CUPRINS 2. Determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor Determinarea proprietăţilor tehnologice ale materialelor metalice...

Transcript

1 CUPRINS 2. Determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor Comportarea materialelor la solicitări axiale Încercarea la tracţiune Determinarea modulului de elasticitate a materialelor metalice Încercarea la compresiune Încercarea la încovoiere Încercarea la forfecare Încercarea la încovoiere prin şic (rezilienţa) Încercarea la solicitări ciclice Determinarea durităţii materialelor Determinarea durităţii Brinell Determinarea durităţii Vickers Determinarea durităţii Rockwell Determinarea durităţii cu ciocanul Poldi Determinarea durităţii materialelor plastice Determinarea proprietăţilor tehnologice ale materialelor metalice Încercarea la îndoire Încercarea la dublă îndoire a tablelor subţiri şi a benzilor Încercarea la ambutisare a tablelor sau a benzilor după metoda Erichsen Încercările tehnologice ale ţevilor Încercarea la refulare Determinarea contracţiei liniare la răcirea aliajelor Determinarea contracţiei volumice şi a retasurii la solidificarea aliajelor turnate Formarea manuală Influenţa deformării plastice asupra unor proprietăţi mecanice ale materialelor metalice Influenţa conţinutului de carbon asupra unor proprietăţi ale oţelurilor Calculul şi determinarea experimentală a forţei de tragere, a deformaţiilor şi a influenţei procesului asupra unor proprietăţi ale materialelor Controlul nedistructiv al materialelor Defectoscopia cu ultrasunete Defectoscopia cu raze X Defectoscopia cu raze gama Defectoscopia magnetică Controlul pieselor cu ajutorul lichidelor penetrante Caracterizarea pulberilor metalice Determinarea compoziţiei granulometrice prin cernere a pulberilor metalice Determinarea densităţii aparente a pulberilor Determinarea densităţii de tasare a pulberilor Determinarea capacităţii de curgere a pulberilor Determinarea compresibilităţii pulberilor metalice

2 2. DETRMINAREA PROPRIETĂŢILOR MECANICE ALE MATERIALELOR 2.1. Comportarea materialelor la solicitări axiale Încercarea tracţiune 1. Scopul lucrării Însuşirea noţiunilor necesare determinării caracteristicilor de rezistenţă şi de plasticitate a materialelor încercate la tracţiune (conform SR EN 10002/1-1994). De asemenea, se urmăreşte cunoaşterea utilajelor, a modului de pregătire a probelor necesare încercării, a preluctării şi interpretării rezultatelor experimentale obţinute. 2. Noţiuni teoretice Curbe caracteristice: Deoarece stările de tensiuni întâlnite în practică sunt extrem de variate, este imposibilă determinarea experimentală, în fiecare caz, a caracteristicilor mecanice ale materialelor. Din teoria stărilor de tensiune limită se ştie că o stare de tensiune oarecare echivalează, pe baza anumitor criterii, cu cea mai simplă şi cea mai uşor de realizat stare de tensiune: aceea de la întinderea monoaxială. De aceea comportarea materialelor la întindere monoaxială prezintă interes nu numai la solicitarea propriu-zisă la tracţiune, ci şi pentru toate celelalte stări de solicitare, motiv pentru care se consideră că încercarea la tracţiune constituie încercarea de bază a unui material. Dacă este necesar, datele obţinute vor fi completate, prin încercări specifice altor solicitări: încovoiere, răsucire, forfecare, solicitări compuse. Încercarea la tracţiune se execută aplicând unei epruvete o forţă axială crescătoare, de obicei până la ruperea ei, înregistrând variaţiile corespunzătoare pentru lungimea epruvetei. Pentru a defini comportarea materialului la solicitare, trebuie trasată curba caracteristică a materialului, care exprimă legătura între tensiunea σ şi deformaţia specifică ε. Această curbă se obţine, în mod convenţional, în coordonate reprezentând forţa R şi alungirea A t. În figura 2.1 sunt prezentate formele tipice de curbe caracteristice. Fig.2.1 În general, curba caracteristică are o porţiune liniară OA, în care lungirea epruvetei este proporţională cu forţa aplicată, porţiune în care este valabilă legea lui Hooke. Panta dreptei OA reprezintă modulul de elasticitate convenţional al materialului, definit fie ca tangenta unghiului format de porţiunea dreaptă a diagramei cu axa deformaţiilor, E = tg α, fie ca raport între efortul unitar şi alungirea specifică corespunzătoare lui în zona de solicitare sub limita de elasticitate. Deoarece în această fază a solicitării starea de tensiune şi starea de deformare în epruvetă, pe lungimea L 0, sunt omogene, se poate scrie (în această zonă a curbei caracteristice axele de coordonate R, A t pot fi înlocuite prin σ, ε): E = σ/ε Tensiunea corespunzătoare punctului A se numeşte limită de proporţionalitate şi reprezintă efortul unitar maxim corespunzător căruia alungirile încă mai sunt proporţionale cu eforturile unitare. Valoarea 2

3 limitei de proporţionalitate se obţine raportând forţa corespunzătoare R p la aria secţiunii iniţiale a epruvetei S 0 şi se notează cu σ p : σ p = R p / S 0. Următorul punct important al curbei caracteristice este punctul B. În zona OB, îndepărtarea sarcinii face ca epruveta să-şi recapete, între repere, lungimea iniţială L 0 ; deci, în această zonă lungirea epruvetei este elastică. Tensiunea corespunzătoare punctului B poartă numele de limită de elasticitate şi este efortul unitar pentru care, în mod practic, alungirile dispar după îndepărtarea cauzei care le-a produs. După depăşirea acestei limite, materialul începe să capete deformări remanente (plastice). Considerând foarte exact comportarea materialului, trebuie precizat că deformări plastice apar chiar şi în zona de elasticitate, şi anume în acele porţiuni ale epruvetei în care orientarea cristalelor este favorabilă. În cazul unor anumite materiale (oţeluri, cupru, alamă) poate fi considerată (suficient de precis pentru calcule inginereşti) existenţa unei porţiuni elastice şi a unei porţiuni de proporţionalitate, neglijându-se deformaţiile plastice care se produc chiar de la sarcini mici. Unele materiale, cum este fonta cenuşie, nu prezintă o porţiune elastică liniară a curbei caracteristice. În astfel de cazuri, modulul de elasticitate se exprimă în mai multe feluri: modulul de elasticitate tangent (curent E σ,sau iniţial E 0 ), modulul de elasticitate convenţional, modulul de elasticitate de coardă, etc. Punctul A de pe curba caracteristică în care se sfârşeşte comportarea liniară, sau punctul B, care face trecerea la zona deformaţiilor plastice, nu au poziţii clar precizate. Acestea se stabilesc convenţional, determinarea depinzând şi de sensibilitatea instrumentelor cu care se măsoară deformaţiile. Limita de proporţionalitate convenţională σ l, măsurată în N/mm 2, reprezintă tensiunea la care modulul de elasticitate curent E σ atinge o abatere prescrisă faţă de modulul de elasticitate iniţial E 0.. Abaterea se calculează cu relaţia (E 0 - E σ ) 100/E 0 [%] şi se înscrie ca indice. În mod uzual, la oţeluri această abatere este de 10 % şi atunci limita de proporţionalitate convenţională se notează σ l10. Limita de elasticitate convenţională (pentru o lungire proporţională prescrisă) σ p, măsurată în N/mm 2, reprezintă tensiunea la care abaterea de la variaţia proporţională dintre tensiune şi lungire atinge o valoare prescrisă (care se menţionează ca indice la notaţia tensiunii). De obicei, la oţeluri se admite abaterea de 0,01 % şi astfel limita de elasticitate convenţională se notează σ p0.01. Limita de elasticitate tehnică (pentru o lungire remanentă prescrisă) σ r, măsurată în N/mm 2 este tensiunea la care lungirea specifică remanentă atinge o valoare prescrisă (înscrisă ca indice). În cazul oţelurilor, uzual, lungirea specifică remanentă se stabileşte la valoarea de 0,01 %, deci limita de elasticitate tehnică se notează cu σ r0,01. Lungirea epruvetei este însoţită de micşorarea dimensiunilor liniare din secţiunea transversală. Raportul dintre lungirea specifică transversală ε tr şi lungirea specifică longitudinală ε se numeşte coeficient de contracţie transversală şi se notează ν. Caracteristicile definite mai sus sunt denumite caracteristici elastice ale materialului. Zona deformaţiilor plastice pronunţate (după punctul B de pe curba caracteristică) poate avea aspecte diferite, în funcţie de natura materialului. În cazul oţelurilor cu conţinut redus de carbon, pe curba caracteristică apare o zonă în care deformaţiile plastice sunt foarte mari şi se produc la o forţă exterioară constantă sau descrescătoare (fig.2.1a). În această fază a încercării materialul curge, adică se deformează, deşi sarcina nu mai creşte; pe curba caracteristică se obţine un palier de curgere. Urmărindu-se în timpul încercării indicaţiile sistemului de măsurare a forţei (sau având trasată curba caracteristică), se poate determina momentul în care creşterea forţei încetează, în timp ce procesul de deformare a epruvetei continuă. Raportul dintre această sarcină şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei se numeşte limită de curgere aparentă şi se notează R e. În timpul curgerii sarcina poate înregistra variaţii între o valoare maximă şi o valoare minimă. Împărţind aceste sarcini la aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei se obţin limita de curgere superioară R eh şi limita de curgere inferioară R el. Aceste două caracteristici nu se pot determina prin urmărirea acului indicator al maşinii, ci numai din diagramele înregistrate. La materialele care nu au limită de curgere aparentă stabilirea acesteia se face convenţional, definindu-se: 3

4 Limita de curgere convenţională: este raportul dintre sarcina corespunzătoare unei alungiri neproporţionale prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei. Ea se notează cu R p, urmat de un indice numeric reprezentând alungirea neproporţională prescrisă. La oţeluri această alungire este de 0,2 % şi atunci notaţia este R p0,2. Limita de curgere remanentă, notată R r, reprezintă raportul dintre sarcina corespunzătoare unei alungiri remanente prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei. Alungirea remanentă prescrisă se menţionează ca indice la R r. În cazul oţelurilor, uzual, alungirea remanentă este 0,2 %, astfel că limita de curgere remanentă se notează R r0,2. Pe măsură ce se accentuează gradul de deformare plastică în zona de curgere, metalul se ecruisează. De aceea, forţa necesară deformării epruvetei începe să crească până în punctul D al curbei caracteristice care corespunde sarcinii maxime din timpul încercării, F max, iar zona aflată înaintea punctului D se numeşte zonă de ecruisare (de întărire). În această fază a încercării se observă destul de bine variaţii uniforme de lungime ale epruvetei, pe măsura creşterii forţei (creştere care, în raport cu creşterea lungimii, este de câteva sute de ori mai lentă decât în zona elastică). La un moment dat, într-o anumită porţiune a epruvetei apare o subţiere (gâtuire), care se accentuează destul de rapid deoarece deformarea epruvetei în continuare a epruvetei are loc numai în zona gâtuirii la forţe tot mai mici (deoarece secţiunea epruvetei scade continuu). Epruveta se rupe la forţa corespunzătoare punctului E de pe curba caracteristică, denumită sarcină ultimă, F u. Porţiunea DE se numeşte zonă de curgere locală. Materialul a cărui comportare a fost descrisă mai înainte şi a cărui curbă caracteristică arată ca în figura 2.1a, se numeşte tenace. Tenacitatea este proprietatea materialelor care se caracterizează prin faptul că ruperea are loc la sarcini mari şi este însoţită de deformaţii plastice substanţiale. Ductilitatea este proprietatea materialelor de a se deforma mult sub acţiunea unor sarcini mici. Materialele ale căror curbe caracteristice au forma din figura 2.1b (fără palier de curgere) pot fi maleabile şi ductile. În această categorie intră cuprul, aluminiul, plumbul etc. În cazul multor materiale, cum ar fi oţelurile pentru arcuri, unele oţeluri călite, fonta, şi altele, ruperea epruvetei se face brusc, cu producerea unei gâtuiri neînsemnate, care nu se observă în mod obişnuit. Aceste materiale se numesc fragile, iar curba lor caracteristică are forma din figura 2.1c. Materialele fragile au o anumită alungire la rupere, dar aceasta este foarte redusă (sub 2 %, uneori chiar sub 1 %). La încercarea la tracţiune a unui material fragil, forţa maximă şi forţa ultimă din epruvetă sunt aceleaşi. Raportul dintre forţa maximă şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei se numeşte rezistenţă la rupere, se notează σ r (sau R m ) şi se măsoară în N/mm 2 (sau în MPa): σ r = F max / S 0 [N/mm 2 ] În cazul materialelor cu fragilitate pronunţată, rezistenţa la rupere este, practic, aceeaşi cu limita de curgere. S-a menţionat că întreruperea încercării la tracţiune când încă nu s-a depăşit limita de elasticitate şi înlăturarea forţei determină revenirea epruvetei la dimensiunile iniţiale. Dacă se întrerupe încercarea după depăşirea limitei de elasticitate, de exemplu în punctul P (fig.2.2a) se constată Fig.2.2 experimental că legătura dintre forţă şi lungirea epruvetei, la descărcare, este dată de dreapta PM, paralelă cu OA. Segmentele OM şi MN reprezintă deformaţiile plastică şi respectiv elastică pe care le avea epruveta în punctul P. Dacă epruveta este reîncărcată, variaţia forţei cu lungirea se desfăşoară pe linia MP, apoi pe linia PDE, ca şi cum nu s-ar fi întrerupt încercarea. Este posibil, deci, ca încercând la tracţiune o epruvetă dintr-un material ecruisat, curba caracteristică să arate ca în figura 2.2b, adică să difere de cea adevărată din figura 2.2a şi să indice o limită de elasticitate mai mare. După cum s-a arătat mai sus, după ce se depăşeşte limita de elasticitate, deformaţiile mari pe care le capătă epruveta încep să producă o micşorare importantă a secţiunii transversale. Din această cauză, tensiunea reală din epruvetă, egală cu raportul dintre forţa de tracţiune înregistrată de maşină şi aria 4

5 secţiunii momentane reale, este mai mare decât valoarea convenţională obţinută prin împărţirea forţei la aria secţiunii iniţiale. Dacă în sistemul de coordonate R, A t se obţine o curbă caracteristică ABCDE convenţională, atunci curba caracteristică reală arată ca în figura 2.3. Deşi în punctul D forţa începe să scadă, tensiunea reală creşte în continuare deoarece epruveta se gâtuieşte iar secţiunea acesteia scade rapid. Până la apariţia gâtuirii, alungirea specifică era aceeaşi pe toată lungimea epruvetei, aşa încât alungirea A t =ΔL/L 0 şi alungirea specifică ε erau identice. După gâtuire, epruveta suferă o lungire locală pronunţată (fig.2.4) şi curba caracteristică reală, după punctul D, este crescătoare până în punctul E. Alungirea specifică reală Fig.2.3 la rupere este mai mare decât alungirea la rupere determinată cu Fig.2.4 baza de măsurare L 0. Epruvete destinate încercării la tracţiune: Forma şi dimensiunile epruvetei trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: Dimensiunile epruvetei trebuie să fie suficient de mari, astfel încât pe de o parte, rezultatele să nu fie influenţate de particularităţile de comportare ale unor formaţiuni cristaline ale metalului şi, pe de altă parte, lungirea să se poată măsura cu suficientă precizie. Să existe, într-o anumită zonă a epruvetei, o stare de tensiune omogenă încât tensiunile locale care apar în porţiunile de prindere ale epruvetei să fie minime şi să nu influenţeze starea de tensiune din zona principală a epruvetei. Faptul că există o stare de tensiune omogenă prezintă două avantaje importante: pe curba caracteristică se poate observa uşor momentul apariţiei deformaţiilor plastice şi relaţiile de calcul pentru obţinerea tensiunilor şi deformaţiilor specifice sunt foarte simple. Forme constructive, dimensiuni: Pentru ca rezultatele încercărilor la tracţiune să fie comparabile este nevoie ca epruvetele să respecte anumite condiţii de formă, dimensiuni şi prelucrare. În mod obişnuit, epruvetele au secţiunea circulară (epruvete rotunde) sau dreptunghiulară (epruvete plate), cu raportul laturilor secţiunii mai mic decât 4:1. Formele uzuale şi principalele dimensiuni ale unei epruvete destinate încercării la tracţiune sunt prezentate în figura 2.5. Semnificaţiile notaţiilor din figură sunt următoarele: L t lungimea totală a epruvetei; L c lungimea calibrată a epruvetei (lungimea porţiunii de secţiune constantă în limitele toleranţelor prescrise); L 0 lungimea iniţială, marcată prin două repere trasate în interiorul lungimii calibrate. În vederea determinării alungirii la rupere, lungimea iniţială se împarte în trei părţi egale pentru încercările obişnuite, sau în zece părţi egale pentru determinarea alungirii la rupere indiferent de poziţia secţiunii de rupere. Dacă materialul epruvetei este sensibil la crestare, atunci reperele de margine şi cele intermediare nu se trasează prin zgâriere; d 0 diametrul iniţial al epruvetei (diametrul secţiunii iniţiale a epruvetei rotunde), în porţiunea calibrată, sau diametrul echivalent al epruvetei plate care are grosimea iniţială a 0 şi lăţimea iniţială b 0 şi pentru care d 0 = 1, 13 a0 b0. 5

6 Fig.2.5 Lungimea iniţială L 0 şi diametrul iniţial d 0 se aleg în aşa fel încât raportul n = L 0 /d 0, numit factor dimensional, să aibă valoarea n = 5 sau n = 10. Corespunzător acestor valori, epruveta se numeşte proporţional normală sau proporţional lungă. Este necesară impunerea valorii factorului dimensional pentru a obţine alungiri la rupere comparabile, la epruvete cu diferite secţiuni. În cazuri speciale se pot utiliza şi epruvete neproporţionale. Lungimea calibrată se alege în aşa fel încât de la marginile ei şi până la reperele care delimitează lungimea iniţială să fie o distanţă de cel puţin ½ din d 0, ceea ce înseamnă că valoarea minimă a acesteia este L c = L 0 + d 0 ; în mod normal L c = L 0 + 2d 0. Capetele de prindere ale epruvetei trebuie să fie coaxiale cu porţiunea calibrată, pentru a asigura solicitarea la tracţiune simplă. Forma şi dimensiunile lor se aleg în funcţie de dispozitivele de prindere ale maşinii de încercat. Între capătul epruvetei şi porţiunea calibrată se execută o racordare cu raza de cel puţin 0,5 din diametrul d 0 la epruvetele rotunde şi de cel puţin 20 mm la epruvetele plate. Pentru cercetarea caracteristicilor mecanice ale unui material se pot folosi şi epruvete cu alte dimensiuni. Acestea sunt standardizate şi valorile lor pot fi găsite în SR EN 10002/1-94. În cazul încercării fontelor cenuşii, în afară de prescripţiile generale există şi condiţii tehnice Fig.2.6 specifice. Încercarea se execută pentru a determina caracteristicile mecanice ale materialului şi a identifica marca fontei. Epruvetele sunt de două tipuri, A şi B, având formele din figura 2.6a, respectiv 2.6 b. Capetele cilindrice ale epruvetei pot fi netede sau filetate; dacă sunt netede, acestea trebuie să fie prinse în întregime în dispozitivele maşinii de încercat, iar dacă sunt filetate se înşurubează în bacurile maşinii, astfel încât cel puţin o spiră să rămână liberă. Forma epruvetei din fontă şi recomandările de montare sunt determinate de faptul că fonta este un material fragil şi se rupe, de obicei, în apropierea unui capăt, obţinându-se astfel o rezistenţă la rupere mai 6

7 mică decât cea reală. Epruvetele de acest fel, cu loc de rupere predeterminat, se folosesc uneori şi în cazul oţelurilor călite cu duritate mare. Epruveta se execută prin aşchiere, cu adâncimi de aşchiere mici, din proba de material luată din semifabricate conform standardelor. Dacă materialul este casant, suprafaţa epruvetei trebuie şlefuită cu pânză abrazivă (având grijă să nu se creeze rizuri circulare). Rizurile care marchează lungimea calibrată a epruvetei sau care subdivid această zonă se trasează cu dispozitive speciale. Dacă bara are grosimea 40 mm sau banda are lăţimea 30 mm, proba extrasă poate fi supusă direct încercării la tracţiune fără a executa o epruvetă. În cazul încercării la tracţiune a fontei cenuşii, probele din care se vor prelucra epruvetele se toarnă odată cu piesele, în forme uscate, în aceeaşi formă de turnare, sau se toarnă ca apendice la piesă. Un eventual tratament termic se execută concomitent pieselor şi probelor. În unele situaţii, probele se pot tăia chiar din corpul piesei. În cazul produselor din metale şi aliaje neferoase locul şi poziţia de luare a probei sunt prevăzute în STAS , în funcţie de tipul produsului, direcţia de deformare, grosime (pentru table, benzi şi plăci), sau mărimea secţiunii (pentru bare, ţevi, sârme, profile). În toate situaţiile în care se recomandă folosirea epruvetelor plate, suprafaţa epruvetei trebuie să coincidă cu suprafaţa produsului (să păstreze stratul superficial neprelucrat). 3. Maşini şi utilaje Maşina de încercat Există numeroase variante constructive ale maşinilor de încercat, determinate de procedeul de producere a sarcinii şi a modului de măsurare a acesteia. Maşina universală din figura 2.7 are un cadru fix format din coloanele 1 (fixate pe batiu) şi traversa 6. Pompa hidraulică trimite ulei în cilindrul 7, care este fixat pe traversa 6. Pistonul din cilindrul 7, deplasează în sus cadrul mobil format din traversele 4 şi 9 şi coloanele 8. Astfel se poate executa încercarea la tracţiune a unei epuvete montate între bacurile 2 şi 3, încercarea la compresiune a unei epruvete aşezate între platourile de pe traversele 4 şi 6, sau încercarea la încovoiere, utilizând reazemele 5. Folosind dispozitive adecvate se poate efectua şi încercarea la forfecare. Uleiul sub presiune din cilindrul 7 ajunge şi în cilindrul 11 pentru a deplasa în jos cadrul 12 ce roteşte pendulul 10, care antrenează (printr-un mecanism special) acul indicator. 13. Dispozitivul pendular pentru Fig.2.7 măsurarea forţei de tracţiune are trei greutăţi diferite care permit funcţionarea maşinii cu măsurarea forţei între următoarele limite: greutatea mică, pentru forţe de tracţiune până la 4 tf. Valoarea forţei se citeşte pe scala interioară a cadranului; greutatea mică plus cea mijlocie, pentru forţe de tracţiune până la 10 tf. Valoarea forţelor se citeşte pe scala mijlocie a cadranului; 7

8 toate cele trei greutăţi, pentru forţe de tracţiune până la 20 tf. Valoarea forţelor se citeşte pe scala exterioară a cadranului. Cadranul are două ace indicatoare: unul acţionat de dispozitivul de măsurare şi celălalt, purtat de primul, care se opreşte la valoarea forţei maxime de tracţiune, în timp ce acul purtător se întoarce la 0 odată cu descărcarea epruvetei. Maşinile care au acţionare hidraulică şi la care măsurarea forţei se face cu manometrul cu arc sau cu pendul pot avea accesorii ca: dispozitiv pentru înregistrarea diagramei forţă-alungire (acest înregistrator are un tambur, pe generatoarea căruia se deplasează peniţa, acţionată pe cale mecanică de sistemul de forţă al maşinii; mişcarea de rotaţie a tamburului este comandată de semnalul electric primit de la un extensometru montat pe epruvetă); dispozitiv pentru menţinerea constantă a sarcinii; dispozitiv pentru programarea unei viteze constante de încărcare; unitate de reglare automată, care permite programarea încărcării sau a lungirii şi care, în plus, compensează automat elasticitatea proprie a maşinii de încercat sau a cilindrului de forţă, făcând ca instalaţia să devină extrem de rigidă. Maşinile de încercat trebuie să îndeplinească anumite condiţii tehnice şi metrologice. Parametrii metrologici caracteristici pentru o maşină de încercări statice la tracţiune, compresiune şi încovoiere sunt următorii: eroarea relativă de fidelitate a indicaţiilor, eroarea relativă de revenire, eroarea relativă de revenire la zero, pragul de sensibilitate. Aceste caracteristici trebuie să aibă valori corespunzătoare clasei de precizie a maşinii. Dispozitive de prindere a epruvetei: Epruvetele pot avea diferite tipuri de capete de prindere, în funcţie de dispozitivele de fixare ale maşinii de încercat. Pentru epruvete cilindrice rotunde, SR EN 10003/1-94 recomandă capete de prindere cilindrice, conice sau filetate. Corespunzător acestor forme, prinderea în dispozitivul de fixare al maşinii se poate face cu pene având suprafaţa striată, (plată sau cu canal în direcţia axială a epruvetei) care se strâng automat (fig.2.8 a), sau prin intermediul unui inel cu suprafaţa de sprijin sferică (fig.2.8 b, c). În cazul epruvetelor plate, capetele de prindere pot fi cu sau fără gaură pentru bolţ. Dacă nu au gaură pentru bolţ, prinderea se face în dispozitivul pană contrapană cu suprafaţa plată, striată (fig.2.8 a). 4. Desfăşurarea încercării Fig.2.8 Pentru buna desfăşurare a lucrării se parcurg următoarele etape: Se măsoară dimensiunile iniţiale ale epruvetei şi se trasează reperele care îi delimitează lungimea iniţială L 0 ca şi reperele de divizare a acestei lungimi, după cum s-a arătat la descrierea epruvetei. Valorile se înscriu în tabelul 2.1. Se verifică buna funcţionare a maşinii de încercat. 8

9 Se înfăşoară hârtia pentru înregistrarea diagramei pe tambur şi se încarcă peniţa cu cerneală, sprijinindu-i apoi vârful pe hârtie. Se prinde epruveta în dispozitivele de prindere, având grijă ca fălcile lor să corespundă tipului şi dimensiunilor capetelor epruvetelor. Se pune în funcţiune maşina şi se pompează ulei în cilindru, reglându-se astfel debitul de ulei, încât viteza de încărcare a epruvetei să nu depăşească valoarea de 1 dan/mm 2. s -1 până la depăşirea limitei de curgere. Pentru stabilirea limitei de curgere se urmăreşte continuu deplasarea acului indicator pentru a reţine valoarea sarcinii corespunzătoare limitei de curgere fizică (dacă materialul care se încearcă are o astfel de limită). În acest sens, atunci când acul oscilează, epruveta continuând să se alungească, se va Fig.2.9 9

10 nota valoarea minimă a forţei ce apare în cursul oscilaţiilor. Dacă se constată numai o oprire a creşterii forţei de tracţiune se notează valoarea respectivă F 0. Dacă materialul încercat nu prezintă limită de curgere fizică, atunci i se determină cea convenţională, R p0,2, pentru care, după terminarea încercării, se determină valoarea forţei F 0,2 printr-o construcţie grafică pe diagrama înregistrată (se trasează o paralelă cu porţiunea dreaptă a diagramei de la punctul de pe axa absciselor egal cu ΔL=0,2L 0 /100 şi se citeşte ordonata F 0,2 corespunzătoare, respectându-se scara la care a fost desenată diagrama). Limita de curgere se calculează făcând raportul dintre valoarea forţei corespunzătoare, F 0 sau F 0,2, şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei S 0. Stabilirea rezistenţei la rupere a materialului încercat. Se notează valoarea forţei maxime care apare în timpul încercării epruvetei F max şi se calculează rezistenţa la rupere prin împărţirea lui F max cu S 0. Stabilirea alungirii relative la rupere. La epruvetele normale sau proporţionale scurte care s-au rupt în treimea mijlocie a lungimii dintre reperele extreme ca şi la cele lungi care s-au rupt la o distanţă de cel puţin 1/5 din lungimea dintre aceste repere, alungirea relativă la rupere se determină prin măsurare directă, după cum urmează: se pun cele două bucăţi ale epruvetei cu părţile de rupere cap la cap, apăsându-le astfel încât să rezulte un contact cât mai bun între ele şi se măsoară lungimea L u dintre reperele extreme. Alungirea relativă la rupere se calculează cu ajutorul relaţiei: A = [(L u L 0 )/L 0 ].100[%]. Alungirea relativă la rupere determinată în acest fel este valabilă, indiferent de poziţia gâtuirii, dacă valoarea obţinută se încadrează între limitele prescrise pentru materialul încercat. În cazul formării gâtuirii în afara limitelor arătate mai sus, valoarea obţinută pentru alungirea relativă la rupere prin măsurare directă este mai mică decât cea obţinută pentru acelaşi material, în cazul formării gâtuirii în zona mijlocie a epruvetei. Acest fapt se explică prin aceea că, după apariţia gâtuirii, alungirile specifice din această zonă sunt mult mai mari decât cele din rest. Alungirea specifică a întregii epruvete fiind media sumei alungirilor specifice ale fiecărei diviziuni a epruvetei. În cazul unei gâtuiri centrale ea este mai mare (fig.2.9a) decât în cazul unei gâtuiri marginale (fig.2.9b). În cazul în care lungimea iniţială a epruvetei se divizează în zece părţi egale, alungirea la rupere se poate determina independent de poziţia secţiunii de rupere în cadrul lungimii iniţiale. În cazul general, în care lungimea iniţială are un număr total de N intervale, lungimea după rupere se determină prin cumularea măsurărilor lungirilor parţiale din zona rupturii, după următorul procedeu: se stabilesc două lungimi de măsurat - figurile 2.10a şi 2.10b: lungimea OP, care conţine secţiunea de rupere, este delimitată de reperul marginal O al porţiunii scurte a epruvetei rupte şi reperul P de pe primul interval întreg de pe porţiunea lungă a epruvetei rupte; lungimea OP conţine n intervale; lungimea PQ (fig.2.10a) sau lungimile PQ şi PQ (fig.2.10b) de pe porţiunea lungă; dacă numărul (Nn) este par, se stabileşte PQ = (N-n)/2, iar lungimea după ruperea epruvetei este: L u = OP+2PQ; dacă numărul (N-n) este impar, se stabilesc PQ=(N-n-1)/2 şi PQ = (N-n+1)/2, iar L u =OP+PQ+PQ. Pentru N = 10 sunt posibile situaţiile din fig Gâtuirea relativă la rupere, Z, se calculează ca raport între diferenţa dintre aria secţiunii iniţiale şi aria secţiunii ultime a epruvetei, şi aria secţiunii iniţiale; se exprimă în procente: Z = [(S 0 S u )/S 0 ].100 [%]. Fig.2.10 Aria secţiunii ultime este aria secţiunii transversale a epruvetei în zona de rupere. Evaluarea acesteia se face în următoarele condiţii convenţionale de măsurare a dimensiunilor: 10

11 dacă epruveta este rotundă, diametrul secţiunii de rupere se consideră ca fiind media aritmetică a dimensiunii transversale maxime şi a celei minime; dacă epruveta este plată, drept secţiune ultimă se consideră un dreptunghi ale cărei laturi sunt egale cu dimensiunile minime măsurate în secţiunea rupturii. Alungirea şi gâtuirea la rupere sunt două mărimi ce caracterizează materialul din punct de vedere tehnologic şi nu sunt utile pentru calculele de rezistenţă. Acestea se referă la comportarea materialului epruvetei într-o zonă limitată, în care, după atingerea sarcinii maxime, se produc deformaţii locale mult mai mari decât în rest. Analiza formei şi aspectul epruvetei după rupere: Fig.2.11 Ruperea unui material poate fi ductilă, fragilă sau mixtă. În cazul ruperii ductile, materialul permite deformaţii plastice puternice, iar în cazul ruperii fragile, fisura se propagă brusc, nu se produce o deformaţie globală a unei zone a materialului, ci doar o microdeformaţie locală pe suprafaţa de rupere (microdeformaţie ce nu se observă decât la analiza prin difracţie cu raze X). În cazul epruvetelor supuse la tracţiune, ruperea fragilă produce o secţiune de separaţie normală pe axă (fig.2.12a). Acest tip de rupere apare 11 Fig.2.12

12 brusc, fără nici o manifestare prealabilă, iar secţiunea de rupere prezintă o structură grăunţoasă. Epruvetele executate din materiale foarte plastice (aur, plumb) capătă o gâtuire mare, iar în momentul ruperii secţiunea poate ajunge chiar la un punct (fig.2.12b). Materialele cu ductilitate medie (de exemplu oţelurile carbon) au, înainte de rupere, o gâtuire destul de pronunţată. La acestea ruperea începe din centrul secţiunii epruvetei şi se propagă pe direcţiile tensiunilor tangenţiale maxime (la 45 ), aspectul suprafeţei de rupere fiind acela din figura 2.12c, denumit con-crater. Factori care influenţează rezultatele încercării: Pentru un anumit material, caracteristicile mecanice de rezistenţă pot dobândi valori diferite, în funcţie de condiţiile în care s-a efectuat determinarea lor experimentală. Factorii care determină rezultatele încercării şi care produc, o modificare aparentă a valorilor caracteristicilor mecanice de rezistenţă sunt: dimensiunile epruvetei, viteza de solicitare şi caracteristicile maşinii de încercat. Diametrul epruvetei influenţează rezultatul încercării dacă scade sub 4-5 mm. În cazul în care este foarte mic (zecimi de milimetru) se obţine o valoare a rezistenţei la rupere sensibil mai mare decât aceea determinată cu epruvete uzuale. Lungimea porţiunii calibrate a epruvetei influenţează valoarea alungirii la rupere. În cazul când se folosesc epruvete lungi, alungirea la rupere rezultă mai mică decât alungirea determinată pe epruvete scurte. Viteza de solicitare influenţează rezistenţa la rupere şi alungirea în felul următor: cu cât încărcarea se face mai lent, cu atât rezistenţa la rupere este mai mică, iar alungirea la rupere este mai mare. Caracteristicile maşinii de încercat influenţează aspectul curbei caracteristice în zona de curgere. Dacă sistemul de măsurare al maşinii are inerţie mare, atunci nu sunt obţinute limitele de curgere. Acelaşi lucru se întâmplă şi la sistemele cu inerţie mică, dacă viteza de încărcare este mare. Încercări speciale la tracţiune În unele cazuri interesează comportarea la tracţiune nu a unui material, ci a unui produs care în utilizarea lui normală este supus unei solicitări de tracţiune. În această situaţie se găsesc produse ca: lanţuri, cabluri, ţevi, sârme, benzi etc. Pentru încercarea de rupere la tracţiune a ţevilor se recomandă consultarea STAS şi a STAS , iar în ceea ce priveşte încercarea de rupere la tracţiune a sârmelor şi cablurilor, acestea se efectuează conform STAS , respectiv STAS Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Rezultatele obţinute se trec în tabelul 2.1, se discută şi pe baza lor se caută identificarea calităţii materialului: Tabelul 2.1 Material d 0 [mm] a 0 [mm] b 0 [mm] L 0 [mm] S 0 [mm 2 ] F c [N] F max [N] F 0,2 [N] d u [mm] a u [mm] b u [mm] L u [mm] ΔL [mm] S u [mm 2 ] σ c [N/mm 2 ] σ 0,2 [N/mm 2 ] σ r [N/mm 2 ] A [%] Z [%] 12

13 Determinarea modulului de elasticitate a materialelor metalice 1.Scopul lucrării Însuşirea metodologiei, cunoaşterea aparatelor şi calculul modulului de elasticitate a materialelor metalice. Se va face un studiu comparativ privind modulul de elasticitate a două sau trei categorii de materiale distincte (oţel, alamă şi aluminiu). 2. Noţiuni introductive Pentru aprecierea metalelor cu privire la posibilitatea folosirii lor în construcţia de maşini este de o deosebită de importanţă să se cunoască, în afara rezistenţei de rupere la tracţiune, şi comportarea elastică a acestora. Din această cauză este necesar să se determine unele caracteristici de elasticitate. Conform STAS , în urma încercării la tracţiune efectuate în condiţiile atmosferei ambiante prevăzute în STAS se pot determina şi următoarele caracteristici elastice: modulul de elasticitate longitudinal; coeficientul de contracţie transversală; limita de proporţionalitate convenţională; limita de elasticitate convenţională; limita de elasticitate tehnică. Acest standard face referiri la determinarea caracteristicilor de elasticitate pentru produsele şi epruvetele cu diametru mai mare sau egal cu 3 mm. Pentru alte produse standardul se aplică numai în condiţiile specificate în standardul de produs sau standardul de încercare la tracţiune a produsului respectiv. Limita de elasticitate convenţională σ p (pentru o lungire proporţională prescrisă) reprezintă tensiunea la care abaterea de la variaţia proporţională dintre tensiune şi lungire atinge o valoare prescrisă şi indicată ca indice a tensiunii. La oţeluri, în mod uzual se admite o abatere de 0,01% şi se notează σ p0,01, (N/mm 2 ) Limita de elasticitate tehnică σ r, (pentru o lungire remanentă prescrisă) reprezintă tensiunea la care lungirea specifică remanentă atinge o valoare prescrisă şi indicată ca indice al tensiunii. La oţeluri, în mod uzual, se adoptă o lungire specifică remanentă de 0,01% şi se notează cu σ r0,01, (N/mm 2 ). Modulul de elasticitate longitudinal E, în general, reprezintă raportul dintre tensiunea normală şi deformaţia specifică, în condiţiile în care tensiunea nu depăşeşte limita de proporţionalitate. Modulul de elasticitate longitudinal este de mai multe feluri, şi anume: modul de elasticitate tangent; modul de elasticitate de coardă; modul de elasticitate mediu; modul de elasticitate convenţional. Aceste module de elasticitate se diferenţiază între ele numai prin modul lor de determinare şi iau în considerare faptul că aspectul curbei caracteristice convenţionale a încercării la tracţiune nu are o zonă de proporţionalitate perfect liniară. 3. Epruvete, aparatură şi utilaje Forma şi dimensiunile epruvetelor destinate determinării modulului de elasticitate şi a celorlalte caracteristici elastice sunt aceleaşi cu cele recomandate pentru încercarea la tracţiune SR EN 10002/1-94: epruvetă rotundă normală cu diametrul d 0 = 10 mm, lungimea iniţială L 0 = 50 mm şi lungimea calibrată L c L 0 + 2d 0 epruveta rotundă proporţională lungă cu diametrul d 0 = 10 mm, lungimea iniţială L 0 = 100 mm şi lungimea calibrată L c L 0 + 2d 0 epruvetă plată proporţională normală cu grosimea a 0 = 5 mm, lăţimea b 0 = 16 mm, lungimea iniţială L 0 = 50 mm şi lungimea calibrată L c = L S0 ; 13

14 epruvetă plată proporţională lungă cu grosimea a 0 = 5 mm, lăţimea b 0 = 16 mm, lungimea iniţială L 0 = 100 mm şi lungimea calibrată L c = L S0 ; Măsurarea dimensiunilor epruvetelor se face cu precizia de: 0,02 mm la dimensiuni mai mici sau egale cu 50 mm; 0,05 mm la dimensiuni de peste 50 mm. Dimensiunile epruvetelor se stabilesc ca medie aritmetică a valorilor obţinute în urma măsurătorilor efectuate în două plane transversale diferite pe lungimea porţiunii calibrate. Forţa aplicată asupra epruvetei se măsoară cu sprijinul pendulului manometric specific maşinii universale de încercate (existent în laborator) şi care permite stabilirea valorii acesteia cu precizie mare pe tot parcursul încercării. Montajul epruvetei în dispozitivul de prindere a maşinii de încercat trebuie să fie făcut cu mare atenţie pentru asigurarea coaxialităţii dintre forţa de tragere şi axa probei, astfel încât să se realizeze o uniformă a epruvetei de-a lungul fiecărei generatoare. Se admite o diferenţă între diferenţă între lungirile măsurate pe fibrele exterioare opuse ale epruvetei de cel mult 5% din valoarea lungirii maxime. Abaterea de la axialitate se determină prin măsurarea lungirilor specifice pe două fibre diametral opuse, respectiv pe două feţe paralele ale epruvetei plane dispuse în planul axelor coloanelor maşinii de încercat şi într-un plan normal pe primul. Măsurarea lungirii specifice longitudinale sau transversale (după caz) se realizează cu aparate montate direct pe epruvetă şi care trebuie să asigure următoarea precizie: 5 % din valoarea prescrisă lungimii specifice, la determinarea limitei de elasticitate convenţionale şi tehnice; 10 μm/mm la determinarea modulului de elasticitate longitudinal, coeficientul de contracţie transversală şi a limitei de proporţionalitate. Măsurarea lungimii se face cu ajutorul unor aparate numite extensometre care, din punct de vedere constructiv pot fi: mecanice, electronice (inductive) şi optice. Extensometrele mecanice şi electronice (inductive) se fixează direct pe suprafaţa epruvetei prin intermediul unor vârfuri ascuţite fixe şi mobile. Cuţitele mobile (vârfurile) sunt în legătură cu, după caz, fie cu tija palpatoare a unor ceasuri comparatoare (în cazul extensometrelor mecanice), fie cu tija unui miez de fier ce se mişcă în interiorul unei bobine (în cazul extensometrelor electronice). Extensometrul electronic este format din (fig. 2.13): extensometrul propriu-zis 1; capul de reducere; blocul de alimentare la reţea 2; aparatul de înregistrare 3. Extensometrul propriu-zis, figura 2.13, este format din două elemente de măsurare separate (ca şi în cazul extensometrelor mecanice) care recepţionează variaţiile de lungime a două fibre opuse ale epruvetei. Elementele de măsurare au fiecare dintre ele câte un cuţit fix 4 şi câte unul mobil 5. Cuţitele mobile sunt legate la un transmiţător inductiv 6 şi împreună sunt fixate întrun suport care permite fixarea mult mai simplă a aparatului pe probă. Distanţa iniţială dintre tăişul fix şi cel mobil poate lua valori diferite, prin schimbarea cuţitelor fixe. Capul de reducere se foloseşte pentru înregistrarea curbelor de până la 3 mm, în cazul încercărilor la încovoiere şi compresiune. Fig.2.13 Blocul de alimentare 2 este situat între extensometrul propriu-zis şi aparatul de înregistrare, având rolul ca, pe lângă alimentarea cu curent a sistemului, să permită cuplarea treptelor de amplificare a semnalului de la 20:1 până la 200:1 pentru capul de reducere (butoanele 7) şi de 200:1 până la 2000:1 (butonul 8) pentru extensometrul inductiv. 14

15 Aparatul de înregistrare serveşte la înregistrarea variaţiilor de lungime în raport cu forţa aplicată asupra probei. Funcţionarea extensometrului inductiv este următoarea: Variaţia de lungime a probei provoacă o deplasare a cuţitului mobil 5 care, la rândul său, determină o modificare a poziţiei miezului de fier 9 în interiorul traductorului inductiv. Traductorii inductivi sunt formaţi din bobine prin care trece curent electric şi sunt legaţi între ei cu transformatori diferenţiali. Aceeaşi tensiune ce este aplicată la bobinele traductorului se aplică şi asupra potenţialului de măsurare din aparatul de înregistrare de unde poate deriva o tensiune parţială. Această tensiune parţială se compară cu tensiunea secundară a traductorului care se modifică prin schimbarea poziţiei miezului de ferită. Dacă apare o diferenţă de tensiune, aceasta este amplificată şi pune motorul reversibil din aparatul de înregistrare în funcţiune. 4. Desfăşurarea lucrării Pentru efectuarea lucrării se parcurg următoarele etape: Se pun sub tensiune blocul de alimentare şi maşina universală de încercat; Se cuplează blocul de alimentare, prin apăsarea butonului de pornire, şi, una din treptele de transformare 7 (20:1, 100:1, 200:1) prevăzute pentru capul de reducere şi respectiv 8 pentru extensometrul inductiv (200:1, 1000:1, 2000:1); Se fixează hârtia necesară trasării curbei caracteristice pe aparatul de înregistrat; Se fixează epruveta E în bacurile maşinii de încercat după care se montează extensometrul pe suprafaţa acesteia; Cu ajutorul regulatorului de poziţionare 9 a blocului de alimentare se pune tamburul de înregistrare la zero pentru a evita apariţia unei diferenţe la măsurarea în două sensuri. La înregistrarea variaţiei de lungime, tamburul se roteşte spre stânga; Se aplică forţa în mod lent şi continuu având grijă ca viteza de solicitare elastică să fie cuprinsă între N/mm 2 s -1 ; Diagrama încărcării la tracţiune pentru un domeniu preponderent elastic se înregistrează grafic, dacă se foloseşte extensometrul inductiv, sau se trasează prin puncte (citind forţa pe aparatul maşinii de încercare şi deformaţia la cele două ceasuri comparatoare) când se foloseşte extensometrul mecanic. 5. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Pe diagrama trasată de aparatul de înregistrare se trece forţa, pe ordonată, şi lungirea pe abscisă. Dacă apare o distorsiune (deformaţia nu porneşte din momentul F = 0) în punctul zero, partea dreaptă a curbei trebuie prelungită până la linia zero a variaţiei de lungime (fig. 2.14). Se duce o paralelă la dreapta corespunzătoare porţiunii pe care este valabilă legea lui Hooke la o distanţă egală cu procentajul prescris al lungimii de măsurare. Limita de elasticitate remanentă corespunde punctului de intersecţie a dreptei cu curba caracteristică trasată La determinarea modulului de elasticitate se foloseşte relaţia: σ E = ε Pentru că în diagramă sunt reprezentate forţe în locul tensiunii şi variaţiile lungimii ΔL în locul deformaţiei specifice ε, este nevoie a se face următoarele calcule: F σ =, A în care: F este forţa ce acţionează asupra materialului [dan]; A aria secţiunii transversale a epruvetei [mm 2 ]. Fig.2.14 în care: L 0 este distanţa dintre cuţitul fix şi cel mobil al extensometrului. 15 ε = ΔL L 0

16 Astfel se obţine relaţia de determinare a modulului de elasticitate care capătă forma: F L0 E = A ΔL Când determinarea deformaţiei se face cu ajutorul extensometrului mecanic, valorile corespunzătoare forţei de încercare a probei, citite pe cadranul comparatorului, se trec în tabelul 2.4. Pe baza rezultatelor din tabel se va construi curba de variaţie F = f(δl med ) şi se va proceda la determinarea modulului de elasticitate ca şi în cazul diagramelor obţinute în urma încercării şi folosirii extensometrului inductiv. Se vor face determinări pe materiale diferite, se vor compara şi se vor interpreta rezultatele obţinute. Tabelul 2.2. Nr.Crt F [dan] ΔL 1 [μm] ΔL 2 [μm] ΔL med [μm] 16

17 Încercarea la compresiune 1. Scopul lucrǎrii Lucrarea îşi propune însuşirea noţiunilor necesare desfǎşurǎrii practice a încercǎrii la compresiune, a determinǎrii experimentale şi a calculului principalelor caracteristici de rezistenţǎ şi de plasticitate a materialelor. De asemenea, se urmǎreşte cunoaşterea şi exploatarea maşinilor şi aparaturii destinate acestui scop. 2. Noţiuni introductive Încercarea la compresiune se execută, de obicei, pentru determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor fragile (la rece sau la cald), care au o rezistenţă mică la tracţiune (fonte, metale şi aliaje neferoase etc.). Prin această încercare se determină scurtarea şi rezistenţa de rupere la compresiune, conform STAS , dacă nu se solicitǎ şi determinarea altor caracteristici în documentaţia tehnicǎ. Principala problemǎ pe care o ridicǎ încercarea la compresiune este aceea a realizǎrii unei stǎri de tensiuni omogene în epruvetǎ. Dacǎ epruveta are formǎ cilindricǎ (fig.2.15), starea de tensiune monoaxialǎ este modificatǎ Fig.2.15 datoritǎ frecǎrilor dintre suprafeţele de contact ale epruvetei şi suprafeţele de apǎsare. În timpul încercǎrii, suprafaţa A-A rǎmâne, practic, în contact cu placa de apǎsare, iar punctele B ale epruvetei nesolicitate ajung, prin rǎsfrângerea materialului, în contact cu placa de apǎsare (punctele Fig.2.16 B ). Punctele C se deplaseazǎ mult pe direcţie radialǎ. Acest mod de deformare aratǎ cǎ în epruveta cilindricǎ plinǎ starea de tensiuni este neomogenǎ. În afarǎ de acestea, în epruvetǎ poate apǎrea şi o solicitare de încovoiere, din cauza neparalelismului celor douǎ suprafeţe frontale, a neomogenitǎţii materialului sau a aplicǎrii excentrice a sarcinii. 17

18 O problemǎ specificǎ încercǎrii la compresiune o constituie aceea cǎ, materialele tenace, nu se rup la acest tip de solicitare. Ele se deformeazǎ plastic în mod continuu, pe mǎsura creşterii sarcinii. Metalele rigide prezintǎ o etapǎ de deformare elasticǎ urmatǎ de una de deformare plasticǎ, care se terminǎ prin distrugerea epruvetei. Forma diagramei de compresiune a metalelor plastice este prezentatǎ în figura 2.16 a, iar a metalelor rigide, în figura 2.16 b. Deformarea epruvetei se manifestǎ sub forma reducerii înǎlţimii ei, de aceea pe axa absciselor diagramelor de compresiune se ia scurtarea Δh în funcţie de forţa F trecutǎ pe ordonatǎ. Caracteristicile ce se determinǎ prin încercarea la compresiune sunt cuprinse în tabelul 2.3. Tabelul 2.3. Epruveta Sarcina Caracteristici mecanice uzuale Termenul Diametrul iniţial şi ultim Lungimea dintre repere; iniţialǎ şi ultimǎ Aria secţiunii transversale: -iniţialǎ: -ultimǎ: Factorul dimensional Curentǎ La limita de curgere Ultimǎ Limita de curgere Rezistenţa la compresiune Scurtarea procentualǎ a epruvetei Umflarea procentualǎ a epruvetei Simbolul d 0, d u ; [mm] h 0,h u ; [mm] S 0 = πd 2 0 /4 [mm 2 ] S u = πd 2 u /4 [mm 2 ] N = L 0 /d 0. F [N] F c [N] F u [N] σ c = F c /S 0 ; [N/mm 2 ] σ rc = F max /S 0 ; [N/mm 2 ] A c = h 0 -h u )/h [%] Z c = (S u -S 0 )/S [%] În urma deformǎrii epruveta ia o formǎ de butoi. Rǎmânerea în urmǎ a deformǎrilor transversale ale suprafeţelor de bazǎ ale epruvetei se datoreazǎ forţelor de frecare ce apar între aceste suprafeţe şi platourile maşinii de încercat. Aceste forţe de frecare se combinǎ cu forţele de presare şi dau o rezultantǎ ce acţioneazǎ sub un unghi faţǎ de axa epruvetei, aşa cum se vede în figura Rezultanta va provoca o repartizare inegalǎ a deformaţiilor elementare, pe direcţia axei longitudinale. Din punct de vedere al structurii sale, deformarea unei epruvete are loc dupǎ cum se vede în figura Fig.2.17 Fig.2.18 Pentru evitarea frecǎrii dintre platouri şi suprafeţele bazelor epruvetei, se intercaleazǎ plǎci dintrun material mai moale sau se face o ungere cu parafinǎ. Pentru ca sarcina sǎ fie uniform repartizatǎ pe suprafaţa epruvetei şi pentru a exclude erorile ce ar proveni din uşoare abateri de la paralelism a feţelor epruvetei, se prevede ca unul din platouri sǎ fie prevǎzut cu o calotǎ sfericǎ, aşa cum se vede în figura Raza R a calotei sferice va fi egalǎ cu suma grosimii plǎcii pe care este aplicatǎ şi înǎlţimea calotei. 18

19 3. Materiale, utilaje şi aparaturǎ Epruvetele pentru încercarea la compresiune a metalelor vor fi de formǎ cilindricǎ dreaptǎ, cu bazele paralele între ele, având forme şi dimensiuni standardizate conform STAS Locul de prelevare a epruvetelor şi orientarea lor se specificǎ în standardele materialelor respective. Pentru încercarea la compresiune se va folosi maşina universalǎ pentru încercarea la tracţiune, compresiune şi încovoiere (vezi lucrarea Încercarea la tracţiune). 4. Desfǎşurarea lucrǎrii, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Fig.2.19 Epruvetele ce se supun încercǎrii la compresiune nu trebuie sǎ prezinte urme de tratament termic, turtiri, retasuri, incluziuni nemetalice sau alte defecte.feţele epruvetelor şi suprafeţele platourilor trebuie sǎ fie uscate şi sǎ nu aibǎ urme de unsoare, ulei etc. Locurile acoperite cu astfel de impuritǎţi se spalǎ cu acetonǎ sau benzinǎ.se mǎsoarǎ diametrul iniţial d 0 a epruvetei, dupǎ douǎ direcţii perpendiculare una pe alta, cu ajutorul unui micrometru ce are o precizie de 0.01 mm, trecând media aritmeticǎ a celor douǎ mǎsurǎri în tabelul de rezultate (Tabelul 2.4). Valoarea determinatǎ se va folosi pentru calculul ariei secţiunii transversale iniţiale S 0. Se mǎsoarǎ de asemenea şi înǎlţimea iniţialǎ h 0 şi rezultatul se trece în acelaşi tabel. Valoarea sarcinii de rupere la compresiune se considerǎ atinsǎ, în cazul materialelor rigide, la apariţia primei fisuri pe suprafaţa lateralǎ a epruvetei. În cazul materialelor plastice (moi), încercarea nu poate fi efectuatǎ pânǎ la rupere, deoarece epruveta se striveşte între platourile aparatului. În acest caz încercarea se executǎ doar pânǎ dupǎ depǎşirea limitei de curgere.la materialele care nu au o limitǎ de curgere observabilǎ prin încercare, se determinǎ limita de curgere convenţionalǎ σ 0,2c ca şi în cazul încercǎrii la tracţiune. Dupǎ efectuarea încercǎrii la compresiune se va mǎsura înǎlţimea h u şi diametrul d u din zona cea mai puternic deformatǎ, folosind acelaşi micrometru. Cu ajutorul diametrului d u se calculeazǎ suprafaţa secţiunii probei încercate la compresiune S u. Rezultatele mǎsurǎtorilor se vor trece în tabelul de rezultate 2.4. Tabelul2.4 Material d 0 S 0 h 0 F r σ r h u d u Su A c Z c [mm] [mm 2 ] [mm] [N] [N/mm 2 ] [mm] [mm] [mm 2 ] [%] [%] 19

20 2.2. Încercarea la încovoiere 1. Scopul lucrării Însuşirea noţiunilor şi a metodologiei necesare determinării caracteristicilor mecanice ale materialelor solicitate la încovoiere. 2. Noţiuni teoretice În practică, încercarea la încovoiere se foloseşte numai în cazul materialelor turnate, din care urmează să se execute piese ce vor fi supuse în timpul funcţionării unor solicitări la încovoiere, determinându-se rezistenţa de rupere la încovoiere şi săgeata la rupere. La încovoiere, ca şi la compresiune, metalele se comportă în două moduri, în funcţie de natura lor: tenace, cum este cazul oţelurilor, care pot fi deformate apreciabil prin încovoiere fără ca ele să se rupă, sau rigide, cum este de exemplu fonta, folosită mult în construcţia de maşini, dar care se rupe relativ uşor în cazul solicitării la încovoiere. Ca atare, încercarea la încovoiere este mai importantă în cazul fontelor cărora li se cere, uneori, şi stabilirea capacităţii de preluare a acestui tip de solicitări. Condiţiile de încercare la încovoiere pentru fonte sunt cuprinse în STAS , în care sunt specificate forma şi dimensiunile epruvetelor. Pentru încercarea la încovoiere se alege o schemă simplă de solicitare în care, epruveta din fontă, având forma unei bare cu secţiunea circulară sau dreptunghiulară, se va rezema simplu la ambele capete, iar sarcina va fi aplicată perpendicular pe axa epruvetei, la mijlocul distanţei dintre reazeme, până în momentul producerii ruperii, conform imaginii din figura Starea de tensiuni în epruvetă este neomogenă, datorită atât variaţiei momentului încovoietor în raport cu axa longitudinală, de la o secţiune la alta, cât şi datorită faptului că, pentru o secţiune transversală dată, în domeniul elastic, tensiunile variază liniar. În timpul solicitării, în epruvetă apar concomitent eforturi de tracţiune şi compresiune, a căror repartizare este reprezentată în figura Tensiunea într-o fibră oarecare aflată la distanţa y este dată de relaţia: σ = (M y)/i z, unde M este momentul încovoietor în acea secţiune iar I z este momentul de inerţie al secţiunii transversale în raport cu axa de încovoiere. Aplicarea sarcinii se face cu o viteză maximă de 10 N/mm 2 s -1. Încercarea se desfăşoară până la ruperea epruvetei şi se stabileşte sarcina maximă F max din momentul ruperii. Rezistenţa la încovoiere, notată cu R i, măsurată în N/mm 2, definită ca raportul dintre momentul de încovoiere la ruperea epruvetei M i = F max 1/4 şi modulul de rezistenţă W = π d 0 3 /32, se calculează cu Fig.2.21 precizia de 5 N/mm 2, folosind relaţia: R i = 8 l F max /(π d 0 3 ). Valoarea rezistenţei la încovoiere astfel obţinută este influenţată atât de forma secţiunii transversale a epruvetei, cât şi de raportul dintre lungime şi diametru. În STAS se indică un raport constant l/d = 20. Odată cu determinarea valorii sarcinii maxime din momentul ruperii, F max, cu ajutorul dispozitivului de înregistrare al maşinii universale de încercat, se determină şi săgeata la rupere. Săgeata la rupere este însăşi deformaţia epruvetei în momentul ruperii, măsurată prin deplasarea verticală a punctului de aplicare al sarcinii. 20 Fig.2.20

21 Încercarea la încovoiere a fontelor este admisă şi pentru epruvete cu secţiune eliptică. Secţiunea transversală de la mijlocul lungimii epruvetei se consideră eliptică dacă diametrele perpendiculare a şi b (b fiind pe direcţia forţei, iar a > b) diferă între ele cu peste 0,6 mm la epruvetele cu 10, 13 şi 20 mm sau cu peste 1,3 mm la epruvetele de 30 şi 45 mm. Sarcina la care se produce ruperea se împaerte la coeficientul de corecţie K = ab 2 /d 3 şi, astfel modificată, se foloseşte la calculul rezistenţei la încovoiere cu formula deja stabilită pentru epruvete cu secţiune circulară. 3. Epruvete Pentru încercarea la încovoiere a fontelor se folosesc epruvete ce pot fi turnate separat sau legate de piesă. De obicei se utilizează epruvete turnate în stare brută dar, în cazuri speciale, se pot folosi şi epruvete prelucrate. Suprafaţa epruvetelor trebuie să fie netedă şi fără urme de bavuri. Bavurile dacă există, se îndepărtează prin polizare. Epruvetele prelucrate trebuie să aibă suprafaţa netedă şi lipsită de urme de aşchiere. 4. Utilaje şi aparatură Pentru încercarea la încovoiere se foloseşte maşina universală de încercat care este dotată, pentru această încercare, cu un dispozitiv cu două role de reazem, paralele între ele, aşezate perpendicular pe axa epruvetei. Distanţa dintre axele rolelor se poate modifica prin alunecarea lor pe un ghidaj prevăzut în traversa inferioară a maşinii de încercat şi se poate măsura cu ajutorul riglei gradate de pe marginea ghidajului. Maşina de încercat dispune şi de o piesă de apăsare ce se montează în platoul său superior. 5. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Se verifică dacă epruveta îndeplineşte condiţiile prevăzute în STAS ; Se măsoară diametrul epruvetei, după două direcţii perpendiculare, în secţiunea în care se va aplica sarcina. Măsurarea se face cu ajutorul unui şubler cu precizia de 0,1 mm. Valoarea diametrului epruvetei d 0, se obţine făcând media aritmetică a celor două diametre; Se determină lungimea epruvetei; Se montează în platoul superior piesa de apăsare corespunzătoare, iar pe traversă cele două reazeme se aşează simetric faţă de piesa de apăsare, la distanţa l i ; Epruveta de încercat se dispune pe reazeme astfel încât axa ei să treacă prin mijlocul reazemelor. Epruvetele se vor fixa la capete cu legături flexibile, astfel încât, aceste legături să nu împiedice încercarea dar nici să nu permită epruvetei să sară de la locul ei în momentul ruperii; Se deplasează traversa mobilă în sus, spre piesa de apăsare; Se aplică epruvetei o sarcină iniţială F 0, aceasta pentru eliminarea erorilor de măsurare la determinarea săgeţii de încovoiere f; Se aplică sarcina de compresiune, urmărind indicaţiile acelor dispozitivului de măsurare a forţelor F r, precum şi indicaţia dispozitivului de măsurare a săgeţii de rupere f, la încovoiere; Se calculează rezistenţa de rupere la încovoiere R i ; Valorile măsurătorilor efectuate, precum şi rezultatele calculelor se trec în tabelul de rezultate 2.5. Tabelul 2.5 Material l i [mm] d 0 [mm] F r [N] R i [N/mm 2 ] F [mm] 21

22 2.3. Îcercarea la forfecare 1. Scopul lucrǎrii Însuşirea noţiunilor, metodologiei şi cunoaşterea dispozitivelor necesare determinǎrii rezistenţei la forfecare a materialelor metalice. 2. Noţiuni teoretice Aceastǎ încercare se aplicǎ epruvetelor prelevate din semifabricate destinate executǎrii unor piese ce vor fi supuse, în exploatare, la forfecare. Încercarea se efectueazǎ pe maşinile de încercat la tracţiune sau la compresiune, folosind dispozitive adecvate. Încercarea de rezistenţǎ la forfecare se executǎ conform STAS De obicei epruveta are secţiune circularǎ. Dispozitivul necesar pentru executarea încercǎrii pe maşina de încercat la tracţiune este prezentat în figura Epruveta se trece prin trei inele de oţel cǎlit, cu dimensiunea alezajului corespunzǎtoare secţiunii epruvetei. Douǎ dintre inele sunt montate într-o furcǎ, iar al treilea într-un suport separat. Schema de principiu a dispozitivului (fig.2.23) aratǎ cǎ, sub acţiunea forţei F, epruveta C este ruptǎ între fǎlcile de fixare B 1, B 2 şi falca de tǎiere Z, dupǎ douǎ secţiuni de forfecare, q 1 şi q 2. Duritatea fǎlcilor de fixare, respectiv a celor de tǎiere trebuie sǎ fie 700 HV. Fig Fig Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor experimentale Cunoscând diametrul epruvetei şi valoarea maximǎ a forţei de forfecare F max, se determinǎ rezistenţa la forfecare cu formula: τ r =F max /2 S 0 [N/mm 2 ], unde S 0 = π d 0 2 /4 [mm 2 ]. Datele iniţiale, rezultatele încercǎrilor şi a calculelor efectuate se trec în tabelul 2.6. Tabelul 2.6. Material d 0 [mm] S 0 [mm 2 ] τ r [N/mm 2 ] 22

23 2.4. Încercarea de încovoiere prin şoc (rezilienţa) 1. Scopul lucrǎrii Însuşirea noţiunilor şi a metodologiei necesare determinǎrii comportǎrii materialelor la încovoiere prin şoc. 2. Noţiuni teoretice Un oţel, care în mod normal este ductil, poate deveni fragil în anumite condiţii de solicitare, cum ar fi: vitezǎ de deformare mare, temperaturǎ scǎzutǎ şi stare complexǎ de tensiune. Pentru a se produce o rupere fragilǎ nu este nevoie ca toţi aceşti factori sǎ fie prezenţi simultan. Ca urmare a apǎrut necesitatea elaborǎrii unei încercǎri noi, destinatǎ a studia comportarea tenace sau fragilǎ a metalului, comportare ce nu poate fi sesizatǎ prin încercǎri statice. Aceastǎ încercare este încercarea de încovoiere prin şoc, cunoscutǎ şi sub denumirea de încercarea de rezilienţǎ. Tot prin aceastǎ încercare se poate controla calitatea şi omogenitatea structuralǎ a unor materiale obţinute prin turnare, uniformitatea tratamentelor termice aplicate şi se poate verifica gradul de îmbǎtrânire a metalului ce urmeazǎ a fi folosit pentru fabricarea cazanelor şi turbinelor cu aburi. Încercarea la încovoiere prin şoc constǎ în ruperea unei epruvete crestate la mijloc, dintr-o singurǎ loviturǎ aplicatǎ cu un ciocan pendul. Lovitura se aplicǎ în partea opusǎ crestǎturii epruvetei simplu rezematǎ sau la capǎtul liber al unei epruvete în consolǎ, cu crestǎtura în dreptul încastrǎrii. Aspectul geometric al crestǎturii poate fi în formǎ de U sau în formǎ de V. În funcţie de forma crestǎturii, încercarea la încovoiere prin şoc se executǎ diferit, conform SR EN 1045/1-93 (pentru epruvete cu crestǎtura în formǎ de U), respectiv STAS (.pentru epruvete cu crestǎtura în formǎ dev). 3. Utilaje şi epruvete Pentru efectuarea încercǎrii la încovoiere prin şoc se foloseşte ciocanul pendul Charpy. Schiţa ciocanului pendul este prezentatǎ în figura El este prevǎzut cu un ciocan de greutate G p, care oscileazǎ, practic fǎrǎ frecare, în jurul axului O. Pentru ruperea epruvetei aşezatǎ liber pe douǎ reazeme de pe batiul B, ciocanul cade de la o anumitǎ înǎlţime H, la care fusese ridicat şi fixat. Energia potenţialǎ a ciocanului pendul în aceastǎ poziţie este W 0. Legea conservǎrii energiei mecanice presupune cǎ energia potenţialǎ a unui corp se transformǎ integral în energie cineticǎ şi invers. Ciocanul pendul eliberat din poziţia iniţialǎ loveşte epruveta prin intermediul unui cuţit din material dur şi o rupe, consumând astfel o parte din energia sa cineticǎ. Energia consumatǎ se noteazǎ cu W c. Restul de energie este folosit de pendul pentru a se ridica la o înǎlţime h, invers proporţionalǎ cu lucrul mecanic consumat pentru ruperea epruvetei. Considerând cǎ pierderile de energie ce se produc în timpul încercǎrii nu afecteazǎ mǎrimile mǎsurate, energia consumatǎ pentru ruperea epruvetei se poate calcula cu relaţia: W c = W 0 W = G p (H - h) = G p l c (cosβ - cosα) Fig în care: W 0 este energia potenţialǎ a pendulului în poziţia iniţialǎ; W - este energia potenţialǎ a pendulului în poziţia finalǎ; G p - este greutatea pendulului; l c - braţul pendulului - distanţa de la centrul de greutate al pendulului pânǎ la axul de rotaţie; 23

24 H, h - înǎlţimile iniţialǎ, respectiv finalǎ a centrului de greutate al pendulului, mǎsurate pe verticalǎ faţǎ de poziţia cea mai de jos atinsǎ de centrul de greutate în cursa de rotaţie; α, β - unghiurile celor douǎ poziţii extreme faţǎ de axa verticalǎ. Ciocanul pendul Charpy are montat un cadran gradat pe care se poate citi direct lucrul mecanic consumat pentru ruperea epruvetei. În general, ciocanele pendul cu cadran au o singurǎ poziţie de lansare, iar variaţia energiei de lovire nu se poate obţine decât prin schimbarea discului pendulului. Aceastǎ operaţie de schimbare este limitatǎ, deoarece existǎ pericolul modificǎrii poziţiei centrului de percuţie şi a raportului greutǎţilor. Din aceastǎ cauzǎ ciocanele pendul cu cadran sunt prevǎzute doar cu douǎ discuri cu raportul greutǎţilor 1:2. În mod uzual, pentru condiţiile standard de încercare la încovoiere prin şoc, ciocanele pendul se construiesc pentru o energie maximǎ W 0 = 300 J (Joule) sau W 0 = 15 J şi o vitezǎ de lovire de 4,5-7 m/s. 4. Tipuri de epruvete Pentru executarea încercǎrii de încovoiere prin şoc se utilizeazǎ epruvete cu crestǎturǎ în formǎ de U (fig.2.25 a) sau V (fig.2.25 b), simplu rezemate la capete (epruvete Charpy) şi în consolǎ (epruvete Izod). Epruvetele normale Charpy U (fig.2.25 a) au secţiunea transversalǎ pǎtratǎ şi au o crestǎturǎ în Fig.2.25 formǎ de U, cu raza de racordare la fundul crestǎturii de 1 mm. Adâncimea crestǎturii poate lua diferite valori, pentru a putea pune în evidenţǎ fragilitatea metalului. Dimensiunile epruvetelor folosite pentru încercarea de încovoiere prin şoc sunt standardizate şi sunt cuprinse în tabelul 2.7 (SR EN 1045/1-93). Tabel 2.7 Dimensiune Simbol Valoare nominalǎ Abateri limitǎ Lungime, [mm] I 55 ±0,60 Grosime epruvete uzuale, [mm] 10 ±0,11 b 7,5 ±0,11 Grosime epruvete subţiri, [mm] 5 ±0,09 Înǎlţime, [mm] a 10 ±0,11 Înǎlţimea la baza crestǎturii: - epruvete cu h = 5 mm; a c 5 ±0,09 - epruvete cu h = 3 mm; 7 ±0,11 - epruvete cu h = 2 mm. 8 ±0,11 Raza de curburǎ la baza crestǎturii, [mm] r 1 ±0,07 Distanţa dintre planul de simetrie al crestǎturii şi unul din capetele epruvetei, [mm]. l/2 27,5 ±0,42 24

25 Pentru a pune în evidenţǎ sensibilitatea la fragilizare a oţelului prin amorsarea fisurii, au fost concepute crestǎturi în formǎ de V, cu o razǎ de racordare la fundul crestǎturii de 0,25 mm. Acest tip de epruvete poartǎ numele de Charpy V (fig.2.25b) şi este folosit pentru aprecierea tenacitǎţii oţelurilor destinate construcţiilor de importanţǎ deosebitǎ. Rezultatele obţinute pe epruvetele tip Charpy U sau V se completeazǎ reciproc. Aceasta deoarece încercarea pe epruvete cu crestǎtura în V evidenţiazǎ proprietatea metalului de a opri propagarea fisurii amorsate pe vârful ascuţit, iar încercarea pe epruvete cu crestǎtura în U evidenţiazǎ proprietatea metalului de a evita amorsarea unei fisuri. Prelucrarea epruvetelor destinate încercǎrii la încovoiere prin şoc se face cu o atenţie deosebitǎ deoarece ea va asigura precizia şi reproductibilitatea rezultatelor experimentale. În primul rând, epruvetele trebuie prelevate astfel încât proprietǎţile materialului sǎ nu fie denaturate. La prelucrarea cu scule aşchietoare trebuie evitate încǎlzirea exageratǎ a materialului şi eforturile de încovoiere sau alte solicitǎri ce pot apǎrea. De asemenea, se va evita formarea concentratorilor de tensiune, care au o influenţǎ foarte mare la acţiunea dinamicǎ, constituind surse de amorsare a fisurii. Crestǎtura se executǎ prin gǎurire şi tǎiere sau prin frezare şi rectificare, astfel încât pe fundul crestǎturii sǎ nu aparǎ zgârieturi orientate dupǎ generatoare. Flancurile şi planul de simetrie al crestǎturii trebuie sǎ fie perpendiculare pe axa longitudinalǎ a epruvetei. Pentru încercarea de rezilienţǎ a sudurilor epruveta se ia astfel încât crestǎtura sǎ poatǎ fi executatǎ în mijlocul cusǎturii. În cazul epruvetelor tratate termic, tratamentul termic trebuie efectuat înainte de executarea crestǎturii. 5. Desfǎşurarea lucrǎrii, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Se stabileşte felul metalului şi se examineazǎ aspectul exterior al epruvetei. Aceasta nu trebuie sǎ aibǎ urme de prelucrare, turtiri sau alte defecte. Crestǎtura trebuie sǎ fie perpendicularǎ pe faţa epruvetei; Se mǎsoarǎ, cu ajutorul unui şubler cu precizia de 0,1 mm, lǎţimea a şi grosimea b a epruvetei în dreptul crestǎturii, precum şi înǎlţimea crestǎturii h. Se calculeazǎ aria secţiunii iniţiale S 0 = (a-h)b, iar rezultatele mǎsurǎtorilor şi a calculelor se trec în tabelul de rezultate; Se verificǎ buna funcţionare a ciocanului pendul. Pentru aceasta pendulul se lasǎ sǎ cadǎ liber din poziţia de lansare şi se verificǎ dacǎ acul indicator s-a oprit pe cadran la gradaţia zero, semn cǎ pierderile de energie sunt nesemnificative; Dupǎ oprirea pendulului cu ajutorul frânei, acesta se ridicǎ în poziţia de lansare şi se fixeazǎ cu ajutorul sistemului de prindere, iar acul indicator se readuce în poziţia iniţialǎ; Se aşeazǎ epruveta pe reazeme în aşa fel încât crestǎtura sǎ fie perpendicularǎ pe batiu şi orientatǎ în partea opusǎ loviturii ciocanului; Se elibereazǎ pendulul prin deschiderea sistemului de prindere cu mâner, dând astfel posibilitatea pendulului sǎ cadǎ liber şi sǎ rupǎ în drumul sǎu epruveta. Epruveta se considerǎ ruptǎ chiar dacǎ ruperea nu s-a produs pe întrega secţiune, dar a fost antrenatǎ de ciocan dincolo de reazemele nicovalei; Se noteazǎ, cu o precizie de pânǎ la 1 J, valoarea cititǎ pe cadranul aparatului a energiei consumate la ruperea epruvetei. Aceastǎ valoare se noteazǎ W c ; Se determinǎ rezilienţa epruvetei, conform relaţiei: KCU W 0 /h/b = W c /S 0 [J/cm 2 ] La încercarea pe epruvete Charpy U se defineşte rezilienţa ca fiind raportul dintre energia consumatǎ pentru ruperea epruvetei şi aria secţiunii transversale din dreptul crestǎturii. Simbolul rezilienţei este KCU W 0 /h/b, are urmǎtoarea semnificaţie: K - iniţiala cuvântului Kerbschlagfestigheit, însemnând rezilienţǎ în limba germanǎ; C - iniţiala cuvântuluicharpy; U - forma crestǎturii; W 0 - energia potenţialǎ maximǎ a ciocanului pendul; h - adâncimea crestǎturii ; 25

26 b - lǎţimea epruvetei; c - energia consumatǎ pentru ruperea epruvetei; S 0 - aria secţiunii iniţiale a epruvetei. Rezilienţa se exprimǎ în J/cm 2 sau daj/cm 2. Contracţia transversalǎ a epruvetei reflectǎ tenacitatea materialului. Cu cât contracţia este mai mare, cu atât tenacitatea este şi ea mai mare, respectiv, materialul este mai puţin fragil. Contracţia transversalǎ se determinǎ cu relaţia: b b T = [%]; b în care b 1 este lǎţimea epruvetei mǎsuratǎ dupǎ ruperea acesteia, în imediata vecinǎtate a crestǎturii. La încercarea pe epruvete Charpy V, tendinţa actualǎ este ca rezultatele sǎ se exprime prin energia consumatǎ la rupere. Simbolul este în acest caz KCV şi se mǎsoarǎ în J sau daj (STAS ). Rezultatele obţinute se trec în tabelul 2.8. Tabelul 2.8 Material Dimensiunile epruvetei W 0 [J] W c [J] KCU [J/cm 2 ] T [%] a [mm] b [mm] h [mm] a C [mm] S 0 [cm 2 ] Într-un buletin de analizǎ se menţioneazǎ modul de prelevare a epruvetei şi se noteazǎ defectele observate ca urmare a examinǎrii secţiunii de rupere a probei. La aprecierea tenacitǎţii unui material trebuie sǎ se ţinǎ seama şi de aspectul macroscopic al secţiunii de rupere. Acest aspect prezintǎ, în general, douǎ pǎrţi distincte: o parte centralǎ cu aspect cristalin, grǎunţos şi lucios, corespunzǎtoare unei ruperi fragile, şi cealaltǎ parte, fibroasǎ şi matǎ, corespunzǎtoare unei ruperi tenace. 26

27 2.6. Determinarea durităţii materialelor Duritatea este o proprietate a materialelor care exprimă capacitatea acestora de a se opune acţiunii de pătrundere a unui corp dur în masa sa. La determinarea durităţii materialelor se iau în considerare mărimea urmelor produse de un corp de penetrare numit penetrator, caracterizat printr-o anumită formă şi dimensiune, şi forţa ce acţionează asupra acestuia. Metodele de determinare a durităţii, în funcţie de viteza de acţionare a forţei asupra penetratorului, se clasifică în metode statice, la care viteza de acţionare se situează sub 1 mm/s, şi metode dinamice, pentru care viteza de acţionare depăşeşte această valoare. Metodele statice şi dinamice se deosebesc între ele, în principal, prin forma penetratorului, condiţiile de lucru, dimensiunile caracteristice ale urmelor lăsate de penetrator în material şi modul de evaluare a durităţii. Metodele frecvent utilizate la determinarea durităţii şi caracteristicilor sunt cuprinse în tabelul Tabelul 2.15 Metoda Tip penetrator Evaluarea durităţii Scări utilizate Domeniul de utilizare Tipul metodei Brinell bilă oţel F/S, [N/mm 2 ] - < 450 HB statică bilă oţel h, [mm] B = 130 < 450 HB statică Rockwell con de diamant h, [mm] C = 100 toate materialele statică Vickers piramidă de diamant F/S, [N/mm 2 ] - toate materialele statică Poldi bilă de oţel comparativă - < 450 HB dinamică Menţiuni. Mărimile din tabel au următoarea semnificaţie: F forţa ce acţionează asupra penetratorului; S suprafaţa; h adâncimea urmei lăsate de penetrator în material sub acţiunea unei forţe date Determinarea durităţii Brinell 1. Scopul lucrării Se urmăreşte însuşirea noţiunilor şi a metodologiei necesare determinării durităţii Brinell (STAS ), precum şi cunoaşterea aparaturii destinate acestui scop. Pentru formarea deprinderilor practice, se vor efectua determinări experimentale de punere în evidenţă a durităţii pe diferite categorii de materiale şi se vor compara rezultatele obţinute. 2. Noţiuni teoretice Determinarea durităţii Brinell este una dintre cele mai folosite metode de evaluare a durităţii materialelor. Ea se aplică materialelor ce au duritatea posibilă mai mare de 450 HB, când se foloseşte ca penetrator o bilă din oţel, şi a celor ce au duritatea cuprinsă între 450 şi 650 HB, când se foloseşte ca penetrator o bilă din carbură de wolfram. Metoda constă din imprimarea, cu o forţă F, a unei bile de diametru prescris D, perpendicular pe suprafaţa piesei de încercat. Bila utilizată ca penetrator trebuie să aibă o duritate cu minimum 70 % mai mare decât duritatea materialului de încercat. Duritatea Brinell HB se exprimă prin raportul dintre forţa aplicată F şi suprafaţa calotei sferice S a urmei remanente lăsate de penetrator după îndepărtarea lui de pe materia: HB = F/S Duritatea Brinell HB se foloseşte ca o valoare convenţională ce înlocuieşte folosirea unităţii de măsură dan/mm 2. Suprafaţa calotei sferice se calculează pornind de la diametrul d al bazei acesteia, măsurat cu lupa, la microscop sau prin proiectarea urmei pe ecranul aparatului destinat încercării, astfel: D 2 2 S = π ( D D d ) 2 Înlocuind suprafaţa calotei în relaţia de calcul s durităţii, se obţine: 27

28 2F HB =, [dan/mm 2 2 π D( D D d ) 2 ] sau: 2F 1 HB =, [dan/mm 2 ]. π 2 D 2 d 1 1 D Dacă F şi D din relaţia prezentată sunt cunoscute şi d rezultă în urma măsurării diametrului urmelor se poate calcula duritatea. Practic, acest calcul nu este necesar deoarece există, în standard, tabele care prezintă valoarea durităţii în funcţie de F, D şi d. Diametrul bilei penetrator se alege dintr-un set d cinci bile ale cărui dimensiune poate fi: 1; 2; 2,5; 5 şi 10 mm. Folosind la determinarea durităţii un penetrator cu bilă de diametru constant şi sarcini crescătoare se obţin valori crescânde ale durităţii. De asemenea, folosind o sarcină constantă şi penetratoare cu bile de diametre descrescânde se obţin valori descrescânde ale durităţii. Se poate constata, deci, că valorile durităţii Brinell obţinute cu penetratoare având bile de diametru diferit sau asupra cărora acţionează sarcini diferite nu sunt comparabile între ele. Valori comparabile se obţin numai în condiţiile în care se respectă similitudinea geometrică a urmelor produse. Din figura 2.39, reiese că această similitudine este satisfăcută numai dacă unghiul φ este identic pentru toate urmele Fig.2.39 obţinute la încercarea unui anumit material. Din triunghiul AOB rezultă: D ϕ d sin =, de unde d = Dsin ϕ Această expresie introdusă în relaţia de mai sus conduce la: 2F 1 HB = 2 π D 2 ϕ 1 1 sin 2 Punând condiţia similitudinii (φ = constant) rezultă că, pentru obţinerea unor valori constante a durităţii, la încercarea aceluiaşi material, este necesar ca raportul F/D 2 să fie constant. Acest raport se notează cu k şi este denumit grad de solicitare. Gradul de solicitare se alege dintr-un şir de valori standardizat şi prezentate în tabelul 2.16 în funcţie de natura materialului şi de grosimea probei. Tabelul 2.16 Gradul de solicitare k Materiale pentru care este recomandat 30 Oţel netratat, oţel turnat, fonte 15 Cupru, bronz, alamă trasă, nichel, aliaje uşoare 10 5 Aluminiu, magneziu, alamă turnată 2,5 Aliaje antifricţiune 1 Plumb, staniu, metale moi Pentru ca bila să nu se deformeze în timpul încercării, ceea ce ar conduce la obţinerea unor rezultate eronate, este necesar ca diametrul urmei lăsate de penetrator pe materialul de încercat să se încadreze în limitele impuse de relaţia: 0,25 D < d < 0,60 D 28

29 Pentru evitarea influenţei suportului de sprijin a probei asupra rezultatelor încercării, grosimea a minimă a probelor supuse încercării trebuie să fie de 8 ori adâncimea urmei h. La metoda de determinare a durităţii Brinell, materialul supus încercării suferă deformaţii plastice în zonele de contact şi în vecinătatea acestora. Durata necesară epuizării curgerii materialului şi atingerea urmei de mărime practic constantă este în funcţie de natura şi duritatea materialului încercat. De aceea, în standardele de produs, sunt prevăzute durate de menţinere a sarcinii asupra penetratorului la determinarea durităţilor diferitelor materiale. În absenţa acestor indicaţii, se recomandă folosirea duratelor de menţinere menţionate în tabelul 2.17, în funcţie de duritatea Brinell a materialului. În vederea evitării influenţei reciproce a zonelor durificate din jurul urmelor şi pentru evitarea influenţei marginii probei asupra rezultatelor obţinute se recomandă păstrarea unei distanţe minime b între centrele a două urme alăturate şi a unei distanţe minime c între centrul urmei şi marginea probei (tabelul 2.17). Tabelul 2.17 Duritatea Brinell, Timpul de măsurare a sarcinii b c HB [s] Peste d 3,5d d 4,4d d 5,5d Sub d 5,5d 3. Aparatură şi materiale Pentru efectuarea încercării se utilizează un durimetru (fig.2.40) prevăzut cu un cap mobil ce poartă penetratorul 2 şi obiectivul 1. Obiectivul are rolul de a proiecta, cu ajutorul prismelor sau oglinzii 4, imaginea urmei pe ecranul 3, urma fiind luminată de becul 5 prin obiectivul aparatului. Ecranul este prevăzut cu o scară gradată care permite măsurarea diametrului urmei proiectate pe acesta. Aşezarea greutăţii 7 necesare asigurării forţei de apăsare asupra penetratorului se face prin intermediul butoanelor 6 în dreptul cărora este valoarea reală a încărcării. La aşezarea probei pe masa suport, obiectivul se găseşte deasupra acesteia permiţând analiza suprafeţei şi alegerea locului în care să se facă determinarea astfel încât două urme învecinate să fie la o distanţă suficient de mare între ele. La pornirea aparatului penetratorul ia locul obiectivului şi acţionează asupra materialului sub acţiunea forţei. La terminarea ciclului de penetrare capul mobil împreună cu obiectivul se rabat astfel încât urma se va găsi în axa optică a obiectivului. Pe ecran apare imaginea urmei ce poate fi măsurată. Epruvetele şi piesele supuse încercării trebuie să Fig.2.40 îndeplinească anumite condiţii. Suprafaţa lor trebuie să fie curată, lipsită de porţiuni oxidate, plană şi să fie prelucrată, în aşa fel, încât amprenta să fie vizibilă cu uşurinţă pe ecranul aparatului şi să poată fi măsurată cu precizie. 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Pentru buna desfăşurare a lucrării se parcurg următoarele etape: Se analizează piesa sau materialul de încercat şi se apreciază duritatea acestuia (dacă materialul este tratat termic sau nu). Dacă duritatea probabilă este cuprinsă între HB se va folosi un penetrator din carbură de wolfram, iar dacă este sub 450 HB se poate folosi un penetrator cu bilă din oţel călit; Se pregăteşte suprafaţa pe care se realizează determinarea; 29

30 Se stabilesc condiţiile de lucru. Pentru aceasta, în funcţie de natura materialului se alege gradul de solicitare şi diametrul penetratorului. Pentru materiale moi şi de dimensiuni mari se alege un penetrator cu diametru mare. Cunoscând gradul de solicitare şi diametrul penetratorului, sarcina de încărcare se determină din relaţia: F k = 2 D Se execută încercarea; Se măsoară diametrul urmei lăsate de penetrator, după două direcţii perpendiculare şi se face media măsurătorilor; Se verifică dacă diametrul mediu al urmei este cuprins între 0,250 D şi 0,6 D. Dacă nu se respectă această condiţie se alege un alt penetrator şi se recalculează forţa în condiţiile aceluiaşi grad de solicitare; Se execută cel puţin trei încercări pentru fiecare piesă, iar duritatea finală va fi media durităţilor parţiale obţinute la fiecare dintre aceste măsurători. Duritatea Brinell, până la 100 HB, se indică cu o precizie de 0,1HB, iar pentru durităţi mai mari numai prin cifre întregi. Valoarea durităţii este urmată de simbolul determinării HB (când s-a utilizat bilă din oţel). După acest simbol se înscriu trei indici: primul reprezentând diametrul D al bilei penetrator, al doilea sarcina de încercare, exprimată în dan, iar al treilea timpul de menţinere a sarcinii. Astfel, notraţia 270 HB (HBW)5/750/15 reprezintă valoarea durităţii Brinell determinată cu o bilă de oţel (carbură de wolfram) având diametrul de 5 mm, sarcina de încărcare de 750 dan, cu o durată de menţinere de 15 secunde. Pentru condiţii de determinare cu bila de 10 mm diametru, sarcina de 3000 dan şi un timp de menţinere de 15 secunde, simbolizarea se face numai prin HB (HBW). Valorile durităţii obţinute se trec în tabelul Tabelul 2.18 Nr.crt. Marcă Condiţiile încercării Duritatea, HB material F, D, k [dan] [mm] HB, mediu Valoarea durităţii Brinell poate constitui o bază de determinare a rezistenţei la tracţiune a materialului. Factorii de transformare K 1 pentru calculul rezistenţei de rupere la tracţiune pe baza relaţiei R m = K 1 HB, pentru diferite materiale, sunt trecute în tabelul Tabelul 2.19 Materialul K 1 Materialul K 1 Oţel carbon de construcţii 0,36 Aliaje Al-Mg 0,44 Oţel aliat de construcţii 0,34 Aliaje de Mg 0,4 0,43 Cupru, nuchel, alamă, bronz în stare recoaptă 0,55 Aliaje de Mg-Al 0,40 Cupru, nichel, alamă, bronz în stare ecruisată 0,40 Aluminiu turnat 0,56 Bronz turnat 0,23 Aliaje de zinc turnat 0,09 Bronz laminat 0,22 Fontă cenuşie 1/6(HB-40) Compoziţie pentru lagăre 0,22 Aliaje Al-Cu-Mg (duraluminiu) 0,35 Suduri din oţel 0,30 30

31 Determinarea durităţii Vickers 1. Scopul lucrării Se urmăreşte însuşirea noţiunilor şi a metodologiei necesare determinării durităţii Vickers (STAS 492/1-85), precum şi cunoaşterea aparaturii destinate acestui scop. Pentru formarea deprinderilor practice se vor efectua determinările experimentale de punere în evidenţă a durităţii pe diferite categorii de materiale şi se vor compara rezultatele obţinute. 2. Noţiuni teoretice Metoda de determinare a durităţii Vickers utilizează ca şi penetrator o piramidă de diamant cu baza un pătrat. Deoarece diamantul are cea mai mare duritate dintre toate materialele utilizate în industrie, metoda poate fi aplicată fără limite la determinarea durităţii. Se recomandă, îndeosebi, la determinarea durităţii materialelor ce au duritatea probabilă mai mare de 300 dan/mm 2. La materialele a căror duritate este mai mică decât această valoare se foloseşte metoda Brinell. Metoda Vickers se aseamănă, în principiu, cu metoda Brinell. Ea constă în apăsarea unui penetrator cu o viteză redusă şi cu o anumită forţă predeterminată F pe suprafaţa materialului de încercat. Duritatea Vickers, simbolizată cu HV, se exprimă prin raportul dintre forţa aplicată f şi aria suprafeţei laterale a urmei remanente produse de penetrator. Urma este considerată ca o piramidă dreaptă cu baza pătrată, cu diagonala d, având la vârf acelaşi unghi cu cel al penetratorului. Unghiul la vârf al penetratorului, măsurat între două feţe opuse, este de şi a fost ales de aşa manieră încât să se stabilească o legătură cu duritatea Brinell (fig. 2.41). Duritatea Vickers se determină cu relaţia: HV = F/S Exprimând suprafaţa S a urmei lăsate de penetrator, în funcţie de diagonala d, se obţine relaţia de calcul a durităţii Vickers: Fig.2.41 F 2 d 1, 8544 F HV = = sin d 2 În practică se măsoară lungimea diagonalei cu ajutorul unui microscop de măsurare sau cu un proiector, iar valoarea corespunzătoare a durităţii se citeşte direct din tabelele anexate aparatului. La încercarea Vickers, folosind penetratoare cu unghiuri identice la vârf, se obţin urme geometrice identice oricare ar fi forţa de încercare şi, ca urmare, se poate spune că duritatea este independentă de mărimea sarcinii. Cu toate acestea, din motive practice, anumite standarde au prescris diferite sarcini discrete şi, din acest punct de vedere, au clasificat încercările Vickers în: încercări normale de duritate Vickers, încercări de duritate Vickers cu sarcini mici şi încercări de duritate Vickers cu microsarcini (microduritate Vickers). Mărimea sarcinilor de încercare pentru fiecare dintre aceste variante de determinare a durităţii sunt prezentate în tabelul Tabelul 2.20 Încercarea Sarcina de încercare, [dan] Vickers normală Vickers cu sarcini mici 0, Vickers cu microsarcini 0,005 0,01 0,02 0,1 0,1 0,2 Adâncimea de penetrare a piramidei Vickers în material este de numai 1/7 d. Datorită adâncimii mici de pătrundere a penetratorului în material, metoda poate fi utilizată şi pentru determinarea durităţii pieselor mici, subţiri, a straturilor tratate termic, depuse galvanic etc. În cazul determinării durităţii straturilor subţiri se efectuează mai multe încercări şi se reţin numai rezultatele acelora care sunt apropiate 31

32 ca mărime. Celelalte valori se exclud întrucât ele s-au obţinut prin pătrunderea penetratorului până la miezul piesei, dincolo de stratul tratat termic. La determinarea durităţii Vickers există numeroase surse de erori. Una dintre aceste este influenţa reciprocă a urmelor învecinate. Pentru evitarea acestei influenţe, prin zonele durificate din jurul urmei, se recomandă păstrarea distanţelor b între centrele urmelor învecinate şi a distanţelor c dintre centrul urmelor şi marginea piesei (tabelul 2.21). Tabelul 2.21 Duritatea Vickers, HV Timpul de menţinere a sarcinii, [s] b c Peste ,5d 2,5d ,5d 2,5d ,5d 3,5d Sub ,5d 4,5d Grosimea piesei de încercat sau a stratului trebuie să fie de cel puţin 1,5d, adică de aproximativ 10 ori adâncimea de pătrundere a penetratorului. Aceasta, pentru a evita influenţa suportului de sprijin a piesei asupra durităţii. Principala sursă de erori la această încercare este legată de măsurarea diagonalelor urmei. În vederea reducerii ponderii erorii subiective cauzată de plasarea reperelor în contact cu extremităţile urmei, se recomandă utilizarea sarcinilor cât mai mari la efectuarea încercării. În cazul suprafeţelor curbe, sferice sau cilindrice, concave sau convexe, rezultatele obţinute la determinarea durităţii se corectează. Corecţiile ce se aplică sunt trecute în tabelele standardelor de încercare a durităţii pe suprafeţe curbe. 3. Aparatură şi materiale Încercarea Vickers diferă de încercarea Brinell numai prin forma penetratorului şi mărimea sarcinilor de încercare. De aceea, multe aparate de încercare a durităţii sunt construite pentru a fi utilizate pentru ambele metode. Aparatul prezentat în figura 2.42 este susţinut de o coloană 1, montată pe o placă de bază 2, care cuprinde şi masa aparatului. În funcţie de mărimea piesei de încercat, aparatul poate fi deplasat pe coloană şi fixat prin strângere cu ajutorul toţii de mână 9. Sarcina se realizează cu ajutorul manetei 5. La coborârea acesteia, penetratorul 3 care este sprijinit în partea superioară cu un arc elicoidal se aşează pe suprafaţa piesei de încercat. Continuând coborârea manetei, aceasta va acţiona, prin intermediul unei piese în partea superioară a arcului tratat din interiorul cilindrului, exercitând forţa de încercare care devine nominală în poziţia atingerii conului de protecţie 4. După realizarea urmei, aparatul se roteşte în jurul coloanei astfel încât deasupra urmei să ajungă microscopul de măsurare cu ocularul 6 şi micrometrul ocular 7. Urma este iluminată de becul 8 alimentat printr-un transformator înglobat în aparat. Cursa de rotire este reglată astfel încât urma să ajungă în centrul câmpului vizual al microscopului. Valoarea diviziunii micrometrului ocular este de 1 μm. Pregătirea suprafeţelor pieselor de încercare trebuie să fie făcută cu o deosebită atenţie folosind, în general, tehnica pregătirii probelor metalografice. E va evita ca în timpul pregătirii să apară modificări structurale generate de încălziri şi ecruisări. După prelucrarea suprafeţei, în cazul determinării de microduritate, se poate face şi un tratament cu reactivi pentru evitarea structurii metalografice. Fig

33 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Pentru buna desfăşurare a lucrării se parcurg următoarele etape: Se pregăteşte suprafaţa piesei sau a materialului la o rugozitate care permite determinarea şi măsurarea urmelor în condiţii bune. Aceste urme trebuie să aibă un contur clar şi neafectat de urmele prelucrării; Se stabileşte forţa cu care se va face încercarea. Aparatul frecvent utilizat în laborator lucrează cu două sarcini. O sarcină de 30 dan sau una de 10 dan, când între conul de protecţie şi piuliţele reglabile se introduce o şaibă calibrată; Se execută încercarea. Pentru aceasta se aşează piesa pe masa aparatului, se aduce microscopul deasupra acesteia şi se analizează suprafaţa piesei stabilindu-se locul în care se face determinarea. Se deplasează sistemul de penetrare deasupra piesei prin rotirea consolei în jurul coloanei şi se execută încercarea, după care se revine cu microscopul deasupra urmei; Se măsoară diagonalele urmei cu ajutorul micrometrului ocular. Pentru aceasta se roteşte dispozitivul de măsurare până când axa orizontală a scalei devine paralelă cu una din diagonalele urmei de măsurat (fig a). Cu ajutorul unui şurub se aduce scala gradată cu diviziunea 0 tangentă la unul dintre colţurile urmei (fig b), iar cu un alt şurub micrometric se aduce fanta de culoare închisă tangent la celălalt colţ al diagonalei (fig c). Mărimea diagonalei este egală cu numărul intervalelor întregi dintre diviziunile ce se suprapun peste urmă înmulţite cu 100 (μm) la care se adaugă o valoare în μm citită pe tamburul şurubului micrometric. După aceasta se măsoară, în acelaşi mod, cealaltă diagonală şi se face media valorilor obţinute; Se execută cel puţin trei încercări. Pentru fiecare urmă se determină duritatea, din tabele, iar duritatea finală va fi media durităţilor parţiale obţinute la fiecare dintre aceste măsurători. Duritatea Vickers se indică cu o precizie de 0,1 HV, pentru durităţi sub 100 Fig.2.43 HV, iar pentru durităţi mai mari numai prin cifre întregi. Valoarea durităţii este urmată de simbolul determinării HV urmat de un prim indice reprezentând sarcina de încercare, exprimată în dan, şi de un al doilea indice care exprimă durata de menţinere t a sarcinii de încercare, exprimat în secunde. Notaţia 290 HV 30/15 are următoarea semnificaţi: 290 valoarea unităţii; 30 sarcina de încercare; 15 timpul de menţinere. Valorile durităţii obţinute se trec în tabelul Tabelul 2.22 Nr. Marcă Condiţiile încercării Duritatea, HV crt. material F, [dan] t, [s] HV mediu 33

34 Determinarea durităţii Rockwell 1. Scopul lucrării În cadrul acestei lucrări se urmăreşte însuşirea noţiunilor şi a metodologiei necesare determinării durităţii Rockwell, precum şi cunoaşterea aparaturii destinate acestui scop (STAS ). Pentru formarea deprinderilor practice se vor efectua determinări experimentale de punere în evidenţă a durităţii pe diferite categorii de materiale şi se vor compara rezultatele obţinute. 2. Noţiuni teoretice Prin metoda Rockwell s-a urmărit, pe de o parte, să se simplifice metodologia de determinare a durităţii materialelor şi să se reducă timpul necesar efectuării încercării şi, pe de altă parte, să ofere posibilitatea aplicării ei pentru toate categoriile de materiale, indiferent de duritatea probabilă pe care o au. În cazul metodei Rockwell nu se recurge la calculul durităţii prin raportul dintre forţa aplicată asupra penetratorului şi aria urmei produse de acesta în material, ci pe baza evaluării adâncimii urmei remanente de pătrundere, măsurată faţă de un plan de referinţă ales convenţional. Metoda constă în imprimarea, într-un material, a unui penetrator de formă dată sub acţiunea unei sarcini. Procesul se desfăşoară în două etape. În prima etapă se aplică asupra penetratorului o sarcină iniţială F 0, după care dispozitivul de măsurare a adâncimii de penetrare se aduce la zero. În a doua etapă se aplică suprasarcina F 1. După epuizarea curgerii materialului, vizibilă la dispozitivul de măsurare a adâncimii de pătrundere a penetratorului, manifestată prin oprirea practic completă a mişcării acului indicator, se îndepărtează suprasarcina F 1 şi se citeşte direct adâncimea remanentă de pătrundere a penetratorului în material (fig. 2.44). Fig.2.44 În practică, durata de menţinere a sarcinii totale de încercare F = F 0 + F 1 este recomandată a fi de 15, 30 sau 60 secunde, în funcţie de material. Aceasta pentru a se asigura o epuizare practic completă a deformaţiilor locale sub presiunea de contact a penetratorului. Unitatea de duritate Rokwell corespunde unei adâncimi de pătrundere de 0,002 mm pentru metodele obişnuite de determinare a durităţii. Deoarece duritatea variază invers proporţional cu adâncimea de pătrundere a penetratorului şi pentru ca durităţilor crescânde să le corespundă valori crescânde, duritatea Rockwell se defineşte ca diferenţa dintre o valoare convenţională E şi valoarea adâncimii de penetrare. Valoarea convenţională E este în funcţie de scara utilizată şi poate fi de 100 (fig a) sau de 130 (fig.2.44 b). Această diferenţă se realizează, practic, prin folosirea ca reper zero a gradaţiei 100 sau 130 şi mişcarea inversă a indicatorului faţă de scara gradată. Duritatea Rockwell se determină deci prin relaţia: HR = E-e, 34

35 în care: e este valoarea adâncimii remanente de pătrundere, exprimată în unităţi Rockwell. O unitate Rockwell este egală cu 2 μm. În funcţie de duritatea probabilă a materialului se alege tipul penetratorului. Pentru oţeluri călite, oţeluri speciale, benzi subţiri din oţel călit, metale dure, se utilizează ca penetrator un con de diamant cu unghiul la vârf de 120 ± 0,5 0 şi o rotunjire la vârf de 0,2 ± 0,002 mm. Pentru oţeluri carbon obişnuite, table, bronzuri, alame speciale, se alege ca penetrator o bilă din oţel călit cu diametrul de 1/16, adică D = 1,588 ± 0,004 mm. Duritatea acestei bile trebuie să fie aproximativ 850 HV 10 pentru a nu se deforma inadmisibil în cursul încercărilor. Caracteristicile diferitelor scări de determinare a durităţii Rockwell sunt prezentate în tabelul E Utilizare Tabelul 2.23 Simbol Penetrator Sarcina, [dan] F 0 F 1 HRA 60 Metale dure, straturi dure şi HRC Con de diamant subţiri, oţeluri călite, HRD 100 îmbunătăţite. HRB Metale neferoase, oţeluri HRF Bilă de oţel netratate, fonte, aliaje de HRG 60 cupru. La alegerea scării de determinare a durităţii se are în vedere că, în principiu, se caută folosirea sarcinilor mari şi a penetratoarelor care asigură o pătrundere mai adâncă în material pentru reducerea ponderii erorilor de măsurare. Se ţine totuşi seama de natura pieselor de încercat şi de limitele adâncimii de pătrundere corespunzătoare scărilor respective. Grosimea pieselor trebuie să fie de cel puţin 10e, adică de cel puţin zece ori adâncimea de pătrundere a penetratorului. Adâncimea de penetrare se calculează din duritatea Rockwell cu relaţiile: e = (100 HR) 0,002, pentru scările cu E = 100; e = (130 HR) 0,002, pentru scările cu E = 130. Pentru evitarea influenţei reciproce a urmelor efectuate cu con de diamant se păstrează o distanţă de cel puţin 3 mm între urmele învecinate sau între acestea şi marginea piesei. La urmele aplicate cu penetrator bilă, distanţa dintre centrele urmelor învecinate trebuie să fie de cel puţin trei ori diametrul urmei. La determinarea durităţii pieselor cilindrice sau sferice cu diametrul mai mic de 25 mm se aplică corecţiile din standardul de încercare a durităţii Rockwell pe suprafeţe curbe (STAS ). 3. Aparatură şi materiale Fig.2.45 Aparatele de a durităţii Rockwell se deosebesc de aparatele Brinell şi Vickers, atât prin faptul că încercarea se desfăşoară în două trepte, sarcina iniţială şi sarcina finală, cât şi prin faptul că dispozitivul de măsurare face parte integrantă din aparat. Aparatul de măsurare a durităţii Rockwell, prezentat în figura 2.45, se compune din carcasa 1 care conţine mecanismul de încărcare, format la rândul lui, din pârghia de încărcare 11, greutăţile 2, amortizorul 3 şi arcul 10 pentru realizarea sarcinii iniţiale F 0. Această sarcină este identică pentru toate scările de măsurare a durităţii Rockwell. Pârghia de încărcare acţionează asupra penetratorului 8 ghidat de carcasa 7. Adâncimea de penetrare este măsurată de comparatorul 9. Piesa de încercat se aşează pe masa 6, care se poate regla în înălţime prin roata de mână 4, ce acţionează asupra tijei filetate 5. Pentru determinarea durităţii, piesa se aşează pe 35

36 masa 6 şi se ridică, împreună cu aceasta, până la atingerea penetratorului, care, la rândul său, ridică pârghia 11 şi deformează arcul 10 (comprimă), până la realizarea sarcinii iniţiale. Săgeata arcului ce corespunde sarcinii iniţiale este măsurată cu comparatorul cu cadran 9 şi se obţine în momentul în care acul indicator mic atinge punctul roşu de pe cadranul aparatului, iar acul indicator mare ajunge la valoarea zero de pe scara neagră. Încercarea de duritate Rockwell se execută pe suprafeţe care nu trebuie să fie prelucrate în mod deosebit. Este suficient ca suprafaţa să fie plană, neunsă, lipsită de oxizi şi impurităţi. O condiţie esenţială impusă de această metodă de încercare este imobilitatea piesei în timpul încercării. Această imobilitate se asigură prin aşezarea corectă a piesei pe un suport corespunzător formei sale. 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Pentru buna desfăşurare a lucrării, se parcurg următoarele etape: Se alege metoda de determinare a durităţii în funcţie de materialul piesei, de caracteristicile geometrice şi dimensionale ale acesteia. Se alege suprafaţa care pe care se fac determinările şi se curăţă de impurităţi; Se stabilesc condiţiile de lucru. Aceasta înseamnă că în funcţie de metoda de determinare aleasă se stabileşte forţa totală necesară determinării, tipul penetratorului şi scara pe care se va face citirea durităţii. Se pregăteşte aparatul prin montează greutăţilor corespunzătoare forţei de încercare şi se fixează penetratorul la locul său; Încercarea propriu-zisă constă în fixarea piesei pe masa aparatului, aplicarea sarcinii iniţiale de 10 dan care corespunde aparatului în care acul indicator mic ajunge la punctul roşu şi cel mare la valoarea zero de pe scara neagră, după care se aplică suprasarcina F 1 specifică scării alese. Acţiunea forţei asupra penetratorului are loc lent, continuu şi fără şocuri datorită unui amortizor montat pe aparat. După oprirea acului indicator mare, se menţine penetratorul sub sarcină încă secunde. Se îndepărtează suprasarcina F 1 şi se citeşte direct valoarea durităţii pe scara roşie (130 de unităţi) sau pe cea neagră (100 de unităţi) după caz; Se execută cel puţin trei încercări şi se stabileşte pentru fiecare urmă duritatea corespunzătoare. Duritatea finală este media durităţilor parţiale obţinute la fiecare dintre aceste măsurători. Duritatea Rockwell se indică cu o precizie de 0,5HR. Pentru indicarea durităţii se foloseşte simbolul HR urmat de o literă corespunzătoare încercării respective. De exemplu 85 HRB corespunde unei durităţi de 85 unităţi Rockwell măsurate pe scara B, iar 56 HRC corespunde unei durităţi de 56 unităţi Rockwell măsurate pe scara C. Valorile durităţilor obţinute se trec în tabelul Tabelul 2.24 Nr. crt Marcă material Metoda aplicată Duritatea, HRB Penetrator E F HRB mediu 36

37 Determinarea durităţii cu ciocanul Poldi 1. Scopul încercării În cadrul acestei lucrări se urmăreşte însuşirea noţiunilor şi a metodologiei necesare determinării durităţii informative cu ajutorul ciocanului Poldi, precum şi cunoaşterea dispozitivului destinat acestui scop. Pentru formarea deprinderilor practice se vor efectua determinări experimentale de punere în evidenţă a durităţii pe diferite categorii de materiale şi se vor compara rezultatele. 2. Noţiuni teoretice Metoda de determinare a durităţii cu ciocanul Poldi, deşi dă valori aproximative ale durităţii materialelor, este foarte des folosită datorită rapidităţii de execuţie şi pentru că permite determinarea durităţii pieselor de gabarit mare şi a celor aflate în locuri inaccesibile celorlalte aparte de determinare a durităţii. Metoda Poldi este o metodă dinamică, deoarece viteza de aplicare a forţelor prin lovire cu ciocanul este mare. Aparatele destinate încercărilor dinamice sunt uşoare, portabile, robuste şi permit o manipulare uşoară. Folosirea acestora este îngrădită de precizia mai redusă a rezultatelor obţinute. La ciocanul Poldi se foloseşte principiul metodei Brinell cu deosebirea că amprenta nu se realizează în urma aplicării unei sarcini statice, ci prin acţionarea unei sarcini dinamice. Bila de oţel cu diametrul de 10 mm imprimă concomitent două urme: una pe piesa de încercat şi alta pe o piesă etalon, care are o duritate HB e cunoscută. Comparând suprafaţa amprentei de pe piesa de încercat cu suprafaţa amprentei de pe bara etalon se determină duritatea HB a piesei. Duritatea celor două materiale (a barei etalon şi a piesei de încercat) se poate determina cu una din următoarele relaţii: HB = HB e π D D 2 2 ( D d ) 37 2F 2F = π D D D în care: D este diametrul bilei (10 mm); d diametrul urmei lăsate pe piesa de încercat; d e diametrul urmei lăsate de bilă pe piesa etalon. Făcând raportul celor două relaţii se obţine: 2 2 HBe D D d = HB 2 2 D D d e rezultă că: d HB HBe. d e Deci duritatea piesei de încercat HB se poate determina pe baza ultimei relaţii cunoscând duritatea barei etalon şi măsurând diametrele urmelor lăsate de bilă pe cele două materiale (bara etalon şi materialul de încercat). Pentru simplificare, fiecare aparat este însoţit de o tabelă proprie, în care sunt date valorile durităţii piesei de încercat în funcţie de diametrul urmelor lăsate de penetrator. În cazul în care se foloseşte o bară etalon cu duritate diferită de cea pentru care a fost construit tabelul (201 HB) valorile luate din tabel vor fi corectate cu ajutorul unui coeficient de corecţie K determinat cu relaţia: HBe k = HB tabel 2 d 2 2 e d d e ; 2 ;,

38 în care: HB e este duritatea barei etalon folosite; HB tabel duritatea barei etalon pentru care a fost construit tabelul. Ca urmare, duritatea reală a materialului încercat HB este produsul durităţii citit în tabel, în raport cu diametrul urmelor lăsate de penetrator pe cele două materiale, şi coeficientul de corecţie K. Se poate spune că această metodă de determinare a durităţii este: o metodă dinamică, pentru că forţa se aplică cu mare viteză prin lovire cu ciocanul; o metodă comparativă, pentru că duritatea se determină în raport cu o bară etalon; o metodă informativă, deoarece rezultatele obţinute nu sunt de mare precizie ci oferă doar informaţii asupra durităţii materialului încercat. 3. Aparate şi materiale Ciocanul Poldi (fig. 2.46) este un aparat format dintr-un corp a în care se află montată piesa b de fixare a bilei. Bila e este din oţel călit având diametrul de 10 mm, este aşezată în piesa b fiind reţinută de un arc. În interiorul corpului se găseşte percutorul f şi arcul spiral c. Între bilă şi percutorul f se introduce bara etalon d care va fi apăsat şi fixată cu ajutorul arcului spiral c prin intermediul percutorului f. Aparatul de măsură a diametrelor amprentelor este o lupă montată într-un corp care are la partea inferioară o scală gradată în zecimi de milimetru. Epruvetele şi piesele de încercat trebuie să îndeplinească condiţiile pentru piesele şi epruvetele destinate încercării de duritate după metoda Brinell. 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Fig.2.46 Pentru buna desfăşurare a lucrării se parcurg următoarele etape: Se examinează aspectul exterior al piesei destinate măsurării durităţii şi se pregăteşte în acest scop prin curăţire şi ajustare Se introduce bara etalon în locaşul dintre bilă şi percutor Aparatul se aşează cu bila perpendicular pe suprafaţa pregătită a materialului de încercat Se aplică, cu un ciocan da mână ce are o greutate de aproximativ 300 g, o lovitură asupra percutorului, în aşa fel încât să se obţină o urmă pe piesa de încercat de aproximativ 4, 2mm. Această valoare este rezultatul mediei aritmetice dintre 0,25 D şi 0,6 D din condiţia impusă durităţii Brinell. Lovitura trebuie să fie scurtă şi bine dirijată pentru a evita apariţia loviturilor duble care pot deturna rezultatele Se măsoară, cu ajutorul lupei, diametrul cercurilor de bază a urmelor lăsate de bilă pe piesa de încercat şi pe bara etalon. Fiecare urmă va fi măsurată după două diametre perpendiculare după care se face media acestor două valori. Rezultatele obţinute se trec în tabelul Tabelul 2.25 Nr. crt Marcă material d e [mm] d, [mm] HB tabel HB Notarea durităţii se face prin valoarea acesteia ca medie aritmetică a cel puţin 3 determinări, urmată de simbolul HB şi completată, în paranteză, cu denumirea metodei folosite, ciocan Poldi. De exemplu, 250 HB (ciocan Poldi) înseamnă că duritatea materialului este de 250 unităţi Brinell măsurată cu ciocanul Poldi. 38

39 Determinarea durităţii materialelor plastice 1. Scopul lucrării Lucrarea îţi propune cunoaşterea metodologiei de determinare a durităţii materialelor plastice şi punerea în evidenţă a acesteia pe cale experimentală. Pentru efectuarea determinărilor experimentale se vor folosi materiale plastice pe bază de cauciuc. 2. Noţiuni teoretice Determinarea durităţii materialelor plastice se face, fie prin penetraţie (metoda SHORE, SR ISO scările A şi D), fie prin creşterea sensibilă a adâncimii de pătrundere sub acţiunea unei sarcini (metoda Rockwell). Metoda SHORE A şi D se referă la determinarea durităţii prin penetraţie a materialelor plastice cu ajutorul durimetrului SHORE, conform SR ISO Pentru materialele plastice moi se utilizează durimetrul SHORE tip A, iar pentru materialele plastice rigide, durimetrul SHORE tip D. Această metodă permite, fie măsurarea penetraţiei iniţiale, fie măsurarea penetraţiei după o perioadă de timp stabilită. Penetraţia se exprimă în unităţi gravitaţionale, specifice acestor aparate, numite grade SHORE A, respectiv grade SHORE D. Datorită faptului că metoda este empirică nu se poate stabili o relaţie simplă între duritatea prin penetraţie şi proprietăţile fundamentale ale materialului. Metoda de determinare a durităţii SHORE A se bazează pe măsurarea penetraţiei în materialul plastic a unui vârf de pătrundere ce are forma unui trunchi de con sub acţiunea unei forţe determinate de un arc. Încercarea se desfăşoară în condiţii determinate. Aparatul din dotarea laboratorului serveşte la determinarea durităţii cauciucului sau a unor materiale pe bază de cauciuc. Duritatea prin penetraţie variază invers proporţional cu adâncimea de pătrundere şi este în legătură cu modulul de elasticitate şi cu proprietăţile vâscoelastice ale materialului. Deoarece forma vârfului de pătrundere şi mărimea forţei aplicate influenţează rezultatele experimentale nu se poate stabili o anumită relaţie între rezultatele obţinute cu un alt ip de durimetru sau cu alte aparate de măsurare a durităţii. 3. Aparatură şi materiale Aparatul destinat determinării durităţii SHORE A (fig. 2,47) este format din: 1- aparatul de măsurare propriu-zis; 2- stativul aparatului împreună cu masa suport; 3- instrumentele de verificare ale aparatului. Aparatul de măsură propriu-zis este format dintr-o carcasă metalică uşoară în care este instalat mecanismul de măsurare. Asupra corpului de pătrundere 4, care se găseşte în partea de jos a mecanismului şi care iese afară din carcasă, acţionează forţa unui arc. Adâncimea la care intră corpul de pătrundere în material şi care este în strictă legătură cu forţa de acţionare a arcului este arătată pe cadranul 5 al aparatului de către un ac indicator. Scara gradată cuprinde un domeniu de variaţie a durităţii de la 30 până la 100 SHORE A, cu valoarea unei diviziuni de o unitate SHORE. Domeniul de măsurare cuprins SHORE A a fost suprimat în favoarea domeniului superior deoarece materialele plastice care au duritatea cuprinsă în domeniul mic sunt foarte puţine. Deoarece rezultatul măsurării poate fi influenţat de mărimea forţei de presare, s-a stabilit ca for-a de apăsare să fie de 1kp = 1kgf. Respectarea acestei condiţii este uşurată de faptul că aparatul se poate fixa pe stativul 2 ce nu permite aplicarea altei mărimi a forţei. Aparatul de măsură propriu-zis este fixat cu două Fig.2.47 ştifturi cilindrice despicate pe un paralelogram cu arc. Acest 39

40 paralelogram este reglabil pe înălţime, prin deplasarea lui pe o coloană 6, permiţând poziţionarea corpului de pătrundere în raport cu materialul de încercat. Stativul 2 serveşte la sprijinirea sau montarea aparatului şi are o masă de lucru 8 cu diametrul de 100 mm pe care se aşează materialul supus încercării. Cu ajutorul acesteia şi prin intermediul unui buton 7 materialul se apasă pe corpul de pătrundere a aparatului de măsurare. În timpul funcţionării, masa de lucru se ridică cu ajutorul butonului până când materialul plastic apasă asupra aparatului încât dezvoltă o forţă de 1 kp. Pentru determinarea durităţii prin penetraţie se utilizează probe în formă de placă având grosimea de minim 6 mm. Dacă materialele în formă de foi au grosimea mai mică decât cea indicată se pot utiliza probe obţinute prin suprapunerea unui număr suficient de mare de straturi de aceeaşi natură până la atingerea grosimii minime stabilite. Rezultatele obţinute pe probele realizate prin suprapunerea straturilor nu pot fi comparate cu cele determinate pe probele dintr-un singur strat, întrucât este posibil ca suprafeţele dintre straturi să nu realizeze un contact perfect. Dimensiunile probelor trebuie să permită efectuarea măsurătorilor la o distanţă minimă de 12 mm de margine şi de 6 mm între punctele învecinate în care s-au efectuat măsurători. Suprafeţele probelor trebuie să fie plane, paralele, netede, fără fisuri, fără incluziuni şi bule de gaze, fără corpuri străine sau alte defecte. 4. Desfăşurarea lucrării Determinarea durităţii maselor plastice prin metoda SHORE A se face în două moduri: I cu aparatul montat pe stativ; II fără aparatul montat pe stativ. În cazul în care aparatul este montat pe stativ, acesta se reglează prin deplasarea lui în sus şi în jos pe coloana de susţinere, până când între corpul de pătrundere şi proba aşezată pe măsuţa suport apare o distanţă de aproximativ 1 mm. După aceea, proba se apasă asupra penetratorului (corpului de pătrundere) prin acţionarea butonului de ridicare a mesei 7. Această apăsare se face lent şi fără şocuri, iar citirea durităţii se face direct pe cadranul aparatului imediat după ce proba a atins suprafaţa de aşezare a aparatului de măsurare. La materialele care au proprietăţi de curgere vâscoasă cunoscute, duritatea se poate citi şi după o presare mai îndelungată, de exemplu după 3 sau 15 secunde. În această situaţie în buletinul de analiză se menţionează timpul de menţinere sub sarcină. Când aparatul se foloseşte fără stativ proba se aşează pe un suport neted. După aceea, aparatul se aşează pe muchia rotunjită din partea dreaptă pe suprafaţa probei de încercat şi se apasă prin rotirea lui în jurul acestei muchii până ce suprafaţa de aşezare a aparatului atinge toată suprafaţa piesei de încercat. Presiunea exercitată asupra piesei supuse determinării trebuie să fie aproximativ 1 kgf. Se execută cel puţin cinci determinări succesive, iar rezultatul se exprimă şi medie aritmetică a celor cinci determinări. Pentru a realiza o mai bună reproductibilitate a rezultatelor se recomandă utilizarea aparatului cu stativ deoarece asigură o apăsarea mai apropiată de 1kgf. Rezultatele experimentale obţinute se înscriu în tabelul Tabelul 2.26 Duroflex Dorocol Microporos Levicel Cauciuc natural Materialul Duritatea SHORE A 5. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor În buletinul de analiză se vor trece toate rezultatele experimentale obţinute dar şi condiţiile în care s-au făcut determinările. El cuprinde următoarele: Metoda utilizată şi SR ISO ; Date privind identificarea completă a materialului plastic; 40

41 Descrierea probei, dimensiunile ei inclusiv grosimea, iar în cazul epruvetelor formate prin suprapunerea mai multor straturi se va menţiona numărul acestora; Temperatura la care are loc determinarea, umiditatea relativă, dacă duritatea materialului este influenţată de această umiditate; Tipul durimetrului ; Duritatea şi intervalul de timp după care s-a făcut citirea. Valorile individuale sau medii se vor rotunji în sus sau în jos până la obţinerea unor valori întregi. Modul de notare a durităţii materialelor plastice se face astfel: metoda de determinare, valoarea durităţii şi timpul după care s-a făcut citirea. Spre exemplu, SHORE A/45/15 are următoarea semnificaţie: A - tipul durimetrului; 45 duritatea; 15 timpul, exprimat în secunde, după care s- făcut citirea. În buletinul de analiză se mai notează: Timpul de la pregătirea probelor şi până la efectuarea determinării; Data în care s-au făcut determinările. 41

42 3. DETERMINAREA PROPRIETĂŢILOR TEHNOLOCICE ALE MATERIALELOR METALICE Proprietăţile tehnologice ale materialelor metalice exprimă capacitatea acestora de a fi prelucrate prin diferite procedee tehnologice. De aceea, între proprietatea tehnologică şi procesul de prelucrare există î strânsă legătură. Denumirea proprietăţii tehnologice, de cele mai multe ori, derivă din denumirea procedeului tehnologic de prelucrare. Astfel, se întâlnesc proprietăţi tehnologice cum sunt: turnabilitatea, sudabilitatea, aşchiabilitatea etc. Spre deosebire de proprietăţile mecanice care pot fi exprimate cantitativ, prin intermediul unor valori concrete, proprietăţile tehnologice sunt evaluate calitativ, prin acordarea unor calificative. De aceea, spre exemplu, sudabilitatea poate foarte bună, bună sau nesatisfăcătoare. La acordarea acestor calificative se iau în considerare anumite criterii de apreciere stabilita sau impuse de standardele de produs. 42

43 3.1. Încercarea la îndoire 1. Scopul lucrării Se urmăreşte determinarea capacităţii de deformare prin îndoire a materialelor metalice (SR ISO ), verificarea calităţii produselor precum şi evidenţierea defectelor de suprafaţă a semifabricatelor cu secţiune dreptunghiulară, rotundă sau poligonală, având diametrul sau grosimea 4 mm. 2. Noţiuni teoretice Încercarea constă în deformarea plastică prin îndoire lentă, continuă şi fără şocuri a unei epruvete rectilinii, în jurul unei piese denumită mandrin sau dorn până la un unghi α format între faţa unei ramuri a epruvetei îndoite şi prelungirea feţei celeilalte ramuri (fig.3.1) fie până la apariţia unei fisuri cu luciu metalic de minim 3 mm. Îndoirea se execută într-un plan perpendicular pe axa mandrinului sau dornului, până în momentul Fig.3.1 în care una din părţile epruvetei formează cu prelungirea celeilalte unghiul α determinat sau prevăzut în standardul de produs. Se deosebesc următoarele tipuri de încercări: Îndoirea liberă pe dispozitive cu role până la diferite unghiuri mai mici de (fig.3.1); îndoirea în matriţă profilată la unghiuri stabilite de profilul matriţei (fig.3.2), (valoarea unghiului de este exemplificativă); îndoirea completă la cu sau fără distanţe între feţele interioare ale ramurilor epruvetei îndoite (fig.3.3); îndoirea în menghină cu sprijinul unui dorn. Fig

44 Fig.3.3 Simbolurile şi termenii utilizaţi în lucrare şi reprezentaţi în figurile 3.1, 3.2 şi 3.3 sunt prezentaţi în tab.3.1 Tabelul 3.1 Ne.crt. Termen Simbol Unitate de măsură 1 Razele rolelor de sprijin R mm 2 Distanţa dintre rolele de sprijin l mm 3 Diametrul mandrinului (dornului) D mm 4 Grosimea sau diametrul epruvetei a mm 5 Lăţimea epruvetei b mm 6 Lungimea epruvetei L mm 7 Unghiul de îndoire α grade 3. Desfăşurarea lucrării şi interpretarea rezultatelor Încercarea se poate executa în menghină, pe un dispozitiv montat la o maşină de încercat universală sau la o presă care permite aplicarea lentă şi progresivă a unei sarcini, de aşa manieră încât să se realizeze o deformare plastică continuă a epruvetei. Dispozitivul de încercat prezentat în figura 3,1 este compus din două role de sprijin ale căror axe sunt paralele, iar matriţa profilată este prevăzută cu o degajare în formă de U sau V (fig.3.2). La aceasta se adaugă un mandrin sau un dorn, caracterizat printr-un anumit profil, amplasat la mijlocul distanţei dintre role sau suprapus peste axa de simetrie a profilului matriţei. Epruvetele supuse încercării la îndoire pot avea secţiunea circulară sau poligonală (plată). Cele plate vor avea secţiunea dreptunghiulară, iar muchiile vor fi paralele şi rotunjite. Lăţimea epruvetei plate,,b este de 25±5 mm iar lungimea,,l de 200 mm. La tablele subţiri, grosimea epruvetei este cea a produsului. Încercarea se desfăşoară cu ajutorul mandrinului sau a dornului. Ea constă în îndoirea continuă, fără şocuri şi cu o viteză de 0,8..1 m/s a unei epruvete aşezate perpendicular pe axa rolelor sau în matriţa profilată, până la atingerea unui unghi de între o ramură a epruvetei îndoite în prelungirea celeilalte. Îndoirea la se desfăşoară în două etape. În prima etapă îndoirea se realizează până la un unghi de între o ramură a epruvetei şi prelungirea celeilalte, iar în a doua etapă, se apasă capetele acesteia până ce ele se suprapun şi ajung paralele (fig.3.3). Când îndoirea se face la 180 0, cu distanţă între feţele interioare ale ramurilor probei îndoite, atunci între acestea se introduce o piesă (cală) având feţele paralele şi grosimea egală cu cea prescrisă (fig.3. 3b). La întocmirea unui buletin de analiză a materialului supus îndoirii se precizează următoarele: forma şi dimensiunea epruvetei; diametrul mandrinului sau a dornului; unghiul la care a apărut prima fisură sau dacă nu apar, se specifică, fără fisuri; distanţa dintre feţele interioare, dacă încercarea a avut loc la ; eventualele defecte identificate Încercarea la dublă îndoire a tablelor subţiri şi a benzilor 44

45 1. Scopul lucrării Se urmăreşte determinarea capacităţii de deformare prin dubla îndoire a tablelor subţiri şi a benzilor laminate la rece (STAS ). Aceste table pot fi din materiale feroase şi neferoase, având grosimi de până la 3 mm. 2. Noţiuni teoretice Încercarea la dublă îndoire presupune efectuarea a două îndoiri ale epruvetei după direcţii perpendiculare între ele, fiecare realizându-se la un unghi de Pentru efectuarea lucrării se utilizează epruvete din tablă cu latura de aproximativ 200 mm, iar în cazul încercării benzilor se utilizează epruvete de formă pătrată cu latura de 150 mm. Grosimea epruvetei este egală cu grosimea materialului de încercat. Probele vor fi obţinute prin decuparea lor dintr-o zonă situată la cel puţin 50 mm de marginea tablei sau a benzii ce urmează a fi caracterizată. Bavurile rezultate în urma decupării vor fi îndepărtate prin pilire. 3. Desfăşurarea lucrării şi interpretarea rezultatelor Încercarea se desfăşoară în două etape. În prima etapă epruveta se îndoaie, până la un unghi de aproximativ 100 0, în jurul unu dorn cu diametrul de 10 mm (fig.3.4 a) aşezat perpendicular pe direcţia de laminare, folosind un ciocan de lemn sau plumb. După aceasta, dornul se îndepărtează iar îndoirea se continuă până la şi suprapunerea celor două jumătăţi ale epruvetei (fig. 3.4 b), cu ajutorul unui ciocan sau a unei prese. În a doua etapă, procesul de îndoire a epruvetei se desfăşoară în acelaşi mod ca şi în prima etapă (fig.3.5 a şi b), numai că noua muchie de îndoire va fi perpendiculară pe prima. Se consideră că materialul are capacitatea bună de deformare prin dublă îndoire, dacă epruvetele supuse procesului nu prezintă fisuri vizibile cu ochiul liber, pe muchia de îndoire şi în special în colţul celei de-a doua îndoiri. Buletinul de analiză ce caracterizează comportarea tablelor la dublă îndoire cuprinde următoarele : materialul încercat; rezultatul încercării; eventualele defecte identificate. Fig

46 Fig

47 3.3. Încercarea la ambutisare a tablelor sau a benzilor după metoda Erichsen 1. Scopul lucrării Încercarea serveşte la stabilirea capacităţii de deformare prin ambutisare (deformare în matriţă) a tablelor şi a benzilor metalice din oţel, metale neferoase sau aliajele acestora, având grosimi de 0,5-2 mm şi lăţimi mai mari de 90 mm (STAS ). În prezent produsele din table subţiri folosite în industria automobilelor, aerospaţială, electronică etc., sunt realizate prin ambutisare. 2. Noţiuni teoretice Ambutisarea este procesul de deformare plastică, la rece sau la cald, prin care semifabricatul de formă plată se transformă în produse cave, cu sau fără modificarea intenţionată a grosimii pereţilor. Schema de principiu a ambutisării este prezentată în figura 3.6. Un element I de material, situat spre marginea exterioară a semifabricatului plat, la începutul operaţiei de ambutisare se scurtează în sens transversal datorită tensiunilor de compresiune 1 şi se lungeşte pe direcţia radială datorită tensiunilor de întindere σ 2. Odată cu înaintarea poansonului, elementul se deplasează din poziţia I în poziţia II şi apoi spre muchia matriţei de ambutisare. În acest timp, tensiunile de compresiune σ 1 scad, iar tensiunile de întindere σ 2 cresc, dând naştere la deformări mari de alungire după direcţia radială. În momentul trecerii peste muchia matriţei M, în poziţia III, elementul de material este supus, în plus, la o deformaţie de încovoiere, iar în poziţia IV solicitarea principală este de întindere axială. Datorită alungirii materialului în direcţia axială, lungimea pe contur a piesei ambutisate,,l rezultă mai mare decât raza semifabricatului,,r (fig.3.7). Încercarea la ambutisare constă în deformarea cu ajutorul unui poanson cu cap sferic a unei epruvete strânse într-o matriţă (fig.3.8), până la apariţia unei fisuri pătrunse, în vederea determinării deformaţiilor suferite şi a adâncimii maxime de ambutisare a materialului. Adâncimea de ambutisare, exprimată în mm, constituie indicele Erichsen şi se notează cu I E. Fig.3.7 Fig Desfăşurarea lucrării şi interpretarea rezultatelor Pentru efectuarea în bune condiţii a lucrării, se debitează 3 epruvete de formă pătrată sau circulară cu latura, respectiv diametrul de 90 mm şi de grosime egală cu grosimea semifabricatului de încercat. Cu ajutorul unui şablon se trasează pe suprafaţa probei un caroiaj format din cercuri, asemenea celor din figura

48 Aparatul destinat ambutisării tablelor prin metoda Erichsen (fig.3.10) se compune dintr-o roată de mână 1, un ax filetat 2, un inel de strângere 3, batiul 4, penetratorul sferic 5, un rulment cu bile 6, fixatorul 7, epruveta 8, matriţa 9, oglinda 10 şi tamburul gradat 11. Epruveta 8 se aşează în matriţa 9 pe suprafaţa pe care au fost trasate cercurile şi cu dispunerea caroiajului înspre oglindă, apoi se fixează cu ajutorul inelului de strângere 3. După prinderea epruvetei, operaţia de ambutisare începe prin rotirea roţii de mână 1 în sensul acelor de ceasornic, lent, continuu şi fără şocuri, cu o viteză de aproximativ m/min. Spre sfârşitul încercării se va reduce viteza de Fig.3.8 ambutisare către limita inferioară, pentru a putea observa cu precizie, momentul apariţiei fisurii. În momentul fisurării epruvetei se constată, de regulă, o scădere bruscă a forţei de presare şi se poate auzi un sunet metalic ascuţit. Încercarea se consideră terminată în momentul formării unei fisuri pătrunse, pe o lungime de aproximativ 5 mm. După ambutisare, epruveta se scoate din dispozitiv şi se măsoară dimensiunile finale ale cercurilor care formează caroiajul şi adâncimea de pătrundere a poansonului. Pe baza acestor măsurători se pot trage concluzii asupra deformabilităţii materialului supus procesului de ambutisare şi a indicelui Erichsen, I E. Rezultatele măsurătorilor se trec în tabelul 3.2. În tabelul 3.3 se dau câteva valori orientative ale capacităţii de ambutisare pentru diferite materiale. Fig.3.9 Fig

49 Tabelul 3.2 Marcă material Grosimea tablei [mm] Diamterul iniţial al caroiajului, D i, [mm] Diametrul final al caroiajului, D f, [mm] I E [mm] Se stabileşte zona de solicitare maximă prin compararea dimensiunilor iniţiale şi finale ale cercurilor ce formează caroiajul. Acolo unde dimensiunea cercurilor creşte, în material există tensiuni de întindere, iar acolo unde dimensiunea acestora este mai mică decât cea iniţială, apar tensiuni de compresiune- Tabelul 3.3 Material Indicele Erichsen I E pentru grosimea tablei de 1 mm Oţel carbon de calitate pentru 9,0-10,5 ambutisare Cupru 8,5-9,5 Aluminiu 8,5 Alamă 8,5-12 Cu ajutorul datelor care rezultă din măsurarea grosimii pereţilor epruvetei ambutisate, se poate trasa histograma de variaţie a abaterii faţă de grosimea iniţială a epruvetei. În buletinul de analiză se menţionează: felul şi marca materialului; numărul epruvetelor; grosimea epruvetelor; indicaţii de ambutisare pentru fiecare epruvetă. 49

50 3.4. Încercările tehnologice ale ţevilor 1. Scopul lucrării Determinarea capacităţii de deformare plastică şi verificarea calităţii ţevilor în condiţii specifice unor operaţii tehnologice. Ţevile sunt supuse, în general, următoarelor încercări: încercarea la îndoire, încercarea la aplatizare, încercarea la răsfrângere, încercarea la lărgire etc. A. Încercarea la îndoire 1. Domenii de aplicare Această încercare tehnologică se aplică tronsoanelor din ţevi metalice cu secţiune circulară şi cu diametrul exterior de maxim 65 mm în vederea determinării capacităţii de deformare plastică prin îndoire a acestora (STAS ISO ). 2. Noţiuni teoretice Încercarea la îndoire a ţevilor se realizează pe epruvete prelevate din ţeava de încercat şi constă în îndoirea acestora pe o rolă prevăzută cu o canelură de rază,,r (fig.3.11), până când unghiul α atinge valoarea menţionată în standardul de produs. În tabelul 3.4 sunt date simbolurile, semnificaţia şi unitatea de măsură a unor mărimi folosite în lucrare. Fig.3.11 Tabelul 3.4 Simbol Semnificaţie Unitate de măsură D Diametrul exterior al ţevii mm a Grosimea peretelui ţevii mm L Lungimea epruvetei mm r Raza interioară a fundului canelurii mm α Unghiul de îndoire grade 3. Desfăşurarea lucrării şi interpretarea rezultatelor Încercarea de îndoire a ţevilor se realizează într-un dispozitiv sau pe o maşină de îndoit care are o rolă cu canelură al cărei profil corespunde cu diametrul exterior al ţevii. Epruveta destinată încercării la îndoire trebuie să aibă o lungime suficient de mare pentru a putea fi fixată în dispozitiv şi îndoită. Încercarea se desfăşoară la temperatura mediului ambiant. Pentru desfăşurarea procesului, epruveta se pune în dispozitivul sau maşina de îndoit, după care se îndoaie până la un unghi α specificat în standardul de produs. Dacă încercarea se face pe epruvete cu 50

51 cusătură, poziţia cordonului de sudură în raport cu planul de îndoire trebuie să corespundă standardului de produs. Capacitatea de îndoire se consideră satisfăcătoare dacă nu se observă cu ochiul liber nici o fisură pe suprafaţa întinsă a ţevii şi nu apar cute în zona care domină tensiunile de compresiune. În buletinul e analiză se vor specifica: dimensiunea epruvetei; unghiul de îndoire α şi raza r; poziţia sudurii în raport cu planul de îndoire; rezultatul încercării. B. Încercarea la aplatizare 1. Domeniul de aplicare Este o metodă de determinare a capacităţii de deformare plastică prin aplatizare a ţevilor metalice cu secţiunea circulară şi cu diametrul exterior de maximum 400 mm, având grosimea peretelui de max 15 % din diametrul exterior. Această metodă (STAS ISO ) poate pune în evidenţă şi anumite defecte ale ţevilor. 2. Noţiuni teoretice Aplatizarea este un proces de deformare plastică desfăşurat în sens perpendicular pe axa longitudinală a ţevii. El are loc între plăcile unei maşini, până când distanţa dintre ele, măsurată sub sarcină şi pe direcţia de aplatizare, atinge4 valoarea specificată,,h din standardul de produs (fig.3.12 a şi 3.12 b). În cazul aplatizării complete, suprafeţele interioare ale epruvetei trebuie să vină în contact, una cu cealaltă, pe cel puţin jumătate din lăţimea,,b a epruvetei aplatizate (fig.3.12 c). Fig.3.12 În tabelul 3.5 este dat simbolul, semnificaţia şi unitatea de măsură a mărimilor utilizate pentru încercarea la aplatizare. Tabelul.3.5 Simbol Semnificaţie Unitate de măsură D Diametrul exterior al ţevii mm a Grosimea peretelui ţevii mm b Lăţimea interioară a epruvetei aplatizate mm L Lungimea epruvetei mm H Distanţa între plăci măsurată sub sarcină mm Epruveta destinată încercării se debitează dintr-o ţeavă a cărei lungime este de 1,5 ori diametrul exterior al ţevii, dar nu mai mică de 10 mm. Lungimea utilizată este, în general, de 40 mm. Încercarea se execută la temperatura mediului ambiant. Pentru desfăşurarea lucrării, epruveta se aşează între cele două plăci de apăsare ale maşinii universale de încercat. Dacă ţeava prezintă cordon de sudură, acesta trebuie poziţionat conform standardului de produs sau, de obicei, la 45 0 faţă de direcţia de acţionare a forţei necesare desfăşurării procesului. Epruveta se aplatisează prin apropierea plăcilor, după o direcţie perpendiculară pe axa 51

52 longitudinală a ţevii, cu o viteză mai mică de 25 mm/min. Încercarea se consideră satisfăcătoare dacă pe suprafaţa ţevii nu se observă fisuri vizibile cu ochiul liber. În buletinul de încercări se vor specifica: dimensiunea epruvetei; distanţa dintre plăci; poziţia sudurii, dacă este cazul; rezultatul încercării. C. Încercarea la lărgire 1. Domenii de aplicare Această încercare este o metodă prin care se urmăreşte determinarea capacităţii de deformare plastică prin lărgire a ţevilor metalice cu secţiunea circulară. Având diametrul exterior de maxim 150 mm şi grosimea peretelui de maxim 10 mm (STAS ISO ). Prin lărgire se urmăreşte obţinerea unei porţiuni evazate la capătul ţevii care serveşte la îmbinarea şi etanşarea a două conducte. 2. Noţiuni teoretice Lărgirea ţevii este un proces de deformare la rece sau la cald care se realizează cu ajutorul unui dorn (mandrin) tronconic introdus în extremitatea unei epruvete obţinute dintr-o ţeavă. Procesul de deformare are loc până când diametrul exterior al maxim D u al ţevii astfel lărgite atinge o valoare specificată în standardul de produs sau până la apariţia primei fisuri pe suprafaţa cea mai întinsă a materialului (fig.3.13). În ultimul caz se determină diametrul maxim până la care materialul poate fi deformat prin lărgire. Semnificaţia simbolurilor utilizate în lucrare şi unităţile lor de măsură sunt date în tabelul 3.6. Încercarea la lărgire se efectuează pe o presă cu viteză variabilă sau pe o maşină de încercat universală. Dornul tronconic trebuie să aibă unghiul la vârf de 30 0, , iar suprafaţa dornului trebuie să fie durificată şi lustruită. Lungimea epruvetei se ia în funcţie de unghiul conului de lărgire a mandrinului. Pentru unghiuri de 30 0, lungimea recomandată a epruvetei este L = 2 D. Epruveta poate fi mai scurtă în cazul în care ţeava destinată încercării are diametrul exterior mai mic de 20 mm, cu condiţia ca partea cilindrică a epruvetei lărgite, rămasă după încercare, să fie de minim Fig ,5 D. Dacă încercarea se face pe ţevi sudate, cordonul interior de sudură poate fi finisat prin prelucrări mecanice. 3. Desfăşurarea lucrării Dornul (mandrinul) tronconic se introduce, prin apăsare, în mod continuu şi fără şocuri în epruveta de încercat, până când aceasta atinge diametrul exterior prescris sau până la apariţia primei fisuri vizibile la nivelul suprafeţei întinse a materialului. Diametrul exterior maxim al părţii lărgite a epruvetei D u sau lărgirea diametrului iniţial D al acesteia exprimată în procente, trebuie să corespundă cerinţelor impuse de standardul de produs sau de alte prescripţii. Lărgirea relativă X a epruvetei se calculează cu relaţia: X = [(D u -D)/D] 100, [%] Încercarea se consideră satisfăcătoare dacă nu se observă fisuri cu ochiul liber în zona întinsă a materialului. În buletinul de încercări se vor menţiona: dimensiunile epruvetei; unghiul conului dornului cu care s-a realizat lărgirea; diametrul exterior D u al părţii lărgite a epruvetei sau lărgirea relativă a diametrului iniţial exprimată în procente; aprecierea comportării materialului la lărgire. 52

53 Tabelul 3.6 Simbol Semnificaţie Unitate de măsură D Diametrul exterior iniţial al ţevii mm a Grosimea peretelui ţevii mm L Lungimea epruvetei înaintea încercării mm D u Diametrul exterior maxim după încercare mm β Unghiul conului dornului grade D. Încercarea la răsfrângere 1. Domeniul de aplicare Încercarea la răsfrângere sau bordurarea este o metodă de determinare a capacităţii de deformare plastică prin răsfrângere a ţevilor metalice, de secţiune circulară, având diametrul exterioa de max 150 mm şi grosimea peretelui de maxim 10 mm (STAS ISA ). Prin răsfrângere se urmăreşte formarea unei borduri plane şi perpendiculare pe axa ţevii, bordură care serveşte la îmbinarea şi etanşarea a două conducte cu ajutorul piuliţelor olandeze. 2. Noţiuni teoretice Răsfrângerea extremităţii unei ţevi sau a unei epruvete tăiată dintr-o ţeavă (fig.3.14) se realizează până când diametrul exterior al bordurii atinge valoarea specifică în standardele de produs sau în alte prescripţii tehnice. În tabelul 3.7 este dată semnificaţia simbolurilor şi unităţile de măsură a mărimilor utilizate pentru încercarea la răsfrângere. Încercarea se efectuează pe o maşină universală de încercat, sau pe o presă a cărei viteză de acţionare este variabilă. Pentru desfăşurarea lucrării se utilizează un dispozitiv care se compune din: o sculă tronconică cu unghiul la vârf adecvat, de obicei 90 0 (fig.3.14 a) o sculă având un capăt cilindric cu diametrul mai mic cu 1 mm faţă de diametrul interior al ţevii şi o porţiune plană concentrică cu capătul cilindric perpendiculară pe axa sculei de deformare. Sculele trebuie să fie confecţionate din materiale cu durităţi suficient de mari şi lustruite pe partea activă (cea care vine în contact cu epruveta). Epruveta se taie dintro ţeavă şi va avea lungimea L stabilită astfel încât după încercare să rămână o porţiune cilindrică de lungime L 1 = 0,5 D. Fig Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Prin apăsarea lent şi fără şocuri se introduce scula tronconică în epruveta de încercat şi se refulează capătul acesteia până când diametrul părţii lărgite atinge valoarea specificată în standardul de produs. Se scoate dornul tronconic şi se introduce dornul de bordurare care, la rândul său apasă cu o forţă axială pe epruveta de încercat cu o viteză ce nu va depăşi 50 mm/min până când porţiunea lărgită formează o bordură, de diametru prescris, perpendiculară pe axa epruvetei. Dornul nu are voie să se rotească în timpul încercării, iar pentru a putea fi extras cu uşurinţă se poate lubrifia. Pentru o imagine 53

54 clară asupra capacităţii de deformare prin bordurare se poate calcula bordurarea relativă cu ajutorul relaţiei: X b = [(D u -D)/D] 100, [%] Încercarea se consideră satisfăcătoare, dacă la nivelul diametrului maxim al bordurii nu se observă cu ochiul liber nici o fisură. În buletinul de încercări se vor preciza următoarele: diametrul epruvetei; diametrul exterior maxim D u al părţii bordurate a epruvetei, sau bordurarea relativă a diametrului iniţial, exprimată în procente; se vor face aprecieri şi interpretări privind rezultatul încercării. Tabel 3.7. Simbol Semnificaţie Unitate de măsură D Diametrul exterior iniţial al ţevii mm a Grosimea peretelui ţevii mm L Lungimea epruvetei înaintea încercării mm R Raza de racordare a cele de-a doua scule de deformare mm D u Diametrul exterior maxim al bordurii mm β Unghiul conului primei scule de deformare grade Simbol Semnificaţie Unitate de măsură D Diametrul exterior iniţial al ţevii mm a Grosimea peretelui ţevii mm L Lungimea epruvetei înaintea încercării mm R Raza de racordare a cele de-a doua scule de deformare mm D u Diametrul exterior maxim al bordurii mm β Unghiul conului primei scule de deformare grade 54

55 3.5. Încercarea la refulare 1. Scopul încercării Prin încercarea la refulare (STAS ) se urmăreşte determinarea capacităţii de deformare plastică şi punerea în evidenţă a defectelor de suprafaţă sau din imediata apropiere a suprafeţei materialelor metalice. 2. Noţiuni teoretice Încercarea la refulare constă în deformarea, la rece sau la cald, a unei epruvete cilindrice sau prismatice prin comprimarea (turtirea) ei între două suprafeţe plane care acţionează de-a lungul axei sale longitudinale (fig.3.15). Înălţimea iniţială a epruvetei destinate refulării la cald este egală cu 2 d, în cazul oţelurilor şi cu 1,5 d în cazul metalelor neferoase. Deformarea prin refulare poate fi făcută, fie până la apariţia primei fisuri, când se determină capacitatea maximă de deformare a materialului, fie până la reducerea înălţimii probei la valoarea convenţională (o refulare specifică) de 1/3 din înălţimea iniţială. În ultimul caz se fac constatări dacă pe suprafaţa materialului refulat la această valoare apar sau nu fisuri sau defecte vizibile. Aprecierea este favorabilă dacă materialul refulat în condiţiile impuse nu prezintă fisuri vizibile pe suprafaţa exterioară a materialului. Încercarea se efectuează pentru verificarea semifabricatelor sau Fig.3.15 produselor din metale sau aliaje (feroase sau neferoase) destinate prelucrării prin deformare plastică, având diametre sau grosimi cuprinse între 2 şi 150 mm. De obicei, încercarea se aplică sârmelor şi barelor destinate fabricării de nituri, şuruburi, piuliţe etc. Tabelul 3.8 Simbol Semnificaţie Unitate de măsură d Diametrul epruvetei sau al unei secţiuni echivalente mm h 0 Înălţimea iniţială a epruvetei, înainte de refulare mm h Înălţimea finală a epruvetei, după refulare mm X Grad de refulare, X = [(h 0 -h)h 0 ] 100 % n Refularea specifică, n = (h/h 0 ) - Pentru realizarea epruvetelor din semifabricate, bare trase sau sârme se iau probe cu lungimi stabilite. Probele se prelevează din materialul de prelucrat, de regulă prin aşchiere. Suprafeţele bazelor trebuie să fie plane, paralele şi lipsite de bavuri. În general, diametrul epruvetelor destinate încercării la refulare este de 30 mm, iar înălţimea se ia 2 d. Încercarea de refulare se face pe cel puţin trei epruvete luate la întâmplare din trei produse ale lotului supus verificării. În tabelul 3.8 sunt date simbolurile termenilor utilizaţi şi reprezentaţi în figura 3.15 a şi 3.15 b. 3. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Epruveta se refulează la rece sau la cald până la o înălţime stabilită în standardul de produs sau în alte prescripţii tehnice, iar după aceea se calculează gradul de refulare,,x sau refularea specifică,,n. În cazul încercării de refulare la cald, epruveta se încălzeşte conform standardului de produs sau, în lipa 55

56 acestuia, la o temperatură din zona temperaturii de forjare a materialului respectiv. Valorile nominale de refulare sunt date în tabelul 3.9. Tabelul 3.9 Material Grad de refulare relativă, X, Refulare specifică, n [%] Refulare la rece 50 1/2 Oţel 66 1/3 Refulare la cald 66 1/3 Materiale şi aliaje neferoase 66 1/3 Examinarea suprafeţei epruvetei, privind apariţia unor defecte sau fisuri pe suprafaţa materialului refulat, se face cu ochiul liber sau, în cazuri deosebite, cu o lupă care are puterea de mărire de cel puţin 4 ori. Locurile care prezintă defecte pot fi supuse şlefuirii sau pilirii în vederea efectuării unui control microscopic. Aprecierea rezultatelor se face pe baza examinării suprafeţei epruvetei după refulare, conform documentaţiei tehnice a produsului sau specificaţiilor din standard. Capacitatea de deformare prin refulare se consideră satisfăcătoare dacă, după efectuarea ei, nu se observă pe suprafeţele laterale ale epruvetei fisuri, crăpături, retasuri, sufluri sau suprapuneri de material. În buletinul de analiză se precizează următoarele aspecte: dimensiunile şi starea iniţială a epruvetei; dimensiunile şi starea epruvetei după refulare; gradul de refulare relativă sau refularea specifică; utilajul folosit; dacă refularea a avut loc la cald sau la rece; se menţionează temperatura de încercare; eventualele defecte constatate. 56

57 3.6. Determinarea contracţiei liniare la răcirea aliajelor turnate 1. Scopul lucrării Determinarea contracţiei liniare la răcirea unor aliaje turnate. Cunoaşterea coeficientului de contracţie este importantă prin faptul că în lipsa unui sincronism al contracţiilor materialului turnat în diferite secţiuni conduce la apariţia unor tensiuni interne în piesele răcite. 2. Noţiuni teoretice Metalele şi aliajele utilizate la obţinerea pieselor turnate, în afară de proprietăţile fizico-mecanice necesare satisfacerii cerinţelor impuse de solicitările care apar în cursul exploatării, trebuie să posede şi un ansamblu de proprietăţi tehnologice definite prin conceptul de turnabilitate, capacitate de prelucrare prin aşchiere, sudabilitate etc. Prin turnabilitate se înţelege capacitatea unui aliaj de a umple perfect golurile formei, iar în urma turnării şi solidificării să se obţină o piesă fără defecte. Turnabilitatea este, deci, o proprietate complexă fiind influenţată de unele proprietăţi pe care le prezintă metalele şi aliajele în stare topită şi în cursul solidificării cum ar fi: frecarea internă, contracţia volumică şi de solidificare. Cunoaşterea coeficientului de contracţie liniară la solidificare, pe lângă faptul că oferă un indiciu asupra turnabilităţii, este un element ce stă la baza dimensionării corecte a modelelor de turnătorie. Dimensiunile liniare ale materialului turnat se modifică în funcţie de temperatura la care se găseşte acesta (fig. 3.16). Dilatarea este un fenomen reversibil şi, ca urmare, la răcire metalele se contractă în aşa fel încât la temperatura ambiantă, lungimea L 0 este mai mică decât lungimea pe care o avea materialul la temperatura de solidificare L s, L 0 < L s. T s reprezintă temperatura de solidificare, care, pentru aluminiu este de C, iar T 0 este temperatura mediului Fig.3.16 ambiant (T 0 = 20 0 C). Între dimensiunile liniare ale materialului şi temperatura la care se găseşte acesta s-a stabilit următoarea relaţie de legătură: Ls = L0 [ 1+ α t ( Ts T0 ], [mm] Ls L0 ε 1 = α1( Ts T0 ) = 100, [%] L0 în care: α 1 reprezintă coeficientul de dilatare liniară; ε 1 reprezintă contracţia liniară specifică. Coeficientul de contracţie sau de dilatare se exprimă ca derivată a variaţiei dimensionale a materialului în raport cu temperatura. 3. Utilaje, aparatură şi materiale Pentru buna desfăşurare a lucrării se foloseşte un aparat destinat măsurării contracţiei liniare, prezentat în figura 3.17, la care variaţia lungimii L s a piesei turnate 5 într-o formă permanentă din grafit 4 este măsurată continuu cu ajutorul ceasului comparator 1 care palpează permanent tija mobilă 2 ce se poate mişca cu uşurinţă Fig.3.17 printr-un lagăr 9 montat în suportul 3. Fixarea celuilalt capăt al piesei turnate se face prin intermediul elementului fix 6 legat rigid de suportul 7 57

58 prin intermediul unor piuliţe 8. În urma turnării, capetele libere ale elementelor 2 şi 6, care au o formă tronconică pentru a putea fi scoase cu uşurinţă din material, vor fi prinse în piesa turnată. În timp ce elementul 6 fixează capătul piesei turnate, capătul celălalt al acesteia, datorită contracţiei liniare a materialului, deplasează tija mobilă 2 odată cu el. Determinarea contracţiei liniare se face pentru aluminiu deoarece punctul de topire al acestuia este mic şi, ca urmare, durata de încălzire a cuptorului este mai scurtă. Aluminiul se va topi într-un creuzet din oţel inoxidabilo căptuşit în interior cu un material refractar. Măsurarea temperaturii de încălzire a cuptorului şi de turnare a aluminiului se face cu ajutorul unui aparat de măsură cu afişaj digital care preia semnalul de la un termocuplu montat în capacul cuptorului. 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Se pregăteşte aparatul pentru determinarea contracţiei liniare. Această pregătire constă, îndeosebi, în reglarea tijelor 2 şi 6 în aşa fel încât distanţa dintre axele lor L s să fie de 100 mm. În acelaşi timp se reglează ceasul comparator în aşa fel încât să se sprijine cu palpatorul pe tija mobilă a aparatului. Pentru ca această tijă să nu se deplaseze, până la turnarea materialului în formă, ea se blochează cu un şurub. Se aşează în creuzet bucăţile de aluminiu care vor fi topite şi, împreună cu acesta, se introduc în cuptorul de încălzire. Aluminiul topit şi supraâncălzit la o temperatură de C, măsurată cu ajutorul aparatului înainte de scoaterea creuzetului din cuptor, se toarnă în cavitatea formei din grafit până ce aceasta sen umple complet. După formarea crustei de solidificare, tija mobilă se deblochează prin slăbirea şurubului de strângere. De acum înainte, din 15 în 15 secunde se citeşte şi se notează indicaţiile ceasului comparator şi în timpul scurs de la începerea solidificării materialului. Atât timpul, cât şi variaţia dimensiunii L s se vor trece în tabelul Tabelul 3.10 t, [s] ΔL, [mm] 0 Pe baza rezultatelor obţinute se va reprezenta grafic variaţia dimensiunii probei turnate în funcţie de timp ΔL = f(t). De asemenea, se calculează, după răcirea materialului, contracţia specifică liniară procentuală ε 1, cu ajutorul relaţiei: ΔL Ls L0 ε 1 = = 100, [%] L0 L0 iar cu ajutorul relaţiei: Ls L0 1 1 α 1 = = ε1, [1/ 0 C] L0 Ts T0 Ts T0 se calculează coeficientul de contracţie liniară α 1 şi acesta se compară cu valorile lui prezentate în literatura de specialitate. Se trasează graficul de variaţie a lungimii probei turnate în raport cu temperatura, L = f(t) şi se va analiza modul în care această variaţie tinde către o formă liniară. 58

59 3.7. Determinarea contracţiei volumice şi a retasurii la solidificarea aliajelor 1. Scopul lucrării Lucrarea urmăreşte scoaterea în evidenţă a principalelor fenomene care apar în cursul procesului de solidificare a aliajelor (contracţia volumică şi formarea retasurii), ilustrând modul în care aceasta influenţează dimensiunile şi calitatea piesei turnate. 2. Noţiuni teoretice În afara proprietăţilor fizico-mecanice necesare acoperirii solicitărilor din cursul exploatării, metalele şi aliajele utilizate la obţinerea pieselor turnate trebuie să posede şi un ansamblu de proprietăţi tehnologice, dintre care, turnabilitatea capătă o mare importanţă. Prin turnabilitate se înţelege capacitatea unui aliaj de a umple perfect golurile formei, iar după turnare şi solidificare se obţină o piesă sănătoasă şi fără defecte. Deci, turnabilitatea este o proprietate complexă, influenţată de unele proprietăţi pe care le prezintă metalele şi aliajele în stare topită şi în cursul solidificării, cum ar fi: tensiunea superficială, vâscozitatea, frecarea internă, contracţia volumică şi de solidificare a materialului. Volumul specific V (volumul unităţii de masă) se modifică în funcţie de temperatura metalelor sau a aliajelor. Coeficientul de dilatare volumică sau concentraţia volumică α V se poate determina în funcţie de coeficientul de contracţie liniară: 0 αv = 3 α 1 [1/ C] Curba principală de dilatare (contracţie) a unui metal fără puncte de transformare alotropică arată o varietate liniară, în raport cu temperatura, a volumului de material. Această variaţie apare atât în stare lichidă, cât şi în stare solidă a metalului. Variaţia acestui volum şi, deci, coeficientul de dilatare este cu ceva mai mare pentru starea lichidă în raport cu starea solidă. La trecerea de la faza solidă la faza lichidă a metalului sau aliajului este o zonă de discontinuitate, cu modificări importante de volum (dilatare de topire sau mai precis contracţie de solidificare, fig.3 18 a şi 3.18 b). Contracţia volumică influenţează starea tensiunii de la sfârşitul procesului de solidificare şi de răcire, iar contracţia de solidificare imprimă tendinţa de formare a retasurii. O masă de material ce are un volum V 1 la temperatura lichidus T 1 şi care este compactă după solidificare, ar trebui să aibă o greutate de metal solidificat G s având greutatea specifică γ s : Fig Variaţia volumului specific cu temperatura: a) la metale şi aliaje eutectice (T s = T 1 ) b) la aliaje neeutectice (T s < T 1 ). V G s = V γ s =, [g] Vs în care: V s reprezintă volumul specific la temperatura solidus T s. Volumul V 1 este însă umplut cu metal lichid supraîncălzit la temperatura de turnare T tr şi, ca urmare, are un volum specific mai mare V tr şi o greutate specifică γ tr. Greutatea metalului turnat, G tr (G tr < G s ), poate fi determinată cu relaţia: V G tr = γ tr V =, [g] V 59 tr

60 La solidificare rezultă un deficit de greutate ΔG ce poate fi determinat cu relaţia: V Vtr Vs Δ G = Gs Gtr = = V, [g] Vtr Vtr Vs Deficitul de greutate conduce la un deficit corespunzător de volum ΔV: Vtr Vs Δ V = Vs ΔG = V, [cm 3 ] Vtr Acest deficit de volum rezultă atât datorită contracţiei de la temperatura de turnare şi până la temperatura lichidus T l, cât şi datorită contracţiei din timpul solidificării. V Δ V = [( Vtr V1 ) + ( V1 Vs )], [cm 3 ] Vtr V Se poate spune, deci, că deficitul volumic total este proporţional cu greutatea G s = a metalului turnat, Vtr cu supraâncălzirea (T r T 1 ), care determină variaţia de volum (V tr V 1 ) şi cu contracţia din timpul solidificării (V 1 V s ). În volumul V deficitul ΔV se reprezintă în funcţie de mecanismul răcirii şi poate fi: Anteretasura, concentrată şi uniformă, dispusă la partea superioară a piesei şi localizată înainte de începerea solidificării; Retasura principală, concentrată şi neuniformă, localizată la partea superioară a piesei şi apare în timpul solidificării; Retasura secundară, concentrată şi neuniformă, dispusă în interiorul piesei şi apare în timpul solidificării; Microretasurile, disperse şi neuniforme în interiorul piesei, apar repartizate în material la sfârşitul solidificării. Concentraţia în stare solidă apare ca urmare a reducerii volumului specific de la valoarea V s la valoarea V 0 corespunzătoare temperaturii ambiante T 0. Cele două volume specifice sunt legate între ele prin următoarea ecuaţie a dilatării: Vs = V0[ 1+ α v ( Ts T0 )], [cm 3 /g] în care, α v reprezintă coeficientul de dilatare volumică. Din relaţia prezentată mai sus se poate calcula contracţia volumică specifică ε v folosind următoarea expresie: Vs V0 ε v = α v ( Ts T0 ) = V0 3. Utilaje, aparatură şi materiale Pentru desfăşurarea lucrării se folosesc următoarele aparate şi utilaje: Un cuptor cu încălzire prin rezistenţe electrice în care se introduce un creuzet din oţel inoxidabil căptuşit cu material refractar. În acest creuzet se va topi aluminiu; Un aparat, cu afişaj digital, de măsurare a temperaturii din cuptor şi care primeşte semnalul de la un termocuplu montat în capacul acestuia. Domeniul liniar de măsurare a temperaturii este de la C până la C; O cochilă al cărui aspect şi formă geometrică este prezentată în figura 3.19 şi care permite determinarea contracţiei volumice şi cea a retasurii. Cochila 1 este o formă metalică a cărei cavitate are un aspect tronconic cu baza mică în jos şi al cărui volum este cunoscut şi marcat pe cochilă. Dimensiunile cochilei, poziţia ei şi prezenţa răcitorului 2 (o placă metalică care asigură un transfer rapid al căldurii de la topitură spre exterior) face să se evite formarea retasurii secundare şi a microretasurilor în material turnat. Acest lucru determină ca întreaga contracţie volumică a materialului să fie cuprinsă în retasură; Un vas gradat care conţine apă şi care serveşte la determinarea volumului retasurii. 60

61 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Efectuarea lucrării presupune parcurgerea următoarelor etape: Se topeşte aluminiul şi se supraâncălzeşte la o temperatură de C. Cu cât temperatura de supraâncălzire este mai mare, cu atât curgerea materialului în cochilă este mai bună. În cursul procesului de topire se urmăreşte continuu temperatura din cuptor şi se notează valoarea acesteia în momentul în care se scoate cruzetul cu materialul topit în vederea turnării; Topitura se toarnă în cochilă în vederea determinării contracţiei volumice şi se urmăreşte procesul de solidificare şi de formare a retasurii; Fig Când piesa s-a răcit la temperatura ambiantă, aceasta se scoate din cochilă şi se cântăreşte în vederea determinării greutăţii G; Se determină volumul piesei la temperatura camerei cu ajutorul relaţiei: G G V 0 = =, [cm 3 ] γ 0 2,7 în care: V 0 este volumul piesei la temperatura mediului ambiant, (T = 20 0 C) γ 0 este greutatea specifică a aluminiului (2,7 g/cm 3 ); G este greutatea piesei turnate, exprimată grame; Se determină volumul piesei la temperatura solidus utilizând relaţia: 6 Vs = V0 [ 1+ α v ( Ts T0) ] = V0 ( , ) = 1, 046 V0, [cm 3 ] în care: V s este volumul piesei la temperatura solidus α v = 3 α 1 23, coeficientul de dilatare volumică a aluminiului; T s = C temperatura de topire a aluminiului; Se determină volumul piesei la temperatura lichidus cu relaţia: V 1 = V s + V rp, [cm 3 ] în care: V 1 este volumul piesei la temperatura lichidus (T l = T s = C); V rp este contracţia totală din timpul solidificării care, pentru condiţiile concrete de răcire a aluminiului, este aproximativ egală cu volumul retasurii principale, volum care se determină prin umplerea acesteia cu apă dintr-un cilindru de sticlă gradat; Se determină volumul antiretasurii cu relaţia : V ar = V cf V 1 = V cf (V s + V rp ), [cm 3 ] în care: V ar este volumul antiretasurii V cf = V tr - volumul cavităţii formei (cochilei); Se calculează contracţiile volumice specifice procentuale: V V1 în stare lichidă: ε 1 = tr v 100, [%] V1 V1 Vs în stare bifazică: ε vb = 100, [%] Vs 1 V V în stare solidă: ε = s 0 v 100, [%] V0 V V totală: ε = tr 0 vt 100, [%] V0 Rezultatele obţinute se trec în tabelul 3.11, se interpretează şi se poartă discuţii pe marginea lor. Se reprezintă grafic variaţia volumului specific în funcţie de temperatură. 61

62 Tabelul Temperatura Simbol Valoare 0 C Volumul piesei, [cm 3 ] Volumul specific, [cm 3 ] Starea de agregare Contracţia volumică specifică Simbol [%] Obsrvaţii Lichid Bifazic Solid 62

63 3.8. Formarea manuală 1. Scopul lucrării Scopul lucrării este însuşirea noţiunilor şi metodologiei necesare realizării formelor de turnătorie prin formare manuală în două rame de formare, alături de cunoaşterea utilajelor, dispozitivelor, sculelor şi materialelor utilizate în acest proces. 2. Noţiuni teoretice Prin formare se înţelege realizarea unui gol în amestecul de formare cu ajutorul unui model, în vederea turnării unei piese. Golul reprezintă negativul piesei ce urmează a fi turnată. Formarea se poate face manual sau mecanizat. Formarea manuală constituie ansamblul operaţiilor executate de către muncitorul formator cu ajutorul unor scule specifice formării, în vederea confecţionării formei temporare. Acest tip de formare se poate realiza fie în solul turnătoriei, fie în rame pentru formare. Ansamblul de rame, umplut cu amestec de formare în care s-a executat negativul piesei se numeşte formă. O formă temporară de turnătorie (fig.3.20) se compune dintr-o ramă inferioară 9, asamblată prin sistemul de ghidare şi fixare 10, cu rama superioară 11. În rame se află amestecul de formare 5, în care s-a realizat cavitatea formei 7 şi reţeaua de turnare formată din pâlnia de turnare 1, piciorul pâlniei de turnare 2, colectorul de zgură 3 şi canalul de alimentare 4. Canalul de evacuare sau de supraplin 8 colectează surplusul de metal şi impurităţile constituind în acelaşi timp şi un rezervor de metal lichid pentru umplerea formei. Acest canal asigură şi controlul umplerii formei cu topitură. Permeabilitatea formei se măreşte prin practicarea Fig.3.20 canalelor de aerisire 6 cu ajutorul unui ac special destinat acestui scop. Formele temporare se pot obţine prin formare manuală în cazul producţiei individuale, de serie mică sau a pieselor complexe şi prin formare mecanizată în cazul producţiei de serie mare şi de masă. 3. Materiale, scule şi utilaje Formele temporare de turnătorie se realizează în rame de formare confecţionate din tablă sudată sau turnate din oţel, fontă sau aluminiu. Amestecul de formare preparat conform cerinţelor, trebuie să aibă o anumită umiditate, granulaţie şi conţinut de liant (argilă+bentonită). Formele temporare pot fi crude, când forma executată din amestec de formare nu se usucă înainte de turnare (pentru piese mari şi mijlocii, producţie de serie) şi uscate, când se usucă înainte de turnare (pentru piese mari, de mare importanţă). În ambele cazuri formarea se face cu amestecuri umede. Modelul de turnătorie se confecţionează din lemn sau aliaje de aluminiu şi serveşte la obţinerea negativului piesei de turnat, având forma şi dimensiunile corespunzătoare piesei ce urmează a fi turnată. Miezurile se realizează din amestecuri pentru miezuri. Ele servesc la obţinerea golurilor din piese, iar la confecţionarea lor se folosesc cutii pentru miezuri. Dimensionarea modelelor de turnătorie şi a cutiilor pentru miezuri se face ţinând seama de coeficientul de contracţie al metalului din care se toarnă piesa. Sculele utilizate la formarea manuală sunt: lopata, bătătorul cu coadă, liniarul de ras nisipul, lanţeta, troila (mistria), vergelele de oţel pentru canale de aerisire, sita, pensula pentru udat forma, instrumente de extragere a modelului, netezitoare de diferite tipuri, linguri, perii, pulverizator, furtun de cauciuc cu suflaj, săculeţ cu pudră etc. Ca materiale suplimentare sunt necesare nisipul cuarţos sau grafitul (praf de licopodiu), pentru evitarea aderării amestecului de formare la pereţii modelului de turnătorie, mărirea refractarităţii formei, creşterea calităţii suprafeţei cavităţii formei, şi apa pentru umezirea zonei de contact dintre formă şi model pentru uşurarea scoaterii acestuia din formă. 63

64 4. Desfăşurarea lucrării Succesiunea operaţiilor în cazul formării manuale este prezentată în figura Modelul (fig.3.21 a), este confecţionat din lemn şi prevăzut cu plan de separaţie. Îmbinarea celor două jumătăţi se face prin intermediul a două cepuri aşezate astfel încât montarea să poată fi posibilă într-o singură poziţie. Partea Fig.3.21 din model prevăzută cu găuri de centrare se aşează cu planul de separaţie în jos pe planşeta de lucru (fig.3.21 b). Rama inferioară (fără tije de ghidare şi asamblare) se aşează de asemenea pe planşeta de lucru astfel încât modelul să nu fie prea aproape de margine şi să rămână loc suficient pentru reţeaua de turnare. 64

65 Deasupra modelului se presară, cu ajutorul unui săculeţ, nisip cuarţos, praf de grafit sau praf de licopodiu, iar apoi se cerne, din amestecul de formare, un strat de amestec de model care, apoi, se îndeasă uşor pentru a se mula bine pe model. Amestecul de model are o granulaţie mai mică şi asigură o calitate superioară suprafeţelor cavităţii formei. Se umple rama cu amestec de formare şi se începe îndesarea acestuia cu partea ascuţită a bătătorului, îndeosebi în vecinătatea pereţilor ramei şi în spaţiile înguste, pentru asigurarea umplerii corespunzătoare a formei şi creşterea aderenţei amestecului la suprafaţa ramei de formare (fig.3.21 c). Operaţia se repetă, iar dacă rama s-a umplut se loveşte cu partea lată a bătătorului până la asigurarea densităţii dorite în toată masa formei. Surplusul amestecului de formare se îndepărtează cu ajutorul unui liniar metalic (fig.3.21 d) iar cu o vergea din oţel se practică canale de aerisire care să ajungă până la aproximativ mm de model. După această operaţie se curăţă locul de muncă cu peria şi se întoarce rama cu planul de separaţie în sus (fig.3.21 e). Planul de separaţie se netezeşte cu troila şi se aşează cealaltă jumătate a modelului peste semimodelul inferior. Se montează modelele (dornurile) pentru realizarea piciorului pâlniei de turnare şi a canalului de evacuare (de supraplin), iar pentru fixare se adună şi se îndeasă în jurul lor o mică cantitate de amestec de formare. Se montează rama superioară şi se poziţionează faţă de cea inferioară prin intermediul tijelor de ghidare. Pentru realizarea semiformei superioare operaţiile descrise anterior se repetă (fig.3.21 f şi 3.21g). Se realizează pâlnia de turnare după care, prin loviri uşoare se scot modelele piciorului pâlniei de turnare şi a canalului de evacuare (fig.3.21 h), se scot cepurile de centrare şi se deschide forma. În semiforma inferioară (fig.3.21 i) se taie canalul de alimentare, de secţiune triunghiulară sau semirotundă, se lărgeşte secţiunea acestuia în dreptul modelului şi se realizează colectorul de zgură. Suprafaţa amestecului din jurul modelului se umezeşte cu pensula după care, cu ajutorul unor chei de extragere introduse în model, acesta se scoate prin loviri uşoare pentru a se desprinde cu uşurinţă de amestecul de formare. Părţile deteriorate se repară cu lanţeta. În acelaşi mod se scoate modelul din rama superioară (fig.3.21 j). Locul de îmbinare a piciorului pâlniei de turnare cu colectorul de zgură şi a canalului de evacuare cu cavitatea formei se rotunjeşte uşor prin apăsare şi se umezeşte pentru a-i mări rezistenţa mecanică. După un control amănunţit şi îndepărtarea, prin suflare, a impurităţilor rămase, cele două rame se asamblează realizându-se forma de turnare din figura 3.2l l. Pe rama superioară se aşează greutăţi sau, eventual, ramele de formare se strâng între ele cu ajutorul unor şuruburi sau bride de strângere. Tijele de centrare se scot din urechile ramelor de formare pentru a fi folosite în alte situaţii sau pentru ca după turnare să nu rămână blocate în ramele încălzite. 5. Interpretarea rezultatelor La locul de muncă se execută o formă temporară respectându-se succesiunea operaţiilor descrise. După turnarea şi dezbaterea piesei se va analiza calitatea acesteia înregistrându-se defectele şi cauzele care le-au provocat. 65

66 4. INFLUENŢA DEFORMĂRII PLASTICE ASUPRA UNOR PROPRIETĂŢI MECANICE ALE MATERIALELOR METALICE 1. Scopul lucrării Lucrarea îşi propune stabilirea gradului de ecruisare rezultat în urma procesului de deformare plastică prin refulare la rece a materialelor metalice, asupra unor proprietăţi mecanice. 2. Noţiuni teoretice Una din principalele caracteristice ale fenomenului de deformare plastică la rece a materialelor metalice este aceea că tensiunea tangenţială necesară producerii deplasărilor la nivelul planelor de alunecare creşte continuu, odată cu creşterea deformaţiilor specifice de alunecare. În timpul deformării se produc modificări importante ale proprietăţilor materialului. Din punct de vedere tehnologic interesează modificarea proprietăţilor de plasticitate şi, mai ales, a celor mecanice exprimate prin creşterea rezistenţei de rupere la tracţiune şi a durităţii materialului deformat cu creşterea deformaţiei la rece. Starea cu proprietăţi modificate crescute a materialului se numeşte întărire sau ecruisare. Ecruisarea este o stare instabilă din punct de vedere termodinamic, însă la temperaturi normale se menţine un timp îndelungat. Fenomenul de ecruisare sau întărire se constată în special în cazul metalelor şi aliajelor care cristalizează în sistemul cubic cu feţe centrate. Aceasta se explică prin existenţa unui număr sporit de sisteme de alunecare orientate în mai multe direcţii de deformare. Fenomenul apare cu precădere în timpul deformării la rece, dar mai ales în cursul unor deformări repetate şi la un grad mare de deformare. El este prezent şi în condiţiile în care deformarea are loc la temperaturi mai ridicate. Ecruisarea se explică, în principal, prin interacţiunea dislocaţiilor cu alte dislocaţii (cazul deformării la rece) şi/sau cu alte obstacole care se opun deplasării lor prin reţea (cazul deformării la cald). Cum numărul dislocaţiilor creşte cu creşterea gradului de deformare (de la până la aproximativ cm -2 ) şi interacţiunea lor reciprocă va fi mai mare şi deci starea de tensiune internă creşte mai puternic. Tensiunile datorate dislocaţiilor acumulate şi blocate în zona de alunecare a materialului perturbă planele vecine pe o distanţă apreciabilă ( μm) împiedicând alunecarea lui în continuare. În final, toată masa materialului prezintă o rezistenţă sporită la deformare. Deoarece ecruisarea poate fi anulată la o anumită temperatură, prin creşterea agitaţiei termice, se poate afirma că este dependentă de temperatură şi de mărimea deformaţiilor. Curba de curgere generalizată pentru cazul deformării la rece a monocristalelor având structură cubică cu feţe centrate prezintă trei zone distincte (fig. 4.1). Zona I faza alunecărilor mici, respectiv a ecruisării reduse marcată prin faptul că dislocaţiile se pot deplasa pe distanţe relativ mari fără a întâlni obstacole. Zona II faza alunecărilor rapide, respectiv ecruisării (întăririi) foarte pronunţate. În această fază are loc creşterea rapidă a numărului de dislocaţii. Fenomenul principal care contribuie la ecruisare este cel al concentrării grupurilor de dislocaţii. Zona III a creşterii lente a ecruisării. Alunecarea în plan perpendicular pe direcţia de acţionare a forţei exterioare se consideră a fi procesul principal prin Fig.4.1. care dislocaţiile concentrate în faza a II-a 66

67 se pot elibera şi pot reduce câmpul intern de deformaţii. Zona a III-a a curbei depinde foarte mult de temperatură. Dacă un astfel de cristal este deformat către sfârşitul zonei a II-a la o temperatură t 1 şi apoi această temperatură este ridicată la temperatura t 2 fără a se modifica deformaţia, temperatura de curgere scade de la σ 1 la σ 2. Starea de ecruisare atinsă la temperatura t 1 devine nestabilă când temperatura este ridicată la temperatura t 2, astfel că începe un proces de restaurare, care tinde să reducă ecruisarea la valoarea pe acre ar fi avut-o dacă deformarea s-ar fi făcut la temperatura t 2. Această comportare este denumită de înmuiere prin deformare şi este rezultatul eliberării, la temperatura t 2, a dislocaţiilor blocate la temperatura t 1 (fig. 4.2). Fenomenul de ecruisare se manifestă similar şi în cazul materialelor policristaline (fig. 4.3). Ecruisarea este mai accentuată pentru materialele policristaline în raport cu monocristalele. Ea este determinată de condiţiile mult mai complexe în care se produce deformarea grăunţilor cristalini învecinaţi. Aceasta deoarece, pentru păstrarea contactelor dintre aceşti grăunţi se impune alunecarea simultană după cel puţin cinci sisteme de alunecare. Acest lucru favorizează formarea grupărilor de dislocaţii şi măreşte rezistenţa opusă dislocaţiilor în mişcare. Ecruisarea poate reprezenta şi un procedeu important utilizat pentru durificarea metalelor şi aliajelor care nu sunt susceptibile la durificare prin tratament termic. Fig.4.2. Fig Utilaje, aparatură, materiale Pentru efectuarea lucrării sunt următoarele aparate şi materiale: O presă (maşina universală de încercat) pentru realizarea deformării plastice la rece Materiale: oţel cu conţinut mai scăzut de carbon, aluminiu etc. Lucrarea va fi coroborată cu cea de determinare a gradului de refulare a materialelor deoarece, în această situaţie, pot fi utilizate aceleaşi probe. 4. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Ecruisarea este influenţată de gradul de deformare plastică, în principal, de temperatura de deformare T şi de starea iniţială a materialului. Caracteristica cea mai sensibilă de determinat în condiţii de laborator, în vederea caracterizării ecruisării, este duritatea. În acest sens, lucrarea se desfăşoară în următoarele etape: Se pregătesc 4 probe dintr-un material al cărui marcă, compoziţie chimică şi caracteristici mecanice sunt cunoscute. Se preferă ca determinările să se facă pe oţeluri cu conţinut scăzut de carbon sau aluminiu deoarece au o capacitate mai mare de deformare; Se măsoară duritatea materialului aflat în starea iniţială (recoaptă), în cel puţin cinci puncte şi se face media acestor măsurători; Se realizează deformarea la rece a fiecărei probe la diferite grade de refulare. Gradul de refulare relativ se notează cu X 1...X 4; 67

68 Se măsoară duritatea fiecărei probe deformate în cel puţin trei puncte şi se face media valorilor obţinute; Se calculează gradul de refulare relativă cu ajutorul relaţiei: X = h 0 h h 0 u 100, [%] în care: h 0 este înălţimea iniţială a epruvetei iar h u este înălţimea acesteia după ce a fost supusă procesului de deformare prin refulare. Valorile măsurătorilor şi cele rezultate în urma determinărilor experimentale se trec în tabelul 4. Tabelul 4. Nr. probă Material h 0 Valori iniţiale d 0 HRB h u Valori finale d 0 HRB X [%] [mm] [mm] [mm] [mm] Pe baza rezultatelor înscrise în tabel se trasează curba de variaţie a durităţii în funcţie de gradul de refulare relativă, pentru unul sau mai multe categorii de materiale. La grade mai mici de deformare se constată o scădere a durităţii. Această scădere este datorată faptului că la începutul deformării, numărul dislocaţiilor scad deoarece dislocaţiile de sens contrar se anulează şi pentru că apariţia fenomenului de revenire poate fi uşor atins la temperatura rezultată în urma procesului. La grade de deformare mari, duritatea materialului creşte Se vor purta discuţii asupra rezultatelor obţinute evidenţiindu-se principalii factori ce influenţează ecruisare. 68

69 5. INFLUENŢA CONŢINUTULUI DE CARBON ASUPRA UNOR PROPRIETĂŢI ALE OŢELURILOR 1. Scopul lucrării Prin această lucrare se urmăreşte punerea în evidenţă, atât pe cale analitică cât şi pe cale experimentală, a influenţei conţinutului de carbon asupra principalelor proprietăţi mecanice ale oţelurilor. 2. Noţiuni teoretice Cel mai important element de aliere al fierului este carbonul, împreună cu care formează aliajele cunoscute sub denumirea de oţeluri (până la 2,11 % carbon) şi fonte (cu un conţinut de carbon cuprins între 2,11 şi 6,67 %). Carbonul se dizolvă uşor în reţeaua cristalină a fierului şi formează soluţii solide interstiţiale. Acest lucru se datorează faptului că raza atomului de carbon este foarte mică (0,77 Å). Carbonul se găseşte în structura aliajelor de fier sub trei forme: Dizolvat până la limita de solubilitate, în cele două stări alotropice ale fierului α (δ) şi γ, împreună cu care formează soluţiile solide cunoscute sub denumirea de ferită, respectiv austenită; Legat, sub forma compusului chimic Fe 3 C denumit şi cementită; În stare liberă, sub formă de grafit. Ferita este un constituient moale, tenace, plastic, având proprietăţi aproape identice cu ale fierului tehnic pur. Austenita este o soluţie solidă interstiţială de carbon în fier γ care la C devine saturată cu 2 % C. Austenita este plastică, de aceea se prelucrează la cald în condiţii bune. Ea rămâne în acelaşi timp suficient de rezistentă, în special în cazul când este aliată. În mod obişnuit, austenita nu este stabilă la temperatura ambiantă. Cementita este un constituient dur şi fragil, iar proprietăţile sale mecanice pot fi determinate numai cu o anumită aproximaţie prin încercări intrinseci. Perlita este un amestec eutectoid de ferită şi cementită, iar proprietăţile sale sunt intermediare între proprietăţile celor doi constituienţi. Forma, mărimea şi dispersia fazelor ce constituie perlita influenţează asupra proprietăţilor ei mecanice. Aşadar, cu cât aceşti constituienţi au o structură mai fină şi sunt mai fin dispersaţi în material cu atât caracteristicile mecanice sunt mai ridicate. Valorile medii privind caracteristicile mecanice ale feritei, cementitei şi perlitei sunt prezentate în tabelul 5.1. Tabelul 5.1. Constituentul Rm A Z Duritatea KCU [dan/mm 2 ] [%] [%] [HB] [J/cm 2 ] Ferită Cementită Aprox Perlită foarte fină Perlită normală Perlită grosolană Caracteristicile mecanice ale oţelurilor pot fi determinate atât pe cale experimentală, prin încercări mecanice, cât şi pe cale analitică. Calculul analitic are în vedere constituenţii structurali ai materialului şi 69

70 faptul că fiecare dintre aceştia determină proprietăţile întregului material pe măsura propriilor sale caracteristici şi în proporţia în care participă în structură. Această ipoteză constituie, alături de determinările experimentale, metoda aplicată pentru stabilirea influenţei conţinutului de carbon asupra unor caracteristici mecanice ale oţelurilor. De asemenea, se urmăreşte stabilirea măsurii în care valorile obţinute pe cale analitică se apropie de cele experimentale. Cantitatea procentuală a fazelor ce se găseşte în echilibru la un moment dat se determină pe baza regulii pârghiei. Astfel, calculând momentul faţă de punctul O (fig. 5.1), rezultă: S c = L d Fig.5.1 Calculând momentul faţă de punctul L, se poate scrie: S (c+d) = (S+L) d de unde: d S = ( S + L), [kg] c + d Calculând momentul faţă de punctul S, se poate scrie: L (c+d) = (S+L) c de unde: c L = ( S + L), [kg] c + d În acest fel cantitatea procentuală a unei faze se poate calcula cu relaţiile: d c L = 100, [%] şi L = 100, [%] c + d c + d Aplicând aceste relaţii în cazul concret al unui oţel carbon de calitate OLC 10 care conţine 0,1%C, cantitatea procentuală a fazelor se determină, conform diagramei fier-carbon, după cum urmează: 0,8 0,1 Ferita = 100 = 88,8% 0,8 0,01 0,1 0,01 Perlita = 100 = 11,4% 0,8 0,01 dacă constituenţii structurali sunt uniform distribuiţi în masa materialului, atunci proprietăţile mecanice ale acestuia se pot determina pe baza proprietăţilor specifice ale fiecărui constituent structural, pe baza următoarei relaţii generală: % A PA + % B P P( A + B) = B,

71 în care: P(A+B) reprezintă proprietatea amestecului omogen format din constituenţii A şi B; A este cantitatea procentuală cu care participă constituentul A; B este cantitatea procentuală cu care participă constituentul B; P A este valoarea medie a proprietăţii luate în considerare pentru constituentul A; P B este valoarea medie a proprietăţii luate în considerare pentru constituentul B. De exemplu, dacă se urmăreşte determinarea pe cale analitică a unor proprietăţi mecanice ale unui oţel care are 0,5% C, se procedează în felul următor: Se determină cantitatea procentuală a constituenţilor structurali (în cazul de faţă perlita reprezintă 62% şi ferita 38%); Se determină proprietăţile mecanice aplicând relaţia generală mai prezentată. Rezistenţa de rupere la tracţiune este: Duritatea Brinell: R m( 0,5% C) = = 79,6, [dan/mm 2 ] HB ( 0,5% C) = = 145, [dan/mm 2 ] 100 Alungirea: A ( 0,5% C) = = 30,7, [%] 100 Rezultatele obţinute caracterizează materialul numai cu o anumită aproximaţie, iar valorile rezultate în urma calculului analitic se apropie de cele experimentale. Aceasta deoarece în oţeluri mai pot exista impurităţi şi alte elemente chimice sau elemente de aliere. Dacă caracteristicile mecanice se calculează în funcţie de conţinutul de carbon echivalent se obţin rezultate care se apropie mai mult faţă de valorile reale. Carbonul echivalent reprezintă cantitatea de carbon a unui oţel ipotetic care are aceleaşi caracteristici cu ale unui oţel industrial considerat. Pentru un oţel care are, pe lângă Fe şi C şi elemente ca: Mn, Si, P, S iar Ni şi Cr sub 0,7%, respectiv 0,1%, cantitatea de carbon echivalent (C e ) se determină cu relaţia: C e = C + ( Si + Mn) + ( S + P) + ( Ni + Cr), [%] Legătura dintre cantitatea de carbon echivalent şi rezistenţa de rupere la tracţiune a uni oţel este dată în tabelul 5.2. Tabelul 5.2. C e, [%] R m, [dan/mm 2 ] C e, [%] R m, [dan/mm 2 ] 0,1 32 0,6 69 0,2 38 0,7 80 0,3 46 0,8 90 0,4 54 0,9 99 0,5 61 1,

72 În toate situaţiile, pe măsura creşterii conţinutului de carbon creşte rezistenţa de rupere la tracţiune şi duritatea, iar alungirea şi rezilienţa scad. 3. Desfăşurarea lucrării Pentru o gamă de 4..5 materiale ale căror marcă este cunoscută, prin consultarea standardelor, se determină compoziţia chimică şi se stabileşte conţinutul de carbon echivalent. Din diagrama fier-carbon se identifică natura constituenţilor structurali din fiecare material analizat, iar pe baza legii pârghiei se determină proporţia fiecăruia dintre ei. Ţinând seama de proprietăţile constituenţilor structurali şi de proporţia lor în material, pe baza relaţiilor prezentate, se determină valoarea teoretică a fiecărei caracteristici mecanice a materialului. Probele ale căror proprietăţi mecanice au fost stabilite pe cale analitică vor fi supuse şi unor încercări mecanice, în vederea determinării unor caracteristici, îndeosebi a durităţii Brinell. Rezultatele se vor trece în tabelul 5.3. Tabelul 5.3. Nr. Crt. Marca materialului C e [%] Rezultate analitice HB Rm, [dan/mm 2 ] Rezultate experimentale HB Rm, [dan/mm 2 ] Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Pe baza rezultatelor teoretice şi experimentale obţinute se vor trasa curbele de variaţie a caracteristicilor mecanice, în funcţie de conţinutul de carbon echivalent: HB = f(c e ) şi Rm = f(c e ) De asemenea se va calcula abaterea procentuală a valorilor proprietăţilor mecanice obţinute (a), pentru fiecare material în parte, şi se vor analiza cauzele care o determină. Abaterea procentuală se determină cu relaţia: a = P P P T 100, [%] în care: P este proprietatea materialului obţinută pe cale experimentală P T proprietatea materialului obţinută ca urmare a aplicării relaţiei de calcul. 72

73 6. CALCULUL ŞI DETERMINAREA EXPERIEMNTALĂ A FORŢEI DE TRAGERE, A DEFORMAŢIILOR ŞI A INFLUENŢEI PROCESULUI ASUPRA UNOR PROPRIETĂŢI ALE MATERIALELOR 1. Scopul lucrării Lucrarea îşi propune atingerea mai multor obiective care, într-o anumită măsură, sunt legate între ele. În primul rând se are în vedere calculul analitic şi determinarea experimentală a forţei de tragere necesară desfăşurării procesului de prelucrare. De asemenea, se va urmări modul în care anumiţi factori (cum ar fi de lubrifiere) determină această forţă. În al doilea rând se urmăreşte determinarea deformaţiilor în care acestea influenţează anumite proprietăţi mecanice şi tehnologice ale materialului prelucrat. 2. Noţiuni teoretice În cursul procesului tehnologic de tragere materialul este obligat să treacă printr-o filieră, ca urmare a acţiunii unei forţe de tracţiune ce acţionează asupra lui la ieşirea din sculă. Cea mai mare parte a deformării materialului are loc ca urmare a curgerii plastice ce se produce sub acţiunea forţei de compresiune ce ia naştere la nivelul suprafeţei de contact dintre material şi pereţii filierei în zona conului de deformare (fig.6.1). Forţa necesară tragerii se poate calcula pe baza următoarei relaţii matematice : T = σ c (S 0 -S 1 )/(1+μ/α), [dan] în care: T - este forţa de tragere, [dan]; α c rezistenţa medie de deformare la compresiune a materialului (limita de curgere); S 0 şi S 1 secţiunea iniţială şi respectiv finală a materialului; μ coeficientul de frecare dintre materialul tras şi filieră; α unghiul de trefilare (unghiul conului de deformare). 3. Factorii care influenţează forţa de tragere Asupra procesului de tragere influenţează următorii factori: Calitatea şi proprietăţile materialului. Forţa de tragere este cu atât mai mare cu cât materialul supus procesului de tragere are o rezistenţă de rupere la tracţiune mai mare. Deoarece rezistenţa la rupere creşte pe măsura creşterii numărului de trageri, ca urmare a ecruisării materialului, rezultă că odată cu aceasta creşte în mod corespunzător şi forţa de tragere; Viteza de desfăşurare a procesului are un efect redus asupra forţei de tragere, însă la viteze mari se observă o creştere a temperaturii de lucru conducând la înrăutăţirea condiţiilor de lubrifiere şi influenţând în mod negativ forţa de tragere; Materialul filierei. S-a constatat că forţa de tragere este mai mică la utilizarea filierelor din diamant şi mai mare la utilizarea filierelor din oţel de scule sau din fontă. Diferenţele pot atinge valori de până la 50 %. Acest lucru se datorează diferenţelor care există între coeficienţii de frecare dintre diferite cupluri de material. De exemplu, coeficientul de frecare în regim mixt de tragere este: Fier pe fier μ = 0,15...0,20 Fier pe oţel μ = 0,14 Staniu pe oţel μ = 0,33 În urma unui regim de frecare uscată coeficientul de frecare are o valoare cuprinsă între 0,5..1 şi chiar mai mult; Fig

74 Caracteristicile de formă ale filierei (fig.6.2). Filiera se caracterizează printr-un profil longitudinal. Profilul transversal, considerat în zona de calibrare IV determină secţiunea sârmei. Profilul longitudinal determină procesul de deformare şi este format din şase zone I zona sau conul de intrare; II zona sau conul de ungere ; III zona de deformare care asigură reducerea secţiunii materialului cu un grad de deformare de % pentru sârmele subţiri şi de % pentru sârmele groase. Această zonă se caracterizează prin unghiul la vârf al conului α. Unghiul de deschidere optim este cu atât mai mic, cu cât creşte rezistenţa la deformare şi se micşorează dimensiunile semifabricatului iniţial în raport cu dimensiunile sale finale. Mărimea unghiului de deschidere se alege astfel: α pentru oţel; α pentru oţeluri moi şi cupru; α pentru metale moi şi aluminiu. Constanta C = [1+(μ/α) depinde de coeficientul de frecare μ şi unghiul de deformare α, exprimat în radiani. Înlocuind valorile cunoscute în această relaţie se poate constata că această constantă C ia valori cuprinse între 1 şi 3 (C=1..3). IV zona de calibrare; V zona de degajare, având unghiul la vârf de aproximativ 40 0 ; VI zona de ieşire. Rotirea filiere conduce la micşorarea forţei de tragere şi la obţinerea unor produse calitativ superioare ca precizie dimensională şi ca aspect, mărind totodată durata de lucru a acesteia. Se consideră că la o rotire de aproximativ 3000 rot./min, în cazul sârmelor din oţel, se obţine o reducere de aproximativ 75 % a forţei de tragere. Lubrifiantul folosit influenţează direct frecarea în filieră (μ va fi mai mic), forţa de tragere, temperatura rezultată în urma procesului, proprietăţile mecanice şi de suprafaţă a produsului tras. Ca lubrifiant, pentru tragerea sârmelor din oţel, se recomandă utilizarea prafului se săpun. Atât tragerea cât şi trefilarea se realizează la temperatura mediului ambiant şi, ca urmare, deformarea plastică este însoţită de un proces de ecruisare cu consecinţe asupra modificării caracteristicilor de rezistenţă şi de plasticitate a materialului. De exemplu, rezistenţa de rupere la tracţiune creşte cu până la 2...2,5 ori. Acest procedeu tehnologic se foloseşte, uneori, şi pentru îmbunătăţirea unor caracteristici mecanice ale materialelor. 4. Utilaje, scule, aparatură şi materiale Fig.6.2 În vederea desfăşurării procesului de tragere a sârmelor se foloseşte o portfilieră modificată şi adaptată pentru a fi folosită la tragerea sârmelor pe maşina universală de încercat la tracţiune. Portfiliera se montează în bacul mobil superior al maşinii de încercat, iar capătul sârmei supus tragerii va fi prins în bacul inferior fix. În prealabil sârma este ascuţită (prin polizare sau deformare) şi trecută suficient de mult prin filieră încât să poată fi prinsă de bacul maşinii, iar filiera să fie sprijinită în portfilieră. În cursul procesului de tragere, manometrul maşinii de încercat permite măsurarea forţei reale de tragere, T r în anumite condiţii de lubrifiere. Pentru trageri succesive se foloseşte un set de cinci filiere al căror diametru calibrat este marcat pe fiecare dintre ele. Materialul sârmei supuse procesului de tragere este un oţel moale recopt şi cuprat. În vederea determinării modificării proprietăţilor mecanice, ca urmare a ecruisării materialului tras prin filieră, se vor tăia diferite probe care vor fi supuse încercării la tracţiune, la îndoire alternantă şi forfecare. Pentru fiecare determinare se vor folosi utilaje şi dispozitive specifice. Ca lubrifiant se foloseşte praf de săpun sau unsoare consistentă, iar pentru măsurarea probelor se utilizează şublerul sau micrometru. Cu ajutorul microscopului metalografic, pe proba deja pregătită din materialul tras prin diferite filiere, se vor face măsurători asupra gradului de deformare a grăunţilor cristalini. 74

75 5. Desfăşurarea lucrării Procesul de prelucrare prin tragere se realizează, pentru sârme subţiri aflate în stare recoaptă, începând de la diametrul de 4 mm pentru prima filieră şi continuând cu celelalte, în ordinea descrescătoare a diametrului calibrat al filierelor. Tragerea se desfăşoară fără recoaceri intermediare între două trageri succesive şi în trei condiţii de lubrifiere (fără lubrifiant, cu lubrifiant praf de săpun şi cu unsoare consistentă). Pentru fiecare treaptă de tragere se măsoară, cu ajutorul micrometrului, diametrul iniţial al sârmei d 0 (el putând fi citit şi pe filiera prin care a fost trasă sârma în faza precedentă, fiind inscripţionat pe aceasta) şi diametrul sârmei trase d f (care poate fi citit şi pe filiera în care se găseşte sârma, fiind inscripţionat pe aceasta). Forţa de tragere reală T r se citeşte pe cadranul maşinii de încercat. Lungimea l 0 este rezultatul diferenţei dintre o lungime l (aproximativ 150 mm) măsurată pe sârma de la filieră în amonte (înspre partea cu diametrul d 0 al sârmei) până la un reper trasat vizibil pe sârma încă nesupusă procesului de tragere şi o lungime l măsurată, după tragerea sârmei, tot de la filieră la reperul trasat. l 0 = l l Lungimea finală l 1 se citeşte la acul indicator al maşinii de încercat şi care arată deplasarea traversei mobile, respectiv al capătului sârmei, în raport cu bacul fix. De obicei lungimea de tragere l 1 se stabileşte fie la 100 mm, fie la 50 mm. Pe baza măsurătorilor efectuate se calculează următoarele mărimi caracteristice: Reducerea absolută de secţiune: Δ abs = S 0 - S f în care: S 0 = (πd 0 2 )/4 şi S f = (πd f 2 )/4 Reducerea relativă: δ r = [(S 0 S f )/S 0 100] = [(d 0 2 d f 2 )/ d ], [%] Pentru un material ideal plastic, reducerea maximă de secţiune este de 63 %. În condiţii normale de tragere, reducerea maximă scade mult, apropiindu-se de 50 %. Lungimea absolută: λ abs = λ 1 λ 0 Lungimea relativă: λ r = [(l 1 l 0 )/l 1 100], [%] Coeficientul de lungire: μ 1 = l 1 /l 0 Coeficientul de reducere a secţiunii: k = S f S 0 = d f 2 /d 0 2 Experimental se determină următoarele caracteristici: Numărul de îndoiri alternante până la ruperea unor probe realizate din sârmele supuse procesului de tragere prin una sau mai multe filiere. Se notează numărul ciclurilor de îndoire n 1, n 2, n 3.. pentru fiecare dintre aceste probe şi se analizează influenţa gradului de ecruisare asupra capacităţii de îndoire a materialului. Se execută încercări la tracţiune pe probe cu lungime de 150 mm obţinute din sârmă recoaptă şi din cele trase printr-o filieră, prin două filiere şi aşa mai departe şi se determină caracteristicile mecanice: rezistenţa de rupere la tracţiune Rm 1, Rm 2, Rm 3... şi alungirea A 1, A 2, A 3.. ale materialului supus procesului de prelucrare prin tragere (relaţiile de calcul sunt date la încercarea la tracţiune) Se efectuează încercarea la forfecare pe probe având lungimea de 50 mm obţinute din sârmă aflată în stare recoaptă precum şi din cele trase prin diferite filiere şi se determină rezistenţa la rupere la forfecare cu relaţia: τ = F/2 S 0 [dan/mm 2 ], în care: F este forţa de rupere la forfecare. S 0 secţiunea probei Rezistenţa de rupere la forfecare se calculează pentru fiecare probă obţinută în urma tragerii, iar rezultatele se notează cu σ 1, σ 2, σ 3 etc. Se calculează valoarea teoretică a forţei de tragere cu ajutorul următoarei relaţii de calcul: T = C σ c (S 0 S 1 ) în care, pentru condiţiile concrete de tragere se folosesc următorii coeficienţi: C = 3, când nu se foloseşte lubrifiant; C = 2,5, când se utilizează praf de săpun ca lubrifiant; C = 2, când se foloseşte unsoare consistentă ca şi lubrifiant. σ c este rezistenţa la compresiune a materialului sârmei supuse procesului de tragere. În particular, sârma utilizată frecvent la efectuarea determinărilor experimentale are rezistenţa la compresiune de 42 dan/cm 2. 75

76 Cunoscând forţa de tragere teoretică şi cea reală (obţinută în condiţii experimentale) se determină valoarea abaterii procentuale a acesteia cu ajutorul relaţiei: A = [(T r -T)/T r ] 100, [%] Se măsoară la microscop dimensiunile a 3..6 grăunţi cristalini din probele metalografice obţinute din sârma recoaptă şi din cele trase prin una sau mai multe filiere. Se constată că grăunţii cristalini ai sârmelor trase sunt alungiţi faşă de cei ai sârmei recoapte, care sunt echiaxiali. Se calculează gradul de fibrozare ca raportul dintre lungimea L g şi lăţime medie l g a grăuntelui cristalin cu relaţia: A = (L g /l g ) 100, [%] Iar valorile vor fi comparate între ele pentru a urmări gradul de fibrozare A al materialului la trecerea prin filieră. Rezultatele se vor trece în tabelul 6.1 şi 6.2. Tabelul 6.1 Nr. d 0 filieră [mm] l 0 [mm] d r [mm] l 1 [mm] δ abs [mm 2 ] δ r [%] λ abs [mm] λ r [%] L g [μm] l g [μm] A [%] Tabelul 6.2 Nr. d 0 filieră [mm] k n F max [dan] R m [dan/mm 2 ] F [dan] τ [dan/mm 2 ] T [dan] T r [dan] l g [μm] T p [%] 5. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Pe baza datelor înscrise în tabel se vor trasa următoarele curbe de variaţie: n i = f(k); T r = f(k); T = f(k); λ r = f(k); δ r = f(k); τ r = f(k); R m = f(k); A = f(k). Se vor face observaţii cu privire la influenţa numărului de trageri şi a lubrifiantului folosit asupra variaţiei mărimilor n şi T. 76

77 7.1. Defectoscopia cu ultrasunete 1. Scopul lucrării 7. CONTROLUL NEDISTRUCTIV AL MATERIALELOR Cunoaşterea metodologiei şi aparaturii necesare controlului cu ultrasunete a materialelor (conform STAS ). Defectoscopia ultrasonică se aplică pieselor metalice şi nemetalice cu scopul punerii în evidenţă a defectelor interioare ale materialului. În acelaşi timp, se poate stabili cu o anumită aproximaţie, mărimea şi poziţia defectelor în material. 2. Noţiuni teoretice Ultrasunetele sunt vibraţii ale mediilor elastice cu frecvenţe mai mari de 20 KHz. Tehnica actuală permite obţinerea unor vibraţii cu frecvenţe de până la 1300 MHz. Elementele de bază în producerea ultrasunetelor sunt generatorul de ultrasunete şi palpatorul. Ultrasunetele pot fi generate prin procedee mecanice, termice, electrodinamice, magnetostatice sau piezoelectrice şi sunt utilizate în controlul nedistructiv datorită unor proprietăţi pe care le posedă, cum sunt: se propagă prin medii omogene cu o viteză constantă a cărei valoare depinde de caracteristicile mediului respectiv şi tipul undelor. Viteza de propagare v, a undelor longitudinale printr-o bară metalică este dată de relaţia: v = radical din E/ρ, unde: E - reprezintă modulul de elasticitate; ρ densitatea materialului. sunt absorbite de mediul pe care îl străbat atenuându-le intensitatea iniţială,,i 0 în funcţie de lungimea drumului parcurs,,x şi de coeficientul de atenuare,,α. Acest coeficient este în funcţie de frecvenţa vibraţiei ultrasonice şi mărimea cristalului piezoelectric. Intensitatea undelor ultrasonice la ieşirea lor din mediul străbătut este dată de relaţia: I a = I 0 e -2αx unde: I a este intensitatea undelor la ieşirea din mediul străbătut. îşi schimbă direcţia la suprafaţa de separare a două medii prin reflexie sau refracţie; ocolirea prin difracţie a obstacolelor (defectelor), la lungimi de undă λ mai mari decât dimensiunea iradiată a obstacolului. Vibraţiile ultrasonice pot fi întreţinute, adică emise în mod continuu de către un generator, sau pot fi emise sub formă de impulsuri cu o anumită durată şi la intervale regulate de timp. Generarea ultrasunetelor prin efect piezoelectric. Unele cristale supuse unor eforturi de compresiune sau întindere după anumite direcţii dezvoltă pe suprafeţele lor sarcini electrice ce au valori egale şi de semn contrar. Valoarea sarcinilor electrice Fig depinde de mărimea efortului aplicat asupra cristalului, iar semnul plus sau minus depinde de tipul deformaţiei (întindere sau compresiune). Dacă un asemenea cristal se găseşte într-un câmp electric, el se va deforma în funcţie de sarcinile electrice ce se găsesc pe o parte sau pe cealaltă a cristalului. Acest lucru arată că efectul piezoelectric este ireversibil Palpatorul este format din ansamblul traductorului piezoelectric cu montura sa. Traductorul piezoelectric este dispozitivul care transformă energia electrică în energie mecanică şi invers. El trebuie să fie realizat astfel încât zgomotul intern să nu perturbe interpretarea indicaţiilor obţinute pe ecran în raport cu sensibilitatea aleasă. Materialele piezoelectrice cel mai des utilizate în defectoscopie sunt cuarţul şi materialele ceramice sinterizate.

78 Dacă traductorul este perpendicular pe suprafaţa piesei, undele ultrasonice emise sau recepţionate sunt longitudinale şi palpatorul se numeşte drept sau normal (fig. 7. 1a). Acest traductor este format din suportul 1, corpul de amortizare 2, inductorul 3, stratul de protecţie 4 şi mufa de legătură 5. Dând traductorului o anumită înclinaţie faţă de suprafaţa piesei supusă examinării, undele ultrasonice emise sau recepţionate sunt şi ele înclinate cu un anumit unghi faţă de normala la această suprafaţă şi, în acest caz, undele se consideră transversale, iar palpatorul se numeşte înclinat sau unghiular (fig. 7. 1b). Acest palpator se compune din traductorul 1, electrozii de contact 2, masa fonoabsorbantă 3, pana de cuplare 4, conductorii 5, fişa de legătură 6 şi carcasa 7. Dacă palpatorul este paralel cu suprafaţa piesei undele ultrasonice se vor propaga la nivelul acesteia numindu-se unde de suprafaţă. La alegerea palpatorului se are în vedere forma piesei de examinat, caracteristicile presupuse ale defectelor, starea suprafeţei materialului etc. Cuplantul. Ultrasunetele se propagă bine prin medii solide şi lichide. În aer undele transversale nu se propagă, iar cele longitudinale se atenuează cu mare rapiditate. De aceea, startul de aer dintre palpator şi piesă apare ca un ecran ultrasonic. Pentru a înlătura acest inconvenient, între piesă şi palpator se introduce un mediu de cuplare sub formă de pastă, lichid sau semilichid (ulei mineral, glicerină, mercur), numit cuplant. 3. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Metodele de analiză aplicate în defectoscopia ultrasonică sunt: Metoda prin transmisie Se folosesc două palpatoare dintre care unul de emisie şi altul de recepţie (fig.7. 2). Metoda presupune o poziţionare riguroasă a palpatoarelor unul în raport cu celălalt şi din această cauză metoda este mai rar utilizată. Fig.7.2 Metoda rezonanţei Constă în transmiterea undelor ultrasonice printr-un material de grosime d, cu ajutorul unui traductor (fig. 7.3). Prin modificarea frecvenţei se modifică lungimea de undă a impulsului λ, iar în piesă apar unde staţionare de rezonanţă, atunci când este satisfăcută relaţia: d = K(λ/2), unde K este un număr oarecare (o, 1, 2...). Metoda prin impuls reflectat Această metodă utilizează un palpator normal (fig.4 a) sau unul unghiular (fig.4 b) care îndeplineşte atât funcţia de emisie, cât cea de recepţie. În aceste imagini se disting următoarele elemente: 1 piesă, 2 defect, 3 razele fasciculului, 4 cuplant, 5 palpator, 6 mufe, 7 cablu de comenzi, 8 ecran, 9 ecou iniţial, 10- ecou de defect, 11- ecou de fund. Impulsurile sunt transmise intermitent prin piesa de examinat, iar în timpul dintre două emisii sunt recepţionate semnalele reflectate. Ecoul generat de defectul 10 se găseşte între Fig.7.3 ecoul iniţial 9 şi ecoul de fund 11. Metoda se aplică la măsurarea grosimii pereţilor metalici faţă de care nu există acces decât printr-o parte şi la stabilirea defectelor din interiorul materialelor. 78

79 Cele mai utilizate metode pentru detectarea defectelor cu ajutorul ultrasunetelor sunt: Controlul ultrasonic prin metoda impulsului reflectat (metoda ecoului). Modul de lucru utilizat la detectarea unor defecte cu ajutorul ultrasunetelor depinde de poziţia presupusă a defectului, de forma piesei şi de procedeul de control adoptat. Aproape toate aparatele lucrează pe principiul reflexiei impulsurilor. În conformitate cu această metodă palpatorul trebuie aplicat pe piesă în aşa fel încât să se realizeze un contact cât mai intim şi continuu între cele două elemente. De aceea, între palpator şi piesă se intercalează un strat de ulei mineral ce are rolul de cuplant. Suprafaţa de examinat trebuie să fie netedă, fără reziduri şi fără urme de oxizi sau impurităţi. Pentru oţel şi aliaje de aluminiu frecvenţa de lucru cea mai potrivită este de 2,5 MHz. Metoda utilizează un palpator normal care îndeplineşte funcţia dublă de emiţător şi receptor. Se realizează montajul din figura 7.3 a, după care se reglează şi se calibrează aparatul ultrasonic în aşa fel încât să se observe pe ecranul defectoscopului ecoul de fund E f, ecoul iniţial E i şi ecoul defectului E d situat între cele două ecouri (iniţial şi de fund). Cunoscând lungimea piesei L, calibrăm imaginea pe ecranul defectoscopului şi aplicăm legea proporţiilor mărimilor măsurate pe defectoscop şi piesă, conform relaţiei: l/l = x/x. Din această relaţie se poate determina distanţa la care se găseşte defectul, astfel: l = L(x/X). Rezultatele determinărilor se trec în tabelul 7.1 Tabelul 7.1 Nr. probă Material l [mm] Fig.7.4 L [mm] x [mm] X [mm] Observaţii Controlul îmbinărilor sudate Îmbinările sudate se examinează în funcţie de grosime, tipul îmbinării, geometria şi natura materialului de bază folosit. Examinarea se face de regulă pe suprafeţe plane şi curbe cu palpatoare monocristal de unde transversale, cu unghiuri de reflexie cuprinse între 35 0 şi Grosimea îmbinărilor 79

80 sudate este cuprinsă între 16 şi 150 mm. Defectele detectabile în îmbinările sudate se clasifică în defecte longitudinale şi transversale faţă de axa de simetrie a îmbinării sudate. În figura 7.5 este prezentate modul de examinare a unei îmbinări sudate. Prin deplasarea palpatorului perpendicular pe cordonul de sudură din poziţia 1în poziţia 3 se examinează sudura pe contur, de sus în jos, iar prin deplasări combinate de-a lungul cusăturii se examinează tot cordonul de sudură. Se pot astfel determina defecte în cordonul de sudură, cum ar fi: goluri de sudură; pătrunderi incomplete ale materialului în rostul îmbinărilor sudate; incluziuni de zgură care apar în funcţie de calitatea sudurii. Fig

81 7.2. Defectoscopia cu raze X 1. Scopul lucrării Punerea în evidenţă a defectelor interioare ale pieselor metalice sudate, turnate, matriţate sau laminate printr-un contro nedistructiv cu raze X a acestora. Principalele defecte puse în evidenţă prin această metodă (STAS 6606/1-86) sunt: incluziuni, goluri de turnare, fisuri, segregaţii etc. La îmbinările sudate, controlul rőentgenografic este de neînlocuit, deoarece poate pune în evidenţă incluziunile de gaze sau zgură din cordonul de sudură, suduri incomplete, fisuri etc., care pot deveni periculoase în timpul funcţionării. 2. Noţiuni teoretice Identificarea defectelor interne, conform acestei metode, se bazează pe absorbţia razelor X de către diferite corpuri (fig.7 a). Razele X sunt absorbite de material conform următoarei relaţii: I = I 0 e -μd unde: μ este coeficient de absorbţie liniară, care este cu atât mai mare cu cât densitatea corpului de material este mai mare [cm -1 ]; D este drumul străbătut de razele X prin piesă [cm]; I intensitatea razelor X la ieşirea din material; I 0 intensitatea razelor X la intrarea în piesă. Dacă un fascicul de raze X, emis de sursa 1 la intensitatea I 0, trece prin piesa 2 care are grosimea D şi coeficientul de absorbţie liniară μ fără să întâlnească un defect. Atunci intensitatea razelor X la ieşirea din piesă va fi I = I 0 e -μd. În cazul în care fascicolul întâlneşte un defect cu grosimea d şi coeficientul de absorbţie μ 1, intensitatea lui la ieşirea din piesă va fi: I = I 0 e -[μ(d-δd)+μ 1 Δd] Unde μ 1 este coeficientul de atenuare liniar al radiaţiei la trecerea lui prin defect. Făcând raportul I/I 1, se obţine: I/I 1 = e (μ-μ 1 )Δs Prin logaritmare şi neglijarea lui μ 1 în raport cu μ se obţine: Δ Smin = Ln(K-1)μ Coeficientul K este definit ca diferenţa de înnegrire minimă sesizabilă cu ochiul liber şi are valoarea K = 0,02. Valoarea coeficientului μ este în funcţie de grosimea şi marca materialului şi poate fi luată din tabel sau determinată cu ajutorul relaţiei: μ= e -E μ= e -E μ= e -E 0,8/1,25 /1,45 0,32/0,52, pentru oţel;, pentru cupru;, pentru aluminiu. Se poate observa că I > I 1 La ieşirea din piesă, intensitatea razelor X este diferită în funcţie de grosimea ei şi de eventualele defecte întâlnite (fig.7.6 b). Regiunea înnegrită 3 din figura 7.6 a reprezintă un defect care are o densitate mai mare decât piesa, iar regiunea albă 4 din aceeaşi figură reprezintă un defect cu densitatea normală a corpului. Defectoscopia cu raze X constă în studierea acestor diferenţe de intensitate cu ajutorul metodei Fig.7.6. fotografice, luminiscenţei sau prin metoda ionizării. Metoda cea mai des utilizată este metoda radiografică. Ea se bazează pe faptul că defectele din piesa expusă apar înnegrite pe un film fotografic. 81

82 Această metodă urmăreşte obţinerea imaginii structurii macroscopice a materialului examinat cu ajutorul radiaţiilor X şi înnegrirea acestei imagini pe un film. Astfel, pe film apare imaginea internă a materialului controlat, scoţând în evidenţă neomogenitatea macroscopică a acestuia. Pentru punerea în evidenţă a conformaţiei interioare a unui corp este necesar ca acesta să fie aşezat astfel încât porţiunea care interesează a fi examinată să se intersecteze perpendicular cu direcţia de propagare a radiaţiilor. În figura 7.7 se prezintă schematic principiul acestei metode. Sursa de radiaţii S trimite fascicolul conic de radiaţii prin piesa 1 pe care o traversează şi o impresionează pe filmul 22. Imaginea 5 reprezintă o secţiune transversală prin piesă. Se poate observa că zonele mai subţiri sau cu pori 3, creează o imagine radiantă Fig.7.7 mai intensă şi produc pe film imagini închise. Zonele mai groase sau incluziunile metalice 4 au un efect contrar, de culoare mai deschisă. Utilizarea acestei metode este condiţionată de complexitatea aparaturii şi de energiile radiaţiilor X, obţinute la diferite aparate. În general. Se utilizează aparate cu tensiuni de lucru cuprinse între 800 şi 400 KV. Cele mai utilizate surse de producere a radiaţiilor X sunt tuburile bazate pe principiul tubului Coolidge. 3. Desfăşurarea lucrării În funcţie de forma şi mărimea piesei de examinat, se alege mărimea filmului sau numărul de expuneri necesare pentru acoperirea zonei ce urmează a fi examinată. De obicei, fascicolul de radiaţii trebuie să aibă axa de simetrie plasată în centrul filmului şi perpendicular pe ea. În funcţie de mărimea filmului se alege distanţa focală şi care trebuie să fie de minim 1,5 ori diametrul câmpului examinat. Se pregăteşte piesa de examinat printr-o curăţire mecanică, chimică sau electrochimică, după care se aşează filmul cât mai aproape de zona examinată şi se supune radiaţiei. Se determină apoi parametrii de lucru şi timpul de expunere. Pentru micşorarea timpului de expunere se utilizează ecrane întăritoare din plumb. După expunere, filmul se developează, se fixează şi se usucă după care se prelucrează şi se interpretează rezultatele. 4. Interpretarea rezultatelor şi menţionări în buletinul de analiză Ca urmare a efectului fotochimic produs de radiaţii penetrante, rezultă imaginea radiografică. O calitate bună a imaginii se poate obţine numai cunoscând factorii care o influenţează. Cu cât diferenţa de înnegrire este mai mare, cu atât contrastul este mai pronunţat şi permite depistarea mai uşoară a defectelor din piesă. Sensibilitatea metodei radiografice se apreciază după mărimea minimă a defectului detectat. Ea depinde, în primul rând, de grosimea materialului examinat. Notând cu d grosimea defectului şi cu D grosimea piesei, sensibilitatea metodei radiografice se determină cu relaţia: s = (d/d)100 Defectele cele mai des întâlnite sunt: Sufluri (incluziuni de gaze). Ele apar pe imaginile radiografice sub forma unor pete înnegrite, cu densitate de înnegrire mijlocie, contur neregulat şi contrast ridicat. Incluziuni solide (zgură, incluziuni metalice). Ele apar sub formă de pete întunecate cu densitate de înnegrire mijlocie, contur neregulat şi contrast mai scăzut ca şi la sufluri. Lipsa de topire. Este o consecinţă a cantităţii de căldură insuficientă în zona sudurii şi, în acest caz, materialul depus poate rămâne nelegat de metalul de bază. În imaginile radiografice ea apare ca o zonă întunecată cu densitate mare de înnegrire, contrast ridicat, contur regulat şi de formă alungită. Fisurile. Ele pot fi longitudinale, transversale, ramificate şi stelate. Pe radiografii apar sub forma unor linii subţiri, cu densitate de înnegrire mare, contur neregulat şi contrast scăzut. În buletinul de control se vor specifica: tipul şi parametrii de lucru ai sursei de radiaţii; 82

83 tipul şi dimensiunile filmului; valoarea şi calitatea imaginii obţinute; defectele puse în evidenţă. 83

84 7.3. Defectoscopia cu raze gama 1. Scopul lucrării Punerea în evidenţă, cu ajutorul radiaţiilor gama, a defectelor interioare (incluziuni, retasuri, pori, sufluri, fisuri, suduri nepătrunse etc.) din piesele turnate, forjate sau sudate. Radiaţiile gama se caracterizează printr-o energie mare şi o lungime de undă mică. Puterea de pătrundere printr-un material a razelor gama este mai mare decât a razelor X. 2. Noţiuni teoretice Este o metodă de control nedistrucriv (STAS 6606/1-86), care se bazează pe dependenţa dintre penetrarea radiaţiei gama şi structura macroscopică a materialului. Elementul principal al acestei metode îl constituie sursa de radiaţii gama care este o sursă radioactivă naturală. Metoda de control este răspândită deoarece instalaţiile sunt de dimensiuni mici, destul de simple şi portabile, putând fi utilizate atât în atelier cât şi în afara lui. Radiaţiile gama au o putere de penetrare mare, asigură un contrast bun şi permit controlul pieselor de grosime apreciabilă. Dezavantajul metodei poate fi considerat sensibilitatea radiografiei care este inferioară celei cu raze X. Iradierea cu sursele gama nu poate fi întreruptă, motiv pentru care utilizarea, manipularea şi depozitarea acestora reclamă măsuri severe pentru asigurarea protecţiei personalului. Sursele de radiaţii gama utilizate la controlul nedistructiv sunt surse radioactive. Izotopii radioactivi pot fi obţinuţi prin fuziune, activare sau reacţii nucleare. Majoritatea izotopilor radioactivi se prepară prin activare deoarece sunt mai ieftini. Prin activare, izotopii se obţin introducând materiale stabile în fluxuri de neutroni unde, după un timp, are loc emisia de fotoni gama. Orice sursă radioactivă este închisă într-un înveliş de protecţie etanş şi inactiv numit capsulă care prezintă o rezistenţă suficient de mare pentru a împiedica, în condiţii normale de utilizare, orice dispersie sau împrăştiere a materialului radioactiv conţinut şi orice posibilitate de contaminare. Ca sursă radioactivă se folosesc pastile de Co60, Ir92. Cs137, Tm170. Instalaţiile pentru gamagrafie sunt de mai multe tipuri dar au, în principiu, aceleaşi elemente. În figura 7.8 se prezintă schematic o instalaţie de gamagrafie. Părţile principale ale unei instalaţii sunt containerul şi dispozitivul de comandă. Containerul 1 este compus dintr-un bloc de protecţie din plumb, titan sau uraniu sărac ce are prevăzut la interior un canal în care se păstrează sursa 2 montată într-o Fig.7.8 capsulă articulată de un ax flexibil 7 şi prevăzut cu un sistem de obturare. Sistemul de comandă este compus dintr-o carcasă 9 în care este montată o roată ce acţionează cablul special 3 la rotirea manivelei 6. Cablul 3 se cuplează cu axul flexibil 7 şi transportă sursa din poziţia 2a până în poziţia 2c în capul de iradiere 5 (colimatorul). Cablul 3 este direcţionat prin tubul de cauciuc 4 şi este legat prin sistemul de cuplare 8 de axul flexibil 7. Lungimea cablului diferă de la o variantă constructivă la alta. După terminarea radiografiei sursa de radiaţii este retrasă în container. 84

85 3. Desfăşurarea lucrării În general, la controlul cu raze gama se respectă aceleaşi reguli ca şi la defectoscopia cu raze X fixându-se ca valoare limită pentru raza incidentă cu pelicula fotosensibilă unghiul de Când se lucrează cu surse deschise se pot examina mai multe piese. Pentru a avea certitudinea că radiografia obţinută redă detaliile din interiorul materialului, suprafaţa piesei supuse controlului trebuie să fie curăţată şi fără defecte vizibile. Curăţirea suprafeţelor se poate face mecanic, chimic sau electrochimic. Pentru identificare se folosesc simboluri şi indicative (cifre şi litere de plumb, indicatoare de calitate). În figura 7.9 a este prezentat modul de examinare a unei suduri la o ţeavă cu diametrul mai mare de 89 mm cu iradierea unui singur perete, iar în figura 7.9 b examinarea unei suduri la o ţeavă cu diametrul mai mic de 89 mm cu iradierea a doi pereţi. În aceste imagini se identifică sursa de radiaţii S, filmul 1, simbolul 2, indicatorul de calitate 3 şi divergenţa fasciculului 2β. Fig Interpretarea rezultatelor Interpretarea rezultatelor se face ca şi la defectoscopia cu raze X. Valorile privind calitatea piesei sunt impuse prin standardul sau documentaţia tehnică a produsului. În finalul operaţiei de control se 85

86 încheie un buletin de control care trebuie să cuprindă date referitoare la timpul şi parametrii de lucru ai sursei de radiaţii, tipul filmului, geometria de expunere, valoarea de calitate a imaginii obţinute etc. 86

87 7.4. Defectoscopia magnetică 1. Scopul lucrării Punerea în evidenţă a defectelor de suprafaţă şi din imediata apropiere a suprafeţei semifabricatelor trase, laminate, forjate, prelucrate prin aşchiere etc. Aceste defecte sunt de tipul fisurilor, exfolierilor, incluziunilor, suflurilor etc. Această metodă de control se aplică numai pentru detectarea defectelor pieselor din materiale feromagnetice (STAS ). 2. Noţiuni teoretice Defectoscopia magnetică se bazează pe trecerea unui câmp magnetic sau electric printr-un material feromagnetic. Dacă în material există defecte, liniile fluxului magnetic ocolesc aceste defecte (le înconjoară). Punerea în evidenţă a defectului se face cu ajutorul unei pulberi feromagnetice foarte fine care va fi reţinută tocmai în locurile cu discontinuităţi, pentru a restabili propagarea fluxului magnetic pe drumul cel mai scurt. Posibilitatea folosirii unor metode magnetice de control nedistructiv depinde de proprietăţile magnetice ale materialelor. Materialele feromagnetice păstrează magnetismul după încetarea acţiunii câmpului magnetizat şi au permeabilitatea magnetică dependentă de mărimea câmpului de magnetizare. Dacă se schimbă mărimea câmpului de magnetizare începând de la zero şi se măsoară inducţia B se obţine curba de Fig.7.10 dependenţă din figura 7.10 a. Pe porţiunea a-b, dependenţa inducţiei B de mărimea câmpului coercitiv H arată o tendinţă spre saturare magnetică a materialului. Micşorând tensiunea câmpului după atingerea saturaţiei, se constată că inducţia nu revine la valoarea iniţială, curba căpătând aspectul b-c-d-e. După parcurgerea ciclului de magnetizare, se obţine curba histerezis (fig.7.10-b), specifică materialelor feromagnetice. Mărimea H c se numeşte forţă coercitivă şi este Fig.7.11 folosită în practică la controlul magnetic. Câmpul coercitiv este o variabilă care depinde de un număr de factori, cum ar fi: natura materialului, omogenitatea şi duritatea sa, geometria piesei etc. Orice discontinuitate existentă într-o piesă magnetizată va produce o perturbare a câmpului Fig.7.12 magnetic, iar un defect de suprafaţă va crea un pol nord şi unul sud la marginile sale (fig.7.11). O parte din liniile de câmp vor ieşi în afara materialului, (fig.7.12), producând un câmp de scăpări (de dispersie). 87

88 Câmpul magnetic de scăpări apare datorită faptului că liniile de câmp ocolesc discontinuitatea (defectul) deoarece ea prezintă un obstacol cu permeabilitate magnetică mică. Mărimea câmpului magnetic de scăpări depinde în mod direct de orientarea defectului în raport cu liniile de forţă ale câmpului magnetic. Magnetizarea pieselor în Fig.7.13 vederea controlului magnetic se face prin următoarele metode: Magnetizarea longitudinală sau polară Această metodă poate fi realizată cu ajutorul unui magnet sau a unui electromagnet care induce fluxul magnetic în piesa de controlat, sau cu ajutorul unei bobine în care se induce piesa de controlat (fig.7.13). Magnetizarea transversală Curentul electric care trece printr-un conductor liniar produce un câmp magnetic circular în jurul conductorului, iar liniile câmpului magnetic sunt perpendiculare pe direcţia curentului (fig.4.14). Sensibilitatea metodelor depinde de o serie de factori, cum ar fi: permeabilitatea magnetică a materialului; intensitatea de magnetizare; mărimea şi poziţia defectelor; forma piesei. 3. Desfăşurarea lucrării Fig.7.14 Defectoscopul magnetic, din punct de vedere al posibilităţilor de magnetizare, dispune în general de două circuite de magnetizare cuplabile succesiv sau simultan. Piesa de analizat PE se aşează între contactele defectoscopului astfel ca suprafaţa se aşezare să fie cât mai mare şi contactul cât mai intim (fig.7.15). Defectoscopul din această figură este un defectoscop TOS tip IV. Aparatul alimentat cu curent continuu prin intermediul a două transformatoare Tr. I şi Tr. II, poate furniza curent direct piesei supuse controlului sau unui redresor R. În primul caz, în jurul pieselor ia naştere un câmp magnetic circular necesar detectării defectelor longitudinale. În al doilea caz, redresorul furnizează un curent continuu electromagnetului EM al cărui miez este închis de piesa de examinat PE şi în care se induce un câmp magnetic longitudinal necesar punerii în evidenţă a defectelor transversale. În timpul examinării, o pompă P refulează peste piesă o suspensie de pulbere magnetică în ulei sau petrol. Suspensia este formată din petrol sau ulei mineral foarte fluid în care se introduce, într-o proporţie de grame la litru, o pulbere magnetică formată din oxizi de fier de tipul Fe 3 O 4 având o granulaţie cât mai fină. Pentru uşurarea observării depunerilor de pulbere se pot folosi pulberi colorate obţinute prin reacţii chimice (oxidare, clorinare etc.), fluorescente obţinute prin acoperirea piesei controlate cu vopsea de contrast. După detectarea defectelor piesa se demagnetizează deoarece magnetismul remanent mare ar putea dăuna funcţionării piesei, precum şi pentru îndepărtarea pulberii magnetice de pe piesă. Demagnetizarea se poate face prin aşezarea piesei de-a lungul liniilor unui câmp magnetic creat de o bobină alimentată cu curent alternativ sau continuu. 88

89 Fig Interpretarea rezultatelor şi menţiuni în buletinul de analiză Aglomerările de pulberi apărute pe suprafaţa piesei supusă controlului poartă denumirea de indicaţie. Indicaţiile pot proveni de la un defect sau de la o altă cauză, cum ar fi magnetizarea neadecvată a piesei controlate, caz în care indicaţiile sunt false. Fisurile rezultate în urma călirii, forjării sau matriţării creează în mod obişnuit depuneri compacte de pulberi sub formă de linii frânte sau drepte. Fisurile fine generează linii drepte sau uşor curbate, iar cantitatea depunerilor depinde de mărimea defectului. La îmbinările sudate, indicaţiile se prezintă sub forma unor linii întrerupte sau punctate. În buletinul de încercare se vor specifica: felul metodei de control; distanţa dintre electrozi; tipul pulberii magnetice; tipul lichidului suspensiei. 89

90 7.5. Controlul pieselor cu ajutorul lichidelor penetrante 1. Scopul lucrării Defectoscopia cu lichide penetrante este o metodă de control nedistructiv a materialelor metalice sau nemetalice prin care se urmăreşte punerea în evidenţă a defectelor de suprafaţă sau din imediata vecinătate a suprafeţei şi care comunică cu exteriorul (SR ISO ). 2. Noţiuni teoretice Controlul cu lichide penetrante constă în aplicarea pe suprafaţa supusă controlului a unui lichid cu calităţi bune de penetrare care pătrunde în discontinuităţile superficiale şi le pune în evidenţă prin contrast, cum ar fi: pori, fisuri, crăpături şi rupturi, se produce datorită efectului de capilaritate (fig.7.16). Developarea penetrantului are loc datorită efectului de absorbţie care, tot prin capilaritate, va absorbi o parte din lichidul penetrant reţinut în defect şi va scoate în evidenţă locul şi forma defectului. Pentru aplicarea acestei metode se foloseşte un set de lichide penetrante, compus din: degresant, penetrant şi developant. Cu ajutorul lor pot fi detectate trei categorii de defecte şi anume: Fig.7.16 defecte ale materialelor obţinute prin turnare, laminare, forjare, tragere etc.; defecte ale pieselor rezultate în procesul de fabricaţie prin sudare, lipire, presare, aşchiere etc.; defecte apărute în procesul de exploatare a pieselor: fisuri la oboseală, crăpături, rupturi, uzuri etc. Cele mai folosite metode de control cu lichide penetrante sunt: Metoda colorării, la care contrastul pentru evidenţierea defectelor este un contrast de culoare roşie pe fond alb. Metoda fluorescenţei, la care contrastul pentru evidenţierea defectelor se obţine prin examinarea în lumină ultravioletă, fiind de obicei galben-verde pe fond închis sau violet; Metode radioactive, la care defectele se pun în evidenţă prin impresionarea unui film de către substanţe radioactive. Metoda activării cu ultrasunete, la care penetrabilitatea este asigurată cu ajutorul vibraţiilor ultrasonice produse de emisia acestora în mediul de penetrare. Lichidele penetrante utilizate se clasifică după următoarele criterii După contrast, în: penetranţi coloranţi; penetranţi fluorescenţi; penetranţi radioactivi. După solubilitate, în: penetranţi solubili în apă; penetranţi solubili în solvenţi organici; penetranţi cu postemulsionare. Cel mai frecvent se utilizează penetratorii coloranţi şi fluorescenţi, solubili în apă. Cei solubili în solvenţi organici sunt calitativ superiori celor solubili în apă. Developanţii utilizaţi sunt fie sub formă de pulbere, fie sub formă de suspensie. În principiu, controlul cu lichide penetrante presupune parcurgerea mai multor etape, aşa cum sunt prezentate şi în figura

91 a) regătirea suprafeţei supusă controlului. Ea are drept scop îndepărtarea murdăriei, oxizilor şi substanţelor grase de pe suprafaţa probei, astfel încât să se asigure accesul penetrantului la cavităţile defecte, cu condiţia de a nu se produce închiderea sau mascarea defectelor. b) Depunerea penetrantului pe suprafaţa de controlat (penetrarea). Operaţia constă în aplicarea şi menţinerea penetrantului, pe suprafaţa piesei, o perioadă de timp necesară pătrunderii acestuia în defectele existente în material. Timpul de menţinere se numeşte timp de penetrare şi este specifică fiecărui lichid penetrant. c) Îndepărtarea excesului de penetrant de pe suprafaţa controlată se face cu ajutorul unui solvent specific penetrantului. O parte din lichidul penetrant rămâne în cavităţile defectelor. d) Developarea se realizează prin depunerea, pe suprafaţa controlată, a unui developant care nu este altceva decât o substanţă cu capacitate mare de absorbţie a lichidelor. De obicei, această substanţă este o pulbere foarte fină care poate fi depusă pe suprafaţa piesei prin pulverizare sau prin presărare. Pentru a se putea pune prin pulverizare, această pulbere se găseşte în suspensie într-un lichid uşor volatil. La scoaterea în evidenţă a defectelor este necesar a se aştepta un anumit timp de developare, care este specific fiecărui developant. Mărimea şi aspectul petei de culoare ce apare pe developantul depus pe piesă indică prezenţa defectului şi, într-o anumită măsură, mărimea şi forma lui. e) Examinarea defectelor observate şi înregistrate. 3. Desfăşurarea lucrării Fig.7.17 Operaţiile ce trebuie efectuate pentru obţinerea unor rezultate concludente sunt: Pregătirea suprafeţei. Suprafaţa de control trebuie să fie uscată şi curăţată de oxizi, zgură, nisip, şpan, grăsimi, uleiuri, vopsea şi impurităţi prin: insuflare cu aer sau apă sub presiune; spălare cu jet de apă pentru îndepărtarea impurităţilor mecanice; spălarea cu solvenţi organici pentru îndepărtarea impurităţilor organice (grăsimi, uleiuri, vopsele etc.); decaparea în băi acide sau bazice. După spălare se recomandă uscarea suprafeţelor cu jet de aer cald pentru a nu rămâne solvenţi în defecte. Aplicarea penetrantului. Se depune pe suprafaţa de examinat un strat subţire şi uniform de penetrant. Depunerea se poate face prin pulverizare, imersie, pensulare sau prin reţinere electrostatică. Timpul de penetrare este în funcţie de calitatea penetrantului, materialul examinat şi temperatură. El este cuprins între 5 şi 20 minute pentru cei solubili în apă. Îndepărtarea excesului de penetrant. Se face prin clătire cu apă, dacă penetrantul este solubil în apă, sau prin operaţii succesive de ştergere pentru penetranţii solubili în solvenţi organici. Operaţia se execută până la dispariţia fondului colorat sau fluorescent. Ea se efectuează numai după trecerea timpului de penetrare sau de emulsionare. Suprafaţa se usucă natural sau prin suflare cu aer cald. Aplicarea developantului. Developantul de tip pulbere se aplică prin presărare, pulverizare sau electrostatic, urmărindu-se obţinerea unui strat cât mai uniform şi fin. Developanţii de tip suspensie se aplică prin pulverizare, imersie sau pensulare. Cei mai des folosiţi developanţi solizi sunt oxidul de magneziu, silicagelul, talcul, creta etc. Timpul de developare poate fi cuprins între 0,5 şi 1 din timpul de penetrare. Pulberea trebuie să aibă o granulaţie fină, cuprinsă între 4 şi 5 μm. 91