Selectia materialelor pentru solicitari de rezistenta mecanica

Selectia materialelor pentru solicitari de rezistenta mecanica

Materiale metalice

Asa cum s-a aratat anterior, in multe cazuri proprietatile mecanice prezinta cea mai mare importanta in procesul de selectie a materialelor. Pentru orice aplicatie data este insa nevoie de un compromis intre proprietatile mecanice si alte proprietati uzuale.

Cele mai multe date privind rezistenta materialelor metalice se obtin din incercarile de tractiune. Rezistenta la compresiune poate fi utila pentru anumite aplicatii, dar la cele mai multe materiale ductile ea poate fi considerata suficient de apropiata de rezistenta la tractiune motiv pentru care va fi ignorata in selectia materialelor. De fapt, pentru multe materiale metalice rezistenta la compresiune depaseste rezistenta la tractiune. Se stie ca rezistenta acestor materiale depinde de directia in care este masurata. Gradul acestei anizotropii a rezistentei depinde in mare masura de istoria de prelucrare a piesei. De exemplu, la o piesa turnata cu graunti echiaxiali orientati intamplator valoarea rezistentei este independenta de directia in care este masurata. Daca aceeasi piesa este obtinuta prin forjare, valoarea rezistentei poate varia semnificativ in functie de directia de masurare.

Rezistenta oricarui material metalic la temperatura ambianta poate fi analizata fie in termeni absoluti, fie ca un indicator al gradului de valorificare a potentialului disponibil al aliajului in cauza. Un material cu o limita de curgere de 1000 N/mm² va fi considerat de inalta rezistenta in orice context ingineresc comercial. Dar rezistenta poate avea diferite intelesuri in functie de gradul in care a fost dezvoltata in materialul considerat.

De exemplu, o rezistenta de 500 N/mm² este mica pentru un otel tratat termic si totusi inalta pentru un aliaj cu baza de aluminiu.

Obtinerea unei asemenea rezistente la otelurile tratate termic nu implica o tehnologie deosebita si in plus aceste materiale sunt relativ ieftine si extrem de sigure.

Pe de alta parte, pentru ca un aliaj de aluminiu sa atinga o rezistenta de 500 N/mm² , el trebuie sa fie complex aliat si bine tratat termic. De cele mai multe ori un asemenea aliaj neferos se prelucreaza dificil prin aschiere, sudare, etc. si este relativ scump. In consecinta, pentru aplicatii la care singura cerinta este rezistenta mecanica nu se va recurge la selectia aliajelor neferoase complex aliate.

Materiale cu rezistenta scazuta Pentru cele mai multe metale pure rezistenta mecanica este scazuta (tab.1.1) si depinde in mare masura de gradul de puritate.

Tabelul 1.1   Ierarhizarea metalelor si aliajelor metalice in functie de limita de curgere

De exemplu, limita de curgere a aluminiului de inalta puritate (99,99%Al) este doar de cca. 12 N/mm², iar a aluminiului tehnic pur (99 %Al) de cca.39 N/mm². La cele mai multe metale, cu exceptia Pb si Sn, prin aliere se provoaca o crestere relativ pronuntata a rezistentei. Exista doua motive principale pentru care se folosesc materiale cu rezistenta scazuta: primul este legat de costul mai scazut si de capacitatea de prelucrare mai buna, iar cel de-al doilea, de necesitatea indeplinirii altor cerinte ca rezistenta la coroziune, densitatea, etc.

Materiale cu rezistenta medie. Conform tabelului 1.1 numai prin alierea celor mai multe metale se obtin asemenea valori ale rezistentei. Exceptie fac titanul tehnic pur si cuprul durificat prin deformare la rece. Aluminiul tehnic pur durificat prin deformare la rece si aliajele de aluminiu cu structura monofazica de solutie solida nu pot intra in categoria materialelor cu rezistenta medie. Aliajele Al - Zn - Mg - Cu si Al - Cu, durificabile prin tratament termic au rezistenta cea mai mare, dintre toate aliajele de aluminiu.

Aliajele cu baza de cupru acopera un interval larg de valori ale limitei de curgere, de la 265 N/mm² specifice aliajelor Cu-Te durificate prin deformare, pana la 480 N/mm², specifice aliajelor Cu - Ni - Si durificate prin precipitare.

Exista o diversitate mare de oteluri cu valori ale limitei de curgere cuprinse intre 207 - 690 N/mm²; caracteristicile de rezistenta mecanica ale otelurilor depind de gradul de aliere si de tratamentul termic aplicat.

Otelurile inoxidabile sunt selectate pentru aplicatiile care necesita o rezistenta mecanica medie combinata cu o buna rezistenta la coroziune sau la oxidare. Dintre acestea, otelurile cu structura austenitica si continut redus in carbon nu pot fi durificate prin tratament termic si de aceea valorile limitei de curgere se situeaza la cca. 200 N/mm². In urma deformarii plastice la rece, limita de curgere poate atinge valori de 650 N/mm². Daca in timpul procesului de deformare se provoaca transformarea austenitei in martensita, materialul va putea fi incadrat in grupa celor ultra - rezistente. Aceste oteluri au insa o deformabilitate si o sudabilitate redusa.

Materiale cu rezistenta inalta Dintre materialele neferoase, in aceasta categorie intra doar aliajele Cu-2%Be durificate prin precipitare, cea mai mare parte a aliajelor de titan si alte cateva aliaje. Comparativ cu otelurile, aliajele de titan ofera avantajul unei rezistente specifice mari (R_m/ρ). Cresterea concentratiei in carbon din oteluri la valori mai mari de 0 -0,30% desi asigura bune caracteristici de rezistenta mecanica, inrautateste sudabilitatea si tenacitatea. De aceea, la otelurile pentru constructii sudate se limiteaza continutul in carbon la cca.0,25% pentru a nu inrautati comporatea la sudare si se folosesc elemente de aliere ca Ni, Mo, Cr, V care fazorizeaza cresterea rezistentei mecanice fara diminuarea puternica a tenacitatii si ductilitatii.

Materiale cu rezistenta foarte inalta. Probabil ca cel mai utilizat otel ultrarezistent este marca ASTM A579 Grade 32 (2Ni-Cr-Mo-V si 1,6%Si), care are insa dezavantajul unei prelucrabilitati scazute dupa tratamentul termic secundar. Otelurile maraging (inalt aliate cu Ni - Mo - Cr) desi sunt mai scumpe, permit atingerea unor rezistente mai mari si au o capacitate de prelucrare prin aschiere mai buna. In consecinta, pe termen lung ele devin eficiente si din punct de vedere economic.

Materiale ceramice

Ceramicele se caracterizeaza prin valori scazute ale rezistentei la tractiune si valori ridicate ale rezistentei la compresiune. Rezistenta la compresiune este apropiata de rezistenta la tractiune a materialelor metalice si poate fi de cca.10 ori mai mare decat rezistenta la tractiune a unui material ceramic. De exemplu, alumina are o rezistenta la tractiune de 138 N/mm² si o rezistenta la compresiune de 2400 N/mm². Discrepanta dintre valorile rezistentei la tractiune si la compresiune este datorata in parte naturii fragile a ceramicelor. In cursul incercarilor de tractiune, materialele ceramice spre deosebire de metale, nu sunt capabile de curgere plastica si de relaxare a tensiunilor. Un alt factor important este prezenta unor defecte interne de la care se pot propaga fisurile in timpul solicitarii de intindere, dar nu se pot propaga in cursul compresiunii. In general, ceramicele alcatuite dintr-o singura faza sunt mai rezistente decat cele constituite din mai multe faze. Explicatia este data de faptul ca in cursul racirii de la temperatura de sinterizare, contractia fiecarei faze este diferita si astfel se genereaza tensiuni reziduale care nu pot fi relaxate datorita fragilitatii accentuate a materialului.

Cu cat marimea grauntilor este mai mare, cu atat dimensiunile defectelor aparute sunt mai mari si ca rezultat caracteristicile de rezistenta sunt mai scazute.

Prelucrarea prin aschiere poate introduce defecte in piese.

In schimb, realizarea unor piese finite prin sinterizare este posibila intr-un timp mai scurt si cu eforturi mai mici; in plus, prin sinterizare se produc piese cu rezistenta marita. In tabelul 1.2 sunt prezentate valorile medii ale rezistentei mecanice a unor ceramice.

Tabelul 1.2 Caracteristicile de rezistenta mecanica ale unor materiale ceramice

Polimeri si compozite

O lunga perioada de timp polimerii au fost considerati ca inlocuitori ieftini ai materialelor metalice pentru domenii de aplicare fara solicitari de rezistenta mecanica. In momentul de fata polimerii de inalta rezistenta, de la termoplastele pentru injectie ranforsate cu fibre discontinue de sticla pana la compozitele avansate ranforsate cu fibre continue de carbon constituie materiale selectate pentru componente ale constructiilor aerospatiale, autoturismelor si altor produse industriale si de consum.

Cu toate ca in general polimerii si compozitele nu sunt asa de rezistente si de rigide ca materialele metalice, ofera nu numai o flexibilitate unica in proiectare

ci si abilitatea de a asigura rezistenta exact acolo unde este necesara. Exceptie de la aceasta regula fac unele compozite avansate care depasesc materialele metalice atat ca rezistenta cat si ca rigiditate. Nu trebuie ignorate conditiile de mediu (umiditatea, expunerea la lumina ultravioleta, chimicalele, solventii, etc.) in care lucreaza polimerii.

Figura 1.13   Efectul proportiei de fibre de sticla asupra rezistentei la rupere (a) si a modulului

de elasticitate (b) a unor compozite cu matrice de polimeri

Daca acesti factori au o importanta mai mica pentru materialele metalice, la polimeri pot provoca o reducere semnificativa a proprietatilor mecanice si fizice. De asemenea, adaosul de aditivi in polimeri conduce la diminuarea proprietatilor de intrebuintare.

Ranforsarea polimerilor cu fibre conduce la o crestere semnificativa a caracteristicilor de rezistenta mecanica. In fig.1.13 se arata evolutia rezistentei

si rigiditatii unor polimeri cu continutul de fibre de sticla orientate intamplator.

Obisnuit, rezistenta la tractiune a polimerilor ranforsati este cuprinsa intre 55 si 100 N/mm². Polimerii ranforsati si indeosebi compozitele avansate au caracteristici de rezistenta mult mai mari (tab.1.3).De asemenea, valorile rapoartelor R_m/ρ·g si E/ ρ·g la compozitele avansate (fig.1.14) sunt extrem de favorabile, motiv pentru care ele au o larga utilizare in industria aeronautica si aerospatiala precum si in industria de automobile.

Figura.1.14 Analiza comparativa a rapoartelor R_m/ρ·g si E/ ρ·g pentru unele materiale compozite

Tabelul 1.3   Caracteristicile de rezistenta ale unor compozite avansate unidirectionale