității, a rezistenței la rupere și uzare, precum și creșterea rezilienței. Din această cauză molibdenul este nelipsit din oțelurile folosite pentru executarea pieselor solicitate de forțe aplicate dinamic.[7]

1.3.2 Fonte

Fontele sunt aliajele Fe-C, care conțin între 2,11% și 6,67% C. În funcție de forma sub care se găsește carbonul, fontele se împart în două categorii:

fonte albe;

fonte cenușii.

În vederea îmbunătățirii caracteristicilor lor, atât fontele albe cât și cele cenușii se pot modifica prin aliere sau prin tratamente termice, obținându-se astfel:

fonte antifricțiune: proprietățile antifricțiune depind de forma și cantitatea incluziunilor de grafit, care au proprietatea de a absorbi lubrifiantul și de a-l menține pe suprafețele în frecare;

fonte rezistente la uzare: sunt fontele cu crustă dură;

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

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

fonte cu proprietăți magnetice.

Elementele de aliere influențează în general masa metalică de bază, finisându-i structura și modificând proprietățile mecanice, astfel:

cromul formează carburi de crom, ceea ce are ca efect creșterea durității, rezistenței la rupere și rezistenței la uzare.

siliciul se adaugă în fonte în scopul creșterii refractarității.

nichelul duce la creșterea durității, a rezistenței la rupere și a rezistenței la uzare a fontei.

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

Fontele cenușii cu un conținut ridicat de fosfor între 0,3 și 0,5% se utilizează pentru executarea segmenților pistoanelor din motoarele cu ardere internă deoarece fosforul crește fluiditatea fontei și permite turnarea acestor piese cu pereți subțiri. În cantități mai mari, fosforul duce la creșterea rezistenței la uzare și a elasticității segmenților.[7]

1.4 Aliaje neferoase

1.4.1 Cuprul și aliajele sale

Printre primele metale cunoscute și folosite de oameni a fost cuprul. Numele i-a fost dat de către romani (cuprum) după denumirea insulei Cipru care constituia baza de aprovizionare a Romei cu acest metal (Cyprium).

Cuprul a fost descoperit cu milenii în urmă, deși în scoarța terestră se găsește numai în proporție de 0,01%. Se poate găsi în scoarța terestră și sub formă de pepite, astfel în unele zăcăminte, s-au găsit pepite de cupru de peste 300 kg.

În natură, cuprul are următoarea răspândire ,în procente de greutate (tabelul 1.2):

Tabelul 1.2 Răspândirea cuprului în natură[6]

Cuprul a fost folosit încă de acum 10.000 de ani, dar mai mult de 95% din producția totală de cupru a fost realizată după 1900 (tabelul 1.3).

Tabelul 1.3 Evoluția producției mondiale de cupru în diferite perioade[6]

Cuprul este un metal de culoare roșiatică, greu ( = 8,96 kg/dm3), care prezintă plasticitate, conductivitate electrică și termică mare, rezistență bună la coroziune în atmosferă, în apă de mare, în vapori supraîncălziți, în agenți organici și gaze de combustie. Nu rezistă în amoniac și hidrogen sulfurat. Are punctul de topire la 1083°C și cel de fierbere la 2310°C.[8]

Rezistența la rupere a cuprului laminat și recopt este de 20…25 daN/mm2, iar duritatea de 35…50 HB. Prin deformare plastică la rece cuprul se ecruisează, când rezistența la rupere și duritatea se dublează (40…50 daN/mm2 și 100… 120 HB).

Bismutul și plumbul sunt impuritățile cele mai dăunătoare în cupru prin eutecticele ușor fuzibile periculoase pe care le formează cu acestea. Cantități foarte mici de Bi și Pb (miimi, respectiv sutimi de procente) provoacă fragilitate la roșu cuprului.

Oxidul de cupru (Cu20) favorizează apariția fulgilor (boala hidrogenului) în cupru. Impuritățile care se dizolvă în Cu (As, P, Fe și Ni) duc la micșorarea conductivității electrice, la scăderea plasticității, a densității și a temperaturii de topire.

Prezența altor elemente chimice, influențează proprietățile cuprului, astfel:

sulful reduce plasticitatea, iar în cantități mari, înrăutățește proprietățile de rezistență mecanică și la coroziune, îmbunătățind însă așchiabilitatea.

fierul micșorează mult conductibilitatea electrică și termică, scade rezistența la coroziune și micșorează plasticitatea cuprului.

arseniul micșorează brusc conductibilitatea electrică și termică, în schimb elimină influența negativă a Bi și O2 și crește refractaritatea cuprului.

beriliul micșorează puțin conductibilitatea electrică, mărește proprietățile mecanice și refractaritatea cuprului.

fosforul micșorează mult conductibilitatea electrică și termică, însă mărește proprietățile mecanice și fluiditatea cuprului.

Cuprul prezintă proprietăți proaste de turnare (absorbind multe gaze, cuprul turnat prezintă porozități), în schimb se deformează plastic cu mare ușurință.

Structura metalografică a cuprului este formată din grăunți poliedrici de Cu, unii maclați și insule mici globulare de CU2O.

Cuprul pur are largă întrebuințare în tehnică: conductoare electrice, plăci de focare, răcitoare, cazane etc. De asemenea, se utilizează mult sub formă de aliaje de Cu: alame (Cu+Zn) și bronzuri (Cu+Sn).

Aliaje Cu-Zn (alame)

Aliajele tehnice sunt aliaje de Cu-Zn care conțin maximum 45% Zn, peste această concentrație a Zn, datorită prezenței constituenților foarte duri, alamele sunt foarte fragile și nu se mai întrebuințează în tehnică.

Alamele tehnice obișnuite, în funcție de structura de echilibru, la temperatura ambiantă, pot fi: monofazice, între 0% și 39% Zn și bifazice, între 39% și 45. Solubilitatea zincului în cupru este constantă de 39% Zn până la temperatura de 453°C, după care scade până la 32% Zn, la temperatura de 905°C, deci prezintă o solubilitate inversă.

Diferența de structură dintre alamele tehnice monofazice și bifazice se reflectă asupra proprietăților fizico-mecanice și tehnologice. Astfel, alamele monofazice prezintă proprietăți mecanice apropiate de ale cuprului: plasticitate mare, putând fi deformate plastic cu ușurință, atât la rece cât și la cald, iar rezistența la rupere, limita de curgere și duritatea sunt puțin superioare față de cele ale cuprului. Alamele bifazice sunt mai dure, ceea ce determină o creștere a durității și a rezistenței la rupere a acestor alame. Datorită plasticității reduse alamele bifazice se prelucrează prin deformare plastică la cald (peste 500°C).

Plasticitatea alamelor monofazice cu mai puțin de 30% Zn este maximă la temperatura ambiantă, ea scade în intervalul de temperaturi cuprins între 300°C și 700°C, ca apoi să crească din nou. Aceste alame sunt destinate fabricării tablelor, sârmelor și pieselor cu pereți subțiri, prin tragere, extrudare și matrițare la rece.

Impuritățile de Pb și Bi înrăutățesc capacitatea de deformare plastică la cald a alamelor monofazice. În alamele bifazice (>39% Zn) se admite 1-3% Pb, care favorizează prelucrabilitatea prin așchiere, asigurând fărâmițarea așchiilor.

Fierul peste 0,2% și fosforul peste 0,06% provoacă fragilitatea alamelor, iar arseniul sub 0,03% determină creșterea rezistenței la coroziune. Alamele cu conținut de până la 3% As se numesc tombac alb sau argint placat, fiind foarte rezistente la coroziune, în special în acizi organici.

Alamele monofazice până la 32% Zn, neprezentând transformări secundare, nu se pot trata termic. Proprietățile acestor alame pot fi crescute numai prin ecruisare. Alamele cu peste 32% Zn, care prezintă variația solubilității zincului în cupru, pot fi tratate termic.

Alamele cu mult cupru au culoarea galbenă-roșiatică, iar pe măsura creșterii conținutului de zinc culoarea devine galbenă; apoi galben-deschis până la 39% Zn, după care culoarea devine din nou roșiatică. Alamele prezintă rezistență mare la coroziune și pot fi ușor îmbinate prin sudare.

În funcție de prelucrările la care pot fi supuse, alamele se împart în două grupe:

alame deformabile;

alame pentru turnătorie.

Alamele deformabile sunt folosite pentru obținerea plăcilor de condensatoare, arcuri, șuruburi, profile, sârmă, benzi, țevi, tuburi, piese obținute prin ștanțare, matrițare, extrudare, necesare în electrotehnică, aeronautică, construcții de mașini, aparatură electronică, în industria chimică, navală, bijuterii, instrumente muzicale de suflat etc.

Alamele pentru turnătorie se împart și ele la rândul lor în alame turnate în blocuri și alame turnate în piese. Există 3 mărci de alame turnate obișnuite: CuZn40PbT; CuZn33Pb2T și CuZn32Pb2T. Alama CuZn40PbT turnată centrifugal se folosește pentru colivii de rulmenți, alama CuZn32Pb2T turnată în forme de nisip se utilizează la piese care nu sunt solicitate mecanic, cum sunt piesele de ornament, armături, iar alama CuZn32Pb2T este folosită pentru piese ușor solicitate mecanic.

În tehnică, mai întalnim o categorie de alame, numite alame speciale. Alamele speciale sunt aliaje Cu-Zn care conțin, adăugate în mod voit, unul sau mai multe elemente de aliere, în scopul modificării unuia sau mai multor caracteristici fizico-mecanici și tehnologici, astfel:

staniul se adaugă până la maximum 4%, în scopul creșterii rezistenței la rupere și coroziune în apa de mare, precum și a creșterii durității.

manganul (maximum 4% Mn) determină creșterea rezistenței la rupere a elasticității și a rezistenței la coroziune în apa de mare.

aluminiul: în proporție de până la 4%, în alame provoacă creșterea durității, a limitei de curgere, a rezistenței la coroziune și oxidare, a rezistenței la rupere, dar determină și creșterea fragilității. De asemenea, aluminiul permite obținerea de piese turnate din alame, dense și fără pori.

fierul: în proporție de maximum 3,5%, provoacă finisarea structurii mărește tenacitatea și așchiabilitatea alamelor.

nichelul: în proporție de până la 14,4%, mărește rezistența la rupere elasticitatea, alungirea și refractaritatea alamelor.

siliciul: crește rezistența la coroziune a alamelor, rezistența mecanică, proprietățile de turnare și sudabilitatea lor.

Aliaje Cu-Sn (bronzuri)

Bronzul este un aliaj al cuprului cu staniu a cărui destinație poate fi clasificată după utilizare în funcție de modul de prelucrare sau de conținut (figura 1.5). În funcție de cantitatea de staniu conținută în aliaj acestea pot fi obișnuite sau speciale. Bronzurile speciale sunt create pentru o gama limitată de utilizare. În acestea se regăsesc multe alte elemente de aliere cum ar fi Al, Ni, Be, Si, Mn, Pb, Ag sau Cr. Principalele caracteristici care se îmbunătățesc față de cupru sunt proprietățile antifricțiune ceea ce le creează o gama larga de utilizare în domeniul lagarelor de alunecare. Bronzurile pot fi utilizate la creearea elementelor decorative, de la broșe, bijuterii la statui sau chiar la coloane sau acoperișuri, robineți, roți dințate sau elici navale.

Fig. 1.4 Clasificarea bronzurilor[9]

Bronzul obișnuit este un aliaj cupru-staniu, cu 2-15% Sn. Pentru îmbunătățirea unor proprietăți tehnologice se mai adaugă plumb și zinc. 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 (care conțin săruri oxidante), a amoniacului și a sulfului. Nu este sensibil la supraîncălzire, se sudează și se lipește ușor, nu generează scântei prin lovire, este diamagnetic și rezistent la ger. Ca impurități dăunătoare se menționează Al, Si, Mg, Bi, As și S care sunt limitate procentual prin standardele în vigoare.

Bronzurile obișnuite se prelucrează prin turnare (cel mai bine dintre toate bronzurile) și prin deformare plastică.

Bronzurile turnate conțin mai mult staniu, decât zinc și plumb (caz în care se mai numesc bronzuri roșii, mai ieftine, dar mai puțin rezistente). Se folosesc la fabricarea lagărelor cu alunecare pentru mașini-unelte și material rulant, armăturilor de presiune care lucrează în abur și apă, roților melcate și roților dințate elicoidale, piulițelor pentru șuruburi conducătoare, precum și a carcaselor, statoarelor și rotoarelor de pompe care lucrează în apă de mare.

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.

Bronzurile speciale sunt aliaje create special pentru o anumită utilizare în tehnică. În funcție de elementul sau de elementele de aliere utilizate acestea își modifică proprietățile fiind recomandate în anumite domenii, de exemplu bronzul cu aluminiu este utilizat în aeronautică deoarece este mult mai ușor decât celelalte categorii de bronzuri, iar bronzul cu beriliu este utilizat îndeosebi în domeniile în care se evită apariția scânteilor (minerit).

Bronzul cu aluminiu este un aliaj cupru-staniu cu maximum 10-11 % aluminiu care, uneori, mai conține fier, nichel, mangan sau siliciu. Acesta are proprietăți mecanice și tehnice foarte bune, rezistență ridicată la uzură, conductivitate electrică și termică bună, coeficient mic de frecare, rezistență la coroziune mai bună decât a bronzului cu staniu și se prelucrează prin turnare sau prin deformare plastică.

Bronzurile cu aluminiu deformabile sunt destinate prelucrării prin deformare plastică la rece sau la cald și se utilizează în construcțiile navale și de avioane, în instalațiile electrotehnice și energetice, precum și în instalațiile chimice și sanitare. Ele sunt simplu sau complex aliate, ultimele având proprietăți mecanice si chimice mai bune.

Bronzul cu nichel are culoarea roz, până la conținuturi ale nichelului de 15% și tinde spre alb, pe măsura creșterii conținutului de nichel, având un foarte bun luciu metalic. După destinație bronzurile cu nichel pot fi utilizate în construcție, având bună rezistență la coroziune și fiind livrate sub formă de semifabricate deformate plastic (table, benzi, țevi, sârme sau piese forjate), din care se confecționează diverse piese (armături de apă dulce și de abur, piese de mecanică fină, de artă și pentru aparatură medicală și telefonică). Deoarece prezintă proprietăți deosebite acestea mai pot fi utilizate și în electrotehnică, având o bună rezistivitate electrică și fiind utilizate fie pentru rezistențe de precizie (aparate electrice de măsură, rezistențe-etalon) sau ale reostatelor de pornire și reglare, fie pentru aparatele electrice de încălzire. Acestea sunt:

– constantanul conține 55-60% Cu, 40-45% Ni și 1-2% Mn, este ductil și se poate trefila, suda și lipi. Are o rezistență electrică mare și se utilizează la fabricarea termocuplurilor pentru măsurarea temperaturilor până la 700° C, precum și a rezistențelor electrice pentru încălzire;

– nichelina conține 67% Cu, 30% Ni și 2-3% Mn, se topește la 1180° C, are rezistivitatea electrică mai mică decât a constantanului și se utilizează la confecționarea rezistențelor electrice pentru încălzire sau pentru reostate de pornire si reglare.

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%). Are caracteristici mecanice foarte bune (rezistență la rupere, alungire relativă, rezistență la oboseală, duritate), este rezistent la coroziune, se sudează și se prelucrează bine prin deformare plastică și prin așchiere, dar este foarte scump. 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 mine (dălți, ciocane, clești).

Bronzul cu siliciu mai conține, pe lângă cupru și siliciu, nichel si mangan pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice și a rezistenței la coroziune. Are proprietăți mecanice și de antifricțiune foarte bune, o bună plasticitate la cald și la rece, este rezistent la coroziunea atmosferică, a apei de mare și a gazelor uscate. Datorită elasticității ridicate, se utilizează la fabricarea arcurilor și elementelor elastice. Se poate turna, se sudează și se lipește bine.

Bronzul cu mangan are o înaltă plasticitate, o bună rezistență la coroziune și capacitatea de a menține neschimbate caracteristicile mecanice și la temperaturi înalte, drept pentru care se utilizează la confecționarea unor piese de mașini solicitate termic și mecanic.

Bronzul cu plumb conține 4-17%Pb. Plumbul micșorează rezistența la rupere, alungirea relativă și elasticitatea, dar îmbunătățește așchiabilitatea și proprietățile antifricțiune. Ca urmare, se utilizează la confecționarea lagărelor cu presiune specifică mare (la turbine, locomotive, pompe și mașini-unelte). Întrucât la solidificare apare pericolul segregării, aceste bronzuri trebuie turnate centrifugal sau sub presiune.

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, precum și la locomotivele Diesel electrice.

Bronzul cu crom conține 0,5-1% Cr și începe să fie utilizat în industrie datorită asocierii foarte bune a proprietătilor mecanice și electrice, îndeosebi în stare turnată, călită și îmbătrânită. Se prelucrează bine și prin deformare plastică la cald (laminare și matrițare la 800-900° C). 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 pe lângă cupru și staniu și 2-5% grafit; se obține prin metalurgia pulberilor. Pulberea de cupru se obține prin rafinare electrolitică, cea de staniu prin rafinare electrolitică sau pulverizare cu aer, iar cea de grafit prin măcinare. Pulberile se amestecă în anumite proporții, se presează în piese și se sintetizează, sinterizarea fiind operația de bază a procesului; se realizează în două etape. În prima etapă, piesele se încălzesc la 400° C într-un mediu reducător (hidrogen), pentru topirea staniului și solubilizarea lui în cupru, iar în etapa a doua, încălzirea se face la 800° C, pentru formarea soluției solide. Urmează apoi calibrarea pieselor și impregnarea cu ulei, la 110-120° C.

În acest mod se confecționează lagărele poroase care au proprietăți autolubrifiante, prin impregnarea porilor rezultați după sinterizare (circa 15-30%) cu ulei mineral. Astfel de lagăre se întâlnesc la autovehicule, mașini-unelte, mașini textile, mașini agricole și motoare electrice, având o durată de funcționare fără ungere suplimentară, de câteva mii de ore.

O altă ramură a bronzurilor o constituie bronzul cu nichel și zinc care conține 45-65% Cu, 10-18% Ni și restul Zn (câteva mărci conțin și 1-2% Pb). A fost descoperit de metalurgii francezi P.L. Maille și J.Chorier, de unde și denumirea de maillechort. Acest aliaj îl mai putem întâlni sub denumirea de alpacă sau argentan, precum și melchior, ultima denumire întâlnindu-se în limba rusă. Alpaca are o culoare galben-albă, densitatea de 8,5-8,8 kg/dm3 și se topește la 980-1200° C. Se caracterizează prin foarte bune proprietăți mecanice, asociate cu o remarcabilă rezistență la coroziune în atmosfera ambiantă, apă dulce și de mare, vapori condensați, gaze uscate, soluții bazice și acizi organici. În general prezintă bune proprietăți de deformare plastică la cald și la rece. Este utilizat 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.[10]

1.4.2 Magneziul și aliajele sale

Denumirea magneziului provine de la Magnesia (district din legiunea Thessalia a vechii Grecii), unde s-au găsit zăcăminte de carbonat de magneziu (magnezit). A fost obținut de abia in 1808, sub formă de amalgam, de către chimistul englez Humphry Davy și în formă brută de către savantul francez A.A.Bussy, în 1828. La scară industrială a fost produs în 1886 de către compania germană Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen prin electroliza carnalitei. Procedeul a fost perfecționat, tot în Germania, de către concernul IG Farbenindustrie, după 1920, precum și în SUA, prin inventarea metodei termice de extragere

Magneziul este unul dintre cele mai răspândite metale din scoarța terestră. Distribuția magneziului în natură, în procente de greutate este următoarea (tabelul 1.4):

Tabelul 1.4 Răspândirea magneziului în natură[6]

Magneziul este un metal cu o căldură specifică mică, conductivitate electrică mare,dar cu rezistență la coroziune foarte redusă. Prin laminare, magneziul își îmbunătățește calitățile. Principalele proprietăți ale magneziului sunt prezentate în tabelul 1.5.

Tabelul 1.5 Proprietățile magneziului

Magneziul nu se utilizează în stare pură, ci numai sub formă de aliaje cu: Al, Cu, Mn, Zn, Cd, Be, Bi, Ag, Ce, Zr etc. Dintre aceste elemente Zn, Cd și Al prezintă solubilitate parțială și variabilă cu temperatura, restul componentelor formează compuși intermetalici duri.

Majoritatea aliajelor de magneziu se pot durifica prin tratamente termice (prin precipitare de compuși chimici duri din soluția solidă suprasaturată obținută prin răcire bruscă).

Aliaje Mg-Al

Aliajele Al-Mg sunt aliaje pentru turnătorie care conțin 6…11% Al, dar se pot prelucra și prin deformare plastică la cald. Pe măsura creșterii conținutului de Al peste 6%, rezistența și alungirea aliajelor Mg-Al scad, devenind fragile datorită creșterii cantității de fază dură și fragilă.

Aliaje Mg-Zn

Aliajele Mg-Zn nu sunt utilizate în tehnică decât foarte rar. Adaosul de 3% Zn în aliajele Mg-Al determină creșterea proprietăților mecanice și a rezistenței la coroziune. Aliajele Mg-Al-Zn sunt cunoscute sub denumirea de „electron” fiind foarte folosite în industria aeronautică. Astfel un aliaj cu 90% Mg, 5% Al și 5% Zn prezintă următoarele caracteristici: are rezistența la rupere prin tracțiune de 34…37 daN/mm2 și alungirea de 11…7%, putând fi prelucrat atât prin deformare plastică, cât și prin turnare.

Aliaje Mg-Mn

Aliajele Mg-Mn sunt aliaje cu rezistență mare la coroziune și sudabilitate foarte bună. Sunt aliaje care conțin între 1,4 și 2,3% Mn, destinate deformării plastice la cald (300…400°C). Se folosesc pentru confecționarea rezervoarelor de combustibili lichizi, carcase etc.

Aliaje Mg-Si

Aliajele Mg-Si sunt aliaje destinate turnării în amestec de turnare și în cochile, Prezintă etanșeitate mare pentru lichide și gaze, de aceea se folosesc la armături pentru presiuni mari. Aceste aliaje sunt caracterizate de o rezistență mecanică scăzută (10… 12 daN/mm2).

Așchiile fine ale magneziului și aliajele de magneziu pot arde cu ușurință, de aceea pulberile fine din aceste aliaje aflate în aer liber, în anumite concentrații (30 mg/l), prezintă pericolul aprinderilor și exploziilor.

Pentru îmbunătățirea unor proprietăți, în aliajele de magneziu se mai pot introduce unele elemente de modificare cum ar fi:

beriliul introdus în aliajele de magneziu, în cantități de 0,005—0,02%, micșorează oxidabilitatea magneziului și tendința de autoaprindere în procesele de topire și turnare;

ceriul finisează granulația și îmbunătățește rezistența aliajelor de magneziu la temperaturi ridicate, însă influențează negativ unele proprietăți de turnare;

zirconiul afinează puternic grăunții magneziului turnat și îmbunătățește considerabil proprietățile mecanice și stabilitatea la coroziune; de exemplu, adaose de 0,6-0,8% măresc rezistența magneziului turnat de circa 1,5 ori și alungirea, de circa 2 ori;

calciul reduce oxidabilitatea aliajelor de magneziu;

thoriul afinează grăunții și îmbunătățește considerabil caracteristicile mecanice și rezistența la temperaturi ridicate.

În general aliajele de magneziu fiind foarte ușoare, cu suficientă rezistență mecanică și cu rezistență bună la coroziune se folosesc în aeronautică la executarea carterelor de motor, pistoanelor, pieselor pentru mașini de scris, aparatelor de radio și televizoare etc.[8]

1.4.3 Aliajele metalelor ușor fuzibile

Sunt aliaje cu rezistență mecanică redusă, folosite pentru executarea literelor de tipar, plăcilor de acumulator, conductelor de apă, armăturilor, mantalelor pentru cabluri electrice de forță, aliajelor pentru lipituri moi, aliajelor antifricțiune etc.

Aliajele plumbului

Aliajele Pb-Sn

Aliajele Pb-Sn cu adaosuri de stibiu sunt destinate pentru îmbinarea etanșă fără condiții de rezistență a pieselor din oțel sau din cupru prin lipire moale (când se topește numai aliajul de lipit fară a se topi local și materialele de îmbinat). Aceste aliaje au un punct scăzut de topire (180…300°C), nu difuzează în materialele de lipit, ci pătrund doar în golurile și neuniformitățile suprafețelor pieselor realizând lipirea lor.

Aliajele pentru lipituri moi au rezistență mecanică foarte slabă (5…7 daN/mm2), de aceea ele asigură doar etanșeitatea îmbinării nu și rezistența lor mecanică.

Aliaje Pb-Sb

Solubilitatea Sb în Pb este de maximum 2,49% Sb la temperatura de 245°C și scade la zero la temperatura ambiantă.

Există două categorii de aliaje tipografice Pb-Sb și anume:

aliaje pentru turnarea materialului tipografic, care se împart în trei grupe: aliaje pentru mașini de cules linotip (PbSn5Sb12), aliaje pentru mașini de cules monotip (PbSn9Sb19) și aliaje pentru litere de casă (PbSn4Sb15);

aliaje pentru corectarea aliajelor pentru turnarea materialului tipografic, care se împart în două grupe: aliaje pentru mărirea fluidității (PbSn30Sb6) și aliaje pentru mărirea durității (PbSn5Sb28).

Aliaje antifricțiune

Aliajele Pb, Sn, Sb în anumite concentrații constituie materiale cu punct scăzut de topire, cu excelente proprietăți antifricțiune, utilizate la confecționarea prin turnare a cuzineților de lagăre de alunecare.

Aliajele antifricțiune, în general, trebuie să posede următoarele proprietăți:

coeficient mic de frecare, să asigure capacitate bună de ungere;

tumabilitate bună: fluiditate mare, contracție mică, tendință de segregație redusă și tendință de formare a porozităților mică;

rezistență bună la compresiune;

capacitate bună de a se mula pe fus în perioada de rodaj;

rezistență bună la uzură;

suficientă duritate, dar nu prea mare pentru a nu provoca uzarea fusului;

conductibilitate termică bună;

rezistență bună la coroziune.

Aliajele antifricțiune trebuie să fie în același timp dure, pentru a rezista la uzură și la compresiune, dar și moi pentru a se uza înaintea axului (deoarece cuzinetul este mai ieftin și se înlocuiește mai ușor decât axul) și pentru a se mula pe fus într-o perioadă minimă de rodaj.

Aceste două condiții, care la prima vedere ar părea că se exclud reciproc, sunt realizate de aliajele antifricțiune cu punct scăzut de topire pe bază de Pb, Sn, Sb care au structură eterogenă, formată dintr-o bază moale (soluție solidă) în care sunt inserate particule foarte dure (compuși chimici).

Aliajele antifricțiune pe bază de Pb, Sn, Cu, Sb sunt cunoscute sub denumirea de babbitturi.

Aliajele binare Sn-Sb care conțin 13% Sb sunt bune materiale antifricțiune, în care baza metalică moale constituie soluția solidă a stibiului dizolvată în staniu, iar particulele dure sunt constituite de soluția solidă pe baza compusului intermetalic SnSb.

Aliajele ternare Sn-Pb-Sb sunt materiale cu proprietăți foarte bune de antifricțiune, folosite foarte mult în construcția de mașini la cuzineți pentru lagăre de alunecare.

Aceste aliaje conțin întotdeauna și cantități de 2….6% Cu, care împreună cu staniul formează un compus chimic dur (100 HB)

Aliaje ternare Sn-Sb-Cu: conțin 83% Sn, 11% Sb și 6% Cu. Aliajele antifricțiune pe bază de staniu se utilizează la cuzineți pentru lagăre folosite la presiuni mici și turații mari: turbine cu abur, turbocompresoare, motoare Diesel, electromotoare, vagoane etc.

Toate aceste aliaje conțin adaosuri de 3…4% Cu și au o temperatură de topire cuprinsă între 273 și 375°C.

Aliajele antifricțiune pe bază de plumb sunt de asemenea folosite pentru turații mari și presiuni mici, au duritatea de 16…39 HB, rezistența la compresiune de 13…17 daN/mm și temperatura de topire cuprinsă între 400 și 600°C. Există cinci mărci de aliaje antifricțiune pe bază de Pb. Aceste aliaje pot să conțină până la 15,5% Sb, 1% Cu, 0,65-0,9% Cd, 0,58-1,1% Ni și 0,02-0,8% As.[8]

De asemenea în tehnică se mai folosește și o marcă de aliaj antifricțiune pe bază de aluminiu destinată confecționării de cuzineți puternic solicitați la uzură și compresiune: motoare Diesel, autovehicule și tractoare. Aceasta are duritatea de 25…45 HB, rezistența la compresiune 64…68 daN/mm2 și temperatura de topire de 650…800°C.

Dezavantajele acestui aliaj antifricțiune cu aluminiu constă în contracția mare la turnare și coeficientul mare de dilatarea termică.

De asemenea, din categoria aliajelor antifricțiune, dar cu punct mai înalt de topire, fac parte bronzurile cu plumb și alamele destinate fabricării lagărelor cu încercări specifice mari.

Pentru motoarele puternice cu turații foarte mari, folosite în industria aeronautică materialul antifricțiune este argintul care se aplică pe un suport de oțel și se acoperă apoi cu o peliculă de 0,002…0,003 mm Pb.

Cele mai utilizate aliaje antifricțiune sunt aliajele din sistemul Zn-Al (zinal), precum și fontele antifricțiune, acestea fiind de altfel și cele mai accesibile din punct de vedere calitate-preț. De asemenea, se folosesc, foarte frecvent aliajele sinterizate autolubrifiante, cum sunt: bronzurile grafitate, aliajele Fe-grafit, Cu-grafit etc.

Aliaje cu temperatura de topire foarte scăzută

Sunt aliaje complexe pe bază de Bi, Pb, Sn și Cd. Temperaturi și mai scăzute de topire se pot obține prin adăugarea de mercur. Aliajele foarte ușor fizibile sunt utilizate în industria electrotehnică la siguranțe ușor fuzibile, în industria chimică, la supapele de siguranță, la rezervoare și în alte instalații. Aceste aliaje au durități foarte mici, sunt foarte plastice, putându-se, putându-se prelucra prin turnare și prin deformare plastică.

Aliajele zincului

Principalele aliaje tehnice ale zincului sunt: Zn-Al și Zn-Cu. Aluminiul până la 4% determină creșterea rezistenței la tracțiune de la 10 la 30 daN/mm2, a rezilienței de la 5 la 40 daJ/cm2 și a gâtuirii de la 5 la 80%. Pb, Si și Cd sunt considerate impurități periculoase, deoarece favorizează coroziunea selectivă.

Aliajele Zn-Al-Cu cu 4% Al și 1% Cu se folosesc pe scară largă la obținerea armăturilor, carcaselor de aparate, pieselor pentru mașini de scris, corpuri de carburatoare etc.

Aliajele Zn-Al-Cu, denumite „zamak” pot fi prelucrate bine prin turnare (în amestec de formare, în cochile cu sau fară presiune) și prin deformare plastică la rece (presare, laminare, tragere etc.).

Aliajele Zn-Al au proprietăți bune de antifricțiune și proprietăți mecanice relativ mari, de exemplu aliajul cu 4% Al și 0,03% Mg (adăugat pentru împiedicarea procesului de coroziune selectivă) denumit Zamak 3 are: rezistența mecanică, R = 2…27 daN/mm2, elasticitatea, A= 1…4%, duritatea HB = 70…90 și reziliența KCU = 2…4 daJ/cm2.

1.4.4 Aliajele metalelor greu fuzibile

Din această categorie fac parte aliajele refractare, aliajele pe bază de Ti, Ni, V și Co.

Aliajele titanului

Titanul este un element larg răspândit în natură, face legătura între metalele ușoare și grele. Principalele sale proprietăți sunt (tabelul 1.5):

Tabelul 1.5 Proprietățile titanului

De asemenea, titanul are o rezistență bună la coroziune în medii oxidante și în soluții clorurate și o rezistența foarte bună la fluaj, fapt care îl impune ca material de bază în industria aeronautică, chimică etc.

Cele mai importante aliaje ale titanului conțin Al, Sn, Mn, Cr, V și M, de exemplu: TiAl6V4; TiAl4Mn4; TiCr5Al3; TiMg8 și altele care au proprietăți mecanice superioare: rezistența R=91…108 daN/mm2, elasticitatea A=12…25% și gâtuirea la rupere Z=32…50%. Aliajele titanului se pot deforma plastic și prin tratamente termice se pot îmbunătăți proprietățile mecanice.

Aliajele nichelului

Nichelul este un metal greu cu =8,9 kg/dm3 , care se topește la 1445 C, cu rezistență la rupere de 40…50 daN/mm2 și duritatea de 30…40 HB, cu plasticitate bună. Nichelul se folosește rar în stare pură, utilizarea lui principală fiind la elaborarea aliajelor sau la alierea oțelurilor și fontelor.

Nichelul formează soluții solide cu majoritatea metalelor, cu unele formează soluții solide nelimitate ( Mn, Fe, Co, Cu, Pd, Rh, Pt), iar cu celelalte formează soluții solide limitate (Cr, Mo, Be, Mg, Al, Si, V, Ti, Zn, Ce, Sn, Sb). Nichelul formează și compuși chimici cu H, O, N, S, Cl etc. Aliajele de nichel fac parte din materialele metalice cu proprietăți speciale chimice, electrice (forță termoelectromotoare și rezistivitate mare, iar coeficientul de temperatură al rezistivității foarte mic), permeabilitate magnetică mare și constantă în timp, coeficient de dilatare mic, refractaritate si rezistență la coroziune mari.

Aliaje Ni-Mn

Sunt aliaje cu proprietăți electrice speciale, refractaritate bună, cu rezistență la oxidare, putându-se prelucra prin deformare plastică. Aliajele cu 2,3…5,4% Mn și restul nichel se folosesc la sârma pentru bujii de motoare pentru automobile, tractoare și avioane.

Aliajul cu 1,8…2,7% Mn, 1,6…2,4% Al, 0,85… 1,5% Sn și restul nichel se numește „alumen” și se folosește pentru termocuple cu cromel.

Aliaje Ni-Fe

Sunt aliaje cu proprietăți magnetice speciale (permeabilitate magnetică mare, cu magnetizare remanentă și forță coercitivă mare).

Dintre aliajele Ni-Fe cu permeabilitate magnetică mare fac parte:

permalloy cu 21,5% Fe și 78,5% Ni;

supermalloy cu 25% Fe și 3,7% Mo, restul Ni;

magaperm cu 25% Fe, 10% Mn, restul Ni;

crom-permalloy cu 20…30% Fe, 2,5…4% Cr, 1,5% Al, Si și Ti, restul Ni;

rezisto-permalloy cu 19% Fe, 10% Cr și restul Ni.

Aceste aliaje se folosesc pentru cabluri telefonice, pentru mașini electrice statice și rotative.

Din categoria aliajelor Ni-Fe cu magnetizare remanentă mare și forță coercitivă mare fac parte aliajele: alni (Ni-Fe-Al); alnico (Ni-Fe-Al-Co) și cunico (Cu-Ni-Co) care se folosesc pentru magneți permanenți.

Aliajul cu 35…37% Ni, 0,3% C, restul Fe, numit Invar, are un coeficient foarte mic de dilatare (practic până la 100 C nu se dilată).

Aliajul cu 35…37% Ni, 20…40% Co, restul Fe, numit Kovar, are un coeficient de dilatare aproximativ egal cu zero și chiar negativ. Aliajul cu 54% Fe, restul Ni, numit Platini, are coeficientul de dilatare egal cu cel al platinei și al sticlei.

Aliajele Ni-Cu

Sunt aliaje rezistente la coroziune în atmosferă și acizi, cu plasticitate bună și cu luciu metalic. Aliajele cu 63…70% Ni, 2% Fe, 2,4 Al, 1% Mn, restul Cu, numite Monel, au rezistență mecanică mare, plasticitate la rece și la cald ridicată și rezistență foarte mare la coroziune în aer uscat, în apă distilată, în soluții de H2SO4, în acizi organici și în apa de mare. Monelul cu siliciu conține 62…68% Ni, 3…5% Fe, restul cupru, prezintă proprietăți bune de turnare, are mare rezistență mecanică (R=70…80 daN/mm2) stabilitate chimică și rezistență la uzură bune. Alte aliaje ale nichelului fără cupru însă, cu rezistență mare la coroziune sunt: hasteloy cu Mo, Fe, Cr și Ni, care rezistă în medii corozive la temperaturi până la 1150° C.[8]

Aliaje Ni-Cr

Aceste aliaje prezintă solubilitate parțială în stare solidă, au proprietăți electrice speciale, refractaritate înaltă și rezistență mare la coroziune, fiind astfel folosite ca elemente de încălzire în cuptoare electrice sau ca piese care lucrează în medii agresive la temperaturi înalte de până la 1100°C (paletele turbinelor cu gaze, țevi refractare pentru camerele de ardere a gazelor în turbine, motoare cu reacție).

Inconelul cu 14…16% Cr, 6…10% Fe, 1% Mn și restul Ni rezistă în medii oxidante și sulfuroase până la 815°C.

Aliajul Hasteloy cu 15,5…17,5% Cr, 4,5..7% Fe, 16…17% Mn, 3,75…5,25% W și restul Ni rezistă în medii agresive (acid sulfuric, acid fosforic), iar în aer are o refractaritate până la 1100°C.

Inconelul conține 19,5…23,5% Cr, 1,5…3% Cu, 25…35% Mo și rezistă foarte bine la acizii fosforic și sulfuric și la acțiunea sodei caustice.

Aliajele vanadiului

Vanadiul este un metal cenușiu de tranziție, are densitatea de 6,11 kg/dm3, se topește la 1890°C și fierbe la 3450°C, este slab conducător de electricitate și căldură. Este un metal moale care se ecruisează ușor prin deformare plastică la rece. Are rezistență foarte mare la coroziune în aer, acizi organici și anorganici, în apa de mare și în soluții alcaline, se oxidează după 300°C.

Se utilizează în stare pură ca element de aliere în oțeluri, ca metal de acoperire pentru combustibili nucleari, pentru construcția de aparatură chimică și de reactoare cu neutroni rapizi.

Ca aliaje refractare se folosesc cele cu 5…20% Ti care rezistă până la 800…900°C, aliajele cu 36…80% Nb și cele cu 20% Nb și 5% Ti rezistente până la 900°C. Se mai utilizează în energetica nucleară aliajele cu 50% Ti, 15% Cr și 35% V, 50% Ti, 10% Al și 40% V.

Aliaje dure

Sunt caracterizate printr-un conținut mare de metale neferoase, care împreună cu carbonul formează carburi foarte dure. Aceste aliaje au o duritate foarte mare de 75…80 HRC, refractaritate excelentă (rezistă până la temperaturi de 700…1000°C), au rezistență mare la uzură și prezintă în același timp așchiabilitate suficientă. Aliajele dure nu pot fi prelucrate decât prin turnare sau prin metalurgia pulberilor și ulterior prin așchiere.

1.4.5 Aluminiul

Denumirea aliminiului vine de la cuvântul latin alumen care înseamnă alaun sau piatră-acră, un sulfat dublu de aluminiu și potasiu utilizat ca astringent. Dintre savanții care au făcut cercetări pentru obținerea aluminiului îi amintim pe Oersted și Wӧhler. Wӧhler reia cercetările lui Oersted și în 1827 obține 30 g aluminiu pur dar abia în 1854, Saint-Claire Deville obține o cantitate industrială de aluminiu, combinând clorura de aluminiu cu sodiu. În anul 1886 inginerul francez Hérault și chimistul american Hall descoperă, independent unul de altul, procesul de obținere a aluminiului din bauxită, prin electroliză, care se utilizează și astăzi.

Aluminiul este cel mai răspîndit metal în scoarța pămîntului fiind prezent într-un procent de 7,5% în litosferă, iar dintre toate elementele este al treilea ca răspîndire, după oxigen și siliciu. Aluminiul se găsește numai sub formă de combinații din care se poate extrage cu mare consum de energie.

În natură aluminiul are următoarea răspândire (tabelul 1.6):

Tabelul 1.6 Răspândirea aluminiului în natură [6]

Aluminiul este un metal caracterizat prin plasticitate mare, conductibilitate termică și electrică bună, capacitate mare de reflexie, rezistență mare la coroziune până la temperaturi de 300…400°C (se acoperă cu o peliculă protectoare de Al2O3), turnabilitate slabă și sudabilitate bună. Principalele proprietăți ale aluminiului sunt prezentate în tabelul 1.7. Prin eloxare (aluminiu-oxid-electrolitic) se impregnează superficial cu diverse substanțe, obținându-se o varietate coloristică mare cu interes pentru bijuterii, obiecte de artă etc..

Tabelul 1.7 Proprietățile aluminiului

Aluminiul, prin deformare plastică la rece, se ecruisează, își dublează rezistența la rupere, micșorându-și plasticitatea. Atât fierul, cât și siliciul măresc fragilitatea aluminiului.

Aluminiu se folosește mai rar în stare pură: pentru conductoare electrice, la dezoxidarea oțelului, la sudarea aluminotermică, el se folosindu-se foarte des sub formă de aliaje binare sau complexe cu alte metale. Astfel, aluminiul formează în mod curent cinci grupe de aliaje binare: Al-Cu; Al-Mg; Al-Zn; mai rar Al-Fe; Al-Ni; Al-Ti și mai multe grupe de aliaje complexe: duraluminiu, aliaje de aluminiu pentru pistoane.[8]

În funcție de prelucrările pe care le pot suporta, aliajele de aluminiu se clasifică în:

aliaje de aluminiu deformabile, care la rândul lor pot fi: durificabile prin tratamente termice (Al-Cu); nedurificabile prin tratamente termice (Al-Mn; Al-Mg);

aliaje de aluminiu de turnătorie, care se pot durifica sau nu prin tratamente termice (Al-Cu; Al-Si; Al-Mn), efectul tratamentului scăzând pe măsura creșterii cantității de eutectic.

2. PROPRIETĂȚI ALE MATERIALELOR

Cunoașterea proprietăților și a factorilor care influențează aceste proprietăți ale materialelor prezintă o importanță deosebită pentru utilizarea optimă a acestora. Utilizarea diferitelor metale și aliaje în tehnică ține cont de valori determinate ale proprietăților materialelor metalice, valori obținute prin încercări de laborator.

Proprietățile materialelor poti fi clasificate în funcție de diferite criterii, astfel:

tehnologice: turnabilitatea, maleabilitatea, ductibilitatea, forjabilitatea, sudabilitatea, călibilitatea, așchiabilitatea;

fizice: densitatea, temperatura de topire, căldura specifică, căldura latentă, coeficientul de dilatare termică liniară, conductivitatea termică, conductivitatea electrică, rezistivitatea, magnetismul;

chimice: rezistența la coroziune, refractaritatea;

mecanice: rezistența mecanică, elasticitatea, rigiditatea, plasticitatea, tenacitatea, fragilitatea, duritatea, reziliența, fluajul, rezistența la oboseală, rezistența la uzare[13].

2.1 Proprietăți tehnologice

Proprietățile tehnologice se referă la capacitatea de prelucrarea a materialelor prin diferite procese tehnologice.

Turnabilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a trece din stare solidă în stare lichidă, de a curge, de a umple și reproduce prin solidificare întreaga cavitate; este influențată de:

fluiditate;

contracție;

temperatura de topire;

tendința de segregare.

Prin fluiditate se înțelege capacitatea de curgere a metalului sau a aliajului lichid și de umplere a formei, redând cele mai fine detalii ale cavității propriu-zise.

Contracția reprezintă micșorarea volumului materialului turnat, în urma solidificării. Aceasta poate fi de două feluri: volumică sau liniară. Contracția volumică constă în reducerea volumului metalului de la temperatura de turnare până la temperatura obișnuită. Contracția liniară face referire la reducerea dimensiunilor liniare ale unor piese cilindrice de la temperatura de turnare până la temperatura obișnuită.

Temperatura de topire este temperatura la care sub acțiunea căldurii, la presiune normală, metalele sau aliajele trec din stare solidă în stare lichidă, fiind specifică fiecărui material în parte.

Segregarea, un alt factor care influențează turnabilitatea, reprezintă fenomenul de separare a constituenților unui amestec; poate apărea în cazul turnării aliajelor.

Maleabilitatea reprezintă proprietatea metalelor și aliajelor de a fi ușor prelucrabile la rece pentru a fi transformate în foi subțiri, fără să se rupă sau să se fisureze. Se determină prin alungirea la rupere calculată la încercarea la tracțiune.

Exemple de metale maleabile: Sn, Au, Cu, Ag, Al etc.

Ductibilitatea este proprietatea pe care o are un material de a putea fi tras în fire subțiri prin trefilare. Trefilarea (sau tragerea) este un procedeu de deformare plastică la rece prin care se obțin sârme cu diametrul mai mic de 5 mm și constă în tragerea sârmei laminate printr-o sculă numită filieră (are diametrul mai mic decât diametrul sârmei).

Forjabilitatea reprezintă proprietatea metalelor și a aliajelor de a putea fi prelucrate prin deformare plastică la cald, respectiv la rece. Această proprietatea este influențată de: compoziția chimică a materialului, temperatura și viteza de deformare.

Deformarea plastică se poate realiza prin: laminare, trefilare, extrudare, forjare sau ștanțare.

Sudabilitatea este proprietatea unor materiale de a se îmbina prin sudare. Procesul de sudare (sudarea) este un proces de îmbinare nedemontabilă a două sau mai multe piese realizată prin stabilirea de legături de același tip cu cele din materialele de îmbinat.

Procesul se realizează prin activarea suprafețelor de îmbinat în prezența sau absența unui material de adaos.

Călibilitatea reprezintă proprietatea unor materiale de a deveni mai dure prin călire. Călibilitatea este indicată prin adâncimea stratului durificat. Prin călire se ințelege succesiunea de operații de încălzire la temperaturi supracritice urmate de răciri rapide (100-150C/s) în apă, ulei sau soluții apoase de săruri (NaCl, CaCl2, NaOH), în scopul îmbunătățirii unor proprietăți ale metalului sau aliajului care a fost supus acestui proces.

Așchiabilitatea

Prin așchiabilitate (prelucrabilitate prin așchiere) se ințelege proprietatea materialelor de a putea fi prelucrate prin așchiere. De asemenea, așchiabilitatea reprezintă capacitatea unui material de a permite modificarea formei sale corespunzător scopului propus, prin desprinderea de particule sau microparticule sub acțiunea unei forțe exterioare. În timpul procesului tehnologic de așchiere se obține modificarea formei și a dimensiunilor unor corpuri prin detașarea surplusului de material sub forma de așchii, în scopul obținerii unor suprafețe cu anumite configurații.

2.2 Proprietăți fizice

Proprietățile fizice sunt acele proprietăți care caracterizează natura materialelor. De asemenea proprietățile fizice determină modul de comportare a metalelor și aliajelor sub acțiunea diferitelor forțe, cum ar fi: gravitația, câmpul magnetic și electric etc.

Densitatea ()

Densitatea este o mărime fizică folosită pentru descrierea materialelor și este definită ca masa unității de volum. Unitatea de măsură a densității este g/cm3. Se determină cu relația (2.1):

(2.1)

Temperatura de topire (punctul de topire, t în C, T in K)

Temperatura de topire este temperatura la care sub acțiunea căldurii, la presiunea atmosferică normală, un metal pur trece din stare solidă în stare lichidă. Aliajele, spre deosebire de metale, sunt caracterizate de faptul că topirea se produce într-un anumit iterval, denumit interval de topire. În funcție de punctul de topire, materialele se împart în:

ușor fuzibile (temperatura de topire aproximativă 200-800C); cel mai ușor se topește potasiul la 63C; excepție face mercurul (Hg) care este lichid la temperatura ambiantă.

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

Căldura specifică (c)

Căldura specifică reprezintă cantitatea de căldură necesară unității de masă pentru a își modifica temperatura cu un grad, conform formulei (2.2). Unitatea de măsură este J/kggrd.

(2.2)

unde: Q=cantitatea de căldură;

m=masa materialului;

t=diferența de temperatură.

Căldura latentă de topire sau solidificare ()

Căldura latentă de topire (sau solidificare) este cantitatea de căldură necesară topirii (sau solidificării) unui kilogram de material. Se măsoară în J/kg.

Căldura latentă se determină cu ajutorul formulei (2.3):

(2.3)

unde: Q=cantitatea de căldură;

m=masa materialului.

Coeficientul de dilatare termică liniară ()

Coeficientul de dilatare termică liniară determină cantitatea cu care se dilată în lungime 1 cm dintr-un corp când îi crește temperatura cu 1C. Se determină cu relația (2.4):

(2.4)

unde: l0 este lungimea inițială în [m];

l este creșterea lungimii la o creștere a temperaturii cu t (l in m; t în C).

Lungimea totală a corpului în urma dilatării este exprimată prin relația (2.5):

l=l0+l=l0(1+t) (2.5)

2.2.6 Conductivitatea termică

Conductivitatea termică este mărimea fizică prin care se caracterizează capacitatea unui material de a ceda sau primi căldura atunci când este supus unei diferențe de temperatură.

Metalele sunt mai bune conducătoare de căldură (cele mai bune Cu și Al) în comparație cu nemetalele. Unele materiale sunt termoizolante, au o conductivitate termică scăzută (exemple: vata de sticlă, unele tipuri de cărămidă refractară). În general, materialele cu conductivitate termică mare au în același timp și o conductivitate electrică mare, și invers. De exemplu, metalele, buni conductori de electricitate sunt și buni conductori termici, iar sticla, materialele plastice, gazele conduc foarte puțin atât căldura cât și electricitatea. Există și excepții, de exemplu diamantul, are o conductivitate termică extrem de mare, în timp ce din punct de vedere electric este un excelent izolator, având o conductivitate electrică infimă. În identificarea diamantelor veritabile conductivitatea termică este un indiciu mai sigur decât celelalte proprietăți remarcabile, indicele de refracție și duritatea, ambele mari.

Unitatea de măsură a conductivității termice este [J/ms].

Conductivitatea electrică

Conductivitatea electrică este proprietatea metalelor și aliajelor de a conduce curentul electric și se măsoară în [S/m, S=Siemens]. Corpul sau materialul care conduce curentul electric se numește conductor electric. Metalele sunt bune conductoare electrice, iar dintre acestea conductivitatea cea mai mare o are argintul. Alte metale bune conductoare: Cu, Au, Al, W etc. Metale slab conductibile: Fe, Hg, Pb, Ti.

Rezistivitatea ()

Este proprietatea metalelor și aliajelor de a se opune trecerii curentului electric. Rezistivitatea este caracteristică fiecărui tip de material în parte, și se determină cu relația (2.6):

(2.6)

unde: R este rezistența electrică a materialului;

S este aria secțiunii transversale măsurate în m2;

l este lungimea materialului, măsurat în m.[13]

Magnetismul

Magnetismul este proprietatea materialelor magnetice, de a se magnetiza în prezența unui câmp magnetic. Prin încălzire la anumite temperaturi, numite puncte CURIE, metalele își pierd proprietățile magnetice (de exemplu Fe la peste 770C).

Materialele magnetice sunt acele materiale care prezintă proprietăți magnetice în prezența unui câmp magnetic. Acestea se împart în două mari clase:

materiale magnetic moi: cele care își pierd proprietățile magnetice după îndepărtarea câmpului magnetic;

materiale magnetic dure: cele care își păstrează proprietățile magnetice după îndepărtarea câmpului magnetic.

Una dintre mărimile caracteristice magnetismului este susceptivitatea magnetică. În funcție de valorile susceptivității materialele se împart în trei categorii:

materiale diamagnetice – au susceptivitatea magnetică foarte mică și negativă, de ordinul 10-3-10-5. Exemple: argint, cupru, zinc, sulf, fosfor, siliciu.

materiale paramagnetice – au susceptivitatea magnetică foarte mică, dar pozitivă, de ordinul 10-3-10-5. Exemple: oxigen, oxid de azot, seleniu, titan, vanadiu, crom, mangan, pământuri rare.

materiale feromagnetice – sunt acele materiale la care susceptivitatea magnetică nu mai este constantă, ea depinzând de intensitatea câmpului magnetic stabilit în interiorul lor. Majoritatea materialelor utilizate azi în tehnică, ajung la valori ale susceptivității magnetice de ordinul 104-105. Exemple: oțeluri aliate, oțeluri-carbon, diferite aliaje pe bază de fier, nichel, aluminiu, crom sau metale prețioase.[14]

2.3 Proprietăți chimice

Proprietățile chimice exprimă capacitatea metalelor și aliajelor de a rezista la acțiunea diferitelor substanțe chimice, a agenților atmosferici sau a temperaturilor înalte.

Rezistența la coroziune

Rezistența la coroziune este acea proprietate a materialelor de a rezista la acțiunea substanțelor chimice și a agenților atmosferici. Protecția anticorozivă se face prin:

alegerea unor materiale inoxidabile (ex. fonte sau oțeluri inoxidabile)

protecție anticorozivă: galvanizare, metalizare, placare, tratamente termochimice protectoare, vopsire, lăcuire, brunare, fosfatare etc.

Refractaritatea

Refractaritatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a-și menține relativ bine caracteristicile mecanice la temperaturi ridicate și de a nu forma la suprafața lor un strat de oxizi metalici de profunzime sau exfoliant.

2.4 Proprietăți mecanice

Proprietățile mecanice ale metalelor și aliajelor indică modul de comportare a acestora sub acțiunea diferitelor forțe exterioare la care sunt supuse.

Rezistența mecanică

Rezistența mecanică la rupere este proprietatea metalelor și aliajelor de a se împotrivi acțiunii forțelor exterioare care tind să le distrugă. Este considerată cea mai importantă proprietate a materialelor. Metalele sunt supuse la următoarele tipuri de solicitări mecanice: tracțiune (întindere), compresiune, încovoiere, răsucire (torsiune) etc. Pentru fiecare mod de solicitare se determină limita de rezistență la rupere. Sub acțiunea forțelor exterioare în interiorul metalelor se creează o stare tensională internă, care caută să echilibreze solicitarea externă. Rezistența la rupere se determină cu formula (2.7):

(2.7)

Unitatea de măsură pentru rezistența mecanică este [N/mm2].

Ruperea reprezintă fenomenul de fragmentare a unui corp sub acțiunea unor solicitări interne sau externe. Comportarea unui material față de acest fenomen este caracterizată de rezistența la rupere. Ruperea se poate produce în mai multe moduri în funcție de solicitarea la care este supus corpul, natura materialului și fenomenele care însoțesc ruperea. Ruperea materialelor metalice poate fi clasificată după mai multe criterii:

după modul cristalografic de rupere;

după aspectul ruperii;

după deformarea plastică ce precede ruperea

Primele două categorii se pot observa doar la nivel microscopic. La nivel macroscopic, ruperile pot fi clasificate după deformarea plastică ce precede ruperea astfel:

– ruperi fragile sau casante, produse prin clivaj și caracterizate prin suprafețe de rupere plane și perpendiculare pe direcția sarcinii aplicate; se produc brusc, fără deformații plastice prealabile;

– ruperi ductile, determinate de tensiunile tangențiale; se produc prin forfecare și sunt precedate întotdeauna de deformări plastice.

Elasticitatea

Elasticitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a se deforma sub acțiunea forțelor exterioare, și de a reveni la forma inițială, după ce solicitarea care a produs deformația și-a încetat acțiunea. Majoritatea metalelor și aliajelor sunt elastice, dar numai până la o anumită valoare a solicitării numită limită de elasticitate. Dacă nu se depășește limita de proporționalitate (are valoarea mai mică decât limita de elasticitate), atunci deformația este proporțională cu sarcina conform legii lui Hooke (relația 2.8):

=const (2.8)

unde: = tensiunea medie;

= deformația specifică medie;

E= modulul de elasticitate al lui Young.

Rigiditatea

Rigiditatea este proprietatea materialelor de a se opune deformațiilor elastice. Această proprietate este contrară elasticității. Măsura rigidității este dată de modulul de elasticitate longitudinal, E și transversal, G.

Plasticitatea

Plasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acțiunea sarcinilor exterioare, fără a mai reveni la forma inițială după îndepărtarea solicitării exterioare, rămânând astfel permanent deformate. Din acest punct de vedere, materialele pot fi:

plastice (ductile);

fragile.

S-a constatat experimental, că solicitând materialul cu tensiuni mai mari decât limita de elasticitate, la creșteri mici ale tensiunii creșterile deformației sunt mari astfel încât apare un fenomen de curgere a materialului.

Pentru ca un material metalic să ajungă în zona de plasticitate este obligatoriu să treacă prin zona de elasticitate, deci deformația specifică totală are două componente, una elastică și una permanentă.

Tenacitatea

Tenacitatea este proprietatea materialelor și aliajelor de a rezista la diferite eforturi, inclusiv cele dinamice (prin șoc), deformându-se mult înainte de rupere.

Tenacitatea materialelor depinde de natura lor, natura solicitărilor (statice sau dinamice), temperatura la care se găsește materialul și viteza de realizare a lucrului mecanic.

Cea mai mare tenacitate, sau rezistență la rupere, revine în ordine descrescătoare metalelor:W, Mo, Ta, Zr, Nb, Ti, Co, Ni, Pd, Fe, Cu, Ag, Au, Al, etc., iar cea mai mică tenacitate o au Bi, Tl, Pb, In, Ga și Sn.

Fragilitatea

Fragilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a se rupe brusc sub acțiunea sarcinilor, fără să se deformeze plastic în prealabil; este proprietatea opusă plasticității. Fragilitatea nu este o proprietate absolută a materialului, ea poate să apară sau să dispară în raport cu factorii care influențează procesul deformării. De exemplu wolframul este fragil la temperatura ambiantă, dar devine plastic și ductil la temperaturi înalte.

Duritatea

Duritatea este proprietatea materialelor de a opune rezistență la pătrunderea în straturile de la suprafața lor a unui corp din exterior, mai dur și nedeformabil. Caracterizează rezistența la uzură.

Principalii factori care determină duritatea sunt natura materialului metalic, structura sa, temperatura și tipul solicitării (statică și dinamică).

Duritatea este principalul factor ce determină rezistența la uzare a unui material, în special la uzură abrazivă (prin așchiere și zgâriere exercitată de particule dure, prin deformare plastică etc.) și uzură de aderență (sudarea suprafețelor prin frecare).

Reziliența

Reziliența (rezistența la șoc) este proprietatea materialelor și aliajelor de a rezista la sarcini dinamice. Caracterizează și gradul de fragilitate al aliajului. Reziliența se notează cu KCU sau cu KCV în funcție de forma crestăturii din epruvetă (figura 2.1).

Fig. 2.1 – a) crestătură în „U” b) crestătură în „V”

Reziliența se determină cu formula (2.9):

KCV= (2.9)

unde: Wr este energia la rupere

S0 este aria secțiunii transversale.

Reziliența se exprimă în J/cm2.

Fluajul

Fluajul este proprietatea materialelor metalice de a se deforma în timp, lent și continuu sub acțiunea unor sarcini constante.

Fluajul se întâlnește la multe metale la temperaturi ridicate dar sunt și materiale (ca plumbul, betonul și anumite mase plastice) la care fenomenul se produce chiar și la tamperatura ambientală.

Deformarea plastică începe la limita de curgere și continuă numai dacă tensiunea aplicată crește permanent.

Dacă sarcina aplicată acționează timp îndelungat (zile, luni, ani) s-a constatat că metalul se deformează și la sarcini mai mici decât limita de curgere și chiar dacă sarcina este menținută constantă.

Rezistența la oboseală

Rezistența la oboseală este proprietatea materialelor de a suporta acțiunea unor solicitări variabile repetate sau ciclice.

Rezistența la oboseală se determină prin reproducerea ciclului de solicitare la care este supus un material și repetarea acestuia până la un număr aproximativ egal cu N=107. Se consideră că dacă materialul nu cedează până la acest număr de repetări, acesta nu va ceda pe toată durata sa de viață.

Rezistența la uzare

Rezistența la uzare este proprietatea metalelor și aliajelor de a rezista la acțiunea de distrugere prin frecare a suprafețelor lor. Aceasta crește proporțional cu duritatea.

În funcție de viteza relativă dintre suprafețele în contact și de factorii exteriori de acțiune se deosebesc următoarele tipuri de uzură: de aderență, termică, abrazivă, oxidare, ciupituri, de contact și de cavitație.

Această proprietate se poate îmbunatăți prin aliere, tratamente termice și termotehnice, tratamente mecanice, acoperiri superficiale etc.

Proprietățile aliajelor de aluminiu

Aliaje de aluminiu deformabile

Din această grupă fac parte aliajele: Al-Cu; Al-Mn; Al-Mg; Al-Zn și aliajele complexe. Aliajele de aluminiu deformabile sunt cele care conțin cantități mari de aluminiuși pot fi monofazice sau bifazice.

Unele aliaje de aluminiu, deformabile, bifazice, se pot durifică prin precipitare după călirea de punere în soluție (îmbătrânirea aliajelor de aluminiu prin descompunerea soluției solide suprasaturate).

Aliaje binare Al-Cu

Solubilitatea maximă a cuprului în aluminiu este de 5,65% Cu la temperatura de 548°C. Această solubilitate scade pe măsura scăderii temperaturii, ajungând la temperatura mediului ambiant la 0,5% Cu.

Aliajele Al-Cu cu maximum 0,5% Cu sunt aliaje monofazice, au plasticitate mare și nu pot fi durificate prin tratamente termice.

Aliajele cuprinse între 0,5 și 5,65% Cu sunt aliaje bifazice ce pot fi deformate la cald sau la rece imediat după răcirea lor cu viteză mare (călire).

În urma încălzirii lente sub linia de variație a solubilității, după răcirea cu viteză mare (călire de punere în soluție), structura acestor aliaje revine la echilibru, duritatea și fragilitatea cresc, aliajele devenind nedeformabile. Deci, aceste aliaje prin călire de punere în soluție devin moi, putându-se deforma plastic cu ușurință, iar prin încălzire sub linia de variație a solubilității (îmbătrânire) se durifică accentuat.

Aliaje binare Al-Mn

Aliajele de aluminiu care conțin 1…1,6% Mn sunt aliaje deformabile. Aceste aliaje prezintă o variație foarte slabă a solubilității manganului în aluminiu, de aceea nu se pot durifica prin tratamente termice.

Manganul mărește rezistența la rupere, îmbunătățește rezistența la coroziune și favorizează obținerea unei structuri fine în piesele ecruisate și recoapte. Creșterea cantității de Mn peste limitele amintite determină scăderea plasticității și mărirea fragilității aliajelor Al-Mn, prin deformarea unor cristale foarte dure de Al-Mn.

Aliaje binare Al-Zn

Aliajele Al-Zn conțin până la 7,5% Zn, precum și cantități mai mici de magneziu, cupru, mangan și zirconiu. Sunt aliaje de mare rezistență mecanică (Rm < 65 daN/mm2), având și o bună sudabilitate. Se prelucrează ușor prin extrudare.[8]

Aliaje binare Al-Mg

Solubilitatea maximă a Mg în Al este de 14,9 % Mg la temperatura de 450 C și scade la 1% Mg la temperatura mediului ambiant. Cu toate acestea, aliajele Al-Mg nu se durifică prin tratamente termice. Aliajele Al-Mg au greutate specifică inferioară aluminiului, rezistență mecanică mai mare și așchiabilitate mai bună decât aluminiul. Aceste aliaje sunt deformabile plastic la rece chiar și după ecruisare deci, ele se pot lamina la rece prin mai multe treceri fără să se producă fragilizarea lor datorită ecruisării. Se folosesc aliaje Al-Mg deformabile cu 2,5…12% Mg, sub formă de profile, table, benzi, tuburi laminate, la fabricarea rezervoarelor în industria chimică și alimentară, aeronautică, la fabricarea caroseriilor de autovehicule.

Aliajele care conțin peste 15% Mg au o fragilitate accentuată datorită compusului chimic dur și fragil Al3Mg2.[12]

Aliaje de aluminiu durificabile

prin tratamente termice

Specific aliajelor de aluminiu complexe din această grupă este aliajul denumit duraluminiu, care este un aliaj pe bază de Al-Cu-Mg aliat cu Mn și Fe (3.8…4,8% Cu, 0,4…0,8% Mg, 0,4…0,8% Mn, maximum 0,7% Si și maximum 0,7% Fe).

Duraluminiul este un aliaj deformabil plastic și durificabil prin tratamente termice, pe măsura creșterii conținutului de Cu și Mn posibilitatea durificării prin precipitare (călire și îmbătrânire) crește, însă se micșorează plasticitatea și deci prelucrabilitatea prin deformare plastică.

Duraluminiul se deformează plastic (în general la temperatura de 450…480°C). Duraluminiul este un aliaj cu proprietăți mecanice bune, are rezistanța mecanică R = 42…50 daN/mm2, în schimb prezintă rezistență la coroziune mai mică decât aluminiul, de aceea piesele din duraluminiu se plachează cu aluminiu pur.[11]

Duraluminiul se folosește pe scară largă în aeronautică, în realizarea elicelor, fuzelajelor, rezervoarelor etc. (figura 1.5).

Fig. 1.5 Duraluminiul utilizat în construcția fuzelajelor

Din categoria aliajelor complexe de aluminiu durificabile mai fac parte și aliajele de aluminiu cu rezistență mecanică mare, din sistemul Al-Cu-Mn-Zn și aliajele de Al rezistente la temperaturi înalte Al-Cu-Mg-Ni-Fe, folosite la confecționarea pistoanelor, chiulaselor.

Nichelul conferă acestor aliaje un coeficient de dilatare redus și refractaritate bună. În același standard sunt cuprinse și mărcile de aliaje complexe de aluminiu cu rezistență mecanică mare și refractaritate bună.

Aliajele de aluminiu complexe se laminează la cald sau se extrudează la rece sub formă de bare rotunde, hexagonale, table, profile.

Aliaje de aluminiu pentru turnare

Aliajele pentru turnare sunt aliaje binare Al-Cu, AlSi, Al-Mg și aliaje complexe, care conțin o cantitate mai mare de elemente de aliere decât aliajele deformabile și au în structură obligatoriu eutectic.

Sunt aliaje bifazice hipoeutectice, eutectice sau hipereutectice care posedă proprietăți de turnare foarte bune, fluiditate bună, tendință de segregație mică, compactitate bună și rezistență mare la tensiunile de contracție după turnare.

Aliajele de aluminiu pentru turnătorie pot fi sau nu durificate prin tratamente termice, în funcție de natura și cantitatea componentelor. Aliajele care pot fi durificate prin îmbătrânire prezintă un efect al durificării mai scăzut decât la aliajele deformabile, efect ce scade pe măsura creșterii cantității de eutectic.

Aliajele Al-Cu pentru turnare conțin 8…12% Cu și se întrebuințează la fabricarea pieselor turnate: pistoane, cuzineți. Aceste aliaje au rezistență mecanică bună, însă posedă reziliență scăzută. Pentru a îmbunătăți reziliența se adaugă cantități mici de Mn, Mg sau Ti.

Aliajele Al-Si (siluminuri). La temperatura de 577 C, siliciul dizolvă maxim 1,65% Si, iar la temperatura ambiantă, siliciul este insolubil în aluminiu. Aliajele Al-Si prezintă proprietăți de turnare foarte bune, au fluiditate mare, contracție mică la solidificare și capacitate mică de absorbție a gazelor.

Aliajele Al-Si nu se pot durifica prin tratamente termice datorită solubilității foarte scăzute a Si în Al. Cele folosite pentru turnare sunt aliaje hipereutectice, apropiate de concentrația eutecticului, care conțin 12…13% Si, cu structură formată din eutectic în care sunt inserate plăci și ace de Si.

Proprietățile mecanice ale aliajelor de Al-Si hipereutectice sunt slabe datorită prezenței cristalelor de siliciu. Pentru a îmbunătăți proprietățile, se adaugă în momentul turnării la temperatura de 780…800°C, o cantitate mică de sodiu metalic (0,08…0,12% din greutatea întregului aliaj) sau o cantitate de 1-2% din greutatea aliajului de amestec de NaF și NaCI în raport de 2/3.

Această operație se numește „modificare”, iar substanțele respective care se adaugă se numesc „modificatori”. În urma modificării rezistența la rupere crește de la 15 la 20 daN/mm2, iar alungirea crește de 3 la 8%. Pentru a mări rezistența mecanică a siluminurilor se folosesc adaosuri de Cu, Mn și Mg, obținându-se aliaje ce pot fi durificate prin tratamente termice cu proprietăți mecanice superioare.

Aliajele de aluminiu complexe de tipul duraluminiului, aliajele de aluminiu de mare rezistență mecanică sau aliajele de aluminiu refractare se pot prelucra foarte bine și prin turnare, când se obțin piese cu rezistența mecanică bună, rezistente la coroziune și la temperaturi înalte, cu conductivitate electrică mare, cu rezistență mare la uzare, cum sunt: pistoanele sau chiuloasele.[11]

3. TRATAMENTE TERMICE ȘI ÎNCERCĂRI MECANICE APLICATE ALIAJELOR NEFEROASE

3.1 Tratamente termice

Scopul oricărui tratament termic este ca prin încălzirea unui produs până la o anumită temperatură și răcirea ulterioară în condiții determinate, să se producă o modificare dorită a structurii lui metalice. Pentru aceasta este necesar ca în timpul operației de încălzire să aibă loc acele transformări care sunt indicate în diagrama de echilibru a sistemului de aliaje respectiv. De aceea, diagramele de echilibru reprezintă baza pentru studiul proceselor de tratament termic.[15]

Orice tratament termic poate fi reprezentat în sistemul de coordonate temperatură-timp, printr-un așa-numit ciclu de tratament termic sau ciclogramă de tratament termic (figura 3.1)

Fig. 3.1 Reprezentarea grafică a unui ciclu elementar de tratament termic [3]

Parametrii de bază ai unui tratament termic sunt:

temperatura de încălzire (Tînc.);

viteza de încălzire (Vînc.);

durata de încălzire ();

durata de menținere ();

durata de răcire ();

viteza de răcire (Vrăc.);

natura mediului de încălzire.

Tratamentele termice care se pot practica aliajelor neferoase se pot grupa în două categorii:

-tratamente termice de recoacere;

-tratamente de durificare

Materialele și aliajele neferoase se pretează mai mult prin procedee de deformare plastică. Se știe că după aceste deformări structura materialului, precum și proprietățile nu mai sunt corespunzătoare de aceea se aplica recoacerea de recristalizare cu scopul de a reface structura inițiala. Temperatura de recristalizare a Al este intre 100 și 300 °C, iar la aliajele de Al este intre 300 și 400 °C.

3.1.1 Călirea

Căliri sunt denumite tratamentele termice constând în încălziri la temperaturi situate în, sau deasupra intervalului transformărilor de fază în stare solidă și răciri cu viteze mari aplicate semifabricatelor, pieselor si sculelor, în scopul aducerii lor într-o stare structurală și de tensiuni îndepărtate de cea de echilibru termodinamic, corespunzătoare unor caracteristici tehnologice și de exploatare care nu pot fi asigurate produselor cu structură apropiată de cea de echilibru.[15]

3.1.2 Revenirea și îmbătrânirea

Revenirea și îmbătrânirea sunt tratamente termice care constau în încălziri și mențineri la temperaturi, astfel stabilite, încât să se realizeze stări structurale și de tensiuni apropiate de starea de echilibru, în scopul realizării unor anumite valori ale caracteristicilor tehnologice sau de exploatare.

Revenirea, tratament termic aplicat de regulă produselor pe bază de fier, conținând carbon și elemente de aliere, călite în prealabil martensitic, se realizează prin încălziri la temperaturi inferioare punctului de fierbere, în condiții în care se produce și un grad determinat de detensionare, prin eliminarea parțială sau aproape totală a tensiunilor formate în timpul călirii martensitice.

Îmbătrinirea, tratament termic aplicat de regulă produselor din aliaje neferoase călite pentru punere în soluție și celor din aliaje feroase cu conținut foarte scăzut de carbon călite pentru punere în soluție sau martensitic, se realizează atât prin mențineri relativ îndelungate la temperatura ordinară, cât și prin încălziri în condiții în care se produce un anumit grad de descompunere a soluțiilor solide suprasaturate, precum și un anumit grad de detensionare.

Acest tratament termic de îmbătrânire îmbunătățește proprietățile mecanice și anticorosive ale aliajului și constă într-o durificare structurală. El poate fi realizat prin menținere la temperatura ordinară, numindu-se îmbătrînire naturală, sau realizat prin încălzire, numindu-se îmbătrînire artificială.[16]

3.1.3. Recoacerea

Recoaceri sunt denumite acele tratamente termice care se aplică semifabricatelor, pieselor și sculelor cu forma brută, tehnologică, cu scopul aducerii lor într-o stare structurală și de tensiuni apropiată de cea de echilibru corespunzătoare caracteristicilor tehnologice și de exploatare prescrise, potrivit condițiilor de prelucrare pentru realizarea pieselor sau sculelor cu formă finita, funcțională și condițiilor de exploatare în serviciu.

Tablele, profilurile, platbenzile etc. se obțin prin laminare sau presare la cald sau la rece, după care, pentru îndreptare, sunt supuse operației de întindere. Datorită eforturilor la care sunt supuse aceste materiale în timpul fabricării lor, în special la rece (laminare, trefilare, etc.), apar fenomene care le modifică structura și le provoacă tensiuni interne, ecruisare sau durificare structurală. Pentru recăpătarea proprietăților, aliajele de aluminiu, după procesul de deformare plastică, sunt supuse tratamentului termic de recoacere, în urma căruia se obțin caracteristici de plasticitate maximă, reducându-se în același timp rezistența la rupere și curgere. Influența tratamentului de recoacere este cu atât mai mare cu cât fenomenul de durificare din timpul prelucrării plastice este mai mare. La deformările plastice realizate la cald, influența acestui tratament asupra caracteristicilor mecanice ale semifabricatului este mult mai mică decât la cele deformate la rece.

Timpul de încălzire variază în funcție de dimensiunile și grosimea pereților piesei, de instalația de încălzire și de mediul de contact.

Introducerea pieselor în cuptoarele de încălzire trebuie să se facă la temperatura prescrisă. Acestea trebuie să fie curățate de murdărie și ulei și să fie așezate în rastele care să permită un bun contact cu mediul în care se încălzesc.

Tratamentul pieselor este bine să se facă după sortarea lor pe dimensiuni, în așa fel ca timpul de menținere în baie să fie egal pentru tot lotul.

Răcirea pieselor și semifabricatelor după tratamentul de recoacere în băile de salpetru se recomandă să se facă în băi de apă, pentru a executa în acest timp și spălarea lor.

La răcirea aliajelor se va avea în vedere ca temperatura pieselor din băi să nu fie mai mare de 200°C, pentru a nu se produce, în contact cu mediul de răcire, o călire parțială. Aceste aliaje se răcesc numai în aer, pentru că în contact cu apa li s-ar scădea brusc temperatura și deci s-ar căli.

Încercări aplicate aliajelor

Folosirea în practică a diferitelor metale și aliaje nu este posibilă fără cunoașterea metodelor de încercare, de determinare a valorilor caracteristice a materialelor. Rezultatele încercărilor furnizează datele necesare pentru alegerea materialului corespunzător dar și pentru determinarea cauzelor de avarii și defecțiuni. Încercările trebuie să fie simple și rezultatele lor să se poată interpreta ușor. Se pot împărți după diferite criterii și anume:

după tipul solicitării (statice și dinamice);

după temperatură (la cald sau la rece);

după caracteristicile care se urmăresc (mecanice, tehnologice, defectoscopice, încercări fizice, chimice, analize metalografice sau röentgenografice).

3.2.1 Încercările mecanice

Încercările mecanice se efectuează cu scopul de a determina modul de comportare a metalelor și aliajelor sub acțiunea unor sarcini mecanice exterioare aplicate static sau dinamic, rezultatele încercărilor fiind exprimate prin valori numerice concrete. Încercările mecanice sunt: 1. statice:

încercarea la tracțiune;

încercarea la compresiune;

încercarea la flambaj: este o variantă a încercării la compresiune; epruvetele au lungimea de 16 ori mai mare decât diametrul;

încercarea la forfecare;

încercarea de rupere la fluaj;

încercări de duritate:

metoda Brinell

metoda Vickers

metoda Rockwell.

dinamice:

tracțiune prin șoc;

compresiune prin șoc;

încovoiere prin șoc (reziliență);

încercări de duritate cu sarcina dinamică:

metoda Poldi

metoda Shore.

încercări la oboseală:

de tracțiune

de compresiune

de tracțiune-compresiune

de încovoiere

de răsucire.[13]

Încercări de duritate

Metoda Brinell

Una dintre cele mai utilizate metode de determinare a durității este metoda Brinell. Aceasta se aplică atât aliajelor fier-carbon cât și aliajelor neferoase.

Această metoda constă în apăsarea unei bile, cu diametrul D, asupra piesei de încercat, cu o forță F, aplicată perpendicular pe suprafața piesei și măsurarea diametrului d al urmei lăsate de bilă după îndepărtarea forței. Bila folosită ca și penetrator este din oțel călit.

Schema încercării prin metoda Brinell este prezentată în figura 3.2.

Duritatea Brinell – notată HB – se exprimă prin raportul dintre forța aplicată și aria calotei sferice imprimată în material de către bilă conform formulei (3.1)[17]:

(3.1)

unde: F este forța de apăsare a penetratorului măsurată în daN;

D este diametrul bilei, măsurat în mm;

d este diametrul amprentei, măsurat în mm.

Fig. 3.2 Schema încercării durității prin metoda Brinell

Bila confecționată din oțel călit, trebuie să aibă o duritate cu minimum 70% mai mare decât duritatea materialului de încercat.

Diametrele bilelor montate în capul penetrator și abaterile acestora sunt prezentate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1 Diametrul bilei utilizate la încercarea de duritate Brinell.

Grosimea piesei studiate (h) trebuie să fie de cel puțin 8 ori mai mare decât adâncimea de pătrundere a bilei și se exprimă prin formula (3.2):

(3.2)

Pentru a obține rezultate comparabile, sarcinile utilizate, în funcție de diametrul bilei, trebuie să satisfacă relația (3.3):

(3.3)

unde: k este o constantă numită grad de solicitare.

Principalii parametrii ai încercărilor de duritate pentru diferite materiale folosind metoda Brinell sunt prezentați în tabelul 3.2.

Tabelul 3.2 Parametrii încercării de duritate Brinell [17]

Aparatură, epruvete

Aparatul folosit pentru determinarea durității prin metoda Brinell este de fabricație „Balanța” Sibiu. Sarcina maximă de încercare pe care o poate aplica aparatul este de 3000 daN, iar timpul de menținere a sarcinii poate fi reglat între 15, 30 și 45 de secunde, cu descărcare automată.

Epruveta se așează pe un suport rigid pentru a evita orice deplasare în timpul încercării. Se aduce bila în contact cu epruveta, aplicându-se sarcina în mod lent și progresiv, fără șocuri și vibrații. Timpul de menținere necesar încercării este indicat în tabelul 3.2, ca fiind funcție de natura materialului de încercat.

Pentru determinarea durității Brinell se execută un număr de cel puțin 3 amprente pe aceeași suprafață a epruvetei.

Măsurarea diametrului amprentei se face cu ajutorul lupei Brinell și la fiecare amprentă se măsoară două diametre perpendiculare, admițându-se o diferență de maxim 2% între cele două diametre. Diametrul amprentei se consideră medie aritmetică a celor două diametre măsurate pe direcții perpendiculare. În funcție de parametrii încercării, valoarea durității se deduce din tabele standardizate. Corespondența între valoarea diametrului amprentei d și valoarea durității Brinell se găsește în anexa numărul 1.

În unele cazuri apar erori de citire datorită impreciziei de vizualizare a conturului amprentei, deoarece se pot forma amprente cu marginile bine determinate sau fără formă riguros sferică.

Duritatea Brinell în condiții normale de încercare (D=10mm; F=3000daN; t=15s) se indică prin simbolul HB, iar în alte condiții de încercare, acest simbol se completează cu un indice ce reprezintă diametrul bilei, sarcina de încercare și timpul de menținere a sarcinii; (exemplu: 270 HB 5/750/30).

Rezultatele încercării trebuie să fie media aritmetică a cel puțin trei încercări succesive pe fața aceleiași epruvete.

Măsurarea diametrului urmei d se face cu o precizie de 0,1 mm.

Metoda Vickers

Metoda de determinare a durității Vickers utilizează ca penetrator o piramidă de diamant cu baza un pătrat. Deoarece diamantul are cea mai mare duritate dintre toate materialele utilizate în industrie, metoda poate fi aplicată fără limite la determinarea durității. Se recomandă, îndeosebi, la determinarea durității materialelor ce au duritatea probabilă mai mare de 300 daN/mm2. La materialele a căror duritate este mai mică decât aceasta valoare se folosește metoda Brinell.

Metoda Vickers se aseamănă, în principiu cu metoda Brinell. Ea constă în apăsarea unui penetrator cu o viteză redusă și cu o anumită forță predeterminată F pe suprafața materialului de încercat. Duritatea Vickers, simbolizată cu HV, se exprimă prin raportul dintre forța aplicată F și aria suprafeței laterale a urmei produse de penetrator. Urma este considerata ca o piramidă dreaptă cu baza patrat, cu diagonala d, având la vârf același unghi cu cel al penetratorului.

Unghiul la vârf al penetratorului, măsurat între două fețe opuse, este de 136o și a fost ales de așa manieră încât să se stabilească o legatură cu duritatea Brinell.

Duritatea Vickers se determina cu relatia (3.4) [18]:

(3.4)

Exprimând suprafața S a urmei lăsate de penetrator, în funcție de diagonala d, se obține relația (3.5) de calcul a durității Vickers:

(3.5)

La încercarea Vickers, folosind penetratoare cu unghiuri identice la vârf, se obțin urme geometric identice oricare ar fi forța de încercare și, ca urmare, se poate spune că duritatea este independentă de mărimea sarcinii. Cu toate acestea, din motive practice, anumite standarde au prescris diferite sarcini discrete și, din acest punct de vedere, încercările Vickers sunt clasificate astfel: încercări normale de duritate Vickers, încercări de duritate Vickers cu sarcini mici, încercări de duritate Vickers cu microsarcini (microduritate Vickers). Mărimea sarcinilor de încercare pentru fiecare dintre aceste variante de determinare a durității sunt prezentate in tabelul 3.4.

Tabelul 3.4 Sarcini de încercare folosite la metoda Vickers [18]

Adâncimea de penetrare a piramidei Vickers în material este de numai 1/7d. Datorită adâncimii mici de pătrundere a penetratorului în material, metoda poate fi utilizată și pentru determinarea durității pieselor mici, subțiri, a straturilor tratate termic, depuse galvanic etc.

La determinarea durității Vickers există nenumărate surse de erori. Una dintre acestea este influența reciprocă a urmelor învecinate. Pentru evitarea acestei influențe, prin zonele durificate din jurul urmei, se recomandă păstrarea distanțelor "b" între centrele urmelor învecinate și a distanțelor "c" (figura 3.3) dintre centrul urmelor și marginea piesei (tabelul 3.5).

Fig. 3.3 Distanțele recomandate pentru evitarea erorilor

Tabelul 3.5 Distanțele recomandate pentru evitarea erorilor

Grosimea piesei de încercat sau a stratului trebuie să fie de cel puțin 1,5d, adică de aproximativ 10 ori adâncimea de pătrundere a penetratorului, pentru a evita influența suportului de sprijin a piesei asupra durității.

Aparatură, epruvete

Încercarea Vickers diferă de încercarea Brinell numai prin forma penetratorului și mărimea sarcinilor de încercare. De aceea multe aparate de încercare a durității sunt construite pentru a fi utilizate pentru ambele metode.

Pentru determinarea durității Vickers se execută cel puțin trei încercări. Pentru fiecare urmă măsurată se determină duritatea, din tabele, iar duritatea finală va fi media durităților parțiale obținute la fiecare dintre aceste măsurători. Duritatea Vickers se indică cu o precizie de 0,1 HV, pentru durități sub 100 HV, iar pentru durități mai mari numai prin cifre întregi. Valoarea durității este urmată de simbolul determinării HV urmat de un prim indice reprezentând sarcina de încercare, exprimată în daN, și de un al doilea indice care reprezintă durata de menținere "t" a sarcinii de încercare, exprimată în secunde. Spre exemplu, notația 290 HV 30/15 are semnificația: 290 reprezintă valoarea durității, 30 sarcina de încercare iar 15 este timpul de menținere sub sarcină a penetratorului.

Metoda Rockwell

Prin metoda Rockwell s-a urmărit atât simplificarea metodologiei de determinare a durității materialelor și reducerea timpului necesar efectuării încercării, cât și posibilitatea aplicării ei pentru toate categoriile de materiale, indiferent de duritatea probabilă pe care o au. În cazul metodei Rockwell, duritatea nu se calculează pe baza raportului dintre forța aplicată asupra penetratorului și aria urmei lasată de acesta pe material, ci pe baza măsurării adâncimii urmei lasate, măsurată față de un plan de referință ales convențional.

Metoda constă în imprimarea, intr-un material, a unui penetrator, de formă dată sub acțiunea unei sarcini. Procesul se desfășoară în două etape. În prima etapă se aplică o sarcină F0 penetratorului, după care dispozitivul de măsurare a adâncimii este adus la zero. În a doua etapă se aplică suprasarcina F1. În practică, durata totală de menținere a sarcinii totale de încercare F=F0+F1, este recomandată a fi de 15, 30, 60 de secunde în funcție de material.

Notarea durității Rockwell se face astfel:

HRC – când penetratorul este con de diamant;

HRB – când penetratorul este bilă de oțel.[18]

Duritatea Rockwell se calculează pe baza adâncimii de pătrundere e. Cu cât un corp este mai dur, cu atât deformațiile plastice sunt mai mici în raport cu cele elastice, deci adâncimea remanentă de pătrundere e a penetratorului este o mărime invers proporțională cu duritatea materialului încercat.

Duritatea Rockwell reprezintă diferența dintre o adâncime convențională E și adâncimea pătrunderii remanente e a penetratorului sub suprasarcina F1.

(3.6)

unde: E este o constantă (o mărime aleasă în mod convențional);

e este adâncimea remanentă de pătrundere, exprimată în unități Rockwell; o unitate Rockwell este egală cu 2m.

Constanta E are valoarea de 100 daN în cazul încercării Rockwell B și 130 daN în cazul încercării Rockwell C.

Aparatură, epruvete

Penetratorul se alege în funcție de duritatea probabilă a materialului. Astfel pentru oțeluri călite, oțeluri speciale, benzi subțiri din oțel călit, metale dure se utilizează ca penetrator un con de diamant cu unghiul la vârf de (120±0,5). Pentru oțeluri carbon obișnuite, table, bronzuri, alame speciale, se alege ca penetrator o bilă din oțel călit cu diametrul D=(1,588±0,004)mm. Duritatea acestei bile trebuie să fie aproximativ de 850HV10 pentru a nu se deforma inadmisibil în timpul încercărilor. Caracteristicile diferitelor scări de determinare a durității Rockwell sunt prezentate în tabelul 3.6:

Tabelul 3.6 Sarcini aplicate în determinarea durității Rockwell

Pentru determinarea durității Rockwell se realizează cel puțin trei încercări, stabilindu-se pentru fiecare urmă, duritatea corespunzătoare. Duritatea finală este media durităților parțiale, obținute la fiecare măsurare. Pentru indicarea durității se folosește simbolul HR urmat de o literă corespunzătoare încercării respective. De exemplu, 85 HRB corespunde unei durități de 85 unități Rockwell măsurate pe scara B, iar 56 HRC corespunde unei durități de 56 unități Rockwell măsurată pe scara C.

3.2.3 Încercări de reziliență

Încercarea are drept scop determinarea tenacității metalelor și aliajelor, precum și a caracterului ruperii: ductilă sau fragilă.

După tratamentul termic o serie de aliaje devin fragile, fragilitate ce nu poate fi determinată prin încercări statice, ci numai prin încercarea de reziliență.

Încercarea de reziliență constă în ruperea unei epruvete cu crestătura în U sau în V, așezată liber între două reazeme, cu ajutorul unui ciocan pendul, dintr-o singură lovitură.

Pentru ruperea epruvetei este necesară o anumită cantitate de energie inițială, energia de rupere. Reziliența, notată cu KCU sau KCV, se definește ca raportul dintre energia Wr consumată la ruperea epruvetei și aria secțiunii inițiale transversale a epruvetei S0 în dreptul planului de simetrie al crestăturii și se calculează cu formula (3.7) [18]:

(3.7)

Energia de rupere va fi mai mare sau mai mică în funcție de natura materialului, tenace sau fragil. Condițiile încercării de încovoiere prin șoc pe epruvete cu crestătura în U și în V sunt standardizate.

Aparatură, epruvete

Aparatul utilizat pentru încercarea de încovoiere prin șoc a epruvetelor cu crestătura în U sau V este ciocanul pendul Charpy, (figura 3.4).

Fig. 3.4 Ciocanul pendul Charpy [18]

1- ciocanul pendul (berbecul), 2- ax, 3- opritor, 4- epruveta, 5,6- reazeme,

7- maneta de oprire, 8- ecran gradat, 9- ac indicator

Ciocanul pendul (berbecul), oscilează în jurul axului, unde se consideră frecarea nulă. Când ciocanul se ridică în poziție de lucru, se fixează cu ajutorul opritorului. Epruveta se așează pe cele două reazeme. După eliberarea ciocanului din poziția de lucru, berbecul lovește epruveta, o rupe și își continuă mișcarea oscilatorie până când va fi oprită maneta de către o curea fixată pe postament.

Ciocanul pendul (berbecul), ridicat la înălțimea h0, acumulează o energie potențială egală cu valoarea produsului dintre greutatea sa și înălțimea la care este ridicat.

Eliberând pendulul din poziția de lucru prin deblocarea opritorului, acesta cade liber și lovește epruveta. După ruperea epruvetei, ciocanul își continuă drumul ridicându-se la înălțimea h1.

Diferența dintre energia potențială inițială a ciocanului și cea finală va fi:

(3.8)

(3.9)

unde: G este greutatea pendului, kg;

h0 este înălțimea inițială, m;

h1 este înălțimea la care se ridică pendulul după ruperea epruvetei.

Ținând cont de raza de mișcare a ciocanului și de unghiurile corespunzătoare pozițiilor inițiale și finale ale pendulului, se calculează energiile potențiale cu relațiile (3.10), (3.11):

(3.10)

(3.11)

Lucrul mecanic efectuat pentru ruperea epruvetei este diferența acestor energii:

(3.12)

unde G și l sunt constante ale aparatului, astfel încât trebuie să se înregistreze numai valorile unghiului, care sunt măsurate de acul indicator 9.

Cadranul aparatului este divizat în unități de lucru mecanic și indică direct lucrul mecanic W care s-a consumat pentru ruperea epruvetei încercate.

Prelucrarea probelor se face numai prin așchiere, evitându-se încălzirea materialului. Crestătura în U se poate executa și prin găurire sau tăiere. Se admite execuția crestăturii prin frezare, urmată de o rectificare pentru a elimina rizurile obținute pe piesă în urma așchierii orientate după generatoarea crestăturii.

Reziliența, în cazul general, se indică prin simbolul KCU, urmat de valorile W0, h și b, separate prin câte o linie oblică (/).

De exemplu, KCU 150/2/5, reprezintă reziliența determinată cu un ciocan pendul având o energie potențială inițială W0 = 150 J, pe o epruvetă cu crestătură în U, având adâncimea h = 2 mm și lățimea b = 5 mm.

STUDIU DE CAZ

Studiul aliajelor utilizate în tehnica de aviație a dovedit ca unul din cele mai importante aliaje de aluminiu folosite este ATSi6Cu4Mn, aliaj pe care îl putem găsi în fuselajul aeronavelor Mig-21 Lancer, Alenia C-27J Spartan sau Antonov An-26, aliaj a cărui compoziție chimică conform NE 1706/ 2000 este prezentată în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Compoziția chimică a aliajului ATSi6Cu4Mn, [16]

Aliajul de aluminiu ATSi6Cu4Mn, pe care am efectuat experimentul a fost testat în cadrul laboratorului de chimie al Universității Transilvania din Brașov, iar compoziția chimică a probelor utilizate la experiment este dată în tabelul 4.2.

Tabelul 4.2. Compoziția chimică a epruvetelor utilizate, [%]

Experimentul a fost efectuat pe un număr de 30 probe, pentru determinarea durității, zece dintre ele nefiind tratate termic, zece probe au fost călite și îmbătrânite natural, timp de 7 zile, iar alte zece probe au fost călite și îmbătrânite artificial timp de două ore, iar alte 15 epruvete pentru determinarea rezilienței.

Tratamentele termice aplicate probelor, au fost efectuate în laboratoarele Universității Transilvania din Brașov, Facultatea de Inginerie Tehnologică și Management Industrial. Călirea s-a realizat la temperatura de 520°C, timp de 50 de minute, într-un cuptor electric tip UTTIS (figura 4.1.).

Fig. 4.1. Cuptor electric de tip UTTIS

Caracteristicile cuptorului electric de tip UTTIS sunt următoarele:

– dimensiuni de gabarit:

– lungime: 650mm

– lățime: 650mm

– înălțime: 1300mm

– dimensiuni ale camerei de lucru:

– lățime: 200mm

– adâncime: 300mm

– înălțime: 200mm

– temperatura maximă de lucru: 1150ºC

– precizia de măsurare: 5 ºC

– tensiunea și frecvența de alimentare: 380V/50Hz

– puterea instalată: 3,3 kW.

Răcirea epruvetelor s-a efectuat în apă la temperatura camerei, după ce acestea au fost scoase din cuptor cu ajutorul unui clește. Pentru îmbătrânirea artificială, zece dintre probe au fost ținute timp de 2 ore în ulei aflat la temperatura de 170C, menținută constantă.

Înaintea aplicării tratamentelor termice, probele au fost numerotate, pentru a evita astfel să fie încurcate și să apară erori.

După aplicarea tratamentului termic am măsurat amprenta și reziliența atât pentru probele supuse acestui tratament, cât și pentru probele netratate termic.

netratate termic: 1, 2, 3, 10, 11, 16, 17, 18, 19, 20;

călire și îmbătrânire naturală: 4, 5, 6, 12, 13, 21, 22, 23, 24, 25;

călire și îmbătrânire artificială: 7, 8, 9, 14, 15, 26, 27, 28, 29, 30.

Pentru determinarea durității, am folosit aparatul de măsurare a durității Brinell, utilizând sarcina de 250 kgf aplicată timp de 5 secunde. Amprentele (figura 4.2) au fost citite cu ajutorul lupei Brinell (figura 4.3); măsurând diametrele acestora am determinat duritatea, conform anexei 1.

Fig. 4.2 Epruvetă cu o amprentă

Fig. 4.3 Lupa Brinell

Valorile dimensiunilor amprentelor și duritățile corespunzătoare acestora se regăsesc în tabelul 4.3:

Tabelul 4.3 Amprente și durități Brinell

Pentru a scoate în evidență efectul tratamentului termic asupra durității epruvetelor, am întocmit graficul din figura 4.4.

Fig. 4.4 Valoarea duritatății epruvetelor în urma aplicării tratamentelor termice

Încercările de reziliență au fost determinate cu ajutorul ciocanului pendul Charpy. Caracteristicile ciocanului pendul Charpy sunt următoarele: greutatea=66,55 N, lungimea brațului l=380 mm, iar energia potențială inițială= 49,05 J. Secțiunea epruvetei (figura 4.5) este de 0,8 cm2.

Fig. 4.5 Epruvetă utilizată pentru determinarea rezilienței

Încercările de reziliență pentru epruvetele aflate în stare naturală, călite și îmbătrânite natural și artificial, au condus la înregistrarea următoarelor valori (tabelul 4.4)

Tabelul 4.4 Reziliența în funcție de tratamentul termic aplicat

Efectul tratamentelor termice asupra rezilienței epruvetelor testate, poate fi observat în figura 4.6:

Fig. 4.6 Valoarea rezilienței epruvetelor în urma aplicării tratamentelor termice

Rezultatele măsurătorilor de duritate (amprentele citite cu ajutorul lupei Brinell) și de reziliență, au fost prelucrate, determinându-se indicatorii statistici de precizie.

Determinarea indicatorilor de precizie, permit interpretarea corectă a valorilor obținute în urma experimentului, care pot avea erori din diverse motive (aparatură, epruvete, erori umane).

Pentru calculul indicatorilor de precizie trebuiesc efectuați următorii pași [20], [22]:

se notează fiecare rezultat al măsurătorii cu Dij, unde „i” corespunde numărului tratamentului termic, iar „j” numărului probei, iar apoi se calculează valoarea medie a măsuratorilor, notată cu Dij;

se calculează corecțiile aparente, vj care reprezintă diferența dintre valoarea medie a măsurătorilor și valoarea fiecărei măsurători în parte, conform relației (4.1):

vj= Dij- Dij (4.1)

Suma corecțiilor aparente, [v] trebuie să fie egală cu 0, unde (notația Gauss)

se determină abaterea standard empirică a măsurătorii cu relația (4.2):

(4.2)

unde, ;n= numărul total de măsurători

se calculează abaterea standard empirică a mediei aritmetice a amprentelor Dij prin intermediul relației (4.4)

(4.3)

o interpretare corectă a valorilor determinate, presupune calculul toleranței specifice, T. Aceasta se determină cu relația (4.4):

T=3 SDij (4.4)

pentru a ne da seama dacă măsurătorile făcute au fost corecte, iar erorile nu sunt semnificative, trebuie calculat ecartul maxim max (relația 4.5), adică diferența dintre valoarea cea mai mare și valoarea cea mai mică dintr-un set de măsurători:

(4.5)

Măsurătorile au fost efectuate corect, dacă ecartul maxim este mai mic decât toleranța, putând să spunem că măsurătorile se încadrează în toleranța specifică(relația 4.6):

maxT (4.6)

În tabelele următoare, prezint valorile indicatorilor de precizie pentru fiecare proprietate mecanică testată, (duritate sau reziliență) ținând cont de tratamentul termic la care au fost supuse epruvetele.

Tabelul 4.5 Indicatori de precizie ai amprentelor pentru epruvetele netratate termic

Tabelul 4.6 Indicatori de precizie ai amprentelor pentru epruvetele călite și îmbătrânite natural

Tabelul 4.7 Indicatori de precizie ai amprentelor pentru epruvetele călite și îmbătrânite artificial

Tabelul 4.8 Indicatori de precizie ai rezilienței pentru epruvetele netratate termic

Tabelul 4.9 Indicatori de precizie ai rezilienței pentru epruvetele călite și îmbătrânite natural

Tabelul 4.10 Indicatori de precizie ai rezilienței pentru epruvetele călite și îmbătrânite artificial

Pentru o analiză statistică mai amănunțită, am repetat măsurătorile de duritate, pe aceleași epruvete, în alte două zile diferite. Astfel, în funcție de tratamentul termic aplicat probelor, am obținut următoarele valori medii ale diametrelor amprentelor (tabelul 4.11):

Tabelul 4.11 Valorile medii ale diametrelor amprentelor măsurate în zile diferite

Astfel am putut determina abaterile standard a mediei ponderate pentru fiecare tip de tratament termic. În calculul abaterii standard a mediei ponderate, am efectuat următorii pași:

am determinat abaterea standard empirică medie a unității de pondere, S0 cu ajutorul formulei (4.7):

(4.7)

am calculat ponderile pj pentru fiecare vector de măsurători, conform relației (4.8):

(4.8)

ultimul pas a fost acela în care am determinat abaterea standard a mediei ponderate a măsurătorilor efectuate în cele trei zile, cu ajutorul relației (4.9):

(4.9)

unde

Tabelul 4.12 Abaterea standard a mediei ponderate a epruvetelor netratate termic

Tabelul 4.13 Abaterea standard a mediei ponderate a epruvetelor călite și îmbătrânite natural

Tabelul 4.14 Abaterea standard a mediei ponderate a epruvetelor călite și îmbătrânite artificial

Se observă că abaterile standard ale mediei ponderate ale măsurătorilor din cele trei zile sunt mult mai mari decât cele apărute după prima măsurare (figura 4.7).

Fig. 4.7 Studiul comparativ al abaterilor standard

CONCLUZII

Gama din care fac parte materialele utilizate în tehnica de aviație este una foarte variată, însă unul dintre cei mai importanți pași făcuți de ingineria aerospațială a fost trecerea de la materialele nemetalice, la cele metalice în partea de structură a avioanelor și elicopterelor. Studiul pe care l-am realizat, s-a axat pe acest tip de materiale, pe materialele metalice, în special pe aliajele ușoare utilizate în construcția aeronavelor din înzestrarea Forțelor Aeriene Române. Am ales să fac acest studiu, deoarece acesta reprezintă un domeniu de interes și de actualitate pentru specialiștii în inginerie aerospațială.

Lucrarea am început-o cu o sinteză a materialelor utilizate în tehnica de aviație, punând accent pe aliajele ușoare din acest domeniu. Am analizat teoretic proprietățile generale și particulare ale fiecărui metal și aliaj în parte, corelându-le cu aplicabilitatea din domeniile tehnice, cu precădere aeronautice. Pentru ca proprietățile aliajelor să se îmbunătățească, studiile experimentale efectuate dovedesc faptul că este necesară aplicarea diferitelor tipuri de tratamente termice.

Experimentele le-am desfășurat în laboratoarele din cadrul Universității Transilvania din Brașov, Facultatea de Inginerie Tehnologică și Management și Facultatea de Chimie.

Studiul de caz a fost efectuat pe probe din aliaj de aluminiu ATSi6Cu4Mn, aliaj care este întâlnit pe aeronavele din înzestrarea Armatei Române, Mig-21 Lancer, Alenia C-27J Spartan sau Antonov An-26, în realizarea unor elemente din fuselaj, suprafețele de comandă sau învelișul aripii.

Interpretând valorile obținute în urma măsurătorilor se poate observa că în cazul unui aliaj netratat termic, valoarea durității este mai mică decât în cazul unui aliaj călit și îmbătrânit atât natural cât și artificial. Datele înregistrate sunt obținute din valorile a trei măsurători, media acestora fiind trecută în tabele.

De asemenea, putem observa că cel mai bun tratament termic aplicat aliajelor în vederea îmbunătățirii durității este călirea, urmată de o îmbătrânire artificială.

Însă creșterea durității are și un efect negativ asupra materialului, studiind tabelul 4.4, observăm că în cazul epruvetelor călite și îmbătrânite artificial, valoarea rezilienței scade semnificativ. Deci această creștere a durității, determină apariția unei fragilități a materialului. Valoarea rezilienței crește o dată cu cea a durității (în cazul îmbătrânirii naturale) până la un anumit punct, de unde începe să scadă, aceste mărimi devenind invers proporționale.

Putem trage concluzia că un material a cărui duritate, în urma aplicării unor tratamente termice, a fost îmbunătățită semnificativ, își pierde tenacitatea, devenind astfel fragil și putând fi rupt ușor sub acțiunea unei forțe exterioare.

Numărul determinărilor făcute a fost suficient de mare pentru a putea prelucra statistic datele în scopul validării rezultatelor. În urma analizei statistice, am putut observa că atât în cazul determinărilor pentru aflarea durității, cât și pentru aflarea rezilienței, pentru toate cele trei tipuri de situații analizate (epruvete netrate termic, epruvete călite și îmbătrânite natural sau artificial), măsurătorile au fost corecte, valorile acestora încadrându-se în toleranța specifică.

În cazul durității, unde măsurătorile au fost reluate în alte două zile diferite, am obținut vectori noi de măsurători, punând în evidență valorile medii ale acestora. În urma aplicării analizei statistice a rezultat faptul ca abaterile standard ale medie ponderate pe cele trei zile au fost mult mai mari comparativ cu abaterea standard corespunzătoare primului vector de măsurători. Aceste abateri pot apărea datorită erorilor de natură umană, erorilor aparaturii de măsurare, sau din cauza faptului că în perioada dintre măsurători, epruvetele au suferit schimbări de structură.

BIBLIOGRAFIE

Matei, A. (1972) Tehnologia fabricației avioanelor – vol. 1, Editura Academiei Militare, București

Matei, A. (1975) Tehnologia fabricației avioanelor – vol. 2, Editura Academiei Militare, București

Smeadă, M. (2011) Studii și cercetări privind îmbunătățirea proprietăților fizico-mecanice ale materialelor utilizate în tehnica aerospațială, teză de doctorat, Universitatea Transilvania, Brașov

Preotu, O. (2001) Construcția și calculul aeronavelor, Editura Tehnică, București

Dinescu, I., Smeadă, M., Stoicănescu, M. (2012) Materiale moderne utilizate în tehnica militară, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Postelnicu, A., Deliu, Ghe., Udroiu, R., (2001) Teoria, performanțele și construcția elicopterelor, Editura Albastră, Cluj-Napoca

Gâdea, S., Protopopescu M. (1965) Aliaje neferoase, Editura Tehnică, București

Smeadă, M., Dinescu, I., Stoicănescu, M. (2012) Materiale metalice și nemetalice utilizate în tehnica militară. Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Vertan, H. P. (2008) Studiul metalelor, Edituta Academiei Tehnice Militare, București

Bolunduț, I. L. (2011) Știința și ingineria materialelor, Editura Junimea, Iași

Ciurea, A. (2007) Elemente de știința și ingineria materialelor, Editura Galați University Press, Galați

Stoicănescu, M., Giacomelli, I. (2007) Aluminiul și aliajele de aluminiu, Editura Universității Transilvania, Brașov

Minea, A. (2006) Aliaje de aluminiu, Editura Cermi, Iași

Dinescu, I. (2011) Tehnologia materialelor. Procedee tehnologice, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Dinescu, I. (2011) Tehnologia materialelor. Materiale tehnologice, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Moișoiu, A., Socaciu, T. (1999) Tratamente termice, Editura Universității „Petru Maior”, Târgu-Mureș

Șerban, C., Luca, V. (1995) Tratamente termice, Editura Eastline, Brașov

Buzdugan, Gh., Blumenfeld, M. (1962) Lucrări de laborator de rezistența materialelor, Editura de Stat Didactică și Pedagogică, București

Suciu, V., Suciu M. V. (2008) Studiul materialelor, Editura Fair Partners

Ghițău, D. (2003) Prelucrarea măsurătorilor geodezice, Editura Fundației Dunărea de Jos, Galați

Popescu, C., (2014) Aliaje de aluminiu utilizate în tehnica militară, Sesiunea de comunicări științifice CADETNAV, Constanța

Smeadă, M., Stoicănescu, M., Munteanu, B., (2011) Mechanical properties of the aluminium alloys at low temperatures. Statistical processing, MotTech International Conference, Chișinău

ANEXE

1. Corespondența între dimensiunile amprentei și duritatea Brinell

Calculele indicatorilor de precizie

3. Calculele abaterilor standard a mediei ponderate

BIBLIOGRAFIE

Matei, A. (1972) Tehnologia fabricației avioanelor – vol. 1, Editura Academiei Militare, București

Matei, A. (1975) Tehnologia fabricației avioanelor – vol. 2, Editura Academiei Militare, București

Smeadă, M. (2011) Studii și cercetări privind îmbunătățirea proprietăților fizico-mecanice ale materialelor utilizate în tehnica aerospațială, teză de doctorat, Universitatea Transilvania, Brașov

Preotu, O. (2001) Construcția și calculul aeronavelor, Editura Tehnică, București

Dinescu, I., Smeadă, M., Stoicănescu, M. (2012) Materiale moderne utilizate în tehnica militară, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Postelnicu, A., Deliu, Ghe., Udroiu, R., (2001) Teoria, performanțele și construcția elicopterelor, Editura Albastră, Cluj-Napoca

Gâdea, S., Protopopescu M. (1965) Aliaje neferoase, Editura Tehnică, București

Smeadă, M., Dinescu, I., Stoicănescu, M. (2012) Materiale metalice și nemetalice utilizate în tehnica militară. Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Vertan, H. P. (2008) Studiul metalelor, Edituta Academiei Tehnice Militare, București

Bolunduț, I. L. (2011) Știința și ingineria materialelor, Editura Junimea, Iași

Ciurea, A. (2007) Elemente de știința și ingineria materialelor, Editura Galați University Press, Galați

Stoicănescu, M., Giacomelli, I. (2007) Aluminiul și aliajele de aluminiu, Editura Universității Transilvania, Brașov

Minea, A. (2006) Aliaje de aluminiu, Editura Cermi, Iași

Dinescu, I. (2011) Tehnologia materialelor. Procedee tehnologice, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Dinescu, I. (2011) Tehnologia materialelor. Materiale tehnologice, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov

Moișoiu, A., Socaciu, T. (1999) Tratamente termice, Editura Universității „Petru Maior”, Târgu-Mureș

Șerban, C., Luca, V. (1995) Tratamente termice, Editura Eastline, Brașov

Buzdugan, Gh., Blumenfeld, M. (1962) Lucrări de laborator de rezistența materialelor, Editura de Stat Didactică și Pedagogică, București

Suciu, V., Suciu M. V. (2008) Studiul materialelor, Editura Fair Partners

Ghițău, D. (2003) Prelucrarea măsurătorilor geodezice, Editura Fundației Dunărea de Jos, Galați

Popescu, C., (2014) Aliaje de aluminiu utilizate în tehnica militară, Sesiunea de comunicări științifice CADETNAV, Constanța

Smeadă, M., Stoicănescu, M., Munteanu, B., (2011) Mechanical properties of the aluminium alloys at low temperatures. Statistical processing, MotTech International Conference, Chișinău

ANEXE

1. Corespondența între dimensiunile amprentei și duritatea Brinell

Calculele indicatorilor de precizie

3. Calculele abaterilor standard a mediei ponderate