+ All Categories
Home > Documents > Proprietatile materialelor metalice

Proprietatile materialelor metalice

Date post: 16-Jul-2015
Category:
Upload: roxana-cojocaru
View: 1,246 times
Download: 3 times
Share this document with a friend

of 24

Transcript

C7 PROPRIETILE MATERIALELOR METALICE Valorificarea superioar a materialelor metalice, corelat cu alegerea raional a lor, m funcie de scopul urmrit, impune cunoaterea proprietilor, structurii, compoziiei lor i relaia tiinific dmtre acestea. Criteriul fundamental n alegerea i utilizarea materialelor metalice este cel al proprietilor lor. Materialele metalice se deosebesc ntre ele prm proprieti imprimate de natura lor, compoziia chimic, structura i modul de prelucrare. Materialele metalice sunt corpuri cristaline i la nivel de monocristal prezint anizotropie, adic valorile proprietilor sunt diferite in funcie de direcia de msurare, dar, m general, fiind policnstaline, caracterul proprietilor lor este cvasiizotrop. Criteriile de clasificare ale proprietilor sunt multiple, ns n mod obinuit exist dou criterii de clasificare. A) Dup natura lor, pot fi: intrinseci (fizice, chimice i mecanice) i de utilizare (tehnologice i de exploatare). B) Dup sensibilitatea fa de structur, pot fi: insensibile la defecte structurale (conductibilitatea electric i termic, dia i paramagnetismul, temperatura de fuziune i de fierbere, elasticitatea, rigiditatea etc.) i sensibile structural (fora eoercitiv, rezistena la rupere, plasticitatea, fragilitatea, duritatea, fluajul, tenacitatea etc.). Proprietile intrinseci sunt cele legate direct de materialele metalice (natura, compoziia i structura lor), independente de locul i modul de utilizare. Proprietile de utilizare sunt proprietile care determtn modul de comportare a materialelor metalice n timpul prelucrrii i exploatrii lor. Proprietile msensibile structural sunt cele a cror natur poate fi explicat folosindu-se noiunea de reea cristalm ideal; ele au aceeai valoare indiferent de densitatea defectelor reticulare prezente m cristal. Proprietile sensibile structural sunt cele ale cror natur i valoare depind de densitatea imperfeciunilor (defecte) reticulare, deci natura lor nu poate fi explicat dect folosindu-se noiunea de cristal realToate proprietile att cele sensibile, ct i cele insensibile la defecte reticulare pot fi modificate valoric, prin modificarea structurii cristaline, micro i macroscopice a materialelor metalice. n general, proprietile materialelor metalice se clasific n: fizice, chimice, mecanice, tehnologice i de

exploatare. 2.1. Proprieti fizice Sunt cele care stabilesc comportarea materialelor metalice sub aciunea unor fenomene fizice: gravitaie, cmp termic, electric, magnetic, luminos etc. Ele au importan deosebit la alegerea i utilizarea materialelor metalice n domeniile speciale: electrotehnic, electronic, aerospaial, nuclear etc. Ele determin comportarea materialelor metalice la tumare, deformare plastic (n special n etapa de nclzire), tratamente termice si termochimice. a) Densitatea reprezint masa unitii de volum a unui corp omogen, msurat n kg/m3 (g/cm3). Pentru metale, densitatea variaz cu temperatura, iar pentru aliaje, variaz att cu temperatura, ct i cu compoziia chimic. De exemplu, pentru oeluri care conin 0,1 ... 1,3 %C, densitatea este: = 7,871 - 0,32 T - 0,025 C, unde: T este temperatura n C, iar C este coninutul de carbon n procente de mas. Cel mai uor material este litiul (y = 0,534 g/cm3), iar cele mai grele metale sunt iridiul i osmiul (y = 22,5 respectiv 22,6 g/cm'), urmate n ordine descresctoare de Pt (21,45), Re (20,5), Au (19,32), W(19,30), V (18,7) etc. b) Temperatura de fuziune este temperatura la care un metal pur trece din starea de agregare solid n stare lichid. Este o constant fizic, spre deosebire de temperatura de solidificare, care depinde de suprarcire, fiind cu att mai sczut, pentru unul i acelai metal, cu ct viteza de rcire este mai mare. Aliajele metalice, cu excepia eutecticelor i compuilor chimici, se topesc ntr-un interval de temperaturi. Cel mai uor fuzibil metal este Hg (-38,87 C) i cel mai greu fuzibil este W (3410 C). c) Cldura specific este cantitatea de cldur necesar creterii temperaturii masei de 1 kg cu 1C. Se msoar n cal/gC sau J/kg K. Este dat de relaia Cp == Q/T, n care Q este cantitatea de cldur fumizat masei de 1 kg, iar T este saltul de temperatur (la presiune constant). Cldura specific a metalelor cu greutate atomic mare este mai mic (de exemplu, uraniul are Cp= 109,3 J/kg K, iar litiul are Cp=4171,6J/kg.K. d) Conductibilitatea termica este proprietatea materialelor metalice de a conduce i transmite cldura cu ajutorul electronilor liberi (gaz electronic). Se msoar n cal/cnrC sau W/m.K. Practic, este independent de temperatur, deoarece cu creterea temperaturii crete energia termic a

electronilor liberi, dar accelerarea lor va fi frnat de creterea dezordinei reelei de ioni din metal, dat de creterea amplitudinii de vibraie a ionilor. S-a constatat totui scderea conductivitii termice cu temperatura, excepie fcnd oelurile bogat aliate cu crom, nichel i mangan. Coeficientul de conductivitate termic este dat de relaia:1 1 T = dQ dS dt X 1

n care dQ este cantitatea de cldur care trece prin suprafaa dS n timpul dt, la un gradient de temperatur T / X pe direcia X de transmitere a cldurii. Cu ct coefientul de conductivitate termic este mai mare, cu att transmiterea cldurii se face mai rapid. Aceast transmitere nu poate fi instantanee, deoarece este frnat de cldur i densitate (cu ct produsul Cp y este mai mare, cu att cldura se va transmite mai greu). Astfel, viteza de unifonnizare a temperaturii ntr-un corp la nclzirea sau rcirea lui este dat de difuzivitatea termic:a=

C p

[m2/h]

Cea mai mic conductivitate o au bismutul i mercurul cu 0,02 cal/cmC, iar cea mai mare o are argintul, cu 1,0 cal/cmC, urmat in ordine descresctoare de Cu (0,94), Al (0,53), W (0,48), Mg i Be (0,38) etc. e) Cldura latent de topire este cantitatea de cldur necesar pentru topirea masei de 1 kg, msurat in J/kg sau cal/g. Ea este aceeai cu cldura latent de solidificare, fiind necesar pentru distrugerea, respectiv, refacerea aspectului cristalin al metalelor (trecerea de la ordinea ndeprtat la ordinea apropiat i invers). Cea mai mare cldur latent de topire o are siliciul (395,6 cal/g), iar cea mai mic o are mercurul (2,8 cal/g). f) Dilatarea termic este proprietatea materialelor metalice de a-i modifica (mri) dimensiunile la variaia (creterea) temperaturii. Este inversul contraciei i se exprim n grd'. Dilatarea liniar se exprim cu relaia: l=l0(1+.T), n care l este lungimea final, cnd temperatura a crescut cu T, l0 este lungimea iniial, iar este coeficientul de dilatare liniar. Dintre metale, cel mai mic coeficient l are wolframul (2,4.10-6C-1), iar cel mai mare l are cesiul (9810-6 C-1). Aliajul metalic cu cel mai mic coeficient de dilatare (de 8 ori mai mic dect fierul) este Invarul (36%Ni+64%Fe) cu 1,4 10-6 C-1. g) Conductibilitatea electric este proprietatea materialelor metalice de a conduce curentul electric prin intermediul

electronilor liberi. Se caracterizeaz prin mrimea denumit conductivitate electric =l/RS, m-1-1 (m/.mm2), unde l este lungimea conductorului; S - seciunea lui, iar R -rezistena electric. Conductivitatea electric este inversul rezistivitii =1, ea scade continuu cu creterea temperaturii, cauza fiind frnarea deplasrii electronilor liberi prin ciocnirea lor de ionii din reeaua cristalin, tot mai dezordonat la temperaturi tot mai mari. La scderea temperaturii, conductivitatea electric crete, putnd aprea supraconductibilitatea (0) n preajma lui 0 K la unele metale (plumb). La aceste temperaturi, vibraia ionilor din reteaua cristalin este foarte mic, iar electronii liberi se pot deplasa practic fr a fi frnai. Metalele au ntotdeauna conductivitatea electric mai mare dect aliajele metalice, care n general sunt rezistoare. Alierea i ecruisarea micoreaz ntotdeauna conductivitatea electric. Valoarea coeficientului de temperatur al rezisti-vitii, =1 d 0 dT

,

mparte materialele n general n conductoare (>0) i dielectrici ( Trec). Deformarea plastic lent i progresiv la fluaj are loc fie prin deplasarea dislocaiilor i vacanelor, fie prin creterea limitelor dintre gruni i formarea de microfisuri. Fluajul este proprietatea de baz a materialelor metalice termostabile i refractare. Curba teoretic de fluaj = f(t), sub sarcin constant (1) i sub tensiune constant (2), este dat n figura 2.3. Poriunea AB corespunde fluajului tranzitoriu, poiiunea BC, fluajului stabilizat cu vitez de fluaj constant, CD, fluajului accelerat. n punctul D, are loc ruperea epruvetei prin gtuire. Forma curbei de fluaj depinde de temperatura i de sarcina sau tensiunea de ncercare; cu ct acestea sunt mai mari, cu att apare mai devreme fluajul accelerat i invers. La temperaturi sczute Tu< (0,4...0,5)Tf cnd difuzia este neglijabil i fluajul este numai tranzitoriu, fiind fluaj logaritmic = lg t. La temperaturi de utilizare mai nalte, poate avea loc fluajul tranzitoriu (nestabilizat). Acesta este exponeial = t1/3 i este urmat ntotdeauna de fluajul stabilizat (=.t) i accelerat (, i y sunt constante). La temperaturi nalte, procesele sunt controlate de difuzie i fluajul este vscos. La fluaj sub tensiune constant (2), nu apare evident fluajul teriar (accelerat).

Fig. 3.3. Curba teoretic la fluaj.

i) Duritatea reprezint rezistena opus de materiale la ptrunderea n suprafaa lor a unor corpuri mai tari i nedeformabile (penetratoare). D indicaii despre posibilitatea materialelor metalice de a rezista la deformaii superficiale i la uzare. Este proprietatea care se determin

cel mai rapid i cel mai frecvent n practica industrial, evideniind efectul tratamentelor termice, termochimice, termomecanice, mecanice etc. asupra materialelor metalice. n funcie de metodele de ncercare, duritatea poate fi: Brinell (HB), Rockwell (HRC, HRB), Vickers (HV), microduritatea sau duritatea Vickers eu microsarcini MHV, Rockwell (HRC), Shore (HS), Poldi etc. Corelaia ntre duritatea Brinell (HB), Rockwell (HRC), Shore (HS) i rezistena de rupere (R = 0,35HB - pentru oeluri i duralumin i de R = 0,7- (HB-40) pentru fonte) este prezentat n graficul din figura 2.4. Echivalarea microduritii Vickers n alte scri de duritate nu este admis. Duritatea obinut prin tratamente termice este n funcie de parametrii de tratament. Astfel, pentru oelul 65 MnlO, dup recoacerea la temperatura T i timpul de meninere t duritatea este: HB = 413,7 -4,65.t- 0,249 T. Dup clirea izoterm cu meninere la T, duritatea este: HV=e9,447+0,017 T+0,00002 T2 iar dup clirea de la temperatura T i revenirea efectuat la temperatura T: HV = 797 - 0,04 T - 0,95 T j) Rezistena la oboseal este proprietatea materialelor metalice de a rezista la solicitri repetate i variabile n timp (ciclice sau altemative). Se apreciaz prin tensiunea maxim pe care o poate suporta materialul la un numr foarte mare (lO6lO8) de solicitri ciclice fr a se distruge (rupe). Se determin pe curbele Wohler. Rezistena la oboseal este putemic influenat de prezena n material a defectelor interioare (sufluri, pori, incluziuni, microretasuri, fisuri etc.), defectelor de suprafa (rugoziti, rizuri, decarburri superficiale, pori deschii) i de concentratorii de tensiune (crestturi, funduri de filet ascuite, treceri bmsce fr racordri de la o seciune la alta, efecte ale coroziunii etc.). Toate aceste defecte i concentratori de tensiune (eforturi) sunt surse de amorsare a fisurilor ce se dezvolt progresiv n timp, pn cnd seciunea portant scade mult i materialul se mpe bmsc. Rezistena la oboseal este de asemenea influenat de factori constmctivi i tehnologici (forma i mrimea piesei, modul de asamblare i calitatea suprafeei), de exploatare (felul i frecvena solicitrii variabile, gradul de simetrie al ciclului, temperatura etc.) i metalurgici (natura, structura, compoziia chimic a materialului, prezena defectelor etc.). k) Ecruisarea este proprietatea materialelor metalice de a-i mri rezistena mecanic i duritatea prin deformare plastic la rece. Duritatea i rezistena la deformare (la rupere) cresc, deoarece n material, pe msura naintrii deformrii plastice

la rece, posibilitile de deformare prin alunecare i maclare se epuizeaz, densitatea de dislocaii, inclusiv barierele care se opun deplasrii dislocaiilor, crete. Prin ecruisare, fragilitatea crete. Ecruisarea se elimin prin nclzirea materialelor metalice peste pragul de recristalizare (recoacerea de recristalizare). 1) Relaxarea plastic este proprietatea materialelor metalice de a prezenta o scdere a tensiunilor n timp sub deformaie constant. m) Revenirea elastic este proprietatea materialelor metalice de a-i recupera n timp o parte din deformaia permanenta rmas dup ncetarea brusc a sarcinii. 3.4. Ruperea materialelor metalice Majoritatea proprietilor mecanice ale materialelor metalice reprezint capacitatea acestora de a se opune ruperii i distrugerii sub aciunea diverselor solicitari. Ruperea reprezint fenomenul de fragmentare a unui corp solid sub aciunea unor tensiuni inteme sau exteme. n exploatarea organelor de maini, importan deosebit prezint caracterul ruperii materialelor metalice, care, dup deformarea plastic ce precede ruperea, poate fi: ductil (tenace) sau fragil (casant). Caracterul ruperii depinde de doi factori: - condiiile de solicitare date de raportul dintre tensiunea tangenial i tensiunea normal /; - proprietile materialelor metalice date de raportul dintre limita de curgere i rezistena la smulgere c/ST. Caracteiizarea comportrii materialelor metalice sub aciunea solicitarilor (de ncercare sau exploatare) n funcie de cei doi factori a facut-o Friedman, trasnd diagrama strii mecanice a materialelor metalice (fig. 3.6). Dreptele nclinate caracterizeaz condiiile de solicitare: rsucire =, ntindere sau ncovoiere pe epruvete fr crestatur =2; ntindere sau ncovoiere pe epruvete cu cresttur (condiii severe) 2. Dac dreapta nclinat intersecteaz mai nti limita la smulgere, ruperea va fi fragil, iar dac va intersecta mai nti limita de curgere, ruperea se va produce prin forfecare i va fi tenace. Astfel, cnd limita la smulgere ST este puin mai mare dect limita la curgere (oel hipoeutectoid clit la 55...60 HRC), prin solicitare la rsucire ( = ), ruperea va fi tenace, iar prin solicitare la ntindere sau ncovoiere ( = 2) ruperea va fi fragil. Cnd limita la smulgere este mult mai mare dect limita la curgere (oelul hipoeutectoid mbuntit la 46...50 HRC) prin solicitri la rsucire, ntindere sau ncovoiere pe

ST [daN/mm2]

Fig.3.6 Diagrama strii mecanice (Friedman) epruvete fr cresttur, ruperea va fi curgere (oelul hipoeutectoid mbuntit la 46...50 HRC) prin solicitri la rsucire, ntindere sau ncovoiere pe epruvete fr cresttur, ruperea va fi tenace i numai pe epruvete cu cresttur ruperea va fi fragil. Evitarea ruperii fragile (prin smulgere) n exploatarea organelorde maini se realizeaz acionndu-se asupra a dou categorii de factori: - constructivi, reducndu-se raportul /; - metalurgici, crescndu-se raportul ST/c, (aliere, tratamente termice, granulaie fin etc.). Caracterul ruperii ductil sau fragil pentru unul i acelai material metalic este n funcie de temperatur. Orice material metalic prezint o temperatur de tranziie ductilfragil, care este cu att mai sczut cu ct limita de smulgere este mai mare. Temperatura de tranziie ductil-fragil constituie o msur a gradului de tenacitate sau fragilitate a unui material; cu ct aceast temperatur este mai sczut cu att materialul metalic respectiv este mai tenace iinvers. n afar de temperatur, tranziia ductil-fragil depinde de natura, compoziia i structura materialului metalic, de starea de tensiune, de viteza solicitrii, geometria corpului, mediul de lucru. Dintre aceti factori, influen deosebit prezint mrimea gruntelui care frneaz sau accelereaz propagarea fisurilor; cu ct grunii sunt mai mici, cu att limitele dintre ei sunt mai numeroase, iar fisurile se propag mai greu, deci materialul va fi mai tenace. Alierea i tratamentele termice, de asemenea, influeneaz tranziia ductil-fragil. n exploatare, trebuie evitat ruperea fragil, care, nefiind precedat de deformaii mari (neanunat), se produce brusc i este catastrofal, scotid din funciune, de obicei, ntreg ansamblul m care se afl organul de main rupt. Curba de tranziie ductil-fragil, determinat, pe epruvete de rezilien n coordonate energie de ruperetemperatur, pentru un oel cu 0,18% C 0,56% Mn i 0,07% Si este prezentat in figura 3.7.

Fig. 3.7. Curba de tranziie ductil-fragil. Temperatura de tranziie ductil-fragil nu este o constant; n realitate, tranziia are loc ntr-un interval de temperaturi cuprins ntre T100 (temperatura la care ruperea este 100% fragil) i T50 (temperatura la care ruperea este 50% ductil i 50% fragil). Trecerea de la ruperea ductil la cea fragil poate fi apreciat i dup cantitatea procentual a suprafeei fbroase n casura epruvetei de rezilien, care este 0% pentru T100 i circa 30% pentru T50 sau dup contracia lateral la baza crestturii epruvetei de rezilien. Ruperile se clasific dup mai multe criterii: - dup tensiunea care produce ruperea, sunt ruperi prin forfecare, produse de tensiuni tangeniale mari () i ruperi prin clivaj, produse de tensiuni normale mari (); - dup aspectul casurii, sunt ruperi cu aspect fibros, n cazul ruperii ductile; ruperi cu aspect grunos, cazul ruperii fragile i cu aspect de oboseal. Casurile rezultate prin oboseal sunt caracterizate prin prezena a dou zone, una neted lucioas de propagare a fisurii n timp i una grunoas de rupere hrusc; - dup deformarea plastic ce precede ruperea, sunt ruperi tenace, (ductile) produse prin forfecare (cu casur fibroas) i fragile (casante) produse prin smulgere (cu casur grunoas strlucitoare); - dup propagarea fisurii sunt ruperi intracristaline (tenace) i intercristalme (fragile). Ruperea prin forfecare are un aspect mat, fibros, este transcristalin i ntotdeauna ductil. Ruperea prin smulgere nu este precedat de deformaii vizibile, se produce brusc prin clivaj, dup un plan normal pe direcia solicitrii. Poate fi intra i intercristalin, are aspect grunos, strlucitor n cazul oelurilor sau mat, n cazul fontelor cenuii. 3.5. Proprieti tehnologice Indic capacitatea de prelucrare i modul de comportare a materialelor metalice la diferite procese tehnologice de fabricaie la rece sau la cald, cum sunt: deformarea plastic, tumarea, achierea, sudarea, clirea etc. Cele mai importante

proprieti tehnologice sunt: deformabilitatea plastic, tumabilitatea, sudabilitatea, achiabilitatea, susceptibilitatea la supranclzire i susceptibilitatea la deformare i fisurare. a) Deformabilitatea plastic este proprietatea materialelor metalice de a-i modifica uor i remanent forma i dimensiunile la volum constant fr a se fisura sub aciunea solicitrilor exterioare la rece i la cald. Se caractenzeaz prin: maleabilitate, ductilitate i forjabilitate. Maleabilitatea este nsuirea materialelor metalice de a putea f uor transformate n foi subiri; depinde de reeaua cristalin, prezena impuritilor, a elementelor de aliere etc. Se apreciaz dup valoarea alungirii specifice. Foarte maleabile sunt: staniul, aurul, aluminiul, cuprul, plumbul, argmtul, alama, oelul moale etc. Ductilitatea este nsuirea materialelor metalice de a putea fi uor trase n fire i este condiionat de coexistena tenacitii i a maleabilitii (oelul clit este tenace, dar nu este maleabil i nici ductil, staniul i plumbul sunt foarte maleabile, dar nu sunt tenace i nici ductile). Att maleabilitatea ct i ductilitatea sunt proprieti intrinseci ale matenalelor metalice strns corelate cu proprietile mecanice ale acestora. Forjabilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se deforma plastic cu uurin prin lovire sau presare la temperaturi ct mai sczute, fr a se rupe. La oeluri, forjabilitatea depinde de coninutul de carburi i de incluzini. Cu ct acestea sunt n cantiti mai mari, cu att forjabilitatea este mai redus. Se determm prin refulare, operaii de lire, alungire i gurire sau lrgire cu domul i prin refulare. Deformabilitatea la cald Tdef > Trec este superioar celei la rece ( cu excepia alamelor monofazice), deoarece limita de curgere a materialelor metalice scade cu creterea temperaturii. Pentru a se evita mperea, n cazul majoritii materialelor metalice, n timpul deformrii plasdce, acestea se supun n prealabil unor tratamente de recoacere. b) Turnabilitatea este proprietatea complex a materialelor metalice de a se putea tuma i solidifica n forme. Cuprinde caracteristicile: fluiditate, contracie i segregaie. Fluiditatea este capacitatea materialelor metalice topite de a umple ct mai bine forma de tumare. Depinde de compoziia chimic a materialului i de temperatura de turnare. Contracia este nsuirea materialelor metalice (cu excepia galiului i bismutului) de a-i micora volumul la solidificare i la rcirea ulterioar. Contracia influeneaz starea de tensiuni dup solidificare i rcire, putnd duce la deformare i chiar la fisurare.

Contracia de solidificare este cauza formrii retasurilor. Ea depinde. de temperatura de tumare, de viteza de rcire i de compoziia chimic a matenalelor metalice. Tendinta de segregaie reprezint tendina impurittilor sau elementelor de aliere de a se aglomera m anumite pri ale materialelor metalice. Segregaia poate fi macroscopic (direct sau indirect, superioar sau inferioar) i microscopic (dendritic sau intracristalin i intercristalin). Fiecare element de aliere sau impuritate are un anumit coeficient de segregaie, care, cu ct este mai mic, cu att mai mult elementul respectiv se va aglomera mai putemic (C = 0,95; Al = 0,92; Ni = 0,8; Cu = 0,56 etc.), c) Sudabilitatea este aptitudinea materialelor metalice de a se mbina nedemontabil prin nclzire local pn la stare plastic sau topit, cu sau fr adaos de alte materiale i cu sau fr presiune mecanic. Sudabilitatea comport dou aspecte: comportarea la sudare (posibilitatea obinerii de mbinri sudate fr defecte) i sigurana sudurii n exploatare (capacitatea unui material care a fost sudat de a-i pstra caracteristicile tehnice n prezena unor eforturi). Sudabilitatea este influenat de compoziia chimic, de plasticitatea, de conductibilitatea termic a materialelor, de viteza de rcire dup sudare, de soluiile constructive adoptate etc. Dup calificativ, sudabilitatea poate fi: bun necondiionat, bun condiionat, posibil i necorespunztoare, cum rezult din figura 3.8 i este n funcie de coninutul de carbon echivalent (Ce = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/5 + (Cu+Ni)/15 sau Ce = C + (Mn+Si)/4) i de grosimea oelului. Comportarea bun la sudare a unor materiale se realizeaz prin prenclziri sau tratamente termice preliminare, iar sigurana n exploatare a unor custuri sudate se asigur prin tratamente termice ulterioare sudrii. d) Acbiabilitatea este capacitatea materialelor metalice de a putea fi prelucrate prin achiere, cu consum ct mai redus de scule i energie. Normele ISO DIN 3685 apreciaz i definesc achiabilitatea prin indicatorul de prelucratibilitate a unui material, care este considerat ca fiind viteza de achiere corespunztoare unei durabiliti de 60 min. a sculei achietoare folosite. Achiabilitatea este o proprietate complex. Un material este cu att

Fig. 3.8. Grade de sudabilitate n funcie de coninutul de carbon i de grosimea materialului. mai prelucrabil prin achiere, cu ct: durabilitatea sculei este mai mare, timpul de achiere a aceleeai cantiti de achii mai mic, calitatea suprafeei mai bun, solicitarea mecanic i energetic a mainii-unelte mai mic, precizia de prelucrare mai mare i achiile cu form ct mai convenabil. Achiabilitatea j depinde de: natura i tratamentul materialului de prelucrat, de tipul i materialul sculei achietoare, de condiiile de achiere (degroare, finisare, strunjire, frezare, rabotare, alezare etc.), de tipul mainiiunelte i natura lichidului de rcire. e) Clibilitatea este proprietatea materialelor metalice (n special a oelurilor i fontelor) de a realiza o duritate minim pe o adncime mai mare sau mai mic: ea caracterizeaz adncimea de ptrundere a clirii. Depinde de compoziia chimic, de temperatura de nclzire n vederea clirii, de mrimea i gruntelui, de prezena unor faze insolubile n soluia solid omogen care se va transforma n martensit, de viteza de rcire etc. Se apreciaz prin viteza critic de clire, prin indicele de clibilitate sau prin diametrul critic de clirejj (diametrul maxim al unei probe cilindrice clite integral). n mod curent, clibilitatea unui material metalic se determin prin metoda clirii frontale (Jominy). Clibilitatea se deosebete de capacitatea de clire care reprezint nsuirea materialelor metalice de a se durifica prin nclzire i rcire brusc , (clire). Aceasta din urm este dat de duritatea maxim obinut dup clire. f) Susceptibilitatea la suprancalzire este proprietatea materialelor de a-i crete granulaia prin nclzire. Pentru oeluri, este exprimat prin granulaia austenitic format n condiii concrete de austenitizare. Oelurile aliate cuj elemente care se opun creterii grunilor de ustenit (cromul, wolframul, molibdenul, vanadiul, niobiul, titanul, tantalul), precum i cele care au un grunte ereditar fin prezint susceptibilitate sczut la suprainclzire. g) Susceptibilitatea la deformare i fisurare se manifest in special n timpul nclzirii i rcirii materialelor metalice pentru tratamente termice i este cauzat de aciunea tensiunilor inteme de natur termic i structural. Oelurile, cu ct au coninutul de carbon i elemente de aliere mai mare, cu att mai mare este susceptibilitatea la

deformare i n special la fisurare. 3.6. Proprieti de exploatare Proprietile de exploatare indic comportarea materialelor metalice n timpul exploatrii organelor de maini, a elementelor metalice i a sculelor. Aceste proprieti sunt: rezistena la uzare, fiabilitatea organelor de maini, durabilitatea sculelor i designul. a) Rezistena la uzare este proprietatea materialelor metalice de a rezista la aciunea de distrugere prin frecare sau eroziune a suprafeelor acestora exprimat n uniti absolute de mas, volum, lungime sau relative: intensitatea uzurii, [mg/km] sau viteza uzurii, [mg/h]. Uzura organelor de maini aflate n contact i n micare relativ poate fi: mecanic (contact direct metel-metal); abraziv (prezena unor particule abrazive ntre suprafeele de contact); de aderen sau prin gripare (determinat de viteze i presiuni de contact mari) i corosiv. aatO s'asii' Rezistena la uzare crete o dat cu: creterea duritii, creterea calitii suprafeei, mbuntirea condiiilor de ungere, micorarea vitezei micrii relative i a presiunii de contact etc. Rezistena la uzare a materialelor metalice depinde de: compoziia chimic, structura metalografic, calitatea suprafeelor, duritate, viteza relativ, presiunea de contact, calitatea ungerii, condiiile de exploatare (temperatura, mediul de lucru etc.). Rezistena la uzare se poate mbunti prin aliere cu elemente care s formeze constitueni eterogeni cu duritate mare, prin tratamente termice, termochimice, termomecanice, acoperiri superficiale etc. Corelaia dintre rezistena relativ la uzare abraziv i duritatea pentru diverse materiale metalice este dat n figura 3.10 Rezistena relativ la uzare este dat de raportul dintre uzura materialului metalic considerat i uzura aliajului etalon Sn-Pb-Sb (Babitt). Uzur aderent minim prezmt cuplele de frecare cu materialele antagoniste care nu formeaz soluii solide, compui intermetalici i sunt practic insolubile reciproc: Fe-Pb; Fe-Sn; Al-Sn; Cu-Pb; Cr-Cu; Cr-Sn; oel-bronz; oel-Cu; oel aliat - aliaj antifriciune; fontoel; font-font; font-bronz etc. Nu corespund: Fe-Cu; Fe-Cr; Cu-Al; oel-Al; oel-oel. Oelurile supuse la uzare trebuie s aib structura ct mai fm i eterogen format din perlit, martensit, bainit, troostit, sorbita; nu se admit straturile feritice, austenitice sau cu exces de cementit globular sau n reea. Cantitile mici de austenit rezidual, pe lng martensit sau bainit n oelurile clite au ntotdeauna un efect pozitiv asupra rezistenei la uzare. n funcie de condiiile de exploatare ale organelor de maini, uzura mecanic i abraziv poate fi: hidroabraziv,

gazoabraziv, eroziv, de oboseal i de cavitaie. Frecvent, se ntlnete uzura prin oboseal sau uzura Pitting (ciupire) la cuplele de frecare cu contact liniar sau punctiform (rulmeni, roti dinate etc.). Aceasta este putemic influenat de tensiunile inteme produse la prelucrarea mecanic sau termic a suprafeelor, de gradul de finisare a suprafeelor, vitez,a relativ, temperatura de lucru, prezena i calitatea ungerii etc. Indiferent de natura uzurii, ea evolueaz n timp dup o curb cu trei pante distincte: tg K m perioada de rodaj sau de uzur iniial (i); tg =K n perioada funcionrii normale sau de uzur normal (II) i tga K n perioada critic sau de uzur final, distructiv (111), conform figurii 3.11. Alegerea i utilizarea unui material corespunztor din punctul de vedere al , rezistenei la un anumit timp de uzare este o problem economic complex, care va ine seama de importana piesei, de condiiile concrete de exploatare, de posibilitile de mbuntire a rezistenei la uzare prin tratamente termice, termochimice, ecruisare, metalizare, scnteiere etc. b) Fiabilitatea organelor de maini i a sistemelor. Produsele (organele de maini i sistemele) trebuie s satisfac din punct de vedere calitativ att proiectantul i executantul, ct i beneficiaml. Calitatea produselor (ansarnblul caracteristicilor care fac ca un produs s corespund seopului funcional) trebuie s respecte criteriile generale ale proiectrii: funcionalitate, fiabilitate, posibilitate de execuie i ntreinere, obinerea unor indicatori tehnico-economici superiori, estetica i comoditatea exploatrii. Dintre aceste criterii, fiabilitatea sau sigurana n exploatare are un rol determinant n proiectarea i realizarea produselor.

Fiabilitatea reprezint totalitatea nsuirilor care asigur b funcionare a unui produs (organ de main, mecanism, main, echipame instalaie etc.) n conformitate cu normele prescrise, chiar dincolo termenul de garanie. Ea este asigurat in bun parte de calita materialelor metalice. n prezent, conceptul de siguran absolut m exploatare

(durat infinit) este depit, cauzele fiind legate de supradimensionare, consumul mare de materiale i energie, uzura moral rapid etc. Proiectarea actual, pe baze probabilistice, trebuie s asigure funcionarea fr defecte o durat de timp impus corelat cu uzura moral a produsului. Fiabilitatea este corelat i definit de urmtoarele noiuni: - defectarea, adic ncetarea aptitudinii unui produs de a-i ndepl funcia; - rata de defectare, adic raportul dintre numrul total de defect din eantion (numr de produse luate n calcul) i durata cumulat eantion; - timpul mediu pan la defectare, care este inversul ratei de defect ntr-o penoada dat; - timpul mediu ntre defectri, adic valoarea medie a timpilor ntre dou defectri consecutive, calculat ca fiind raportul dintre durata cumulat i numrul de defectri din eantion n condiii date pentru o perioad dat; - durata medie de via, adic valoarea medie a timpilor pn la defectare pentru toate produsele unui eantion n condiii date. Fiabilitatea depinde de: condiiile de lucru, continuitatea ciclului de funcionare i durata de funcionare. Exprimarea cantitativ a fiabilitii (R) se face printrun numr cuprins' ntre zero i unu, adic prin relaia: R =n/n n care n este numrul total (eantionul) de produse (sisteme, maini, echipamente, elemente) considerat, care lucreaz dup un anumit ciclu, n| anumite condiii, iar n este numrul de produse care pot lucra n continuare dup th de funcionare cu o anumit precizie, restul iig-n produse fiind considerate defecte. Fiabilitatea se poate exprima m funcie de rata de defectare A., dac dup (h mai funcioneaz corect i precis nc n produse, iar n timpul dt se mai defecteaz dn produse: Pe durata de funcionare a unui produs, defectrile care au cuze distincte sunt situate diferit n timp, pe perioade: perioada defectrilor timpurii - 1 (10...300 h); perioada defectrilor cu rat constant - II i perioada defectrilor trzii - III. Aceste perioade sunt evideniate pe curbele de evoluie a ratei defectrilor n timp (fig.3.12).

Defectele din perioada I, care evolueaz dup o curb lognormal, evideniaz starea tehnic necorespunztoare a produsului (materiale, execuie i montaj de slab calitate). Perioada a II-a corespunde perioadei de exploatare, indic o rat a defectrilor mic i constant n timp cnd fiabilitatea este o funcie exponenial de timp (R = e), iar dac t 1, atunci fiabilitatea devine funcie liniar de timp (R = 1 - t). n aceasta perioad, eventualele defecte se produc brusc i se datoreaz unor accidente, iar repartiia defectrilor are loc dup o curb exponenial descresctoare. Perioada defectrilor trzii -III ncepe cu primele defecte datorate uzurii i oboselii, care evolueaz n timp dup o curb similara cu distribuia Weibull. Reparaiile curente i preventive pot prelungi perioada a II-a. Considerndu-se un eantion dintr-un lot omogen de produse supuse experimental exploatrii de durat ntr-un regim dat, frecvena defectrilor va f mare iniial, iar n timp ea va scdea dup curba 1 din figura 3.13. Probabilitatea de defectare a unui produs dtn eantion este cu att mai mare cu ct timpul de exploatare crete, ea variaz n timp dup curba 2 din figura 3.13, fiind zero miial i tinznd spre unu n fmal. Probabilitatea de funcionare corect (nedefectare), curba 3 din flgura 3.13, se obine sczndu-se din unitate n orice moment valorile curbei 2: ea reprezint nsi fiabilitatea, c este maxim la nceputul exploatrii i scade asimtotic spre z n timp. Raportnd valorile curbelor 1 i se obine curba procentajului defeciunil curba 4 din figura 3.13. Iniial, procen defeciunilor este mare (datorit calit necorespunztoare a materialelor metali nerespectrii procesului tehnologic proiec etc.), apoi dup nlocuire pieselor defec procentul de defectri scade, stabilizndu la un minimum timp ndelungat, ca, m fmal, datorit mbtrnirii, obose materialelor metalice, uzurii pieselor, s creasc vertiginos. Fiabilitatea se mai poate exprima prin probabilitatea de a nu ap defeciuni n exploatarea produsului un anumit timp (1 000 h sau 10 000 h funcionare) sau prin durata de funcionare fr defecmni la performan impuse i chiar prin timpul mediu ntre dou defectri. Fiabilitatea nalt a sistemelor tehnice, la ora actual, se realizeaz, n principal, prin asigurarea fiabilitii ct mai mari a fiecrui element component (peste 99,999%), lucru posibil prin: reducerea la maximum a numrului de elemente componente; prin rezervare (existena unor rezerve de pri din sistem care s nlocuiasc pe cele avariate) i prin rezonan (existena unor pri de sistem n multiple exemplare a cror defectare s nu ntrerup funcionarea

sistemului, ci doar solicitarea mai intens a celor rmase). mbuntirea calitii i, n special, a fiabilitii produselor se realizeaz numai prin aplicarea unor msuri riguroase n toate etapele procesului de producie, de la proiectare pn la vnzare. c) Durabilitatea se refer la durata de via a sculelor prelucrtoare, definit ca fiind timpul de lucru efectiv ntre dou recondiionri (ascuiri) succesive ale unei scule. Ca i fiabilitatea, durabilitatea este o caracteristic de exploatare complex care depinde de: natura materialului sculei, natura materialului de prelucrat, tratamentele termice i termochimice aplicate sculelor, condiiile concrete de lucru etc. Se apreciaz prin diverse criterii: al uzurii critice a sculelor, al forelor de prelucrare, consumului energetic, cantitatea de piese prelucrate etc. Frecvent, se folosete criteriul uzUrii critice, cnd durabilitatea se exprim n minute scurse pn la apariia uzurii catastrofale i scoaterea din uz a sculei. d) Designul produselor reprezint totalitatea nsuirilor estetice care fac produsul plcut i pasibil de a fi ncadrat perfect ambiental. Are importan deosebit n special pentru produsele destinate consumului (automobile, vehicule, aparatur de uz casnic, aparatur electronic audio-video etc.). St la baza uzurii morale a produselor i este determinat de linia modei la un moment dat. Are o importan foarte mare din punct de vedere economic n special pentru rile dezvoltate i n societile de consum. Frecvent, n alegerea materialelor metalice pentm astfel de produse se ine seama de design.


Recommended