I-BLOK PREDAVANJE I VJEŽBE

PREDMET:

MATERIJALI

POGLAVLJA PREDAVANJA

1.Opšte o materijalima, istorijat

2.Nauka o tehničkim materijalima

3.Zastupljenost tehničkih materijala i elementa u

Zemljenoj kori i atmosveri

4.Klasifikacija inženjerskih materijala

5.Metalni materijali

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT -

Materiajali su čvrste tvari od kojih je nešto izrađeno ili

sastavljeno, kao što su na primjer razne konstrukcije .

Istorijski razvoj materijala

Kamen → Bronza → Gvožđe → Napredni materijali

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

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

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

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").

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

Bronzano doba (8000 do 3000 god. pre Hrista)

Mnogo kasnije, 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.

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

Gvozdeno doba (od 3000 god. pre Hrista)

Meki metali: zlato, bakar, kalaj, cink i srebro bili su lako dostupni drevnimnarodima jer su se nalazili u površinskim slojevima zemlje; osim togalako su se odvajali od nečistoća i lako preradjivali. U tim vremenimagvoždje je bilo rijedak i stoga skupocen metal koji se upotrebljavao samoza 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 godinapre Hrista, ukrasni predmeti od gvožđa bili skuplji od zlatnih jer supoticali od meteorskog gvožđa - komada meteora koji su padali nazemlju. Stoga se smatra da je negde oko 1000-te godine pre Hrista,počelo gvozdeno doba koje i dan danas traje.

OPŠTE O MATERIJALIMA -ISTORIJAT -

Gvozdeno doba

OPŠTE O MATERIJALIMA -ISTORIJAT -

NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALIMA

Tehnički materijali su oni materijali od kojih se izrađuju tehnički

proizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalnih svojstava koja

se nazivaju tehnička svojstva.

Materijali su čvrste tvari od kojih je nešto izrađeno ili sastavljeno, kao

što su na primjer razne konstrukcije.

Nauka o materijalima uključuje istraživanje korelacije između

strukture i svojstva materijala.

NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALIMA

Materiajali su čvrste tvari od kojih je nešto izrađeno ili

sastavljeno, kao što su na primjer razne konstrukcije .

Šta je nauka o materijalima i inžinjerstvo ?

Struktura → Svojstva → Obrada Efikasnost

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

Pojam ''struktura'',

Ukratko, struktura materijala se obično odnosi na rasporedunutarnjih komponenti.

Subatomska struktura uključuje raspored elektrona unutarpojedinih atoma te njihovu interakciju s jezgrama.

Na atomskom nivou, struktura obuhvata relativni raspored atomai molekula.

Sljedeće veće strukturno područje je "mikroskopsko" i sadrživelike grupe međusobno povezanih atoma (možemo ga direktnoposmatrati uz pomoć nekog tipa mikroskopa).

Konačno, strukturni elementi koji su vidljivi golim okom nazivajuse "makroskopski".

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

Pojam "svojstvo"

Svi su materijali upotrebom u upotrebi su izloženi vanjskim

uticajima (podražajima) koji izazivaju neku vrstu odziva.

Npr., materijal podvrgnut djelovanju sile doživjet će

deformaciju; polirane površine metala reflektuju svjetlo.

Svojstvo je, dakle, osobina materijala u smislu vrste i veličine

odziva na određeni izazvani podražaj.

Gotovo sva važna svojstva čvrstih materijala mogu se

grupirati u šest različitih kategorija: mehanička, električna,

toplotne, magnetska, optička, i svojstva propadanja.

OPŠTE O MATERIJALIMA –ISTORIJAT

Osim strukture i svojstava, još su dvije važne komponente

uključene u nauaku i inženjerstvo materijala.

To su "obrada" i "efikasnost ''.

S obzirom na međusobni odnos ove četiri komponente,

struktura materijala ovisiti će o načinu obrade.

Nadalje, efikasnost će materijala biti u funkciji njegovog

svojstva.

Tako je međusobni odnos između obrade, strukture, svojstava

i performansi linearan:

NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALIMA

Nauka o materijalima se pretežno bavi traganjem za osnovnim

znanjima o unutrašnjoj strukturi, svojstvima i obradi materijala.

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.

NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALIMA

U širem smislu tehnički materijali mogu biti mašinski, gradjevinski,

elektroteh-nički, tekstilni.

Predmet našeg izučavanja odnosi se na mašinske i opšte

materijale, pre svega čvrste materije u koje spadaju: metali i

metalne legure, polimeri (plastika,elastomeri), kompoziti,

keramike, drvo staklo i kristali namenjene za različite konstrukcije.

Sem toga,uopšteno posmatrano mašinski materijali su i tečne

materije (nafta, kerozin, benzin, aceton i dr.) kao i gasovite

materije (tehnički gasovi), tj. pogonski materijali i zaštitni gasovi.

Pored navednog predmet našeg izučavanja u opštoj formi,

pomenut će mo vzduh, voda i i neke eksplozivne materije

2.NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALIMA

Kod konstruisanja proizvoda, uzimaju se u obzir sljedeća

svojstva:

1. Tehnička svojstva: proizvodna, funkcionalana i eksploataciona

svojstva.

2. Ekonomska svojstva: troškovi.

3. Društvena svojstva: ergonomska, ekološka, estetska svojstva.

4. Pravna svojstva.

2.NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALI

Kod izbora materijala, postavljaju se određeni zahtjevi, a to su:1. Funkcionalnost – osnovno svojstvo koje opisuje sljedeće zahtjeve:

fizikalno-hemijska svojstva, mehanička svojstva, otpornost natrošenje, otpornost na djelovanje agresivnih medija.

2.Tehnologičnost – opisuje se preko svojstava livljivosti, rezljivosti, oblikovljivosti deformacijom, zavarljivosti, toplotnom obradljivosti.

3. Raspoloživost i cijena materijala – porijeklo pojedinog materijala, raspoložive vrste, kvaliteta materijala od pojedinih proizvođča, troškovinabave

4. Standardizovanost – prednost upotrebe materijala koji su propisaninormama.

5. Recikličnost materijala i ekologija – obuhvaća mogućnostrazgradnje i recikliranja, vezano za pojedini materijal

2.NAUKA O TEHNIČKIM MATERIJALI

Svojstva materijala koja su bitna za mašinske konstrukcije, mogu

se podijeliti na: mehanička, tehnološka, hemijska, fizikalna i

eksploataciona.

1.Mehnička

2.Tehnološka svojstva pokazuju sposobnost materijala za obradu

različitim postupcima.

3. Hemijska svojstva su hemijski sistemu i koroziona svojstva.

4. Fizikalna

5. Eksploataciona

3.Zastupljenost tehničkih materijala i elementa u

Zemljenoj kori i atmosveri

4. KLASIFIKACIJA INŽENJERSKIH MATERIJALA

Inženjerski tehnički materijali uobičajeno se dijele u četiri osnovne grupe,

4. KLASIFIKACIJA INŽENJERSKIH MATERIJALA

Inženjerske materijale sa stanovišta tehničke karakteristike “svojstva”

možemo primjeniti opštu podjelu

4. KLASIFIKACIJA INŽENJERSKIH MATERIJALA

Fizička i mehanička svojstva nekih metala

5. METALNI MATERIJALI

Metalni materijali obuhvataju čiste metale kao što

su:

željezo, aluminijum, cink, bakar, nikal i njihove kombinacije

poznate pod imenom legure (čelik, gvožđe, mesing, bronza).

Odlikuju se dobrom električnom i toplotnom provodljivošću, relativno

velikom čvrstoćom i tvrdoćom, dobrom duktilnošću (plastična

svojstva i žilavost), obradljivošću i otpornosti prema udaru.

Koriste se za izradu konstrukcija i visoko opterećenih elemenata.

5. METALNI MATERIJALI

PODJELA:

1. Prema boji se dijele na crne i obojene

Crni (fero metali- željezo, kobalt, nikal i mangan, teško topljivi metali- volfram, molibden, tantal, uranovi metali- uranijum, aktinijum, plutonijum…, rijetki (zemni) metali- lantanijum, neodijum, prazeodijum i dr)

Obojeni (laki- aluminijum, magnezijum i berilijum, plemeniti- zlato, srebro, platina i poluplemeniti bakar, i lako topivi metali- cink, olovo, bizmut i dr.)

2. Prema temperaturi topljenja dijele se na teško topljiive (Cu, Ni, Fe, W, V, Mo) i lako topive (Sn, Pb, Cd, Al, Mg, Zn).

3. Prema specifičnoj težini dijele se na lake (gustina im je manja od 5 g/cm3) iteške (gustina im je veća od 5 g/cm3 ).Najlakši metal je litijum (ρ=0,53 g/cm3) ion pliva po vodi a najteži metal je osmijum (ρ=22,6 g/cm3).

5. METALNI MATERIJALI

Podjela metalnih materijala

5. METALNI MATERIJALI

Zakon periodičnosti (Mendeljejev periodni sistem elemenata1869. )

Slična fizička i hemijska svojstva periodično se ponavljaju pri čemu se

elementi mogu poređati po rastućim atomskim brojevima.

5. METALNI MATERIJALI

5. SIROVO ŽELJEZO

Sirovo željezo je u osnovi legura željeza i ugljenika, uz

pratioce silicija, mangana, fosfora i sumpora (Fe)

U prirodi željezo se nalazi u sastavu minerala pa su potrebni

posebni postupci za njegovo odvajanje.

Eksploatacijom rude i dobivanjem sirovog željeza bavi se

ekstraktivna metalurgija.

Mjesto eksploatacije naziva se rudnikom, a dobivena ruda

iskopom.

5. SIROVO ŽELJEZO

Pod pojmom sirovo željezo podrazumijevamo sve legure

željeza s ugljenikom, uz dodatke ostalih elemenata

Godišnja proizvodnje željeza skoro deset puta veća od

proizvodnje svih drugih tehničkih metala zajedno.

U Zemljinoj kori udio željeza je oko 5%, a računajući u cijeloj

Zemlji iznosi 37%.

Stijene koje sadržavaju 20 i više posto

željeza mogu služiti kao željezne rude.

5. SIROVO ŽELJEZO

Upotreba željeza

Sirovo je željezo, zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljenika,

jako krhko i nepodesno za obradu ili primjenu. Može se

koristiti samo za lijevanje najgrubljih masivnih predmeta (npr.

postolja) koji nisu mehanički ili termički opterećeni.

Da bi se dobilo kvalitetnije željezo ili čelik, sirovo se željezo

prerađuje, što uključuje smanjenje sadržaja svih primjesa i

podešavanje željenog sadržaja ugljenika, koji bitno određuje

kvalitetu čelika.

5. SIROVO ŽELJEZO

UPOTREBA ŽELJEZA

Primjena željeza je prvenstveno u obliku čelika, a manje kao

sirovog ili lijevanog željeza.

Čelik je legura željeza s 0,05 - 1,7% ugljenika.

Čelik je je najvažniji tehnološki i konstrukcioni materijal, a do

danas je poznato više od 1000 vrsta čelika.

Odlikuju se velikom izotropnom čvrstoćom, tvrdoćom,

žilavošću, mogućnošću lijevanja i mehaničke obrade te velikom

elastičnošću.

5. SIROVO ŽELJEZO

ŽELJEZNA RUDA

Može biti oksidna, karbonatna i sulfidna. Najviše se koristi

oksidna (hematit Fe2O3)

Sastav željezne rude je:

a) korisni udio - komponente koje sadrže Fe

b) pratioci - mangan, fosfor i dr.

c) jalovina - sadrži spojeve koji su mehanički vezani za korisni

udio ( silicijev dioksid, glinica, kalcijev karbonat, magnezijev

oksid ).

5. SIROVO ŽELJEZO

ŽELJEZNA RUDA

Da bi se željezna ruda mogla koristiti za proizvodnju sirovog

željeza mora se pripremiti. Operacije pripreme rude su:

- koncentracija rude - odstranjenje što više jalovine ,

- sušenje ,

- dehidriranje - oduzimanje vezane vlage ,

- drobljenje ,

- zgrudnjavanje (prženje) .

5. SIROVO ŽELJEZO

TALIONIČKI DODACI (talitelji)

Dodaju se da bi na sebe vezali jalovinu i pepeo, nastao izgaranjem

koksa, te stvorili lako taljivu masu , koja je manje gustoće od taline

željeza i koja se skuplja na površini rastaljenog željeza i ispušta kroz

poseban otvor kao

TROSKA.

Ako ruda sadrži kiselu jalovinu (silicijev dioksid, glinicu) dodaju se

bazična taljiva (dolomit ili vapnenac), a ako ruda sadrži bazičnu

jalovinu dodaju se kisela taljiva.

5. SIROVO ŽELJEZO

REDUKCIJSKO SREDSTVO

Kao redukcijsko sredstvo (za oduzimanje kiseonika

željeznom oksidu) koristi se METALURŠKI KOKS. On se

dobije suhom destilacijom kamenog ugljena. Sadrži oko

97%C, 0,5%H, 0,8%S, 0,7%O i 1%N.

U proizvodnji sirovog željeza koks:

- služi kao redukcijsko sredstvo ,

- stvara toplotu potrebnu za odvijanje procesa i

- služi kao sredstvo za pougljičenje željeza.

5. SIROVO ŽELJEZO

Za proizvodnju sirovog željeza neophodan je ZRAK

koji se posebnim kompresorima, kroz sapnice,

uduvava u peć.

Da bi proces bio ekonomičniji zrak se predhodno

zagrije u kauperima (grijala zraka) na temperaturu

500 - 1000 ºC. Kauperi se griju grotlenim plinom iz

visoke peći.

5. SIROVO ŽELJEZO

Sirovo željezo dobiva se iz željezne rude u visokoj peći

hemijskim procesom REDUKCIJE tj. oduzimanjem

kiseonika željeznom oksidu u rudi.

Proizvodi visoke peći su:

A) Sporedni proizvodi

1. Grotleni plin - 25-30%CO , 10-12%CO2 , 60%N uz malo H i CH4.

2. Troska - koristi se za nasipavanje cesta, za gradnju nasipa, žbukanje,

kao gnojivo, za toplotnu izolaciju i dr.

B) Glavni proizvod

3. Sirovo željezo

5. SIROVO ŽELJEZO

Sirovo željezo

a) BIJELO SIROVO ŽELJEZO

- ugljenik vezan u cementit Fe3C

- veći sadržaj mangana, a manji silicija

- brže hlađenje

- koristi se za preradu u čelik.

b) SIVO SIROVO ŽELJEZO

- ugljenik je slobodan u obliku grafita

- manji sadržaj mangana, a veći silicija

- polaganije hlađenje

- služi za lijevanje ( sivi liv ).

5. SIROVO ŽELJEZO

RUDE ŽELJEZA

Hematit

Hematit je željezni oksidni mineral čija je hemijska formula α-Fe2O3,

Najstabilniji je i najrasprostranjeniji od svih željezovih oksida.

Tali (topi) se pri temperaturi od 1565 °C. Mineral hematit najvažniji je sastojak željeznih ruda koje se koriste kao sirovina za proizvodnjuželjeza, čelika i drugih legura.

Prirodni i sintetički hematiti koriste se kao

crveni pigmenti (premazi za metalne

konstrukcije, bojila za beton, kozmetiku,

hranu, itd.).

5. SIROVO ŽELJEZO

Magnetit

Hemijska formula magnetita je Fe3O4.

Magnetit je crni ferimagnetički željezni oksid

Magnetit je široko rasprostranjen u prirodi i javlja se kao popratni

mineral u magmatskim i metamorfnim stijenama.

Važna je željezna ruda, a najveća su ležišta u sjevernoj Švedskoj.

Tvrdoća magnetita kreće se od 5,5 do 6,5 na Mohsovoj skali, a

specifična težina iznosi 5,18 g/cm3.

5. SIROVO ŽELJEZO

Getit

Getit je željezni oksi-hidroksidni mineral čija je hemijska

formula α-FeOOH.

Stabilan je pri umjerenim temperaturama i zbog toga vrlo

rasprostranjen u prirodi.

Najstabilniji je i najrasprostranjeniji željezni oksihidroksid.

5. SIROVO ŽELJEZO

GETIT

Getit obično nastaje starenjem drugih željezom bogatih

minerala i zbog toga je uobičajan sastavni dio tla.

Takođe može nastati taloženjem u podzemnim vodama

Tvrdoća getita kreće se od 5 do 5,5 na Mohsovoj skali, a

specifična težina varira od 3,3 do 4,3g/cm3.

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

Sirovo željezo se proizvodi u VISOKIM PEĆIMA.

Proizvodnja sirovog željeza iz rude odvija se u dvije faze: faza

pripreme i faza taljenja.

Sirovo željezo je u osnovi legura željeza i ugljika, uz pratioce

silicij, mangan, fosfor i sumpor.

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

vis

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

Željezna rudača, u kojoj dominiraju oksidi i sulfidi reducira se u visokim

pećima pomoću koksa (ugljik) na sirovo željezo s temperaturom

taljenja na oko 1150°C i približno eutektičkom koncentracijom od oko

4% C.

Ako u metalurškim dodacima i oblozi peći prevladavaju spojevi silicija

(kisela obloga) dobivaju se stabilne strukture (sivo sirovo željezo),

A ukoliko prevladavaju spojevi mangana (bazična obloga, vapnenac i

dolomit) onda je metastabilne (bijelo sirovo željezo).

Talina sirovog željeza se ulijeva u peći za dobivanje čelika, a koriste se

i procesi gdje se u peć ubacuje i određena količina otpadnog, starog

čelika

5. SIROVO ŽELJEZO

Proizvodi koji nastaju u visokoj peći su:

1. Sirovo željezo.

Laganim hlađenjem dobiva se sivo sirovo željezo iz kojeg se izlučiografit. Naglim hlađenjem dobiva se bijelo sirovo željezo iz kojeg se grafitnije stigao izlučiti. Međutim, sirovo željezo obično se ne hladi negoodmah prerađuje u čelike.

2. Troska,

Troska je uglavnom kalcijev alumosilikat, upotrebljava se za proizvodnjucementa te služi i kao izolacioni materijal.

3. Grotleni plin nastaje kao proizvod navedenih procesa gorenja, a sastoji se od dušika, ugljen-dioksida, ugljen-monoksida, vodonika imetana. Koristi se za zagrijavanje zraka koji se uduvava u peć.

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

Glavni proizvod

Sirovo željezo

a) BIJELO SIROVO ŽELJEZO

- ugljenik vezan u cementit Fe3C

- veći sadržaj mangana, a manji silicija

- brže hlađenje

- koristi se za preradbu u čelik.

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

Glavni proizvod

Sirovo željezo

b) SIVO SIROVO ŽELJEZO

- ugljenik je slobodan u obliku grafita

- manji sadržaj mangana, a veća silicija

- Sporije hlađenje

- služi za lijevanje ( sivi liv ).

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

Sirovo željezo ima uglavnom sadržaj ugljika od 3,5 do 4,5%. Može se

koristiti samo za lijevanje najgrubljih masivnih predmeta (npr. postolja),

koji nisu mehanički ili toplotno opterećeni

Dijagram topljenja

željezo-ugljenik

(FeC dijagram)

DOBIJANJE SIROVOG ŽELJEZA

Proizvodnja sirovog željeza u svijetu u 2008. godini prelazi

1300 miliona tona, što zahtijeva odgovarajuće količine rudače,

koksa i metalurških dodataka

Dio sirovog željeza dobiva se i pretaljivanjem otpadnog

željeza.

Od ove količine željeza najviše se proizvodi ugljenični čelik sa

sadržajem ugljika do 0,4%, od kojeg se izrađuju različiti

poluproizvodi

KRAJ -I-BLOKA

HVALA NA PAŽNJI !

2018.god.