Prof.dr Darko Bajić Mašinski fakultet [email protected]
Nauka o materijalimaMaterijali u mašinstvuIzbor materijala
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
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
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
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
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
.......
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
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
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.
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 ....
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 ....
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
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
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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)
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.
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)
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
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
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
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.
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...
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)
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)
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
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.
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
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.
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)
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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).
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
55
M a š i n s k i m a t e r i j a l i
Prof. dr Darko Bajić