Modele Probleme La Sf

8/17/2019 Modele Probleme La Sf

1/12

Universitatea Petrol – Gaze din Ploie ştiFacultatea de Inginerie Mecanic ă şi Electric ă

Domeniul de studii universitare de licen ţă: Inginerie mecanic ă

prof univ dr ing Gheorghe ZECHERU

STUDIUL SI INGINERIAMATERIALELOR – SIM

Suport de curs SIM1 – S9

3 PROPRIET ILE MECANICE ALE MATERIALELOR METALICE3.8. Fluajul materialelor metalice

3.9. Oboseala materialelor metalice3.10. Duritatea materialelor metalice

3.11. Dependen ţele între structur ă şi propriet ăţi mecanice la materialele metalice

PLOIESTI2010


2/12

1

3. PROPRIET ĂŢILE MECANICEALE MATERIALELOR METALICE

3.8. Fluajul materialelor metalice

Aşa cum s-a ar ătat în scap. 3.3, în mod obişnuit, procesul de deformare plastică a materialelormetalice începe când tensiunile create în acestea sub acţiunea solicitărilor mecanice la care sunt supusedepăşesc limita lor de curgereşi se continuă dacă intensitatea acestor tensiuni are o evoluţie monotoncrescătoare în timp. Dacă solicitările mecanice aplicate acţionează timp îndelungat (zile, luni, ani), procesul de deformare plastică a materialelor metalice poate începe chiar dacă tensiunile create subacţiunea acestora au intensităţi mai mici decât limita lor de curgereşi se continuă chiar dacă solicitărileşi, ca urmare, tensiunile create de acestea, îşi menţin constantă intensitatea.

Fenomenul de deformare lent ă şi continu ă în timp a unui material metalic sub ac ţ iunea unor solicit ă ri (tensiuni) mecanice constante se nume şte fluaj, iar ruperile produse datorit ă acestui fenomen se numesc ruperi prin fluaj. S-a constatat experimental că unul din factorii principali care determin ă apari ţ ia şi desf ăş urarea fenomenului de fluaj este temperatura, fenomenul manifestându-se cu

intensitate mare dacă materialul metalic solicitat mecanic are temperaturaT ≥

0,4T s ≅

T rp , T s fiindtemperatura de solidificare – topire, iarT rp – temperature de recristalizare primar ă ale materialului. Pentru un material metalic aflat la o anumit ă temperatur ă T = ct., în care o solicitare mecanic ă

invariabil ă genereaz ă tensiuni cu intensitatea σ = ct., comportarea la fluaj poate fi redat ă sintetic prin curba de fluaj, reprezentând variaţia deformaţiilor specifice ale materialuluiε în funcţie de timpτ ,ε = f (τ ) şi prin curba de variaţie în timp a vitezei de fluajv f , v f = f’ (τ ). Curbele de acest tip, reprezentateîn figura 3.20 pentru un material metalic, evidenţiază că fenomenul de fluaj are mai multe etape dedesf ăş urare:

Fig.3.20. Curba tipică de fluaj amaterialelor metalice

Fig. 3.21. Influenţa intensităţii tensiunilorşi a temperaturiiasupra comportării la fluaj a materialelor metalice


3/12

2

* În etapa iniţială (0), pe materialul metalic aflat la temperaturaT = ct . se aplică solicitărilemecanice care generează tensiunileσ = ct. şi materialul capătă (instantaneu) deformaţia specifică ε 0, denatur ă elastică (dacă tensiunileσ se situează sub limita de curgere a materialului la temperaturaT ) sau plastică (dacă tensiunileσ depăşesc limita de curgere a materialului la temperaturaT ).

* În următoarea etapă (I), numită etapa fluajului primar sau etapa fluajului nestabilizat, areloc creşterea continuă a deformaţiei specificeε , în condiţiile unei evoluţii descrescătoare a vitezeiv f .Procesele de deformare plastică ce se produc în această etapă sunt localizate în corpul cristalelor carealcătuiesc structura materialului metalicşi se desf ăşoar ă prin acţiunea combinată a tensiunilor mecaniceşi a fenomenelor de difuzie: tensiunile mecanice produc deformarea plastică prin mecanismul deplasăriidislocaţiilor în lungul planelor de alunecare ale cristalelor, iar procesele de difuzie faciliteă deformarea, ajutând dislocaţiile să depăşească obstacolele care le blochează deplasarea (de exemplu, prin căţă rarea dislocaţiilor în planele de alunecare lipsite de bariere)şi diminuând numărul deobstacole din calea dislocaţiilor (de exemplu, prin activarea interacţiunii dintre dislocaţiile de semnecontrare sau dintre atomişi vacanţe). Procesele de deformare plastică descrise au ca efecte ecruisareamaterialului (creşterea rezistenţei la deformare a materialului)şi reducerea progresivă a vitezei de fluaj;deoarece temperatura este superioar ă temperaturii de recristalizare primar ă a materialulu solicitatmecanic, plasticitatea acesuia este ref ăcută progresiv prin declanşarea unor procese de restaurare -recristalizare primar ă (care elimină ecruisarea, confer ă materialului plasticitatea necesar ă continuării proceselor de deformareşi împiedică scăderea la zero a vitezei de fluaj).

* Din momentul în care procesele de deformare plastică - ecruisareşi restaurare - recristalizare primar ă şi-au echilibrat reciproc efectele, viteza de fluaj devine constantă (v f = ct .) şi începe o nouă etapă (II), numită etapa fluajului secundar sau etapa fluajului stabilizat, în care principalele procesecare se desf ăşoar ă sunt localizate la limitele cristalelor care alcătuiesc structura materialului solicitatmecanic. În această etapă, dislocaţiile deplasate prin alunecare în cristale sunt blocate la limitecristalelor, se acumulează în aceste zoneşi generează microgoluri (microfisuri), care se unesc între eleşi îşi măresc astfel dimensiunile; mecanismul formării şi creşterii microgolurilor este asemănătormecanismului de iniţiere şi propagare a ruperii ductile (v. scap.3.5).

* Datorită apariţiei şi creşterii microgolurilor intercristaline, de la un moment dat viteza de fluîncepe să crească, procesul de deformare se accelerează progresivşi se intr ă într-o nouă etapă (III),numită etapa fluajului ter ţiar sau etapa fluajului accelerat, care se încheie în momentul când se produceruperea materialului (IV).

Comportarea la fluaj a unui material metalic, descrisă de configuraţia curbei de fluaj, de curbavitezelor de fluaj, de duratele celor trei etape principale ale procesului de fluajşi de durata (totală) desolicitare a materialului înainte de rupereτ f , este influen ţ at ă esen ţ ial de intensitatea tensiunilor de

solicitare σ = ct şi de m ă rimea temperaturii la care se desf ăş oar ă procesul T = ct., aşa cum se poateobserva examinând diagramele din figura 3.21.

Pentru determinarea comport ă rii la fluaj a unui material metalic se folosesc încerc ă rimecanice speciale, cum ar fi, de exemplu,încercarea la rupere prin fluaj, reglementată prin STAS8894. Cu ajutorul acestor încercări se determină curbele de fluajşi curbele de variaţie în timp avitezei de fluaj în diferite condiţii de solicitare mecanică şi la diferite temperaturişi se definesc două caracteristici mecanice capabile s ă reflecte comportarea la fluaj a materialului analizat:

a) limita tehnic ă de fluaj T R τε / : tensiunea mecanic ă de solicitare a materialului la temperaturaT, corespunz ă toare realiz ă rii unei deforma ţ ii specifice prescrise ε , dup ă o perioad ă de timp prescris ă τ ; în mod obişnuit, valorile prescrise suntε = 1 % şi τ = 100000 oreşi limita tehnică de fluaj senotează T / R 100001 ;

b) rezisten ţa tehnic ă de durat ă T r R τ / : tensiunea mecanic ă de solicitare a materialului latemperatura T , pentru care ruperea prin fluaj se înregistreaz ă dup ă o perioad ă de timp prescris ă


4/12

3

τ ; în mod obişnuit, durata de solicitare până la rupere prescrisă este τ = 100000 oreşi rezistenţatehnică dedurată se notează T / r R 100000

La proiectarea pieselor sau construc ţ iilor tehnice care urmeaz ă a fi exploatate în condi ţ iide temperatur ă ridicat ă trebuie avut în vedere atât pericolul apari ţ iei ruperii, cât şi cel al cre şteriiinadmisibile a deforma ţ iilor în timp datorit ă fenomenului de fluaj. În acest scop se folosesccriteriide durabilitate limitat ă: “durata de exploatare a piesei sau construc ţ iei (la temperatura T, cu

tensiunile de solicitare σ ) τ e nu trebuie s ă fie mai mare decât durata necesar ă apari ţ iei ruperii prin fluaj τ f (sau decât durata necesar ă înregistr ă rii unor deforma ţ ii specifice mai mari decât celeadmisibile τ d )”:

τ e < τ f (sau τ e < τ d ) (3.13)Utilizarea criteriului (3.13) impune cunoaşterea caracteristicilorτ f şi/sau τ d pentru materialele

metalice cu utilizări industriale (tehnice), caracteristici care se pot determina construind experimecurbele de fluaj, la diferite temperaturi, ale acestor materiale.

3.9. Oboseala materialelor metalice

Comportarea unui material metalic supus acţiunii unei solicitări variabile (ce generează înmaterial tensiuni mecanice cu intensităţ i variabile în timp) difer ă esenţial de cea corespunzătoareacţiunii unor solicitări constante sau monoton crescătoare (ce generează în material tensiunimecanice care nu-şi modifică intensitatea în timp sau care cresc continuu în intensitate pe măsur ă ce trece timpul), ruperea sa putându-se produce chiar dacă intensitatea tensiunilor mecanicegenerate în timpul solicitării σ este mai mică decât rezistenţa la tracţiune a materialului Rm.

Fenomenul de degradare a materialelor metalice sub ac ţ iunea solicit ă rilor variabile senume şte oboseal ă, iar ruperile produse datorit ă acestuia se numesc ruperi prin oboseal ă.

În mod obişnuit, solicit ă rile variabile la care sunt supuse piesele din materiale metalice aucaracter periodic (ciclic) şi, ca urmare, funcţia σ = f (τ ), ce exprimă dependenţa de timp τ aintensităţ ii tensiunilor generate de solicitări σ , este o funcţie periodică; în aceste condiţii, orice

solicitare variabil ă se poate caracteriza complet printr-un ciclu al solicit ării, reprezentândfuncţia σ = f (τ ) pe durata unei perioade a acesteiaπ . Examinând figura 3.22, care reprezintă unastfel de ciclu de solicitare, se pot defini următoarele m ărimi caracteristice ale unei solicit ărivariabile: tensiunea maxim ă σ max , tensiunea minim ă σ min , tensiunea medie 2

minmaxm

σ+σ=σ ,

amplitudinea tensiunii (tensiunea variabil ă) σ v = σ max - σ m = 2minmax σ−σ şi coeficientul de

asimetriemax

min Rσ

σ= . Solicit ă rile variabile ale c ă ror cicluri se caracterizeaz ă prin acela şi semn al

tensiunilor σ se numesc solicit ări ondulante ( R ≥ 0); solicitarea ondulantă la careσ min = 0 ( R = 0),se numeşte solicitare pulsatoare . Solicit ă rile variabile la care pe parcursul fiec ă rui ciclu se

schimb ă semnul tensiunilorσ

se numesc solicit ări alternante ( R ≤ 0); solicitarea alternantă la careσ min = − σ max ( R = − 1), se numeşte solicitare alternant-simetric ă.Cercetările experimentale au evidenţiat următoarele aspecte principale privind oboseala

materialelor metalice:a) Graficul dependenţei dintre tensiunea maximă a ciclurilor de solicitare,σ max şi numărul

ciclurilor de solicitare până la ruperea unui material metalic (unei piese metalice) N r , grafic numitcurb ă de durabilitate la oboseal ă sau curb ă Wöhler, poate avea, aşa cum se observă în figura 3.23două configuraţii:

* pentru majoritatea materialelor metalice, graficul are forma I, N r crescând continuu odată cumicşorarea tensiuniiσ max;


5/12

4

* pentru unele materiale (de exemplu, fierul, oţelurile, titanulşi aliajele pe bază de Ti) graficulare forma II, prezentând un palier la tensiuneaσ O, numită rezisten ţă la oboseal ă; la aceste materiale,solicitările variabile caracterizate prinσ max < σ O nu produc ruperea (numărul ciclurilor de solicitare până la ruperea materialului este, teoretic, infinit).

Curbele de durabilitate la oboseal ă şi/sau rezisten ţ a la oboseal ă corespunz ă toare unui materialmetalic se determin ă experimental prin încerc ă ri mecanice speciale, cum ar fi încercarea la oboseal ă

prin încovoiere rotativ ă , reglementată prin STAS 5878.

Fig.3.22. Caracteristicile ciclurilor de solicitarevariabilă

Fig.3.23. Curbele tipice de durabilitate la oboseală alematerialelor metalice

b) Procesul de degradare prin oboseal ă a unui material metalic (unei piese metalice) are trei stadii de desf ăşurare: a) ini ţierea unei fisuri; b) propagarea lent ă (într-un num ăr mare decicluri) şi continu ă a fisurii , până când secţiunea transversală nefisurată (secţiunea portantă) a piesei devine insuficientă pentru preluarea solicitărilor; c) ruperea brusc ă a secţiunii transversalenefisurate în stadiile anterioare. Existenţa acestor trei stadii a fost evidenţiată prin cercetareaaspectului suprafeţelor de rupere prin oboseală ale materialelor (pieselor) metalice, care prezintă întotdeauna trei zone caracteristice: a) zona de iniţiere a unei fisuri (care se poate evidenţia numai pe cale microscopică); b) zona de propagare a fisurii, cu aspect neted – lucios (vizibilă cu ochiulliber); c) zona de rupere finală (bruscă), cu aspect cristalin sau fibros (vizibilă cu ochiul liber).

Mecanismul procesului de degradare prin oboseal ă a unui material metalic (unei piesemetalice) poate fi descris sintetic astfel:

* deformaţiile produse de către solicitările variabile au caracter eterogen, în anumite zonale materialului (piesei), situate de obicei la suprafaţă , cum ar fi zonele cu cristalele orientatefavorabil în raport cu sarcinile aplicate sau zonele cu concentratori de tensiuni macrosco(zgârieturi, crestături, orificii etc.) sau microscopici (impurităţ i, faze fragile etc.), producându-sedeformaţii plastice, în timp ce în celelalte zone deformaţiile sunt numai de natur ă elastică;

* fenomenul de ecruisare ce afectează zonele cu deformaţii plastice conduce, după unanumit număr de cicluri de solicitare, la epuizarea capacităţ ii de deformare a materialuluişi la

iniţierea unei fisuri;* procesul de deformare plastică localizat în zona din jurul vârfului fisurii iniţiate (careacţionează ca un puternic concentrator de tensiuni) conduce la realizarea condiţiilor extinderii(propagării) acesteia;

* după un anumit număr de cicluri, tensiunile generate de solicitarea mecanică în secţiuneanefisurată a materialului (piesei) ating nivelul rezistenţei la tracţiune Rm şi materialul se rupe brusc.

Piesele şi construc ţ iile tehnice care urmeaz ă a fi supuse în exploatare unor solicit ă rivariabile se proiecteaz ă ţ inând seama de necesitate evit ă rii pericolului ruperii lor prin oboseal ă . Criteriile de verificare folosite în acest scop (după dimensionarea piesei sau construcţiei şistabilirea tensiunilor caracteristice ale ciclurilor solicitării variabile) se adoptă în funcţie de tipul


6/12

5

curbei de durabilitate la oboseală corespunzătoare materialului metalic din care se confecţionează piesa sau construcţia considerată; astfel:

* dacă materialul utilizat are o curbă de durabilitate la oboseală de tipul I (v.fig.3.23), sefoloseşte uncriteriu de durabilitate limitat ă: “num ă rul ciclurilor de solicitare în timpul utiliz ă rii

piesei sau construc ţ ie N e trebuie s ă fie mai mic decât num ă rul ciclurilor de solicitare care producruperea prin obosel ă a materialului N r ”:

N e <

N r ; (3.14)* dacă materialul utilizat are o curbă de durabilitate la oboseală de tipul IIşi este cunoscută rezistenţa la oboseală σ O (v. fig.3.23), se foloseşte un criteriu de limitare a tensiunilor: “tensiunile maxime care caracterizeaz ă solicitarea variabil ă a piesei în exploatare σ emax trebuie s ă

fie inferioare rezisten ţ ei la oboseal ă σ O”: σ emax < σ O. (3.15)

Utilizarea criteriilor (3.14)şi (3.15) impune cunoaşterea caracteristicilor N r sau σ O pentrumaterialele metalice cu utilizări industriale (tehnice), caracteristici care se pot determina construiexperimental curbă de durabilitate la oboseală sau curbă Wöhler, la diferite temperaturi, ale acestormateriale.

3.10. Duritatea materialelor metalice

Duritatea este propritatea unui material metalic de a opune rezisten ţă la p ă trunderea în stratul său superficial a unui penetrator (corp mai dur). Pentru determinarea caracteristicilor prin care seexprimă cantitativ duritatea materialelor metalice se folosesc, de obicei, metodele prezentatecontinuare.

A. Metoda Brinell, reglementată prin standardul SR EN 10003-1 (care reprezintă versiunea înlimba română a standardului european EN 10003-1), este o metodă de determinare a durităţii materialelormetalice care utilizează ca penetrator o sfer ă (bil ă) confec ţionat ă din o ţel (aliaj Fe-C) sau din carburimetalice.

Pentru determinarea durit ăţ ii unui material metalic prin aceast ă metod ă , se apas ă penetratorul sferic cu diametrul D, un timp τ d ( τ d = 10...25 s), cu o for ţă F, pe un e şantion (prob ă , epruvet ă , pies ă )din materialul ce se analizeaz ă , iar dup ă încetarea ac ţ iunii for ţ ei , se îndep ă rteaz ă penetratorul şi semă soar ă diametrul d al urmei l ă sate de acesta pe material (v. fig. 3.24).

Duritatea Brinell (simbolizat ă HBS, în cazul utiliz ă rii unui penetrator din o ţ el şi HBW, încazul utiliz ă rii unui penetrator din carburi metalice) este o caracteristic ă mecanic ă definit ă (conven ţ ional) ca fiind raportul dintre for ţ a aplicat ă pe penetrator la efectuarea determin ării F,exprimat ă în kgf (1kgf = 9,80665 N) şi aria suprafe ţ ei urmei l ă sate de acesta pe materialul metalicanalizat S p , exprimat ă în mm 2:

HBS sau HBW = pS

F ; (3.16)

deoarece suprafaţa urmei lăsate de penetrator pe materialul analizat are forma unei calote sferice, aS p este dată de relaţia (v. fig.3.24):

2

22 d D D D DhS p−−

π=π= (3.17)

Condi ţ iile normale (standard) de determinare a durit ăţ ii Brinel corespund utiliz ă rii penetratorului sferic cu D = 10 mm şi aplic ă rii for ţ ei F = 3000 kgf (29420 N) o durat ă τ d = 10...15 s; se pot folosi însă (în funcţie de configuraţia şi dimensiunile eşantionului pe care se face determinareaşide particularităţile structurale ale materialului analizat)şi alte cupluri ( D,F ). Valorile durit ăţ ii Brinell


7/12

6

determinate pe un material metalic cu diferite cupluri (D,F) vor fi egale (sau foarte apropiate) dac ă toate cuplurile (D,F) utilizate se caracterizeaz ă prin aceia şi valoare a unui raport k S , numit grad desolicitare, definit prin relaţia:

2 D

F S k = , (3.18)

în care F se introduce în kgfşi D - în mm.

Fig. 3.24. Schema determinării durităţii prin metoda Brinell

Fig. 3.25. Schema determinării durităţii prin metoda Vickers

Duritatea Brinell a unui material metalic se indic ă precizând valoarea durit ăţ ii, simbolul HBS sau HBW (func ţ ie de materialul penetratorului sferic utilizat la determinarea durit ăţ ii) şi condi ţ iile încare s-a determinat duritatea: diametrul penetratorului sferic D (în mm) / for ţ a aplicat ă pe penetratorla determinarea durit ăţ i F (în kgf) / durata aplic ă rii for ţ ei pe penetrator τ d (în secunde); de exemplu,dacă duritatea Brinell a unui material metalic s-a determinat cu un penetrator sferic confecţionat dinoţel, cu diametrul D = 5 mm, apăsat cu for ţa F = 750 kgf (7355 N), o durată τ d = 15 s, iar valoarea

durităţii a fost 220, se face indicaţia: “materialul metalic are duritatea 220 HBS 5/750/15”.Prin cercetări experimentale s-a evidenţiat că pentru multe materiale metalice de importanţă practică (oţeluri, fonte, aliaje pe bază de Cu etc.)exist ă o dependen ţă (statistic ă ) liniar ă între valoriledurit ăţ ii Brinell şi valorile rezisten ţ ei la trac ţ iune R m ; de exemplu, în cazul oţelurilor, rezistenţa latracţiune Rm, exprimată în N/mm2, se poate estima cu relaţia Rm = 3,5( HBS sau HBW ).

B. Metoda Vickers, reglementată prin STAS 492/1 (aflat în concordanţă cu standardeleinternaţionale ISO 409/1şi ISO 6507/1), este o metodă de determinare a durităţii materialelormetalice care utilizează ca penetrator o piramid ă p ătrat ă dreapt ă confec ţionat ă din diamant, având unghiul diedru al feţelor opuse de 1360 şi unghiul dintre muchiile opuse de 1480.

Pentru determinarea durit ăţ ii unui material metalic prin aceast ă metod ă , se apas ă penetratorul piramidal din diamant, un timp τ d ( τ d = 10...35 s), cu o for ţă F, pe un e şantion (prob ă , epruvet ă , pies ă )

din materialul ce se analizeaz ă , iar dup ă încetarea ac ţ iunii for ţ ei , se îndep ă rteaz ă penetratorul şi semă soar ă diagonala

221 d d d

+= , a urmei l ă sate de acesta pe material (v. fig. 3.25).

Duritatea Vickers (simmbolizat ă HV) este o caracteristic ă mecanic ă definit ă (conven ţ ional) ca fiind raportul dintre for ţ a aplicat ă pe penetrator la efectuarea determin ă rii F ,exprimat ă în kgf (1kgf = 9,80665 N) şi aria suprafe ţ ei urmei l ă sate de acesta pe materialulmetalic analizat S p , exprimat ă în mm 2:

pS F HV = ; (3.19)


8/12

7

deoarece suprafaţa urmei lăsate de penetrator pe materialul analizat are forma unei piramide pătratedrepte, ariaS p este dată de relaţia (v. fig.3.25):

22

5390

21362

d ,S ) sin(

d o p

== (3.20)

Condi ţ iile normale (standard) de determinare a durit ăţ ii Vickers corespund aplic ă rii unei for ţ e F = 30 kgf (294 N), o durat ă τ d = 10...15 s; se pot folosi însă (în funcţie de configuraţia şi dimensiunileeşantionului pe care se face determinareaşi de particularităţile structurale ale materialului analizat)şialte intensităţi ale for ţei de apăsare F . Valorile durit ăţ ii Vickers determinate pe un material metalic cudiferite for ţ e F sunt egale (sau foarte apropiate).

Duritatea Vickers a unui material metalic se indic ă precizând valoarea durit ăţ ii, simbolul HV şi condi ţ iile în care s-a determinat duritatea (dac ă acestea difer ă de condi ţ iile normale): for ţ a aplicat ă pe penetrator la determinarea durit ăţ ii F (în kgf) / durata aplic ă rii for ţ ei pe penetrator τ d (în secunde); de exemplu, dacă la determinarea durităţii Vickers a unui material metalic s-a aplicat pe penetratofor ţa F = 10 kgf (98,07N), o durată τ d = 20 s şi valoarea durităţii a fost 250, se face indicaţia:

“materialul metalic are duritatea 250 HV 10/20”, dacă s-a aplicat pe penetrator for ţa F = 10 kgf(98,07N), o durată τ d = 10...15 sşi valoarea durităţii a fost 250, se face indicaţia: “materialul metalicare duritatea 250 HV 10”, iar dacă s-au folosit condiţiile standard ( F = 30 kgf , τ d = 10...15 s)şivaloarea durităţii a fost 250, se face indicaţia: “materialul metalic are duritatea 250 HV ”.

C. Metoda Rockwell, reglementată prin STAS 493 ( redactat în conformitate cu standarduinternaţional ISO 6508), este o metodă de determinare a durităţii materialelor metalice care utilizează ca penetrator un con confec ţionat din diamant, având unghiul la vârf de 120o , o sfer ă (bil ă) din o ţelcu diametrul de 1,5875 mm (1/16 in) sau o sfer ă (bil ă) din o ţel cu diametrul de 3,175 mm (1/8 in).

Pentru determinarea durit ăţ ii unui material metalic prin aceast ă metod ă se parcurgurm ă toarele etape (v. fig 3.26):

* se apas ă penetratorul cu o sarcin ă ini ţ ial ă (for ţă ini ţ ial ă ) F 0 = 10 kgf (98,07 N) pe un

e şantion (prob ă , epruvet ă , pies ă ) din materialul ce se analizeaz ă , dup ă care se face reglarea (manual ă sau automat ă ) a dispozitivului de m ă surare şi înregistrare a durit ăţ ii;

* se aplic ă pe penetrator o suprasarcin ă (for ţă suplimentar ă ) F 1 , ap ă sarea cu for ţ a F = F 0 + F 1 men ţ inându-se 2...8 s;

* se îndep ă rteaz ă suprasarcina F 1 şi se determin ă adâncimea de penetrare remanent ă (sub sarcina ini ţ ial ă ) e.

Duritatea Rockwell (simbolizat ă HR) este o caracteristic ă mecanic ă definit ă (conven ţ ional) prin rela ţ ia:

HR = E - e , (3.21)în care E este lungimea unei scale de referinţă , iar e – adâncimea de penetrare remanentă determinată

pe materialul analizat, ambele mărimi ( E şi e) fiind convertite în unităţi de duritate Rockwell, folosindconvenţia 1 HR = 0,002 mm; în cazul folosirii penetratorului conic din diamant, E = 0,20 mm= 100 HR, iar în cazul folosirii penetratoarelor sferice din oţel, E= 0,26 mm= 130 HR.

Pentru ca metoda să poată fi utilizată la diverse materiale metalice, se folosesc tipurile d penetratoare prezentate anteriorşi diferite intensităţ i ale suprasarcinii F 1, fiecare cuplu “tip penetrator - suprasarciă F 1” definind o scar ă de determinare a durit ăţii Rockwel; suntstandardizate 9 scări, simbolizate prin literele A,B...H,K , cu următoarele caracteristici: scara A“con de diamant – F 1 = 50 kgf (490,3 N)”, destinată determinării durităţ ii aliajelor dureşistraturilor subţiri din oţeluri sau aliaje dure; scara B “bil ă cu diametrul de 1,5875 mm – F 1 = 90 kgf


9/12

8

(882,6 N)”, destinată determinării durităţ ii aliajelor pe bază de Cu, oţelurilor moi, aliajelor pe bază de Alşi fontelor maleabile feritice;scara C “con de diamant – F 1 140 kgf (1373 N)”, destinată determinării durităţ ii oţelurilor, fontelor albeşi fontelor maleabile perlitice; scara D “con dediamant – F 1 = 90 kgf (882,6 N)”, destinată determinării durităţ ii oţelurilor cu duritate medieşi produselor subţiri din oţel sau fontă maleabilă perlitică; scara E “bil ă cu diametrul de 3,175 mm – F 1 = 90 kgf (882,6 N)”, destinată determinării durităţ ii fontelor albe, aliajelor pe bază de Al,aliajelor pe bază de Mg şi aliajelor pentru cuzineţi; scara F “bil ă cu diametrul de 1,5875 mm –

F 1 = 50 kgf (490,3 N)”, destinată determinării durităţ ii aliajelor moi pe bază de Cu şi produselorsubţiri din materiale metalice moi; scara G “bil ă cu diametrul de 1,5875 mm – F 1 = 140 kgf(1373 N)”, destinată determinării durităţ ii fontelor maleabile, aliajelor Cu-Ni-Znşi aliajelor Cu-Ni;

scara H “bil ă cu diametrul de 3,175 mm – F 1 = 50 kgf (490,3 N)”, destinată determinării durităţ iialuminiului, zinculuişi plumbului; scara K “ bil ă cu diametrul 3,175 mm – F 1 = 140 kgf(1373 N)”, destinată determinării durităţ ii produselor subţiri şi/sau din materiale metalice foartemoi.

Fig. 3.26. Schema determinării durităţii prin metoda Rockwell

Fig.3.27. Dependenţa între compoziţia soluţiilor solideşi proprietăţile mecanice ale acestora

Duritatea Rockwell a unui material metalic se indic ă precizând valoarea durit ăţ ii, simbolul HR şi simbolul sc ă rii utilizate; de exemplu, dacă la determinarea durităţii Rockwel a unui material metalics-a folosit scara Cşi s-a obţinut valoarea 45, se dă indicaţia: “materialul are duritate 45 HRC ”.

3.11. Dependen ţele între structur ă şi propriet ăţi mecanice la materialele metalice

În cazul materialelor metalice (metaleşi aliaje), dependen ţ ele între structur ă şi propriet ăţ i mecanice sunt deosebit de complexe. Principalele aspecte privind aceste dependenţe pot fi prezentate considerând pe

rând cazul materialelor metalice cu structur ă monofazică şi cazul materialelor cu mai multe faze înstructur ă.A. Încazul materialelor metalice cu structur ă monofazic ă, propriet ăţ ile mecanice depind în

principal de tipul şi natura fazei care alc ă tuie şte structura. Astfel:* metalele pure au în general plasticitateşi tenacitate ridicate, dar prezintă rezistenţă mecanică

şi duritate relativ scăzute; aceste proprietăţi sunt în legătur ă directă cu tipul structurii cristaline,metalele cu structur ă CFC având caracteristicile de plasticitateşi tenacitate cele mai bune (valori mariale alungirii procentuale după rupere A, coeficientului de gâtuire Z şi energiei de rupere KV sau KU şivalori foarte scăzute ale temperaturii de tranziţie ductil – fragilt tr ), metalele cu structur ă HC prezentând plasticitate scăzută (valori mici ale caracteristicilor A şi Z ) şi tendinţă accentuată spre comportarea


10/12

9

fragilă la rupere (valori scăzute ale KV sau KU şi valori ridicate ale caracteristiciit tr ), iar metalele custructur ă CVC având proprietăţi intermediare;

* solu ţile solide de substitu ţie au, ca şi metalele pure, plasticitateşi tenacitate ridicateşirezistenţă mecanică şi duritate relativ scăzute, plasticitateaşi tenacitatea acestor faze fiind mai scăzute,iar rezistenţa mecanică şi duritatea fiind mai ridicate decât ale componentului de bază (solventului) dinaliaj, aşa cum se poate observa în figura 3.27 (figura 3.27 prezintă variaţia unei caracteristici derezistenţă mecanică – rezistenţa la tracţiune Rm – şi unei caracteristici de plasticitate – alungirea procentuală după rupere A – în funcţie de compoziţia chimică, pentru aliajele unui sistem binar avândcomponentele complet solubile în stare solidă); proprietăţile mecanice ale soluţiilor solide de substituţiedepindşi de tipul structurii lor cristaline, în acelaşi mod ca în cazul metalelor pure;

* solu ţiile solide intersti ţiale au proprietăţi mecanice asemănătoare cu ale soluţiilor solide desubstituţie, aceste proprietăţi depinzând de tipul structurii cristaline a componentului de baă (solventului metalic) în acelaşi mod ca în cazul metalelor pureşi de naturaşi cantitatea componentuluidizolvat interstiţial, care produce deformarea (distorsionarea) structurii cristaline a componentulu bază şi determină creştera rezistenţei mecaniceşi durităţii şi micşorarea plasticităţii şi tenacităţiisoluţiei solide;

* compu şii intermetalici se caracterizează (în general) prin rezistenţă mecanică şi duritateridicate, plasticitate scăzută şi tendinţă accentuată către comportarea fragilă la rupere.

Independent de tipul fazei care le alcătuieşte structura,materialele metalice cu structur ă monofazic ă au propriet ăţ ile mecanice influen ţ ate şi de dimensiunile cristalelor; pentru orice material metalic cu structur ă monofazică, creşterea dimensiunilor cristalelor care îi alcătuiesc structura (creşterea granulaţiei) determină micşorarea plasticităţii şi tenacităţii şi accentuarea tendinţei către comportarea fragilă la rupere, în timp cemicşorarea dimensiunilor cristalelor (finisarea granulaţiei) conduce la creşterea rezistenţei mecanice, plasticităţii şi tenacităţii.

Fig. 3.28. Dependenţele între structur ă şi proprietăţile mecanice la aliajele binare

B. În cazul materialelor metalice cu structura alc ătuit ă din dou ă sau mai multe faze, propriet ăţ ile mecanice depind în principal de propriet ăţ ile fazelor existente în structur ă şi de raportulcantitativ, forma, modul de distribu ţ ie şi gradul de dispersie al cristalelor acestor faze.

În cazul aliajelor bifazice apar ţinând sistemelor binare, pentru estimarea valorilocaracteristicilor care exprimă cantitativ proprietăţile mecanice, se foloseşte legea lui Kurnacov: “modificarea compozi ţ iei chimice a aliajelor bifazice apar ţ inând aceluia şi sistem binar determin ă o


11/12

10

varia ţ ie liniar ă a caracteristicilor mecanice ale aliajelor, între valorile corespunz ă toarecaracteristicilor celor dou ă faze care le alc ă tuiesc structura”. Aplicând această lege se obţin diagramede tipul celor prezentate în figura 3.28, cu ajutorul cărora se pot estima (se pot aprecia cu o precizieacceptabilă) caracteristicile mecanice ale oricărui aliaj apar ţinând unui sistem binar. Influen ţ a formei,modului de distribu ţ ie şi gradului de dispersie a fazelor se manifest ă mai ales în cazul aliajelor bifazice(multifazice) la care fazele ce alc ătuiesc structura au propriet ăţ i mecanice mult diferite, cum ar fi, deexemplu, cazul aliajelor cu structura formată dintr-o fază secundar ă dur ă şi fragilă, distribuită într-o matrice(fază de bază) moaleşi tenace (caz corespunzător structurii multor aliaje industriale: oţeluri, aliaje pe bază deAl etc.). Dacă faza secundar ă este distribuită sub formă de reţea la limitele (marginile) cristalelor matricei saueste dispersată în matrice sub formă de cristale aciculare, aliajele prezintă rezistenţă şi duritate ridicate, dar plasticitateaşi tenacitatea lor este scăzută; dacă faza secundar ă se află însă în structur ă sub formă de cristaleglobulare fine, uniform distribuite în matricea structurală a aliajului se obţine cea mai favorabilă combinaţie a proprietăţilor mecanice (valori ridicate atât ale caracteristicilor de rezistenţă mecanică şi duritate, câtşi alecaracteristicilor de plasticitateşi tenacitate).

Teste de autoevaluare si aplicatii

T.3.16. Care din următoarele afirmaţii privind fluajul materialelor metalice sunt adevărate: a) înetapa fluajului secundar viteza de fluaj este constantă; b) procesele care se desf ăşoar ă în etapa fluajuluisecundar sunt localizate în interiorul cristalelor care alcătuiesc structura materialelor; c) fenomenul defluaj are intensitate mare în cazul materialelor metalice solicitate mecanic la temperaturit > t rp; d) înetapa fluajului ter ţiar viteza de fluaj scade continuu ?

T.3.17. Un material metalic are, laT = 673 K, următoarele caracteristici de comportare la fluaj:150673100000/1 = K R N/mm2; 200673100000/ = K r R N/mm

2. Care din următoarele afirmaţii privind semnificaţiaacestor caracteristici sunt corecte: a) laT = 673 K, solicitarea de tracţiune monoaxială cu tensiuneaσ = 150 N/mm2 produce ruperea prin fluaj după 100000 ore; b) laT = 673 K, solicitarea de tracţiunemonoaxială cu tensiuneaσ = 200 N/mm2 produce ruperea prin fluaj după 100000 ore; c) laT = 673K, solicitarea de tracţiune monoaxială cu tensiuneaσ = 150 N/mm2, o durată de 100000 ore, produce o deformaţie specifică prin fluaj ε = 0,001; d) laT = 673 K, solicitarea de tracţiunemonoaxială cu tensiuneaσ = 150 N/mm2, o durată de 100000 ore, produce o deformaţie specifică prin fluajε = 1 % ?

T.3.18. Care din următoarele afirmaţii privind oboseala materialelor metalice sunt adevărate:a) pentru orice material metalic există o rezistenţă la oboseală σ O; b) suprafaţa de rupere prin oboseală aunei piese metalice este netedă şi lucioasă; c) procesul de degradare prin oboseală a unui material metalic prezintă trei stadii: iniţierea unei fisuri, propagarea lentă a fisuriişi ruperea bruscă; d) ciclurile de solicitarevariabilă caracterizate prin R ≤ 0 se numesc cicluri ondulante?

T.3.19. Proprietatea unui material metalic de a opune rezistenţă la pătrunderea în stratul săusuperficial a unui penetrator este denumită: a) plasticitate; b) elasticitate; c) duritate; d) tenacitate?

T.3.20. Care din următoarele afirmaţii privind determinarea durităţii Vickers a materialelormetalice sunt adevărate: a) la determinarea durităţii se foloseşte un penetrator sferic din diamant; b) ladeterminarea durităţii se foloseşte un penetrator din diamant, de forma unei piramide pătrate drepte; c)duritatea Vickers se defineşte ca fiind raportul dintre for ţa aplicată pe penetratorşi aria suprafeţei urmeilăsate de acesta pe materialul metalic; d) duritatea Vickers se defineşte ca fiind raportul dintre for ţaaplicată pe penetratorşi diagonala urmei lăsate de acesta pe materialul metalic?

T.3.21. Care din următoarele afirmaţii privind determinarea durităţii Brinell a materialelormetalice sunt adevărate: a) la determinarea durităţii se foloseşte un penetrator sferic din diamant; b) ladeterminarea durităţii se foloseşte un penetrator sferic din oţel sau din carburi metalice; c) duritateaBrinell se defineşte ca fiind raportul dintre for ţa aplicată pe penetratorşi diametrul urmei lăsate de


12/12

11

acesta pe materialul metalic; d) duritatea Brinell se defineşte ca fiind raportul dintre for ţa aplicată pe penetratorşi aria suprafeţei urmei lăsate de acesta pe materialul metalic?

T.3.22. Dacă la determinarea durităţii Vickers a unui material metalic s-a aplicat, timp de 1secunde, o for ţă cu intensitatea de 30 kgfşi valoarea durităţii a fost 450, care este modul corect de indicare adurităţii: a) 450 HV 30/15; b) 450 HV; c) 450 HV 30; d) 450 HV 15/30?

T.3.23 . Dacă la determinarea durităţii Brinell a unui material metalic s-a utilizat gradul dsolicitarek s = 30, folosind un penetrator sferic din carburi metalice, pe care s-a aplicat, timp desecunde, o for ţă cu intensitatea de 750 kgf, iar valoarea durităţii a fost 450, care este modul corect deindicare a durităţii: a) 450 HBS 5/750/15; b) 450 HBW 5/750/15; c) 450 HBW 10/750/1d) 450 HBW 10/3000/15?

T.3.24. Duritatea Rockwel a materialului metalic din care este confecţionată o piesă este 35HRC. Ce tip de penetrator s-a utilizat la determinarea durităţii: a) penetrator conic din oţel; b) penetrator sferic din carburi metalice; c) penetrator conic din diamant; d) penetrator sferic din oţel?

T.3.25. Care din următoarele afirmaţii privind dependenţele între structuraşi proprietăţilemecanice ale materialelor metalice sunt adevărate: a) soluţiile solide de substituţie au rezistenţamecanică şi duritatea mai mari decât cele corespunzătoare componentului de bază (solventului); b)compuşii intermetalici se caracterizează, în general, prin duritate scăzută şi plasticitate ridicată; c) încazul materialelor metalice cu structur ă monofazică, finisarea granulaţiei determină creşterea plasticităţii şi tenacităţii; d) metalele cu structur ă cristalină CFC au cele mai bune caracteristici de plasticitateşi tenacitate?

A.3.7. O bar ă cilindrică trebuie dimensionată astfel încât să poată fi solicitată latracţiune monoaxială (în lungul axei longitudinale) cu o for ţă F = 20000 N, la temperaturat e = 600 oC, o durată σ e = 100000 ore (după care se prescrie a fi înlocuită). Bara se confecţionează dintr-un oţel (aliaj Fe-C), având temperatura de solidificare-topiret s = 1500oC şi rezistenţa tehnică dedurată C r

o600100000/R = 150 N/mm

2. Să se stabilească valoarea minimă a diametrului barei D.A.3.8. Duritatea Brinell a unei piese metalice, determinată cu ajutorul unui penetrator sferic din

oţel, cu diametrul D = 5 mm, apăsat cu for ţa F = 750 kgf, a fost 280 HBS 5/750/15. Să se stabilească valoarea diametrului urmei lăsate de penetrator pe piesă la determinarea durităţii şi să se estimezevaloarea care se obţine dacă se determină duritatea aceleiaşi piese cu un penetrator sferic din oţel, cudiametrul D = 2,5 mmşi for ţa F = 187,5 kgf.

A.3.9. La determinarea durităţii Vickers a unei piese metalice s-a folosit o for ţă de apăsare F = 30 kgf, iar diagonala urmei lăsate de penetrator a fostd = 0,410 mm. Să se stabilească valoareadurităţii Vickers a pieseişi să se estimeze valoarea care se obţine dacă se determină duritatea aceleiaşi piese folosind o for ţă de apăsare F = 10 kgf.

A.3.10. Duritatea Rockwell a unei piese din oţel (aliaj Fe-C) este 52 HRC, iar a unei piese dinalamă (aliaj Cu-Zn) este 25 HRF. Care au fost adâncimile de penetrare remanentă e la determinareadurităţilor acestor piese?

A.3.11. Metalele A şi B sunt complet solubile în stare lichidă, insolubile în stare solidă şiformează un sistem de aliaje binare cu transformare eutectică. Stiind că metalele A şi B au (la t a)rezistenţele la tracţiune RmA = 150 N/mm2 şi RmB = 550 N/mm2, să se estimeze valoarea rezistenţei latracţiune a aliajului cu % Am = 20%şi compoziţia aliajului cu rezistenţa la tracţiune Rm = 390 N/mm2.

A.3.12. Metalele A şi B sunt complet solubile în stare lichidă, insolubile în stare solidă şiformează un compus definit cu topire incongruentă An Bm, având % AmAnBm = 60 %. Stiind că la t a metalul A are duritatea HV A = 250, metalul B are duritatea HV B = 150, iar compusul An Bm are duritatea

HV AnBm = 700, să se estimeze valoarea durităţii aliajului A-B cu % Am = 50 %şi compoziţia unui alt aliajal sistemului A- B care are duritatea egală cu a acestuia.

Modele Probleme La Sf

Documents

Transcript of Modele Probleme La Sf