Proprietatile metalelor - Proprietati fizice, Proprietati magnetice

Proprietatile metalelor - Proprietati fizice, Proprietati magnetice

În timpul utilizarii lor, marfurile metalice sunt supuse la solicitari mecanice, termice si, totodata, sufera actiunea unor factori chimici. De asemenea, o serie de proprietati ale metalelor si aliajelor acestora, precum culoarea sau luciul, contribuie la aspectul si estetica produsului, iar altele, cum sunt densitatea si greutatea specifica la stabilirea greutatii acestora.

Cunoasterea proprietatilor metalelor si aliajelor acestora ofera posibilitatea utilizarii lor ca materii prime corespunzatoare destinatiilor date, explicarii stiintifice a indicatorilor de calitate ai produselor si îndeplinirii functiilor pentru care acestea au fost create.

Proprietatile metalelor pot fi clasificate în urmatoarele patru grupe:

proprietati fizice

proprietati mecanice

proprietati tehnologice

proprietati chimice.

Proprietati fizice

Starea de agregare. La temperatura mediului ambiant toate metalele, cu exceptia mercurului, se gasesc în stare solida, deci au forma si volum propriu.

Culoarea. Este data de radiatiile din spectrul vizibil care sunt reflectate de suprafata acestora. Cele mai multe metale reflecta aproape toate radiatiile spectrului vizibil si de aceea ele au o culoare alb-cenusie. Unele metale precum cuprul, aurul etc. si aliaje precum alama sau bronzul, absorbind o parte din radiatiile spectrului vizibil (în domeniul albastru în cazul cuprului, respectiv în domeniul verde în cazul aurului, alamei sau bronzului), apar colorate.

Luciul. Este o proprietate specifica metalelor, care influenteaza direct aspectul produselor. În timp, datorita fenomenului de coroziune, pe suprafata metalelor se formeaza compusi chimici (de regula oxizi sau sulfuri) care afecteaza luciul.

Structura metalelor. În stare solida metalele au o structura cristalina. Din multitudinea structurilor cristaline care pot fi întâlnite, cele caracteristice metalelor sunt foarte putine. Majoritatea metalelor cristalizeaza într-unul din urmatoarele sisteme:

reteaua cubica compacta (cu fete centrate, în care cristalizeaza cromul, wolframul si molibdenul.

reteaua cubica centrata intern (cu volum centrat) specifica aluminiului, nichelului, cuprului, argintului, aurului si platinei.

reteaua hexagonala compacta, în care cristalizeaza titanul, zincul, iridiul si zirconiul.

Dintre cele 65 de metale ale caror structuri au fost determinate, 45 cristalizeaza cu structuri compacte, cubice sau hexagonale, 15 au structuri cubice centrate intern si numai 5 (manganul, galiul, indiul, staniul si mercurul) au structuri cristaline diferite de cele trei tipuri curente.

Numeroase metale sunt polimorfe, adica cristalizeaza, pe diferite intervale de temperatura, în una sau alta din cele trei forme cristaline obisnuite.

Densitatea (ρ) unui metal sau aliaj omogen se defineste ca masa continuta în unitatea de volum. Unitatea de masura uzuala pentru densitate este g/cm³. Din punct de vedere al densitatii lor, metalele se pot clasifica în:

metale usoare, având densitati de pâna la 5 g/cm³, exemplu în acest sens fiind aluminiul;

metale grele, la care densitatea este cuprinsa între 5-10 g/cm³, ca de exemplu cromul;

metale foarte grele, cu densitati care depasesc 10 g/cm³, cum sunt de exemplu argintul.

Densitatea relativa (ρ_r) a unui metal sau aliaj este data de raportul dintre densitatea sa si cea a apei si este o marime adimensionala.

Cunoasterea densitatii permite calcularea corecta a masei produselor plecând de la dimensiunile acestora si invers.

Temperatura de topire este temperatura la care metalul sau aliajul trece din starea solida în starea lichida, la presiunea atmosferica. Cunoasterea temperaturii de topire este necesara pentru alegerea metalelor în functie de regimul de lucru si de locurile în care vor fi întrebuintate.

Dilatabilitatea este proprietatea metalelor de a-si mari lungimea si volumul prin încalzire. Fenomenul invers, adica micsorarea lungimii sau volumului prin racire, se numeste contractie. Dilatarea în lungime este întâlnita la produsele la care lungimea este mult mai mare decât celelalte doua dimensiuni (latime si înaltime), iar dilatarea în volum este specifica produselor la care cele trei dimensiuni sunt de valori apropiate.

Cunoasterea coeficientului de dilatare este foarte importanta în constructia de masini, a instrumentelor de precizie, la executia constructiilor metalice. De exemplu, la ceasuri, cronometre, sublere, micrometre se utilizeaza aliaje cu coeficient de dilatare cât mai mic.

Conductibilitatea termica este proprietatea metalelor si aliajelor de a putea fi strabatute de un flux de caldura sub actiunea unei diferente de temperatura. Ea se exprima de regula prin intermediul conductivitatii termice λ si se masoara în

Cele mai bune metale conducatoare de caldura sunt argintul, cuprul, aurul si aluminiul. Cunoasterea conductivitatii termice este necesara pentru corecta alegere a metalelor si aliajelor din care se produc radiatoarele (caloriferele), ochiurile masinilor de gatit, evaporatoarele si condensatoarele frigiderelor si congelatoarelor etc.

Conductibilitatea electrica este proprietatea metalelor si aliajelor de a putea fi strabatute de un curent electric sub actiunea unei tensiuni electrice. Marimea asociata acestei proprietati este conductivitatea electrica γ, si care se masoara în

Mult mai des este folosita în practica marimea inversa conductivitatii electrice si anume rezistivitatea electrica ρ.

Cea mai buna conductivitate electrica o au argintul, cuprul, aurul si aluminiul. De aceea, argintul, cuprul si aluminiul sunt utilizate la producerea conductoarelor pentru transportul energiei electrice.

Metalele în stare pura conduc mai bine curentul electric decât cele care contin impuritati sau care sunt aliate cu alte metale. Unele aliaje, având o rezistivitate ridicata, sunt folosite la producerea rezistentelor electrice pentru aparate electrocasnice (plite electrice, resouri, fiare de calcat etc.) si a celor bobinate folosite în electronica.

Cunoasterea rezistivitatii si a conductivitatii electrice prezinta importanta pentru metalele si aliajele folosite în industria electrotehnica si electronica.

Proprietati magnetice. Toate metalele si aliajele au o anumita comportare din punct de vedere magnetic, care difera de la un metal la altul si chiar de la un metal la aliajele sale. Din punct de vedere al proprietatilor magnetice, metalele si aliajele se pot grupa în:

metale si aliaje diamagnetice. Acestea au moment magnetic numai în prezenta unui câmp magnetic exterior si atunci se magnetizeaza în sens invers cu câmpul magnetic (momentele magnetice induse sunt opuse câmpului magnetic); de aceea, metalele si aliajele diamagnetice sunt respinse usor de magneti. Exemple de metale diamagnetice sunt: staniul, plumbul, cuprul, argintul si aurul.

metale si aliaje paramagnetice. Au moment magnetic numai în prezenta unui câmp magnetic exterior si atunci se magnetizeaza în acelasi sens cu câmpul magnetic (momentele magnetice induse sunt în sensul câmpului magnetic); de aceea, metalele si aliajele paramagnetice sunt atrase usor de magneti. Exemple de metale paramagnetice sunt: aluminiul, platina, cromul, titanul si vanadiul.

Diamagnetismul si paramagnetismul se manifesta foarte slab.

metale si aliaje feromagnetice. Pot avea moment magnetic chiar daca nu se gasesc în câmp magnetic exterior. Aceste metale si aliaje pot da deci magneti permanenti. Feromagnetismul se manifesta cu intensitate mare fata de celelalte tipuri de magnetism. Metalele feromagnetice sunt: fierul, nichelul, cobaltul precum si aliajele acestora. Exista si un aliaj compus din metale neferomagnetice (cupru, aluminiu, mangan) numit aliaj Heussler, care poseda totusi proprietati feromagnetice.

Cunoasterea proprietatilor magnetice ale metalelor si aliajelor este utila, deoarece unele semifabricate si produse trebuie sa fie neferomagnetice (de exemplu, în cazul ceasurilor mecanice si a surubelnitelor de ceasornicarie), iar altele trebuie sa posede proprietati feromagnetice (magneti permanenti folositi la usile frigiderelor si congelatoarelor, la producerea difuzoarelor, a miezurilor magnetice pentru transformatoare si bobine; pulberi metalice folosite la benzile de casetofon sau videocasetofon).

Proprietati mecanice

Proprietatile mecanice ale metalelor determina modul de comportare al produselor atunci când acestea sunt supuse la diferite solicitari mecanice. Cunoasterea acestor proprietati este importanta, deoarece numai prin cunoasterea lor exacta se pot alege metalele si aliajele din care sunt realizate produsele si, totodata, ele pot fi corect dimensionate.

Ca urmare a solicitarilor la care sunt supuse produsele, pot aparea deformari care pot fi:

elastice (sau temporare) care dispar dupa ce forta ce a produs deformarea a încetat sa mai actioneze.

plastice (sau permanente) care nu dispar dupa ce forta exterioara si-a încetat actiunea.

Elasticitatea este proprietatea metalelor si aliajelor de a reveni, mai mult sau mai putin, la forma si dimensiunile initiale, dupa disparitia fortelor care au produs deformarea. Aceasta proprietate este foarte importanta în cazul materialelor din care sunt produse arcurile.

Plasticitatea este proprietatea metalelor si aliajelor de a se deforma sub actiunea fortelor exterioare si de a ramâne deformate si dupa ce actiunea acestora a încetat. Aceasta proprietate se cere metalelor ce urmeaza a fi prelucrate prin forjare, laminare, trefilare, ambutisare.

Tenacitatea este proprietatea metalelor si aliajelor de a se rupe sub actiunea fortelor exterioare dupa ce în prealabil au suferit deformatii permanente ce apar ca alungiri, contractii sau gâtuiri.

Fragilitatea este proprietatea metalelor si aliajelor de a se rupe brusc sub actiunea fortelor exterioare, fara a prezenta în prealabil deformari plastice permanente.

Rezistenta mecanica este proprietatea metalelor si aliajelor de a se împotrivi unor solicitari de natura mecanica care tind sa le rupa. Rezistentele pot fi: la întindere, comprimare, încovoiere, torsiune (rasucire), forfecare în functie de modul cum actioneaza fortele exterioare asupra metalului (fig. 1.1).

e. Forfecare

d. Torsiune

c. Încovoiere

b. Compresiune

a. Tractiune

Fig. 1.1. Principalele tipuri de solicitari mecanice

În timpul utilizarii, produsele pot fi supuse, simultan sau succesiv, la mai multe solicitari. De semnalat faptul ca metalele si aliajele acestora nu rezista la fel de bine la toate solicitarile. Astfel fonta, desi rezista bine la compresiune, nu se comporta la fel de bine la tractiune.

Rezistenta la tractiune (întindere) este cea mai importanta dintre rezistentele metalelor la deformarile plastice. Aceasta proprietate se refera la comportarea unui metal sau aliaj la actiunea unor forte de întindere. Sub actiunea acestora metalul se întinde, apare o micsorare a sectiunii (gâtuire), iar în final se produce ruperea.

Rezistenta la compresiune evidentiaza rezistenta pe care o opune produsul metalic fata de fortele care tind sa-l comprime. Privita din punct de vedere teoretic, rezistenta la compresiune este opusul rezistentei la tractiune, efectele produse de fortele de compresiune fiind inverse celor obtinute la solicitarea la tractiune. Astfel, în loc de alungire se obtine o scurtare, iar în loc de gâtuire, o umflare sau bombare a produsului. În cazul produselor lungi cu sectiune mica, supuse compresiunii, apare o curbare a acestora, fenomenul fiind denumit flambaj.

Rezistenta la încovoiere este rezistenta opusa de un produs metalic sub forma de bara, asezat pe doua reazeme, fata de o forta care actioneaza la mijloc, perpendicular pe axa produsului. Sub actiunea fortei, produsul se încovoiaza, dupa care se rupe. Se determina îndeosebi în cazul metalelor si aliajelor fragile, deoarece metalele tenace nu pot fi rupte prin încovoiere.

Rezistenta la torsiune (rasucire) este rezistenta opusa de un produs metalic unui cuplu de forte care actioneaza asupra celor doua capete ale produsului, în sens contrar. În urma rasucirii, produsele metalice se pot rupe prin forfecare (în cazul metalelor si aliajelor tenace) sau smulgere (în cazul metalelor si aliajelor fragile).

Rezistenta la forfecare (taiere) reprezinta rezistenta opusa de produsele metalice fata de doua forte exterioare, egale ca valoare si de sens contrar, care actionând perpendicular pe axa produsului tind sa-l taie.

Duritatea este proprietatea metalelor si aliajelor de a rezista la actiunea unor forte exterioare[1] care tind sa le deformeze superficial suprafata. Dupa modul în care pot fi aplicate aceste forte, solicitarile pot fi:

statice, atunci când forta este aplicata lent si progresiv

dinamice, atunci când forta este aplicata brusc.

Determinarea duritatii metalelor si aliajelor se poate realiza printr-o multitudine de metode. În figura 1.2 este prezentata o clasificare a acestor metode, care vor fi prezentate pe scurt în cele ce urmeaza.

a. Metode statice de determinare a duritatii

Fig. 1.2. Clasificarea metodelor pentru determinarea duritatii metalelor

a 1. Metode prin zgâriere

Metoda Mohs se bazeaza pe utilizarea scarii Mohs, care ordoneaza mineralele în functie de capacitatea acestora de a zgâria mineralele cu o duritate mai mica si de a fi zgâriate de cele cu o duritate mai mare. Plecând de la scara Mohs pentru minerale, s-a stabilit o scara si pentru metale si aliaje.

Metoda Mohs este o metoda empirica, determinarile sunt calitative si nu cantitative si de aceea ea nu este utilizata în practica.

Metoda Martens consta în zgârierea piesei metalice cu ajutorul unui diamant având forma de con cu unghiul la vârf de 90° sau 120°. Duritatea se determina fie masurând latimea urmei zgârieturii obtinute la o forta constanta de apasare, fie determinând forta necesara pentru ca urma zgâriata sa posede o anumita latime (10 μm).

a 2. Metode prin apasare

Spre deosebire de metodele prin zgâriere, aceste metode sunt utilizate frecvent în practica. Din aceasta grupa fac parte metodele Brinell, Vickers si Rockwell.

Metoda Brinell utilizeaza ca penetrator o bila de otel (cu diametre de 2,5; 5 sau 10 mm), care este apasata pe suprafata produsului de verificat cu o forta specificata si într-un interval de timp precizat. Duritatea Brinell se noteaza cu HB. Metoda Brinell se utilizeaza pentru determinarea duritatii otelurilor necalite, fontelor si a aliajelor neferoase.

Metoda Vickers utilizeaza în locul bilei de otel o piramida dreapta de diamant cu baza patrata, având unghiul la vârf de 136°. Duritatea Vickers se noteaza cu HV. Datorita duritatii foarte mari a penetratorului, aceasta metoda poate fi folosita în cazul metalelor si aliajelor foarte dure.

Metoda Rockwell are doua variante, în functie de penetratorul utilizat:

varianta B la care penetratorul este o bila de otel (cu diametrul de 1,587 mm);

varianta C, care foloseste un penetrator con de diamant cu unghiul la vârf de 120°.

Forta este aplicata lent si progresiv, în trei etape, fiecare fiind caracterizata de o valoare specifica. Duritatea determinata prin varianta B a metodei Rockwell se noteaza cu HRB, iar cea obtinuta prin varianta C este simbolizata cu HRC.

Varianta B a metodei Rockwell este indicata pentru determinarea duritatii otelurilor carbon obisnuite, metalelor si aliajelor neferoase, iar varianta C pentru metale si aliaje dure, oteluri calite.

b. Metode dinamice de determinare a duritatii

b 1. Metode elastice

Masurarea duritatii prin aceste metode presupune masurarea reculului pe care îl are un penetrator care loveste suprafata produsului de verificat fara a o deforma. Cu cât duritatea este mai ridicata, cu atât reculul penetratorului este mai mare.

Metoda Shore utilizeaza un scleroscop, care este un dispozitiv simplu alcatuit dintr-un tub gradat (având 140 diviziuni, echivalente unitatilor de duritate Shore) în care se deplaseaza liber un ciocanel metalic cu masa de 3g si prevazut cu un vârf de diamant.

Pentru a determina duritatea, scleroscopul se aseaza deasupra produsului, iar ciocanelul este lasat sa cada liber; lovind suprafata produsului el ricoseaza pâna la o anumita înaltime, care, masurata pe tubul gradat, indica duritatea Shore, notata cu HS.

Metoda cu duroscopul. Duroscopul este un pendul care are fixat la extremitate o bila de otel cu diametrul de 4 mm. Pentru determinarea duritatii, pendulul este deviat la un unghi de 70° fata de verticala si lasat liber. Întâlnind în drumul sau suprafata produsului metalic, pendulul ricoseaza sub un anumit unghi, care poate fi citit pe cadranul gradat al duroscopului si care intra în relatia de calcul al duritatii.

b 2. Metode plastice

Masurarea duritatii prin aceste metode presupune lovirea brusca a suprafetei produsului cu un penetrator sub forma de bila de otel care produce astfel o deformare; masurând diametrul urmei, se poate calcula duritatea produsului.

Metoda cu ciocan Baumann consta în aplicarea brusca a unei forte constante, prin destinderea unui resort, care actioneaza o bila de otel. Duritatea produsului se determina în functie de diametrul urmei imprimate de bila.

Metoda cu ciocan Poldi se bazeaza pe aplicarea brusca a unei forte variabile asupra unui penetrator din otel sub forma de bila cu diametrul de 10 mm. Penetratorul imprima concomitent o urma pe suprafata produsului de verificat si pe cea a unei bare etalon cu duritate cunoscuta. Comparând diametrele celor doua urme se determina duritatea piesei.

Metoda cu ciocan Poldi se foloseste la determinarea rapida, dar, aproximativa a duritatii, în cazul pieselor metalice mari.