Cateva consideratii asupra caracteristicilor mecanice ale unor materiale casante

CATEVA CONSIDERATII ASUPRA CARACTERISTICILOR MECANICE ALE UNOR MATERIALE CASANTE

SOME CONSIDERATIONS ABOUT THE MECHANICAL CHARCTERISTICS OF BREACKABLE MATERIALS

Rezumat

Se prezinta cateva consideratii asupra modului de determinare a caracteristicilor mecanice ale unor materiale casante-cu referiri concrete la ceramici.Se subliniaza dificultatile incercarii acestor materiale-putin deformabile accentuandu-se necesitatea utilizarii unor masini de incercat performante.Altfel valorile obtinute-de exemplu-pentru modulul de elasticitate longitudinal ,E, se rasfrang pe un evantai larg deschis.

Abstract

In the following shall be presented a few considerations on the determination procedure of the mechanical characteristics of some breackable materials, with special considerations to cheramics. The difficulties of testing these little deformable materials will be evidenced, together with spoting out the necessity of using performance testing machines. Thus, the obtained values - like for example for the longitudinal elasticity module E - will cover a large spectrum.

1. CONSIDERATII GENERALE

Ceramicele(a caror denumire provine din grecescul "keramikos"- "de argila") sunt materiale anorganice nemetalice,cu legaturi atomice si ionice, a caror structura complexa cristalina se obtine prin sinterizare.

Criteriile dupa care se clasifica materialele ceramice pot fi: compozitia chimica (silicatica,oxidica,neoxidica),marimea componentilor structurali (groba,fina), densitate (bruta-poroasa,faianta,teracota,gresie,portelan), culoare(diversa),domeniul de utilizare (ornamentala,pentru menaj,pentru constructii,refractara ,mecanoceramica,electroceramica,magentoceramica ,bioceramica , etc.)

Ceramica tehnica se obtine parcurgand cateva etape tehnologice bine stabilite: obtinerea pulberilor, prepararea masei ceramice (macinare, amestecare ,aglomerare,uscare),fasonare (extrudare, presare), sinterizare (presare la cald),finisare.

Materialele ceramice silicatice sau oxidice au in componenta materiile prime de baza (cuart,argila,feldspat) corespunzand sistemului ternar

SiO₂-Al₂O₃-K₂O sau CaO-MgO-Na₂O.

Utilizate ca izolatoare in electrotehnica materialele ceramice tehnice sunt rezistente la variatiile de temperatura,destul de fragile si , au in general, o rezistenta la compresiune de aproximativ cinci ori mai mare decat la tractiune!

2. CARACTERISTICI MECANICE

Cunoasterea cat mai exacta a proprietatilor mecanice ale materialelor utilizate in diverse produse industriale reprezinta o conditie indispensabila unei utilizari eficiente a acestora.Proprietatile fizice ale materialelor determina modul de comportare al pieselor in care acestea sunt incluse, supuse unor solicitari : mecanice(rezistenta,elasticitate,fragilitate,fluaj,duritate,oboseala etc.),termice(dilatatie),electrice(conductivitate),tehnologice(prelucrabilitate), chimice(corozivitate)etc.

Proprietatile mecanice ale materialelor sunt definite printr-o serie de caracteristici, reprezentand modul de comportatre a acestora in anumite conditii de lucru si se exprima,calitativ,printr-o serie de parametri.

Determinarea caracteristicilor mecanice se face in urma incercarii materialelor pe masini speciale de incercat,corespunzand scopului propus, urmarindu-se modul de comportare a acestora pana la ruperea epruvetelor si inregistrand parametri caracteristici,analizandu-se atat modul cat si aspectul ruperii.

Incercarile mecanice de rezistenta materialelor-la tractiune sau la compresiune- dau posibilitatea de a urmari modul de comportare si parametrii caracteristici prin diagrame care exprima legatura dintre tensiunile aplicate si deformatiile specifice liniare corespunzatoare.

La incercarea -statica ,la temperatura obisnuita- la compresiune(cea mai frecventa) a unor materiale fragile(casante)-cum ar fi fonta, betonul, pietrele,sticla,ceramicele, polimericele etc-se determina,de regula,numai rezistenta la rupere si ,eventual, deformatia specifica totala la rupere.

Examinarile de structura si analizele chimice se adauga celor mai sus descrise.

3. EPRUVETE SI MASINI DE INCERCAT

Incercarea la compresiune a unor epruvete cilindrice-cea mai recomandata in cazul materialelor cu deformabilitate redusa- impune masinii necesitatea indeplinirii catorva conditii de fixare optima a acestora intre platourile masinii,care trebuie sa fie plane,dure si netede; platoul inferior trebuie sa fie prevazut cu cercuri concentrice pentru centrarea epruvetei iar platoul superior sa aiba calota sferica,in vederea asigurarii paralelismului platourilor.

S-au incercat doua tipuri de materiale ceramice,cu ajutorul unor epruvete cilindrice avand diametrul nominal d=10[mm] si lungimi diferite,adica epruvete de tip: scurte,mijlocii si lungi-avand factori dimensionali (l/d), respectiv ,1,2,3,5 si 10.

Masinile de incercari mecanice universale au fost:

• "GALDABINI-Sun 5" cu forta maxima care se poate aplica de 50[kN] 5[tf];
• VEB-Werkzeugmaschinen-Leipzig- 400[kN] 40[tf].

O imagine a epruvetelor incercate cu diversi factori dimensionali-poate

fi urmarita in figura 1.

Fig.1. Epruvetele -cu diversi factori dimensionali-pregatite pentru incercat,la compresiune

4. REZULTATELE INCERCARILOR

Epruvetele cilindrice au fost fixate,pe rand, intre platourile masinii de

incercat, urmarindu-se o cat mai buna centrare a acestora. Apoi,li s-au aplicat -lent, continuu si progresiv- sarcini de compresiune

Parametrii unui lot de epruvete incercate sunt redati in tabelul 1.

Tabelul 1. Parametrii unui lot de epruvete(din ceramica) comprimate

a-epruvete albe ; g-epruvete bej

O reprezentare grafica a modului de variatie a deformatiilor liniare longitudinale,Δl,a epruvetelor in functie de forta axiala ( de compresiune ) aplicata,N, poate fi urmarita in figura 2.

Fig.2. Diagrama de variatie a scurtarii longitudinale, Δl, in functie de sarcina axiala de compresiune,N, aplicata

Iar in figura 3-pentru prima dintre epruvetele din linia intai a tabelului1-este reprezentata variatia tensiunii normale s(la scara 10:1)-in [N/mm²]-in functie de deformatia specifica liniara,e (la scara 31:1) -in [%].

Fig.3. Diagrama de variatie a tensiunii normale, s,in functie de deformatia specifica liniara,e,-la incercarea la compresiune a unei epruvete din ceramica

Aspectul catorva epruvete rupte in urma incercarii la compresiune este redat in figura 4.

Fig.4.Aspect al catorva epruvete rupte in urma incercarii

Este de remarcat faptul ca valorile determinate ale rezistentei de rupere s_r=N/A,precum si cele ale modulului de elasticitate longitudinala, E=s/e, se extind-conform tabelului 1-pe un evantai destul de larg.

5. OBSERVATII SI CONCLUZII

Comportarea fragila(casanta) a materialelor sub actiunea sarcinilor se

caracterizeaza prin faptul ca se deformeaza foarte putin-sau,aproape, deloc- inainte de a se rupe.In cazul materialelor fragile solicitate,tensiunile locale cresc continuu-atunci cand nu apare o curgere locala-formandu-se fisuri in unul sau mai multe puncte ale epruvetei.Se creaza,astfel, concentratori de tensiuni care se propaga cu repeziciune,ducand la ruperea brusca a epruvetei,atunci cand limita de curgere,s_c si rezistenta de rupere s_r, practic, se confunda.

Valorile parametrilor determinati pentru cele doua tipuri de ceramici experimentale (elaborate la Facultatea de Chimie si Inginerie Chimica a Universitatii "Babes-Bolyai" din Cluj-Napoca) se situeaza sub cele cu care, orientativ, au fost comparate-[15].Aceasta inseamna ca tehnologiile originale de obtinere a acestora vor trebui imbunatatite.

Este de remarcat faptul ca,desi incercarea la compresiune este simpla si ,relativ, usor de realizat,ea prezinta si un dezavantaj care nu este de neglijat: se inregistreaza o deformare neuniforma pe inaltimea epruvetei,ceea ce ingreuneaza atat masurarea rezistentei la deformare cat si a deformabilitatii.

Se observa,totodata-din figurile 2 si 3-comportarea atipica a epruvetelor, din ceramica-cu tronsoane succesive,in trepte,de cedare,urmata de consolidare - pana la ruperea definitiva.

Aspectul catorva dintre epruvetele rupte -figura 4 - denota o curioasa propagare a fisurilor si a rupturilor,pe directie longitudinala,paralela axei epruvetei si directiei de aplicare a sarcinii.

In final,sunt de subliniat dificultatile realizarii incercarii la compresiune a materialelor casante-cu referire la ceramica-si necesitatea imbunatatirii modului de obtinere a parametrilor-s_r,E s.a.-care caracterizeaza comportarea acestora la solicitari mecanice,impunandu-se utilizarea unor masini de incercat inalt performante.

Bibliografie

[1]. Atanasiu, C. s.a. Incercarea materialelor( vol. I si vol. II ). Editura Tehnica,

Bucuresti,1982;

[2]. Bazant, P.,Z. Compression Failure of Quasibrittle Material: Nonlocal Microplane

Model. Journal of Engineering Mechanics, Vol. 118, No 3/1992, pp.540-556;

[3].Dieter, E.,G. Metalurgia mecanica(traducere din limba engleza).Editura Tehnica,

Bucuresti,1970;

[4]. Pissarenko, G.,Yakovlev, A., Matveev, V. Aide-memoire de résistance des

matériaux.Editions Mir,Moscou,1979;

[5]. *** Hütte. Manualul inginerului.Fundamente (traducere din limba germana).

Editura Tehnica,Bucuresti,1995.