prof. dr. sc. tomislav filetin dr. sc. vera rede, izv. prof. · materijali i povijest civilizacije...
TRANSCRIPT
Prof. dr. sc. Tomislav Filetin
Dr. sc. Vera Rede, izv. prof.
Dr. sc. Irena Žmak, doc.
IZBOR MATERIJALA 3+3, 2014.
9 ECTS !
180 sati rada studenata
PREDAVANJA (pon. 8.30-14) A-207:
16.3. 1. Materijali kroz povijest. Resursi sirovina i materijala (TF)
23.3. 2. Razvoj proizvoda i IM.
30.3. 3. Veze između razvoja proizvoda i IM - nastavak.
Metodologija IM - uvod.
13.4. 4. Zahtjevi: funkcionalnost i eksploatabilnosti. Mehanička
otpornost pri normalnim temp.
20.4. 5. Krhki lom i umor, vibracije
27.4. 6. IM pri povišenim temperaturama
04.5. 7. IM u uvjetima trošenja
11.5. 8. IM u uvjetima korozije
18.5. 9. Tehnologičnost i izbor proizvodnih postupaka
25.5. 10. Tehnologičnost (nast.). Cijena i troškovi i nabavljivost
01.6. 11. Taktilnost, Estetičnost, Recikličnost
08.6. 12. Svojstva. Kvantitativne metode izbora i optimalizacije
15.6 13. Inf. sustavi. CAMS i ES
VJEŽBE: srijeda 11.15-14, A207
18.3. 1. Označivanje materijala
25.3. 2. Repetitorij svojstava podskupina materijala I (studenti)
01.4. 3. Repetitorij svojstava podskupina materijala II (studenti)
08. 4. 4. Repetitorij svojstava podskupina materijala III (studenti)
15.4. 5. Repetitorij svojstava podskupina materijala IV (studenti)
22.4. 6. K1. Trendovi - Suvremeni materijali
29.4 7. CES
06.5. 8. Prokaljivost
13.5. 9. IM za dijelove alata
20.5. 10. Primjeri IM-CES
27.5. 11. Primjeri IM
03.6. 12. Zadaci studenata
10.6. 13. K2. Anketiranje
OBVEZE STUDENATA:
- Redovito pohađati predavanja i vježbe (oko 20 % bodova)
- Položiti 2 kolokvija, nema ponavljanja (oko 20 % bodova)
- Obraniti seminarski rad (oko 60 % bodova)
DANAŠNJI SADRŽAJ PREDAVANJA
Materijali kroz povijest civilizacije
Resursi sirovina i proizvodnja
materijala
Copyright TF
MATERIJALI KROZ
POVIJEST CIVILIZACIJE
VRSTE MATERIJALA KROZ POVIJEST
KOST
The first king: Menes
Early history 3000 BC
Razvoj materijala kroz povijest
Julius Caesar Henry VIII Queen Victoria 1837 - 1901 Franklin Roosevelt 1933 - 1945
21st Century
danas
- Laminati
- Sendviči
- Polimerno-drvni kompoziti
KERAMIKA - NEKAD
Kućište tiristora
Brtvene pločice, vodilice
konca, mlaznice
Cijevni luk za transport praha
Izolator
TEHNIČKA KERAMIKA DANAS
Kuglice ležaja od
SN
Koluti za žicu od ZrO2
Materijali i povijest civilizacije
- Bakar (Cu) je najstariji metal, pronađen u srednjem
kamenom dobu (8 000 gpK).
Taljenje je bilo poznato 6 000 gpK. a vađenje ruda 2 000 gpK.
U istom razdoblju pronađeno je i zlato.
- Brončano doba je započelo na Bliskom Istoku oko 3 000 gpK,
u srednjoj Europi 1 800 do 700 gpK, a u Grčkoj 500 gpK.
- Hrvatska – “Vučedolska kultura” oko Vukovara
lijevanje Cu-legura 3000 gpK.
BAKAR JE JEDAN OD NAJSTARIJIH METALA
BAKRENO I BRONČANO DOBA
Vela spilja
Vela Luka
Oružje
Zvona
Uporabni predmeti
za “recikliranje”
Cu u Cu-gegure danas
Materijali i povijest civilizacije
Željezno doba slijedi u Europi brončano oko 1 000 gpK, a
traje i danas.
- Postupci proizvodnje i prerade željeza su relativno noviji
taljenje i lijevanje je razvijeno u 14. st.
- Procesi u visokoj peći u 16. st.
- Proizvodnja neleg. čelika u 18. st., a legiranih tek u 20. st.
Austenitni nehrđajući čelici razvijeni su kvantitativnom
primjenom znanstvenih spoznaja oko 1935., a
mikrolegirani čelici povišene čvrstoće tek oko 1965. g.
PRIMJENE NELEGIRANIH KONSTRUKCIJSKIH ČELIKA
PRIMJENE ALATNIH
ČELIKA
Dno:
Sendvič aluminij+
austenitni čelik
PRIMJENA AUSTENITNIH ČELIKA
Materijali i povijest civilizacije
Industrijska proizvodnja aluminija je stara tek nešto više od
120 g. (1889. u Švicarskoj).
Al-legure razvijene su oko 1920. god.
Prirodni kaučuk kao prvi polimerni materijal se počinje
proizvoditi 1839. g., industrijska proizvodnja današnjih
polimera počinje tek oko 1930. god.
Današnji suvremeni materijali:
nove legure, intermetalni spojevi, tehnička keramika,
kompoziti, ćelijasti materijali (pjene), nanostrukturirani
materijali...
TIPIČNI PRIMJERI DANAŠNJIH PROIZVODA OD AL I AL-LEGURA
PRIMJENE POLIMERNIH MATERIJALA
PRIMJENE Ni-LEGURA
BOEING 787
POLIMERNI KOMPOZITI
Polimerni kompoziti i sport
Pistorius-ova proteza (opruga) od
PMC (ugljična vlakna)
http://www.youtube.com/watch?v=ZCNUSA04DuM
METALNI KOMPOZITI
KERAMIČKI KOMPOZITI
MINERALNI LIJEV/POLIMERNI BETON
ZA POSTOLJA STROJEVA
PREDNOSTI
- manja masa
- 6-10x brže prigušenje vibracija nego SL
- mala toplinska vodljivost i neosjetljivost
na T
- korozijski postojan
- sloboda konstrukcijskog oblikovanja
- hladan postupak oblikovanja
KERROCK I CORIAN - PRIMJENE
pluto
drvo balza
spužva kost
koralj sipina kost
list
irisa stabljika
biljke
ĆELIJASTE STRUKTURE U PRIRODI
ĆELIJASTI MATERIJALI – METALNE PJENE
SENDVIČ KOMPOZITI – RAZLIČITI OBLICI ĆELIJA
JEZGRI
Polimerni sendviči u dizajnu
Današnji svijet materijala
PE, PP, PC
PA
Plastomeri,
duromeri,
elastomeri
Polimerne
Metalne
Pjene Keramičke
Staklene
Drvo
Prirodni
materijali Prirodna vlakna
Koža, Kamen
Papir
GFRP
CFRP
Kompoziti Polimerni
Metalni
Keramički
Hibridi
Al2O3
Zro2
SiC
Keramike
stakla
Čelici
Ljevovi
Al-legure
Metali Cu-legure
Ni-legure
Ti-legure
Mg-legure
Unit 1, Frame 1.4
Danas ima >100.000 vrsta
tehničkih materijala.
Zadnjih 80-ak godina u
primjenu je ušlo toliko novih
vrsta kao u cijelom
prethodnom razdoblju.
Današnja proizvodnja materijala u svijetu
Vrsta materijala Proizvodnja u 106 t
Drvo bez ogrijevnog 1200
Beton 950
Čelici i Fe ljevovi 1130
Polimeri oko 200 →najveći porast
Aluminij 25
Bakar 10
Cink 7
Olovo 6
Nikal 1
Hrvatska pretežno uvozi sve osim drva i betona
vrlo je važna oporaba (recikliranje) materijala i
obnavljanje proizvoda
PROIZVODNJA SIROVOG ČELIKA 1870.-2005.
Ostale zemlje
POTROŠNJA ČELIKA PO STANOVNIKU
PROGNOZE PROIZVODNJE I PRIMJENE MATERIJALA
Polimeri
POJAM ”NAPREDNI, SUVREMENI ILI NOVI
MATERIJALI":
1.Bitno novi sastav, struktura i svojstva
2.Bitno novi postupak proizvodnje i oblikovanja
3.Nova područja primjene u odnosu na "klasične"
materijale - relativno, jer ovisi o znanju korisnika.
Od ideje o novom materijalu do njegove industrijske
primjene može proteći barem 10 do 15 godina, a kod
kompliciranijih problema i više od 40 godina.
KOJI SU ZA VAS NOVI MATERIJALI?
Proizvodnja novih materijala najčešće je povezana s
proizvodnim postupcima za pravljenje tvorevina.
"Materials Technology" - proizvodni postupci tijekom
kojih se bitno mijenja sastav i mikrostruktura, odnosno
formiraju svojstva materijala, a često i ujedno svojstva
konačnog proizvoda.
TEHNOLOGIJE MATERIJALA
Primjeri:
klasični postupci lijevanja metala,
proizvodnja duromernih i gumenih običnih i kompozitnih
tvorevina,
postupci praoblikovanja praha,
lasersko sinteriranje,
postupci modificiranja i prevlačenja površina.
Učestalost vrste oštećenja u eksploataciji
% Oštećenja Vrsta oštećenja Industrijska
postrojenja Dijelovi zrakoplova
korozija 29 3
lom od umora 25 61
krhki lom 16 -
preopterećenje 11 18
visokotemperaturna korozija
7 2
napetosna korozija 6 8
puzanje 3 -
trošenje abrazijom i erozijom
3 7
Uzroci oštećenja u eksploataciji
% Oštećenja Uzrok oštećenja Industrijska
postrojenja Dijelovi zrakoplova
neodgovarajući materijal 38 -
pogreške u proizvodnji 15 17
pogreške pri toplinskoj obradi 15 -
pogreške konstruiranja 11 16
neanticipirani radni uvjeti 8 10
nekontrolirano stanje okoliša 6 -
neodgovarajuća kontrola kvalitete
5 -
neodgovarajuće održavanje - 44
pogreške u materijalu - 7
nepoznato - 6
TROŠKOVI PRIMJENE
NOVIH MATERIJALA
Razvrstavanje materijala prema cijeni
10…>50 €/kg
Resursi sirovina i materijala
SUSTAVNOSNI PRISTUP SIROVINAMA I MATERIJALIMA
SUSTAV
LJUDI
OPREMA
ORGANIZACIJA
ENERGIJA
INFORMACIJE I
KOMUNIK. - ZNANJE
SIROVINE I
MATERIJALI
PROIZVODI
OTPAD (MATERIJALI)
INFORMACIJE
PROCESNI PROSTOR –
ŽIVOT I PROIZVODNJA
Holistički pristup i sinergija
•PODUZEĆE
•REGIJA
•DRŽAVA
•SVIJET
ŽIVOTNI CIKLUS PROIZVODA
"BEZ ENERGIJE SE NIŠTA NE
ZBIVA,
BEZ INFORMACIJA NIŠTA NEMA
SMISLA,
BEZ MATERIJALA NIŠTA NE
POSTOJI”
ŽIVOTNI CIKLUS SIROVINA I MATERIJALA
RAZLIKA: RESURSI I (ZALIHE) SIROVINA I
MATERIJALA
VRSTE SIROVINA ZA
PROIZVODNJU MATERIJALA
NEOBNOVLJIVE – vrlo dugo vrijeme
obnavljanja
– Za dobivanje: metalnih materijala, polimera,
keramike
OBNOVLJIVE – kratko vrijeme obnavljanja
– Za dobivanje npr. drvenih proizvoda
Utjecaji na stanje sirovina i materijala a) Broj stanovnika u svijetu ili u nekoj zemlji, stopa rasta i
udjeli pojedinih starosnih skupina.
Utjecaji na stanje sirovina i materijala
d) Društveni, politički i gospodarstveni odnosi - utjecaj
tržišta sirovina i materijala, politika kartela, prostorni
raspored izvora sirovina i preradbenih kapaciteta i sl.
b) Potrošnja materijalnih dobara – procjena preko
godišnjeg nacionalnog dohotka po stanovniku (GNP) – što
je veće blagostanje može se očekivati veća potrošnja;
Primjer: Kina
c) Poznate i potencijalne zalihe sirovina i stanje ponovno
iskoristivih proizvoda.
Zalihe i potrošnja metalnih sirovina u 1981. godini
Vrsta metala
Zalihe, 106 t Godišnja potrošnja, 106 t
Vrijeme iscrpljivanja bez recikliranja, god
Fe 93 600,00 500,00 187,20
Cr 3 543,00 9,16 368,60
Mn 1 835,00 21,07 87,06
V 15,80 0,02 572,46
Co 3,66 0,02 131,36
Ni 82,63 0,78 105,58
Mo 9,48 0,09 95,75
W 2,56 0,04 55,94
Cu 550,08 9,83 55,65
Pb 156,70 5,48 28,59
Sn 9,71 0,69 13,95
Zn 241,02 6,33 38,06
Pt 36,77 0,19 185,74
Mg 1 410,00 0,31 4 503,36
Al 6 000,00 16,01 374,59
udio u % Br. Zemlja
Cr Co Mn Mo Ni Ta Nb Ti V W Zr
1 KANADA 7,1 6,4 14,7 4,9 7,6 5,5 11,9
2 SAD 40,0 3,5 0,4 5,9 33,7
3 BRAZIL 0,3 2,0 1,6 75,8 4,8
4 ČILE 24,0 1,4
5 KUBA 13,8 21,5
6 PANAMA 3,4
7 PERU 4,6
8 NIGERIJA 11,0 2,8
9 ZAMBIJA I ZIMBABVE
19,7
10 SIERA LEONE 35,1 11 ZAIR 27,8 54,6 3,8
12 NJEMAČKA
13 FINSKA 1,2 1,2
14 INDIJA 0,5 3,6
15 INDONEZIJA 5,4 16 JUŽNA KOREJA 2,5
17 MALEZIJA 5,4
18 FILIPINI 0,4 2,4 6,6
19 ŠRI LANKA 5,5
20 TAJLAND 6,6 21 AUSTRALIJA 11,8 2,5 4,1 45,8 1,4 1,5 42,1
22 N. KALEDONIJA 15,8 22,7
23 SJ. KOREJA 6,2
24 BIVŠI SSSR 2,8 8,3 38,5 11,4 13,2 6,6 6,3 3,5 74,9 11,9 12,8
25 KINA 5,7 52,4 26 JUŽNOAFRIČKA
REPUBLIKA 73,9 43,6 1,2 18,7
UKUPNO 98,9 87,0 90,2 95,5 92,2 89,1 96,3 98,9 96,8 92,3 97,2
RASPODJELA POZNATIH ZALIHA SIROVINA NEKIH METALA
COLTAN
Mineral za dobivanje Ta i Nb
Ta je osnova za integrirane krugove
(kondenzatori) mobitela i sličnih uređaja
Visokotaljivi metal.
Kongo – ratovi i izrabljivanje domicilnog
stanovništva
Litij - baterije
RAZLOZI ZA OPTIMISTIČKE PROGNOZE:
broj stanovnika i potrošnja ne rastu eksponencijalno (primjer Kina);
pojavljuju se novi postupci za vađenje sirovina iz velikih dubina i iz podmorja;
geološka istraživanja u manje razvijenim zemljama ukazuju na nove izvore sirovina;
siromašniji izvori mogu se uspješno iskoristiti primjenom novih procesa;
nerentabilni izvori mogu prijeći u kategoriju iskoristivih zaliha ukoliko porastu cijene nekih sirovina – veća zainteresiranost za istraživanje izvora;
pojavljuju se novi materijali iz obnovljivih sirovina (drvo, kamen, biomaterijali i njihovi kompoziti);
sve je veći udio recikliranih materijala.