Universitatea Petrol Gaze din Ploieti Facultatea de Inginerie
Mecanic i Electric Domeniul de studii universitare de licen:
Inginerie mecanic
prof. univ. dr. ing. Gheorghe ZECHERU
STUDIUL SI INGINERIA MATERIALELOR SIM 2Suport de curs SIM2 S199.
METALELE SI ALIAJELE NEFEROASE9.1. Introducere 9.2. Aluminiul i
aliajele pe baz de aluminiu 9.3. Cuprul i aliajele pe baz de cupru
9.4. Titanul i aliajele pe baz de titan
PLOIESTI 2010
9. METALELE SI ALIAJELE NEFEROASE9.1. Introducere Metalele i
aliajele neferoase dein n prezent n aplicaiile tehnice o pondere de
aproape 20 de ori mai mic dect cea corespunztoare aliajelor feroase
(fonte i oeluri). Motivele utilizrii preponderente n tehnic a
fontelor i oelurilor sunt numeroase: resursele de materii prime
necesare elaborrii acestor aliaje sunt uor accesibile i destul de
uniform distribuite pe glob, tehnologiile de elaborare i de
realizare a semifabricatelor i pieselor din astfel de aliaje sunt
bine fundamentate tiinific i asigurate logistic, proprietile
(caracteristicile) lor mecanice sunt ridicate i pot fi relativ uor
modificate i adaptate condiiilor de utilizare prin aplicarea de
tratamente termice i termochimice, produsele confecionate din
aceste materiale sunt reciclabile i ecologice, costurile implicate
de elaborarea unor astfel de aliaje i de transformarea lor n
produse se coreleaz favorabil cu performanele tehnice pe care
aceste produse le asigur etc. Cu toate acestea, metalele i aliajele
neferoase reprezint i vor reprezenta i n viitor o categorie de
materiale de mare importan tehnic, datorit unor proprieti pe care
acestea le prezint (i care nu sunt asigurate de aliajele feroase
sau se obin mai greu la aceste materiale, cu cheltuieli inadmisibil
de mari): rezisten ridicat la coroziune (n prezena mediilor de
lucru chimic active), conductibilitate termic i electric mare,
capacitate bun de prelucrare prin turnare, deformare plastic sau
achiere, tenacitate bun la temperaturi sczute, valori ridicate (mai
mari dect cele asigurate de fonte i oeluri) ale raportului dintre
rezistena mecanic i masa specific (densitate), capacitate foarte
bun de a conferi produselor caracteristici estetice deosebite etc.
Deoarece proprietile aliajelor neferoase sunt determinate n msur
important de proprietile componentului lor principal (metalic), n
tabelul 9.1 sunt prezentate metalele folosite frecvent drept
componente de baz ale acestor aliaje i sunt precizate clasele de
puritate industrial n care pot fi obinute aceste metale, impuritile
ce au influene (negative) majore asupra proprietilor lor i cele mai
utilizate tipuri de aliaje binare n care fiecare din aceste metale
este componentul de baz (principal).Tabelul 9.1. Caracteristicile
principalelor metale utilizate drept componente de baz ale
aliajelor neferoase Principalele Principalele clase de aliaje
Metalul Mrcile industriale * impuriti binare folosite n tehnic STAS
7607: Al 99,99; Al 99,97; Al 99,95; Al Al-Cu, Al-Si, Al Fe, Bi, Sn,
Pb,As, Sb 99,90;Al 99,8; Al 99,75;Al 99,7; Al-Mg, Al-Zn Al 99,6; Al
99,5; Al 99,3; Al 99 Cu-Zn, Cu-Sn, STAS 270/1:Cu 99,99; Cu 99,98;
Cu 99,97; Cu Sn, Pb, Bi, S, P Cu Cu-Al, Cu-Be 99,95; Cu 99,9; Cu
99,5 Ti Ti 99,5; Ti 99,4; Ti 99,3 Pb, Si, Fe Ti-Al; Ti-Ni STAS
10309: Sn 99,9; Sn 99,565; Sn 99; Sn-Pb; Sn-Zn; Sn As, Fe, Cu, Pb,
Bi, Sb, S Sn 98,4; Sn 96,35 Sn-Sb; Sn-Hg STAS 10502: Ni 99,99; Ni
99,95; Ni 99,8; Ni Ni-Cu, Ni-Cr, Ni S, O, P,C, Pb,Bi,Cd 99,5; Ni
98,6; Ni 97,6 Ni-Mo, Ni-Fe STAS 646: Zn 99,99; Zn 99,985; Zn 98,6;
Zn Zn-Al; Zn-Cu; Zn Pb, Cd, Fe, Cu, As, Sn 98,5; Zn 97,5 Zn-Cd;
Zn-Mn Mg-Si; Mg-Mn; Mg STAS 10273:Mg 99,96; Mg 99,95; Mg 99,9 Fe,
Si, Ni, Cu, Al, Mn Mg-Al; Mg-Zn * cifrele de dup simbolul chimic
indic valoarea minim a concentraiei masice a metalului industrial,
n %
Aliajele neferoase se pot clasifica folosind o multitudine de
criterii; astfel: n funcie de numrul componentelor, aliajele
neferoase pot fi: binare, ternare sau complexe; cele mai multe
tipuri de aliaje utilizate n prezent n tehnic sunt complexe, dar,
pentru a facilita studierea structurii i proprietilor fiecrui tip
de astfel de aliaje, se ia ca baz cte un aliaj 1
binar reprezentativ i se consider c restul componentelor sunt
elemente suplimentare de aliere (de exemplu, aliajele denumite n
tehnic duraluminuri au ca baz aliaje Al Cu, n care sunt introduse
suplimentar, n diverse concentraii i alte elemente de aliere dect
cuprul: Mg, Mn etc., iar aliajele denumite n tehnic alame au ca baz
aliaje Cu Zn, n care sunt introduse frecvent, n diverse concentraii
i alte elemente de aliere dect zincul: Si, Al, Sn, Pb, Fe, Mn, Ni
etc.); n funcie de constituia structural de echilibru (la ta),
aliajele neferoase se ncadreaz n urmtoarele categorii: aliaje
monofazice, care prezint n stare solid, la orice temperatur, o
structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid avnd ca
solvent componentul de baz; aliaje cu structur monofazic dup
solidificare, n care precipit la rcirea ulterioar particule de faze
secundare (de obicei, compui intermetalici); aliaje care conin n
structur constitueni eterogeni (de tipul amestecurilor mecanice
eutectice sau eutectoide); n funcie de posibilitile tehnologice de
transpunere n produse i de prelucrare a acestora, aliajele
neferoase pot fi: aliaje de turnare i aliaje deformabile plastic,
iar n funcie de aptitudinile de a-i mri rezistena mecanic n urma
aplicrii de TT, aliajele neferoase se clasific n: aliaje
durificabile structural prin tratamente termice i aliaje
nedurificabile prin tratamente termice. Aliajele neferoase (ca i
fontele i oelurile) se pot clasifica i pe baza denumirii proprietii
sau caracteristicii care le definete primordial utilitatea tehnic;
de exemplu, se practic ncadrarea aliajelor neferoase n categorii
ca: aliaje uoare (caracterizate prin densiti 4000 kg/m3), aliaje
antifriciune, aliaje cu rezistena mecanic ridicat (dure), aliaje
criogenice (cu tenacitate ridicat la temperaturi sczute), aliaje
anticorosive (cu rezisten ridicat la aciunea mediilor agresive de
lucru), aliaje uor fuzibile (cu temperaturi ts coborte) etc. Toate
criteriile de clasificare anterior precizate se folosesc ns drept
criterii secundare, pentru denumirea diverselor aliaje neferoase i
sistematizarea studierii structurii i proprietilor lor,
preferndu-se clasificarea acestora n funcie de componentul de baz i
ncadrarea lor n categorii de tipul: aliajele aluminiului (aliaje pe
baz de aluminiu), aliajele cuprului (aliaje pe baz de cupru),
aliajele titanului (aliaje pe baz de titan), aliajele nichelului
(aliaje pe baz de nichel) etc. 9.6. Aluminiul i aliajele pe baz de
aluminiu Sub form de metal pur sau sub form de component de baz al
unor aliaje, aluminiul este utilizat n prezent pentru realizarea de
semifabricate i produse pentru multe ramuri economice importante:
aeronautic, construcii civile i industriale, electrotehnic i
telecomunicaii, energetic neconvenional (solar, eolian), forajul
sondelor de petrol, chimie i petrochimie, fabricarea ambalajelor.
Principalele proprieti fizico chimice i mecanice care trebuie
remarcate, deoarece au determinat opiunile pentru utilizarea
acestui metal n cele mai multe aplicaii, sunt: densitatea sczut,
plasticitatea bun i conductibilitatea termic i electric ridicat.
Aluminiul are o bun rezisten la coroziune n multe medii de lucru:
atmosfere poluate, ape reziduale, vapori de ap, medii apoase care
conin dioxid de carbon, soluii de acid sulfuric etc. Rezistena la
coroziune a produselor din aluminiu se datoreaz acoperirii lor (pe
cale natural sau prin aplicarea unor procedee tehnologice de
tratare chimic sau electrochimic) cu o pelicul de Al2O3, aderent,
compact i foarte rezistent la coroziune, care mpiedic atacarea
produselor de ctre mediilor active de lucru. Prezena impuritilor
(Fe, Cu, etc.) sau unele medii active (soluiile de acid azotic,
soluiile de acid fosforic, amoniacul) pot determina declanarea unor
procese de corodare intens a produselor din aluminiu. Aluminiul are
o bun capacitate de a forma aliaje, principalele aliaje pe baz de
aluminiu folosite n tehnic fiind prezentate n continuare. 2
9.6.1. Aliajele Al Cu Aliajele aluminiului avnd ca element de
aliere principal cuprul au o larg utilizare n tehnic (construcia de
maini, aeronautic, petrol, chimie i petrochimie etc.). Structura
acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru
fazic Al Cu, prezentat n figura 9.1. Fazele care apar pe aceast
diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a
componentelor Al i Cu; este soluia solid de substituie avnd ca
solvent aluminiul i ca solut cuprul ( Al(Cu)); deoarece prezint, ca
i solventul sau, structur cristalin de tip CFC, soluia solid se
caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat plastic
uor, att la cald ct i la rece; este un compus intermetalic de tip
geometric, din categoria fazelor Laves, cu formula chimic Al2Cu i
concentraia masic de cupru %Cum = 54,1%, care prezint o structur
cristalin de tip tetragonal.
Fig. 9.1. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Cu
Fig. 9.2. Structura de echilibru la ta a aliajelor Al Cu cu %Cum
= 4 %
Asa cum se poate observa, diagrama de echilibru a sistemului de
aliaje binare Al Cu are configuraia asemanatoare diagramei de
echilibru prezentate n figura 9.3, corespunztoare aliajelor n a
cror structur apare ca faz principal o soluie solid care are ca
solvent componentul de baz al aliajelor i prezint o variaie
important cu temperatura a capacitii de a dizolva componentele de
aliere (solubilitatea componentelor de aliere n aceast faz scade
puternic cnd se micoreaz temperatura). La piesele din astfel de
aliaje se poate aplica TT de clire de punere n soluie, care const
din nclzirea i meninerea o scurt durat la o temperatur tic (tso;
ts), pentru obinerea unei structuri monofazice, alctuit din
cristale de soluie solid B(A) omogen, urmat de rcirea rapid (de
obicei, n ap) pentru meninerea structurii monofazice pn la ta.
Analiznd modul de efectuare a acestui TT (v. fig. 9.3), rezult c
prin rcirea rapid de la tic a structurii monofazice se mpiedic
separarea din aceasta (prin procese bazate pe difuzie) a fazei
(bogat n elemente de aliere) i se obine la ta o structur monofazic,
alctuit din cristale de soluie solid suprasaturat n elemente de
aliere (faz metastabil); deoarece realizeaz punerea (dizolvarea la
nclzire i meninerea la rcire) n soluia solid a fazei , acest TT a
fost denumit clire de punere n soluie (a fazei ). Spre deosebire de
structurile (dure i fragile) realizate prin clirea martensitic,
structurile (monofazice, cu cristale de soluie solid) obinute prin
clirea de punere n soluie a aliajelor neferoase prezint o bun
comportare la prelucrarea prin deformare plastic. Revenirea
structurilor obinute prin clirea de punere n soluie a aliajelor
neferoase, constnd din nclzirea i meninerea acestora la o
temperatur tii [ta; tso), determin separarea din soluia 3
solid suprasaturat (metastabil) a unor precipitate care durific
structura; datorit efectelor de durificare pe care le produce, TT
de revenire aplicat structurilor obinute prin clirea de punere n
soluie este denumit mbtrnire i poate fi mbtrnire natural, dac tii =
ta sau mbtrnire artificial, dac ta < tii < tso.
Fig. 9.3. Configuraia diagramei de echilibru a sistemelor crora
aparin aliajele neferoase la care se pot aplica TT de clire de
punere n soluie
Fig. 9.4. Curba de mbtrnire la ti = 130 oC a unui aliaj Al Cu,
cu %Cum = 3 %
Natura fazic i caracteristicile structurale ale precipitatelor
care se formeaz la mbtrnire depind de mrimile parametrilor ti i m,
deoarece aceste precipitate se formeaz prin procese de germinare i
cretere, avnd la baz mecanisme ce presupun difuzia componentelor
aliajului supus TT. Cercetrile ntreprinse pn n prezent au evideniat
c, n funcie de temperatura i durata mbtrnirii aliajelor neferoase
clite, n structura matricei se pot forma urmtoarele tipuri de
precipitate: zonele GP (notate n acest mod dup numele cercettorilor
Guinier i Preston care le-au detectat pentru prima oar prin tehnici
de difracie cu raze X) apar la temperaturi i durate mici ale
procesului de mbtrnire i sunt asocieri prefereniale de atomi ai
componentelor de aliere din aliajul tratat; n mod obinuit, zonele
GP au forma unor discuri cu diametrul de 5...8 nm i grosimea de
0,3...0,6 nm i se formeaz uniform n matruicea , prin procese de
germinare omogen, ajungnd la frecvene de 10131015 zone/mm3;
precipitatele sunt faze metastabile care se formeaz la durate mai
lungi i/sau la temperaturi mai nalte de mbtrnire dect cele
corespunztoare formrii zonelor GP i sunt faze distincte (cu
structuri cristaline diferite de structura fazei stabile ), cu
configuraie platiform (cu diametrul de 25...30 nm i grosimea de
1,5...2,0 nm), care pot fi evideniate n structur numai prin
examinarea la microscopul electronic; precipitatele germineaz
relativ uniform n matricea i sunt legate prin interfee coerente cu
structura cristalin a acestei matrice; precipitatele sunt tot faze
metastabile, cu dimensiuni suficient de mari pentru a putea fi
observate prin examinarea structurilor la microscopul optic i care
apar dac duratele i/sau temperaturile de mbtrnire sunt mai mari
dect cele corespunztoare formrii precipitatelor ; precipitatele se
formeaz prin germinare eterogen pe anumite defecte ale structurii
cristaline a matricei (de exemplu, pe dislocaiile elicoidale) i
sunt semicoerente cu structura cristalin a acestei matrice;
precipitatele sunt faze stabile (de echilibru), care germineaz
eterogen pe limitele grunilor cristalini ai matricei i sunt
necoerente cu aceast matrice, putnd fi uor evideniate n structur
prin examinarea la microscopul optic. n privina filiaiei diverselor
tipuri de precipitate, cercetrile experimentale ntreprinse pn n
4
prezent au artat c orice precipitat se formeaz direct din
matricea i nu prin transformarea precipitatelor existente anterior
n structura aliajului supus mbtrnirii; astfel, la ridicarea
temperaturii de mbtrnire de la ti la t i/ > ti, precipitatul
specific temperaturii ti se dizolv n matricea i apoi din
matricea se separ un nou precipitat, corespunztor temperaturii t
/ > ti. Aceste particulariti ale formrii precipitatelor n timpul
mbtrnirii aliajelor neferoase clite sunt valorificate practic la
realizarea procesului de reversiune, care const din supranclzirea
de scurt durat a aliajelor mbtrnite, pentru reconstituirea strii
structurale monofazice pe care aliajele o aveau dup clirea de
punere n soluie (supranclzirea de scurt durat asigur dizolvarea n
matricea a precipitatelor formate prin mbtrnire, dar nu ofer timpul
necesar separrii precipitatelor specifice temperaturii la care s-a
supranclzit aliajul). Transformrile structurale produse prin
mbtrnire sunt nsoite de modificri ale proprietilor aliajelor clite,
n principal de creterea rezistenei mecanice i duritii acestora;
pentru orice aliaj clit i mbtrnit, efectul de durificare al
mbtrnirii se poate evidenia cu ajutorul unor curbe de mbtrnire,
reprezentnd dependenele experimentale dintre duritatea aliajului
mbtrnit i parametrii de regim ai mtrnirii: HVr = f(ti = ct.; m) sau
HVr = g(ti; m = ct.). Aa cum se poate observa analiznd curba de
mbtrnire HVr = f(ti = 130 oC; m) a unui aliaj Al Cu (cu %Cum = 3
%), prezentat n figura 9.4., efectul de durificare al mbtrnirii
crete n cursul formrii precipitatelor semicoerente (zonele GP i
precipitatele ) i scade odat cu apariia precipitatelor semicoerente
() i necoerente (); se ajunge astfel la ideea (confirmat prin
cercetri experimentale) c efectul de durificare este o consecin a
interaciunii dintre dislocaiile matricei aliajului mbtrnit i
precipitatele coerente, acest efect diminundu-i intensitatea odat
cu distrugerea coerenei dintre matricea structural a aliajului i
precipitatele formate la mbtrnire. Desfurarea proceselor de
precipitare la mbtrnire i efectele de durificare produse de acestea
pot fi influenate substanial dac, ntre clirea de punere n soluie i
mbtrnire, semifabricatele sau piesele din aliaje neferoase se supun
unor operaii de deformare plastic la rece. Aliajele Al Cu se pot
supune TT de clire de punere n soluie, fiind susceptibile de a fi
durificate prin clire i mbtrnire natural sau artificial. Pornind de
la aceast observaie, aliajele Al Cu se pot clasifica n dou
categorii: a) aliaje deformabile i durificabile structural prin TT;
b) aliaje pentru turnare. a. Aliajele industriale Al Cu deformabile
i durificabile structural prin TT se caracterizeaz printr-o
concentraie masic de cupru %Cum = 2...5 % (situat n intervalul
delimitat de abscisele punctelor C i B ale diagramei de echilibru
din figura 9.1) i au structura de echilibru la ta alctuit dintr-o
matrice de soluie solid , n care sunt distribuite uniform particule
de faz secundar , aa cum se poate observa n figura 9.2. Procesul
tehnologic prin care se realizeaz prelucrarea prin deformare
plastic i durificarea structural a unui semifabricat confecionat
dintr-un astfel de aliaj are urmtoarele etape: clirea de punere n
soluie, constnd din rcirea n ap a semifabricatului nclzit la o
temperatur tic situat n intervalul (tso, ts), pentru obinerea la ta
a unei structuri monofazice, alctuit din cristale de soluie solid
suprasaturat n cupru; prelucrarea prin deformare plastic a
semifabricatului cu structur monofazic ; mbtrnirea (natural sau
artificial), constnd din meninerea produsului prelucrat prin
deformare plastic la o temperatur tii [ta, ts0), n vederea separrii
din soluia solid suprasaturat a precipitatelor (zone GP, , sau )
capabile s produc durificarea la nivelul dorit a structurii.
Aliajele industriale aparinnd acestei categorii au compoziie
complex, alierea aluminiului cu mai multe elemente fiind determinat
de necesiti privind mbuntirea prelucrabilitii prin deformare
plastic, anihilarea influenelor negative ale unor impuriti greu de
eliminat la elaborare, sporirea capacitii de durificare prin clire
i mbtrnire, mbuntirea rezistenei la coroziune etc. Cele mai
folosite sunt aliajele Al Cu Mg cu adaosuri de Mn, cunoscute sub
denumirea de duraluminiu; compoziia chimic a acestor aliaje se
caracterizeaz prin: %Cum = 2...5 %; %Mgm = 0,2...2,4 %;5
%Mnm = 0,2...1,5 %, iar impuritile permanent prezente sunt Fe i
Si (concentraiile masice maxime uzual acceptate pentru fiecare din
aceste elemente fiind de 0,5...0,6 %). Structura de echilibru la ta
a aliajelor de tip duraluminiu este alctuit din matricea i diveri
compui chimici (cu prezena i ponderea dependente de compoziia
aliajului): Al2Cu (faza ), Al2CuMg (faza S), Mg2Al3 (faza ), Mg2Si,
Al6CuMg4, (Mn,Fe)Al6 i Al7Cu2Fe. Durificarea prin clire de punere n
soluie i mbtrnire a aliajelor de tip duraluminiu se realizeaz prin
mecanismele prezentate n cazul aliajelor Al Cu. La nclzirea n
vederea clirii compuii intermetalici pe baz de Al, Cu, Mg (, S,
etc.) se dizolv n matricea , n timp ce compuii coninnd Fe i Mn rmn
nedizolvai i se menin n structura aliajelor clite (cu efecte
negative asupra plasticitii acestei structuri). n procesul de
mbtrnire se formeaz mai nti zone GP (de forma unor bastonae sau
sfere), apoi precipitate metastabile semicoerente cu matricea (, S,
etc.), iar n cazul unei mbtrniri avansate precipitate stabile
necoerente cu matricea (, S, etc.). Mrcile de aliaje uoare de tip
duraluminiu, folosite la confecionarea semifabricatelor (table,
platbande, evi, profile extrudate etc.) din care se realizeaz piese
i echipamente pentru aeronave, autovehicule, instalaii
petrochimice, instalaii de forare a sondelor, etc., corespund
simbolurilor: AlCu4MgMn, AlCu4Mg1,5Mn i AlCu4MgMnSi. Dup cum se
poate observa, simbolurile mrcilor de aliaje de tip duraluminiu, ca
i simbolurile tuturor mrcilor de aliaje pe baza de Al deformabile,
cuprind: Al (simbolul chimic al aluminiului, componentul de baz al
aliajelor), urmat de simbolurile chimice ale elementelor de aliere,
fiecare simbol fiind nsoit de numere (de preferin ntregi) care arat
concentraia masic medie a elemntului respectiv, dac aceasta este n
jur de 1 % sau mai mare; simbolurile pot fi continuate cu un grup
de litere i cifre care indic starea structural a aliajului (de
exemplu, F stare brut; O stare recoapt; T3 starea obinut prin clire
de punere n soluie + deformare plastic la rece + mbtrnire natural,
T4 starea obinut prin clire de punere n soluie + mbtrnire natural;
T6 starea obinut prin cliere de punere n soluie + mbtrnire
artificial, T8 starea obinut prin cliere de punere n soluie +
deformare plastic la rece + mbtrnire artificial). b. Aliajele
industriale Al Cu pentru turnare se caracterizeaz printr-o
concentraie masic de cupru %Cum = 3...10 %. Structura de echilibru
la ta este alctuit din soluie solid i formaiuni de faz secundar , n
cazul aliajelor cu %Cum 5,7 % sau din soluie solid , eutectic (+) i
separri de faz secundar , n cazul aliajelor %Cu > 5,7 %.
Aliajele din aceast categorie se pot alia suplimentar, ca i
aliajele deformabile, cu Mg, Ni, Mn, Bi, Si. Produsele realizate
prin turnare din astfel de aliaje se pot sau nu supune durificrii
structurale printr-un TT alctuit din clire de punere n soluie i
mbtrnire natural sau artificial. Durificarea structural prin TT
poate fi substanial la aliajele cu %Cum 5,7 %, la care nu apare n
structura de echilibru eutecticul (+) i este puin important la
aliajele cu %Cum > 5,7 %, la solidificarea crora se produce
transformarea eutectic L + i principalul efect durificator l aduce
prezena n structur a eutecticului (+). Spre deosebire de aliajele
deformabile, la care durificarea structural se asigura n mod
obinuit prin atingerea strilor T3, T4, T6 sau T8, durificarea
structural a aliajelor pentru turnare se obine de obicei prin
atingerea strilor T1 sau T5 (rcirea rapid dup turnare, pentru
obinerea unei structuri cu soluie solid suprasaturat n elemente de
aliere, urmat de mbtrnire natural sau artificial) i, mai rar, prin
atingerea strilor T4 sau T6. Mrcile de aliaje industriale de acest
tip (folosite pentru confecionarea de semifabricate turnate cu
destinaii similare celor prezentate n cazul aliajelor deformabile)
sunt: GAlCu10, GAlCu8, GAlCu4Si4MnSi, GAlCu6Si5Mg, GAlCu4Ni2Mg,
GAlCu4MgTi, GAlCu4Si1, GAlCu10Mg. Simbolurile sunt alctuite la fel
ca n cazul aliajelor pe baz de Al deformabile, cu adugarea la
nceputul simbolului a literei G: aliaj pentru turnare.6
9.6.2. Aliajele Al Zn Aliajele aluminiului, avnd ca element
principal de aliere zincul (%Znm = 5...8 %) i adaosuri de Mg (%Mgm
= 2...3 %), Cu (%Cum = 1...2 %) i alte elemente (Mn, Cr, Ti, Si,
Zr, introduse fiecare n concentraii masice care nu depesc 0,2 %),
se folosesc n tehnic, sub denumirea de zincral sau alzimac, ca
aliaje deformabile cu rezisten mecanic ridicat (Rm = 550...750
N/mm2 i A 8 %). Structura de echilibru la ta a aliajelor din aceast
categorie este similar celei corespunztoare aliajelor tip
duraluminiu, coninnd n plus compuii intermetalici: MgZn2, (faza M)
sau Al2Mg3Zn3 (faza T). Caracteristicile de rezisten mecanic
prezentate anterior corespund n mod obinuit produselor livrate n
starea T6; n procesul de mbtrnire artificial al aliajelor clite se
formeaz n stadiile iniiale zone GP, iar n stadiile avansate
precipitate metastabile semicoerente cu matricea (de tip M, T etc.)
i apoi precipitate stabile necoerente (de tip M,T etc.) Aliajele
din aceast categorie folosite cu cea mai mare pondere n aplicaiile
tehnice corespund mrcii AlZn6Mg2,5Cu1,5. 9.6.3. Aliajele Al Si
Aliajele aluminiului avnd ca element de aliere principal siliciul
se utilizeaz n tehnic, sub denumirea silumin, ca aliaje uoare
pentru turnare (corpuri de maini, cartere i pistoane pentru motoare
cu ardere intern i compresoare de aer, armturi i piese industriale
rezistente la uzur i coroziune la temperaturi ridicate n prezena
gazelor oxidante, corpuri de carburatoare pentru autovehicule
etc.). Structura acestor aliaje se poate analiza apelnd la diagrama
de echilibru fazic Al Si, prezentat n figura 9.5. Fazele care apar
pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a
componentelor Al i Si; este soluia solid avnd ca solvent aluminiul
i ca solut siliciul ( Al(Si)); are structur cristalin de tip CFC i
prezint o bun palsticitate; este soluia solid avnd ca solvent
siliciul i ca solut aluminiul ( Si(Al)); deoarece solubilitatea
aluminiului n siliciu este foarte redus (concentraia masic de Al
care se poate dizolva n Si este %Alm = 0,5 %, la t = 577 oC i %Alm
0 % la ta) se poate considera c Si.
a.
b.Fig. 9.5. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Al Si
Fig. 9.6. Structura de echilibru la ta a siluminului cu %Sim = 13
%: a. nemodificat; b. modificat cu Na
7
Aliajele folosite cu precdere n tehnic, datorit proprietilor lor
bune de turnare (temperatura de solidificare-topire sczut,
fluiditate ridicat etc.), sunt aliajele eutectice sau uor
hipereutectice (cu %Sim = 11...14 % ) a cror structur de echilibru
la ta este alctuit din cristale de Si (formate preeutectic) i
eutectic (+), aa cum se poate observa pe micrografia din figura
9.6.a. Aliajele cu o astfel de structur nu au caracteristici
mecanice convenabile (Rm = 130...150 N/mm2 i A = 1...2 %) i prezint
rezisten sczut la aciunea mediilor corosive. Pentru mbuntirea
caracteristicilor mecanice i tehnologice ale acestor aliaje se
practic modificarea cu sodiu (care se adaug nainte de turnare, sub
form de cloruri sau fluoruri, peste aliajele topite). Prezena
sodiului determin micorarea temperaturii eutectice de la 577 oC la
565 oC i deplasarea concentraiei eutectice de la %Sim = 11,7 % la
%Sim = 14 %, astfel c structura de echilibru a aliajelor la ta va
fi alctuit din cristale de soluie solid (separate preeutectic) i
eutectic (+), aa cum se poate observa pe micrografia prezentat n
figura 9.6.b; n acelai timp, modificarea cu sodiu determin formarea
unor particule de adsorbie pe suprafeele germenilor cristalini i
asigur astfel o structur primar cu granulaie fin, caracterizat prin
niveluri ridicate ale rezistenei mecanice i plasticitii (Rm =
200...260 N/mm2 i A = 6...10 %). n tehnic se utilizeaz i aliaje de
tip silumin cu coninuturi sczute de Si (%Sim = 5...10 %), aliate
suplimentar cu Mg (%Mgm = 0,3...0,8 %), Cu (%Cum = 1...4 %) sau Ni
(%Nim = 0,3...3,0 %), care formeaz compui intemetalici cu
componentele existente n aceste aliaje (Mg2Si, Al2Cu, Al3Ni) i
creaz astfel posibilitatea durificrii structurale prin TT (clire de
punere n soluie de la ti = 350...540 o C, urmat de mbtrnire
artificial la ti = 150...160 oC, cu m = 3...12 ore) a produselor
turnate realizate din astfel de aliaje. Aliajele din aceast
categorie folosite de obicei n aplicaii tehnice corespund mrcilor:
GAlSi12Mn, GAlSi12CuMgni, GAlSi9Cu3Mg, GAlSi8cu3Ni i GAlSi9Mg. 9.3.
Cuprul i aliajele pe baz de cupru Sub form de metal pur sau sub
form de component de baz al unor aliaje, cuprul este utilizat din
timpuri strvechi pentru realizarea de produse. Cuprul are o bun
rezisten la coroziune n multe medii de lucru: atmosfere poluate,
ape reziduale i ape srate, vapori de ap supranclzii, soluii slabe,
neaerate de sulfai, azotai, cloruri i acizi anorganici (sulfuric,
clorhidric, azotic), substane organice (benzin, motorin, benzol,
glicerin etc.). Cuprul este atacat (se corodeaz) n medii care conin
hidrogen, sulf, hidrogen sulfurat, amoniac, soluii concentrate de
acizi anorganici, anilin i acid acetic etc. Cuprul formeaz un numr
impresionant de aliaje, principalele aliaje pe baz de cupru
folosite n tehnic fiind prezentate n continuare. 9.3.1. Alamele
Aliajele pe baz de cupru, avnd drept component de aliere
principal zincul sunt denumite n tehnic alame. Structura alamelor
se poate analiza apelnd la diagrama de echilibru fazic a sistemului
Cu Zn, prezentat n figura 9.7, punctele caracteristice ale acestei
diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.2. Fazele care
apar pe aceast diagram au urmtoarele semnificaii: L este soluia
lichid a componentelor Cu i Zn; este soluia solid de substituie
avnd ca solvent cuprul i ca solut zincul ( Cu(Zn)); deoarece
prezint, ca i solventul su, structur cristalin de tip CFC, soluia
solid se caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat
plastic uor, att la cald, ct i la rece; este o soluie solid pe baz
de compus chimic (faz bertholid), care prezint structur cristalin
de tip CVC; la temperaturi ridicate, are caracteristicile unei
soluii solide neordonate, prezentnd tenacitate i plasticitate bune,
iar sub temperatura tCK 450 oC (temperatura Curie Kurnakov a fazei
) sufer un proces de ordonare (atomii de Cu se distribuie n
nodurile situate n8
vrfurile celulelor elementare, iar atomii de Zn se poziioneaz n
nodurile aflate n centrele celulelor elementare) i soluia solid
ordonat (faza Kurnakov), notat , capt caracteristicile tipice
compuilor intermetalici (duritate ridicat i fragilitate
accentuat).
Fig. 9.7. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu Zn
Fig. 9.8. Variaia caracteristicilor mecanice ale alamelor n
funcie de %Znm Q 32 ta
Tabelul 9.2. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramei
de echilibru Cu Zn Punctul A B C D M N P Abscisa, %Znm Ordonata,
Co
0 1083
41 905
32 905
38 905
39 450
46 450
46 ta
n funcie de structura de echilibru i de caracteristicile
mecanice pe care le prezint n aceast stare (v. fig. 9.8), care
definesc procedeul tehnologic recomandat pentru realizarea
semifabricatelor i pieselor, alamele se pot clasifica astfel: a.
Alamele monofazice (cu structura la ta alctuit numai din cristale
de soluie solid ) au %Znm 39 % i sunt alame deformabile (care se
prelucreaz bine att prin deformare plastic la cald, ct i prin
deformare plastic la rece); alamele monofazice , cu %Znm 25 % sunt
denumite n tehnic tombacuri. Dup turnare i rcire la ta,
semifabricatele sau lingourile din astfel de alame prezint o
structur monofazic, alctuit din cristale dendritice de soluie solid
neomogen, aa cum se observ n figura 9.9; dac semifabricatele sau
lingourile turnate sunt supuse unei recoaceri de omogenizare (la ti
= 800 ... 850 oC, m = 2...5 ore) sau sunt deformate plastic i
supuse apoi recoacerii, structura lor la ta va fi alctuit din
cristale poliedrice de soluie solida omogen, aa cum se poate
observa n figura 9.10. Alamele monofazice se comport foarte bine la
deformarea plastic la rece i au o comportare mai slab la deformarea
plastic la cald, mai ales n prezenta impuritilor insolubile n cupru
(Pb, Bi) care determin apariia unor fenomene de fragilitate sau
fisurare la cald. b. Alamele bifazice, cu structura la ta alctuit
din cristalele fazelor i , au %Znm (39 %; 46 %) i sunt utilizate de
obicei ca alame de turnare, duritatea i fragilitatea acestora
crescnd pe msur ce se mrete coninutul procentual al fazei n
structur; structura la ta a semifabricatelor i pieselor turnate din
astfel de alame are aspectul prezentat n figura 9.11, cristalele
acestei structuri devenind poliedrice (echiaxiale), aa cum se
observ n figura 9.12, dac se aplic un TT de recoacere. n unele
cazuri, piesele din alame bifazice cu coninut ridicat de zinc se
supun unui TT de clire n ap (de la o temperatur ti la care
materialul prezint o structur monofazic , pentru obinerea
structurii prezentate n fig. 9.13) i, eventual, unei reveniri, la o
temperatur ti < tCK, pentru ca n structur s apar cristale de faz
, n cantitatea i cu dispunerea corespunztoare obinerii unor
caracteristici ridicate de rezisten 9
mecanic i tenacitate. c. Alamele monofazice , cu structura la ta
alctuit numai din cristale de faz (v. fig. 9. 14), au %Znm (46 %;
50 %] i se pot utiliza att ca alame de turnare, ct i ca alame
deformabile la cald (la o temperatur de deformare situat deasupra
punctului tCK 450 oC, la care aceste alame prezint o structur
monofazic , cu plasticitate bun).
Fig. 9.9. Structura la ta a alamelor monofazice turnate
Fig. 9.10. Structura la ta, dup recoacerea de omogenizare, a
alamelor monofazice
Principalele elemente de aliere folosite la elaborarea alamelor
speciale, care au structuri i proprieti favorabile aplicrii n
diverse aplicaii tehnice sunt: aluminiul, introdus n concentraii
%Alm 3,5 %; fierul, introdus n concentraii %Fem 1,5 %; manganul,
introdus n concentraii %Mnm 5 %;. staniul, introdus n concentraii
%Snm 1 %, plumbul (care este insolubil n cupru, fiind considerat o
impuritate a acestuia, dar poate mbunii prelucrabilitatea prin
achiere, n concentraii %Pbm 3 %); nichelul, introdus n concentraii
%Nim 3 %; siliciul, introdus n concentraii %Sim 1 %. Mrcile de
alame comerciale, simbolizate asemanator aliajelor pe baz de Al,
corespund prescripiilor anterior formulate; de exemplu, CuZn10;
CuZn15; CuZn20; CuZn30; CuZn36 sunt mrci de alame monofazice (alame
binare deformabile), CuZn31Si; CuZn36Pb1; CuZn39Ni3 sunt mrci de
alame speciale monofazice (alame speciale deformabile), G CuZn40Pb;
G CuZn40PbSn; G CuZn38Pb2Mn2; G CuZn30Al5Fe3Mn2 sunt mrci de alame
bifazice (alame pentru turnare), iar CuZn42Mn3Al2 i G
CuZn30Al5Fe3Mn2 sunt mrci de alame monofazice .
Fig. 9.11. Structura la ta a alamelor bifazice turnate
Fig. 9.12. Structura la ta a alamelor bifazice recoapte dup
turnare
Fig. 9.13. Structura la ta a alamelor bifazice clite si
revenite
Fig. 9. 14. Structura la ta a alamelormonofazice
10
9.3.2. Aliajele Cu Ni Cuprul i nichelul, fiind metale izomorfe
(cu structur cristalin de tip CFC) i prezentnd dimensiuni atomice
apropiate, au solubilitate total n stare solid. Diagrama de
echilibru a sistemului de aliaje Cu Ni, prezentat n figura 9.15,
evideniaz faptul c toate aliajele acestui sistem au la ta o
structur monofazic, alctuit din cristale de soluie solid de
substituie Cu(Ni) Ni(Cu), aa cum se poate observa n figura 9.16. Ca
urmare, diagramele ce descriu dependenele dintre caracteristicile
fizico mecanice ale aliajelor Cu Ni i compoziia lor chimic au un
punct de maxim local al curbei rezistenei mecanice (cu ordonata la
Rm = 600...800 N/mm2) i punctele de minim local ale curbelor
alungirii procentuale dup rupere (cu ordonata la A = 40 ... 45 %) i
coeficientului de gtuire (cu ordonata la Z = 55...60 %) avnd
abscisa situat la %Nim 65 %, iar curba care red dependena dintre
rezistivitatea electric i compoziia acestor aliaje prezentnd un
punct de maxim local cu abscisa %Nim 50 %. Datorit structurii
monofazice i proprietilor fizico mecanice pe care le prezint,
aliajele Cu Ni se prelucreaz bine prin deformare plastic (la rece
sau la cald) sau prin achiere, prezint o bun rezisten la coroziune
(n ap de mare i n soluii saline, n acizi organici, n vapori de ap
etc.) i se pot utiliza la fabricarea rezistorilor electrici.
Principalele reete de aliaje Cu Ni utilizate n tehnic sunt:
aliajele Kunial, cu %Nim = 5...15% i adaosuri de Al (%Alm = 1 ...
3%), folosite pentru a confeciona (prin deformare plastic la rece
sau la cald) elemente elastice (arcuri sau lamele) i piese
rezistente la coroziune; aliaje Melchior (Maillechort), cu %Nim =
18 ... 20 % i adaosuri de Fe (%Fem = 0,6 ... 1,0 %) i Mn (%Mnm =
0,8 ... 1,3 %), folosite n aplicaiile care impun materiale
anticorosive;
Fig. 9. 15. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu
Ni
Fig. 9. 16. Microstructura la ta a aliajului Cu Ni, cu %Nim = 20
%
aliajele Alpaca (Neusilber, Argentan), cu %Nim = 15 ... 20 % i
%Znm = 20...30 % (corespunztor mrcilor comerciale CuNi18Zn20,
CuNi18Zn27 sau CuNi15Zn21), folosite (ca aliaje deformabile sau
pentru turnare) pentru confecionarea pieselor rezistente la
coroziune, instrumentelor de msurare, pieselor de mecanic fin,
rezistorilor electrici, tacmurilor i obiectelor de art sau podoab
etc.; aliajele Constantan, cu %Nim = 40...50 % i aliajele Nichelin,
cu %Nim = 30...35 % i adaosuri de Mn (%Mnm = 3...4 %), folosite ca
materiale electrotehnice (n special pentru confecionarea
rezistorilor); aliaje Monel, cu %Nim = 65...70 % i adaosuri de Fe,
Mn i Si, folosite (ca aliaje deformabile, dar i ca aliaje pentru
turnare) n aplicaiile care necesit materiale rezistente la
coroziune.
11
9.3.3. Bronzurile
Aliajele pe baz de cupru al cror component de aliere principal
este un alt element dect zincul sau nichelul sunt denumite
bronzuri. Principalele tipuri de bronzuri folosite pentru
realizarea pieselor din construcia de maini i pentru fabricare
construciilor mecanice sunt: bronzurile cu staniu (denumite i
bronzuri clasice), bronzurile cu aluminiu, bronzurile cu siliciu,
bronzurile cu beriliu i bronzurile cu plumb. A. Bronzurile cu
staniu folosite n tehnic au %Cum 20 % i prezint, n funcie de
concentraia masic a staniului, structurile indicate de diagramele
de echilibru (stabil sau metastabil) redate n figura 9.17, punctele
caracteristice ale acestor diagrame avnd coordonatele precizate n
tabelul 9.3. Fazele care apar pe diagramele de echilibru din figura
9.17 au urmtoarele semnificaii: L este soluia lichid a
componentelor Cu i Sn; este soluia solid de substituie avnd ca
solvent cuprul i ca solut sataniul ( Cu(Sn)); deoarece prezint, ca
i solventul su, structur cristalin de tip CFC, faza se
caracterizeaz printr-o bun plasticitate, putnd fi deformat plastic
uor, att la cald, ct i la rece; este o soluie solid pa baza
compusului chimic Cu5Sn (faz bertholid), cu structur cristalin de
tip CVC, care apara (la rcirea bronzurilor topite) prin defurarea
transformrii peritectice (la t 800 oC): L + ; este stabil numai pn
la temperatura t = 586 oC, la care se descompune eutectoid: + ;
este (ca i ) o soluie solid pe baza compusului chimic Cu5Sn (faz
bertholid), cu structur cristalin de tip CVC; faza este stabil
numai pn temperatura la t = 520 oC, la care se descompune
eutectoid: + ; este o soluie solid pe baza compusului chimic
Cu31Sn8 (faz bertholid), cu structur cristalin complex; faza este
stabil numai pn la temperatura t = 320 oC, la care, n condiii de
echilibru (care presupun menineri ndelungate), se descompune
eutectoid: + ; este compusul intermetalic Cu3Sn; datorit vitezei
extrem de reduse cu care se realizeaz transformarea + , aa cum
rezult examinnd diagramele din figura 9.17, faza nu apare n
structura semifabricatelor i pieselor din bronzuri industriale
livrate n strile M sau O. n funcie de structura pe care o prezint
(la ta) n starea M, de caracteristicile mecanice asigurate (redate
sintetic, n funcie de concentraia masic a staniului, n diagramele
din fig. 9.18) i de procedeul tehnologic recomandat pentru
realizarea semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu staniu se pot
clasifica astfel:
12
Fig. 9.17. Diagramele de echilibru ale sistemului de aliaje Cu
Sn pentru diferite stri: a. starea de echilibru stabil; b. starea
metastabil obinut prin recoacere (starea O); c. starea metastabil
obinut prin turnare (strarea F) Tabelul 9.3. Coordonatele punctelor
caracteristice ale diagramelor de echilibru Cu Sn C C 13,5 9,0 800
E E 16,0 8,0 586 H H 16,0 8,0 520
PunctulAbscisa,%Snm Ordonata, oC
A 0 1083
B 25,5 800
D 22,0 800
F 24,0 586
G 26,0 586
J 27,0 520
K 11,0 350
Q 0,2 ta
a. Bronzurile monofazice (cu structura la ta alctuit numai din
cristale de soluie solid ) au %Snm 8 ... 9 % i sunt bronzuri
deformabile (care se pot prelucra att prin deformare plastic la
cald, ct i prin deformare plastic la rece); structura de turnare a
acestor bronzuri, alctuit din cristale dendritice de soluie solid
neomogen, aa cum se observ pe micrografia din figura 9.19, se poate
transforma prin recoacere (precedat sau nu de o operaie de
prelucrare prin deformare plastic) ntr-o structur cu cristale
poliedrice de soluie solid omogen, aa cum se poate vedea pe
migrografia prezentat n figura 9.20. b. Bronzurile hipoeutectoide
(bronzurile bifazice) au %Snm = 10...20 % i se folosesc ca bronzuri
de turnare; n starea M, structurile la ta ale semifabricatelor i
pieselor realizate din astfel de bronzuri conin (aa cum se poate
observa n fig. 9.21) fazele i i, respectiv, constituenii
(preeutectoid) i amestecul eutectoid ( + ), duritatea i
fragilitatea acestor structuri crescnd pe msur ce se mrete
coninutul lor procentual de eutectoid ( + ).
Fig. 9.18. Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor cu
staniu n funcie de %Snm
Fig. 9.19. Structura la ta a bronzurilor monofazice turnate
Fig. 9.20. Structura la ta a bronzurilor monofazice recoapte
Fig. 9.21. Structura la ta a bronzurilor hipoeutectoide
turnate
13
Bronzurile cu staniu se pot alia suplimentar la elaborare i cu
alte elemente, care produc structuri i proprieti favorabile
utilizrii n anmite aplicaii: fosforul, introdus n concentraii %Pm
< 0,3 %; plumbul, introdus n concentraii %Pbm 2 %; zincul, n
concentraii %Znm = 5...10 %. Mrcile de bronzuri cu staniu
comerciale corespund prescripiilor anterior formulate; de exemplu,
CuSn6; CuSn8 i CuSn4Pb4Zn4 sunt mrci de bronzuri monofazice
(bronzuri deformabile), iar GCuSn14; GCuSn12Ni2 i GCuSn10Zn2 sunt
mrci de bronzuri bifazice (bronzuri de turnare). B. Bronzurile cu
aluminiu folosite n tehnic au %Alm 15 % i prezint, n funcie de
concentraia masic a aluminiului, structurile indicate de diagrama
de echilibru redat n figura 9.22, punctele caracteristice ale
acestei diagrame avnd coordonatele precizate n tabelul 9.4. Fazele
care apar pe diagrama de echilibru din figura 9.22 au urmtoarele
semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Cu i Al; este
soluia solid de substituie Cu(Al), cu structur cristalin de tip
CFC, care poate fi deformat plastic uor, att la cald, ct i la rece;
este o faz bertholid pe baza compusului chimic Cu3Al, cu structur
cristalin de tip CVC; aa cum se poate observa pe diagrama de
echilibru, faza poate s apar n structura bronzurilor cu aluminiu, n
funcie de concentraia aluminiului n aceste aliaje, ca faz separat
preeutectoid (la cristalizarea primar a bronzurilor cu %Alm >
8,3 %) i/sau ca faz separat la transformarea eutectic (la t 1035
oC) L + i este stabil numai pn la temperatura t = 565 oC, la care
se descompune eutectoid: + 2; este (ca i ) o faz bertholid; prezint
dou modificaii (forme alotropice): 1, stabil deasupra temperaturii
t = 785 oC, corespunztoare compusului Cu9Al4, cu structur cristalin
cubic i 2, stabil sub temperatura t = 785 oC, corespunztoare
compusului Cu32Al19, cu structur cubic complex, duritate ridicat i
fragilitate accentuat. Aa cum se poate observa examinnd diagrama de
echilibru din figura 9.22, bronzurile cu aluminiu (spre deosebire
de bronzurile clasice) au un interval de solidificare restrns
(10...15 oC); ca urmare, aceste aliaje au proprieti de turnare
foarte bune (fluiditate ridicat, aptitudine de a realiza piese
turnate compacte, cu retasura de contracie concentrat). Bronzurile
cu aluminiu prezint ns, la solidificarea dup turnare, tendina de a
forma cristale dendritice lungi (columnare), care nrutesc
comportarea la deformare plastic (mresc nclinaia spre fisurare) a
pieslor i semifabricatelor turnate; acest dezavantaj poate fi
eliminat, dac la elaborare se face modificarea lor cu V, Ti, B i li
se aplic o bun dezoxidare (pentru evitarea apariiei n structur a
incluziunilor fragile de Al2O3).
Fig. 9. 22. Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu
Al
Fig. 9. 23. Variaia caracteristicilor mecanice ale bronzurilor
cu aluminiu n funcie de %Alm
14
n funcie de structura pe care o prezint (la ta) n strile M sau
O, de caracteristicile mecanice asigurate (redate sintetic, n
funcie de concentraia masic a aluminiului, n diagramele din fig.
9.19) i de procedeul tehnologic recomandat pentru realizarea
semifabricatelor i pieselor, bronzurile cu aluminiu se pot
clasifica astfel: a. Bronzurile monofazice (cu structura la ta
alctuit numai din cristale de soluie solid ) au %Alm < 9 % i
sunt bronzuri deformabile; b. Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile
bifazice) au %Alm 9 % i se folosesc n mod obinuit ca bronzuri de
turnare; structura la ta a semifabricatelor i pieselor realizate
din astfel de bronzuri conine fazele i 2 i, respectiv, constituenii
(preeutectoid) i amestecul eutectoid ( + 2), duritatea i
fragilitatea acestei structuri crescnd pe msur ce se mrete
coninutul procentual de eutectoid ( + 2). Bronzurile bifazice cu
%Alm = 9,5...10,5 % se pot prelucra i prin deformare plastic la
cald, dac temperatura la care se face deformarea este situat n
domeniul n care aceste aliaje prezint structur monofazic (structur
care se poate menine i la ta, dac se aplic un TT de clire).Tabelul
9.4. Coordonatele punctelor caracteristice ale diagramei de
echilibru Cu Al
Punctul Abscisa, %Snm Ordonata, oC
A 0 1083
B 8,3 1035
C 11,2 1048
F 7,4 1035
G 9,0 1035
K 9,4 565
M 12,0 565
P 13,6 785
Q 9,4 ta
Bronzurile cu aluminiu au, n comparaie cu bronzurile clasice,
rezisten la coroziune mult mai bun (n medii ca: apa de mare i
soluiile saline, soluiile de acid carbonic, soluiile unor acizi
organici), densitate mai mic, caracteristici de antifriciune i
rezistena la uzare mai sczute i caracteristici mecanice asemntoare.
Pentru mbunirea unor caracteristici de utilizare, bronzurile cu
aluminiu se pot alia suplimentar i cu alte elemente, cum ar fi Fe,
Mn, Ni. Mrcile de bronzuri cu aluminiu comerciale corespund
prescripiilor anterior formulate; de exemplu, CuAl10Fe3 i CuAl9Mn2
sunt mrci de bronzuri monofazice (bronzuri deformabile), iar G
CuAl10Fe3; G CuAl10Mn i G CuAl9Fe5Ni5 sunt mrci de bronzuri
bifazice (bronzuri de turnare). c. Bronzurile cu beriliu folosite n
tehnic au %Bem 2,5 % i prezint, n funcie de concentraia masic a
beriliului, structurile indicate de diagrama de echilibru redat n
figura 9.24, punctele caracteristice ale acestei diagrame avnd
coordonatele precizate n tabelul 9.5.
Fazele care apar pe diagrama de echilibru Cu Be au urmtoarele
semnificaii: L este soluia lichid a componentelor Cu i Be; este
soluia solid de substituie Cu(Be), cu structur cristalin de tip
CFC, care poate fi 15
deformat plastic uor; este o faz bertholid, cu structur
cristalin de tip CVC; aa cum se poate observa pe diagrama de
echilibru, faza poate s apar n structura bronzurilor industriale ca
urmare a desfurrii transformrii peritectice (la t = 865 oC) L + sau
ca urmare a diminurii solubilitii beriliului n cupru o dat cu
scderea temperaturii; este o faz bertholid pe baza compusului CuBe,
cu structur cristalin de tip CVC, care rezult prin transformarea
eutectoid (la t = 620 oC) + . Bronzurile cu beriliu utilizate n mod
obinuit au %Bem = 1,5...2,0 % i prezint la ta, n strile M sau O, o
structur alctuit din fazele i i, respectiv, din constituenii i
amestecul eutectoid ( + ); n aceste stri structurale
caracteristicile mecanice nu sunt foarte ridicate (caracteristicile
la traciune sunt: Rm = 450 ... 500 N/mm2; Rp0,2 = 300 ... 350 N/mm2
i A = 30 ... 40 %, iar duritatea este 90 ... 110 HB). Datorit
variaiei mari cu temperatura a solubilitii beriliului n cupru,
semifabricatele i piesele confecionate din aceste aliaje se pot
trata termic prin clire de punere n soluie (de la ti = 800 ... 820
oC), pentru obinerea unei structuri monofazice (cu cristale de
suprasaturate cu beriliu), urmat de mbtrnire artificial (la ti =
300 ... 350 oC); efectele de durificare ale acestui TT se pot mri
substanial, dac (dup clire) se face ecruisarea controlat a acestor
bronzuri prin deformare plastic la rece. n strile care se obin
aplicnd operaiile tehnologice precizate mai nainte,
caracteristicile mecanice la traciune ale bronzurilor cu beriliu
ating nivelurile Rm = 1100 ... 1500 N/mm2; Rp0,2 = 1000 ... 1050
N/mm2 i A = 2 ... 5 %, iar duritatea lor este 350 ... 400 HB.
Pentru micorarea concentraiei beriliului (care este un element de
aliere scump) n bronzurile industriale i creterea efectelor de
durificare ale mbtrnirii se practic alierea suplimentar a acestora
cu mangan (%Mnm = 0,5...2,5 %), a crui contribuie la durificarea
structurii produselor din astfel de materiale este datorat formrii
compusului MnBe2, iar pentru mbuntirea tenacitii acestor bronzuri
se folosete alierea suplimentar cu Ni (%Nim = 0,2...0,5 %).
Principalele mrci de bronzuri cu beriliu comerciale sunt: CuBe1,7;
CuBe1,9 i CuBe0,6Mn; aceste materiale se folosesc la realizarea
elementelor elastice (arcuri, lamele elastice etc.), sculelor
antiscntei (care nu produc scntei prin lovire) i pieselor care
trebuie s prezinte bune proprieti antifriciune sau care sunt
puternic solicitate mecanic n medii de lucru active (ap de mare,
abur etc.). d. Bronzurile cu plumb se folosesc n tehnic (datorit
proprietilor antifriciune pe care le prezint) ca materiale pentru
confecionarea cuzineilor (piese inelare, realizate dintr-o bucat
sau din dou semiinele, pe care se sprijin arborii mainilor i
utilajelor) lagrelor de alunecare (organe de maini alctuite din
cuzinei i elementele de poziionare i susinere a acestora). Deoarece
cuprul i plumbul sunt insolubile n stare solid, structura la ta a
bronzurilor cu plumb este alctuit din cristale de cupru i separri
intergranulare de plumb. Datorit insolubilitii n stare solid a
cuprului i plumbului i diferenelor mari ntre temperaturile lor de
solidificare topire i ntre densitile acestora, bronzurile cu plumb
manifest o mare tendin de segregare (separare) a componentelor n
structur. Pentru a anihila aceast tendin i a asigura o distribuie
uniform a formaiunilor intercristaline de plumb (cu rol lubrifiant)
n matricea de cupru a structurii se practic alierea lor suplimentar
cu nichel (%Nim = 1,0...2,5 %) i rcirea forat la solidificare a
acestor bronzuri. Cuzineii din bronzuri cu plumb se realizeaz prin
turnare; deoarece bronzurile cu plumb au rezisten mecanic sczut
(rezistena la rupere este Rm = 50...150 N/mm2, iar duritatea
30...50 HB), se practic turnarea cuzineilor pe supori din oel i/sau
se face alierea suplimentar a bronzurilor cu 5...10 %), stibiu
elemente care mresc duritatea matricei lor structurale: staniu
(%Snm = (%Sbm = 1...2 %), fosfor (%Pm < 0,3 %) sau zinc (%Znm =
1...3 %). Mrcile de bronzuri cu plumb comerciale corespund
prescripiilor anterior formulate; cele mai utilizate mrci sunt: G
CuPb25; G CuPb20Sn5; G CuPb15Sn8 i G CuPb7Sn7Zn3. 16
9.4. Titanul i aliajele pe baz de titan Titanul i aliajele sale
constituie materiale deosebit de importante pentru tehnica modern,
datorit caracteristicilor mecanice ridicate (mai ales la
temperaturi nalte), densitii sczute ( Ti 4500 kg/m3), comportrii
foarte bune n prezena mediilor active de lucru i posibilitilor de
prelucrare prin deformare plastic i de influenare a proprietilor
lor prin aplicarea de tratamente termice. Pentru nelegerea
corespunztoare a principalelor aspecte referitoare la titan i
aliajele acestuia trebuie subliniate urmtoarele aspecte
particulare: titanul prezint dou stri alotropice (modificaii): Ti,
cu structur cristalin de tip HC, stabil sub temperatura tc = 882 oC
i Ti, cu structur cristalin de tip CVC, stabil deasupra
temperaturii tc = 882 oC i pn la temperatura ts = 1660 oC;
impuritile cu grad major de nocivitate, care modific valoarea
punctului critic tc, mresc rezistena mecanic i micoreaz drastic
plasticitatea i tenacitatea titanului fcndu-l inapt pentru
prelucrarea prin deformare plastic, sunt impuritile gazoase:
oxigenul, hidrogenul, azotul i carbonul; titanul foarte pur are Rm
= 220... 260 N/mm2 i A = 60...70 %, titanul tehnic (cu coninuturile
de impuriti sub limitele admisibile precizate anterior) are Rm =
550...650 N/mm2 i A = 20...25 %, iar titanul impurificat peste
limitele anterior precizate este fragil i nu poate fi prelucrat
prin deformare plastic; deformarea plastic a titanului se realizeaz
la temperaturi situate deasupra punctului critic tc = 882 oC, iar
rcirea lent dup deformare conduce la obinerea unei structuri cu
cristale poliedrice de Ti , aa cum se poate observa n figura 9.25;
rcirea rapid (clirea) de la temperaturi ti > tc determin
formarea unei structuri cu cristale aciculare (numit martensit M ),
aa cum se observ pe micrografia prezentat n figura 9.26, a crei
plasticitate se mbuntete considerabil dac se aplic un TT de
revenire la o temperatur imediat inferioar punctului tc (n aceast
stare titanul are Rm 700 N/mm2, A 18 % i Z 40%). Titanul formeaz
aliaje cu diverse elemente, n general, aliajele titanului avnd
concentraii reduse de elemente de aliere (%EAm 10 %). Elementele
care formeaz aliaje cu titanul se pot clasifica aa cum se prezint n
continuare. a. Elementele stabilizante sau elementele alfagene (Al,
Sn, C, N, O) determin creterea stabilitii Ti i mresc temperatura
punctului critic tc, la care se produce transformarea alotropic Ti
Ti; Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pe care
le formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia prezentat n
figura 9.27, semnificaiile fazelor care apar pe aceast diagram
fiind: L este soluia lichid a componentelor Ti i EA, soluia solid
Ti(EA), soluia solid Ti(EA) i faza intermediar care se poate forma
la rcirea aliajelor sistemului prin cristalizare din faza lichid
sau prin transformarea peritectic (la t = tp) L + i care se poate
descompune prin transformarea peritectoid (la t = tpe) + .
Fig. 9.25. Structura titanului deformat plastic la cald la tDP
> tc i rcit lent
Fig. 9.26. Structura titanului deformat plastic la cald la tDP
> tc i rcit rapid (clit)
b. Elementele stabilizante sau elementele betagene (Mo, V, Nb)
sunt izomorfe cu Ti (au, ca i Ti, structur cristalin de tip CVC),
au solubilitate ridicat n Ti i determin creterea stabilitii
acestuia, micornd temperatura punctului critic tc. Diagramele de
echilibru ale sistemelor de aliaje 17
binare pe care le formeaz titanul cu astfel de EA au configuraia
prezentat n figura 9.28, semnificaiile fazelor care apar pe aceste
diagrame fiind identice celor precizate n cazul diagramei din
figura 9.27. n categoria elementelor betagene se ncadreaz i Mn, Fe,
Cu, Cr care formeaz cu titanul sisteme de aliaje avnd diagramele de
echilibru de tipul celei prezentate n figura 9.29 (foarte
asemntoare cu diagrama de echilibru metastabil Fe Fe3C), faza
corespunznd unui compus intermetalic TimEAn (Ti2Cu, Ti2Ni etc.); n
aceste cazuri faza Ti(EA) ar trebui s se descompun eutectoid ( + ),
dar, deoarece transformarea se desfoar foarte lent, la vitezele de
rcire uzuale pentru aliajele tehnice nu se poate produce i faza
rmne stabil pn la ta.
Fig. 9.27. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate
de Ti cu elementele de aliere alfagene (Al, Sn, C, N, O)
Fig. 9.28. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate
de Ti cu elementele de aliere betagene (Mo, V, Nb) care nu formeaz
compui chimici cu Ti
Fig. 9.29. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje formate
de Ti cu elementele de aliere betagene (Mn, Fe, Cu, Cr) care
formeaz cu Ti compui chimici imn
innd seama de cele prezentate anterior, rezult c aliajele
titaniului se pot clasifica n funcie de structura pe care o prezint
la ta n: aliaje monofazice , n care se ncadreaz aliajele pe baz de
Ti avnd ca element de aliere principal aluminiul (%Alm = 5...8 %) i
mici adaosuri de alte elemente (alfagene sau betagene): Sn, Mn, Fe,
Cr, Mo; cele mai utilizate aliaje tehnice din aceast categorie
corespund mrcilor: TiAl5, TiAl5Sn2,5, TiAl3Mn1,5 i TiAl6Sn2Zr2Mo;
aliaje bifazice + , n care se ncadreaz aliajele tehnice care conin
att elemente alfagene, ca aluminiul (%Alm = 2...8 %) i Sn (%Snm =
1...2 %), ct i elemente betagene (V, Cr, Mo, etc.); cele mai
folosite aliaje tehnice din aceast categorie corespund mrcilor:
TiAl6V4, TiAl6Sn2V6 i TiAl5Sn2Zr4Mo6Cr4; aliaje monofazice , n care
se ncadreaz aliajele tehnice care conin n concentraii mici de
elemente alfagene (%Alm = 2...3 %; %Snm = 1...2 %) i sunt bogat
aliate cu elemente betagene (%Crm = 3...10 %; %Vm = 12...14 %; %Mom
= 3...13 %); cele mai folosite aliaje tehnice din aceast categorie
corespund mrcilor: TiV13Cr11Al3; TiMo8V8Fe2Al3 i TiV10Fe2Al3.
Semifabricatele i produsele realizate din aliaje pe baz de titan se
pot supune unor tratamente termice sau termochimice (carburare,
nitrurare, etc.) capabile s le modifice structura i s le confere
proprietile fizico-mecanice impuse de condiiile lor de utilizare.
Cele mai utilizate TT sunt: a. Recoacerea de recristalizare fr
schimbare de faz, se aplic la produsele realizate din aliaje
monofazice i bifazice n scopul refacerii plasticitii dup
prelucrrile prin deformare plastic la rece, temperatura ti
alegndu-se astfel nct s fie depit temperatura de recristalizare
primar (trp = 650...700 oC), dar s nu se produc transformarea ,
care este nsoit de o cretere important a granulaiei (de obicei, ti
= 750...800 oC). b. Recoacerea de detensionare se aplic la
produsele din aliaje pe baz de titan n scopul diminurii nivelului
tensiunilor reziduale produse de prelucrrile utilizate pentru
obinerea acestora; n mod obinuit se realizeaz la ti = 550...600 oC,
cu m = 1...4 ore. 18
c. Clirea martensitic, urmat de revenire (mbtrnire), se aplic la
produsele realizate din aliaje bifazice n scopul creterii
caracteristicilor de rezisten mecanic i meninerii unor niveluri
ridicate ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate. Clirea
martensitic se realizeaz de la o temperatur ti la care aliajul
supus TT are o structur monofazic sau bifazic + ; ca i la oeluri,
transformarea fazei n martensit ( M) se realizeaz la rcirea
acesteia sub o temperatur Ms (numit punct martensitic superior) i
se finalizeaz cnd se atinge o temperatur Mf (numit punct
martensitic inferior), Ms i Mf depinznd de concentraia EA coninute
n aliajul din care sunt confecionate produsele supuse
tratamentului. La revenirea aliajelor clite se produce
transformarea structurilor alctuite din martensit i/sau faz n
structuri apropiate de echilibru, alctuite din fazele i dac
aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de echilibru (cu
transformare eutectoid) de tipul prezentat n figura 9.29, sau din
fazele i , dac aliajele aparin unui sistem avnd diagrama de
echilibru de tipul celei din figure 9.28. Aliajele pe baz de titan
clite i revenite au caracteristici de rezisten mecanic foarte
ridicate (Rm = 900... 1300 N/mm2, Rp0,2 = 820...970 N/mm2) i
prezint n acelai timp i bune caracteristici de plasticitate i
tenacitate (A = 10...15 %, Z = 20...25 %, KV = 30...35 J). d.
Tratamentele termochimice se aplic la produsele confecionate din
aliaje pe baz de titan n scopul creterii rezistenei la uzare a
acestora. De obicei se utilizeaz tratamentul termochimic de
nitrurare (la ti = 850...950 oC, cu m = 30...60 ore, n atmosfer de
azot), care conduce la obinerea unor straturi superficiale bogate n
azot (n structura crora apare nitrura de titan TiN), cu grosimea x
= 0,05...0,15 mm i duritatea 750...900 HV. Teste de autoevaluare
T.9.11. Care dintre urmtoarele tipuri de alame se pot prelucra prin
deformare plastic: a) alamele monofazice ; b) alamele bifazice; c)
alamele monofazice ; d) tombacurile? T.9.14. Care dintre urmtoarele
tipuri de aliaje Cu i prezint la ta o structur monofazoc: a)
aliajele Kunial; b) aliajele Melchior; c) aliajele Konstantan; d)
aliajele Monel? T.9.16. Care este structura la ta a
semifabricatelor i pieselor turnate realizate din bronzul G
CuAl10Mn: a) structur monofazic Cu(Al); b) structur alctuit din
fazele CuAl i 2 (faz bertholid corespunztoare compusului Cu32Al10);
c) structur alctuit din constituenii (preeutectoid) i eutectoid
(+2); d) structur monofazic 2? T.9.17. Care este structura de
echilibru la ta a bronzurilor cu beriliu folosite n tehnic: a)
structur monofazic Cu(Be); b) structur monofazic (faz bertholid pe
baza compusului CuBe; c) structur bifazic, alctuit din i ; d)
structur alctuit din constituieni a (preeutectoid) i eutectoidul
(+)? T.9.22. Care dintre urmtoarele aliaje are densitatea mai
sczut: a) CuAl10Fe3; b) AlCu4MgMn; c) AlMg5; d) AlMg7? T.9.23. Care
dintre urmtoarele aliaje este cunoscut sub denumirea de zincral sau
alzimac: a) aliajul G CuZn40PbSn; b) aliajul AlZn6Mg2,5Cu1,5; c)
aliajul CuZn39Ni3; d) aliajul G AlMg9MnSiTi? T.9.24. Care este
structura de echilibru la ta a unui silumin industrial cu %Sim =
12,5 %, nemodificat la elaborare: a) o structur bifazic alctuit din
soluie solid Al(Si) i soluie solid Si(Al); b) o structur alctuit
din constituienii (preeutectoid) i eutectoidul (+); c) o structur
alctuit din constituienii (preeutectic) i eutecticul (+); d) o
structur monofazic ? T.9.29. Ce tratament termochimic se poate
aplica pentru durificarea superficial a produselor realizate din
aliaje pe baz de titan: a) carburarea; b) nitrurarea; c)
carbonitrurarea; d) silicizarea? T.9.30. La care dintre urmtoarele
mrci de aliaje pe baz de titan se poate realiza creterea rezistenei
mecanice prin aplicarea TT de clire martensitic i revenire: a)
TiAl6V4; b) TiAl5Sn2,5; c) TiAl6SnV6; d) TiV13Cr11Al3? 19