MATERIALE METALICE SI MATERIALE NEMETALICE

MATERIALE METALICE SI MATERIALE NEMETALICE

In prezent, aliajele fierului sunt utilizate pe scara larga in practica industriala, dintre acestea, aliajele fierului cu carbonul prezentand o importanta deosebita.

Fierul este metalul de baza al celor mai importante aliaje tehnice - otelurile.

Fierul este un metal de culoare cenusie, relativ greu, duritate scazuta, rezistenta mecanica medie, plasticitate corespunzatoare, rezilienta corespunzatoare. Datorita permeabilitatii magnetice mari si afortei coercitive reduse fierul pur se utilizeaza foarte mult in diverse domenii in electrotehnica.

Proprietatea unor metale de a cristaliza la doferite temperaturi in sisteme cristaline diferite se numeste alotropie sau polimorfism.

Fierul pur prezinta trei stari alotropice.

Otelurile sunt aliaje Fe-Fe₃C cu un continut de carbon variind intre 0.04% si 1.75C.

Otelurile carbon contin pe langa carbon care reprezinta elemntul esential de aliere si numeroase alte componente.

Proprietatile fizico-mecanice ale otelurlor se pot modifica prin tratamente termice.

Tratamentele termice reprezinta o succesiune de opretaii tehnologice formate din incalziri si raciri in conditii bine determinate aplicate metaleleor si aliajelor in stare solida in scopul obtinerii unor anumite proprietati fizico-mecanice prin modificarea corespunzatoare a structurii.

Clasificarea generala a otelurilor se prezinta astfel:

oteluri de uz general

oteluri cu destinatie speciala

oteluri de scule

Alegerea otelului corespunzator scopului propus este o conditie fundamentala pentru asugurarea in conditii corecte in exploatare a produselor finite. Importanta care se acorda in prezent materialului si tehnologiei sale este unanim recunoscuta.

Din punct de vedere al domeniilor de utilizare din grupa otelurilor de uz general pentru constructii fac parte:

otelurile pentru ambutisare si stantare

otelurile pentru constructii metalice

otelurile pentru constructii mecanice

Otelurile de constructie cu continut redus de carbon au o rezistenta de rupere mica, sunt usor sudabile si usor forjabile.

Pentru modificarea proprietatilor fizico-mecanice aceste oteluri sunt supuse tratamentului termic de cementare dupa care sunt supuse tratamentului termic de imbunatatire, care consta in calire urmata de revenire. Prin cementare continutul de carbon al straturilor superficiale se mareste peste limita necesara in vederea unei caliri corespunzatoare. Otelurile de constructie pentru imbunatatire au rezistenta de rupere ridicata, sunt usor forjabile si calibile dar o sudabilitate slaba. Se folosesc pentru constructia pieselor supuse la solicitari medii care pot fi statice, dinamice sau variabile.

Fonta ca liaj al fierului cu carbonul este cunoscuta din timpuri stravechi. Cercetarile arheologice au adus dovezi ca fonta era cunoscuta de chinezi cu cel putin 100 ani i.e.n. Cu toate acestea in Europa ea a devenit cunoscuta la sfarsitul Evului Mediu.

Din punct de vedere al compozitiei chimice fonta se deosebeste de otel printr-unj continut mai ridicat de carbon, iar din punct de vedere al proprietatilor tehnologice fonta nu popate fi prelucrata prin forjare sau prin deformare plastica. In literatura tehinica de specialitate in sens general se apreciaza ca otelurile sunt aliaje fier-carbon forjabile, iar fontele sunt aliaje fier-carbon neforjabile.

Fontele se definesc ca fiind aliaje fier-carbon in care continutul de carbon este cuprins intre 1.17% C si 6.67% C.

Proprietatile mecanice ale fontei sunt inferioare in comparatie cu proprietatile mecanice ale otelului.

O proprietate importanta a fontelor este capacitatea lor mare de a mortizare a socurilor si a vibratiilor.

Pe baza aceste proprietati precum si datorita faptului ca prin turnare se realizeaza o configuratie a produsului finit mai buna decat prin forjare multe repere importante chiar arbori cotiti se executa din fonta prezentand in exploatare o fiabilitate ridicata.

Din punct de vedere a compozitiei chimice fontele se clasifica in:

fonte aliate

fonte nealiate

fonte hipoeutectice

fonte eutectice

fonte hipereutectice

Grafitul este constituentul cel mai important al fontelor care prin forma, marime, repatitie si cantitate influenteaza proprietatile fontelor.

Fontele brute sunt cunoscute si sub denumirea de fonte de prima fuziune, ele obtinandu-se in furnal prin reducerea minereurilor de fier cu ajutorul coxului.

Fontele brute au un continut de aproximativ 3.5% C - 4.5% C si se clasifica in fonte brute nealiate (in care elementele permanente insotitaore - siliciu si mangan - nu depasesc 5%fiecare) si fonte brute aliate (in care continutul fiecareia dintre aceste elemnte este mai mare de 5%). Fontele brute contin deasemenea 0.06% S si 0.15%-1.2% P.

Fontele albe poarta aceasta denumire datirita aspectului rupturii care are o culoare alba-mata. Fontele albe contin proportii reduse de elemente insotitoare, au duritate ridicata, sunt fragile, nedeformabile si nu se pot prelucra prin aschiere.

Fontele pestrite au carbonul fie legat sub forma de cementita fie in stare libera sub forma de grafit. Aceste fonte nu au utilizari specifice. Ele se formeaza de regula in straturile intermediare ale reperelor cu crusta dura din fonta alba si miez de fonta cenusie.

Fontele cenusii poarta aceasta denumire datorita aspectului rupturii. Structura acestor fonte se caracterizeaza prin prezenta filamentelor de grafit care poate fi lamelar sau nodular.

Propietatile fizice si proprietatile mecanice ale fontelor cenusii sunt influentate de microstructura masei de baza, de forma, marimea si distributia grafitului.

Proprietatile tehnologice ale fontelor cenusii sunt fuzibilitatea si fluiditatea. Datorita acestor proprietati fontele cenusii se pot utiliza la executia prin turnare a reperelor (pieselor) cu peretii subtiri. Fluiditatea fontelor se imbunatateste considerabil o data cu majorarea continutului de fosfor.

Fontele se prelucreaza usor prin aschiere dar sunt greu sudabile si neforjabile.

Fontele cenusii se folosesc in industria constructoare de masini pentru turnarea reperelor (pieselor) cu diverse configuratii cum sunt: batiuri pentru masini-unelte, chiuloase pentru motoare, rotoare pentru pompe de apa, carcase pentru masini-electrice, etc.

In industria constructoare de masini metalele neferoase pure se folosesc foarte rar. Se folosesc in schimb aliajele acestora care au proprietati chimice, fizice, mecanice si tehnologice superioare metalelor pure.

In functie de starea in care se gasesc in natura metalele neferoase pot fi obisnuite (se gasesc sub forma de combionatii chimice in minereuri), nobile (se gasesc ca atare in natura: aur, argint) sau radioactive (uraniu care emire radiatii naturale); metalele care se gasesc in proportie in scoarta Pamantului se numesc metale rare.

Aliajele neferoase in raport cu aliajele fierului prezinta o rezistenta mult superioara la actiunea agentilor corozivi. Deasemenea aliajele neferoase se caracterizeaza prin valori superioare ale conductibilitatii termice si electrice prezentand totodata proprietati magnetice deosebite.

Cuprul este un metal de culoare rosiatica greu si relativ greu fuzibil. Este maleabil, rezistent la coroziune atmosferica si are conductivitate termica si electrica mare.

Datorita proprietatilor sale este folosit in electrotehnica drept conductor electric, in industria chimice (conducte pentru lichide organice), la fabricarea schimbatoarelor de caldura (sepentine, evaporatoare, etc).

Aliajele cuprului cu zincul se numesc alame. Cele mai folosite alame sunt acelea in care continutul de zinc variaza intre 40% Zn - 75% Zn.

Alama in care continutul de cupru este mai mare de 80% se numeste tombac.

Alamele se caracterizeaza prin proprietati mecanice bune care variaza in functie de continutul de zinc. Se folosesc alame cu un continut de cel mult 45% Zn deoarece la valori superioare ale cantitatii de zinc alamele devin fragile.

Alamele au o rezistenta ridicata la actiunea coroziva a agentilor atmosferici si se pot suda cu usurinta.

Bronzurile sunt aliaje ale cuprului cu stamiul sau cu alte metale in afara de zinc.

In industria constructoare de nave se folosesc bronzuri in care continul de stamiu este de cel mult 40%. Aceste bronzuri se folosesc pentru turnarea diferitelor repere.

Bronzurile speciale sunt bronzuri care se obtin prin alierea bronzurilor obisnuite cu zinc, plumb, fosfor, aluminiu, beriliu, nichel, siliciu, mangan.

Bronzurile aliate cu siliciu au rezistenta ridicata la coaroziune fiind posibil ca in anumite cazuri sa inlocuiasca bronzurile cu stamiul. Bronzurile cu mangan au caracteristici mecanice ridicate la temperaturi mari.

Bronzurile aliate cu plumb au proprietati de alunecare foarte bune si o rezistenta ridicata la coroziiune. Acste bronzuri se folosesc la constructia lagarelor, a armaturilor rezistente la coroziune, a lagarelor masive pentru solicitari puternice.

Plumbul exercita o influenta favorabila asupra prelucrabilitatii prin aschiere a bronzurilor.

Aluminiul este un maetal de culoare alba, usor. Aluminiul este plastic, fiind un bun conducator de caldura si electricitate. Are rezistenta la coroziune, datorita fenomenului de pasivizare care consta in autoacoperirea sa cu o pelicula subtire densa si aderenta de oxid de aluminiu care-l protejeaza impotriva oxidarii ulterioare.

Siluminurile sunt aliaje de aluminiu cu continut ridicat de siliciu. Aliajele de aluminiu tehnice au un continut de siliciu de cel mult 20%.

Siluminurile se caracterizeaza prin proprietati foarte bune de turnare. Ele nu sunt permeabile pentru lichide si gaze. Aceste aliaje se sudeaza foarte bine oxiacetilenic si au o rezistenta ridicata fata de finisarea la cald. Aceste aliaje au, de asemenea, o rezistenta la coroziune, mai buna decat a aluminiului pur datorita formarii unei pelicule protectoare de SiO₂xH₂O.

Siluminurile se utilizeaza numai in stare turnata, fiind cele mai raspandite aliaje de aluminiu pentru turnatorie, cu larga aplicare in constructia de avioane. Aliajele aluminiu-siliciu sunt utilizate de foarte multe ori ca inlocuitoare pentru fonta cenusie sau otelul turnat si pentru repere cu sectiuni complicate.

Aliajele tehnice de aluminiu sunt aliaje complexe care contin in afara de fier si siliciu, ca elemente insotitoare permanente si alte elemente cele mai frecvent utilizate fiind: magneziu, mangan, crom, titan, zinc.

Magneziul este un metal foarte usor. Culoarea sa este alba stralucitoare. Magneziul daca este incalzit in aer se autoaprinde si arde cu flacara luminoasa. Fenomenul de autoaprindere al magneziului se poate atenua prin alierea sa cu beriliu. Conductivitatea sa termica si electrica este de cateva ori mai redusa decat a metalelor conductibile: aur, argint, cupru. Magneziul are o duritate mica, iar plasticitatea sa este mai redusa in comparatie cu plasticitatea altor metale.

Magneziul nu se foloseste singur din cauza posibilitatii de autoaprindere. Cel mai important element de aliere al magneziului este aluminiul.

Plumbul este un metal de culoare cenusie cu densitate mare. Plumbul are conductivitatea termica si conductivitatea electrica foarte mici in comparatie cu alte metale. Plumbul este foarte moale si ductil iar prin deformare nu se ecriseaza. Este foarte rezistent la actiunea agentilor chmici (apa potabila, clor, amoniac, soda, cianura de potasiu, acid sulfuric, acid fosforic, acid fluorhidric etc).

Elementele principale de aliere ale plumbului sunt staniul si stibiul.

Aliajele rezistive sunt aliaje pe baza de nichel si crom.

Principalele aliaje rezistive utilizate in electrotehnica sunt urmatoarele: cromel, nicrom1, nicrom2, inconel, bersus, kantal. Aliajul folosit cel mai frecvent este aliajul nicrom2, iar aliajul cel mai rezistent la temperaturi inalte este kantalul.

Principalele aliaje cu dilatare redusa sunt: invarul, elinvarul si platinitul.

Invarul contine 35-37% Ni, sub 0.5% C si inrest Fe. Acest aliaj nu sufera nici un fel de dilatare pana la temperatura de 100s C.

Elinvarul contine 35-37% Ni, 8-12% Cr, sub 0.4% C si in rest Fe. Acest aliaj isi mentine proprietatea de elasticitate pana la temperatura de 100s C fiind folosit pentru executarea arcurilor la aparate de precizie.

Platinitul contine 45% Ni si are un coeficient de dilatare egal cu al platinei si al sticlei.

Aliajele pe baza de nichel si fier sunt aliaje cu permeabilitate magnetica mare. Aceste aliaje sunt materiale magnetice moi avand camp coercitiv si pierderi histerezis mici. Ele sunt cunoscute sub denumirea de aliaje permalloy.

Aliajul permalloy contine 80% Ni si 20% Fe. Acest aliaj are o permeabilitate magnetica initiala pana la 12000Gs/Oe. Printr-un tratament termic special permeabilitatea magnetica creste, atingand valaorea maxima de 90000 Gs/Oe.

Aliajul supermalloy are cea mai mare permeabilitate dintre toate materialele practic folosite. Compozitia acestui aliaj este urmatoarea: 79% Ni, 5% Mo, 0.5% Mn+Si si in rest Fe.

Supermalloy este un aliaj ductil si se poate lamina in table foarte subtiri (0.025mm).

Aliajul magnetic crom-nichel are urmatoarea compozitie chimica: 12%Cr, 15%Ni si in rest Fe. Proprietatile magnetice ale acestui aliaj sunt influentate de compozitia chimica, de gradul de deformare plastica si de tratamentul termic aplicat.

Grupa materialelor nemetalice este formata din grupa materialelor semiconductoare si din grupa materialelor izolatoare.

Materialele nemetalice se clasifica din punct de vedere al provenientei lor, in urmatoarele grupe:

organice

anorganice

Tot din punct de vedere al provenientei lor materialele nemetalice se pot clasifica in materiale:

naturale

artificiale

sintetice

Din punct de vedere al scopului sau destinatiei utilizarii lor materialele nemetalice se clasifica in materiale:

electroizolante

termoizolante

hidroizolante

fonoizolante

lubrifiante

de protectie anticoroziva

de etansare

abrazive

Din punct de vedere al domeniului de utilizare materialele nemetalice se clasifica in materiale:

de constructii

electrotehnice

pentru industria optica si de mecanica fina

pentru utilaje si instalatii

Exista materiale nemetalice care se utilizeaza in mai multe domenii.

Semiconductoarele sunt materiale care nu conduc curentul electric la temperatura mediului ambiant, dar care pot deveni conductoare sub influenta unor factori exteriori: termici, mecanici, chimici.

Tranzistoarele sunt dispozitive construite din semiconductoare care au proprietatea de a amplifica curentul electric.

Materialele piezoelectrice sunt materiale care au proprietatea de ase incarca cu sarcini electrice sub actiunea fortelor mecanice.

Elastomerii sunt materiale nemetalice cu prprietati elastice superioare. Elastomerii sunt materiale extensibile care revin la forma initiala dupa ce forta care le-a deformat si-a incetat actiunea.

Ebonita este un material obtinut prin amestecarea cauciucului brut cu plastifianti, substante de umplere si sulf intr-un procent de 30%-40%.

Rasinile sunt substante organice solide cu aspect sticlos, amorfe. Din punct de vedere chimic rasinile sunt compusi macromoleculari, formate dintr-un numar mare de molecule intre care exista legaturi chimice (covalente).

O proprietate de baza a rasinilor este aceea ca prin incalzire ele trec de la starea rigida la starea elastica, apoi se inmoaie, devenind plastice si in final se topesc . inmuierea nu se produce brusc, ci intre anumite temperaturi (interval de temperatura) in care rasinile se pot prelucra prin deformare plastica. Acesta proprietate a rasinilor se numeste termoplasticitate.

Din punct de vedere al provenientei lor, rasinile se clasifica in rasini naturale si rasini sintetice.

Rasinile naturale sunt de origine animala (selac) sau vegetala (colofoniu, copaluri).

Rasinile sintetice se obtin din substante micromoleculare (numite monomeri) prin reactii de polimerizare sau de policondensare. Rasinile sintetice frecvent utilizate in aplicatii tehnice sunt urmatoarele: rasinile fenolformaldehidice, rasinile melaminoformaldehidice, poliesterii, poliuretanii, rasinile epoxidice, policlorura de vinil, polistirenul, polietilena.

Rasinile sintetice se utilizeaza la fabricarea lacurilor, uleiurilor, a cleiurilor, a materialelor stratificate, a tesuturilor stabile, a fibrelor sintetice. In mod deosebit rasinile sintetice se utilizeaza la fabricarea materialelor plastice.

Materialele plastice sunt materiale organice solide constituite pe baza de compusi macromoleculari naturali sau sintetici. Materialele plastice se prelucreaza sub forma de piese prin deformare plastica la cald (presare, turnare sub presiune, matritare).

In conditii normale de temperatura si presiune, piesele din materiale plastice sunt corpuri rigide si elastice, proprietatea de palticitate manifestandu-se numai la incalzire, in cursul operatiilor de prelucrare prin presare.

De regula, materialele plastice sunt constituite din mai multe materiale componente si anume:

liantul (masa de baza)

materiale de umplutura

plastifianti

coloranti

Materialele plastice au stabilitate chimica ridicata, fiind rezistente la actiunea apei, a solventilor si a agentilor biochimici. Aceste materiale se folosesc la fabricarea tevilor si a conductelor pentru transportul apei si a lichidelor cu actiune chimica agresiva, la temperaturi la care materialul palstic nu isi modifica proprietatile.