SREDNJA TEHNIKA KOLA VO KARAORE LEBANE

MAINSKI MATERIJALIPredavanje 1SINA RADIVOJEVI MIRKO PEI

1. UVOD U MAINSKE MATERIJALE

2. STRUKTURA I SVOJSTVA METALA2.1. Primarne meuatomske veze 2.2. Kristalna struktura metala 2.3. Svojstva metala i legura

1. UVOD U MA[INSKE MATERIJALE Nauka o materijalima se bavi traganjem za osnovnim, fundamentalnim znanjima o unutranjoj strukturi, svojstvima i nainima prerade materijala. Inenjerstvo materijala se uglavnom bavi primenom znanja do kojih je do{la nauka u cilju postizanja eljenih karakteristika proizvoda.

Sl. 1. 1. Odnos nauke i in`enjerstva o materijalima 1. 1. PROCES IZBORA MATERIJALA Proces izbora materijala u principu sastoji se iz slede}ih faza:

1. izbor primene - na osnovu specifinosti konstrukcije odrediti zahtevane osobine materijala (mehanike, toplotne tehnoloke itd.), 2. na osnovu definisanih osobina izabrati kandidate za materijal - pri ovome voditi rauna o sastavu i strukturi, 3.izbor najboljeg materijala od svih kandidata, 4. izabrati potrebne postupke prerade (npr. livenje, kovanje, rezanje, postupci termike i termo-hemijske obrade, depozicija tankih slojeva, postupci spajanja itd.)

1. 2. PODELA MATERIJALA Sve materijale moemo podeliti na: 1. inenjerske materijale 2. mainske materijale 3. konstrukcione materijale 4. pomone materijale 5. pogonske materijale.

Sl. 1. 2. Podela ma{inskih materijala

METALNI MATERIJALI su neorganske supstance koje se sastoje od jednog ili vie metalnih elemenata pored ega mogu sadrati i nemetale (kao legirajue elemente). Razlika izme|u metala i nemetala je ta to metali u spoljanjoj ljusci imaju 1 do 3, dok kod nemetala ima od 5 do 8 elektrona. Druga kriterijum klasifikacije elemenata na metale i nemetale je elektrino ponaanje. Prema ovom kriterijumu pri elektrolizi hemijskih jedinjenja elementi koji se izdvajaju na katodi su metali, dok nemetali odlaze na anodu.

U tehnici, metalima nazivamo one materijale koji imaju svojstvo da se dobro plastino oblikuju. Jo pre dvesta godina M. V. Lomonosov je dao definiciju Metali su svetla tela, koja se mogu kovati, koja se odrala sve do danas. Ova svojstva nemaju samo isti metali, kao to su: Al, Cu, Fe itd., ve} i legure (sloeni materijali od dva ili vie metala ili metala i nemetala). Pored karakteristinog metalnog sjaja, boje i plastinosti, metali imaju dobru provodljivost elektriciteta i toplote. Sva ova svojstva su zasnovana na specifinosti gra|e, je oni kristaliu u karakteristine kristalne reetke u kojima su pozitivni joni raspore|eni na tano odreena mesta, dok elektroni krue oko njih u obliku tzv. elektronskog oblaka. Ovo omogu}ava dobru pokretljivost elektrona jer su isti slabo vezani sa atomskim jezgrima. Metali imaju specifinu gra|u, svojstva, boju, specifinu teinu itd. Jedna od najee korienih podela metala je prema boji pri emu razlikujemo:

1.crne metale i 2.obojene metale Crni metali na ~elu sa `elezom imaju tamno sivu boju, relativno visoku gustinu (preko 3 g/cm3), visoku temperature topljenja, relativno visoku tvrdo}u i u ve}ini slu~ajeva su polimorfni. U ovu grupu spadaju:

- ferometali - elezo, kobalt, nikal i mangan (kao metal po svojim svojstvima blizak navedenim ferometalima). Co, Ni i Mn su esto dodatni elementi legurama eleza ili su ak i osnovni elementi kod visoko legiranih elika. - teko topljivi metali - metali ija je temperatura topljenja via od temperature topljenja hemijski istog eleza, 1539C. Ovi se upotrebljavaju kao legirajui elementi elika. - uranovi metali - nazvani aktinidi, koji se primenjuju u atomskoj energetici. Obojeni metali su metali koje karakterie specifina boja: crvena, uta, bela itd. Ovi metali imaju jae izraeno svojstvo plastinosti, relativno nisku tvrdou, niu temperature topljenja i nemaju svojstva polimorfije. U okviru ove grupe razlikujemo sledee podgrupe: - laki metali - imaju malu gustinu (ispod 3g/cm3). Ovde spadaju aluminijum, magnezijum i berilijum, a nalaze primenu u sluajevima kada je kriterijum mala tezina konstrukcije, npr. u avio industriji.

- plemeniti metali - imaju vrlo veliku otpornost protiv korozije. Predstavnici ove grupe su: zlato, srebro, platina i metali koji su srodni platini (paladijum, iridijum, radijum, osmijum i ruterijum).

- lakotopljivi metali - ovo su metali koji imaju nisku taku topljenja. To su: olovo, cink, kalaj, antimon, kadmijum, `iva, iridijum, bizmut, talijum kao i elementi sa snienim metalnim svojstvima (galijum i germanijum). Od svih poznatih hemijskih elemenata oko 80 se smatra metalima od kojih se upoterbljava oko 16. isti metali se u praksi retko primenjuju nego se pristupa njihovom legiranju u cilju poboljanja svojstava, pri emu nastaju metalne legure. Metalne legure predstavljaju meavine dva ili vie metala ili metala sa nemetalima. Legirajui elementi predstavljaju one hemijske elemente koji se dodaju metalima u cilju postizanja eljenih svojstava. KERAMIKI MATERIJALI su tradicionalni keramiki materijali (glina, staklo, kamen) i inenjerski materijali na bazi karbida, nitrida ili oksida, koji zbog svojih svojstava nalaze sve iru primenu. Keramiki materijal je jeftin, ali dobijanje finalnih proizvoda je obino sporo i skupo. Ove materijale karakteri{e visoka tvrdo}a, ali i smanjena ilavost i plastinost pa isti ne podnose udar pri emu se lako oteuju. Poseban znaaj za mainstvo ima rezna keramika koja se zbog svoje dobre temperaturne postojanosti primanjuje za izradu alata za bruenje i reznih ploica.

Ukoliko u budunosti budu razvijene nove tehnologije proizvodnje keramike visoke otpornosti na udar, ovi materijali bi dobili na znaaju inenjerske primene u uslovima visoko temperaturne i visoko abrazivne sredine. POLIMERNI (PLASTINI) MATERIJALI Doivljavaju devedesetih godina prolog veka najveu ekspanziju u primeni u poreenju sa ostalim materijalima. Plastika je zamenila metal, staklo i papir za veinu namena kao to su pakovanje i konstrukcije za koje je plastika pogodna (propeleri ventilatora, ruice, razni poklopci). Poetkom ovog veka inenjerska plastika je takmac metalima. Sa izuzetkom toplovaljanog elika, inenjerska plastika je najjeftiniji materijal. Primena ovih materijala, sa druge strane, zbog problema njihove reciklae, uzrokuje sve vee zaga|ivanje ivotne sredine njihovim otpadom koji se teko raspada i ne uklapa u prirodnu reciklau materije. Zbog toga je u poslednje vreme sve aktuelniji nov pravac u istraivanju i razvoju ovih materijala u cilju stvaranja tzv. biorazgradive plastike. Polimerni materijali mogu biti: termoplastini i termoreaktivni.

KOMPOZITNI MATERIJALI predstavljaju ojaane plastike (esticama, vlaknima itd.), od kojih u industriji najiru primenu imaju one ojaane staklom kao dominantnim vlaknom. Primena ovih materijala u mainskoj industriji znaajno raste poslednjih godina prolog veka.

Savremeni kompoziti, kao to su kombinacije epoksid-stakleno vlakno i epoksid-grafitno vlakno nali su veoma iroku primenu zbog svojih izuzetnih karakteristika (npr. Boeing 767 ~ini 3% savremenih kompozitnih materijala). Kod nekih podzvunih aviona taj procenat prelazi ovu brojku. 2. STRUKTURA I SVOJSTVA METALA

Atomi su osnovne strukturne jedinice materijala. Sastoje se od tri osnovne subatomske estice: protona, neutrona i elektrona. Sadanji prihvaeni model atoma obuhvata vrlo malo jezgro reda veliine 10-14m u preniku kojem je opkoljeno elektronima koji krue okolo njega po stalnim putanjama nazvanim orbitale, slino kruenju planeta oko sunca, s razlikom to ovde u jednoj putanji mo`e biti vie elektrona (Sl. 2. 1.). Prenik atoma je reda veliine 10 -10m.

Sl.2. 1. Model atoma

Jezgro je nosilac skoro celokupne mase atoma i ine ga protoni i neutroni. Proton ima masu od 1,673 10-24g i jedini~no naelektrisanje od +1,602 10-19C (Coulon). Neutron je malo ve}e mase 1,675 10-24g, ali nije naelektrisan. Elektron je ~estica koja ima veoma malu masu 9,109 10-28g i jedinino naelektrisanje -1,602 10-19C. Elektronski omota atoma ini vei deo njegove zapremine, ali predstavlja mali deo njegove mase. Omota, a naroito oni spoljni (valentni) elektroni, odre|uju ve}inu hemijskih, elektrinih, mehanikih i termo fizikih svojstava, pa su osnovna znanja o strukturnoj grai atoma znaajna pri prouavanju materijala. Broj protona u jezgru se naziva atomski broj (Z) i on odre|uje hemijske osobine elementa, a broj neutrona predstavlja neutronski broj (N). Broj protona je jednak rednom broju hamijskog elementa u periodnom sistemu. Broj neutrona se izraunava kao razlika atomske teine (A) tog elementa koja se naziva maseni broj i broja protona, odnosno N = A Z. 2. 11. Primarne me|uatomne veze Pretpostavka po kojoj atomi zauzimaju najnia energetska stanja vai samo za ravnoteno stanje. Pribliavanjem dva atoma dolazi do njihovog uzajamnog dejstva i pojave unutranje energije kao posledice privlanih sila (jezgroomota) i odbojnih sila (uglavnom kao posledica odbijanja spoljanjih ljuski).

Sl. 2. 2. Energija uzajamnog dejstva dva atomaPri ovoj analogiji neoptereeno stanje opruge odgovara parametru reetke a0. U tom polo`aju unutranja energija ima minimum. Atomi osciluju oko svojih trenutnih polo`aja. Odvo|enjem toplote iz (npr. rastopa) dolazi do smirivanja oscilovanja atoma, odnosno smanjenja nihove kinetike energije, sve dok se ne dostigne temperatura ovravanja na kojoj dolazi do sre|ivanja atoma na tano odre|ena rastojanja. Kod istih metala, sre|ivanje atoma u kristalne reetke odvija se uz odavanje latentne toplote, na raun unutranje energije, koja sve vreme odvijanja procesa do njegovog kraja, nadometa odvedenu toplotu, pa je temperatura kristalizacije konstantna.

Povezivanje atoma elemenata u ~vrsto stanje mo`e biti putem:- jonske veze, - kovalentne veze, - Van der Walsove veze ili - metalne veze. Jonska veza (Sl. 2.3.a ) nastaje kao posledica privlaenja suprotno naelektrisanih jona. Tipini primer ove veze je par Na+ i Cl -. Ista nastaje na taj nain to atom natrijuma, postaje pozitivan jon, predaju i svoj valentni elektron iz spoljanje ljuske atomu hlora, pri emu ovaj postaje negativni jon. Izmedju pozitivnih i negativnih jona javie se privlaenje na koji nain nastaje jonska veza. Kovalentna veza (Sl. 2.3.b) zasniva se na povezivanju atoma putem parova valentnih elektrona, prvobitno vezanih za pojedine atome izme|u kojih se sada formira ovaj tip veze. Nastanak ovog tipa veze prikazan je na primeru formiranja molekula metana CH4. Za atom ugljenika putem formiranja parova elektrona vezuju se etiri atoma vodonika formiraju}i molekul metana.

Sl. 2. 3. Me|uatomske veze

Metalna veza (Sl. 2.3.c) nastaje u istim metalima pri emu se atomi slau relativno gusto na sistematian nain ili u kristalnu strukturu. U ovim strukturama atomi su gusto sloeni tako da njihove valentine elektrone privlae jezgra njihovih mnogobrojnih suseda. Valentni elektroni zbog toga nisu vrsto vezani sa bilo kojim konkretnim jezgrom i prema tome raspore|eni su me|u jezgrima u obliku elektronskog oblaka male gustine tzv. elektronskog gasa. U ovom sluaju u strukturi se razlikuju pozitivno naelektrisana jezgra i valentni elektroni u obliku elektronskog oblaka koji zauzima vei deo prostora. Velika elektrina i toplotna provodljivost potvr|uje teoriju das u neki elektroni slobodni i da se kreu kroz kristalnu strukturu metala. Veina metala se moe znaajno plastino deformisati bez loma, budui da metalni atomi mogu da klize jedan preko drugog, pri emu ne dolazi do potpunog razaranja metalne strukture. Za razliku od ostalih tipova veze metalna veza je neusmerena jer mnogi susedni atomi zajedniki koriste valentne elektrone. Van der Walsove veze (Sl. 2. 3. d ) zasnivaju se na delovanju elektromagnetskih sila izme|u pozitivnih i negativnih jona koje se nazivaju silama Van der Walsa koje deluju na elektrone u spolja{njim slojevima drugog atoma i tako nastaje indukovani dipole. Ova veza izme|u atoma je vrlo slaba.

2. 12. Sekundarne me|uatomske i me|umolekulske sile

Sl. 2. 4. Sekundarne veze U molekulima zbog asimetrije u raspodeli njihove elektronske gustine dolazi do nastanka dipola. Mogu biti: veze permanentnim (stalnim) dipolima ili veze promenljivim dipolima. Izme|u molekula koji poseduju stalne dipole obrazuju se relativno slabe me|umolekulske veze. Vrlo slabo vezivanje elektrinim dipolima moe nastati izme|u molekula zbog asimetrinog rasporeda elektronskih gustina oko svojih jezgara. Ova veza se naziva promenljivom jer se elektronska gustina neprekidno menja u toku vremena.

2. 2. KRISTALNA STRUKTURA METALAPrema tome kako se atomi pakuju u procesu ovravanja, razlikujemo: kristalne i amorfne materije. Kod kristalnih materijala javlja se pravilan raspored atoma u obliku periodinih 3D reetki (metali, mnoge keramike i neki polimeri). Kod amorfnih materijala ne postoji pravilan, periodini raspored, odnosno bila kakva zakonitost rasporeda atoma u strukturi (kod kompleksnih struktura i u sluajevima brzog hla|enja pri ovravanju). Guste pravilno pakovane strukture tee da imaju minimalnu energiju veze.

Sl. 2. 5. Strukture: a) monokristal, b) polikristal i c) amorfna struktura Prema obliku i parametrima elementarnih kristalnih reetki, razlikujemo sedam kristalografskih sistema koji su dati u tabeli 1. Ovde e posebna panja biti posveena heksagonalnom, tetragonalnom i kubnim sistemima, od kojih e svaki biti posebno obraen.

Sl. 2. 6. a) Prostorna kristalna struktura idealnog kristalnog tela b)parametri elementarne kristalne reetke

Tabela 1. Podela kristalnih reetki po kristalnim sistemima Prosta kubna reetka (PK) Retko se javlja zbog slabog pakovanja tako da samo polonijum ima ovu kristalnu reetku. Gusto-pakovani pravci su ivice kocke. Kordinacioni broj je broj atoma suseda svakog pojedinanog atoma (u ovom sluaju 6).

Sl. 2. 7. Prosta kubna re{etka Koeficijent ispunjenja re{etke (KIR) defini{e se odnosom zapremine atoma (koji se smatraju krutim sferama) obuhvaenih unutar elementarne elije i zapremine same elije. Kubna zapreminski centrirana re{etka (KZC) Ova reetka ima na rogljevima po jedan atom i u preseku prostornih dijagonala centralno postavljen tako|e jedan atom. Svi atomi su identini, a, centralni atom je osenen samo zbog lakeg uoavanja. Gusto pakovani pravci su prostorne dijagonale. Osnovna elija sadri dva atoma, a koordinacioni broj je 8. KIR ove reetke iznosi 0,68.

R

a

Sl. 2. 7. Kubna zapreminski centrirana reetka KZC

a

Sl. 2. 8. Kubna povrinski centrirana reetka KPC

Kubna povrinski centrirana reetka(KPC) Atomi su smeteni na rogljevima kocke i u presecima dijagonala strana. Gusto pakovani pravci su dijagonale strana. Osnovna elija sadri cetiri atoma, a koordinacioni broj je 12. KIR ove re{etke iznosi 0,74.

Heksagonalna gusto pakovana re{etka (HGP)Osnovna elija ove reetke je pravilna estostrana prizma gde je raspored atoma prikazan na (Sl. 2. 9.).

Sl. 2. 9. Heksagonalna gusto pakovana reetka HGP

2. 3. SVOJSTVA METALA I LEGURASvojstva metala i legura mogu se svrstati u cetiri osnovne grupe: - hemijska (otpornost na koroziju, otpornost prema dejstvu kiselina i baza), - fizika (boja, gustina, koeficijent toplotnog irenja, temperatura topljenja, difuzija itd.), - mehanika (vrstoa, tvrdoa, elastinost i ilavost) - tehnoloka (livljivost, kovnost, obradljivost rezanjem, zavarljivost itd.) U ovom kursu posebno su znaajna mehanika i tehnoloka svojstva kako bi mogao da bude izvren pravilan izbor adekvatnog materijala. Pa e prvo biti izvreno definisanje ove dve grupe svojstava. Mehanika svojstva: Tvrdoa metala predstavlja otpor koji metal prua prodiranju drugog tvreg materijala u njegovu povrinu vrstoa je otpor materijala razaranju pod dejstvom spoljanjih sila. U zavisnosti od karaktera delovanja spoljanjih sila, razlikujemo: - zateznu vrsou, - pritisnu vrstou, - savojnu vrstou i - uvojnu vrstou.

Elastinost je svojstvo materijala da se po prestanku dejstva spoljanjih sila vrati prvobitnom obliku i dimenzijama.Plastinost je sposobnost materijala da se trajno deformie pod dejstvom spoljanjih sila bez razaranja. ilavost je otpornost prema lomu pod dejstvom udarnih sila pa se jo zove i udarna ilavost. Tehnoloka svojstva materijala odnose se na mogunost prerade istih odgovarajuim postupcima obrade. To su: Kovnost je sposobnost materijala da se trajno oblikuje pri dejstvu dinamikih sila i pritiska, bilo u hladnom ili toplom stanju. Direktno zavisi od svojstva plastinosti. Obradljivost je sposobnost materijala da bude oblikovan rezanjem. Definie se nizom parcijalnih funkcija obradljivosti (sile rezanja, kvalitet obrade, habanje alata, postojanost itd.). Livljivost (livkost) je sposobnost materijala da dobro popunjava upljine kalupa. Ovde tako|e treba pomenuti jo sposobnosti materijala za preradu postupcima izvlaenja i savijanja.