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