55
Prof.dr Darko Bajić Mašinski fakultet Podgorica [email protected] Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala

Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

  • Upload
    others

  • View
    47

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

Prof.dr Darko Bajić Mašinski fakultet [email protected]

Nauka o materijalimaMaterijali u mašinstvuIzbor materijala

Page 2: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

Šta su materijali ?

Materijali su supstance od kojih su proizvedeni predmeti iz našeg okruženja.

Sa razvoljem ljudske civilizacije kroz vjekove, razvijani su novi materijali kao i tehnike njihovog dobijanja.

Zahvaljujući tehnikama dobijanja i obrade, isti materijali su dobijali različita - bolja svojstva.

Nauka o materijalima je naučna discipina koja proučava odnos koji postoji između strukture i svojstava materijala, a takođe i procesima obrade materijala u cilju dobijanja boljih svojstava - termička obrada, termomehanička brada, termohemijska obrada ....

Tehnologija materijala je inženjerska disciplina koja koristeći osnovna i primjenjena znanja i iskustva o materijalima stvara uslove za izradu proizvoda.

2

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Page 3: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

3

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

ISTORIJSKI RAZVOJ MATERIJALA

"Kameno doba" (600 000 do 8 000 god. p.n.e.)

- različiti materijali za primitivne alatke- drvo, kamen, životinjske kosti, koža, lijane ....

Prof. dr Darko Bajić

Page 4: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

4

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

"Zlatno" i "bakarno" doba

• Pronalazak zlata je bio mnogo prije pronalaska vatre.• Pomoću vatre: zlatni prah stapan u jedan komad i livenjem u zemljane

kalupe dobijani su predmeti.• Pronalazak bakra ("bakarno doba") i njegova obrada kovanjem.

Prof. dr Darko Bajić

Page 5: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

5

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

"Bronzano doba" (8 000 do 3 000 god. p.n.e.)

Zlato, bakar, kalaj, cink i srebro bili su lako dostupni jer su se nalazili u površinskim slojevima zemlje a takođe su se lako odvajali od nečistoća i lako prerađivali.

“Gvozdeno doba"• U vrijeme "bronzanog doba" gvožđe je bio

vrlo rijedak i skup metal (za nakit i skuplji od zlata sve do 1.000-te godine p.n.e.).

• Meteorsko gvožđe - komadi meteora koji su padali na zemlju.

• Oko 1.000-te godine p.n.e., počelo gvozdeno doba koje i danas traje.

Prof. dr Darko Bajić

Page 6: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

6

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Osnovna znanja NAUKA O

MATERIJALIMA

Primjenjena znaja TEHNOLOGIJA MATERIJALA

Znanja o STRUKTURI, SVOJSTVIMA,

PRIMJENI, OBRADLJIVOSTI

.......

Page 7: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

7

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

drvo

sivi liv

čelični liv

polimer

VRIJEME

Page 8: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

8

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

SVOJSTVA INŽENJERSKIH MATERIJALA

Struktura

Atomske veze:- metalne- kovalentne- jonske

Kristalni materijaliNekristalni materijali

Mehanička svojstva

ČvrstoćaTvrdoćaElastičnostŽilavostDinamička čvrstoćaPuzanje

Fizička svojstva

GustinaTemperatura topljenjaToplotna provodnostKoeficijent linearnog širenjaKorozija(ne)Magnetna svojstva

Modifikovana svojstva

Termička obradaPovršinska zaštitaLegiranjeKompoziti

Page 9: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

9

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

MATERIJALI

U

MAŠINSTVU

INŽENJERSKI MATERIJALI

Metalni materijali

Željezni materijali

- Čelik- Liveno gvožđe

Neželjezni materijali

- Aluminijum- Bakar- Nikl- Titan ...

Polimerni materijali

Termopla-stični

- Akrilati- Polietilen- Poliamid (najlon) ....

Termou-mreženi

- Poliestri- Epoksi ...

Elastomjeri

- Guma- Silikoni- Poliuretani ...

Keramički materijali

- Oksidi- Nitridi- Karbidi- Staklo- Keramika- Grafit- Dijamant ...

Kompozitni materijali (hibridi)

Vlaknasto ojačani:- metalna matrica- polimerna matrica- keramička matrica

Česticama ojačaniLaminatiSendvič konstrukcije

METALNI MATERIJALI se sastoje od jednog ili više metalnih elemenata, a mogu sadržati i neke od nemetalnih elemenata (O, N).

POLIMERNI MATERIJALI se sastoje od organskih jedinjenja koja sadrže ugljenik, vodonik i druge nemetalne elemente. Strukturapolimernih materijala je nekristalna, a neki od njih mogu da imaju kombinovanu – nekristalnu ikristalnu strukturu.

KERAMIČKI MATERIJALI su neorganska jedinjenja metala i nemetala. Struktura keramičkih materijala može da bude kristalna ikombinovana kristalno-nekristalna.

KOMPOZITNI MATERIJALI su kombinacija dva ili više materijala u makroskopskoj razmeri. Većina kompozitnih materijala sastoji se od vlakana i matrice kao veziva. Kompozitni materijali su tako građeni da koriste najbolja svojstva svake pojedine komponente.

Page 10: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

10

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

predmeti izrađeni od metalnih materijala

predmeti izrađeni od keramičkih materijala

Metalni materijali:- visoka gustina,- deformabilni- provodnici toplote i el. energije- hemijsi nepostojani ....

Keramički materijali:- niska gustina,- nedeformabilni- krti- izolatori toplote i el. energije- korozioni postojani ....

Page 11: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

11

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

predmeti izrađeni od polimera

Polimeri materijali:- niska gustina,- deformabilni- dobra čvrstoća- izolatori toplote i el. energije- korozioni postojani- nizak otpot na toploti ....

predmeti izrađeni od kompozita

Kompozitni materijali:- visoka cijena- visoka specifična čvrstoća- visoka zamorna otpornost- korozioni postojani- zapaljivi- toksični- osjetljivi na vlagu ....

Page 12: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

12

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Materijali koji se koriste u savremenoj tzv. visokoj tehnologiji (high-tech) se ponekad nazivajunaprednim materijalima. Uređaji visoke tehnologije koji koriste napredne materijale su:kamkorderi, CD/DVD plejeri, kompjuteri, sistemi sa optičkim vlaknima, kosmički brodovi, avioniitd.

Napredni materijali su predstavnici tradicionalnih materijala čija su svojstva poboljšana ili su izklase novo razvijenih materijala sa visokim performansama i vrlo su skupi.

Napredni materijali podrazumevaju poluprovodnike, biomaterijale i ono što se može nazvati„materijalima budućnosti” - pametni materijali i nanoinženjerski materijali. Isti se koriste zaizradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova),displeja sa tečnim kristalima (LCD) i optičkih vlakana itd.

Napredni materijali

Page 13: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

13

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Pametni materijali

• Materijali koji mijenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva usled uticaja spoljnih faktora(temperatura, mehaničko naprezanje, hemijsko djelovanja, električno ili magnetno polje,svjetlost ...) nazivaju se "pametni materijali".

• Prirodni materijali, kao što je drvo, imaju svojstvo samo ojačanja usled mehaničkogopterećenja ili ozdravljenja ukoliko dođe do oštećenja.

• Polimer memorije oblika je pametan materijal (velika elastična deformacija) reaguje napodražaje iz okoline (izložen toplini, svjetlu, struji, vlazi)

https://www.youtube.com/watch?time_continue=7&v=SpqHwtdRdCI

Page 14: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

14

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

• Postoje dvije klase pametnih materijala:o aktivni io pasivni.

- Aktivni materijali imaju sposobnost da modifikuju svoje geometrijske ili materijalne osobine pod dejstvom električnog, toplotnog ili magnetnih polja.

- Pasivni pametni materijali su materijali koji mogu samo detektovati spoljašnje podražaje, alise ne mogu prilagoditi njima (kevlar i optička vlakna).

Pod spoljašnjim toplotnim stimulansom pigment postajetransparentan, otkrivajući sloj (slojeve) ispod.

Page 15: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

15

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Istraživanje, razvoj i primjena "pametnih materijala" spada u tzv. "generičke" discipline nauke itehnike.

Page 16: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

16

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Elementi koji su napravljeni od pametnih materijala u svojoj strukturu imaju neki tip senzorai aktuatora.

Senzori detektuju ulazne signale, a aktuatori imaju odzivnu i adaptivnu funkciju.

Nakon prijema signala (promena temperature, intenziteta svjetlosti, električnog ili magntenogpolja ...) koji je uputio senzor, aktuatori mogu (kao odziv) mijenjati oblik elementa, njegovupoziciju ili neku mehaničku karakteristiku.

Za funkciju aktuatora najčešće se koriste četri tipa materijala:• legure za memorisanje oblika,• piezoelektrična keramika• magnetnostriktivni materijali i• elektroreološki/magnetnoreološki fluidi.

Upotreba pametnih materijala koji reagujući na fizičke i hemijske promjene (toplota, vlaga...) mijenjaju oblik, veličinu, boju ili neprovidnost, postaće revolucionarni u razvolju ljudskecivilizacije.

Page 17: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

17

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Legure za pamćenje oblika su u stvari metali koji se nakon deformisanja vraćaju u svojprvobitni oblik posle promjene temperature.

Najšešće korišćene legure sa memorijom oblika su legure nikal-titan, legure na bazi bakra sadodatkom cinka, aluminijuma i nikla i legure na bazi željeza sa manganom i silicijumom.Najkomercijalnije legure iz grupe SMA (shape memory alloys) su legure na bazi bakra.

HADFIELD-OV ČELIK je prvi vještački pametni materijal s 1 % ugljenika i 12 % mangana, a poznatje već 100 godina - relativno mek austenitni čelik. Usled visokih specifičnih pritisaka pri trenju iliudaru dolazi do njegovog otvrdnuća, što je posledica lokalne transformacije u martenzit. Otporanna habanje i trošenje (zubi kod kašike bagera).MATERIJALI ZA SENZORE transformišu neku veličinu u drugo lakše mjerljivo svojstvo.TERMOELEMENTI pretvaraju temperaturu u električni napon (viša temperatura-veći napon).MJERNE TRAKE pretvaraju deformaciju u promjenu električnog otpora (veća deformacija-većapromjena otpora mjerne tenzometrijske trake).

Page 18: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

18

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Staklene pločice koje menjaju boju na dodir(Colour-changing glass tiles).Ovaj materijal funkcioniše na osnovu tzv. thermochromic tehnologijekoja, nevidljivu toplotnu energiju dodirom pretvara u vidljivu. Upitanju je materijal koji reaguje ne samo na dodir ruke ili noge već ina vodu.www.movingcolor.net i www.inventables.com.

MULTI SENZORNI MATERIJALI (MULTI-SENSORY MATERIALS)

Miranda pločice (Miranda Wall Tiles)Miranda ploča je površine 3 metra kvadratna. Njena osnova jesačinjena od silokonske baze na koju je pričvršćeno preko 65000pokretnih polipropilenskih “dlaka”. Kraj svake “dlake” ima oblik sfere.Svaka “dlaka” je brušena u različitom pravcu tako da će crteži ilitekstovi koje budete kreirali izgledati izuzetno živopisno.www.gilesmiller.com/miranda.html.

Page 19: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

19

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

MATERIALI ZA ZAŠTITU OD UDARA (MATERIALS FOR IMPACT PROTECTION)

Sorbothane

Ovaj materijal posjeduje osobinu da se istovremeno ponaša ikao čvrst i kao tečan materijal. Intenzitet tačke udara kodovog materijala se rasipa iz centra ka periferiji, daleko brženego što se to u prirodi dešava (kad bacite kamenčić u bazensa vodom). Na taj način se i intenzitet udara brže ublažava.www.sorbothane.com

DINAMIČKI MATERIJALI

Dynalloy

To je materijal koji ”pamti” svoje prvobitno stanje i bez obzira nastepen njegove deformacije (krivili, savijali ili deformisali) on uvijekteži da se vrati u svoj prvobitni oblik jednostavnim zagrijavanjem.Postoji materijal sastava legura titan-nikal, a koristi se za izradusatnih mehanizama.

Page 20: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

20

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

čelik ultra visoke čvrstoće

Mercedes Benz C- klase

čelik extra visoke čvrstoćečelik veoma visoke čvrstoćečelik visoke čvrstoćemeki čelikaluminijummagnezijum

Page 21: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

21

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

50%

20%

15%

10%

5%Kompozitni materijali

Aluminijum

Titan

Čelik

Ostali materijali

11%

70%

7%11%

1%Kompozitni materijali

Aluminijum

Titan

Čelik

Ostali materijali

Page 22: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

22

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Grupe materijala se dijele na klase, podklase i članove, pri čemu svaka od ovih kategorija posjedujeodgovarajuća svojstva.

Grupe

MetaliKeramikaPolimeri

Kompoziti

Klase

ČelikAl legureCu legureTi legureNi legureZn legure

Podklase

10002000300040005000600070008000

Članovi

6013606060616063608261516463

Atributi

Al 6063

Mehanička svojstvaKoroziona svojstva Električna svojstvaTermička svojstvaGustina

Page 23: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

23

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

II podjela materijala

KompozitiSendvič konstrukcije

HibridiSegmentne strukture

Rešetke i pjene

ČelikLiveno gvožđe

Al legure

MetaliCu legureZn legureTi legure

GliniceSilicijum karbidi

KeramikeSilicijum nitridi

Cirkonijati

PE, PP, PETPC, PS, PEEKPA (najlon)

PolimeriPoliestri, Fenoli

Epoksi smole

Prozorsko stakloBorosilikatno staklo

StaklaSilicijumovo staklo

Staklo-keramika

IzoprenNeopren

Butil guma

ElastomjeriPrirodna guma

SilikoniEVA

Page 24: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

24

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Polimeri

ElastomjeriStakla

HibridiKeramika

Metali

Page 25: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

25

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Osnovne karakteristike glavnih grupa materijala

Page 26: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

26

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Gustine na sobnoj temperaturi

Atomi u metalima i njihovim legurama su organizovani na pravilan način i u poređenju saostalim materijalima imaju relativno veću gustinu

Page 27: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

27

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Čvrstoća (zatezne čvrstoće) na sobnoj temperaturi

Krutost (modul elastičnosti) na sobnoj temperaturi

Page 28: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

28

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Otpornost na lom na sobnoj temperaturi Električna provodnosti na sobnoj temperaturi

Metalni materijali imaju veliki broj elektrona kojinisu čvrsto povezani sa posmatranim atomom. Mnoga svojsta metala su posledica ovih slobodnihelektrona kao što je provodnost elektriciteta.

Page 29: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

29

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

IZBOR MATERIJALA

• Pojedine konstrukcije, usled otkaza imaju povećan ili visokog rizik za živi svijet, čovjekovuokolinu i materijalna dobra.

• Izboru materijala treba pristupiti ozbiljno i studiozno.• Za mnoge akcidente koji su se dogodili kod ovakvih postrojenja, pored ljudskog faktora,

najčešći uzrok je bio pogrešan izbor materijala.

Proizvodnja(postupak

obrade, tehnologije ...)

Materijal

Energija

Informacije

Vrijeme

Kapital

Tehnički sistem (proizvod)

Gubici(energija i materijal)

Page 30: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

30

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Izbor materijala se vrši zu fazi projektovanja i konstruisanja!

troš

kovi10 x 100 x

Projektovanje i konstruisanje Projektovanje

tehnologije Proizvodnja TS

Izbor materijala definišu četiri aspekta:• Tehnički – eksloatacioni, energetski i uslovi standarda,• Ekonomski – troškovi razvoja proizvoda, troškovi proizvodnje, cijena proizvoda, tržište ...,• Društveni – mogućnost reciklaže, uticaj na čovjeka i prirodu, ergonomija ...,• Pravni – zakoni i propisi.

Page 31: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

31

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Koncipiranje

Projektovanje

Konstruisanje (konstrukcijska razrada)

Tehnološka razrada

Tehnički sistem(proizvod)

Analizira se primjena veće grupe materijala(svi materijali se uzimaju u obzir i zadajemo prva ograničenja: radna temperatura, agresivnost sredine, nivo opterećenja itd. )

Analizira se primjena uže (manje) grupe materijala(izbor materijala koji zadovoljavaju kriterijume: katalozi,

baze ....)

Primjena jednog materijala(izbor najpovoljnijeg materijala)

Page 32: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

32

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Izbor materijala je u direktnoj vezi sa:- oblikom i dimenzijama konstrukcije i- tehnologijom izrade (proizvodni proces).

Oblik i dimenzije

konstrukcije

Proizvodni proces

Izbor materijala

Uslovi funkcionisanja

Funkcija: prenos meh. opterećenja, oscilacija, energije

Zahtjevi: tehnološki,

estetski, ekonomski,

ekološki

Ograničenja: proizvodnje i

montaže

Page 33: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

33

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

ZADATAK

Analiza zadatka

Zahtjevana svojstva

materijala

IZBOR(upoređenje

traženih i postojećih svojstava)

Razvoj novog materijala

Izabrani materijal

Karakteristike materijala

Kraj

postoji materijal

ne postojimaterijal

Baza poznatih

materijala

Page 34: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

34

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Dva pristupa pri izboru materijala:

- Prvi pristup usvajanje napon na granici tečenja, Re (upoređuje se napon koji se javlja ukarakterističnim presjecima konstrukcije i karakteristike materijala koji sekoristi pri projektovanju).

- Drugi pristup je izbor materijala prema vrijednosti njegove žilavosti (energija inicijacije –energija propagacije). Sa povećanjem vrijednosti utrošene energije za lomsmanjuje se sklonost materijala prema lomu, pa kažemo da je materijalžilaviji.

Važna svojstva materijala primijenjena u vazduhoplovstvu i automobilskoj industriji:- specifična čvrstoća

- specifična krutost

Page 35: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

35

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Osnovni kriterijumi za izbor materijala pri razvoju proizvoda su:

ZAHTJEVI ZA MATERIJALE I KRITERIJUMIIZBORA MATERIJALA

Funkcija proizvoda realizuje se pri eksploataciji istog, pa je neophodno ova dva kriterijumazavisno posmatrati.

FUNKCIONALNOST (F) - EKSPLOATABILNOST (E)

Eksploatabilnost govori o ponašanju materijala u upotrebi.

Svojstva materijala koja opisuju ove zahtjeve i kriterijume izbora su:- fizičko-hemijska svojstva,- mehanička otpornost,- otpornost na habanje,- otpornost na djelovanje agresivnih medija, gasova; na biološke uticaje, zračenje i sl.

Page 36: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

36

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

• Sposobnost materijala za obradu ili oblikovanje nekim tehnološkim postupkom.• Tehnologičnost je određena materijalom, tehnološkim postupkom (vrstom opreme i

parametrima procesa) i ljudskim faktorom.

TEHNOLOGIČNOST (T)

RASPOLOŽIVOST, NABAVLJIVOST I CIJENA MATERIJALA (N)

Ova grupa kriterijuma obuhvata razmatranje sledećih informacija: porijeklo materijala - strani, domaći, raspoložive vrste, stanja i dimenzije materijala, kvalitet materijala pojedinih proizvođača, cijena i troškovi nabavke materijala pojedinih proizvođača, ostali uslovi nabavke...

Page 37: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

37

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Kriterijum ukazuje na potrebu da se primarno primjenjuju materijali propisani normama. Osimtoga, često se upravo polazi od nužnosti ispunjenja nekih propisa, zakona, normi i preporuka upogledu obavezne primjene unaprijed određenih vrsta materijala ili zadovoljenja specifičnihsvojstava. Ovdje su primarno sadržana tehnička ograničenja i uslovi primjene, uslovi sigurnosti izdravlja ljudi ili zaštite okoline.

Izbor recikličnih materijala (tzv. "zelenih materijala") danas postaje sve važniji. Recikličnost iuništivost je teško kvantifikovati, ali se barem opisno mogu analizirati npr.: mogućnost prirodne razgradnje, tehnološka složenost prikupljanja, razdvajanja i reciklaže, troškovi uništenja ili reciklaže vezani uz pojedini materijal, utjecaj na okolinu i zdravlje ljudi - odlaganjem u okolnu ili recikliranjem (npr. otrovnost)...

STANDARDIZOVANOST - NORMIRANOST (S)

RECIKLIČNOST I UNIŠTIVOST (EKOLOGIČNOST) MATERIJALA (R)

Page 38: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

38

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Tržišno konkurentni proizvodi često se razlikuju samo prema atraktivnom izgledu koji uključuje: boju, prozirnost, sjajnost, mogućnost jednostavnog i lijepog oblikovanja (zapravo predstavlja dio tehnologičnosti), mogućnost postizanja željenog stanja površine - hrapavosti ili tolerancija...

Skup pokazatelja koji se odnose na karakteristike kao što su: dodir (toplo-hladno), meko-tvrdo, kruto-savitljivo.

Kod izvjesnog broja proizvoda važnu karakteristiku čini osjetljivost na zvuk koji proizvodi(stvara) materijal od kog je urađen proizvod. Čovjek zvukove dijeli na: prigušene ili tupe,rezonantne, visoke ili niske tonove, zvonke, oštre itd.

ESTETIČNOST (ES)

OSJETLJIVOST (O)

IM = funkcija (F, E, T, N, S, R, ES, O)

Page 39: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

39

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

SVOJSTVA I PONAŠANJE MATERIJALA U UPOTREBI

OBLIK I DIMENZIJE KONSTRUKCIJEUSLOVI RADA

SASTAV I MIKROSTRUKTURA

MATERIJALA

SVOJSTVA MATERIJALATEHNOLOŠKI POSTUPCI

PREOBLIKOVANJA

utiču naukazuju

ograničavaju

utvrđujukontrolišu

mijenjaju

utvrđuju

mijenjajuutvrđuju

Uticaj sastava i mikrostrukture materijala i postupaka proizvodnje na svojstva i ponašanje materijala i njihovo međudjelovanje

Page 40: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

40

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Ekspertni sistemi(integrišu baze podataka

i baze znanja)

Stručnjak za materijalePomoću metoda vještačke inteligencijerazvijaju se proračunski programi kojioponašaju načine rješavanja problemastručnjaka za materijale.

Page 41: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

41

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

METODA "CIJENA JEDINICE SVOJSTAVA"

• Jednostavna metoda.• Analizira se jedno ili više osnovnih svojstava materijala u kombinaciji sa njegovom cijenom ili

cijenom proizvoda.• Metoda je uspješna samo pod uslovom ako se pravilno definišu relevantna svojstva

materijala koja su definisana zahtjevima.

METODA ZA IZBOR MATERIJALA

Rm – zatezna vrstoća (granica tečenja)C – cijena po jedinici maseρ – gustina materijalaE – modul elastičnostiG – modul smicanja

Oblik poporečnog presjeka/opterećenje Cijena po jedinicičvrstoće

Cijena po jedinicikrutosti

Puna ø šipka / zatezanje (ili pritisak)

Puna ø šipka / savijanje

Puna ø šipka / torzija

Puna pravougaoni pop. presjek / savijanje

Tankozidna posuda pod pritiskom

Page 42: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

42

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

METODA „GRANIČNIH VRIJEDNOSTI"

• Suština metode je svrstavanje radnih karakteristika u granične vrijednosti svojstavamaterijala. Postoje tri kategorije svojstava:

• donja granična vrijednost,• gornja granična vrijednost i• ciljana vrijednost.

• Zahtjev prema nekom svojstvu definiše kategoriju.

Pr. Potreban lak i otporan materijal.- Gornja granična vrijednost – gustina- Donja granična vrijednost – čvrstoća.

• Metoda pogodna kod optimizacije materijala jer omogućava brzo smanjenje broja materijalakoji se ne uklapaju u ove granice.

Page 43: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

43

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Optimalan izbor (krutost, žilavost, težina ...)

Nepovoljno rješenje – nedovoljna krutost(mala vrijednost E)

Nepovoljno rješenje – nedovoljna čvrstoća(mala vrijednost Rm)

Nepovoljno rješenje – nedovoljna žilavost(mala vrijednost KIc)

Nepovoljno rješenje – velika težina(velika vrijednost ρ)

Page 44: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

44

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

• Način izbora materijala zavisi od broja i prioriteta postavljenih zahtjeva i kriterijuma.• Za mali broj zahtjeva ali velike važnosti težište je na kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi

svojstava i ponašanja manjeg broja materijala iz užeg izbora putem informisanja iliiskustva.

• Kvantitativna metoda odlučivanja se može koristiti kod velikog broja traženih svojstava, jerse koristi kada se očekuje relativno velik broj prihvatljivih materijala.

• U fazi IZBOR materijala vrši se komparacija svojstava na jedan od tri moguća načina:1. postizanje minimalne ili maksimalno tražene vrijednosti ili eliminacija na osnovu

definisanih početnih zahtjeva - uglavnom se odnosi na invarijantne zahtjeve;2. prekrivanje polja tolerisanih vrijednosti zahtjeva;3. minimiziranje ili maksimiziranje vrijednosti unaprijed definirane funkcije cilja ili tzv.

parametra vrednovanja.

• Optimizaciju vršiti tako što se svakom pojedinom svojstvu treba dodijeliti odgovarajući faktorvažnosti (Bi).

• Ukupan zbir faktora važnosti za sva svojstva mora biti jednak 1.• Faktori važnosti određuju se na osnovi subjektivne procjene važnosti pojedinih svojstava ili

pomoću relativno objektivne digitalno – logičke metode.

Page 45: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

45

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Funkcija cilja (Fj) je suma odnosa postojećih (Xi) i traženih vrijednosti (Yi) svih relevantnihsvojstava, pri čemu se svaki odnos množi s faktorom važnosti (Bi).

Razlog primjene računata: Razvoj kumpjuterskih sistema. Potreba za bržim dolaskom do pouzdanih informacija. Racionalnija optimizacija. Sveobuhvatnije upoređenje parametara. Mogućnost čuvanja i porcesuiranja velikog broja informacija. Mogućnost simulacija procesa ....

Za izbor materijala važne su bibliografske i faktografske baze podataka o materijalima.Za odlučivanje važni su sistemi:- CAMS (Computer Aided Materials Selection) i- ekspertni sistemi (ES) – beze podataka i baze znanja.

PRIMJENA RAČUNARA PRI IZBORU MATERIJALA

Page 46: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

46

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

CAMS Ekspertni sistem za izbor

materijala- korisničko razmatranje- zaključivanje- pretraživanje/zaključivanje

INTERNE BAZE PODATAKA

- Svojstva materijala- Prethodni konstrukcioni

podaci- Podaci proizvođača

materijala

SPOLJAŠNJE BAZE PODATAKA

BAZE ZNANJA

- Pravila izbora materijala- Pravila konstruisanja- Pravila proizvodnje- Naučeni slučejevi

ODLUČIVANJE/MODELIRANJE/ANALIZA

- Konstruktivne jednačine- MKE- Analiza rizika- Modeliranje procesa izrade- Simulacija ponašanja- Prostori raspored- Modeliranje kontrole- Analiz atroškova- Studije prodaje i marketinga

CAD / CAM Ograničenja proizvodnje (oprema), postupci, troškovi

Specifični zahtjevi i ograničenja proizvoda

Konstruktor / tim kontruktora

Modul i

CAMS

Page 47: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

47

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Primjer kvantitativnog upoređivanja materijala pri izboru za izradu femuralnog dijela (sfere) proteze vještačkog kuka

• Izbor materijala za nadomještanje nedostataka u ljudskom tijelu je izrazito velik:- biomaterijali,- metalni materijali,- polimerni materijali,- keramički materijali,- kompozitni materijali,- gelovi i- pjene.

• Fiksiranje ili zamjena kostiju - nerđajući čelici, kobaltove legure, titan i titanove legure,keramika i kompozitni materijali.

• Meko tkivo - pjene i gelovi.• Koža i krvni sudovi - elastični materijali.• Čašica kuka (“klizni ležaj”) izrađuje se samo od polietilena visoke gustine ili PTFE (teflon) –

zahtjev za niskom vrijednosti faktora trenja.

Page 48: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

48

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

• Oblik sfere dijela proteze vještačkog kuka u zavisnosti od načina ugradnje i fiksiranja imajedan od sledećih oblika.

• Neophodno dobro poznavanje strukture kosti i njenih svojstava.• Kost - živo tkivo koje se sastoji od anorganskih supstanci zbog kojih je kost krta i organskih,

želatinastih supstanci zbog kojih kost posjeduje određenu žilavost.• Kompaktna kost:

- uzdužni smjer Rm≈140 N/mm2, E≈14 kN/mm2

- poprečni smjer 1/3 ovih vrijednosti.

Page 49: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

49

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Zahtjevi za materijal:

1. Prihvatljivost tkiva (PT) – faktor važnosti B1=0,20Prihvatljivost tkiva - rizik od odbacivanja ugradnog elementa.Ocjene predizabranih materijala varirati od 1 (najlošiji materijal), do 10 (najbolji materijal).Donja granica prihvatljivosti znosi 7.

2. Postojanost na koroziju (PK) – faktor važnosti B2=0,20Tjelesne tečnosti su vodeni rastvori soli. Pojava korozije je nedopustiva jer u kombinaciji sdejstvom promjenjivog opterećenja može dovesti do loma.Ocjene predizabranih materijala varirati od 1 (najlošiji materijal), do 10 (najbolji materijal).Donja granica prihvatljivosti iznosi 7.

3. Žilavost (K) – faktor važnosti B3 = 0,08Ocjene predizabranih materijala varirati od 1 (najlošiji materijal), do 10 (najbolji materijal).Donja granica prihvatljivosti iznosi 2.

4. Zatezna čvrstoća (Rm) – faktor važnosti B4 = 0,08Iz analize naprezanja zaključuje se da materijal treba da imati Rm > 95 N/mm2.

Page 50: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

50

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

5. Dinamička izdržljivost (Rd) – faktor važnosti B5 = 0,12Frekvencija opterećenja iznosi od 1 - 2,5⋅106 ciklusa/godina, zavisno od tjelesne aktivnostičovjeka. Opterećenje na kuk iznosi oko 2,5 - 3 težine tijela, tj. izračunato promjenjivo naprezanjeiznosi oko 3,1 N/mm2. Za odnos Rds/Rm= 0,35 dobija se minimalna tražena vrijednost savojnedinamičke izdržljivosti - Rds = 33,25 N/mm2.

6. Otpornost trošenju (OT) – faktor važnosti B6 = 0,08U cilju što duže trajnosti, traži se što viša otpornost adhezijskom trošenju. Ocjenjuje se kaožilavost. Donja granica prihvatljivosti iznosi 7.

7. Modul elastičnosti (E) – faktor važnosti B7 = 0,08Elastična kompatibilnost ugrađenog elementa u koštanu strukturu važna je u cilju izbjegavanjarazličitih elastičnih deformacija i postepenog odvajanja proteze od kosti. Nažalost, modulielastičnosti materijala ugradnog elementa su viši od modula elastičnosti kosti, pa je modulelastičnosti zato ciljana vrijednost i iznosi 14 kN/mm2.8. Gustina (ρ)– faktor važnosti B8 = 0,08Poželjna je sličnost između gustine materijala ugradnog elementa i kosti. Ciljana vrijednost jegustina kosti - 2100 kg/m3.9. Troškovi (C) – faktor važnosti B9 = 0,08Ukupni troškovi uključuju cijenu osnovnog materijala, troškove izrade i završne obrade.Troškovi proizvodnje i završne obrade su važni u odnosu na ukupne troškove - nije masovnaproizvodnja. Stvarni troškovi preračunavaju se u relativne indekse (ocjene) od 1 do 10, gdje je 10odgovara najvišem iznosu troškova.

Page 51: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

51

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Analiza predizabranih materijala i postupaka izrade

• Primjenjivani materijali za sfernu glavu proteze vještačkog kuka su iz klase nerđajućihčelika, Ti-legura, Co-Cr-legura, tantala.

• Novija rješenja traže se u okviru polimernih, kompozita i keramičkih materijala. Takođe,koriste se i nanešeni slojevi postupcima modifikovanja površine (još uvijek u fazi razvoja iispitivanja).

• Kvantitativno upoređivanje svojstava materijala izvršiti primjenom metode graničnihvrijednosti, prema vrijednosti parametra vrednovanja M:

nd, ng, nc - brojevi donjih, gornjih i ciljanih vrijednosti svojstava,Bi, Bj, Bk - faktori važnosti za donju, gornju i ciljanu vrijednost svojstava,Xi, Xj, Xk - donja, gornja i ciljana vrijednosti za razmatrana svojstva materijala,Yi, Yj, Yk - specificirana donja, gornja i ciljana vrijednost svojstava.

Page 52: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

52

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

*procjene; Rds ≈ 0,35⋅Rm1) sastav: 0,07% C; 1% Si; 2% Mn; 16...18% Cr; 4...5% Mo; 12,5...14,5% Ni;2) sastav: ∼1% Mn; ∼1% Si; 26,5...30% Cr; 4,5...7% Mo; ∼2,5% Ni; ∼1% Fe; ∼0,35% C, ostatak Co;3) sastav: ∼2% Mn; ∼3% Fe; 19...21% Cr; 9...11% Ni; 14...16% W; 0,05...0,15% C; ∼1,0 % Si; ostatak Co

livena2)

Page 53: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

53

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

• Prema vrijednosti parametra vrednovanja M, titanova toplotno očvrsnuta α + β legura (rang 1)ima malu prednost u odnosu na kovanu kobaltovu leguru (rang 2) i nelegirani titan (rang 3).

• Najbolji među čelicima su austenitni precipitacijski očvrsnuti (rang 4).

• Pod pretpostavkom da je koroziona postojanost manje važna, a troškovi veća - za kraći vijekproteze prednost bi imali obični austenitni nerđajući čelici.

• Ako troškovi ne bi bili kriterijum vrednovanja, već samo upotrebna svojstva, tada je na prvommjestu Co-kovana legura (rang 2 u tabeli) na drugom mjestu austenitni precipitacijski očvrsnutX5 CrNiCu(Nb)17 4 (rang 4 u tabeli), a na trećem Ti6Al4V (rang 1 u tabeli).

Page 54: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

54

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

V. Đorđević: Mašinski materijali, prvi dio, Mašinski fakultet, Beograd, 2000.

Prof.dr.sc. Tomislav Filetin , Odlučivanje o materijalima pri konstruisanju, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva ibrodogradnje, Zavod za materijale

http://titan.fsb.hr/~tfiletin/pdf/metode_im_rijeka.pdf

Page 55: Nauka o materijalima Materijali u mašinstvu Izbor materijala · izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova), displeja sa tečnimkristalima

55

M a š i n s k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić