DEFINIREA SI CLASIFICAREA MATERIALELOR

DEFINIREA SI CLASIFICAREA MATERIALELOR

Materialele reprezinta totalitatea substantelor simple sau compuse aflate in stare solida ce prezinta o compozitie chimica data si proprietati specifice domeniului de utilizare ales.

Materialele pot fi clasificate dupa mai multe criterii, insa cel mai utilizat este cel al naturii materialului (din punct de vedere fizico-chimic si structural). Astfel, dupa acest criteriu materialele se impart in trei mari categorii de materiale si anume: metalice, ceramice si polimerice. Ele fac parte din clasa de materiale clasice, cunoscute si sub numele de conventionale sau traditionale (fig. 2). Materialele ceramice si polimerice sunt materiale nemetalice. Din punct de vedere al caracteristicilor de conductivitate electrica, din categoria materialelor nemetalice mai fac parte si materialele semiconductoare. Materialele semiconductoare sunt materiale pure sau compusi care au patru electroni de valenta si au nevoie de o mica energie spre a deveni liberi, adica sa devina materiale bune conducatoare de electricitate.

Materialele compozite reprezinta combinatii ale materialelor traditionale si intra in categoria materialelor noi, moderne si anume a materialele neconventionale/avansate , conform fig. 2.

Din categoria materialelor noi, din punct de vedere al comportamentului materialelor sub influenta unor factori externi acestea mai sunt clasificate in materiale inteligente si sunt considerate o categorie de materiale aparte, neconventionale. Din punct de vedere al marmii lor (la scara nano) exista o categorie aparte de materiale cunoscute sub numele de nanomateriale, iar din puncte de vedere al biocompatibilitatii materialelor cu tesutul/corpurile vii exista un nou tip de materiale numite biomateriale. Biomaterialele sunt materiale de frontiera, la care atat oamenii de stinta de la institutele de medicina si cele din domeniul ingineriei materialelor, ingineriei mecanice sau mecatronice conlucreaza in vederea obtinerii de materiale performante cu aplicabilitate in domeniul medical.

Fig. 1.2 - Tipuri de materiale si clasificarea lor

Atat nanomaterialele cat si biomaterialele sunt materialele care pot fi fabricate atat din materiale conventionale cat si neconventionale si de aceea sunt prezentate punctat in schema din figura 2.

Materialele metalice sunt metalele si aliajele lor, bimetalele si pulberile metalice. Materialele metalice sunt caracterizate prin opacitate, luciu metalic, plasticitate, ductilitate, au rezistenta mecanica buna sau foarte buna (in functie de elementul/ele de aliere), au caracter bazic al oxizilor si au conductibilitate termica si electrica ridicate. In plus,o caracteristica specifica a metalelor este aceea ca in functie de temperatura, rezistivitatea electrica a acestor materiale creste.

La scara atomica, atomii metalelor se pot gasi fie ca atomi de acelasi fel (metalul pur), fie asociati in diferite moduri cu alte tipuri de atomi formand agregate mari de atomi (aliajele metalice), ce constitue starea metalica a materiei.

Materialele metalice se impart in doua mari categorii si anume in materiale feroase (fierul si aliajele sale otelurile si fontele) si neferoase.

Otelul este un aliaj care contine ca elemente principale fierul si carbonul, avand un continut de carbon sub 2,11 %. Otelurile sunt materialele cu cea mai larga utilizare in industrie. Proprietatile lor pot sa varieze in limite foarte largi in functie de continutul de carbon si de alte elemente de aliere. In functie de continutul in elemente de aliere, otelurile se impart in: oteluri nealiate (numite si oteluri carbon), care contin ca elemente principale doar fierul si carbonul si oteluri aliate, care pe langa fier si carbon contin si alte elemente: nichel, crom, molibden, vanadiu etc. Dupa starea de livrare pot fi deformabile (la cald sau la rece) si turnate, iar dupa destinatie se clasifica in oteluri pentru constructii metalice sau constructii de masini, oteluri pentru scule aschietoare si oteluri cu destinatie speciala (pile, arcuri, rulmenti, etc.).

Fontele sunt aliajele fierului cu carbonul care contin mai mult de 2,08 respectiv 2,11%C. Fontele au, in general, foarte slabe proprietati plastice (de ex. forjabilitatea) sunt casante si au proprietati reduse de sudabilitate, rezistenta mecanica mai mica decat a otelurilor, dar buna turnabilitate (temperatura de topire mai scazuta, fluiditate mare, interval de solidificare si implicit tendinta de segregare reduse, contractie mica la solidificare - pina la max 2%), precum si capacitate de amortizare a vibratiilor. Ca atare, fontele sint utilizate in constructia de masini cu precadere pentru piese turnate, chiar pretentioase, ce rezulta la un pret de cost mai redus decit piesele prelucrate prin defor­mare plastica sau sudare.

Fontele se pot clasifica dupa constituentii ei: in fonte albe (contin carbonul legat intr-un compus numit cementita, ce-i confera culoarea deschisa) , fonte cenusii (sau de turnatorie, ce contin carbonul sub forma libera de grafit, care in ruptura ii confera culoarea cenusie) si fonte pestrite (ce contin atat cementita cat si grafit). Fontele albe sint dure, fragile (au duritatea cuprinsa intre 350-500 HB, R_m= 20 . . . 40 daN/mm², rezistenta la soc aproximativ zero) si neprelucrabile prin aschiere. Dintre acestea cele de compozitie hipoeutectica (carbonul mai mic de 4,3%) prezinta interes li­mitat, in scopuri antiuzare, precum si la obtinerea fontelor maleabile. Fontele cenusii sint, in functie de forma grafitului prezent in structura lor: cu grafit lamelar, nodular (fonte modificate) sau in cuiburi (de recoacere - fonte maleabile), iar dupa constituentii structurali: fonte perlitice, perlito-feritice sau feritice. Fontele pestrite au simultan caracter de fonta alba cementitica si de fonta cenusie (cu grafit).

Un alt criteriu de clasificare al fontelor este alierea, existind fonte nealiate, care, in afara de Fe si C, contin maxim: 3%Si, 1,5% Mn, 0,3% P, 0,1% S, si fonte aliate, care contin in plus elemente de aliere, ca Cr, Ni, Cu, Al(min 0,3% fiecare), min 0,1% Mo, V, Ti, precum si Si peste 3-4%, Mn peste 1,5-2%, P peste 0,3%, toate adaugate in mod voit in vederea obtinerii unor proprietati superioare. In functie de continutul total de elemente de aliere fontele sint: slab aliate (suma elementelor de aliere sub 4%), mediu aliate (4-8%) si inalt aliate (peste 10%).

Materialele metalice neferoase sunt metalele neferoase (Al, Cu, Mg, Mn, Zr, Ni, Zn, Sn, Cr, Ti, etc.) si aliajele acestora. Metalele neferoase sunt clasificate dupa greutatea specifica (denistate) in: metale neferoase mai usoare ca apa, cu densitatea (r) mai mica de 1g/cm^3, de ex. : Li, K, Na; neferoase ultrausoare, cu densitatea cuprinsa intre 1 si 2 g/cm³ din aceasta categorie facand parte: Ca, Cs, Mg, Be; neferoase usoare ( 2 <r<4g/cm³) cum ar fi: Sr, Ba, Al; neferoase semiusoare (Ti, Ge, V) cu densitatea situata intre 4 si 6g/cm³. Din categoria neferoaselor grele (6<r<10 g/cm³) fac parte Zr, Sb, Zn, Sn, Cr, In, Mn, Nb, Co, Ni, Cu si Bi).

Metalele neferose foarte grele sunt Mo, Ag, Pb, Tl, Rh, Pd, Hf, Hg, cu densitatea cuprinsa intre 10 si 15 g/cm³ iar in categoria metalelor neferoase foarte grele (15<r<22.5 g/cm³) sunt cuprinse Ta, Au, U, W, Pt, Ir, Os. Din aceasta clasificare cel mai usor metal neferos este litiul (r=0,53 g/cm³) si cel mai greu este osmiul (r=0,53 g/cm³). Cele mai uzale metale neferoase sunt Cu, Ni, Co, Cr, Mn, Zn si Sn. Acestea se incadreaza in clasa metalelor grele.

In tehnica moderna pentru constructii de masini si in special pentru aviatie si rachete se impune folosirea unor aliaje cu greutati specifice mici si in acelasi timp cu rezistente apreciabile, cum ar fi aliajele usoare sau ultrausoare (cu Al, Mg, Be) sau semiusoare (Ti). In functie de temperaturile de topire foarte diferite metalele si aliajele neferoase isi gasesc multiple aplicatii. De exemplu wolframul are temperatura de topire ridicata si ca urmare se utilizeaza la confectionarea becurilor/lampilor cu incandescenta si a tuburilor electronice.

Dintre materialele metalice cu utilizare generala sunt otelurile carbon (de uz general), oteluri carbon de calitate si slab aliate, oteluri pentru turnarea in piese, oteluri pentru deformarea plastica la rece, oteluri cu aschiabilitate ridicata, oteluri cu inalta rezistenta mecanica, sudabile. Cele mai utilizate fonte sunt fontele cenusii cu grafit lamelar, fontele modificate, fontele maleabile, fontele aliate, iar cele mai utilizate neferoase sunt aluminiul, cuprul, magneziul, beriliul, zincul, cadmiul, staniul, plumbul titanul si melalele pretioase (aurul, argnitul si platina paladiul, iridiul).

Metalele in stare naturala se gasesc indeosebi sub forma de compusi in mineruri in afara de metalele pretioase care se gasesc sub forma nativa. Metalele se extrag din minereuri (fig.3a) prin diferite procedee si se topesc si se toarna in lingouri (fig. 3b) constituind astfel produsul final al metalurgiei extractive.

Aliajele se obtin prin retopirea elementelor componente, care apoi sunt si ele turnate in lingouri sau piese (tehnica numita metalurgie clasica) urmate apoi, dupa caz, de deformare plastica si/sau tratamente termice sau chimice in vederea imbunatatirii proprietatilor materialelor.

Otelul se obtine din lingourile de fonta bruta ce se topesc in cuptoare Siemens - Martin (existente la Hunedoara, Resita) sau cuptoare electrice sau in convertizoare (la Galati), impreuna cu fier vechi, calcar, minereuri. Aliajul topit obtinut se toarna in lingouri, iar dupa solidificare se lamineaza. Produsele laminate se pot prezenta sub forma de produse laminate finite (profile, table, benzi, tevi) si semifabricate destinate relaminarii la cald sau forjarii. Pentru a imbunatati cat mai mult duritatea si rezistenta otelurilor, acestea se supun de regula unor tratamente termice.

Fontele se obtin prin topirea si reducerea minereurilor de fier in cuptoare speciale numite furnale. Fontele obtinute in furnale se numesc fonte brute. Dupa compozitia chimica se deosebesc in fonte brute obisnuite si fonte brute aliate.

Materialele metalice se mai pot obtine si prin metalurgia pulberilor (dozare, amestecare omogena a pulberilor, punere in forma si consolidare printr-un tratament termic numit sinterizare, urmate optional de alte tratamente secundare) sau pot fi prelucrate prin imbinare (sudare, lipire sau cu adeziv).

Materialele ceramice sunt oxizi, carburi, nitruri, boruri, etc. adica compusi ai metalelor, legati de acestia prin legaturi ionice sau covalente. Materialele ceramice sunt caracterizate printr-o excelenta rezistenta la temperaturi inalte (sunt refractare), rezistenta la coroziune in diverse medii, proprietati optice, electrice si termice deosebite.

Cele traditionale sunt teracota, faianta, gresia, portelanul, caramida iar cele tehnice sunt materiale pentru scule abrazive aschietoare, al acestora.materiale utilizate in electronica si electrotehnica (izolatori, ceramice feroelectrice, ceramice cu proprietati magnetice), materiale refractare, sticle, grafitul, cimenturi si betoane.

Substanta de baza pentru fabricarea materialelor ceramice este argila, care contine o cantitate mare de silicat de aluminiu si alti oxizi metalici (Fe₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, etc.). Materialele ceramice sunt substante obtinute prin modelare in stare plastica a unor amestecuri de substante minerale, care apoi se incalzesc si se intaresc prin ardere.

Materialele polimerice sunt materialele organice solide constituite pe baza de compusi macromoleculari naturali sau sintetici dintr-un mare numar de unitati fundamentale numite monomeri.

Materialele semiconductoare sunt materiale a caror conductivitate electrica este cuprinsa aproximativ intre (10-10103 ) si se situeaza din acest punct de vedere intre conductoare (104106 ) si izolatoare (10-1210-18 ).

Proprietatile lor electrice legate de conductivitate sunt puternic influentate de prezenta dorita a anumitor impuritati.
Semiconductoarele se deosebesc fundamental de conductoare nu numai prin valoarea conductivitatii dar si prin modul in care aceasta variaza cu temperatura (valoarea conductivitatii creste cu temperatura in timp ce in conductoare aceasta scade).

Materialele compozite sunt obtinute prin amestecarea si consolidarea amestecului dintre doua sau mai multe tipuri de materiale distincte obtinand un material nou cu proprietati distincte de cele ale fiecarui component in parte. Prin combinarea acestor materiale se urmaresc combinatii de proprietati, ce nu pot fi regasite la materialele traditionale, avand astfel posibilitati nelimitate de aplicabilitate.

Proprietatile materialelor compozite in general respecta regula amestecurilor si anume sunt o medie ponderata a proprietatilor componentelor din material.

Materialele compozite, in functie de natura materialului pot fi clasificate in compozite cu matrice (ce reprezinta materialul de baza) metalica, ceramica sau polimerica. Un alt criteriu important de clasificare este in functie de geometria materialului de adaos - care mai este cunoscut si sub denumirea de ranforsaj, armatura sau material complementar - si anume se clasifica in materiale compozite cu armatura sub forma de fibre lungi (armare continua), sub forma de particule, fibre scurte sau foarte scurte (armare discontinua), sau sub forma de benzi stratificate (compozite laminate sau stratificate).

Materialele si structurile inteligente sunt materialele considerate materialele viitorului. Ele constitue una dintre ultimele descoperiri ale stiintei materialelor cu largi aplicatii in toate domeniile de utilizare.

Materialele inteligente sunt materiale capabile sa-si modifice comportarea, forma, rigiditatea sau frecventa de vibratii sub actiunea unor forte externe. Termenul de inteligente are sensul de autoadaptabilitate, memorie si/sau multipla functionalitate a acestora sub actiunea unor forte externe care produc aceste modificari. Fortele externe ce produc modificarile pot fi generate de variata temperaturii sau de variatia campului electric sau magnetic care actioneaza asupra lor.

Dintre materialele considerate inteligente sunt incluse materialele sau aliajele cu memorie a formei, piezomaterialele, materialele magnetostrictive sau fluidele electroreologice. Materialele 'cu memorie' isi 'amintesc' de forma lor initiala si, dupa ce sunt deformate, revin la forma initiala, sub actiunea caldurii sau luminii.

Materialele multi-functionale compuse, absorb vibratiile in mod autonom, reducand astfel poluarea fonica, sunt un exemplu de materiale inteligente care deja sunt folosite. Acestea sunt echipate cu senzori care inregistreaza momentul cand materialul incepe sa vibreze. Senzorii lanseaza un semnal care este apoi procesat de un regulator, care controleaza motoarele integrate, iar acestea actioneaza pentru a absorbi vibratiile. Fibre ceramice extrem de fine sunt utilizate pentru a converti tensiunea mecanica sau termica in semnale electrice.