UNIVERSITATEA TEHNIC DIN CLUJ NAPOCA CURS 11 12

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA CURS 11 -12 ALIAJE NEFEROASE FACULTATEA DE INGINERIA MATERIALELOR SI A MEDIULUI BODEA MARIUS CURS DE MATERIALE - I

Aliajele neferoase reprezintă o categorie importantă de materiale utilizate în toate domeniile tehnice. Aliajele neferoase se pot clasifica după diferite criterii astfel: 1. după numărul elementelor de aliere – se disting aliaje binare, ternare, cuaternare, complexe; 2. după conţinutul elementelor de aliere – se grupează în: • slab aliate • mediu aliate (suma elementelor de aliere fiind de 3 -10%) • înalt aliate (cu peste 10% elemente de aliere); (2 -3 % elemente de aliere); 3. după natura elementului de bază – neferoasele se clasifică în aliaje cu bază de cupru, aluminiu, magneziu, staniu, plumb, etc.

Aliajele neferoase mai conţin în afara metalului de bază şi a elementelor de aliere şi o anumită cantitate de elemente nedorite numite impurităţi (care pot fi metalice, nemetalice, gazoase). Aceste impurităţi micşorează valorile caracteristicilor fizice, chimice mecanice şi tehnologice aliajelor neferoase. După tehnologiile de prelucrare aliajele neferoase se pot clasifica în : • aliaje de turnătorie • aliaje deformabile Domeniile de aplicare practică ale metalelor şi aliajelor metalice neferoase sunt determinate în primul rând de proprietăţile lor. De exemplu, pentru construcţia motoarelor cu reacţie sunt necesare aliaje neferoase refractare (aliaje cu titan, zirconiu, niobiu, etc. ) În aviaţie sunt folosite aliaje neferoase cu greutate specifică mică (aluminiu, magneziu, beriliu). În industria nucleară sunt folosite aliajele cu plumb, reniu, tantal. Pentru fabricarea cuzineţilor se utilizează aliajele antifricţiune cu bază de Pb, Sn, Al, etc.

CUPRUL ŞI ALIAJELE CU BAZĂ DE CUPRU Cuprul – este un metal de culoare roşie caracteristică, se laminează şi se prelucrează foarte uşor atât la cald cât şi la rece. Cuprul posedă o conductivitate termică şi electrică înaltă şi are o rezistenţă la coroziune bună în diferite medii. Are o densitate mare, se poate turna, deforma plastic şi trata termic. Aliajele cuprului Principalele aliaje ale cuprului sunt bronzurile (Cu-Sn) şi alamele (Cu-Zn). Bronzurile – se clasifică în două categorii: - bronzuri cu Sn - bronzuri fără Sn speciale : Cu. Al, Cu. Ni, Cu. Be, Cu. Pb, etc. După proprietăţi şi domeniul de utilizare, aliajele cu bază de cupru pot fi grupate în următoarele categorii : aliaje antifricţiune, refractare, criogenice, pentru organe de maşini, pentru îmbinări sudate, superconductoare, magnetice, rezistive, pentru turnare sub presiune, antiscântei, pentru ambutisare adâncă, cu modul de elasticitate ridicat, etc.

CUPRUL ŞI ALIAJELE CU BAZĂ DE CUPRU Cuprul şi aliajele sale sunt clasificate în nouă grupe principale, astfel: 1. Cupru de puritate tehnica ce contine minim 99, 3% Cu 2. Aliaje de cupru care contin pana la 5% elemente de aliere 3. Alame (aliaje de cupru cu zinc), care contin pana la 40% Zn 4. Bronzuri fosforoase (aliaje de cupru cu staniu), care contin pana la 10%, Sn si 0, 2% P 5. Bronzuri de aluminiu (aliaje de cupru cu aluminiu), care contin pana la 10% Al 6. Bronzuri de siliciu (aliaje de cupru cu siliciu), care contin pana la 3% Si 7. Aliaje de cupru-nichel, care contin pana la 30% Ni 8. Aliaje cupru-zinc-nichel (alpaca), care contin pana la 7% Zn si 18% Ni 9. Aliaje speciale, care contin elemente de aliere introduse

Bronzuri simple Cu-Sn (bronze eng. ) Bronzurile cu un conţinut de până la 14% Sn au o structură monofazică – soluţie solidă α de Sn în Cu. În stare turnată aspectul este dendridic, iar în stare recoaptă aspectul grăunţilor este poliedric. Bronzurile cu un conţinut de peste 14% Sn au o structură bifazică – soluţie solidă α şi un amestec mecanic (eutectoid) α + δ. Structura bronzurilor speciale Structura acestora depinde de elementele principale de aliere . Ea poate fi monofazică sau bifazică. Structurile monofazice sunt formate din soluţii solide, iar cele bifazice dintr-o soluţie solidă moale şi unul sau mai mulţi constituenţi duri.

Bronzurile cu un conţinut de peste 14% Sn au o structură bifazică: soluţie solidă α şi un amestec mecanic (eutectoid) α + δ Diagrama Cu-Sn: 7 soluţii solide, 3 peritectice, 1 eutectoid α – Cu(Sn) (max. 16%Sn / 586˚C, scade la ~ 1. 3%Sn la răcire f. lentă); β – soluţie solidă pe baza compusului Cu 5 Sn (rap. electronic 3/2), retea c. v. c. δ - soluţie solidă pe baza compusului Cu 31 Sn 8 (rap. electronic 21/13), retea cubic complex; ε - soluţie solidă pe baza compusului Cu 3 Sn (rap. electronic 7/4), retea hexagonal compact; η – [compus Cu. Sn] ω – soluţie solidă Sn(Cu) Aliajele industriale conţin max. 25 -30%Sn; structură α sau α + (α+δ); Eutectoidul apare peste 5% Sn

Cu 80, Sn 20 (wt%) Processing: Cast, annealed 530 ºC, waterquenched A good example of dendritic solidification, which occurs when the solidification front becomes unstable with respect to small perturbations. This results in the growth of the perturbations, producing dendrites (from the Greek for tree). The variation in colour across the micrograph indicates that the cooling was sufficiently rapid to prevent solid state diffusion and hence a concentration variation. This phenomena is known as coring.

Cu 85, Sn 15 (wt%) Processing: Annealed Subsequent to casting this sample was subject to an annealing treatment which served to recrystallise the sample. Evidence of this can be found in the annealing twins visible in several of the grains. These are a consequence of growth accidents during recrystallisation. Their shape is determined by the need to minimise interfacial energy. There is no strain energy associated with such twins and hence they do not have pointed ends.

Department of Mat. Science and Metallurgy, University of Cambridge Al 75, Cu 25 (wt%), hypoeutectic alloy, Etched in sodium hydroxide solution Sand cast Bronzurile cu Al au rezistenţă mecanică ridicată, rezistenţă bună la coroziune şi la temperaturi ridicate (300 -400°C) find utilizate în special la recipienţi cu rezistenţă ridicată la coroziune. Bronzurile cu Al sunt folosite pentru combinarea caracteristicilor excelente de rezistenţă la coroziune si rezistenţă înaltă la uzură. Bronzurile cu Al sunt călite si revenite, fiind utilizate in aplicaţii în mediul marin, componente pentru pompe, supape de manipulare, apele acide din mină, acizi şi fluide rezultate din procese industriale, rulmenţi şi maşini unelte cu caracteristici de sudabilitate bune.

Bronzuri cu Al Dendritele de culoare albă s-au separat din fază L şi sunt soluţie solidă de aluminiu (Al ). Spaţiul interdendritic este eutectic format din Al - Al 2 Cu. Cantităţile de faze din structură pot fi determinate cu regula pârghiei pentru temperatura eutectică, în funcţie de compoziţia chimică. Dendritele de Al sunt delimitate de eutectic printr-un strat subţire de Al 2 Cu care înconjoară uniform faza Al.

The ”Tsar Cannon. ” The emperor of Russia ordered the casting of this gigantic bronze cannon in 1586. Its tube weighs 40 tons. It was intended for defense of the Kremlin in Moscow, but it was never fired.

Alamele (Brass – eng. ) Alamele sunt cele mai răspândite aliaje ale cuprului. Se pot distinge două mari clase : 1. alame simple binare Cu-Zn; 2. alame speciale complexe care pe lângă Cu şi Zn mai conţin şi alte elemente de aliere pentru a le îmbunătăţi proprietăţile; Diagrama de echilibru a sistemului de aliaje Cu-Zn se compune din cinci diagrame peritectice simple din care rezultă şase faze distincte şi anume : α, β, γ, α, ε, ς, în ordinea crescândă a conţinutului de zinc. La temperatura ambiantă structura alamelor poate fi : • monofazică până la 37% Zn – alcătuită din soluţia solidă α de Zn dizolvat în Cu. Structura poate să fie dendridică (la răcirea cu viteză mare) sau poliedrică (răcirea cu viteză mică). Aceste alame sunt plastice şi se pot deforma la rece. Ele se folosesc pentru fabricarea tuburilor, ţevilor, radiatoarelor, etc. • bifazică (între 37 -46 % Zn) – este alcătuită dintr-o soluţie solidă α şi o soluţie solidă intermediară β pe baza compusului electronic Cu. Zn. Se pot prelucra numai la cald deoarece sunt dure şi fragile. • Alamele cu peste 47% Zn nu mai prezintă interes din punct de vedere practic deoarece din cauza compuşilor intermediari (γ, δ, ε, ς) au o fragilitate mare. Se folosesc pentru fabricarea pieselor care se prelucrează prin aşchiere (şuruburi, roţi dinţate, etc. ).

sol. solidă compus electronic Cu. Zn soluţie solidă Cu(Zn) solidă compus electronic Cu 5 Zn 8 Reţea cubic complex Sol. solidă compus electronic Cu. Zn 3 Reţea h. c. Zn(Cu) h. c.

sol. solidă compus electronic Cu 5 Zn 8 Reţea cubic complex Sol. solidă compus electronic Cu. Zn 3 Reţea h. c. Cu 5 Zn 8 (raport electronic 21/13)

This sample has been air cooled. The fast cooling rate changes the morphology to a 'basket weave' appearance known as a Widmanstätten microstructure. The α phase precipitates out of the single β phase during cooling to give α plates in a β matrix. The plates form in order to minimise strain energy. Cu 60, Zn 40 (wt%) brass, Widmanstätten microstructure

Cu 70, Zn 30 (wt%) brass partial recrystallisation - annealing twins Processing Annealed, cold rolled 50% and annealed again for 30 minutes at 800 °C. This sample was annealed and 50% cold rolled, with subsequent annealing for 30 minutes at 800 °C. The high annealing temperature raises the rate of growth of the recrystallised grains giving a single a phase containing annealing twins (macle de recoacere).

Cu 70, Zn 30 (approx), Pb 1. 3, Sn 0. 5 -1. 0 (wt%) Processing: Chill cast. An good example of dendritic solidification, which occurs when the solidification front becomes unstable with respect to small perturbations. This results in the growth of the perturbations, producing dendrites. The variation in colour across the micrograph indicates that the cooling was sufficiently rapid to prevent solid state diffusion and hence a concentration variation. This phenomena is known as coring.

Cu 70, Zn 30 Processing: Cast annealed Annealing causes the alloy to recrystallise and grow. This results in a single a phase containing annealing twins.

Twin boundaries in brass

This combat cartridge with a leadfree projectile and a non-toxic primer is an important milestone in the history of ammunition development. Neither bismuth nor tungsten are used for the lead-free FMJ projectile. They are substituted by a special design based on two tombak (Cu/Znalloy) liners slid into each other.

ALIAJELE ALUMINIULUI Clasificare : Din punct de vedere al prelucrării aliajele de aluminiu se clasifică astfel : 1. aliaje deformabile 2. aliaje de turnătorie După capacitatea lor de tratament termic se clasifică în : 1. aliaje care nu se pot durifica prin tratament termic 2. aliaje care se pot durifica prin tratament termic. Principalele sisteme cu bază de aluminiu sunt : Al-Si (siluminuri), Al-Mg (duraluminurile), Al-Cu, Al-Ag, Al-Be, Al-Ti, Al-Ni, Al-Zn. Aliajele de Al nedurificabile prin tratament termic constituie un grup de materiale la care se pot mări caracteristicile de rezistenţă mecanică prin deformare plastică la rece sau prin aliere, pentru consolidarea prin soluţii solide. Acestea diferă de aliajele de aluminiu tratabile termic prin aceea că sunt incapabile să formeze precipitate de fază secundară pentru consolidarea matricei metalice de bază. Din această cauză, valorile caracteristicelor mecanice care pot fi obţinute sunt inferioare celor ale aliajelor tratabile termic.

Există o mare diversitate a aliajelor de aluminiu, în funcţie de grupele principale de aliere şi de modul de consolidare (prin deformare plastică sau prin tratamente termice). Principalele grupe de aliaje aluminiului, în funcţie de clasele de aliere sunt: : 1. aluminiu nealiat; 2. aluminiu - cupru; 3. aluminiu - mangan; 4. aluminiu - siliciu; 5. aluminiu - magneziu; 6. aluminiu - siliciu - magneziu; 7. aluminiu - zinc; 8. aluminiu – staniu; 9. alte tipuri de aliaje de aluminiu. În Europa, clasificarea aliajelor de aluminiu se face în mod frecvent după normele Asociaţiei Internaţionale a Aluminiului (AA), care a creat un sistem de clasificare alcătuit din opt grupe diferite, în funcţie de principalele elemente de aliere. CLASIFICAREA ALIAJELOR DE ALUMINIU DEFORMABILE Simbolizare A. A Aluminium Association Limita de curgere Rp 0, 2, MPa Simbolizare I. S. O. aproximativa Tipul de aliaj, elemente de aliere Necălit Supercălit Al XX. X Nealiat < 40 - Al. Cu XX Cu < 140 250 - 600 Al. Mn XX Mn < 60 - Al. Si XX Si 70 180 - Al. Mg XX Mg 35 125 - Al. Mg. Si XX Si - Mg < 110 150 - 400 Al. Zn XX Zn < 140 220 - 800 Al. Sn XX alte elemente (Fe, Ni) - - 1 XXX Electrice, termice, conductivitate 2 XXX Imbatrinire 3 XXX Deformabile 4 XXX Brazare, Mat. adaos 5 XXX Rezistente dupa sudare 6 XXX Extrudare 7 XXX Rezistente 8 XXX Tratabile termic

Mecanismul de durificare prin precipitare Pentru a realiza durificarea prin precipitare, aliajul este încălzit deasupra temperaturii de transformare (punctul 1) pentru a se obţine o soluţie solidă α omogenă, prin dizolvarea fazei secundare ϴ şi eliminarea segregaţiilor chimice. Odată atinsă temperatura de solubilizare, aliajul este răcit cu viteză mare de răcire, pentru a împiedica procesul de difuzie a atomilor către potenţialii germeni de nucleaţie. Se obţine o soluţie solidă αss suprasaturată, care printr-o încălzire corespunzătoare punctului 3, inferioară temperaturii de transformare permite atomilor să difuzeze pe distanţe scurte. Deoarece faza αss este instabilă termodinamic, suprasaturată cu atomi de cupru, aceştia difuzează din soluţia solidă spre limita de grăunte unde formează precipitate fine de Al 2 Cu. Precipitările de compus chimic împiedică deplasarea dislocaţiilor în matricea cristalină de bază, producându-se durificarea aliajului. Cu cât precipitările sunt mai fine, cu atât cresc caracteristicile de rezistenţă mecanică.

MECANISMUL DE DURIFICARE PRIN PRECIPITARE

Aliajele Al-Si (Siluminuri) – au până la 20 % siliciu Aliajele cu bază de aluminiu cu procente mari de Si sunt aliaje de turnătorie. Aceste aliaje conţin în special 11 -13% siliciu şi se caracterizează prin proprietăţi foarte bune de turnare, sudabilitate oxiacetilenică bună, rezistă la coroziune mai bine decât aluminiul. Ele pot fi : 1. hipoeutectice cu conţinut de 5 -10% Si. Se folosesc mai rar ca şi aliaje binare, fiind aliate în special cu Fe (0, 8 -2%). Au tenacitate bună şi rezistenţă la coroziune bună. 2. hipereutectice cu cunţinut de 11 -13, 5% Si . Acestea se utilizează pentru turnarea unor piese cum ar fi pistoanele pentru motoare. Structura unui silumin turnat nemodificat cu ~ 13% Si este formată din cristale de siliciu primar şi o matrice eutectică. Dacă aliajul este modificat (în general cu Na) structura este formată din dendrite de culoare deschisă pe un fond globular fin eutectic. – diagrama Al-Si.

This sample is a casting alloy of eutectic composition. The microstructure has been refined by modification through the addition of a small amount of sodium to the alloy composition. The large silicon plates have been altered to a more favourable fibrous form, leading to an enhancement of the mechanical properties due to the refinement of the microstructure. There is also a change to a planar interface during solidification, which minimises porosity in the casting.