+ All Categories
Home > Documents > Curs Stiinta Materialelor

Curs Stiinta Materialelor

Date post: 09-Jul-2015
Category:
Upload: stanculeanu
View: 10,425 times
Download: 7 times
Share this document with a friend

of 350

Transcript

TIINA MATERIALELOR Titular cursProf.univ.Dr.ing. Dolphi Drimer Autor curs: Prof.univ.Dr.ing. Gheorghe Amza Completri curs: Prof.univ.Dr.ing. Dolphi Drimer Studenliifacultalii de Inginerie Managerialdqi a Mediului au solicitatsdaibdla dispozitie un material bibliograficpe un supot electronic. Am oscilatinascfle un rezumatalnotelor de curs gi aadoptauncurs elaboratde unspecialistcurenume.Amales adoua cale, adopt6ndcursur profesoruluiGheorgheAmza de Tehnologia materialelor,editatin Editura priniech in anul2007 si predat la Universitatea politehnicd Bucuregtiqi nu numai. inr9i0,9a1d am inceput sdpredau Tehnorogiamateriarelor,gi eu gi asistentur de atunciGhAmzaamawtdreptcdlFnzdcursul profesorului AurelNanudelaPolitehnica din Timigoara, cdruiaii aduc Ai acumrecunogtinlamea.cursulcuprinde: $tiinta materialelor, Tehnologia materialelor )rPrelucrdri gi Recondi{iondriprevdzuteinplanul deinvalimAnt laU.E.B.insemestreleI,IIqi III,cu un total de 2 + 1 + 1 ore x14 sdptpdmani. Amadbugatlacursul inilial un capitol introductivgi capitoleprivind materialeleamorfe qi materialelelichide. Elementenoi predate incursuri - cum ar fi:conceptulde disponibilitate ai produselor tehnice,fiabilitatea umand,elementede inginerie financiard, inginerie ecologicd,inginerievitalogicd - arputeaconstit-triun materialaparte.Iimullumescqi pe aceastdcale profesorului GheorgheArnza, careaacceptatfolosireaca baz\.a materialuluitipiritde el gi urezstuden{ilorcarevorfolosi cD-Romul mult succes.Dar sd fieconvingic6 aceastanu este toa6bibliografia cursului. Este multmaimult,lacareseadaugd cuvinteleprofesorului qi inteligenfainlelegerii, acum lainceput desecol XXI,aconceptului,,inginerie".Cuvf,ntinainteProf.univ.Dr.ing.DolphiDnmrIanuarie2010Introducereeste oramurd aqtiin{elor naturii qr anume aceea incaredenunut inginer deslEqoard urmdtoareleactivrtSli:ncepfierolectare(produc!ie)loatareffeFnereecuperare (recondilionare)masasau,/gi biotehnomasa.mgmenecologic5, ingineria vitalogicd(a vie{ii) etc.Tdeosebipe scaracelorLmateriilorprime este:e-' Biogeneza --+ Minereuri -+ Biosolubilizarerdzboi).RdspTehnolodintrebarmAna"ingrneribanilorMateriale compuseMetal - PolimerPolimer - MetalMetale, PolimeriCeramiceumfea de inginer vine de la cuvjnful anglez,,engme,, (magind deT.tl_::::I, in actrvrtatea sardspunsul f""i^t*ianr. ,,ce,, 9i ,,c61,,.Ia intrebarea ,,cum,,estedat inspecial;; *,;.ili ddffi*::::. :t1-.^ :, actwitdlrtor umane .in_care, prin apticireagtiingelor, s"emodul de realizue a tehnomasei. peste tot ,.';";;;;ft;ii;,,K";_r).^.ig:l]:* 0.. ,,management.care se refera iagtiingaii. Dealtfel cuv6nrul prov'e tot JinhnAa engeza^-;';#"#;;isurile- cu cai de pe podur Londrei. SigurterJmenur a evoruat. Las-aaddugat-modern qi cuv'ntul ,,financiit,'care sereferd la circulatia-:,19="1t-oj1 nnangiale, ..gf id:.11g bunuri.De "..;;;; ;;;;;;omasa este totalitatea realizirilor umanepe planeti _ spre ao!l:.ir? careesteproducfia naturald. gioteirnomasa, apirutdrecent.*:iTt,y,11., reprezrntd bunuriintegrate om_naturd de exempluli:::^_q,i-tl:jehnologie, ingineriegeneticd etc. Schema formdriiqiBiodepuneriBiocoroziuneBiodeteriordride gtiinla umani esterolul bacteriilorin produclie..tIncdpulin1- 10pmAcumularela suprafaliADNplasmidGene alecoduluimetaluluiIoni metaliciMinereuriEnzimeexcrelateProteineBiogenez6,BiosolubilizareBiocoroziuneBiodeteriorareBiogenezb15-30 nmMetaleMinereurimembranecelulardMaterieprim[Ioni metaliciPolimer/ MinereuCompositProduseextrldateElectronSenzorPompdacumularePompideAcumularemicroprocesorSchema ,,uzinei vii"Fermentatietoitatot(ADN plasmid)FermentatieExtr[dareMaterialeIocuide tehnomasdpe pdmanteste aproximativ2000-3000tpedec6t greutatea locuitor Terrei. de aproximativ30.000 de orimai marediferiteplanetei.Aproximativ 1000-2000tde tehnomasSse gdseqtepeite tn sistemkulsolargi catevasutedekg in afaraacestuia.transflinceputtehnologramaterialelorse confundacuinvdtdturade-aexecuta abilitateun lucrupotrivit,confom unuiansamblude norme.invafaturaconstituia ,,re!ete de fabricalie"ap5ratede breseleqimal de organizafiistataleprin brevete.Obiectelerealizateerauprezentateca umanein lupta cu mateia, constituindprilej de m6ndriepentrur qi de admirafiepentru utilizatori.materialelor se refderd lacomportareamaterialelor pentru afiin obiectegi apoi obiectelein exploataregi recliclare.ele au evoluat de la lemn - ceramicd - bronzfier - fontd - otel- aliaje neferoase - polimeri - polimeri armaJifibre - compozite(cuwhis i) - ceramicdplasticd.magnetlEn Denffu transformareamaterialelor aevoluat: manuald -- eoliand - maree - chimicd - abur - exploziegaze - electricd -- fasciculdeparticuie - pasciculdelumind(laser) - jeturi (de apd)$tiitehnologieia inceputcu inspiralie - experien(e - relete - procese(brevete) - sistemetehnologice - sistemeasistatede calculatortehnologi(robofi) -management - rnfluenlamediului.Rprodus.este celmaimicelementcuproprietdli funcfonale intr-un:E ansamble : X X subansarnble : IX E reperei jijk(i, j, k > 0---+R)- material - compoziliechimica (C)- structurd(S)- suprafald (Protectie) (P)- reintegrarein naturd (R)- formd geometricd(F)ii tehnologiceitie ctumrcd ---+ obtinereamaterialului(S) Strucminereu - blocuri - lingouri - pulbere(semrfabricat)--+ tratamentetermice,termochimice gi/sautermomecanlce--+ depunerideprotec{ieqi/sauestetice(P) S(R) Rei in naturd --+ concordanla cu mediul ambiant(F) Fo geometricd ---+ prelucrdri - ;il1?J,1H?#1,. microvolume (pV).nanovolume (nV)fiile realiziriireperuluiC- - S- - - +F- - +P- - +RC --- S' --- F' ---- $ - !'---+RC- - - +F- - - +S+P- - +RC --- P' --- S' ---+ F --+ S ---+ RC' --+ F ---+ (C + S) ---+ P -+ R(C+S) -+ S ---> P ---+ RQ' ---+ (F+C+C) --+P---+Rclasic,cAndnu seimpunpropriet5lispecialecaracteristicimecanicespecialepulberipulberi^; - ^, , ; t - i n+amat avr l l Jur t vl nLv6r qr vmetalelichideceramici plastice(3)c' ,(4) transformdrisimultane(C+S/ (C+S+F)(5)(R) poateintegrain materialsau/Eiformdlie privind natura for{elor de legituriin materiale( 1) C, P(2) F, SForfeleRlainceput 9i sfArgitde lan!igi pot schmbaordinea', F'elementeintermediareIegdturdin materialepotfi:vitalionale(Newton,1687)FN :G Mm ( 6 :6. 67l 0- t t-----'r-_ _)Nm-:----Krl ectrosl al i ce(Coul ombI 785)-L sQF^ : t , 'F* -_l- (dipoli){tice (Yukawa I960)tarisi slabeF, : K" r 'acceptdcdnatura forfelor delegdturdeste electroStaliclt farttcAmpulmagneticqi cdmpuldinamiccentrifugaldin corpulsolid.calculeazdenergiamaximdde legdturd:- R: K r f " * K z f 'atraclie(o. F) (Kt K2,u, B > 0)respmgerederivarea9-U61qi egalareacuzeroseobline*j l- distanlastabilitafiimaximea corpuluisolideste:-Feo: 2, 808A-Cu : 3, 608 A- A1 :4,0421 A4teoreticdla carerezistdun materialfEri sdsedezintegrezermax - lmaxSintindere_ ^ 2-=:fr t .i 2 +1 a6 d- 104daN/ mm"(oL 37 :37 ddi-,,-2)e : 5 . 1 0 - 1 0 a e s( C S )(ro 2 . 1 0 - 1 0 m;iderlm materialulca o releade ioni prin carecirculdelectroniel ectronul ui :9,10910"kg,,clasicd" a electronului : 2,81.10-"cmumul sfereielectronului : 4.18 13 : 10-37cm3itateaelectronului : 9 : M = 10' ke/dm3Deciel iisunt particule super dense (detippulsar inastronomieLe intre ionii pozitivi se face printr-untren de unde - prin cotoni - emigide electroni. i legdturiledin materialesunt prin emnergie gi nu prin mase.Aleger unui material printr-un reper din ansamblulunei maqini se desfEqoardpebaza i algoritm:106 - l 01sg/cmRezultdpulsarulel1 .2.3.4.5 .electroniiemit unde - denumimcoton trenul de unde emis defuncflonalitdliireperului?nansamblu,subansamblu giprodus.careaproprietS,tilordoriteinJr-uncaietdesarcini.careavalorilorefectiveale proprietdlilordin caietulde sarciniun sistemdenotarearbitrarales (1, 2,3 saul-10saul-100).proprietdfii(1or)funcgionaledirectoare gi stabilireaor - p. - aleproprietSlilorin mullimeaacestora.eamaterialelorcunoscutein ordinea proprietdliifunclionaleoAndla valoarealimita de acceptarein functionalitateatuturor proprietililormaterialelor (flurc,tionale,tehnologiceomice) si codificareacu note - n* - a valorilorefective.7. ea materialelorcunY : 0 sau 1.culeazd produsele - py fl* - pentru fiecare materialeazd penIrufiecarematerialX n* Ptoneazdmaterialelein ordineavalorii - X n'puUltimel 3 punctedemai susseexecutd pe calculator.rezultateleII1|,1 materialuloptimesteacelcu max.In*p,,2 materialelecu nx : 0 (excluseIa pct.1)care pot fi imbundtS{ite.3 posibilitdti deinlocuireeconomrcl8. Se9. Se10. Se1) SeUn astf de program de calculinlocuiesterutinaalegeriimaterialelor cu aceeaa experienjeicel pulrn o verificd.Inultimaterialelor.trnpacdpdlatun doesebitinteresun algoritmpentru proiectareaeacondifrilor funcfionale alereperului.l .De2. CodeVali4. Simfatit model.7 . Rtehnico-economicd.8. I mpl entareamaterialului in formdgeometrici solicitatd.ireamodeluluiidealpe bazarealitdlilor de calculdrntreconditiileionare_giproprietSlile funclionalealematerialului(z : f 1"1)3. Si modelului de materialin condiliide funcfionare reale.geomEvalumodelului.posibilitd{rlor de transformare a modeluluimaterialului in formaica solicitatd. Validareatehnologiilor de prelucrare lz:f 6.y).)a economicd a materia-lului model.ia chimico-metalurgicd a materia.luluigi aprecierea diferen!elorteriale metaliceamorfeamorJdmetalicdordineaaqezdrliatomiloreste limitatd la cAtevazecl atomice(20-80 A).de coordinafie al structuriiamorfeestede 11-13ori mai mare decAtefe sauex (1). Densitateade impachetarea atomilor - 0,68 aproapede modeluldar mai mare decAtdensitateareald ateoretic al iicristalrne(0,68-0,74)"(0,4)static al struchrii metaliceamorfe are la bazd,conceptul de chister (roie 3+1 sfererigide cu 3 punctede tangentd.stru lnd e cNrModede atomi) $isfericece expSimilarstructurlamtazetonlcetermicdaconduc6nd50"C subStareaforma unortoprtd.MetodaMetodaUn de chisterldrgit cu 3999 de atomi duce laoblinereaunei formevalori experimentaleale Nigi Fe in stareamorfi.eJelelorcristalines-au imaginat5 tipuri de poliedre care pot formaatat pentru metalepure cat qi pentru aliaje.Atomii de metaloizicumari sepot plasa in interviorulpoliedrilorde bazd,,mdrindstabilitateaiamorf. Stareaamorfbesteinstabildla crestereatemperafurii.oanumiti limitd lastareacristaiinl (de obicei la o temperaturddeCurie a materialului)..1960 prin experienlepe aliajeAug6Si26 subqi ld1imede 40-50 mm obfinute direct din stares-a remarcatdupdvid - de exemplu Pbcu grosime de 4-5 pm sau la unelealiajele sistemuluiperiodicIII(8, Al), IV(C, Si, be), V(P, As, Sb) qi VIinetici,controlAndu-seviteza de rdcire $i modul de cristalizare.structurald,controlAndu-searanjarea geometricd, legdtudleinter-de grosime30-40pmStarea orfb era cunoscutdanteriorla metalein straturifoarle subfiriob[inuteprin depuneretemaredin(S,Se,Te) sticlecalcogenecu aplicafiin electronicd.Obrill stdrii amorfela metalese face prin doudmetodecomplementare.atomiceqi di iunile atomilor.Posib aparilieicineticeastructuriiamorferezultddincurbedesolidificarea rialelormetalice.La, \ (metaluluilichiLichidTemperaturade transformareL-SSolidraturala caremdrimreadeplasdriloratomilorestemai micddecAtdimensiunile1or.mperaturade amorfizare) - trebuiesd existeun solid cu arhitecturain stareaamorfb.temperaturdredusdde amorfizare.la silicagr 9i polimeri5-0,5la metaletezei de rdciretemperaturade topirecurbedeinceputde cristalizarecurbede sfdrgitde cristalizareA'cristlizarenormaliA cristalizarerapiddStructuricristalineVra"ir") 10' k/s.V,u"i'."Fe2000-800 : 1800k/sV.a"i." ) 20 s.odului de cristalizareA AAv cOru : 0,O r u : 0l)ControlulPosibileVra"ir" S2) Controluleu_)Oru : 0"a ^ t /!a de salt a atomilor) : cemt la metale -.la temperaturadetopire - (0,25-0,5).d 0" tindecdtreeu tindecdtre0u decila temperaturide cristalizare70* +1Eutecti e profunde vor ficapabilesd permitd stdri amorfechiarla vitezemaIridicatede . De ex.Fes6P13Ct(Aa:710 k, 42 : 1280k)Cu6eZra6(Aa : 900kAc : 1550k)Au31Si 12(Aa:300Ac:620k)CuosAl:s(Aa:550Ac : 810k)Metoderapi de solidificareire ultrarapiddndensareatomicdlantareionicddamentcu laserrapidddin starelichidd(R S T)In 1960 - Kl ent a objinut aliaje Au Si amorf cu vteze de rdcire de 106-1010C/s.Grosim crrttcd,a benzii estestabilitdde o rela{iesinecticdsub forma: ( D. 0 t p ; ' " ) "v.r - \ -termicda topiturii(- 0,2 crrth)De exemplu 0 :1000"c.: 0.21000 --- V,:106k/s pentruobfinereaunuig", = 0,1 mm.\ /]"i n car en: 7. . . 2PrSimilarseobob,tineriibenzilorestefoartemare,de ex. 2000 cu banddamorfh./min.sifire metaliceamorfe.Posibilitatea ritiei strucfurale1) Exifa unui nemetalfavorizeazdAu-Si,Ca-P,F-P:-C).2 ) s structuriiamorfecrestedacd intremdrimea atomilorcarecompun existbo diferenfdde max.10%.(Excepfii:Co-Zn 9i Cu-Zr).Formule de compozlgesunt:. amorf: Er EzE:EaEsEeErnemetaldetipul Si, Ge,P, B, C etc.metaldetipul Li, Mg, Ca etc.metaldetipulBe,Ca,Zn,Al,Ag, Au etc.metalde trwuilre de lainceputulserieiSc,Ti, V etc.metalde tranziliedela sfArqitulserieiFe,Ca,Ni etc.semimetalSu.Sbetc.lantanidasauactinidS,La, Gd, U.Pentrupropri i magenticetrebuiesd existeFe, Ni, CaPentruproprie i mecanicetrebuiesd existeB. Si- P. GePentrupropriCa,M.In careE1esteEz esteE3esteEa esteE5 esteE6 esteE7 esteelectrice si rezistentela coroziunetrebuiesd exrsteNi, Cu, Pd, Pt,1)2)Gazineret0, 1- 10mmHgExempl de instalatiiVid 1-50mm colHgAlimentare+ _ ,. .mcazltortopiturametalicdinfigurdtorde banddsausArmdRbcireCilindruroatA bandddesolisolidificate(disc 6'500mm4'70rotiminv : 8,'75m/s saubanddcuv:40 m/s.)metaluluitopitin mediiderdcireviolentdgi obfinereade pulberii d.metaltopitparticulef. fine(RS)metaltopitjet metaltopitJetgazrdcf i edisc?nrotatieterialeloramorfer deumplerea strucfuriimari 0,68fa\d,de 0,4(densitatemai mare)omogend(vezila coroziune)defecte structurale (limite grdunle) (energie de rupere maridicatd)opie spa{ia16carepermiterezistenfdmecanicl ridicatd lagazracfeProprietifileRezultddin -gaz racrIepulbere(RS)- hlicitdri ciclice alternative.ProprietdliReziceIa coroziune deosebitdprinformarea uneipelicule uniformep.rotectoare(d ex. penfu ataculcu lIzSOa,HNO:, FeCh).vitezelede coroziuneale ofelurilorinoxidabilein NaCl suntde 16-ce Fe72Crs P13C7, Fe1()Cr16P13C7, Fe65CrroNis PpC7au iteze---+ protec{ie nave.Proprietri{i ectriceoizolante,Proprietifi1) Duritateaqi in specialduritateala caldestefoarteridicatb.Fe76Cr1si 42,5uniMo2BeSi areHRCla20'C:44kuniteti$r numai1l V u l a 1IAinalte.2) Rezistenlagi energie105er gl3) E estemaitde coroziunenruperea aliajelorpebazd deFe:25oo-3500M parupere10Eerglcm2(fa{dde600-1200M pa 9ila materiale policristaline).rc cku 20-40o/odecAtla materialelepolicristaline, insd variazdcumai pufind (4-10*lk la policristale).i la 650"C,in timpceo{elul0,3Cologiceilitate bunavialiei - reducereaw6-700/oa greut.Aeronaveihimicd - placdri pentrureducereoleluri inoxidabile0, 4v, 3,Cr9,5W are HRCl a2j oC:49.5 uu l a 650oCsauofel ul cu0,55Cwcarea1ungede la r 6,5 HRC la 20 HRCNcn?lagneticefiesuperconductoare(Au27La76ZrnPd3s2176(Ca NiCr10 k sauchiaryLa Cu O superconductorla 1890k).ProprietitileStabili momentmegnetic.Curbd magnetizue dreptunghiularaPierderi icemici (de 10 ori fald demag.metalicd)Ferite,m ii, disp.Magnetoelectrice.Proprietdfi- d e- maleab bund - chiarmaterialede lipit.Utiliziri deAu, Ag, Pt, Ph91rezistiveezun transiomatoareuatori de ultrasunete.Industrialndustriakgi materialeplastice.Materiale in stare lichidlAparifianecesitali unobicei in tehnostructurii solitehnologiaa struchrii lirnteratomice WIngaze reale giacflune. Funcfiauna de cealaltd,sistem de coorcuprmsd inhe RdPCondi4iar jVDacd ?nJ\ I -alelui R, ob,trnemloooLegdtaradensitdlii 6 (R)w (R)medie a moleculelPentruexamrneazd sensulIncantl) : w@; =_-Vnormare a lui w (R) este:"" w(R) +tR.2 dR: rn ultimele decenii a materialelor utilizate in stare lij;?'ffi iil.i3:'J;f ':1XT'1T't"'$i;l;;;;:#:IH:$1r'$::,,1: i" r: *1;i' ;;#J,_"F{i::9:'iilfj:ff ';:t,:.".'' ffTjffili.'Hil'.,TJ:ff i'f ::-l-i'*l:";;;;;;"riereacant*arivdf, ,[J :tfl:':.g #il::if. ,::Ui1r!',1,]lf :t' " il;;;;;,t .ii;JfI." T,"jil ffi:l i :L1 u; ttln rui?i";#;:#ru;l,l.ffiT:?il,':,.??:T:'iiiilTffi,T."l-Till:*ij4IIR'in stratul dat va fi:sferic de mai sus seafld dN molecule, concentralia partrculelorrdN: ?rnran de undeacestea sd se apropioriunde inafara sfe;5-+]1lo* 9i, dacd integrdm dupd roate valorle posibilelndrrra de normare pen tru frurctia"dN: --r* !vq' v v' l f nl an: N- t :Nfuncfia radiald de distribufie W(R) qi firncla de distriburie a-Ec)j(R):p undey.: N reprezintd.densitatea* t:,mr1l yin aromi ,uurnol..r"X. p. *,:a deosebirilor dintre st" ut ..tuplto. o. JJi'rJr. "'*tu gazoasd' lichidd 9i solidd serromate din molecule sferice^rigide de razd, o probabilitate cal"r: :;."rSrI; ,^1:.,,. nura, rnrrmp cedispunerea moleculelorincdt dacd,p G) :i derazd R :2r, u"e"d "";e;;;;;; #,T;"#ff:::fiqi W(R) : S. Reprezentarea g.ut"a ".i" ;utd i-n n'*u ,u,avea unpentru valoareaR:2r.va tindesazuluiestesuficientde> 2r (fig 1b).distanfelela care moleculelese afld cuamorlizatin jurul valorii 1, rezult6ndinsddistan{d.Cunosc6ndfunclia W(R ) saugaz realRfig1bmarc (gazul real), firnclia W(R) vacdtrezeropentru W(R) < 2rgi cdtreoprobabilitatemai micd.exi stenl ai n l i chi dea uneip(R ) se pot determinade stare,compresibilitatea,w(R)Dacad1 pentruW(RIn cazulnr.deatomiminimele indiW (R) oscilordoniri laproprietSlileenergrarFuncliaajutoruldifralidin studiul crigaz ideal4 t 6 r Rfig. law(R)istalelor{brddefecte,dacdse neglljeazdmiqcareatermicd,dispunereaatomilorinre este perfect ordonatd; atomiicristalului se afldladistan(d binedetermtratdIadistanta2r"Probabilitateazero.Funclia de distribulieareun caracterdiscretcainfrg.2a.de atomulde referinfd.De exempluin structuracfc 12 atomise afldl a di stanl a2r ' lZ ,24 l a di stan{aZr tr 3,12 l a di stanfa4r q.a.m.d.a gdsiatomila alte distangedecdtceleindicateesteteoreticegal5cucf ccri st al esol i decrcFtg.2a. Fi g.2b.drepteledinline seama gidemiqcareatermicd aatomilor inre{ea, atunci2 trebuieinlocuitecu niqtecurbede tip Gaussde aceeagildrgimecaretine seamacd ele atomilordin re{easunt deplasatefala de pozilia de echilibrudatoritd or (fig.2b).Molecul leinstare lichidd oscileazdin jvnl poziliilor de echilibru, av6ndamplitudineasolidelor.Funscilaliilor cumult mai mare dec6t amplitudinileintAlniteincaztliaradiald,de distribufieW(R)este continuddatoritdmigrdrii printranslatiea mo elor qi areformadin fig. 3.Maxime din aceastdcurbd indicd distan{elecele mai probabile dintre atomi,Dacde ale lichidelor cum ar fi:ecuatiaadiald de distribu{iese determindca qi ?n cazul corpului solid cui razelorX, insd cu alte formulede calcul,de exemplurelalia clasicd.alelor solide. 2 d sin 0 : nl.esteincazilichidelor cu o impachetaremilor 2 d sin 0r : 1,23 )" (relatia luiEkenfest), iar pentru cazuri mai compactd a atobabilitateaunei aranj5ri preferenlialeesteremarcabilagi simetricd,maisc5zutdin rt cu un volummai mare.Material le cu suportdeproprietd.ti sefiilizeazddin doudmotive:- fie ori faptul ca legdturainteratomicbeste deosebitdqi are fie proprietaficomplexebazateperea relativd asugereazdcisubliri, undemecalllce sau e- fiecIStrual moleculeloroptic6. Efecteexterioareindice deinterpretdriale curbelorde intensitate.De asemeneaexistdmetodecosinus-Fourierpentrustudiereasimehieilocalesau dispune-. Forma specificda impachetdriimoleculelorinstarelichiddar fiutilizate inaplicagiletehnologiceindeosebiinstraturiectrice,sauopticeetc.remarcabile;tzotropia naturald sau provocatd este deosebitdqi se ob{in variafiiremarcabilein oprietdfileelectrice,magnetice,termice,optice etc.Material lesolideauconstituit maiintAi ,jnveliguri" sigureqisupremaliain licaliimecaniceqi oarecumelectrice,materialelelichiderAndpropri termice,magnetice,optice,dar nu se excludutilizarileqielectricsauc mecarric(de ex. tdiereain jet de apa).Prop{ile materialelorlichideeproprietS{i ale materialeloriqimenfinau in primulin domeniultermice,electri. magneuce,meczllxce-oplrce,lichide sunt rezultatulcufenomenenucleare.Proprifile opticemajoritelii mezofazelorconstddintr-un aranjamentaproximativparlelcu oform6 alungitdgi prezintdastfel proprietali de birefringen{ioptice provin din modificareastructurii ca rdspunslainfluenJelematerialului.Acesteinfluen{epot fielectrice,magnetice,termice,axaopticAindicederefracliemaximminim[mezofazenemairce.cAmpuluiundunui fascicul de luminS,se constatdcd componentaelectricdEaorluminoasedeplaseazdelectroniiatomilorinrapoft cunucleele,eculeledevin dioolielectrice.Efectulestedenumit polarizarea electro- astfel inc6t moacustlcevibratiesau ice din suport.Materialullichid areo ax6opticdnumitddirec.tiedece corespundela indicelede refiacliemaxim.Luminace sepropagdde-alungul idirec{tipoate vibra cu egalSuqurin{din toatedirecliileqi astfelnusuferddubl5re LI E.Incazul celmaisimplu almoleculelor deformdalungrtd, formate dintr-opereche de situatela distanterelativ mari unelede altele.oentu a nu lnter-acliona,nilor. Polari se modificdcontinuucorespurzdtorcu oscilatiilecdmpului.Gradulde poluizarelimitlsuntindiinde gi de direclia de vibrafie a luminii (direclia luiE). Cazurilein figura l.++EE ll cu axa une$tecentrulInprimelectromagneticu E, mediullungulacesteiOrdonarilelecitindsaue gi indicederefiaclieminimpentrudirecliinormalela'aceasta.cu proprietatea de birefringenld opticd se remarcd qi fenomenul derotalie optic6.extremde miccazul cristalelorsolide - pasul spiraleiatomilorde cdliva Aesterotaf;ileluminii nu depSgesc250pentrugrosimi de 1 mm, in timpcristalelecol ice avSndpasul spiraleide acelaqiordin de mdrimecu lungimea)" aluminiivizibile o componentda lumii polarizatdce serotegtein material.Prop!i electro-magneticeplaci de stil6sffat conductorff ansparentmezofazddistanlierfir contactelectricmaterialpentru ermetizorPrincipal e proprietdJi ce pot firemarcateincelula standarddin fig.1 suntanizotropiafazelor. Unptibititlfi diamagnetice gianizotropia dielectriciamezo-ren;]tat ilconstituie efectele de aliniere ale materialuluiinc6momagnetic Aiv in cdmpelectric.Mezo se poate orientape un suportsolidin doudmoduri:cu axelelungi ale(orientarehomeotropi) sau cumoleculelor iculare pe suprafafasuporliloraxelelungi ele (orientarehomotropd).placi sticlistrat conductortransparentordonare etropa ordonarehomotropdE l- pe axaceune$tecentrulatomilorcaz momenteledipolilor sunt mai mari qide asemeneainducliatn raportcu cel de-al dolleacaz.C6ndaxamoleculeloresteparaleldaveaun indice de refractiemaxim pentru luminace vibreazdde-ablinprinadilionareasupreafe,telor$1de1 r ce) v a"Y:seimpurificarea controlatda mezofazei.corpuluisolid, deexemplu cuMe poate uda solidul cAndintre transmisiuniledoud corpurirelatiaTt> "' l spe suprafafasolidului se formeazdpicdturi cuunde T estesusprafalap0 : r [ 1 - b ( y , - y r )parametru care craate zeazdplwreitatea suprafelei egalcu 1 pentrufrrd,zgdrietwiqi b - un parametru empiric.: "lz - "'ltergieiliberecarefavorize azd,orientarea normald sauparaleld aide pe suprafa{a solidului. Dacb ys> y2 , se obline oordonareergra supreafelei este minimddacd mezofaza uddsolidul, iaryTAl" cu supreafala solidului.Seoblineo bundordonare c6ndelectric exterior poate modifica, dupd modul de aplicare, ordonareaLaticepe suport gi, ca atare,influenleazaproprietdfie lor optice. Sunttreiefecte: efectele dielectrice,piezoelectrice gi electrodinamice,,a a numeroase aplicatii.lecolesterice ciimpul electric are ca principal efect modificareaelectriciai luminii incidentegi reflectateserotescin direcfii opuse,inrotale nu esteafectatdprin reflexiepe cristalesolide;tnunele cazuri franjurialternante delumind denumiteprietafi sunt sensibilelaaranjamentulmoleculelor, aranJrrmentcarer fi modificatpe calechimicd,electricd,magneticd,termicd etc.incaz contrardatederelalia:este mdsuramoleculelor lihomeotropd.moleculeleAy:( s- l s)Imezofazelorcunoscute astflcareconstituie+rn mezo- vectoriice directia- formGrandjean.Acestela rAndulluiUnsuperficiale 1 ale celorunghiurile de contact 0planestructuriielicoi e. Pasulelicei lichidelor colestericearevalori mai mari de 1000A(ln solidepericitatearefeleiestede numaic6livaA). Datoritaperiodicitdjii spa{ialemezofazele col ce au urmdtoareleproprietdfi optice.:suportului(opti- puterece de refraclie minim c6nd axa opticdeste normaldpe suprafalauniaxiale);rotafie a luminii de ordinula sutede rotafii complete de Imm fatdde cuar!carear 24"lmm- o r ede reflexie a luminii polarizale:trmpRolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei21 ROLUL I IMPORTANA TEHNOLOGIEI.PRINCIPIILE TEHNOLOGIEI 1.1. GENERALITI Lexiconul tehnic romn atribuie cuvntului ,,tehnologie dou sensuri: - tiina metodelor i mijloacelor de prelucrare a materialelor; - ansamblul proceselor, metodelor, procedeelor, operaiilor etc. utilizate n scopul obinerii unui anumit produs cu o anumit utilitate social. Analizndceledoudefiniiiilundnconsiderareialtesensuri ntlnitentextedespecialitate,seconstatcsemnificaiatermenului ,,tehnologieaevoluatdelasensulrestrnsaltiineimetodelorde producie, la nelesullargaltiineitehnicilorumane.Sepoatespunecasistmlaodubl expansiune a noiunii de tehnologie: - o expansiunea coninutului care, limitat iniial la metodele de munc, a nglobattreptatimijloaceletehnicedeproduciepentruca,nultimavreme,s cuprind o sistematizare tiinific a tuturor cunotinelor necesare elaborrii unor scheme logice, coerente, care s constituie sistemele tehnologice moderne; - o expansiune a domeniului de aciune care, limitat iniial la producia de bunuri materiale, a inclus apoi prestaiile de servicii cu caracter tehnic (reparaiile, transporturile,gospodriacasnicetc.),pentrucaastzisseextindinsfera producieispirituale(creaiileartistice,organizareatimpuluiliber,sportul, turismul etc.).Avnd n vedere aceste fenomene se poate afirma c tehnologia este tiina aplicriituturortiinelor.Odefiniiemaipescurticuprinztoarearfi: tehnologiaestetiinacarestudiaztoatetransformrilelacareestesupus 1 Tratat de tehnologia materialelor22 substananproceseletehnologicedelucruimodalitateaconduceriiacestor transformrinvedereaobineriiproduselornecesaresocietii,ncondiii tehnico-economice optime. Datorit ariei foarte largi pe care o cuprinde i a multitudinii de fenomene pecarelefolosetetehnologia,sepunentrebareadactehnologiaestesaunuo tiin.Rspunsul vine imediat,dac admitem c la baza eistau o serie de legi i principii general valabile, care o deosebesc de celelalte tiine. Tehnologia se deosebete de celelalte tiine prin urmtoarele: -esteotiintehnicaplicativdeoareceurmreteunscoppractic nemijlocit (sunt foarte multe cunotine despre gama larg de fenomene ale naturii, dar pentru a le utiliza n vederea realizrii de produse este necesar aceast tiin tehnologia).Deexemplu,legeagravitaieisecunoatedepeste300deani,dar utilizareaeinvedereaobineriideproduseutilesocietiiafostposibilnumai odat cu dezvoltarea tehnologiilor cosmice; -estedependentdetimpidespaiudeoareceoricaredescoperirea legilor naturii este fcut util societii printr-o anumit tehnologie, iar modul de utilitateesteperfecionatntimptotdeotehnologie(deexemplu:ideea calculatoruluiestecunoscutcumiideaninaintedeCristos,daratingerea performaneloractuale,nformaactualdeprezentare,afostposibilnumai datoritevoluieitehnologiei).Dependenadespaiusebazeazpemodulcum gndesc i acioneaz oamenii locului de munc respectiv, pe experiena acestora, peposibilitileconcretealeloculuidemunci,maiales,pescopulurmrit(de exemplu:autoturismesefacinRomniainGermaniainRusia,dar tehnologiadefabricaieestediferitcutoatecselucreazlaacelaiprodus,cu aceleai destinaii i utilitate social); - nu rezolv problema realizrii unui singur produs, ea rezolv problemele obineriiuneiproduciiindustriale,deseriediversificat,cuaceeaiutilitate social,devenindnacestfelocondiieesenialadezvoltriisocietiiumane. Aceast caracteristic a tehnologiei a condus n ultima vreme la apariia expresiei: ,,tehnologiaesteprincipalacalederisipprincareomenireaiconsum resursele-inndcontdesemnaluldealarmtrasdecrizadeenergie,crizade materii prime, criza de protecie i criza de ncredere. n acelai timp a aprut ns iexpresia:,,tehnologiaprincipalsursdeeconomie,pentrucnumaiprin valorificareaimenselorresursedeeconomiiascunsentehnologie,prin mbuntireacercetriitehnologiceioptimizareaproceselordeproducieeste posibilsoluionareacrizeienergetice,demateriiprime,crizeideproteciei crizeidencredere,caredefaptformeazocriztehnologic.Eforturile tehnologieisuntcanalizateacumndoudireciicunoscute:pedeoparte, reducerea consumurilor i, pe de alta, crearea de noi resurse; -aplictoatelegilecelorlaltetiinealenaturiinvedereatransformrii Rolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei23 substanei n produse social utile, dar este guvernat i de o serie de principii care fundamenteazoricetehnologie.Acesteprincipiisunt:principiul multidimensional, principiul eficienei, principiul informaiei i altele. 1.2. PRINCIPIILE TEHNOLOGIEI 1.2.1. Principiul multidimensional Oricetehnologieesteosumdeprocesemultidimensionale,cufoarte muliparametri,rezultaidininteraciuneaconcretaunormaterialerealecu mijloacele de transformare ale acestora. Pentru a nelege multitudinea de factori care apar ntr-o tehnologie trebuie definit procesul de producie. 1.2.1.1. Procesul de producie Pentruexistenasaipentruprogresulsocietiiomulcreazn permanennurmaunorprocesedemuncbunurimaterialeispirituale. Rezultatele proceselor de munc n care omul acioneaz asupra obiectelor muncii (materiale,pieseetc.)cuajutorulmijloacelordemunc(scule,maini-unelte, aparate etc.) poart denumirea de produse.Noiuneadeprodusestefoartelarg,eacuprinzndmijloacelede producie(maini,utilaje,scule,aparateetc.),bunurilematerialenaturale (minerale, vegetale, animale), bunurile de consum etc. Orice produs este o sum de repere,fiecarerepercaracterizndu-seprinproprietiiprinform(fig.1.1). Proprietilerezultdinnaturamaterialuluicuoanumitstructuricompoziie chimic,iarformaseobinenurmainteraciuniicumijloaceledetransformare. Forma i proprietile sunt implicate sau implic un anumit rol funcional. Produs = Reperein= == = 1MaterialCompoziiechimicRolul funcionalFormPrescripiitehnologiceStructurInteraciunea cumijloacele detransformareProprieti Fig. 1.1. Structuraunuiprodus. Tratat de tehnologia materialelor24 Creareaoricruiprodusesterezultatulunuiprocesdeproducie,definitcafiindunprocestehnico-economiccomplex,carecuprindentreagaactivitate desfurat ntr-un loc de munc (fig.1.2). Componentaprincipalaunuiprocesdeproducieoconstituieprocesele de baz, care contribuie direct la transformarea materiilor prime n produse finite, ca de exemplu: obinerea de semifabricate turnate, forjate, sudate etc., prelucrarea prinachiereasemifabricatelorpentruobinereapieselorfinite,tratamentele termicesautermochimice,asamblareapieselorisubansamblelorreprezentnd produsulfinit,reparareairecondiionareaacestuianvederearecptriisau schimbrii rolului funcional. Proceseleauxiliareajutlabunadesfurareaproceselordebaz cuprinznd:construireadescule,dispozitiveiverificatoare(SDV-uri); ntreinereaireparareamainiloriutilajelorfolositencadrulproceselorde baz;transportulpieselor,semifabricatelorimaterialelorpeteritoriul ntreprinderii etc. Pentrubunadesfurareaprocesuluideproduciesuntnecesarei alte activiti,cadeexemplu,celedepregtireaproceselordebaziauxiliare, activitideconducereiactivitidedesfacereilivrare.Practic,unprocesde producienuseconsiderncheiatpncndproduselerealizatenuaufost desfcute pe pia i testate din punct de vedere al cerinelor. Proces de producieProcese deconducereProceseauxiliareProcesede bazProcese de pregtire a proceselorde baz i auxiliareProcese delivrare idesfaceredeservireProcese deProceseanexePregtireorganizatoricPregtiretehnicPregtireeconomicde fabricarede reparare irecondiionarede elaborarede semifabricarede tratamentde controlde asamblare Fig. 1.2. Structuraunuiproces de producie. Fiecare din aceste procese este influenat de o serie de parametri f1, f2, , fn, astfel nct tehnologia de realizare a produsului este o funcie de formaRolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei25 ( )T F f f fn=1 2, ,... , .(1.1) Schemageneraldeobinereaunuiprodusseprezintnfigura1.3.Nu este obligatorie ntotdeauna respectarea acestei ordini, n foarte multe situaii sunt scurtcircuitri (I, II ... VI etc., depinde de produsul ce se vrea obinut i de scopul propus).Deexemplu,ncazulI,cndscopulfinallreprezintobinereaunui semifabricatsuntnecesaredoaretapele1i2.Cndscopulfinallconstituie obinereauneipieseturnatesaudeformatesepoateplecadelaunsemifabricat iniial(cazulII)saudelamateriaprimsubformnatural(cazulIII), scurtcircuitndanumiteetape.Deasemenea,sepoateplecadelaunmaterialsub formprimar(deexemplu,unlingou)issetreacdirectlaoprelucrare dimensional prin turnare sau deformare plastic (cazul IV). IeireIntrare123456789IVVVIIIIIIIMateriale sub form primar (lingouri, blocuri, pulberi etc.)Semifabricate (bare, plci, table etc.)Tratament termic primarPrelucrare dimensional (turnare, deformare, achiere etc.)Tratament termic final (recoacere, clire, revenire, stabilizare dimensional)Prelucrare finalControl finalAsamblare repereControl finalProdusulMateria prim sub form natural Fig. 1.3. Schema general de obinere a unui produs. nfiecareetapdeobinereaprodusuluiinteracioneazfoartemuli parametri g1, g2, , gi,foarte multe variabile de material, de maini i utilaje, de calificareamuncitorului,denaturaprelucrrii,deanotimpichiardestareade moment a muncitorului, astfel nct tehnologia devine o funcie de forma T = F [f1 (g1, g2, , gi), f2 (g1, g2, , gi), , fn (g1 , g2, , gi)]. (1.2) Tratat de tehnologia materialelor26 Otehnologieoptimdeobinereaunuiproduspresupuneutilizareaunor metodededeterminareainterdepenedenelordintremultitudineadeparametrice aparnfiecareetapaprocesuluidetransformareasubstanei(metodacorelaiei multiple, metoda celor mai mici ptrate, metoda factorialelor etc.). Pentrubunadesfurareaprocesuluideproducie,ntreprinderea constructoaredemaini,cadealtfeloricesocietateeconomicauneiramuria oricreieconomii,trebuiesdispundeoorganizarecorespunztoarescopului propus(fig.1.4).Produseleiproceseledeproduciesuntconcepute,proiectate, organizateiconduse,dinpunctdevederetehnico-economic,despecialiticu calificare corespunztoare. Decizianecesitii realizriiprodusuluiDezvoltareaexperimentala produsuluiPrototip, experimentare,acceptareDANUPregtireai realizareaseriei zeroOmologareaseriei zeroDANUElaborarea documentaiei tehnologiceCompletripregtireDecizia deproducieDA NUNUOrganizareaproducieiActivitateade producieNU- Cercetare aplicativ- Studii tehnico-economice- Studii marketingCercetarea tehnologica realizrii produsuluiDeciziatehnologicDANU DATema de necesitate Cercetare fundamentaln Fig. 1.4.Schema organizrii activitii inginereti ntr-o ntreprindere industrial. Componentadebaznorganizareauneintreprinderiestesecia.n funciedeprofilullor,seciilepotfi:depregtireafabricaieincarese ntocmete toat documentaia necesar procesului de producie; de baz n care Rolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei27 sedesfoaroparteaprocesuluideproducie(proceseledebaz),nscopul obineriiuneipriaunuiprodussauantreguluiprodus;auxiliarencarese desfoarproceseleauxiliare;dedeservirencaresedesfoarproceselede deservire a seciilor de baz sau auxiliare. 1.2.2.2. Procese tehnologice Procesultehnologiceste oparte component a procesului de producie n decursulcruiaseefectueazlogicitreptatmodificrileitransformrile materialelor necesare obinerii produsului. n cadrul procesului tehnologic, materia prim,cuproprietileneadecvateutilizriidirecte,estesupusunuiirlungde transformrifizico-chimicenvedereaobineriiunuiproduscuproprietii funcii bine stabilite, conform cu o anumit utilitate social. Transformrilefizico-chimiceefectuateaulocattnprocesele tehnologice de extracie, care se execut asupra resurselor naturale i au ca rezultat obinereamaterialelorbrute,ctinproceseletehnologicedefabricarecese exercit la nceput asupra materialelor brute i au ca rezultat obinerea produselor (fig.1.5). Resurse naturaleElaborareMaterialebruteFabricareProdusfabricat Fig. 1.5.Schema general a realizrii produselor fabricate. n funcie de scopul urmrit, procesele tehnologice utilizate n construcia de maini i aparate pot conduce la: modificareaproprietilorfizico-chimiceifizico-mecaniceale materialelor; modificareaformei,dimensiunilor,poziieireciproceicalitii suprafeelor semifabricatelor i pieselor. Sepotdeosebiastfel,urmtoarelecategoriideprocesetehnologice (fig.1.6): deprelucrare,princaremateriileprimeimodifictreptatstarea, compoziia,forma,dimensiunile,rugozitateaipoziiareciprocasuprafeelor (fig.1.7). Procesul tehnologic de prelucrare poate fi: deelaborareseefectueazpentruaseextragemetalesau aliaje industriale brute (elaborare primar) sau de puritate nalt (elaborare secundar); desemifabricareiprelucraredimensionalseefectueaz pentruobinereadesemifabricatesaupiese,prinmodificareaformei, dimensiunilor, poziiei reciproce i calitii suprafeelor; Tratat de tehnologia materialelor28 detratamentseefectueazpentrumodificareaproprietilor fizico-chimice i fizico mecanice ale unui material, fie n ntreaga mas, fie numai n straturile de suprafa; de asamblare prin care piesele sunt grupate ordonat n subansamble i apoi n ansamble, de regul reprezentnd produsele finite (fig.1.8); PROCESde semifabricarede prelucrare dimensionalde elaborare materialede tratamentde prelucrareTEHNOLOGICde asamblaredemontabilnedemontabilde controldistructivnedistructivde reparare irecondiionarepentru acelai rol funcionalpentru un alt rol funcional Fig. 1.6. Principalele categorii de procese tehnologice. MateriiprimeMaterialebrutePiesaProcese tehnologice de prelucrare mecanic itratament termicProcese tehnologice de elaborareSemifabricat SemifabricatProcese tehnologice de semifabricarefinit

Fig. 1.7. Structura procesului tehnologic de prelucrare. decontrolprincaresedeterminpreciziageometricicalitatea semifabricatelor,pieselorirespectivaproduselor,nconformitatecu documentaia tehnologic; dereparareirecondiionareprincarepieselorsausubansamblelor cares-audegradatntimp,caurmareasolicitrilordintimpulfuncionrii,lise restabilesc caracteristicile iniiale. Elementuldebazaloricruiprocestehnologiclconstituieoperaia tehnologic, definit ca fiind o activitate ordonat i limitat n timp, efectuat de ctreunmuncitorsauoechipdemuncitorifrntrerupere,launsingurlocde munc, cu uneltele i utilajele necesare, asupra unuia sau mai multor materiale sau obiecte,nscopulmodificriiproprietilorfizicochimice,formei, dimensiunilor,netezimiiiaspectuluisuprafeelor.Operaiilelarndullorse Rolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei29 subdividnfaze,caresuntdeciprialeoperaieiicareserealizeazntr-o singuraezareipoziieapieseideprelucrat,cuaceleaiuneltedelucruicu acelairegimdelucru.ntimpulfazelordelucruoperatorulexecuttrecerii mnuiri(totalitateamicrilorefectuatentimpullucrului).Prinurmare,orice proces tehnologic are structura general prezentat n figura 1.9. Deexemplu,unprocestehnologicdeobinereauneipiesefinite presupuneparcurgereamaimultoretapedeprelucrareaunuisemifabricatiniial (fig.1.10). Piesafinit 1 finit 2Piesa Piesafinit finitPiesafinitPiesaSubansamblul Subansamblul SubansamblulfinitPiesaAnsamblu=Produs finiti j k nN B A Fig. 1.8. Schema unui proces tehnologic de asamblare. = Operatii Faze Treceriili jjmilkknjmil= = = = = = = = =1 1 1 1 1 1 == = = =limjnkqppMnuiri1 1 1 1

Fig. 1.9. Structura general a unui proces tehnologic. OperaiaDebitareOperaiaForjare1 2DanturareOperaiaGurireOperaia 4 5OperaiaStrunjire3Tratament termicOperaia 6 Fig. 1.10. Succesiunea operaiilor de obinere a unei piese finite. Semifabricatulpoatefidefinitcafiindobucat de material mai mult sau mai puin apropiat ca form de piesa care urmeaz a fi obinut i care a suferit o Proces tehnologic

Tratat de tehnologia materialelor30 serie de prelucrri nainte de a se ajunge la piesa finit. De regul, ultimele operaii aplicatesemifabricatuluiaucascopndeprtareaunuisurplusdematerial,prin achiere,pentruaseobinepreciziageometricnecesarigraduldenetezime cerut. Dimensiunilesemifabricatuluisuntntotdeaunamaimaridectcele corespunztoare piesei finite, prin urmare masa semifabricatului Msf este mai mare dect masa piesei finite Mpf

pf sfM M > .(1.3) SedefineteastfelnoiuneaderandamentdeutilizareamaterialuluiM ca un raport ntre masa piesei finite i ntreaga mas de material ce se consum pentru realizarea ei: [%]100 = sfpfMMM.(1.4) Randamentuldeutilizareamaterialuluiestefunciedeprocedeul tehnologic i de numrul de produse ce se vrea realizat.Binenelescnuntotdeaunaesteposibilobinereaunuirandament maxim,pentrucnfinalelstabileteoanumittehnologiedeprelucrare(de exemplu,randamentuldeutilizareamaterialuluilapiesadinfigura1.10este0,4 dacsefoloseteachiereadinbarlaminat;0,65laturnare;0,75lamatriare; 0,85 dac s-ar obine prin sudare din dou pri componente etc.). Un semifabricat este cu att mai bun din punct de vedere al randamentului deutilizareamaterialului,cuctelseapropiemaimultdepiesafinit,attca form, ct i ca dimensiuni. De exemplu, semifabricatul din figura 1.11. a, (debitat dintr-o bar laminat) este maipuinbundectsemifabricatuldinfigura 1.11.Achiere TurnareDeformareplastica b cdPiesa 2 Piesa 1Adaos de prelucrare Fig. 1.11. Dependena randamentului de utilizare al materialului Mde procedeul tehnologic: a - achiere; b - turnare; c - deformare plastic (matriare); d - sudare. b,obinutprinturnare,carelarndulluiestemaipuinbundectsemifabricatul dinfigura1.11.c,obinutprinmatriaredeprecizieetc.(fig.1.11),deoarece surplusuldematerialcaretrebuiendeprtat,denumitadaosdeprelucrare, Rolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei31 necesit n acest scop mai mult timp, mai mult energie i un consum mai mare de scule. Piesa finit poate fi considerat ca fiind unitatea de baz a unui produs, iar obinereapieselorfinitescopuldirectalmajoritiiproceselortehnologice aplicate n construcia de maini i aparate. Orice pies poate fi caracterizat prin trei elemente: compoziie, structur i form. Compoziiapieseiestecorespunztoaredefaptcompoziieimaterialului pieseicareprecedengeneralstructuraiforma.Easepoaterealizandou moduri: prin schimbare de stare fizic, incluznd starea lichid; fr schimbare de stare fizic (n stare solid). Structura piesei trebuie s asigure proprietile impuse, fie de procesul de prelucrare, fie de condiiile de exploatare. Ea poate fi deci: o structur de prelucrare, care s confere materialului o prelucrabilitate optim; o structur de utilizare, care s confere materialului proprietile optime cerute de funcionarea pieselor. npractic,lamultecategoriidematerialemetaliceesteposibilsse modificestructuraprintratamentetermice,astfelnctlanceputeasfieo structurdeprelucrare(obinutdeexempluprintr-orecoacere)i,apoi,o structur de utilizare (rezultat de exemplu, n urma unui tratament termic de clire revenire). Formapiesei este un element complex i include: configuraia, ntinderea ipoziiareciprocasuprafeelorcaredelimiteazpiesa,dimensiunileiprecizia dimensional, gradul de netezime a suprafeelor. Forma piesei se poate obine: prin schimbarea strii fizice a materialului piesei (cazul turnrii pieselor din materiale metalice lichide); prin schimbarea strii chimicesimultan cu obinerea compoziiei (cazul pieselor din materiale plastice termoreactive); prinredistribuireamaterialului(cazulprelucrriiprindeformare plastic); prin aglomerare de pulberi; prin ndeprtare de material (cazul prelucrrii prin achiere); prinadugaredematerial(cazulmbinriiprinsudare,lipiresaucelal metalizrii etc.). 1.2.2. Principiul eficienei Tehnologiatrebuiespermitnmomentulaplicriieirealizarea niveluluimaximdeeficienpentrucareafostproiectat.nlimbajobinuit, Tratat de tehnologia materialelor32 aceastanseamnaproducemaibine,mairepede,maimult,maiieftinila momentuloportun.Acestetrsturiseregsescnprincipaliiindicatoride eficien: costul, productivitatea, fiabilitatea, protecia muncii, protecia mediului, consumuldematerialeienergie,proteciaoperatoruluietc.Oriceproces tehnologic nu poate realiza de la nceput toi aceti indicatori de eficien la nivelul maxim, ntotdeauna existnd o dominant pentru unul sau mai muli dintre ei. Pentru a nelege aceasta se va face n continuareo analiz foarte succint a principalilor indicatori de eficien. 1.2.2.1. Costul produselor sau al pieselor Acestindicatorcucaractereconomicsepoateexprimanlei/produssau lei/lot (serie) de produse. n industrie, la nivel de secie, costul C este dat de relaia

R m M+C +C C C = ,(1.5) ncareCM reprezintcheltuielilecumaterialeledirecte;Cmcheltuielilecu salariilepersonaluluimuncitor;CRcheltuielilederegie(cheltuielideordin generalcaretrebuieamortizatepetimpulrealizriiiconsumuluiprodusului: utilaje, cldiri, energie electric, combustibil etc.). Deoarececheltuielilederegiesuntgreudedeterminatsecalculeazcao cot parte din cheltuielile cu manopera Cm , cu o expresie de forma CR = (2...10) Cm.(1.6) Oanalizapreuluidecostdatderelaia(1.5)nuestesemnificativn proiectarea unui proces tehnologic, deoarece nu permite analiza comparativ a mai multorprocesetehnologicederealizareaaceluiaiprodus.Deaceea,analiza costuluisefaceporninddelaostructurcarescuprindicheltuielilecu pregtirea fabricaiei. Se poate admite o expresie de forma Cs = F + nV,[lei/lot],(1.7) ncareCsestecostulunuilotdeproduse;Fcheltuielilefixe;Vcheltuielile variabile; n numrul de piese din lot. CheltuielilefixeFsedeterminprinprocedeedecalculconvenionalei cuprindcheltuielileefectuatecuutilajultehnologic(pentruamortizare,fabricare, funcionare,ntreinere,reparareetc.)icheltuielilegeneralealeseciei, ntreprinderii,holdingului(pentruntreinereacldirilor,retribuiamuncitorilor auxiliariiapersonaluluitehnico-administrativ,cheltuielilecuproteciamuncii, protecia mediului etc.). CheltuielilevariabileVsedetermindirectpeunitateadeprodusi cuprindcheltuielilecumaterialeleconsumate(materialulpieselor,materialede Rolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei33 adaos,mediidelucrunerecuperabile,ambalajeetc.)icheltuielilecumanopera (retribuiamuncitorilorcarelucreaznemijlocitpentrurealizareaprodusului,la care se adaug cheltuielile cu regia). inndcontderelaia(1.7)costulunuiprodusCpsepoatedeterminacu relaia nFVnCCsp+ = = ,[lei/buc]. (1.8) Reprezentareagraficarelaiilor(1.7)i(1.8)conducelaobinerea curbelor din figura 1.12. a i b. Dincomponenacostuluilotuluideproduciesevedecprocesul tehnologicestecuattmairentabilcuctnumruldeproduseestemaimare(de exemplu, pentru n1 buci,cheltuielile fixe reprezint circa 2/3 din Cs, n timp ce pentru n2 buci ponderea acestora scade la 1/2). Acelai lucru rezult i din curba reprezentatnfigura1.12.bcostulunuiprodusfiindcuattmaimic,cuct numrul de produse este mai mare.Fn n n[lei/lot]C= F + nV[lei/buc]nFn + V12sCsCpC=p[buc] [buc][lei/buc] ab Fig. 1.12. Dependena cost-numr de produse: a pentru un lot de produse; b pentru un produs. Arrezultadinaceastanalizsumarcartrebuintotdeaunaadoptat procesul tehnologic care s realizeze numrul maxim de produse. Dar nu se poate proceda aa, deoarece nu se pot desface i consuma de la nceput toate produsele, rezultndnitecheltuielidestocaj(scotdincirculaieanumitebunurimateriale care ar putea fi folosite n producerea altor produse). Dacseinecontidecheltuieliledestocaj,costulunuiprodusare expresia sn VnFCp+ + = ,[lei/buc.],(1.9) Tratat de tehnologia materialelor34 n care s este rata cheltuielilor de stocaj, exprimat n [lei/buc]. Reprezentatgrafic,relaia(1.9)conducelaobinereaunuinumrde bucioptimnopt,careinecontidecheltuielilefixeidecheltuieliledestocaj (fig.1.13).Acest nopt se determin anulnd derivata costului n raport cu numrul de produse =0 nCtot p = + 02snF sFnopt = . (1.10) Procesultehnologictrebuiesaibeficienamaxim.Aceastapresupune stabilireamaimultorvarianteposibiledeprocestehnologicialegereavariantei optimepe baza indicatorilor deeficien enumeraimai sus. FcndabstraciensnF + VnnoptCtot[lei/buc]p[buc] = Fn+ V + sn Ctot p = Cp deceilaliindicatorisepoatestabili variantadeprocestehnologiccu economicitatemaximpebaza relaiilor (1.7) i (1.8). Deexemplu,pentrucazuln caresecompardouvariantede proces tehnologic PT1 i PT2, exist un numr critic de produse ncr pentru care costulesteacelai(fig.1.14), determinat cu relaia (1.11). Fig. 1.13. Dependena costului total de numrulde buci. ncazulncareseanalizeaz treivariantedeprocestehnologicPT1, PT2 i PT3 (fig.1.15), alegerea varian- 1 22 12 2 1 1 2 1V VF Fn nV F nV F =C Ccr S S= + = + . (1.11) tei optime decurge n mod similar. Analog,sepotanaliza,,pvariantedeprocestehnologic,dincaresse deduc procesul tehnologic optim din punct de vedere al costului. Sevedeaadarcpentrufiecaremrimeaserieidefabricaieexistun singurprocestehnologiccueconomicitatemaxim,careexprimdefaptraportul optimdintrecheltuielilefixeicelevariabilenecesarepentrufabricarea produsului.Decimodulncareesteorganizatactivitateadeproducientr-o ntreprindereconstructoaredemainidepindedevolumulproduciei(numrulde produse identice sau asemntoare care trebuie realizate ntr-un anumit interval de timp), de mrimea (masa i dimensiunile) produselor i de complexitatea lor. Se deosebesc astfel urmtoarele tipuri de producie: Rolul i importana tehnologiei. Principiile tehnologiei35 produciedeunicatesauindividual,caracterizatprin:fabricarea produsuluintr-unsingurexemplarsaunnumrredusdeexemplare,folosirea unuinumrredusdeSDV-uri,calificareanaltamuncitorilor,folosirea mainilor-unelteiadispozitivelorcucaracteruniversal,productivitateamuncii sczuticostulridicatalproduselor(cazulfabricriiprototipurilor,mainilori utilajelor grele, ca de exemplu, turbine, maini-unelte grele, mori de ciment etc.); producia de serie, caracterizat prin: executarea produselor n loturi sau seriicareserepetregulatlaanumiteintervaledetimp,cazncareutilajul folosit are caracter universal sau specializat, productivitatea muncii este mai mare, iar costul produselor este mai mic dect cel de la producia individual. Producia deserieestemodalitateauzualdeorganizareaproducieinmajoritatea ntreprinderilorconstructoaredemaini(cazulfabricriimainilor-unelte,mainilornncrn < ncrn > ncrCsCs1Cs2 =PT1PT2F2F1 optPT1 optPT2[buc]PT1PT2ncr n [buc]Cp[lei/lot] [lei/buc]croptPT1 optPT2n > n n < ncr ab Fig. 1.14. Alegerea variantei optime a procesului tehnologic: a pentru un lot de produse; b pentru un produs. agricole,pompelor,motoarelorelectrice etc.).nfunctiedemrimealotuluisau serieiidecomplexitateaproduselor, aceastproducie poate fi: de serie mic, de serie mijlocie sau de serie mare; produciademas,caracte-rizatprin:fabricareanentrerupt, permanentsaupeoperioadmarede timpaaceloraiproduse,organizarean fluxcontinuupeliniidefabricaie, folosireadeutilajedemareproducti-vitate(maini-uneltespecialesau specializate),mecanizarea,automatiza-rea i robotizarea pe scar larg, folosirea de SDV-uri speciale, producti-

PT1 PT2 PT3C[lei/lot]sncr1-2ncr1-3ncr 2-3n [buc] Fig. 1.15.Alegereavarianteioptimedeproces tehnologic din trei variante posibile: opt crPT n n1 2 - 1 < ; ( )opt cr crPT n n n2 3 - 2 2 - 1, ; opt crPT n n3 3 - 2 > . vitateadeosebitderidicat,costulsczutalproduselor.Calificareamuncitorilor Tratat de tehnologia materialelor36 estengeneralsczut,cuexcepiaceleiapersonaluluidereglare,conducerei ntreinereautilajelor.Acesttipdeproduciesentlnetelafabricareaautomobilelor,bunurilordelargconsum,aparaturiiimainilorelectrice, televizoarelor i aparatelor de radio, organelor de asamblare etc. Fcnd abstracie de ceilali factori care condiioneaz stabilirea tipului de producieilundnconsiderarenumaimrimeaserieidefabricaie,sepoate stabili caracterul produciei de serie sau de mas prin raportul udTTn = , (1.12) ncarenestenumruldeproduseobinutntimpultotaldisponibilTd(de exemplu,unandezile)pentrufiecareprodusconsumndu-setimpulunitarTu. Dacprogramadefabricaienf 1,0% Cumsuritehnologicespeciale(prenclzireapieselor,folosireaunor anumite materiale de adaos, folosirea unor procedee speciale adecvate) se pot suda i oeluri cu Ce > 1,0%. b) Determinarea sudabilitii pe baza sensibilitii la fisurare Sensibilitatealafisurareestenprezentcriteriulcelmaiimportantde aprecierealsudabilitiipentruoelurileslabaliateialiate.Existnumeroase metode de determinare a sudabilitii pe baza tendinei la fisurare: metoda Schnadt, metoda Jackson, metoda Tekken, metoda ICPTSC etc. MetodaSchnadtsebazeazpeautofisuraresubaciuneatensiunilor remanentecesedezvoltnmbinareasudat.Peepruvetadeformacelor prezentate n figura 2.74 se execut trei custuri sudate, cu vitez constant i fr pendulri, n I, V, U sau Y, dup care mbinarea sudat rmne n dispozitiv timp de 10-15 min, pn ce temperatura scade sub 50C.Verificarea fisurilor se face n dou etape: -naintederupereacusturilorseexamineazlungimeafisurilorde suprafa (cu lichide penetrante sau pulberi magnetice); -duprupereacusturilorseevalueazprinncovoiereariaseciunii fisurilor. Sensibilitatea la fisurare Sf se determin, n procente, astfel: 100 =sffIllS [%];(2.78) Materiale clasificare, proprieti, utilizare149 80...130 80...130A A40...50180...200a30 30cs mb2 Fp11mb2FpA-Acsb6 tf6tftftf Fig. 2.74. Schema de principiu a metodei Schnadt de determinare a tendinei la fisurare:a - forma epruvetei; b - schema de principiu a ncercrii : mb1; mb2 - metale de baz;cs - custura sudat; FP1 , FP2 - flci de prindere. 100 =ssffIIAAS [%],(2.79) ncarelfestelungimeafisurriisausumalungimilorfisurrilor;ls-lungimea custuriisudate;Asf-ariaseciuniifisurii;As-ariatotalaseciuniicusturii sudate. CumetodaSchnadticelelaltemetodesepotfaceaprecieriattasupra metaluluidebaz,ctiametaluluideadaos,ncazulprocedeelordesudare manual cu arc electric, sudare automat i semiautomat sub strat de flux, sudare n mediu de gaz protector i altele. 2.4.4.5. ncercri pentru determinarea clibilitii Determinareaclibilitiioelurilorsepoatefaceprinmaimultemetode, darsingurastandardizatestemetodarciriifrontale,denumitiprobaJominy. Metodaconstnnclzirea,latemperaturadeclire,auneiepruvetedinoelde forma celei prezentat n figura 2.75, meninerea ei la aceast temperatur timp de 30 minute ircirea n anumite condiiia captuluiepruvetei. nclzireaepruvetei Tratat de tehnologia materialelor150 serecomandssefacnbidemetaletopite,bidesrurisaumpachetaren achiidefont.Rcireasefacepeundispozitiv,caresasigureunjetdeapla aceeaipresiune,iartemperaturaapeisfiecuprinsntre+10Ci+25C.Se msoar apoi duritatea de la captulrcitnspre captul nercit. Pentrumsurareaduritiiselefuiescdousuprafeeplaneparalele avnd oadncimede0,50 0,10 (STAS 4930-80).DeterminareaduritiiprinmetodaRockwellsau Vickers se face la distana de 1,5 mm ncepnd de la captul rcit pn la distana corespunztoare zoneisemimartensitice,iarapoidin3n3mm pn la o distan unde duritatea nu maivariaz. Cuvalorilemediialeduritiiastfelstabilite se construiete,n funcie de distana de la 30100+-0,259725+-0,25 captulrcitalepruvetei,curbade clibilitatecaracteristicdoararjeirespective(fig.2.76). Fig. 2.75. Proba Jominy. Pe baza curbelor de clibilitate se determin indiceledeclibilitate, notat cusimbolulJa/b(c),ncareaesteduritateazoneisemimartensiticepentruoelul respectiv;b-distanadelacaptulrcitpnlapunctulncaresemsoar duritateaa;cduritateaHRCmaximlacaptulclitalepruvetei.Pebaza indiceluideclibilitatepoatefideterminatdiametrulcriticDcaloeluluiclitn ap sau n ulei. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600,41 0,22 0,60 0,51 1,2 0,015 0,02610203040506070Marca oelului41CrNi12Compoziia chimic a arjei [%]C Si Mn Cr Ni S PDistana de la captul rcit[mm]200300400500600700DuritateDuritateBand deCurba de clibilitateclibilitateHRCHV100 Fig. 2.76. Curba de clibilitate a unei arje de oel. nconcluzie,sepoateafirmacnprezentnusepoateimaginarealizarea niciunuiprodusindustrialfrunriguroscontrolifrodeterminareprecisa Materiale clasificare, proprieti, utilizare151 proprietilor funcionale i tehnologice ale materialelor, din care se confecioneaz fiecare reper al produsului respectiv. 2.4.5. Metode speciale pentru determinarea, studiul i controlul proprietilor materialelor Tendinademiniaturizareiultraminiaturizare,pedeoparte,ide gigantizare,pedealtparte,ncondiiilefuncionriilatemperaturivariinddela aproapezero absolut pnla zeci demii de grade Celsiusi cuviteze foarte mari sau foarte mici, necesit materiale cu proprieti cu totul deosebite, determinate cu precizie deosebit de mare, eficient i fr s afecteze mediul sau operatorul uman. Acestedezideratesuntrealizateprinmodernizareametodelorprezentatemaisus sau prin dezvoltarea de noi metode capabile de performane deosebite. Printremetodeledeexaminarenedistructivcelemaidesutilizatese numrmetodeledecontrolprin:cureniturbionari;impedanmecanic; tomografiecomputerizat;examinaretermografic;cuajutorulmicroundelori prin examinare holografic. 2.4.5.1. Metoda de control prin cureni turbionari Const n inducerea n piesa de examinat a curenilor turbionari, cu ajutorul unuitraductortipbobin,irecepionareaperturbaiilorcurenilorturbionari,cu ajutorulunuitraductortipbobin,prinmodificareaimpedaneibobineitraductor. Perturbaiile suferite de curenii turbionari sunt determinate de existena diferitelor discontinuiti n piesa de examinat. Principiuldeexaminareprincureniturbionaridepindedeprocedeulde obinereainducieielectromagnetice,procedeucepresupuneobobin-traductor prin care trece un curent variabil sau un curent alternativ. Curentul variabil produce njurulbobinei-traductoruncmpelectromagneticvariabilnumitcmpprimar. Dac piesa de examinat (bun conductoare de electricitate) este plasat n cmpul primar al bobinei-traductor, atuncin piesva fi indusun curentelectriccunoscut sub numele de curent turbionar. Curentul turbionar produce, la rndul su, un cmp electromagneticopuscmpuluielectromagneticprimar.Existenaunordefecten piesadeexaminat,avndconductibilitateasaupermeabilitateadiferit,vor conducelavariaiidiferite,alecurenilorturbionariidecialecmpului electromagnetic, citite i afiate cu ajutorul unor mecanisme specifice. Principalele variabileoperaionalecaretrebuieluatenconsiderareatuncicndsefaceo examinareprincureniturbionarisunt:impedanabobinei-traductor, conductivitateaelectric,permeabilitateamagnetic,efectuldesuprafa,efectul demargine,efectuldecapt,efectulspaiuluidintrebobina-traductoripiesade examinat, factorul de umplere i raportul semnal-zgomot. Metodaseaplicpentrudetectareadefectelordesuprafasau cele dinTratat de tehnologia materialelor152 imediata vecintate a suprafeei. 2.4.5.2. Metoda de control prin impedan mecanic Sebazeazpevariaiaimpedaneimecanicenfunciedecalitatea obiectului de cercetat, existena unui defect conducnd la modificarea amplitudinii saufazeiimpedaneimecanice.PrinimpedanamecanicZ senelegeraportul dintre fora complex F(t) aplicat obiectului de cercetat i viteza complex v(t) a obiectului, n direcia forei, n punctul de aplicaie al acesteia: Z= ) ( v) (tt F .(2.80) Ca mrime complex, impedana mecanic poate fi exprimat prin relaia: Z= A ei , (2.81) n care A este amplitudinea, iar reprezint faza. nfunciedeparametrulluatnconsiderareladetectareadefectului, metoda impedanei mecanice poate fi aplicat n trei variante: - bazat pe variaia amplitudinii (metoda amplitudinii); - bazat pe variaia fazei (metoda fazei); -bazatipevariaiaamplitudiniiiafazei(metodaamplitudiniiia fazei). Schemadeprincipiuametodeidecontrolprinimpedanmecanicse prezint n figura 2.77. Cu ajutorul unui generatorelectric1 cu frecvenacustic de1...8kHziaunuipalpatorseproducnobiectuldecercetatoscilaii longitudinale.OCI IIF0F11243D Palpatorulesteformatdin dou piezoelemente, unul emitor 2 iunulreceptor3,legateprintr-o bardecuplaj4.Cndcontactul dintrepalpatoriobiectulde cercetatestentr-ozonfrdefect (I),atuncintregulansamblu oscileazcuoanumitamplitudine A0,iarcndcontactulsefacentr-o zoncudefect(II),amplitudineaA1este mult mai mic. Metoda se utili- Fig. 2.77. Schema de principiu a metodei decontrol prin impedan acustic:1 - generator electric de frecven acustic;2 - emitor; 3 - receptor; 4 - bar de cuplaj acustic;OC-obiect de cercetat; D - defect. zeazlapunereanevidena zonelor cu defecte nmateriale multistrat, structuri fagure,structuri sandwich,mbinrilipite isudateMateriale clasificare, proprieti, utilizare153 etc.Metodaprezintdezavantajulcntregulsistempoateintranrezonanin consecinrezultatelesuntcompletdenaturate,deaceeatrebuieevitatfenomenul de rezonan. 2.4.5.3. Metoda de control prin tomografie computerizatEstecunoscutdinanul1940,dari-adoveditcalitileabiadup introducerea computerelor n prelucrarea datelor achiziionate n urma controlului.Schemadeprincipiuacontroluluitomograficseprezintnfigura2.78. SursaderadiaiiXmpreuncudetectorulderadiaiisemiccoordonatnjurul obiectului de controlat, fiecare poziie (I, II, III) fiind definit prin unghiul de rotire cruiaiseasociazoanumitproiecieaobiectuluidecercetat.Uncomputer controleaz micarea scannerului, colecteaz datele proieciei obinute de detector, aplic algoritmul de reconstituire a imaginii i afieaz rezultatele pe un display.Metodaestedeosebitdeprecisipermitecreterearezoluieidepeste 0,1 mm, dar are cteva dezavantaje (costul mare al instalaiei i timpul relativ mare al examinrii). De aceea metoda se aplic n urmtoarele situaii: - cnd eventualele defecte ascunse ar avea consecine foarte grave (pierderi de viei omeneti sau pierderi economice importante); - cnd nu se poate efectua controlul prin alte metode; - cnd numrul de examinri identice este foarte mare. 2.4.5.4. Metoda de control prin examinare termografic Aceastmetodconstndetectareaunuidefectpebazaanomalieide distribuieatemperaturii,produsdeexistenaacestuia.Aprut ndomeniulIIIIIIAlgoritm de reconstituireDateleproiecieiSurs de radiaiiProiecia obiectuluide cercetatObiect de cercetatDetector deradiaiiX2ScannerImagineaobiectuluide cercetatDefecte Fig. 2.78. Schema de principiu a controlului tomografic. Tratat de tehnologia materialelor154 militar pentru fotografierea n infrarou a imaginilor pe timp de noapte, termografia s-a extins cu rezultate bune n detectarea celor mai diferite defecte interioare i cu rezultatespectaculoasendomeniulmediciniipentrudiagnosticareaunorboli. Metoda de examinare termografic cuprinde urmtoarele etape distincte: -transmitereaunuifluxtermicprodusuluidecontrolatprintr-osuprafa sau o linie convenabil aleas; -deteciaanomaliilortermicepeosuprafasauolinieopusceleide intrare sau pe aceeai parte; - vizualizarea i/sau nregistrarea acestor anomalii; - interpretarea rezultatelor i stabilirea diagnosticului. Dup tehnicile de examinare folosite se deosebesc: -metodecarefolosesccontactuldirect(fig.2.79),lacareosubstan termosensibil sau un instrument de msur se plaseaz n contact fizic i termic cu piesa supus examinrii; QQQ1 SubstanatermosensibilObiectul decercetatDefectImagineT[C] [mm]Q0lde defect Fig. 2.79. Schema de principiu a metodei de examinaretermografic cu contact direct:Q0-fluxul iniial de cldur; Q i Q1 - cantitatea de cldur ajuns la substana termosensibil n zona fr defect i respectiv n zona cu defect; T - temperatura; l - lungimea obiectului de cercetat. -metodedeexaminarefrcontactdirect(printeledetecie),carese bazeazpeanalizaenergieitermiceradiatedesuprafaaobiectuluidecercetat (fig.2.80).Acesteaconstaundetectareadeladistanaradiaieiinfraroii,emis de obiectul de cercetat i transformarea informaiilor obinute, prin scanarea punct cupunctasuprafeei,ntr-oimaginevizibilpecaresepotpuneneviden eventualele defecte. Examinarea termografic este utilizat cu bune rezultate pentru detectarea defectelor interioare n: - produse din materiale compuse stratificate sau compozite; - structuri lipite tip fagure, sandwich etc; Materiale clasificare, proprieti, utilizare155 - produse obinute prin diferite procedee de prelucrare (turnare, deformare plastic, sudare etc.); - produse electronice etc. Metoda permite obinerea de rezoluii spaiale de 1 m pentru defectele de suprafa, dar are dezavantajul unor costuri mari ale instalaiilor. Oglind de reflexieSistemopticDispozitivde baleiereFiltruDetectorImagine defect Sistem vizualizareSistem deprelucraresemnalQoQ QQ1Display Fig. 2.80. Schema de principiu a metodei de examinare termograficfr contact direct (prin teledetecie). 2.4.5.5. Metoda de control cu ajutorul microundelor Arelabazproprietilemicroundelordeainteracionadiferitcu materialele de cercetat, de a fi reflectatei de a se transmite prin aceste materiale. Microundele sunt unde electromagnetice cu frecvena de la 225 kHz la 100 GHz i auomarecapacitatedeptrundereprincelemaimultematerialenemetalice.n materialele cu conductivitate electric mare microundele nu ptrund, fiind aproape integralreflectate,deaceeasuntutilizatepentruexaminareasuprafeelor exterioare,adefectelordesuprafa,lamsurarearugozitii,lamsurarea dimensiunilor,saularidicareatopografieiuneisuprafee.ncazulmaterialelor dielectricemicroundeleinteracioneazputernic,suntreflectatediferitcunatura materialuluiisetransmitdiferit,totnfunciedenaturasubstaneidecercetat. Prin urmare, existena unui defect va conduce la un anumit coeficient de reflexie i launanumitcoeficientdetransmisie,funciedepermitivitatearelativa materialului. Coeficientul de reflexie R i de transmisie T se calculeaz cu relaiile: R = rr + 11;T = r + 12 (2.82) Tratat de tehnologia materialelor156 n care r este permitivitatea relativ a materialului. Schemadeprincipiuametodeidecontrolcumicrounde,prinanaliza coeficientuluidereflexieseprezintnfigura2.81.aib,iarprinanaliza coeficientului de transmitere n figura 2.81. c i d. Ungeneratordenaltfrecven1,producemicroundecare,prin intermediulunuiizolator,atenuator,defazor2iemitor-receptor3, interacioneazcuobiectuldecercetat4.Coeficientuldereflexiesemsoarcu ajutorulunuireflectometrucuplatcudetectorul5icuaparatuldevizualizare6. Existena defectului 7 va conduce la modificarea coeficientului de reflexie, funcie de natura defectului i mrimea acestuia. La controlul prin msurarea coeficientului detransmisie(fig.2.81.cid)diferelementelecomponentealeinstalaieiin special elementul de detecie, de msurare i de vizualizare. 1 2 3 456a1652 3 4 7bd2 1 3 4 65156 2 3 4c7 Fig. 2.81. Schema de principiu a metodei de examinare cu microunde:- prin analiza coeficientului de reflexie: a - obiectul de cercetat fr defect; b - obiectul de cercetat cu defect; 1 - generator de microunde; 2 - defazor; 3 - emitor-receptor; 4 - obiectul de cercetat;5 - detector; 6 - instrument de msurare i vizualizare; 7 - defect; - prin analiza coeficientului de transmisie: c - material fr defect; d - material cu defect:1 - generator de microunde; 2 - emitor; 3 - obiectul de cercetat; 4 - receptor; 5 - detector; 6 - instrument de msurare i vizualizare; 7 - defect. Sensibilitateadedetecieadefectuluidepindedeforma,poziia,naturai suprafaa lui n raport cu unda emis. Metodaprezinturmtoareleavantaje:nunecesituncuplajspecialntre sistemul deexaminarei obiectulde cercetat; microundele nusunt ionizante inu auefectenociveasupraoperatorului;ofoartebunpenetrarenmaterialele dielectrice. 2.4.5.6. Metoda de control prin examinare holograficArelabazprincipiulHuygens-Fresneliproprietileinterferenei Materiale clasificare, proprieti, utilizare157 luminii. Holografia este o tehnic de obinere a imaginii unui obiect pornind de la o figurdedifracieprodusdeacelobiect.Uncorpoarecare(obiectuldecercetat OC)difractundalaserFAD(fig.2.82)iproducenplanulvirtualP(x,y)o anumitdistribuieaamplitudiniicomplexeA(x,y,t),carenregistratprintr-o anumitmetod constituie o hologram. DOMCDFFLDOMCLOC FADPV Redareaimaginii obiec-tuluidecercetatseface printr-oiluminareahologramei cuounddereconstrucie identic undei de referin care a servitlanregistrare. Suprapunereaimaginilori compararealorpermite recunoatereaformeiobiectului decercetatievoluiaacesteia ntreceledoumomente succesive.Interferometriaholo-graficprezintoseriede avantajefademetodele clasice:permitemsurritridi-mensionale;nunecesitmodele transparenteifaceposibilmsurareamicrodeformaii-lor complexe ale oricrui tip de Fig. 2.82. Schema de principiu la examinarea prin interferometrie holografic:OC - obiectul de cercetat;PV - plan virtual; D - diafragm; OMC - obiectiv microscop; DF - divizor de fascicul; FAD - fascicul difractat;FL - fascicul laser; L - laser. obiect;asigurnregistrareai vizualizareastaticsaudinami-cavariaiilorunuicorpntredoumomentealeunui procesn evoluie. Metodaseapliclapu- nereanevidenafenomenelortermice,microdeplasrilorimicrodeformaiilor, lastudiulvibraiilor,laprelucrareaistocareaopticainformaiei,prelucrarea unor date medicale i la examinarea nedistructiv cu o rezoluie de 0,5 m. Observaie. Eficiena i fiabilitatea controlului unui material n scopul evaluriicorecteaproprietilorisntiiacestuiadepindefoartemultide alegereajudicioasametodeidecontrol.Lastabilireametodeioptimedecontrol este necesaranaliza concomitent a unui numr mare de parametri i ierarhizarea acestoranordineaimportaneilorntr-unanumitcontextdat.Principaliifactori carestaulabazastabiliriiprocedeuluioptimdecontrolseprezintntabelul grafic 2.5. Tratat de tehnologia materialelor158 Tabelul 2.5. Principalii factori care condiioneaz stabilirea procedeului optim de controlal unui material Tehnologice Geometrice Funcionale EconomiceProductivitateaCaracteristici ale materialuluisupus examinriiAccesibilitateaCerinele tehniceimpuse de rolulfuncional almaterialuluiProcedeu optim de controlPerformaneleaparaturiidisponibileAspecte economicePrecizia deexaminareDefectmaximadmisibilDefectminimdetectabilCondiii deexploatare 2.5. ELABORAREA MATERIALELOR METALICE 2.5.1. Generaliti Metalele segsesc n natur n stare nativ subform de filoane (Au, Ag, Pt,Cuetc.,ngeneralmetalerezistentelacoroziune),nstaredecompui(oxizi, sulfuri,carbonai,silicai-mareamajoritateametalelor)isubformdenoduli marini (fier, nichel). Rspndireaprincipalelorelementenscoaraterestresteprezentatntabelul 2.6. Unconglomeratdesubstanemineraleconinndunulsaudouelemente n cantitate suficient spre a se separa eficient se numete minereu. Minereulesteformatdindoucomponenteprincipale:utilul-compusul chimicsubcareestefixatelementulcutatisterilul-impuritilecareseafln amestec cu utilul n scoara terestr. Minereurile pot ficlasificate dup: a) natura sterilului: -minereuriacide(lacareindiceledebazicitateesteB= oxiziacizi/ oxizi bazici > 1 avnd ca principali componeni SiO2 i P2O5); -minereuribazice(lacareB 0,21. (2.88) Lundnconsiderarerelaiafuncionaldintrepresiuneaparialde echilibruitemperatur(fig.2.84)rezultc,pentruaasiguraireversibilitatea reacieidedisociere,temperaturadereacie(dedisociere)trebuiesfiede minimum 3 980 K, ceea ce nseamn un consum energetic foarte ridicat. Consumurileenergeticesuntexageratdemariincazulcelorlalte combinaiichimicesubcaresegsescmetalele.Deaceea,nuserecomand utilizareareacieidedisocierepentruextragereapirometalurgic,cireaciade reducere, care necesit un consum energetic mult mai mic MeRd + Re Me + ReRd, (2.89) n care Re este reductorul. Condiia necesar, ca un element chimic s fie reductor, este ca presiunea parialdeechilibruareductoruluisfiemaimicdectpresiuneaparialde echilibru a metalului redus pRe < pMe.(2.90) Majoritateacompuilormetalelordinminereurisuntoxizi,iarncazurile carbonailor,sulfurilor,hidroxiziloretc.,prinprjire-calcinareseajungetotla oxizi. n figura 2.84 sunt prezentate, n direcia de reducere metalotermic, cteva elemente chimice utilizate n metalurgie. n principiu, orice metal poate fi un reductor. Din punctul de vedere al temperaturii de reducere, reducerea metalotermic poate fi: Materiale clasificare, proprieti, utilizare165 - n stare solid, atunci cnd Treducere< Ttopire < Tvolatilizare ,(2.91) nacestecazurifiindnecesarcaoxiziimetalelorceseextragsprezintepuritate mare,pentruaseobineopuritatemareametalului(exemplu:wolfram,nichel, siliciu); - n stare lichid, atunci cnd Ttopire < Treducere< Tvolatilizare(2.92) rezultmetalecupuritatesczutprinimpurificarecusteril,fondani,gaze (exemplu: fier, staniu, stibiu); - n stare de vapori, atunci cnd Ttopire < Tvolatilizare < Treducere (2.93) obinndu-se metale cu grad nalt de puritate (exemplu: plumb, cadmiu). Reducerea oxizilor se poate face cu : - carbon - reducere direct,MeO + C Me + CO;(2.94) - monoxid de carbon - reducere indirect, MeO + COMe + CO2;(2.95) - hidrogen - reducere cu hidrogen, MeO + H2 Me + H2O;(2.96) - metale - reducere metalotermic, MeO + Me(Re) Me + Me(Re)O.(2.97) nprezent,seutilizeaztotmaimultlantanidelecareductoripentru impuriti,deoareceauomareafinitatefadeoxigen,sulf,aluminiu,plumb, staniu,hidrogenetc.Lantanideleseutilizeazcaelementereductoaren concentraie de 0,15 - 0,3%. n plus, n cazul oelurilor, se obine i o mbuntire a unor proprieti chimice, mecanice sau tehnologice.Steriluldinminereuicenuadeardereacombustibiluluiseseparde metalultopitintroducndnncrcturacuptoruluiunfondant,careareroluldea fixa sterilul i cenua sub form unui compus complex numit zgur. Zguraaredensitatemaimicdectmetaluliseseparfoarteuor gravitaional.DacprodusuldereducereReRdrezultnstaresolidsaulichid, atunci zgura are rolul de a ngloba i acestcompus. 2.5.3.2. Principiul extragerii hidrometalurgice Extragereahidrometalurgicseaplicpescarfoartelargncazul minereurilorcareauunprocentmaredesteril,darsuntsuficientdebogaten Tratat de tehnologia materialelor166 metalulcutatnctexploatareasfieeficient.Astfel90%dinproduciade cupru,40%dinproduciadezinc,100%dinproduciadealuminiusebazeazpe extragerea hidrometalurgic. Etapeleprocesuluideextragerehidrometalurgicsunt:solubilizarea minereului, purificarea soluiei, separarea metalului din soluie. Solubilizareaminereuluisefacecuajutorulunuireactivadecvat,astfel nctutilulsintrencombinaiecureactivulissetransformentr-osubstan solubilnap,iarsterilulsfieneutrufadereactiv.Deexemplu,pentru compuii de cupru: 4 43 4 42 1apoasa solutie rezulta2 4 4 2O H CuSO SO H CuO + + (2.98)

4 43 4 42 1apoasa solutie rezulta2 4 2 2O H CuSO O H 2O CuS + + + (2.99) sau 4 4 4 4 3 4 4 4 4 2 1apoas solutie rezulta2 2 2 3 2O 1)H ( 2NaAlO 2NaOH O H O Al + + + n n .(2.100) ncazurilencaresolubilizareanusepoatefacedirect,minereulse prelucreazprinprjireoxidant(prjireapoatefiidealtnatur,spreexemplu clorurant) pentru a se obine un produs solubil sau reutilizabil: 2 22SO 2ZnO 3O 2ZnS + + (2.101) O 2H 2ZnSO SO 2H 2ZnO2 4 4 2+ + . (2.102) Purificareasoluieisepoatefaceprin:decantare,filtrare,precipitare chimicaimpuritilorsauadiverselorcomponentealesoluiei(dacsoluiaeste multipl). Astfel, se reine doar acea parte a soluiei pure care conine metalul dorit. Separarea metalului din soluie se poate face prin: cementare, hidroliz sau electroliz. Cementareapresupuneformareansoluieaunormicroelemente galvanice, n care metalul care se extrage joacrol de sector catodic i metalul cu caresecementeazjoacroldesectoranodic.Astfel,unmetalcupotenialde electrodmaielectronegativpoatecementa(scoate)unmetalcuunpotenialde electrod mai puin electronegativ sau electropozitiv: e 2 Zn Zn2 + (2.103) Cu 2 Cu2 ++e (2.104) Materiale clasificare, proprieti, utilizare167 + ++ +2 2Zn Cu Cu Zn .(2.105) nfigura2.85suntprezentatectevametaleuzualenscaraelectro-negativitii. PtAuAgCuSnPbNiCrFeAlCdZnMg electropozitivitateelectronegativitate Fig. 2.85. Scara electronegativitii elementelor uzuale n practica industrial. n practica industrial argintul se cementeaz cu cuprul sau fierul, cuprul se cementeaz cu fierul sau zincul etc. Hidrolizaestereaciainverssolubilizriicompusuluidinminereuise execut nanumite condiii de presiune i temperatur. Prin hidroliz se separ din soluie compusulchimic al metalului, spre exemplu: NaOH Al(OH) O 2H NaAlO3 2 2+ + .(2.106) Calcinareancontinuareahidroxiduluidealuminiuvaaveacarezultat alumina(Al2O3)frapdecristalizare,dincareseextrageapoialuminiulprin electroliz din topitur. 2.5.3.3. Principiul extragerii electrometalurgice Extragerea electrometalurgic are dou variante: electrometalurgia termic i metalurgia electrolitic. Electrometalurgiatermicutilizeazefectulcaloricalcurentuluielectric (prinrezisten,arcelectricsauinducie)nproceselepirometalurgice.ncazul proceselorelectrometalurgice,carbonulsauhidrocarburile(dacseutilizeaz) joacroluldoardereductori,sursatermicfiindcurentulelectricireaciile exotermice de reducere. Metalurgia electrolitic folosete electroliza pentru separarea metalului din soluiiapoase sau topituri ale unor compui ai metalului. Electrolizaserealizeaz,ncazulextrageriielectrometalurgice,cuanod insolubil,ioniipozitiviaimetaluluiaflainsoluiesautopiturdepunndu-sela catod. Prinextragereaelectrometalurgicseobinmetalecupuritateridicat.Se aplic minereurilor foarte srace. 2.5.4. Purificarea metalului brut nurmaextrageriimetalurgiceseobinemetalulbrutacruipuritate variazdelaunmetallaaltul,dela92-94%pnla98-99%,ceeaceeste Tratat de tehnologia materialelor168 nesatisfctorpentrupracticaindustrial.nfunciedefactoriicareconcurla purificareametalului,depuritateaobinutidenaturametaluluisupuspurificrii operaia se numete afinare sau rafinare. O clasificare sintetic a operaiilor de afinare este prezentat n figura 2.86. PROCEDEEDEAFINAREtermicelectrolitic- mecanic- cu schimbarede stare-n starelichid-n staresolid- oxidarea selectiv- clorurarea selectiv- sulfurarea selectiv- absorbia n zgur(zgur bazicS; acidFeO,MnO) (Cu prin reducere cu Hdin CuO)2 - decantarea (curirea de oxizi i silicai)- fluxarea (flux care preia impuriti)- filtrarea (Hg)- barbotarea (gaz care preia impuriti)- S LS cnd Qtop.IQtop.Me- topirea zonar- topirea n vid- S VS cu reducerefrreducere Fig. 2.86. Clasificarea procedeelor de afinare: S - starea solid; L - starea lichid; V - starea de vapori. Afinarea-rafinareasefacetermicsauelectrolitic,cusaufrreducere, mecanic sau cu schimbare de stare, n stare lichid sau n stare solid. Metodeledeafinaremecanicefrreduceresuntdecantarea,fluxarea, filtrarea,barbotarea.Decantareasebazeazpediferenadegreutatespecific dintreimpuritiimetal.Sepoateaplicancazulncareimpuritilesunt insolubilenmetalulsupusafinrii,maialesncazulncareimpuritilesuntn stare solid. Fluxareaesteometoddeafinarecareconstnintroducereaunor fondani (flux) n baia metaliccuscopuldeazgurifica impuritile. Procedeulse aplicnmetalurgiamagneziului,undezguraobinutjoaciroldefactor mpotriva oxidrii bii de metal i mpiedic i evaporarea magneziului. Filtrarea se aplic n special n cazul Hg, pentru ndeprtarea impuritilor care la temperatura natural se afl n stare solid. Barbotareaseaplic,ngeneral,aliajeloruoare,undesepararea gravitaionalazguriiestedificil.Spreexemplu,ncazulaluminiuluise Materiale clasificare, proprieti, utilizare169 barboteazbaiadealuminiucuazotsuflatlaparteainferioar,astfelnctsfie mai uor antrenate impuritile la suprafa. Metodeledeafinarecuschimbaredestarefrreduceresebazeazpe diferenelecareexistntretemperaturiledetopirealeimpuritilorimetalelor afinate. DacimpuritileimetalulsuntnemiscibileiTtopireimpuriti >Ttopiremetal, atunci separarea metalului de impuriti prin licuaie se realizeaz prin ndeprtarea impuritilor solide (de exemplu: impuritile de cupru n plumb). DacimpuritileimetalulsuntnemiscibileiTtopireimpuriti X) i lichidul rmas nzonatopitsrcetenimpuriti.Seobservotendindedeplasarea impuritilor ctre captul din stnga al lingoului. Printrecerisuccesive,nacelaisens,aleinductoruluidelauncaptla altulallingouluiseajungelapurificareazoneicentralealingouluiimpingerea impuritilor ctre capete, care se ndeprteaz prin tiere. Afinarea fr reducere,cuschimbare destare de tip solid-vapori-solidse aplicmetalelorcaresublimeazsauautemperaturdevaporizaresczut (magneziu).Eliminareaimpuritilorserealizeazprindistilarefracionat, favorizat de diferena dintre tensiunea de vapori a metalului i a impuritilor. Afinarea prin oxidare selectiv (n cazul oelului), prin clorurare selectiv (ncazultitanului),prinsulfurareselectiv(ncazulcuprului)sebazeazpe afinitatea diferit a elementelor chimice fat de oxigen, clor sau sulf i posibilitatea formrii, n mod preferenial, a unor compui ai acestora care pot fi uor separai de restul bii lichide. Rafinareaelectroliticsebazeazpeprocesuldedizolvareanodici depunerecatodicceareloclaelectroliz.Sepotobinepuritifoartemari,de peste 99,99%. 2.5.5. Obinerea monocristalelor Metodele de obinere a monocristalelor sunt urmtoarele: - creterea monocristalelor n stare solid prin recristalizare, Materiale clasificare, proprieti, utilizare171 - creterea monocristalelor din topitur, - creterea monocristalelor din stare de vapori, - creterea monocristalelor din soluie. Creterea monocristalelor n stare solid prin recristalizare se execut prin nclzirea substanei pn la o temperatur TT inferioar temperaturii de topire Ttop

(TT0,8 Ttop) i n rcirea lent (grade/or)cu un anumit gradient de temperatur. Estenecesarunmaterialpolicristalindemarepuritate,consumulenergeticeste mare,iarproductivitateaestemic.nplus,existmultipleposibilitide recristalizarepolicristalin,deoareceestefoartegreudecontrolatgradientulde temperatur. 21345 12345 ab Gaze deardere126786CH22+O2CH22+O2 7910 cd Fig. 2.89. Metodele de obinere a monocristalelor: a - metoda Czochralsky; b - metoda Bridgman; c - depunerea din pulberi topite, d - metoda Pfann;1 portamors; 2 - amors de cristalizare; 3 topitur; 4 creuzet; 5 - sistem de nclzirea topiturii; 6 - arztoare cu flacr; 7 - incint de cretere a monocristalului; 8 - buncr cu pulbere;9 inductor; 10 - monocristal. Tratat de tehnologia materialelor172 Cretereamonocristalelordin topituresteceamairspnditmetodde cretere a monocristalelor i prezint mai multe variante. MetodaCzochralskisauKyropoulos(figura2.89.a)presupuneexistena unei amorse decristalizare 2 aflat n contact cu topitura 3 la momentul iniial. n momentuliniializriicristalizrii,amorsasendeprteazdesuprafaatopiturii prinrototranslaieicretereamonocristaluluisefacedintr-unmeniscdetopitur formatntreamorsisuprafaaliberatopiturii.Seaplic,nspecial,pentru creterea monocristalelor din Ge i Si. MetodaBridgman(fig.2.89.b)esteasemntoare,avnddeosebireac deplasareadecretere(detragere)esteexecutatdectrecreuzetul4,ncarese afltopitura3.Prinaceastmetodseobinmonocristaledinaur,cadmiu,materiale semiconductoare etc. Schemadeprincipiuametodeideobinereamonocristalelordinpulberi esteprezentatnfigura2.89.c.Clduranecesartopiriipulberiicarecurgedin buncrul8,estefurnizatdeflcrileoxiacetileniceobinutecuarztoarele6, dispuse concentric fa de axa incintei de cristalizare 7. Picturile astfel obinute se depunpeamorsadecristalizare.Pentruaasiguraoconstanagradientuluide temperaturestenecesarmeninereanaceeaipoziieafrontuluidecristalizare i,deaceea,pemsuracreteriicristaluluiportamorsaseretrageprintr-o rototranslaie. Schemadeprincipiuaobineriimonocristalelorprintopirezonar (metodaPfann) este prezentat n figura 2.89. d. Topireazonarsepoate face pe orizontalsauvertical.Deplasareainductorului9trebuiessefacfoartencet (cm/or)utilizndu-seecranetermice,caresasigureconstanagradientuluide temperatur. Creterea din starea de vapori presupune volatilizarea unui material foarte pur,careapoisecondenseazpeunsuport.Prinaceastmetodsepotobine monocristale de dimensiuni mici dac suntndeplinite urmtoarele condiii: - constana gradientului termic; - reeaua cristalin a suportului s fie de aceeai form cu reeaua cristalin ce se va obine; -parametrulreeleicristalineasubstratuluisnudiferecumaimultde 15% de parametrul reelei cristaline ce se va forma. Schemadeprincipiuacreteriimonocristalelordinsoluieesteprezentat nfigura2.90.Metodasebazeazpeapariiagermenilordecristalizarei cristalizareauneisubstaneaflatntr-osoluiesuprasaturat(domeniude instabilitate) dac se modific unul dintre parametrii de stare. n cazulprezentatnfigura2.90 parametrul destare caresemodificeste temperaturaT1(temperaturadinincintaderegenerareasoluiei9)>T2 (temperatura din incinta de cristalizare 5). Soluiasuprasaturatregeneratestecirculatcuajutorulpompei11.n incintadecristalizare,modificndu-setemperaturasoluieisecreazcondiiilede Materiale clasificare, proprieti, utilizare173 cristalizarepeamorsadecristalizare2,careesteextrasdinsoluiepemsuracreteriicristaluluiprinrototranslaiaportamorsei1.Dupepuizare,soluia devenit nesaturat, ajunge prin circulaie n incinta de regenerare, care se facepe seamasubstaneidepusencoul8.Aceastmetodestefoartepuinproductiv, viteza de cretere a monocristalelor fiind aproximativ de 1 mm/or. 1110987123456 Fig. 2.90. Schema de principiu a creterii monocristalelor din soluie:1 portamors; 2 - amors de cristalizare;3 monocristal; 4 capac; 5 - incint de cristalizare;6 - soluie suprasaturat; 7 capac; 8 - co coninnd substanade regenerare a soluiei; 9 - incint de regenerare a soluiei; 10 - soluie regenerat; 11 - pomp. Metodelede cretere a cristalelor prezentate mai sus permit obinerea unor monocristaleavndoformdeterminatdoar decondiiile derototranslatare i degradientultermic.Pentruaseobinepiese,acestemonocristaletrebuie prelucrate,astfelnctsepierdeocantitatemaredematerial,iareficiena economicscade mult. Deaceea, aaprut ideeacreterii monocristalelorprofilate cu ajutorul generatoarelor de form. Monocristalele profilate se obin din topitur. Cteva scheme de principiu sunt prezentate n figura 2.91. Generatoarele de form pot fi : - cilidrice sau de tip bar profilat, care permit obinerea unor monocristale profilate de tip bar cu seciune plin (fig. 2.91. a); - tubulare, care permit obinerea unor monocristale profilate tubulare avnd seciune asemntoare sau diferit la interior sau exterior (fig. 2.91. b); -filiforme,carepermitobinereaunormonocristaleprofilatedetipplac prin deplasarea vertical a generatoarelor filiforme (fig. 2.91. c); - plci, care permit obinerea monocristalelor de tip plac (fig. 2.91. d); -discuricuorificiicapilare,utilizatepentruobinereamonocristalelor filiforme (fig. 2.91. e); -tuburicapilare,cuajutorulcroraseobinmonocristalefiliforme (fig.2.91. f). Tratat de tehnologia materialelor174 5672341 1234567 ab 2856 231061 cd 1234 (11)567 12359 (13)678 (12) ef Fig. 2.91. Obinerea monocristalelor profilate:a - obinerea monocristalelor cilindrice; b - obinerea monocristalelor tubulare; c - obinerea monocristalelor plane cu dou fire; d - obinereamonocristalelor plane cu dou plci generatoare; e - obinerea filamentelor monocristaline cu plac plutitoare; f - obinerea filamentelor monocristaline cu tub capilar; 1 - amors de cristalizare; 2 - monocristal; 3 - menisc; 4 - generator de form;5 - creuzet; 6 - topitur; 7 - sistem de nclzire; 8 - fire generatoare de form;9 - generator de form tubular; 10 - plci generatoare de form; 11 - plac plutitoare cu orificiu de generare; 12 - tub capilar generator; 13 - plac de nchidere. Materiale clasificare,proprieti, utilizare175 Stabilitateaprocesuluidecretereamonocristalelorestegeneratde bilanul termic la interfaa de solidificare i este dat de ecuaia

tQtQtQr Ltop+=, (2.107) n care Qtop este cantitatea de cldur transferat prin conducie de la topitur ctre interfaa de creterea monocristalului; Qr -cldura latent de topire;QL -cldura transferat prin conducie nspre partea cristalizat. Se face precizarea c, aceast ecuaie reprezint bilanul termic al frontului desolidificareic,larndullor,Qtop i Qrdepinddecaracteristiciletermofizice alematerialuluilichidialemonocristaluluisolid,daridecantitateadecldur introdusnsistemdectreinstalaie,depierderiledecldurnincintade cristalizare,deecranrilecaresefacnincintadecristalizarepentruaseasigura constanagradientuluitermicnecesarpentruobinereamonocristalului.Toate acesteadiferdelaoinstalaielaalta,nfunciedemetodadecretereide construcia efectiv a instalaiei. Dacseconsidercondiiiledeincintdecretereamonocristalului impuse,decisursatermicipierderilenmediucafiindconstante,atuncidin relaia(2.107)sepottrageconcluziiinteresanteprivindstabilitateacreterii monocristalului. Considerndc,nintervaluldetimptmonocristalulacrescutcuo lungimex(fig.2.92),clduralatentdetopire-solidificarecedatnacestinterval de timp este L x R Qc L =2, (2.108) ncareRcesterazamonocristalului;-densitateamaterialuluimonocristalului;L - cldura latent specific de topire - solidificare. Cldura cedat n unitatea de timp va fi cr cc LL Q RtL x RtQV22 = =,(2.109) n care Vcr = x/t este viteza de cretere a monocristalului. Pentru a asigura o cretere staionar este necesar ca viteza de tragere Vt a monocristalului s fie egal cu viteza de cretere a monocristalului Vt = Vcr.(2.110) Cantitatea de cldur eliminat prin interfa n solid, n cazulbareloreste

4 2T R Qc r = ,(2.111) ncareesteconstantaluiStefanBoltzman) K m W 10 77 , 5 (4 2 8 = ; - Tratat de tehnologia materialelor176 emisivitatea termic a interfeei;T - temperatura interfeei. Cantitatea de cldur transferat prin conducie de la topitur la interfa se exprim astfel:

STK R Qt c top =2, (2.112) ncareKtesteconductivitateatermicalichiduluinimersie;T-diferenade temperaturdintresuprafaasuperioarageneratoruluideformiinterfaiS nlimea meniscului. Avnd n vedere relaiile (2.107), (2.109), (2.111) i (2.112) rezult:

STK T Lt cr = 4V (2.113) sau S LT KLTtcr =4V . (2.114) Analiznd relaia (2.114) se observ c principalii factori care influeneaz vitezadecretereamonocristaluluisuntnlimeamenisculuiSigradientulde temperaturT,deoarecetoiceilalitermenisuntconstantetermofizice;T depindedecondiiiledeecranaretermicidenlimeameniscului(dacSeste mic n raport cu Rc, atunci pierderile de cldur prin suprafaa lateral a meniscului se pot neglija; dimpotriv, dac monocristalul este filiform i S este mare n raport cu Rc, atunci pierderile prin suprafaa lateral a meniscului devin importante). Celetreicazurincaresediscutstabilitateaprocesuluidecreterea monocristalului sunt: - cnd fluxul termic n menisc este nul (T = 0), viteza de cretere stabil a monocristalului este

LTcr4V = ;(2.115) de exemplu, creterea unui monocristal din safir se face cu viteza Vcr = 0,04 cm/s. -cndfluxultermicestepozitiv(T>0),vitezadecreterea monocristalului este autostabilizat; dac viteza de tragere Vt crete (estevorba de variaiimiciifoartemicidatorateimperfeciunilorsistemuluidetragere),va crete lungimea meniscului S i viteza de cretere a monocristalului Vcr se va mri, ceeacevaconducelarevenirealuiSlavaloareadestabilitate;dacvitezade tragereVtvafimaimic,vascadelungimeamenisculuiSivitezadecreterea monocristalului va fi mai mic, ceea ce va conduce la revenirea lui S la valoarea de stabilitate. - cnd gradientul de temperatur este negativ (T < 0), viteza de cretere a monocristaluluicrete, dar apare pericolul creterii dendritice sau celulare; n plus, Materiale clasificare,proprieti, utilizare177 procesuldecretereesteinstabil,deoareceoricecretereanlimiimenisculuiS conducelascderealuiQtop / T ivitezadecreterevascdeacorespunztor, ceea ce conduce la creterea nlimii meniscului i la posibilitatea ruperii sale. XSRcVcr Dacpierderiledecldurprin suprafaalateralamenisculuinupotfi neglijate(estecazulmonocristaleloravnd raza Rc < 0,4 cm), atunci stabilitatea procesului estecondiionatderaportulS/Rm,ncareRmeste raza meniscului (fig.2.92). Cnd S/Rm < 1, cretereanlimiimenisculuiSatragedup sinescderearazeimonocristaluluiRcin acelaitimpocretereapierderilorprin radiaie pe suprafaa lateral a meniscului, care nu mai poate fi neglijat n raport cu pierderi


Recommended