STIINTA MATERIALELOR CURS 2 PROPRIETATILE MATERIALELOR

STIINTA MATERIALELOR CURS 2 PROPRIETATILE MATERIALELOR

Abordare din punctul de vedere al utilizatorului de materiale: Proprietati mecanice fizice chimice tehnologice

PROPRIETATI MECANICE Caracterizează răspunsul unor eşantioane de material cu forme şi dimensiuni standardizate (epruvete) la solicitări simple, de natură pur mecanică. Unei proprietăţi mecanice îi este asociată întotdeauna o valoare numerică. Clasificarea încercărilor A. Dupa tipul solicitarii aplicate Axiala Tractiune Compresiune Incovoiere Forfecare Rasucire Presiune de contact

PROPRIETATI MECANICE B. Dupa modul de aplicare a sarcinii Statica Dinamica Progresiva Regresiva Oscilanta Constanta Soc Modul / orientare variabila C. Dupa temperatura Rece (<0 C) Ambiant Cald (<300 C)

PROPRIETATI MECANICE INCERCAREA LA TRACTIUNE Fig.1 Epruveta cu secţiune rotundă pentru încercarea la tracţiune; S 0 -secţiunea iniţială; L t -lungimea totală; L c -lungimea porţiunii calibrate; L 0 -lungimea iniţială între repere (lungimea măsurată pentru calculul extensiei).

PROPRIETATI MECANICE Rezistenţa mecanică (general): definită prin reacţiunea cu care materialul se poate opune unui efort la care este supus şi se calculează ca raport între forţă şi secţiunea transversală a epruvetei s = F S S 0 > S R < σ R = F S 0 [R] = MPa =N/mm 2

PROPRIETATI MECANICE Curba de tracţiune forţă - deformaţie Curba caracteristică la tracţiune a materialului

PROPRIETATI MECANICE Zone caracteristice: deformaţie elastică proporţională (O-A) neproporţională (A-B); deformaţie plastică curgere (B-C ) ecruisare (C -D) gâtuire (D-rupere) Deformaţia elastică proporţională: legea lui Hooke F = E l 0 S Dl s = E e

PROPRIETATI MECANICE Rezistenta Rezistenta de rupere la tractiune Rezistenta (Limita) de curgere tehnica Raportul dintre forta care produce o deformatie neproportionala prescrisa si sectiunea initiala (cel mai frecvent 0.2%) R R m = p 0.2 = F m S 0 F p0.2 S 0 Performante: metale / compozite > ceramici > polimeri

PROPRIETATI MECANICE Curba de tracţiune forţă - deformaţie Curba caracteristică la tracţiune a materialului

PROPRIETATI MECANICE Ductilitatea Capacitatea materialului de a se deforma plastic inainte de rupere (notiuni conexe: plasticitate, maleabilitate); opusul ductilitatii = fragilitate A = l u - l 0 l 0 100 [%] Z = S 0 - Su 100 [%] S 0 Alungirea la rupere Gatuirea la rupere Performante: polimeri / metale >> ceramici

PROPRIETATI MECANICE Tenacitatea Capacitatea materialelor de a inmagazina energie fara sa se rupa Material tenace: Rezistent + Ductil (presupune inclusiv rezistenta la socuri rezilienta) Tenacitatea la rupere: capacitatea de a rezista la propagarea unei fisuri existente Performante: metale / compozite > polimeri >> ceramici

PROPRIETATI MECANICE Rigiditatea Caracterizeaza modul in care se opun materialele deformarii elastice sub actiunea fortelor exterioare E = tg α Performante: compozite / multimateriale > ceramici / metale >> polimeri Polimeri: 0.001 4GPa Metale: Pb - 12GPa; oteluri 210GPa; Al 80GPa; Ti 113GPa; Fibre grafit - 290GPa; Fibre sticla 17-GPa

Compacte din Ti cu modul de elasticitate foarte mic (< 10 GPa) obtinute prin Selective Laser Melting

PROPRIETATI MECANICE Duritatea Capacitatea materialelor de a se opune patrunderii penetratorilor exteriori Cel mai frecvent se masoara static Mohs minerale (ceramici) Knoop toate categoriile Brinell (HB), Rockwell(HRB, HRC,...) metale Vickers metale, ceramici Shore polimeri Performante: ceramici > metale >> polimeri

PROPRIETATI CHIMICE Esential: stabilitatea chimica Timp (problema la polimeri) Caldura + alte radiatii (problema la polimeri) Medii agresive (problema la polimeri si metale) Metale: coroziune chimica - reactie cu agenti puternic oxidanti electrochimica - reactie redox in mediu electrolitic metalul care se oxideaza anod

PROPRIETATI CHIMICE Anod: (oxidare) M 2 2 + - M + e Catod: (reducere) 1 + OH 2-2e H 2O + O2 2 - M(OH) 2 ¾ uscare ¾ MO MO pelicula protectoare daca e Exemple: Al, Ti, otel inoxidabil stabila chimic aderenta impermeabila

PROPRIETATI CHIMICE Cauza polarizarii: diferenta de potential de electrod Potential 0 de referinta electrodul normal de hidrogen H Û H + 2 2 + 2 e - reactia la echilibru, presiunea H = 1 atm. Metal Au + Pt 2+ Ag + Cu + H+ Ni 2+ Co 2+ Fe 2+ Cr 3+ Zn 2+ Ti 3+ Al 3+ Potenţial standard [V] 1,692 1,18 0,799 0,521 0-0,257-0,28-0,447-0,744-0.76-1,37-1.66 Me 1 / Me 2 = anod / catod daca V 1 < V 2 si exista contact electric Me 1 - Me 2 Me 1 se corodeaza (daca Me 1 O nu e protector)

Metode de prevenire a coroziunii: Metode care tin de: A. Conditiile exterioare A.1. mediul coroziv combinare de factori: temperatura, particule abrazive, tensiuni inhibitori, absorbanti de umiditate (desicanti), etc. A.2. cuplurile de materiale in contact (coroziune electrochimica) coroziunea apare la anod (atentie la potentialele de electrod) protectie catodica anozi de sacrificiu Zn / otel, etc. B. Materialul de protejat

Metode de prevenire a coroziunii: B. Materialul de protejat B.1 Acoperiri de protectie Polimerice: vopsea (grund), straturi polimerice, pulberi Metalice: electrodepunere depunere chimica Ni la rece - Ni, Cr. Cd, etc. la cald - Zn placare prin presare la cald (cladding) Al / aliaj Al, Cu / otel, etc. metalizare cu pulberi HVOF, plasma, laser, etc. Ceramice: oxizi: Ex. pasivare anodica (eloxare pt. Al) portelan (smalt) / fonta, otel, Al, etc.

Metode de prevenire a coroziunii: B. Materialul de protejat B.2. Utilizarea de aliaje rezistente la coroziune oteluri rezistente la coroziune ( inoxidabile), Al (ATENTIE cuplu electrochimic!), Ni, Co, Ti, etc.

Metode de prevenire a coroziunii: B. Materialul de protejat Al / Oţel

PROPRIETATI COMPLEXE (COMBINATE) Exemplu: REZISTENTA LA CALD (REFRACTARITATEA) Componente: I. Stabilitatea chimica la cald Performante: ceramici > metale >> polimeri II. Stabilitatea mecanica (+structurala) la cald Performante: compozite (matrice ceramica) > ceramici > compozite (matrice metalica) > metale >> polimeri

PROPRIETATI TEHNOLOGICE Proprietati generale care caracterizeaza modul in care un material se poate prelucra prin diverse tehnologii Exemple: Turnabilitate Aschiabilitate Deformabilitate Sudabilitate...

Intrebari de autoevaluare 1. De cate tipuri sunt incercarile mecanice? 2. Care este diferenta dintre rezistenta reala si cea conventionala? 3. Care este definitia rezistentei de rupere la tractiune? Dar al rezistentei de curgere tehnica? 4. Care este unitatea de masura a rezistentei mecanice? 5. Prin ce difera deformatia elastica proportionala de cea neproportionala? 6. Care sunt domeniile de deformare plastica? 7. Ce este ductilitatea? Care este opusul acesteia? Ce inseamna casant? 8. Definiti tenacitatea si rigiditatea. 9. In timpul incercarii la tractiune a unei epruvete cu diametrul calibrat initial de 10 mm, forta maxima inregistrata a fost de 3000 dan. Care este rezistenta de rupere la tractiune a materialului epruvetei? 10. Comentati afirmatiile urmatoare: Ceramica este fragila dar nu neaparat casanta; Un otel de scule este casant; Tenacitatea este rezistenta la socuri a materialului; Cauciucul este ductil; Un aliaj tenace este si ductil; Un aliaj ductil este si tenace.

Intrebari de autoevaluare 11. Care sunt tipurile de coroziune si prin ce difera ele? 12. Care sunt dezavantajele polimerilor din punctul de vedere al stabilitatii chimice? 13. O proba de aluminiu si una de cupru intre care se realizeaza un contact electric sunt introduse in apa industriala. Care se va coroda si ce se va obtine la anod? Dar in cazul in care in loc de aluminiu se introduce o proba din argint? 14. In ce mod se pot imbina piese din aluminiu tehnic cu piese din otel? 15. In ce moduri se pot proteja la coroziune piesele din otel? 16. Comentati rezistenta la coroziune a aluminiului. 17. Care este explicatia rezistenteila coroziune a titanului? Dar a otelului inoxidabil?