Cursuri SM

1.1 Introducere

Materialele reprezintă substanţele din care se produc diferite obiecte utile omului. Toate domeniile activităţii umane sunt dependente de materiale, de la fabricarea unui circuit integrat la construirea unui nave, de la biomaterialele necesare pentru armarea sau substituirea organelor sau ţesuturilor umane la cele necesare pentru hrană, energie sau informaţie.

Materialele definesc nivelul de dezvoltare al unei societăţi. Astfel primii paşi ai omenirii au fost marcaţi prin epoca pietrei, bronzului şi a fierului. În ziua de azi materialele joacă un rol determinant în dezvoltarea tehnologică şi cercetare. Indiferent de specializarea unui inginer, acesta nu poate concepe sau nu poate realiza noi produse sau tehnologii fără a ţine cont de comportarea materialelor folosite în condiţiile concrete de solicitare. Proprietăţile materialelor limitează adesea performanţele maşinilor şi instalaţiilor. De exemplu, creşterea randamentului energetic al unei turbine cu gaz de la un de avion sau al unui motor Diesel se poate realiza prin mărirea temperaturii de funcţionare. Performanţele acestora sunt condiţionate de obţinerea de noi materiale metalice sau ceramice, rezistente la temperaturi înalte. Utilizarea materialelor depinde de asemenea de resurse, preţ de cost, prelucrabilitate şi compatibilitate cu mediul înconjurător.

O cunoaştere empirică a materialelor şi experienţa acumulată de-a lungul miilor de ani nu mai satisfac necesităţile actuale şi adaptarea la tehnologiile moderne. Este necesară o abordare unificată şi fundamentală a descrierii comportării materialelor. A apărut ştiinţa materialelor ca o necesitate de a controla proprietăţile materialelor prin cunoaşterea legilor fundamentale care le determină comportarea.

Stiinţa materialelor studiază producerea, prelucrarea şi utilizarea raţională a materialelor. Aceste obiective sunt atinse în cadrul a două discipline de studiu:

- Tehnologia materialelor, care se ocupă de producerea şi prelucrarea materialelor;

- Studiul materialelor, care are ca obiectiv utilizarea raţională a materialelor.

Pentru a alege corect un material trebuie înţeleasǎ comportarea materialelor la diferite condiţii de solicitare. Se impune cunoaşterea legăturii dintre fenomenele care au loc în material, la scara microscopică şi submicroscopică şi proprietăţile macroscopice.

În funcţie de mijloacele de investigare folosite, se pot evidenţia:

- macrostructura, care indică alcătuirea materialului, rezultată prin observare cu ochiul liber sau cu lupe ce măresc până la 50x;

- microstructura, care descrie ansamblul grăunţilor şi particulelor observabile prin microscopie optică sau electronică;

- aranjamentul atomic, observabil prin difracţie cu raze X.

În figura 1.1 se prezintă observaţiile efectuate asupra structurii unei palete de la o turbină cu gaz, executată dintr-un aliaj metalic pe bază de nichel, cobalt şi crom, care îşi conservă rezistenţa mecanică până la 1000ºC. Între macrostructura şi aranjamentul atomic rezoluţia variază cu 9 ordine de mărime: de ordinul mm pentru analiza macroscopică, µm prin microscopie optică, zeci de nm prin microscopie electronică şi zecimi de nm pentru aranjamentul atomic.

Proprietăţile materialelor sunt definite prin natura legăturilor interatomice, aranjamentul atomic şi microstructură. Constituenţii microstructurali sunt caracterizaţi prin compoziţie chimică, aranjament atomic, cantitate relativă, morfologie, mărime şi mod de distribuţie. De aceea, modificarea controlată a microstructurii dă posibilitatea obţinerii unei game largi de proprietăţi.

Studiul materialelor are ca obiect cunoaşterea legilor de corelaţie dintre compoziţia chimică şi organizarea atomică sau moleculară, microstructura şi proprietăţile macroscopice ale materialelor, cât şi a legilor de modificare a acestor proprietăţi pe cale termică, chimică, mecanică, electromagnetică şi radioactivă.

Se exemplifică modificarea pe diferite căi a rezistenţei de rupere la tracţiune a fierului şi a unor aliaje Fe-C:

- metal pur, policristalin: fierul tehnic pur – 300 N/mm2;

- aliaj în stare de echilibru: oţelul cu 0,8%C recopt – 800 N/mm2;

- aliaj tratat termic, în afară de echilibru: oţelul cu 0,8%C călit – 2600 N/mm2;

- aliaj tratat mecanic: oţelul cu 0,8%C deformat la rece, ecruisat – 4000 N/mm2;

- monocristal filiform de fier pur cu densitate redusă a defectelor structurale (whisckers):– 13000N/mm2.

Studiul materialelor este multidisciplinar. El face apel atât la cunoştinţe fundamentale de chimie şi fizică, cât şi la discipline inginereşti ca: mecanica, electrotehnica, construcţiile civile, tehnologia materialelor, rezistenţa materialelor.

Lucrarea de faţă se limitează la studiul materialelor solide din construcţia de maşini, excluzând fluidele şi materialele energetice.