tehniČki materijali aleksandra boričić - vtsnis.edu.rs · obojeni metali i njihove legure ... 7....
TRANSCRIPT
TEHNIČKI MATERIJALI
dr
Aleksandra Boričić
Sadržaj•
Opšte karakteristike materijala.•
Strukture kristalnih rešetki•
Ponašanje metala pri delovanju spoljašnjih sila•
Elastične i plastične deformacije•
Osnovi kristalizacije metala i legura•
Legure gvožđa•
Osnove faznih promena u metalnim sistemima•
Fazne promene u čvrstom stanju kod čelika•
Termička obrada čelika•
Dobijanje sirovog gvožđa,čelika i livenog gvožđa•
Podela i obeležavanje čelika•
Legure gvožđa•
Obojeni metali i njihove legure•
Polimerni materijali•
Kompozitni materijali•
Goriva•
Izbor materijala
LITERATURA
Većina materijala je preuzeta sa predavanja prof. dr Dragana Adamovića sa Mašinskog
fakulteta iz Kragujevca.
Formiranje
ocene: Poeni:Pred-ispitne
obaveze
(60%): 60
Pohađanje
nastave
-
predavanja,
vežbe 10 Kolokvijumi 40 Seminarski
rad 10
Ispit
(40%) 40
4
Bodovanje i ocenjivanje
Ocena Značenje ocene Ukupan broj poena
10 Odličan 95-100
9 Izuzetno dobar 85-94
8 Vrlo dobar 75-84
7 Dobar 65-74
6 Dovoljan 55-64
5 Nije položio do 54
5
Prema skali ocenjivanja (Sl. Glasnik R. Srbije 21/2006) kvalitativna ocena uspeha je:
Cilj predmeta
Da pripremi
studenta da: •
usvoji pojmove kao što su modul
elastičnosti, zatezna
čvrstoća, žilavost
materijala,
elastične
i plastične
deformacije•
izuči strukturne
promene
u očvršćavanju
materijala
•
nauči postupke poboljšanja mehaničkih karakteristika materijala
•
nauči da rešava praktične probleme iz oblasti primene materijala
Ishod predmetaStudent je sposoban da:
•
odredi osnovne karakteristike materijala, zateznu čvrstoću, modul alastičnosti, tvrdoću, žilavost,
•
da prednosti i nedostatke za različite vrste materijala u primeni,
•
definiše termičku obradu u odnosu na tražene karakteristike materijala,
•
definiše pravilan izbor materijala čije će karakteristike zadovoljiti tražene mašinske konstrukcije ili pojedine delove konstrukcija,
•
nabroji sve vrste materijala koji se mogu upotrebiti u izradi različitih delova mašina, a koje odgovaraju traženim karakteristikama,
•
prati i predlaže nove materijale.
Pauza
Uvod
u tehničke
materijale•
Istorijski
razvoj materijala
•
Kamen
→ Bronza
→ Gvožđe
→ Napredni materijali
•
Šta je nauka o materijalima i inžinjerstvo
?
•
Struktura
→ Svojstva → Obrada
•
Klasifikacija
materijala
•
Metali, Keramike i stakla, Polimeri, Kompoziti
•
Napredni materijali
•
Elektronički
materijali, superprovodnici, itd.
•
Savremeni
materiajali, materijali
budućnosti
•
Biorazgradivi
materijali, Nanomaterijali, “Pametni”
materijali, Biomimetički materijali
Istorijski
razvoj
materijala
•
Kameno
doba
(600 000 do 8 000 god. pre Hrista)Upotreba različitih materijala za razne alatke potrebne čoveku vezana je za same početke ljudske civilizacije. Proučavanje arheoloških nalazišta pokazuje da su prve primitivne alatke bile od drveta, kamena, kože
i
životinjskih kostiju.
Zlatno
i bakarno
doba•
Ljudi su najpre pronašli zlato, mnogo pre pronalaska vatre. Otkriće vatre omogućilo je da se zlatni prah stopi u jedan komad, ili još
docnije da se izlivanjem u zemljane kalupe
dobiju predmeti složenog oblika. Ta epoha nastala posle kamenog doba ponekad se zove "zlatno doba". Posle zlata pronadjen je bakar i zatim kovanje kao način njegove prerade ("bakarno doba").
Bronzano doba (8000 do
3000
god. pre Hrista)
•
Mnogo docnije, stapanjem bakra i kalaja dobijena je bronza o čijem značaju govori to što je čitava ta epoha koja je trajala 5000 godina nazvana "bronzano doba". U neolitskim lokalitetima kod Velikog Laola (Petrovac na Mlavi) otkriveno je da su stanovnici ove naseobine znali da prerađuju bakar još
4500 godina pre Hrista.
Gvozdeno doba (od 3000 god. pre Hrista)
•
Meki metali: zlato, bakar, kalaj, cink i srebro bili su lako dostupni drevnim narodima jer su se nalazili u površinskim slojevima zemlje; osim toga lako su se odvajali od nečistoća i lako preradjivali. U tim vremenima gvoždje je bilo redak i stoga skupocen metal koji se upotrebljavao samo za izradu nakita. Jedan od najstarijih gvozdenih ukrasa pronadjen je u Velikoj piramidi (Egipat) iz doba 2900 godina pre Hrista. Dugo su, pa i do 1000 godina pre Hrista, ukrasni predmeti od gvožđa bili skuplji od zlatnih jer su poticali od meteorskog gvožđa -
komada meteora koji su padali na zemlju. Stoga se
smatra da je negde oko 1000-te godine pre Hrista, počelo gvozdeno doba koje i dan danas traje.
Gvozdeno
doba
15
Osnovnaznanja
o materijalima
Rezultujućeznanje o
strukturi i svojstvima
Primenjenaznanja
o materijalima
Nauka
o
materijalimaNauka
i
inžinjerstvoo materijalima
Inžinjerstvo materijala
Nauka o materijalima se pretežno bavi traganjem za osnovnim znanjima o unutrašnjoj strukturi, svojstvima i obradi materijala.
Nauka i inžinjerstvo o materijalima
Nauka omaterijalu
Inžinjerstvomaterijala
Inženjerstvo materijala se uglavnom bavi korišćenjem osnovnih i primenjenih znanja tako da proizvodi zadovolje potrebe i želje društva.
Nauka i inžinjerstvo o materijalima kombinuju kako nauku o materijalima tako i inžinjerstvo materijala i to predstavlja predmet ovog našeg proučavanja.
16
Materijaliu eksploataciji
Materijaliu eksploataciji
Primenjenaznanja
o materijalima
Primenjenaznanja
o materijalimaOsnovna znanjao materijalimaOsnovna znanjao materijalima
Nauka Inžinjerstvo
Nauka o materijalu
i
inžinjerstvo
17
Atomoko 10-10
m
Crystal10-9
– 10-1
mZrno
10-9
– 10-2
mInženjerski kompozit
10-4
– 10-1
m
Prirodni kompozit
18
. . .
Izvlačenje Sinterovanje
Fotolitografija
Injekciono livenje
19
Struktura, obrada
i
svojstva
• Svojstva zavise od strukture
npr. tvrdoća zavisi od strukture čelika
• Obrada utiče na promenu strukture
npr.
struktura zavisi od brzine hlađenja čelika
20Sila
a) b)
Različiti materijali imaju različitu kristalnu strukturu, a samim tim i različita svojstva
21
Električna otpornost bakra
•
Povećanjem sadržaja nikla raste el. otpornost
• Deformisanjem bakra, takođe raste el. otpornost
•Termička provodnost bakra opada sa povećanjem sadržaja cinka
Termička provodnost bakra
22
Mikrostruktura
Termomehaničkaobrada
Sastav
Kristalna strukturaHemijske veze
Sastav, veze, kristalna struktura i mikrostruktura DEFINIŠU
svojstva naterijala
Element Težinski procenat u zemljinoj kori
Kiseonik (O)Silicijum (Si)Aluminijum (Al)Gvožđe (Fe)Kalcijum (Ca)Natrijum (Na)Kalijum (K)Magnezijum (Mg)Titan (Ti)Ukupno
46,6027,72
8,135,003,632,832,702,090,40
99,10
Gas Zapreminski procenat u suvom vazduhu
Azot (N2
)Kiseonik (O2
)Argon (Ar)Ugljen dioksid (CO2
)
78,0820,95
0,930,03
23
Zastupljenost najvažnijih elemenata u zemljinoj kori i atmosferi
24
Metali iMetali injihove legurenjihove legure
PPoolimerilimeri Keramike iKeramike istaklastakla
KompozitiKompoziti
PodelaPodela
materijalamaterijala
25
Metali i njihove legure
Dobri provodnici struje i toplote
dobro deformabilni
Neprovidni
Osetljivi na hemikalije, a neki i na dejstvo
atmosfere
Visoke gustine
Fe, Čelik, Cu, Al, Ti, Bronza, ...
Metali
27
Keramike
i stakla
Izolatori struje i toplote
Tvrdi, krti, nedeformabilni
Neki su providni
Doro koroziono otporni
Vatrootporni
SiC, Si3
N4
, Al2
O3
, BaTiO3,
28
PolimeriIzolatori struje i toplote
Vrlo fleksibilni, deformabilni, male čvrstoće
Neki su providni
Dobro koroziono otporni
Neotporni na toplotu
Male gustine
Sve plastike, Najlon, Guma, ...
29
Kompoziti
Visoka
specifična čvrstoća, udarna i
zamorna otpornost
Koroziono otporni
Skupi
Zapaljivi, toksični
Nepostojani
u agresivnim
sredinama
Osetljivost
na temperaturu
i vlagu
30
Učešće raznih materijalau auto i avio industriji
•
U automobilskoj
industriji
uočljiv
je trend zamene konvencionalnih
materijala
plastikom. Malena
masa, velike
konstrukcijske
mogućnosti
i sigurnosni
zahtevi
osnovne
su prednosti
materijala
21. veka. Danas plastični
delovi
u ukupnoj
masi
vozila
imaju
uštedu
od
12 do 19%. (Izvor: Mercedes, BASF)
32
Specifična čvrstoćarazličitih materijala
Potrošnja različitih materijalau XX veku u SAD
33
Napredni materijali
Elektronički
materijali,
superprovodnici, itd.
34
Savremeni
materiajali, materijali
budućnosti
• Biorazgradivi
materijali,
• Nanomaterijali,
• Penasti metali
• “Pametni”
materijali,
• Biomimetički materijali
• MEMS -
Mikro
elektro-mehanički sistemi
Pauza
Građa atoma•
Kada je Empedokle, u petom veku pre nove ere, zastupao gledište da postoje četiri „elementa“, pojavljuje se učenje o unutrašnjoj građi materije, kao i o materiji koji okružuje čoveka.
•
Laukip, koji je rođen oko 495. godine i njegov učenik Demokrit (460 -
371.) osnivači su atomističke škole.
•
Po Demokritu, tela su sastavljena od sitnih, tvrdih, neprobojnih, nedeljivih i nevidljivih čestica, koje je nazvao atomi (atomos -
grčki nedeljiv).
Građa atoma
•
Atomi
su
tako
mali
da
se ne mogu
videti, različiti
su
po
obliku
i veličini, ali
su
svi
sastavljeni
iz
iste
osnovne
materije.
U
prirodi
ničeg
nema
sem
atoma. Raznovrsnost
tela
dolazi
od različitog
broja, oblika
i rasporeda
atoma
od
kojih
su
ona
postala. Atomi
se nalaze
u stalnom
kretanju
i sve
promene
koje se dešavaju
u prirodi, dolaze
zbog
spajanja
i rastavljanja
atoma.
38
Najmanja
čestica
materije
koja
zadržava
karakteristične
osobine
hemijskog elementa
jeste
atom, koji
je sastavljen
od
tri vrste
subatomskih
čestica:
• protona,
• neutrona
i
• elektrona.
Proton i neutron zajedno obrazuju
jezgro
atoma
(nukleus),
dok
spoljne
delove
atoma
čine elektroni
Atom = Nukleus
(protoni
i neutroni) + Elektroni
Grčki
–
Atomos
-
nedeljiv
39
Elektron
je otkrio
1897.god. Thomson (Tomson) On je negativno naelektrisanIma masu koja je
~1/2000 deo mase protona.
Proton
je otkrio
1919.
Rutherford (Radeford)Predstavlja sastavni deo jezgra atomaIma pozitivno naelektrisanjeMasa
je
~2000 puta veća od mase elektrona
Neutron
je identifikovao
1932.
Chadwick
(Čadvik):Drugi sastavni deo jezgraNema naelektrisanjeMasa
je
aproksimativno jednaka masi
protona
Delovi atoma
40
John Dalton
J. J. Thomson
SchrödingerNiels
BohrErnest Rutherford
Modeli atoma –
istorijski razvoj
41
Izgled prostornih ljuski po kojima se kreću elektroni
42
Elektroni
su
čestice koje kruže oko
jezgra
atoma
slično
Zemlji
koja
se obrće
oko
sopstvene
ose dok
istovremeno
kruži
oko
Sunca.
Ta rotacija, kao
i ona
koju
čine planete, ostvaruje
se neprekidno
i
u savršenom
redu
po
putanjama koje
zovemo
orbite.
Da
načinimo
poređenje
između veličine
elektrona
i veličine
Zemlje:ako
uvećamo
atom do veličine
Zemlje, elektron
bi bio veličine jabuke.
Solarni sistem
Modeli atoma
Elektroni
43
Elektroni
su
sićušne
čestice, veličine
skoro dvehiljaditog
dela
veličine
neutrona
i protona. Atom
ima
isti
broj
elektrona
kao
i protona, i svaki
elektron nosi
negativno
(-) naelektrisanje
koje
je jednako
pozitivnom
(+) naelektrisanju
koje
nosi
svaki proton. Ukupno
pozitivno
(+) naelektrisanje
u
jezgru
i ukupno
negativno
(-) naelektrisanje elektrona
poništavaju
jedno
drugo
i atom postaje
neutralan.
Električno
naelektrisanje
koje
oni
nose obavezuje elektrone
da
poštuju
određene
fizičke
zakone. Jedan
od
tih
fizičkih
zakona
široko
je poznat: "Ista električna
naelektrisanja
međusobno
se odbijaju,
a suprotna
privlače."
44
Jezgro
atoma
se sastoji
iz
približno jednakog
broja
protona
i neutrona.
Jezgro atoma
Proton Neutron
Do 1932. godine, smatrano
je da
se jezgro sastoji
samo
od
protona
i elektrona. Tada je
otkriveno
da
u jezgru
nema
elektrona
već neutrona
koji
se nalaze
pored protona. Poznati
naučnik
Čedvik
(Chadwick) dokazao
je 1932. godine
postojanje
neutrona
u jezgru
i
bio je
nagrađen
Nobelovom
nagradom
za
svoje otkriće.)
Protoni
su
pozitivno
naelektrisani, a elektroni negativno, tako
da
je atom u električnom
pogledu
neutralan. U svakom
atomu, protoni
i neutroni
gusto su
zajednički
spakovani
i čine
oko
99.9% ukupne
mase
atoma, a ostatak mase
čine
elektroni.
45
Kvarkovi
-
granica
fizičkog
postojanjaDo pre dvadeset
godina
smatrano
je da
su
najmanje
čestice
koje
sačinjavaju
atome
bili protoni
i neutroni. Ipak, nedavno
je otkriveno
da
postoje
mnogo
manje
čestice
u atomu
koje formiraju
gore pomenute
čestice.
Otkriće
je dovelo
do razvoja
nove
grane
fizike, zvane
"fizika
čestica" koja
istražuje
"subčestice" u okviru
atoma
i njihova
kretanja.Istraživanja
koja
su
vršili
fizičari
koji
se bave
fizikom
čestica
otkrila
su
da
su
protoni
i neutroni
koji
sačinjavaju
atom u stvari
formirani
od
subčestica
zvanih
"kvarkovi".Dimenzija
kvarkova
koji
formiraju
proton, koji
je tako
sićušan
da
prevazilazi
mogućnosti ljudske
imaginacije: 10-18
(0,000000000000000001) metara.
Skup
od
tri kvarka
kojisačinjavaju jedan proton
46
Postoji
veliki
prostor
koji
se nalazi
između osnovnih
čestica. Ako
razmišljamo
o protonu
u
jezgru
kiseonika
kao
o kući
u centralnoj Francuskoj, onda
elektron
koji
kruži
oko
njega
pravi
krug
koji
prolazi
kroz
Holandiju, Nemačku
i Španiju.
47
Atomski broj (Z)
pokazuje broj protona (pozitivno naelektrisanih čestica) u jezgru atoma i u neutralnom atomu atomski broj je takođe jednak broju elektrona u njegovom naelektrisanom oblaku.
Svaki element ima svoj vlastiti karakteristični
atomski broj koji određuje hemijske osobine elementa i prema tome atomski broj određuje element.
Atomski brojevi elemenata, od vodonika, koji ima atomski broj 1,
do hanijuma, koji ima atomski broj 105 daju se u Periodnom sistemu elemenata.
48
Razne
vrste
atoma
nastaju
kombinacijama
različitih
brojeva
protona, neutrona
i elektrona. Ukupna
masa
svih
čestica
predstavlja
atomsku
masu.
Relativna atomska masa je broj koji se dobija upoređivanjem sa masom nekog drugog atoma, odnosno delom mase atoma koji je uzet za standard.
Danas se
kao standard koristi 1/12 mase ugljenika C12. Relativna atomska masa pokazuje koliko je puta masa atoma određenog elementa veća od 1/12 mase atoma C12.
Osnovna jedinica za količinu materije je mol. Mol
je količina materije koja sadrži onoliki broj osnovnih čestica koliko ima atoma ugljenika u 12 g
izotopa
C12. Taj broj je uvek 6,023 ×
1023
i naziva se Avogadrov broj.
49
Najprostiji
atom, atom vodonika sastoji
se iz
jednog
protona
i jednog
elektrona
te
mu je atomski
broj
1. Vodonik
je najlakša
materija
koju
poznajemo; u tečnom
vodoniku potonuće
čak
i pluta.
Atom vodonika
50
Elementi
sa
90 i više
protona (npr. uranijum) imaju
nestabilne
izotope
-
jezgra
im se raspadaju
i nastaju
atomi
drugih
elemenata.
Hemijski
elementi
koji
se razlikuju
po
broju
neutrona, a
imaju
isti
broj
protona
nazivaju
se izotopimaizotopima
datog
elementa.
Mase
izotopa
su
različite, ali su im identične
hemijske
osobine. Tako
npr. stabilan
izotop
ugljenika
C12
ima
6 protona
i 6 neutrona, a radioaktivni
ugljenik
C14
ima
6 protona
i 8 neutrona
Ugljenik CUgljenik C12 14
Izotopi
51
-
Prva ljuska
(orbita)Najniži energetski nivo
Druga ljuska
(orbita)Viši energetshi nivo
Treća ljuska
(orbita)Još
viši energetshi nivo
Elektroni
se obrću
samo
u elektronskim
ljuskama. Postoji
sedam
elektronskih ljuski. Svaka
elektronska
ljuska
ima
određen
nivo
energije
koji
varira
u skladu
sa
udaljenošću
ljuske
od
jezgra. Što
je elektronska
ljuska
bliža
jezgru, njeni elektroni
imaju
manje
energije, a što
je dalja
od
jezgra, njeni
elektroni
imaju
veću
energiju.
52
53
Postoji
109 hemijskih
elemenata koji
su
do sada
otkriveni. Ceo svemir, naša
Zemlja
i sve
živo
i neživo
u našem
svetu
formirano
je raspoređivanjem
tih
109 elemenata u različitim
kombinacijama. Do sada
smo
videli
da
su
svi
elementi izgrađeni od atoma koji su slični
jedni
drugima
i koji
su
sačinjeni
od istih
čestica. Prema
tome, ako
su svi
atomi
koji
sačinjavaju
elemente izgrađeni
od
istih
čestica, šta
onda čini
da
se elementi
razlikuju
jedni od
drugih
i šta
je uzrok
formiranja beskrajno
različitih
supstanci?Broj
protona
u jezgru
atoma
suštinski
odvaja
elemente
jedne
od
drugih. Postoji
jedan
proton u atomu
vodonika, najlakšem
elementu, dva
protona
u atomu
helijuma, drugom
najlakšem elementu, 79 protona
u atomu
zlata, 8 protona
u atomu
kiseonika
i 26 protona
u atomu
gvožđa. Ono što
čini
razliku
između
zlata
i gvožđa, i gvožđa
i kiseonika
je jednostavno
različit
broj protona
u njihovim
atomima. Vazduh
koji
dišemo, naše
telo, biljke
i životinje, planete
u svemiru, živo
i neživo, gorko
i slatko, čvrsto
i tečno, sve... sve
ovo
je izgrađeno
od
protona, neutrona
i elektrona.
Periodni
sistem
elemenata
54
Zakon periodičnostiSlična fizička i hemijska svojstva periodično se ponavljaju pri čemu se elementi mogu poređati po rastućim atomskim brojevima.
Ruski
hemičar
Dmitrij
Mendeljejev
predložio
je 1869. godine
da se svi
do tada
poznati
hemijski
elementi
srede
prema
rastućim
atomskim
težinama
i periodičnosti
njihovih
osobina. Docnije
se pokazalo
da
je za
postizanje
potpune
periodičnosti
osobina
trebalo
poredjati
elemente
prema
rastućem
atomskom
broju odnosno
ukupnom
broju
elektrona.
Periodni
sistem
elemenata
56
Simbol
elementa
Atomski
broj
Atomska
masa
Atomski
broj
= broj protona
Atomska
masa
= masa protona + masa neutrona
Periodni
sistem
zasnovan
na
elektronskoj
konfiguraciji
57
Plemeniti
gasoviAlkalni
metali
Halogenielementi
Slična svojstva
u vertikalnim kolonama koje se nazivaju grupe
Vrst
e se
zov
u pe
riode
Alkalni
zemljani metali
Lantanidi
Aktinidi
K
L
M
N
O
P
Q
Metali
Nemetali
Prelazni metali
Moderan periodni
sistem elemenata
58
59
Neki trendovi ponašanja elemenata u zavisnosti od položaja u Periodnom sistemu elemenata
60
Metali: Elementi
koji su
obično
na sobnoj temperaturi u čvrstom stanju. Najveći broj
elemenata
su
metali.
61
62
Pauza