VISOKA POSLOVNO TEHNIČKA ŠKOLA DOBOJ
MAŠINSKI MATERIJALI SKRIPTA
SADRŽAJ
1. Struktura atoma ............................................................................
6
2. Uvodno predavanje, značaj predmeta ..........................................
8
3. Hemijska i fizička svojstav materijala .........................................
9
4. Mehanička i tehnološka svojstva materijala ................................ 10 5. Ispitivanje zatezne čvrstoće ......................................................... 11 6. Hukov zakon ; Modul elastičnosti ............................................... 12 7. Ispitivanje tvrdoće po Brinelu i Vikersu ..................................... 13 8. Ispitivanje tvrdoće po Rokvelu ................................................... 14 9. Ispitivanje žilavosti ..................................................................... 15 10. Kristalna struktura metala ............................................................ 17 11. Pojava kristalne faze - Kristalizacija ........................................... 18 12. Struktura legura ........................................................................... 19 13. Dijagrami stanja metala i legura ................................................... 20 14. Dijagram stanja legura sa potpunom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju /Bakar-Nikal/ ........................... 21 15. Dijagram stanja legure sa potpunom nerastvorljivošću 2
komponenata u čvrstom stanju /Olovo-Antimon/ ............................. 22 16. Dijagram stanja legura sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju ............................................................ 23 17. Željezo i njegove legure ................................................................. 24 18. Metastabilni dijagram stanja ( Željezo-Cementit ) ........................ 26 19. Osnovne karakteristike Bakra i legure Bakra ................................. 28 20. Osnovne karakteristike Nikla i njegove legura ............................. 30 21. Osnovne karakteristike Aluminijuma i njegovih legura ................ 31 22. Osnovne karakteristike Titana i Volframa i njihovih legura .......... 33 23. Magnezijum I njegove legure ………………………………......... 34 24. Cink I njegove legure; tvrde legure i legure za klizne ležajeve....... 34 25. Obojeni metali i legure obojenih metala - utvrđivanje …….......... 35 26. Sirovo gvožđe ………………………………………………...… 36 27. Ugljenični čelici ……………………………………………...…. 37 28. Legirani čelici ………………………………………………...…. 39 29. Konstrukcioni čelici …………………………………………...… 41 30. Alatni čelici i čelični liv …………………………………….….... 43 31. Označavanje čelika po JUS-u …………………………….......…. 46 3
32. Evropski standardi označavanja čelika ……………………......... 49 33. Liveno gvožđe - Sivi liv ……………………………………...…. 52 34. Nodularni modifikovani liv …………………………..……....… 54 35. Beli liv …………………………………………………….…….. 55 36. Temper liv …………………………………………………..…... 55 37. Legirani liv …………………………………………………....... 56 38. Značaj I vrste termičkih obrada ……………………………........ 57 39. Kaljenje čelika ………………………………………………...… 57 40. Otpuštanje čelika ………………………………………….…..... 59 41. Normalizacija i poboljšanje čelika …………………………....... 60 42. Termička obrada livenog gvožđa i legura obojenih metala .......... 61 43. Termohemijska obrada …………………………………..…...… 62 44. Keramika …………………………………………...................… 63 45. Staklo ……………………………………………………..……
64
46. Goriva …………………………………………………………..
65
47. Drvo ………………………………………………………..…… 67 48. Maziva ……………………………………………………..…… 68 49. Guma …………………………………………………..………
70
50. Plastične mase ……………………………………………....…
71
4
51. Izolacioni materijali ………………………………………..…
72
52. Kompozitni materijali ..............................................................
73
53. Korozija metalnih materijala ; Metode zaštite od korozije .......
74
5
MAŠINSKI MATERIJALI 1. Struktura atoma Atom se sastoji iz dva dela: jezgra i omotača. Jezgro čine protoni (elementarne čestice jediničnog pozitivnog naelektrisanja) i neutroni (elementarne čestice - nenaelektrisane). Protoni i neutroni su NUKLEONI. "Donji" broj je ATOMSKI ILI REDNI broj (Z) i odredjen je brojem /N/ protona : Z=N(p+). "Gornji" broj je ATOMSKA MASA ili MASENI BROJ (A) i odredjen je zbirom broja protona i neutrona to jest predstavlja ukupan broj nukleona u jezgru : A= N(p+) + N(n0)! Elektronski omotač čine elektroni. Elektroni su negativne elementarne čestice koje čine elektronski omotač oko jezgra i ostaju u atomu zbog privlačnih sila sa protonima. Atomi imaju jednak broj protona i elektrona, pozitivni joni(katjoni) sadrže "manjak" elektrona u odnosu na atome, a negativni joni (anjoni) sadrže "višak" elektrona u odnosu na atome! Neki elementi imaju različite atome u prirodi, ti atomi moraju imati isti redni broj, to znači isti broj protona i elektrona, a ono po čemu se razlikuju je broj neutrona - ovi atomi su IZOTOPI. Broj neutrona nije proizvoljan i ne može varirati u nekom atomu. Na primer kiseonik iz vazduha može biti sastavljen od atoma kiseonika sa rednim brojem 8 i masenim 16 i takodje od atoma sa rednim brojem 8 (naravno) i masenim 18. Simbol atoma potiče od latinskog imena, a uz simbol obavezno se upisuje vrednost rednog i masenog broja. Redni broj je unikatni za odredjeni element. Na primer ugljenik uvek ima redni broj 6, a to znači da atom ugljenika sadrži 6 protona! Taj broj protona ne može se promeniti hemijskim reakcijama. Dokle god je redni broj 6 radi se o atomu ugljenika. Ukoliko se redni broj promeni dobija se atom nekog drugog elementa, a to je nuklearna reakcija. Maseni broj može imati različite vrednosti za isti element zbog postojanja izotopa. Pa tako vodonik koji ima redni broj 1, to jest 1 proton, ali postoje tri vrste atoma vodonika u odnosu na broj neutrona. Vodonik koji ima maseni broj 1 je protijum, sa rednim brojem dva deuterijum, a sa masenim brojem tri tricijum. Ta tri atoma vodonika imaju isti broj protona, a različiti broj neutrona. U prirodi se uvek nalazi najviše jednog od izotopa, ali su prisutni i ostali izotopi u odredjenoj meri (tako da je ukupna zastupljenost svih atoma nekog elementa jednaka 100%). Što se tiče broja elektrona - broj elektrona u atomu isti je kao broj protona, jer je atom elektroneutralan!
6
1
H(protijum koji ima 1 proton, 1 elektron i nijedan neutron), 12H (deutrerijum-sadrži 1 proton, 1 elektron, i 2-1=1neutron)...... Neki elementi imaju više izotopa, neki nemaju izotope (na primer natrijum, fluor....) Masa protona je približno jednaka masi neutrona, a masa elektrona je zanemarljivo mala u odnosu na mase protona i neutrona (nukleona), tako da na ukupnu masu atoma utiče masa jezgra. Ako bismo računali masu atoma ugljenika (Z=6, A=12) trebalo bi da znamo vrednost mase nukleona (protona to jest neutrona) a ona se naziva unificirana jedinica mase (znači 1 proton ima masu u=1,67x10-24g, isto toliko iznosi i masa neutrona). Ugljenik ima ukupno 12 nukleona (6 protona + 6 neutrona) pa je masa jednog atoma jednaka 12*1,67*10-24g! 1
JEDAN molekul sadrži atome. H2O je jedan molekul vode i sadrži ukupno tri atoma. Broj protona, elektrona i neutrona je suma broja elektrona, protona i neutrona svih atoma zajedno. (na primer 11H, 11H i 16 8 O, što je zajedno 1+1+8=10 protona, molekul je elektroneutralan pa sadrži isto toliko elektrona 10, a neutrona ima 0 + 0 + 8=8) O2 je JEDAN molekul kiseonika i sadrži 16protona, 16 elektrona i 16 neutrona (816O) STRUKTURA JONA Katjoni mogu biti katjoni metala (Cu2+, Na+, Pb2+...) koji se od atoma razlikuju po broju elektrona (manje e- od atoma) ili molekulski katjoni - joni sastavljeni od atoma vezanih kao u molekuli, ali je celokupna čestica pozitivno naelektrisana (NH4+ - amonijum jon, CH3-NH3+ - metilamonijum jon...) Anjoni mogu biti anjoni nemetala (Cl-, Br-...) koji se od atoma razlikuju po tome što imaju više elektrona od atoma i molekulske anjone- joni sastavljeni kao molekuli ali je čestica negativno naelektrisana (SO42-, HSO4-...)
7
2.Uvodno predavanje, značaj predmeta Uvodni deo: Nauka o materijalima je najstarija nauka o materiji (kamen, kost, drvo, bakar, bronza), a po materiji koja se u tom vremenskom razdoblju koristila - dobijaju nazive periodi razvoja ljudskog društva. Pronalazak gvožđa, vatre - period prerade rude (materije) proizveo je dobijanje novih materijala-legura. Razvoj materijala direktno utiče na razvoj tehnike, što je jedan od uslova napretka društva (npr:parna mašina,.). Da bi se materijali koristili u tehnici, moraju imati: odgovarajuća svojstva, strukturu , sposobnost oblikovanja (prerade) i mogućnost ispitivanja svojstava standardnim metodama - i to su tzv. tehnički materijali (u mašinstvu - mašinski, u elektrotehnici - elektrotehnički, u građevinarstvu – građevinski). Središnji deo: Osnovni materijali obuhvataju tri grupe: a) Metalni materijali od kojih se rade konstrukcije, najopterećeniji mašinski elementi: čisti metali (železo,aluminijum, bakar, nikl, cink...) i legure (čelik, gvožđe, mesing, bronza,..). Imaju: dobru toplotnu i električnu provodljivost, dobru čvrstoću i krutost, dobru obradljivost i otpornost prema udaru. b) Keramički materijali (staklo, porculan, cigla, izolacioni materijali, neki abrazivi..). Imaju lošu toplotnu i elektroprovodljivost, ali veoma veliku tvrdoću i čvrstoću, mada su im obradljivost i otpornost prema udaru veoma niske.Raznovrsna im je primena zahvaljujući otpornosti na koroziju i postojanosti i na visokim temperaturama. c) Polimerni materijali (guma, plastične mase, lepkovi..) Loša im je elektro i toplotna provodljivost, mala čvrstoća i neotporni su na povišenim temperaturama.Termoplastični polimeri su otporni prema udaru i imaju sposobnost za oblikovanje za zazliku od termoreaktivnih polimera. Kombinacijom osnovnih materijala - nastaju kompozitni materijali (beton, šperploča..) Prema nameni mašinski materijali se dele na : 1.Konstrukcioni (glavni) za izradu konstrukcija, mašinskih elemenata, uređaja, mašina, postrojenja; moraju da imaju odgovarajuća mehanička svojstva - posebno čvrstoću, treba dobro da podnose opterećenja. 2. Pomoćni (za izradu manje opterećenih delova, izolacionih i koroziono otpornih slojeva - ručice, koža, zaptivači, plastični zupčanici..). 3.Pogonski (za proizvodnju, transformaciju i prenos različitih oblika energije) - to su uglavnom organski materijali, sve vrste goriva, maziva, vazduh i voda. Radi se na iznalaženju novih materijala i na poboljšanju svojstava već postojećih.
8
3.HEMIJSKA I FIZIČKA SVOJSTVA MATERIJALA Uvodni deo: Materijali se sastoje od atoma, molekula (najsitniji delići materije) međusobno povezanih hemijskim vezama (primarnim i sekundarnim). Razlikuju se svojstva (osobine) materijala: 1.Fizička svojstva - mogu da se mere, određuju bez razaranja i promene materijala (gustina, temperatura topljenja ili kristalizacije, specifična toplota, magnetna svojstva...) 2. Mehanička svojstva - određuju se ispitivanjem (čvrstoća, tvrdoća, elastičnost, žilavost,..) 3. Hemijska svojstva - određuju hemijski sastav materijala, afinitet, otpornost prema koroziji... 4. Tehnološka svojstva - sposobnost livenja, deformisanja, zavarivanja, lemljenja, termičke obrade i obrade rezanjem. Središnji deo: Svojstva materijala zavise od: hemijskih i fizičkih svojstava elemenata i vrste hemijskih veza između atoma; rasporeda atoma i molekula; mogućih grešaka koje se pojavljuju u građi materijala. Hemijska svojstva - zavise od strukture, količine i vrste hemijskih elemenata koji ga grade. Afinitet je težnja elementa da se veže sa drugim hemijskim elementom i sa njim gradi hemijsko jedinjenje, bitan je kao svojstvo metalnih materijala (gvožđe i kiseonik grade jedinjenje - oksidi, rđa). Nerđajući metali su: zlato, srebro, hrom i nikal, jer nemaju afinitet prema kiseoniku.Otpornost prema koroziji je sposobnost materijala da se odupre hemijskim procesima, koji bi ga mogli razoriti - otpornost prema kiseoniku, otpornost prema kiselinama, bazama ... Fizička svojstva materijala - električna provodljivost materijala zavisi od tipa hemijske veze kojom su atomi u njemu povezani provodnici i izolatori; magnetna svojstva zavise od:vrste i hemijskog sastava materijala, homogenosti materijala, krupnoće zrna, temperature itd. Na osnovu ponašanja materijala u spoljnom magnetnom polju razlikuju se: dijamagnetni - bizmut, cink i bakar; paramagnetni (nemagnetični) - aluminijum, mangan, volfram idr; feromagnetni - gvožđe, kobalt i nikal i njihove legure, kao i legure bakra i mangana - mada ova dva metala nisu magnetična.
9
4. MEHANIČKA I TEHNOLOŠKA SVOJSTVA MATERIJALA Uvodni deo: Mehanička svojstva materijala predstavljaju najvažniji pokazatelj za izbor materijala i dimenzionisanje mašinskih delova, elemenata ili konstrukcija.Ispitivanja materijala pokazuju kako se materijali ponašaju pri delovanju spoljašnjih sila. Ispituju se uzorci - epruvete, urađeni od materijala čija mehanička svojstva se traže. Središnji deo : Prema načinu delovanja sile ispitivanja se mogu vršiti : 1. Statičkim dejstvom: (ispitivanje zatezne čvrstoće na uzorku je postepeno do postizanja sile kidanja), 2. Dinamičkim dejstvom: izvodi se udarnim opterećenjem epruvete (ispitivanje žilavosti ) 3.Ispitivanja zamorom materijala: zamor materijala nastaje delovanjem ponovljenih opterećenja ili opterećenjem sa promenljivim delovanjem.
Osnovna mehanička svojstva materijala su : - Čvrstoća je unutrašnji otpor koji materijal pruža pri delovanju spoljašnjih sila. - Tvrdoća je otpor koji materijal pruža prodiranju drugog, tvrđeg materijala u njegovu površinu. - Elastičnost - sposobnost materijala da usled delovanja spoljašnjih sila delimično promeni oblik i dimenzije, a po prestanku dejstva tih sila vrati isti oblik i dimenzije. Žilavost je otpor materijala prema udarnim naprezanjima. Suprotno od žilavosti je krtost. Tehnološka svojstva materijala obuhvataju: 1.Obradivost livenjem, materijali koji se koriste za livenje, imaju dobru livkost (to svojstvo garantuje dobijanje kvalitetnog odlivka), a zavisi od tečljivosti, skupljanja pri hlađenju, sklonosti ka pojavi unutrašnjih napona, itd. 2. Obradivost plastičnim deformisanjem - svojstvo metalnih materijala da pod dejstvom spoljašnjih sila (u hladnom ili toplom stanju), može da menja oblik i dimenzije kovanjem, valjanjem, izvlačenjem, presovanjem itd. a da se materijal pod tim pritiscima ne drobi. 3. Svojstvo lemljenja i zavarivanja - svojstvo materijala da se isti ili različiti materijali mogu
10
spojiti u nerazdvojivu vezu . 4. Termička obradivost materijala - svojstvo materijala da sa promenom temperature menja strukturu tj.unutrašnju građu i osobine.
5.ISPITIVANJE ZATEZNE ČVRSTOĆE Uvodni deo: 1.Kakva su to mehanička svojstva? 2.Šta je zatezna čvrstoća? Središnji deo: Ispitivanje zatezne čvrstoće vrši se na uzorcima (standardnim epruvetama), određenog oblika i dimenzija, od materijala koji se ispituje. Mogu biti-proporcionalne (kod njih se razlikuje Lo - početna merna dužina, pre dejstva sile istezanja i Ls - ispitna dužina), neproporcionalne (početna dužina epruvete je nezavisna od početne površine poprečnog preseka). Ispitna dužina mora biti kvalitetno obrađena i najmanjeg je poprečnog preseka( kružnog, kvadratnog ili pravougaonog). Krajevi epruvete su ojačani radi lakšeg i sigurnijeg postavljanja u čeljusti kidalice (gornja čeljust je nepokretna a donja pokretna). Epruveta se postavlja u kidalicu i isteže statičkom silom sve dok se ne prekine, za vreme ispitivanja mere se i beleže veličina sile i izduženje epruvete do kidanja. Porastom opterećenja, epruveta se izdužuje (prvo proporcionalno, a za to vreme deformacija je elastična). Daljim porastom opterećenja deformacija je i dalje elastična, ali više nije proporcionalna sili (naponu). Zatim, porastom opterećenja dolazi do pojave plastičnih deformacija. Kada se površina poprečnog preseka na mestu velike plastične deformacije (suženja) toliko smanji da materijal više ne može da pruža otpor opterećenju koje stalno raste, dolazi do kidanja epruvete.To je "dijagram kidanja" ("dijagram sila -izduženje"). Cilj ispitivanja zatezanjem je određivanje svojstava otpornosti i svojstava deformacije materijala. U svojstva otpornosti materijala ubrajaju se: - napon tečenja materijala - gornji i donji (velika plastična deformacija bez porasta sile). - zatezna čvrstoća MRa Fm - maksimalna sila pri zatezanju epruvete; - So-početni poprečni presek epruvete - modul elastičnosti E = σ / ε je mera krutosti materijala, izražava se u MRa, - A - izduženje posle prekida - krajnja merna dužina epruvete posle kidanja (ako se epruveta prekine pri kraju merne dužine epruvete ili van nje, ispitivanje se ponavlja.) - Z - suženje poprečnog preseka posle prekida
6.HUKOV ZAKON ; MODUL ELASTIČNOSTI HUKOV ZAKON- Napon je proporcionalan procentualnom izduženju.
11
Koeficijent proporcionalnosti je modul elastičnosti . E =tgα Modul elastičnosti je koeficijent pravca (nagib ) u linearno elastičnom području dijagrama naponjedinično izduženje. Hukov zakon važi do granice proporcionalnosti .Veći modul elastičnosti odgovara materijalu koji ima veću krutost. E= σ /ε E-modul elastičnosti
L=lo+Δl L- dužina epruvete , izmerena posle kidanja lo- merna dužina epruvete Δl -izduženje
7.ISPITIVANJE TVRDOĆE PO : BRINELU I VIKERSU Uvodni deo: 1.Šta je tvrdoća?/Tvrdoća je otpor koji materijal pruža nekom drugom,tvrđem materijalu da prodre u njegovu površinu. 2.Kakva površina materijala ,koji se ispituje,mora biti?/Fino obrađena i čista. 3.Kakva je tvrdoća utiskivača?/Mora biti tvrđi od materijala koji se ispituje. Središnji deo : Najčešće korišćene metode kod nas su: Brinelova, Vikersova i Rokvelova (V iS) Metoda po BRINELU (NV) Sastoji se u utiskivanju kuglice od čelika ili tvrdog metala prečnika (2,5 ; 5 ;10 )mm pod dejstvom sile u pripremljenu površinu materijala.Sve veličine bitne za određivanje tvrdoće po ovoj metodi su standardizovane(veličina kuglice,sila i vreme utiskivanja,priprema površine za ispitivanje, način ispitivanja i merenje otiska).
12
Izbor sile zavisi i od vrste materijala koji se ispituje (za mekše materijale potrebna je
manja sila koja treba da deluje 30 sekundi do 3 minuta,za tvrđe materijale veća sila treba da deluje 10-15sekundi).Površina materijala koji se ispituje priprema se finim brušenjem.Otisak koji utiskivač ostavlja je oblika kalote,čija površina se dobija kao srednja vrednost dva merenja,a potrebna je za izračunavanje tvrdoće. Metoda po VIKERSU (HV) Primena kod ispitivanja tvrdoće tvrdih materijala i veoma tankih limova. Utiskivač je četvorostrana piramida sa dijamantskim vrhom (strane su pod uglom od 136 º). Izbor sile zavisi od tvrdoće i debljine ispitivanog materijala.Za tanje limove manje sile. Mali otisci mere se uz pomoć mikroskopa. HV=F /A F- sila utiskivača A- površina otiska (A= d2 ) V- tvrdoća po Vikersu
13
8.Ispitivanje tvrdoće po ROKVELU Rokvelov način ispitivanja tvrdoće je utiskivačem( čeličnom kuglicom- za mekše materijale ili konusomsa dijamantskim vrhom, za tvrđe materijale). Ispitivanje tvrdoće po(Rokvel-V i Rokvel -S)metodama slična su Brinelovom i Vikersovom načinu ispitivanja. Rokvel-V Utiskivač je čelična kuglica prečnika 1/16 inča (1 inč = 25,4 mm),a utiskivanje se vrši u tri faze,koristi se za merenje tvrdoće kod mekših materijala . Rokvelova metoda 1.FAZA-PREDOPTEREĆENJE-na materijal se deluje početnom silom od 100 N (za to vreme utiskivač prodire do neke dubine N1 istovremeno otklanjajući uticaj neravnina na površini materijala. 2.FAZA-GLAVNO OPTEREĆENJE-na materijal od 900 N ,posle koga utiskivač prodire do neke dubine N2,koja zavisi od elastičnih i plastičnih karakteristika materijala . 3.FAZA-RASTEREĆENJE-rasterećuje se glavna sila ,pri tome utiskivač prodire do dubine N3 koja je manja od N2 (zbog elastičnih deformacija materijala koje nestaju po prestanku dejstva sile). Vrednost tvrdoće očitava se na uređaju sa skalom -koji poseduje aparat za ispitivanje. Rokvel-S Utiskivač je konus sa dijamantskim vrhom ugla 120 0C. Utiskivanje se vrši u tri faze, koristi se za merenje tvrdoće kod tvrđih materijala. 1.FAZA-PREDOPTEREĆENJE-početna sila je 100 N 2.FAZA -GLAVNO OPTEREĆENJE -glavna sila je 1400 N 3.FAZA-RASTEREĆENJE -rasterećuje se glavna sila a vrednost tvrdoće se očitava pod predopterećenjem (kao kod ROKVEL -V) u odgovarajućim jedinicama i na odgovarajućoj skali.
9. ISPITIVANJE ŽILAVOSTI Uvodni deo: 1. Šta je žilavost?/Otpornost materijala prema udarnom opterećenju (lomljenju materijala). Središnji deo :
14
Metali i njihove legure mnogo teže podnose dinamička (promenljiva) od statičkih opterećenja. -Šta je dinamička čvrstoća ?/Najveći napon koji materijal može da izdrži pri neograničenom broju promena opterećenja ,a da se pri tome ne polomi. Materijal se ispituje zamaranjem i to najsličnije uslovima u kojima se materijal koristi .
Epruveta za ispitivanje žilavosti je oblika prizme dužine 55 mm i kvadratnog poprečnog preseka 10 x 10 mm , sa zarezom na sredini duže strane( V i U oblika) koji se izrađuje glodanjem, ne sme da dođe do promene stanja materijala.
Postavlja se na dva oslonca, pri čemu se vodi računa da zarez bude okrenut na suprotnu stranu od one u koju udara klatno. Ispituje se lomljenjem uz pomoć klatna (koje na kraju ima teg u obliku noža) samo jednim udarcem. Šarpijevo klatno (sa nožem na dnu) prolazi kroz ravnotežni položaj i nastavlja da se kreće na drugu stranu sa otklonom koji odgovara visini N1. Kada je utrošena energija udara velika,to znači da je materijal pružio veliki otpor lomu-lom je žilav.Mala utrošena energija udara znači da je otpor materijala lomu mali -lom je krt Kombinacija žilavog i krtog loma predstavlja mešovit lom.Energija udara utrošena za lom epruvete je mera žilavosti materijala.Ispitivanjima je utvrđeno da da utrošena energija udara (za isti materijal) zavisi od temperature na kojoj se ispitivanje vrši( na višim temperaturama utrošena energija je veća, a na nižim manja). Zaključni deo: 1.Obnoviti pojam žilavosti i način ispitivanja Šarpijevim klatnom 2. Upoznati učenike sa načinom utvrđivanja na narednom času
15
10.Kristalna struktura metala Uvodni deo: Kristalni materijali su oni, koji imaju kristalnu rešetku( to su metalni materijali). Rešetka se može prostorno prikazati u vidu kocke, u čijim rogljevima(čvorovima), su atomi, a rastojanja između dva susedna čvora je parametar rešetke.
Kristalni materijali Pod strukturom materijala podrazumeva se raspored najsitnijih čestica( atoma ,jona ili molekula) po masi materijala u čvrstom stanju . Kod kristalne strukture atomi( joni ili molekuli) imaju pravilan raspored , koji se ponavlja u prostoru -takvu strukturu imaju metali i njihove legure . Amorfna struktura je ona, kod koje su atomi bez nekog reda raspoređeni po masi materijala i u prostoru (staklo i plastični materijali ). Najveći broj metala i njihovih legura (90%) kristališe u sledeća tri kristalografska oblika : 1. ZCK -Zapreminski centrirana kubna rešetka Kod nje su atomi raspoređeni po jedan na roglju kocke i jedan u preseku dijagonala 8 ( 1/8 )+ 1 =1+1 =2 2 cela atoma
16
Ovakvu rešetku imaju: gvožđe, natrijum , hrom, mangan, titan, vanadijum, kalijum, volfram... 2.Površinski centrirana kubna rešetka Po jedan atom na roglju kocke i po jedan u preseku dijagonala na svakoj strani kocke. 8 ( 1/8 ) +6 (1/2 )=1+3 =4 4 cela atoma
Ovakvu rešetku imaju : gvožđe , bakar, nikl, srebro, zlato, aluminijum, kalcijum... 3.Heksagonalno gusto pakovana rešetka Osnova je pravilan šestougao , po jedan atom na rogljevima , po jedan u preseku dijagonala osnova i tri cela atoma su smeštena unutar rešetke.
Ovakvu rešetku imaju : magnezijum, cink, hrom, titan, kadmijum...
11. Pojava kristalne faze - Kristalizacija Uvodni deo: KRISTALIZACIJA ili OČVRŠĆAVANJE je prelazak metala iz tečne u čvrstu fazu,a nastaje odvođenjem toplote rastopljenog metala tj. legure,u nekom vremenskom intervalu, do temperature kristalizacije Tkr.Taj proces se može prikazati KRIVOM HLAĐENJA u koordinatnom sistemu temperatura -vreme.Suprotan proces od hlađenja je topljenje, vrši se na temperaturi topljenjaTt. (U realnim uslovima Tkr ≠ Tt , kao posledica hlađenja tj.zagrevanja). Središnji deo:
17
Prvi centri kristalizacije -NUKLEUSI,koji rastu daljim hlađenjem (za njega se "lepe" novi atomi tečnog metala, kristaliti ,rastu imajući pravilan geometrijski oblik(dok se ne dodirnu sa drugim ,naraslim kristalitima).Tada nastaje kristalna struktura,metali se,u čvrstom stanju, sastoje od kristalnih zrna ,između kojih su granice zrna. Veličina i oblik zrna zavise od broja nukleusa i brzine rasta kristala ,a utiče i na mehaničke osobine materijala.Ako je brzina hlađenja veća,pojavljuje se više nukleusa a dobijena struktura je sitnozrnastija,veća je površina granice zrna pa je veća čvrstoća i tvrdoća takvih materijala.Materijali s krupnijim zrnima su mekši i plastičniji. Dodavanjem modifikatora i podešavajući brzinu hlađenja utiče se na vrstu strukture (sitnija ili krupnija ). Neki materijali imaju više različitih kristalnih rešetki, zavisno od temperature, to je svojstvo ALOTROPIJE . Promenom kristalne rešetke menjaju se i svojstva materijala.
GREŠKE U STRUKTURI KRISTALNE REŠETKE U stvarnosti kristali nisu nikad savršeni (nije im savršena struktura kristalne rešetke ). Greške mogu biti :-tačkaste- to su prazna mesta u pojedinim čvorovima kristalne rešetke; -linijske - atomi su linijski dislocirani iz svog položaja u rešetki i -površinske- nastaju kod polikristalnih materijala (granice zrna) - zapreminske-pore, uključci, razaranje kristala itd.
Hemijska aktivnost atoma koji se nalaze na samoj površini materijala, zavisi direktno od površine materijala(sklonost prema oksidaciji, rastvaranju), hrapaviji materijali, hemijski je aktivniji i obrnuto.
12. STRUKTURA LEGURA STRUKTURA LEGURA U toku kristalizacije raspored atoma se menja i iz približno uređenog stanja prelazi u potpuno uređeno stanje koje karakteriše kristalnu strukturu . U čvrstom stanju atomi različitih hemijskih elemenata mogu međusobno da reaguju obrazujući: 1.ČVRST RASTVOR-ima istu kristalnu rešetku kao osnovni metal ,a atomi legirajućih elemenata se rastvaraju u njoj kristališući u zajedničkim rešetkama -mrežama kristala.Ova struktura ostaje i u čvrstom stanju.Kriva hlađenja čvrstog rastvora se razlikuje od krive hlađenja čistog metala.
18
2 HEMIJSKA JEDINJENJA -elementi u rastopljenom stanju grade jedinjenje,pri očvršćavanju nastaju zajednički kristali oba elementa,takvi metali i legure imaju veliku tvrdoću i krutost.Struktura legure je apsolutno homogena,sva zrna su od istih sitnozrnastih i istorodnih kristala. 3.MEHANIČKA SMEŠA-u rastopljenom stanju pomešani metali se međusobno rastvaraju .Kada počne kristalizacija :atomi svakog elementa kristališu pojedinačno stvarajući sopstvenu kristalnu rešetku,zadržavajući sopstvene osobine ili ostanu rastvoreni i grade zajedničke kristale.Veličina i oblik zrna utiču na mehaničke osobine metalnih materijala.Čvrstoća,plastičnost i žilavost materijala se povećavaju smanjenjem veličine zrna.
13.Dijagrami stanja metala i legura Dijagrami stanja su grafički prikazi koji definišu prisutne faze u leguri ,zavisno od temperature, pritiska i hemijskog sastava u ravnotežnim uslovima .Pre konstrukcije dijagrama stanja određuju se krive hlađenja čistih metala tj.niza legura sa različitim procentualnim sastavima legirajućih komponenti, hemijski elementi koji ulaze u sastav legure.Iz dijagrama stanja mogu se odrediti : -temperatura početka i završetka topljenja (interval kristalizacije) legure , -da se odrede preobražaji (pri zagrevanju i hlađenju) za konkretnu leguru, -da se utvrdi da li je legura homogene strukture(metali se neograničeno rastvaraju, jedan u drugom) ili je legura heterogene strukture (metali se međusobno ne rastvaraju, ili se rastvaraju u ograničenom odnosu )
19
Svi ovi podaci su bitni za: livarstvo, određivanje parametara procesa termičke i termomehaničke obrade, zavarivanje, plastične deformacije, izbor legure za odgovarajuću namenu i dr. Zavisno od razlike u veličini atoma komponenata, reakcija koje mogu da nastanu između komponenata u čvrstom stanju, razlikuju se tri osnovna tipa dijagrama stanja: TIP1- Sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju TIP2- Sa potpunom (neograničenom) rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju TIP3- Sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju Na svim dijagramima na apscisisu se nanosi procentualna vrednost učešća u leguri, (npr: komponenta A% + komponenta B% =100%), a na ordinati se nalaze temperaturne vrednosti (sa karakterističnim tačkama topljenja, tj.kristalizacije, jer svaki metal ima svoju tačku topljenja, tj.kristalizacije). U dijagramima su karakteristične linije: LIKVIDUS (spaja tačke kojima su obeležene temperature početaka kristalizacije posmatranih legura) i SOLIDUS (spaja tačke kojima su obeležene temperature kraja kristalizacije posmatranih legura).
14.Dijagram stanja legura sa potpunom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju /BAKARNIKAL/ Homogene legure su one kod kojih se metali međusobno rastvaraju u tečnom i čvrstom stanju. Tačka topljenja bakra je 1083 ºS, a nikla 1452ºS. Likvidus spaja tačke b, a solidus spaja tačke a.Iznad likvidusa su legure u tečnom stanju, a ispod solidusa su sve legure u čvrstom stanju. Između likvidusa i solidusa je testasta faza.Na apscisi su nanete vrednosti u % (npr. komponenta A % + komponenta V %= 100 %). U tački 1-počinje topljenje legure, a u tački 2-topljenje je završeno( u tački 2-početak kristalizacije, a u tački 1-kraj kristalizacije). Pravilo poluge (S1-S-S2)linija. Iz S1 i S2 se spuštaju vertikale na apscisui dobija se podatak o količini rastopine linija S-S2 (44% nikla i 56% bakra) tj. o količini kristala linija S-S1 (90% nikla+10% bakra). Karakteristične temperature su: td -temperatura početka očvršćavanja tc- proizvoljna temperatura (za "pravilo poluge") t2- temperatura početka kristalizacije
20
tE- eutektička temperatura t1- temperatura završetka kristalizacije
Homogene legure imaju homogenu strukturu ( metali nikal i bakar rastvaraju se jedan u drugom u svim odnosima po principu zamene atoma u kristalnoj rešetki ). Kod ovakvih legura može doći do pojave: DIFUZIJE -pri sporom hlađenju, atomi se kreću-sele se u one kristale gde su u deficitu. HOMOGENIZACIJE -naknadnim žarenjem(zagrevanjem i sporim hlađenjem) omogućava se difuzija, takvi odlivci su relativno homogeni po celom poprečnom preseku. MEĐUKRISTALNA SEGREGACIJA - ne izvrši se difuziono žarenje, odlivci se brzo hlade, biće heterogena struktura, neujednačena mehanička i druga svojstva materijala.
15. Dijagram stanja legure sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju /OLOVO-ANTIMON/ Linija AEV -LIKVIDUS, spaja tačke početaka kristalizacije,iznad nje sva masa legure je u tečnom stanju, na njoj počinje izdvajanje prvih centara kristalizacije-NUKLEUSA. Linija SED je SOLIDUS, spaja tačke kraja hlađenja i na njoj je završena kristalizacija. Solidus je izoterma i ispod nje su samo kristali. Između likvidusa i solidusa je testasta faza (tečna i čvrsta ). Temperatura 327 ºS je tačka topljenja olova, a ako se olovu dodaje antimon, temperatura kristalizacije opada do tačke E-EUTEKTIČKA TAČKA .Ona označava EUTEKTIČKU LEGURU (sastava 87%olova i 13% antimona) za koju je karakteristično, da je legura, ima sitnozrnastu strukturu, ali se ponaša kao čist metal. Daljim porastom procentualnog učešća antimona u leguri sa olovom temperatura očvršćavanja raste. Na 630 ºS je temperatura topljenja antimona.
21
U OPŠTEM DIJAGRAMU STANJA HETEROGENIH LEGURA vidimo : ako se zagreva legura L1, na temperaturi 246ºS, počinje da se rastapa (tačka a1 ), a rastapanje će se završiti na likvidus -liniji (tačka b1), što odgovara temperaturi T1 na ordinati. Ako se legura L2 hladi od tačke b2, iz rastopa će početi da se formiraju prvi kristali na T2 ( likvidus -linija), a proces kristalizacije će završiti na solidus-liniji (na 246ºS). U dijagramu stanja legura OLOVA I ANTIMONA , vidimo šta se dešava pri hlađenju sa rastopljenom masom : u leguri ima više olova u odnosu na antimon, pa se iz rastopine prvo pojavljuju njegovi kristali (b)ostatak je tečan. U tački (e), oba metala su jedan drugim zasićeni pa i kristališu u isto vreme i grade svoje kristale. Tada nastaje veoma fina mešavina kristala oba metala(c) u osnovi olova utkani su sitni kristali antimona. U tečnoj fazi EUTEKTIČKA legura je veoma žitka (eutektik-tečljiv). a-čisto olovo; f-čist antimon ; Strukture levo od E-su PODEUTEKTIČKE (sastoje se od eutektičke mase i kristala olova), a desno su NADEUTEKTIČKE(sastoje se od eutektikuma i kristala antimona ). Tačka 1-početak topljenja legure, a tačka 2-završetak topljenja legure (pri hlađenju, proces je obrnut : 2-početak kristalizacije a 1kraj kristalizacije) Odnos tečne i očvrsle mase legure može se odrediti horizontalom- pravilo poluge- odnos krakova pokazuje odnos kristala i tečne mase legure (u ovom slučaju su ove dve komponente legure zastupljene u približno istim količinama). Može se očitati sastav rastopine i kristala (vertikale povučene iz tačaka preseka dvokrake poluge i likvidus linije odnosno ordinate, na apscisu). Struktura odlivaka je heterogena,jer metali odvojeno kristališu i čine mehaničku mešavinu, ali pošto je legura eutektičkog sastava veoma homogena i vrlo fine strukture-ona doprinosi da ove legure budu relativno homogene jer su kristali čistih metala utopljeni u eutektičkoj masi.
16. Dijagram stanja legura sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju Uvodni deo: Iz ovog dijagrama odmah se uočava da su kristali homogeni , da se rastvaraju i atomi jednog metala u drugom (ograničeno) i pojavljuje se eutektički sastav. Leva strana dijagrama pokazuje, na početku je olovo-rastvarač (do tačke E ), a desno od E, rastvarač je kalaj. AEV-likvidus linija / početak kristalizacije /. Iznad nje je rastop. ASEDV-solidus linija / kraj kristalizacije /. Ispod nje sve legure su u čvrstom stanju. Središnji deo: ASFi VDG-solvus linije-granice rastvorljivosti (zasićenosti) jednog metala u drugom na likvidus liniji počinje izdvajanje mešanih kristala, levo od E (eutektičke tačke) počinje izlučivanje alfa-kristala olova (α-Pb),a desno od nje (na liniji EV) beta-kristalikalaja (β-Sn). Kristalizacija traje sve do solidus-linije
22
(ASEDV). Između likvidusa i solidusa masa je testasta , sastavljena od mešovitih kristala (α-Pb) i (β-Sn). Tačka S je -granica maksimalne rastvorljivosti kalaja u olovu. Najzanimljivija je tačka E-eutektička tačka. Ona definiše: eutektičku leguru(sastava 61,9%Sn i 38,1%Pb) koja je fine sitnozrnaste strukture sastavljene od oba metala, a ponaša se kao čist metal. Eutektička temperatura je 183ºC Eutektička masa strukture javlja se od tačke S do tačke D, a smanjuje se levo i desno .
Iz opšteg dijagrama posmatra se zagrevanje i hlađenje legure sastava (30% metala A i 70% metalaB) koji se dobija kada kroz tačku 1-spustimo vertikalu do apscise. Ako kroz tačku 2-povučemo horizontalnu liniju do preseka sa delom likvidus linije AE i spustimo vertikalu do apscise - očitaćemo da rastop sadrži ≈46% metala V i oko 54% metala A. Tačka E označava eutektičku masu , koja se sastoji od fine mešavine α-kristala V metala i β-kristala A metala, čiji sastav očitavamo spuštanjem vertikale iz tačaka S (za α-kristale) i D (za β-kristale). Eutektički sastav legure mora da ima maksimalnu zateznu čvrstoću i tvrdoću.
17. ŽELEZO I NJEGOVE LEGURE ŽELEZO (Fe) -Temperatura topljenja 1539 ˚ C - Gustina 7,8 g cm³ Prema čvrstoći se razlikuju: - Hemijski čisto železo (dobija se u laboratorijskim uslovima) - Tehnički čisto železo (pored železa sadrži i primese:( C,Mn,Si,S , P )
23
Železo ima svojstvo polimorfije.
U čvrstom stanju se javlja u dve alotropske modifikacije: -Prostorno (α,δ) centrirane kubne rešetke -Površinski(γ) centrirane kubne rešetke. UGLJENIK - Temperatura topljenja 3500˚ C - Gustina 2,58 gcm³
Ugljenik u strukturi čelika i gvožđa može da bude:
24
1. Vezan sa železom u vidu hemijskog jedinjenja tzv. cementit (a) 2. U slobodnom obliku kao grafit (b) 3. Rastvoren u α -Fe i γ - Fe obrazijući čvrste rastvore. CEMENTIT ima složenu rombičnu kristalnu rešetku. Veza između atoma železa i ugljenika je metalnog karaktera pa cementit ima električnu provodljivost i metalni sjaj. Veoma je tvrd i krt. Temperatura je približno 1250˚ C . Legirani cementit dobija se menjanjem atoma železa u rešetki atomima drugih metala( Mn,Cr,Mo,W ). GRAFIT je jedna od alotropskih modifikacija ugljenika i ima prostu heksagonalnu rešetku. Grafit ima malu tvrdoću i malu žilavost.
ČVRSTI RASTVORI – Pošto su atomi mali mogu da se smeste u međuprostore i obrazuju čvrste rastvore: ferit i austenit. FERIT je čvrst rastvor ugljenika u α- Fe i obeležava se sa α. Rastvorljivost ugljenika u α- Fe zavisi od temperature. Na osobine ferita utiče ugljenik. Ferit je mek i plastičan. Dobar je provodnik toplote i električne struje. Magnetičan je do približno 770˚ C .Postoji i legirani ferit. AUSTENIT – Čvrsti rastvor ugljenika u - Fe . Postojan je na temperaturi iznad 727˚ C .Austenit je plastičan , ima veću zateznu čvrstoću i tvrdoću nego ferit. Postoji i legirani austenit.
25
18. METASTABILNI DIJAGRAM STANJA ( ŽELEZO-CEMENTIT ) Uvodni deo: Podela čelika (u odnosu na eutektoidnu tačku) : - podeutektoidni čelici sa (0,025-0,8) % ugljenika i strukturom od ferita i perlita ;
Na slici je prikazana struktura podeutektoidnog čelika ( sastava 0,4 % S), analizirati hlađenje austenita(tačke: a, b i c) . - eutektoidni čelik sa 0,8% ugljenika i strukturom od 100% perlita i - nadeutektoidni čelici sa (0,8-2,0) % ugljenika sa strukturom od perlita i sekundarnog cementita.
( analizirati hlađenje austenita sastava 1,2 % S, prikazan na slici, od tačke a do tačke d). Središnji deo : AUSTENIT - legura oblika čvrstog rastvora u kojoj je γ-Fe rastvorilo atome ugljenika FERIT - jedan deo kristala austenita oslobađa se atoma ugljenika i prelazi u α-Fe LEDEBURIT - struktura eutektikuma legure Fe i C, koja je sastavljena iz fine mehaničke mešavine, austenita i cementita PERLIT - se sastoji iz fine mehaničke mešavine ferita i sekundarnog cementita (ZRNASTI
26
I LAMELARNI) Mikrostruktura podeutektičkog i nadeutektičkog gvožđa
Zaključni deo: Učenici će po grupama (u kojima su radili domaći zadatak) izlagati svoja zapažanja, posmatrajući i analizirajući DIJAGRAM STANJA . Njihov rad će nadgledati i pitanjima potpomagati nastavnik.
19. OSNOVNE KARAKTERISTIKE BAKRA I LEGURE BAKRA Uvodni deo: Bakar ima izuzetno dobru: električnu i toplotnu provodljivost, otpornost prema koroziji. Legure bakra se dele na mesinge( sa cinkom) i bronze( sa kalajem). Kao čist metal, bakar ima široku primenu, naročito u elektrotehnici za izradu provodnika, zbog odličnih fizičkih svojstava – električne i toplotne provodljivosti. Odlikuje se velikom plastičnošću i crvenkaste je boje. Središnji deo : Bakar-Cu -se dobija iz sulfidnih ruda : halkopirit, halkozin, pirit. Postupak dobijanja je skup i složen: priprema rude (drobljenje, prečišćavanje) , proizvodnja bakarnog kamenca, proizvodnja sirovog bakra i proizvodnja čistog bakra (elektrolizom ) . Svojstva su mu sledeća : -fizička (crvenkasta boja, temperatura topljenja Tt=1083ºC, gustina 8,94kg/dm³, dobar je provodnik toplote i temperature - odmah iza srebra i zlata) -mehanička- skromna su, zavisno od stanja prerade (zatezna čvrstoća σm= 150÷440MPa , izduženje (15÷50) %, tvrdoća (40÷90) HB
27
-hemijska - otporan je na dejstvo vode i vazduha, nije otporan na dejstvo kiselina i gasova koji sadrže sumpor, a sa organskim kiselinama stvara otrovna jedinjenja, nemagnetičan je ... -tehnološka - plastičan je, dobro se kuje, valja se u tanke limove, izvlači se u veoma tanke žice (u hladnom i toplom stanju) , loše se obrađuje rezanjem, dobro se lemi ali se teško zavaruje. Primena bakra -u elektrotehnici (ima izuzetno veliku električnu i toplotnu provodljivost ) ; u mašinstvu-u obliku legura (mesing, bronza..) za grejače, hladnjake; na tržištu-limovi, cevi, žice, profili, folije i dr. Veoma dobro se legira sa metalima : kalajem, cinkom, aluminijumom i berilijumom, pa je u primeni i veliki broj legura bakra. Bakar je element koji pripada prvoj grupi Periodnog sistema sa atomskim brojem 29 i atomskom masom 63,54. Gustina čistog bakra iznosi ρ= 8,93 g/cm3. Kristališe po površinski centriranoj kubnoj rešetki. Posle zlata i srebra ima najveću električnu provodljivost. Temperetura topljenja čistog bakra iznosi 1083 0S. Tehnološka svojstva:
LEGURE BAKRA Legure bakra imaju dobre mehaničke osobine, za razliku od čistog bakra. Legirajući elementi u legurama bakra su: kalaj, aluminijum, cink, nikl, mangan, silicijum, srebro i zlato. Najznačajnije legure bakra su date u tabeli: Legura Cu-Zn Cu-Sn Cu-Ni-Zn Cu-Ni Cu-Al
Naziv mesing specijalni mesing kalajna bronza alpak aluminijumska bronza
Legure bakra dele se na: 1. legure bakra za gnječenje 2. legure bakra za livenje
28
Oznake CuZn37,CuZn38Pb CuZn20Al,CuZn40Al1 CuSn6,CuSn6Zn CuNi10Zn45Pb,CuNi25ZN15 CuNi5,CuNi30Fe CuAl8,CuAl8Fe
Legure bakra sa cinkom-MESINZI Sa porastom sadržaja cinka, čvrstoća i plastičnost mesinga prvo rastu, zatim naglo opadaju, dok tvrdoća stalno raste. Specijalni mesinzi
Najvažnije vrste mesinga su date u tabeli:
Naziv
Oznaka
Crveni tombak Svetlocrveni tombak Žuti tombak
CuZn10 CuZn20
Sadržaj Zn % 9...11 19...22
CuZn30
31...28
Mesing za obradu gnječenjem Mesing za kovanje Tvrdi mesing
CuZn37
35...28
CuZn40
38...41
CuZn40Pb2
40...44 +2% Pb
Primena Elektrotehnika i ukrasni predmeti Elektrotehnika i ukrasni predmeti, metalna creva Kondenzatorske i druge cevi za izmenjivaćče toplote, za duboko izvlačene čaure Osnovan legura za hladnu deformaciju, cevi, limovi, opruge, zavrtnji Za deformaciju u hladnom i toplom stanju:žice, okovi, brave, zavrtnji Osnovna legura za obradu strugotine,mesing za graviranje, zavrtnje, profile.
Kalajne bronze -su legure bakra sa kalajem, imaju primenu u mašinogradnji , zbog izuzetne otpornosti prema koroziji, velike otpornosti prema habanju, visoke tvrdoće i čvrstoće - zupčenici, zavrtnji, propeleri i dr. Specijalne bronze i druge legure bakra-pored bakra sadrže: aluminijum, olovo, nikl, mangan, silicijum i berilijum ( sa kalajem ili bez njega ). Imaju visoku otpornost prema koroziji, veliku električnu provodljivost i srednju tvrdoću i čvrstoću. Crveni liv -sadrži ~84% bakra, kalaja i cinka ( ponekad i olova ). Koriste se za izradu armature, vodovodnih i parovodnih inastalacija - koje su pri radu izložene povišenim temperaturama-do 325° C. Novo srebro - legura bakra, nikla i cinka. Dobro se obrađuje valjanjem, kovanjem i presovanjem, u hladnom i toplom stanju. Služe za izradu delova u preciznoj mehanjici i optici, dekorativnih predmeta, opruga i drugo. - Tvrdoća žarenog bakra je svega 40 HB. Bakar koji je usled deformacije očvrsnuo, ako se zagreje do 5500S i ohladi u vodi , izgubi ta stečena svojstva i ponovo postane mek i plastičan. Bakar se dobro obrađuje plastičnom deformacijom, može se valjati u veoma tanke limove i izvlačiti u veoma tanke žice. Dobro se spaja. Na temperaturi od 650 do 850 0S vrlo intenzivno upija gasove, zbog toga se loše lije, loše se obrađuje skidanjem strugotine. Otporan je na koroziju, a nije otporan na kiselinu i gasove koji sadrže sumpor. Bakar je nemagnetičan. Štetne primese u bakru su: olovo, sumpor, selen, telur, bizmut, antimon, vodonik i kiseonik, jer snižavaju električnu provodljivost bakra.
29
Osobine Zatezna čvrstoća Napon tečenja MPa Izduženje % Tvrdoća po Brinelu
Liveno 140 ÷ 190 MPa 15÷25 50 NV
Žareno 210 ÷ 240 MPa 40÷80 35÷50 40÷50 NV
Hladno deformisan 300÷440 MPa 200÷390 20÷25 75÷90 NV
20. OSNOVNE KARAKTERISTIKE NIKLA I NJEGOVE LEGURE Nikal se dobija iz minerala koji predstavljaju mešavinu jedinjenja nikla, bakra i kobalta. Postupak dobijanja metalurškog ili elektrolitičkog nikla je složen, sastoji se od pripreme sirovine, prečišćavanja od grubih jalovina, mlevenja, prženja, topljenja u pećima. Nikal je teški obojeni metal, kristališe po površinski centriranoj kubnoj rešetki. Izizetno je otporan prema koroziji, ima dobru vatrootpornost i magnetičan je do 3600S, i to su osobine zbog kojih se nikal primenjuje u mašinstvu, iako ima visoku cenu.Koristi se kao legirajući element u nerđajućim čelicima i kao osnovni element u vatrootpornim legurama. Najčešće korišćene legure nikla su monel (sa bakrom), inkonel (sa železom i hromom) i hasteloj (sa molibdenom i hromom). Nikal i njegove legure zbog izuzetne otpornosti na koroziju, dobrih mehaničkih svojstava i velike vatrootpornosti se koriste za najopterećenije mašinske delove (u gasnim turbinama i motorima ), za izradu alkalnih baterija i akumulatora, grejača itd. Tehnički čist nikal (99,9%) ima dobru provodljivost toplote i otpornost na visoke temperature i na oksidaciju (do1150ºC). Najčešće se koristi kao osnovni element u vatrootpornim legurama i kao legirajući element u nerđajućim čelicima Fizičko-mehanička svojstva nikla: - Gustina 8,89 gr/cm3 - Temperatura topljenja Tt = 14530C - Koeficijent linearnog širenja α=13,3·10-6 0S-1 - Modul elestičnosti E=205 Gpa - Zatezna čvrstoća (žarenog nikla) Rn~500 Mpa - Napon tečenja (žarenog nikla) ~ 150 Mpa - Procentualno izduženje (žarenog nikla) ~ 50% - Tvrdoća 75 NV. Upotreba nikla Koristi se za proizvodnju legura, sa bakrom gradi veoma kvalitetne legure raznovrsne primene. Koristi se za izradu delova u elektronskoj industriji, za alkalne baterije, za delove gasnih motora i turbina, za opremu u prehrambenoj, hemijskoj i petrohemijskoj industriji, kao i za galvansko prevlačenje čeličnih predmeta.
21. OSNOVNE KARAKTERISTIKE ALUMINIJUMA I NJEGOVIH LEGURA Osobine: - Nosi atomski broj 13, atomske mase 27 i spada u lake obojene metale, - Gustina čistog aluminijuma 2,7g/cm3 (tri puta lakši od železa), - Srebrnaste boje, kristališe po površinski centriranoj kubnoj rešetki, - Električna provodljivost mu je ~57% od električne provodljivosti bakra, - Temperatura topljenja Tt=6600C, - Zatezna čvrstoća 90÷180 MRa (zavisno od stanja prerade),
30
- Tvrdoća 20÷40 NV , - Veoma visoke plastičnosti (valjanje aluminijuma do veoma malih debljina – folija), - Teško se obrađuje rezanjem i - Otporan prema koroziji. Dobijanje aluminijuma Aluminijum se u prirodi nalazi u obliku različitih minerala kojih ima veoma mnogo. Osnovna ruda aluminijuma je boksit. Postupak dobijanja iz boksita je veoma složen i sastoji se iz nekoliko etapa. Osobine aluminijuma, posebno fizička svojstva, zavise od njegove čistoće (najčešće primese u tehnički čistom aluminijumu su: titan, vanadijum, hrom i mangan). Aluminijum je posle železa drugi po redu metal koji ima primenu u savremenoj mašinskoj tehnici. Upotrebljava se kao čist metal u elektrotehnici, prehrambenoj i hemijskoj industriji, ali ima značajniju primenu kod legiranja u mašinskoj industriji. Upotreba aluminijuma Koristi se kao legirajući element u legurama bakra i magnezijuma. Upotrebljava se kao dezoksidaciono sredstvo pri prečišćavanju čelika. Koristi se za izradu kuhinjskog pribora i aluminijumske galanterije.
ALUMINIJUM I LEGURE ALUMINIJUMA ZA LIVENJE SILUMINI -legure aluminijuma sa silicijumom 1. legure aluminijuma sa silicijumom i bakrom 2. legure aluminijuma sa bakrom 3. legure aluminijuma sa magnezijumom Legure aluminijuma dele se na: - legure za gnječenje (deformabilne) i legure za livenje. Označavanje legura aluminijuma Po JUS-u legure aluminijuma se označavaju slovnim i brojčanim simbolima( u osnovnoj oznaci) i brojčanim simbolima( koji slede osnovnu oznaku i od nje su odvojeni tačkom ). Prva slovna oznaka, u osnovnoj, pripada hemijskom simbolu aluminijuma ( osnovni metal ). Posle slovne oznake, u nizu se navode hemijski simboli legirajućih elemenata po uticajnosti, i brojčane oznake, koje pokazuju njihov procentualni sadržaj. Iza osnovne oznake nalazi se dvocifreni brojčani simbol koji označava stanje legura. 20-23 Proizvodno stanje
30-39 40 42-48 60-89 90-98 Stanje meko, Proizvodno Stanje hladne Termički Drugo stanje meko žareno i stanje plastične obtađeno stanje rekristalizovano deformacije Na primer, AlMg2Mn1.60 – označava leguru aluminijuma sa ~ 2% magnezijuma i ~ 1% mangana, a dodatna oznaka 60 pokazuje da je legura u termički obrađenom stanju. Legure aluminijuma za gnječenje mogu biti: 1. legure aluminijuma za gnječenje koje se termički ne obrađuju- imaju slabu čvrstoću, ali dobra svojstva plastičnosti. Imaju dobru zavarljivost, otporne su na koroziju, koriste se za izradu manje opterećenih delova, presovanih i duboko izvlačenih proizvoda i za zavarene
31
konstrukcije. 2. legure aluminijuma za gnječenje koje se termički obrađuju- moraju se termički obrađivati da bi im se poboljšala mehanička svojstva. Legiraju se bakrom, magnezijumom, silicijumom, cinkom i litijumom. Najvažnije legure aluminijuma, iz ove grupe, date su u tabeli: Legure Naziv Oznaka Osobine Primena Al-Cu-Mg durali AlCu3Mg Rm<470 MPa Za opterećene i jako opterećene AlCu5Mg1 110 HB konstrukcije AlCu5Mg2 A<17 % Al-Mg-Si aviali AlMgSi Rm<330 MPa Za srednje A<12 % opterećene,brodogradnja Al-Zn-Mg AlZn5Mg3CU1 Rm<520 MPa Avioindustrija,građevinarstvo A <12,5 % Duraluminijum, legura aluminijuma sa bakrom i magnezijumom, ima smanjenu korozionu postojanost, zgog čega se dopunski legira manganom. Štetna primesa u ovoj leguri je železo ( smanjuje čvrstoću i plastičnost ). Duraluminijum se dobro plastično deformiše, u hladnom i u toplom stanju. Termički se obrađuju ( kaljenje i starenje ) da se poboljšaju osobine. Aviali, imaju nižu čvrstoću od durala, ali im je plastičnost bolja ( od njih se izrađuju lake konstrukcije-cevi i šipke ) . Legure aluminijuma za livenje dele se u pet grupa: I grupa- legure aluminijuma sa silicijumom-(silumini); II grupa- legure aluminijuma sa silicijumom i bakrom; III grupa- legure aluminijuma sa bakrom; IV grupa –legure aluminijuma sa magnezijumom; odlikuju se visokim mehaničkim svojstvima i velikom otpornošću prema koroziji; koriste se za izradu lakih odlivaka zatransportne mašine; V grupa -legure aluminijuma sa drugim komponentama, u koje pored nabrojanih spadaju i nikl, cink i titan.
Slika- 1 Slika- 2 Slika - 3 Slika 1- Bakar se u duraluminijumu nalazi u obliku jedinjenja (CuAl2), a silicijum u jedinjenju sa magnezijumom (Mg2Si). Ta jedinjenja, na normalnoj temperaturi, nalaze se najveđim delom na granicama zrna legure, a delimično i u obliku čvrstog rastvora u kristalima aluminijuma. Kada se ova legura zagreje do 5000 S počinju procesi difuzije, pri čemu se jedinjenja šire po celokupnoj masi legure i rastvaraju u mreži kristala aluminijuma– struktura sa usitnjenim zrnima (na slici 2). Jedinjenja su difundovala u zrnca aluminijuma i čestice jedinjenja nisu više na granicama zrna – takva legura je plastična i može se obrađivati deformacijom. Ako se legura u takvom stanju (čvrstog rastvora) naglo ohladi u vodi sobne temperature, dolazi do kaljenja legure. Kaljenjem se zarobljavaju čestice legirajuđih elemenata Cu, Mg, Siu mrežicama kristala aluminijuma. To stanje nije stabilno, jer se čestice jedinjenja odmah posle kaljenja povlače iz mrežica (suprotno procesu difuzije) i grupišu se unutar zrna (slika 3). Najpoznatije legure aluminijuma za livenje su silumini i koriste se u automobilskoj i avioindustriji. Otporne su prema dejstvu korozije, imaju zadovoljavajuće mehaničke osobine i dobro se zavaruju. Običan silumin sadrži 12-13% Si. U procesu livenja siluminu može da se doda mala količina natrijuma(modificiranje), zbog čega se menjaju struktura i osobine.
32
22. OSNOVNE KARAKTERISTIKE TITANA I VOLFRAMA I NJIHOVIH LEGURA Titan je metal male gustine iz grupe lakih obojenih metala. Dobija se iz svojih brojnih ruda, složenim i dugotrajnim postupkom koji se svodi na: grubo prečišćavanje, drobljenje i mlevenje rude i odvajanje delova koji ne sadrže titan. Ovaj metal ima dobre mehaničke karakteristike i na povišenim temperaturama. Ima svojstvo polimorfije (na 16650S iz tečnog stanja kristališe u prostorno centriranu kubnu rešetku. Daljim hlađenjem na 8820S prelazi u heksagonalnu gusto pakovanu rešetku. Primena titana i njegovih legura je ograničena zbog visoke cene i svodi se na konstrukcione delove gasnih motora i turbina, kao i na opremu u prehrembenoj, hemijskoj i petrohemijskoj industriji.Legure titana se koriste za delove mlaznih i raketnih motora. Ima dobra mehanička svojstva (u žarenom stanju): Volfram-W: Ima svetlosivu boju,gustina mu je 19,3 g/cm³,temperatura topljenja Tt=3380ºC(najveća temperatura topljenja od svih metala).Hemijski je otporan na delovanje vlage,vazduha,kiselina,baza.Ima dobru tvrdoću i čvrstoću.Koristi se :za legiranje čelika,kod tvrdih legura (žice za sijalice i elektronske cevi) - veliku tvrdoću i čvrstoću (Rm~330MRa), - izuzetno otporan prema koroziji, - ima dobru vatrootpornost, - modul elastičnosti E=126 Gra, - procentualno izduženje ~30%.
28. MAGNEZIJUM I NJEGOVE LEGURE Magnezijum je metal srebrnasto-bele boje, male gustine 1,74g/cm³ . Temperatura topljenja mu je Tt=650°C, pali se na 700°C i gori blještavim plamenom (koristi se u pirotehnici). Kristališe u heksagonalnu gusto pakovanu rešetku. Ima slaba mehanička svojstva (poboljšavaju se legiranjem aluminijumom, cinkom, silicijumom i manganom) i slabu otpornost prema koroziji (pa se moraju zaštititi). Lako se vezuje sa kiseonikom stvarajući porozan oksid koji ne štiti od korozije. Legure magnezijuma, konstruktivno najlakši materijali - zbog male gustine koriste se u vazduhoplovstvu, u proizvodnji raketa, brodogradnji i industriji automobila. Legiraju se: Al (poboljšava mehanička svojstva), Zn (povećava % izduženja) i malim % Mn. Dele se na: legure za livenje i legure za gnječenje. Mehanička svojstva (u žarenom stanju): - modul elastičnosti E=45GPa, - zatezna čvrstoća Rm~115MRa, - napon tečenja ~25 MRa i - procentualno izduženje ~8%. Slaba mehanička svojstva (mala čvrstoća i plastičnost) mogu se povećati legiranjem: aluminijumom, cinkom i manganom. Tada se legure magnezijuma koriste za manje opterećene delove automobila i aviona.
33
24. CINK I NJEGOVE LEGURE; TVRDE LEGURE I LEGURE ZA KLIZNE LEŽAJEVE Cink ima svetlo-plavičastu boju i krupnozrnastu strukturu, kristališući po heksagonalno gusto pakovanoj rešetki. Gustina mu je 7,13 g/cm3, a temperatura topljenja 4200S ( isparava na 9000S). Na temperaturi od 5000S uz prisustvo kiseonika – sagoreva plavičastim plamenom prelazeći u cinkov oksid. Ima relativno loša mehanička svojstva (mala čvrstoća i tvrdoća ).Primena u mašinstvu svodi se na galvanske prevlake čeličnih limova (radi zaštite od korozije). Legure cinka za livenje (sa aluminijumom, bakrom i magnezijumom) koriste se za odlivke složenijeg oblika koji su slabo opterećeni (npr. karburatori sus motora). Dobro se lije, teže lemi i zavaruje , slabo se obrađuje skidanjem strugotine .Koristi se kao legirajući element kod: mesinga, novog srebra...Legure cinka se koriste kao nisko-topljive legure a lemove. Obojeni metali u čistom stanju nemaju veću konstruktivnu primenu, ,jer su im slaba mehanička svojstva - pa se koriste u obliku legura. Legura je mehanička smeša , čvrsti rastvor ilihemijsko jedinjenje dvaju ili više metala, tj. metala i nemetala. Legure mogu biti: dvojne, trojne i složene. Castavni elementi legure dele se na : - osnovni element - glavne dodatne elemente (utiče na karakter) - sporedne dodatne elemente i nečistoće (ne utiče na karakter ali menja neke osobine)i nečistoće (nepovoljno utiču na svojstva legura). Središnji deo : Legure za klizne ležaje su one koje se koriste za izradu košuljica kliznih ležišta (deo koji se dodiruje sa rukavcem osovine ili vratila ) .Obuhvataju: sivo liveno gvožđe,bronze, lako topive legure (na bazi kalaja, cinka, olova i aluminijuma) i sintetički plastični materijali. Ove legure imaju sledeća svojstva: - dobra čvrstoća na pritisak - mali koeficijent trenja (na kontaktnoj površini nalazi se sredstvo za podmazivanje) - dobra otpornost prema habanju - neznatno zagrevanje pri radu - odgovarajuća mikrostruktura (legure za klizna ležišta u svojoj strukturi moraju da imaju i tvrde i mekane kristale ). Tvrde legure su veoma tvrde, krte, postojane na visokim temperaturama, otporne na habanje i koroziju, hemijski su postojane. Sastavljene su od karbida nekih tvrdih metala (volframa,titana, hroma, tantala i veziva-kobalta). Prema načinu proizvodnje dele se na: 1 - LIVENE-do 1000°C zadržavaju dobru tvrdoću . Koriste se za nanošenje na površine radnih elemenata, alata - za presovanje, kovanje, valjanje, izvlačenje, vrhove mernih instrumenata i pribora ili uređaja (gde izdržavaju površinske pritiske i trenje) i dr. 2 - SINTEROVANE - dobijaju se presovanjem praha pod visokim pritiskom i pečenjem na visokim temperaturama . Dobru tvrdoću zadržavaju do 927°C. Upotreba za izradu pločica reznih alata .
25. OBOJENI METALI I LEGURE OBOJENIH METALA , utvrđivanje Metali se dele na : crne-gvožđe, i obojene -svi ostali metali. Najvažniji obojeni metali su : bakar, aluminijum, nikal, titan, magnezijum, cink i dr. Obojeni metali se dele na : -teške obojene metale : Cu, Pb, Zn, Ni, Co i dr. -lake obojene metale : Al, Mg ,Ti ,Li i dr. -plemenite metale : Au, Ag, Pt -retke metale : W, Va, Mo , selen, uran, cirkonijum i dr. Legura je mehanička smeša , čvrsti rastvor ili
34
hemijsko jedinjenje dvaju ili više metala, tj. metala i nemetala. Legure mogu biti: dvojne, trojne i složene. Sastavni elementi legure dele se na : - osnovni element - glavne dodatne elemente (utiče na karakter) - sporedne dodatne elemente i nečistoće (ne utiče na karakter ali menja neke osobine) i nečistoće (nepovoljno utiču na svojstva legura).
26. SIROVO GVOŽĐE Proizvodnja sirovog gvožđa Gvožđe kao metal u prirodi ne nalazi se u slobodnom stanju, već u obliku minerala, tj. svojih jedinjenja sa drugim elementima. Rude gvožđa su: magnetit, hematit, limonit, siderit, pirit. Priprema ruda za preradu u visokoj peći svodi se na prečišćavanje od nečistoća i oblikovanja rude. Ruda ne sme dospeti u peć u vidu krupnih komada ili prašine, već u komadima određene veličine. Sirovo gvožđe se proizvodi korišćenjem koksa kao redukcionog sredstva uz prisustvo vazduha i dodataka: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 Sirovo gvožđe se koristi za proizvodnju čelika i livenog gvožđa. Sistem visoke peći čine: visoka peć, uređaji za punjenje i pražnjenje peći, uređaji za grejanje vazduha i pomoćni uređaji. Kao gorivo za visoku peć koks je pogodan zato što ima veliku toplotnu moć, zatim zato što je tvrd( izdržava pritiske) a i porozan je (šupljikav) pa dobro i potpuno sagoreva. Hemijski procesi u visokoj peći Kada se prvi sloj koksa u visokoj peći raspali, povećava se temperatura. Pošto se ruda nađe na povišenoj temperaturi i u neposrednom dodiru sa ugljenikom iz koksa, dolazi do sjedinjavanja ugljenika i kiseonika iz rude (oduzimanja kiseonika iz rude) i do pojave čistog gvožđa, to je direktna redukcija: Fe3O4 + 4C → 3Fe + 4CO ili Fe2O3 +3C → 2Fe +3CO Kod indirektne redukcije ne oduzima se sav kiseonik iz rude, već se proces odvija postepeno: Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 a potom FeO + CO → Fe +CO2 Struktura sirovog gvožđa Sirovo gvožđe nema neku upotrebnu vrednost,ono je polazna sirovina za proizvodnju raznih vrsta čelika i livenih gvožđa. Primese u sirovom gvožđu (C, Mn, Si, P, S ) različito utiču na njegova svojstva, neke pozitivno, neke negativno. Sirovo gvožđe najviše sadrži jedinjenja gvožđa sa ugljenikom,tj. gvozdenog karbida( Fe3C) koji ima presudan uticaj na svojstva i strukturu. Kad se masa sirovog gvožđa ohladi do temperature očvršćavanja, stvoriće se prvi centri kristalizacije, a potom zrna sačinjena od kristala gvožđa.Pošto je grafit crne boje, kristali gvožđa svetlo sivi, ovakvo ( sporo) hlađeno gvožđe će biti sivo. Zato se ova vrsta sirovog gvožđa zove SIVO SIROVO GVOŽĐE.
35
Ukoliko se sirovo gvožđe naglo ohladi, sprečiće se raspadanje gvozdenog karbida, pa će on ostati vezan i kao jedinjenje će kristalisati. Pošto se između zrna gvozdenog karbida ne pojavljuju crni grafitni listići, ovako dobijeno gvožđe biće svetlo, pa se naziva BELO SIROVO GVOŽĐE.
27. UGLJENIČNI ČELICI Uvodni deo: Čelici mogu da se podele prema: • •
-hemijskom sastavu, -nameni,
•
-strukturi,
•
-načinu dobijanja,
•
-kvalitetu i
•
-obliku i stanju poluproizvoda.
Prema hemijskom sastavu, čelici se dele na: 1. -ugljenične čelike i 2. -legirane čelike. Prema nameni, čelici se dele na: • •
-konstrukcione čelike, -alatne čelike i
•
-čelike sa posebnim svojstvima.
Prema strukturi, čelici mogu da budu: feritni, podeutektoidni, eutektoidni, nadeutektoidni, ledeburitni, austenitni i martenzitni.
36
Prema načinu dobijanja, razlikuju se Tomasov, Besemerov, Simens-Martinov i elektro-čelik. Prema kvalitetu, tj. sadržaju sumpora i fosfora, čelici se dele na: -čelike običnog kvaliteta (ugljenične) sa sadržajem sumpora do 0,06% i fosfora do 0,07%, -kvalitetne čelike (ugljenični i legirani) sa sadržajem sumpora 0,035 – 0,04% i fosfora 0,035 – 0,04%, -visoko kvalitetne čelike (legirani) sa sadržajem sumpora do 0,025% i fosfora do 0,025%. -plemenite čelike (legirani) sa sadržajem sumpora do 0,015% i fosfora do 0,015%. Prema obliku i stanju poluproizvoda, čelici se dele na: valjane, vučene, kovane, livene, brušene, presovane i ljuštene. Ugljenični čelici su osnovni materijal u mašinskoj industriji, to su legure železa i ugljenika(sa sadržajem C do 2,0%) u kojima su prisutne primese. Ugljenik je osnovni i najuticajniji element od kojeg zavise struktura i osobine čelika. Prema sadržaju ugljenika, ovi čelici se dele na: • •
niskougljenične - do 0,25% C , srednjeugljenične - od 0,25% do 0,6% C ,
•
visokougljenične - preko 0,6% C .
Prema nameni, ugljenični čelici se dele na: 1. konstrukcione, do 0,6% C , 2. alatne, preko 0,6% C . Središnji deo: UTICAJ UGLJENIKA NA STRUKTURU I SVOJSTVA UGLJENIČNIH ČELIKA
37
Prema metastabilnom dijagramu stanja, sa porastom sadržaja ugljenika struktura čelika se menja od feritne, feritno-perlitne, perlitne do perlitnocementitne. Prema tome, mehanička svojstva ugljeničnih čelika zavise od sadržaja ugljenika. Kod podeutektoidnih čelika sa porastom sadržaja ugljenika značajno raste zatezna čvrstoća, R m, u manjoj meri napon tečenja, ReH, i tvrdoća, a smanjuje se izduženje, A , i kontrakcija, Z . Kod nadeutektoidnih čelika sa porastom sadržaja ugljenika i dalje rastu napon tečenja i tvrdoća. Zatezna čvrstoća raste do 1.2% C, kada dostiže maksimum, a potom opada. Ovo može da se objasni povećanjem količine sekundarnog cementita koji se izdvaja na granicama perlitnih zrna pri porastu sadržaja ugljenika. To dovodi do smanjenja zatezne čvrstoće, a nema uticaja na tvrdoću i napon tečenja.
UTICAJ PRIMESA NA STRUKTURU I SVOJSTVA UGLJENIČNIH ČELIKA
Osim ugljenika, u sastav čelika ulaze i drugi elementi koji se smatraju pratećim, skrivenim ili slučajnim
38
primesama, što je šematski prikazano na sledećoj slici:
28. LEGIRANI ČELICI Uvodni deo: Legirani čelici osim ugljenika sadrže i druge legirajuće elemente, koji se dodaju radi poboljšanja zahtevanih svojstava.Dele se prma broju, sadržaju i vrsti legirajućih elemenata. Središnji deo: Prema broju legirajućih elemenata, čelici se dele na jednostruko i višestruko legirane. Prema ukupnom sadržaju legirajućih elemenata, čelici se dele na: - nisko legirane –do 5% legirajućih elemenata i - visoko legirane – više od 5% legirajućih elemenata. Nisko legirani čelici imaju istu strukturu i slične osobine kao ugljenični čelici, a visoko legirani čelici, po pravilu imaju,specijalna svojstva koja nemaju ugljenični i nisko legirani čelici... Prema vrsti legirajućih elemenata razlikuje se više grupa čelika, koji se nazivaju prema legirajućim elementima: Cr-Ni čelici, Cr čelici, Ni čelici, Mo čelici, Cr-Mo-V čelici, Mn čelici, Si čelici. UTICAJ LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA STRUKTURU I SVOJSTVA ČELIKA Za svaki element određena je gornja granica do koje se on smatra primesom, odnosno legirajućim elementom preko te granice. OVA TABELA OZNAČAVA MINIMALNI SADRŽAJ LEGIRAJUĆIH ELEMENATA U ČELICIMA: ELEMENT Si Mn Cr Ni W Mo V Co Ti Cu Al Min. 0,60 0,80 0,30 0,30 0,10 0,08 0,01 0,10 0,05 0,4 0,10 Sadržaj(%) Legirajući elementi u čeliku mogu da: -se rastvaraju u α i γ-železu, gradeći čvrste rastvore; -stvaraju sopstvene karbide ili se rastvaraju u cementitu; -stvaraju intermetalna jedinjenja ili jedinjenja sa nemetalima i -budu u elementarnom obliku. OVA TABELA OZNAČAVA UTICAJ LEGIRAJUĆIH ELEMENATA NA STVARANJE ODGOVARAJUĆIH STRUKTURA U LEGIRANIM ČELICIMA: ELEMENT Čvrst rastvor Legirani KARBID Jedinjenje Element. stanje cementit Nikl Ni Ni3Al Silicijum Si SiO2MxOy Mangan Mn (Fe, Mn)3C MnS;MnOSiO2 Hrom Cr (Fe, Cr)3C Cr7C3;Cr23C6 Molibden Mo Mo2C Volfram W W 2C Vanadijum V VC Titan Ti TiC
39
Niobijum Nb NbC Aluminijum Al Al2O3; AIN Olovo Uticaj legirajućih elemenata može se opisati na sledeći način:
Pb
- Sa povećanjem sadržaja mangana povećavaju se zatezna čvrstoća i tvrdoća, u manjoj meri i napon tečenja, dok se žilavost smanjuje. - Sa povećanjem sadržaja silicijuma povećavaju se napon tečenja i zatezna čvrstoća, a smanjuju se sposobnost deformisanja i žilavost itd. - Do sadržaja 5÷6% Cr, povećavaju se zatezna čvrstoća, napon tečenja i sposobnost deformisanja, a iznad tog sadržaja ova svojstva opadaju. Sadržaj Cr iznad 1% smanjuje žilavost. Povećanjem sadržaja Cr, povećava se otpornost prema oksidaciji na povišenim temperaturama i otpornost prema koroziji. - Do sadržaja od 10% Ni povećavaju se napon tečenja i zatezna (i žilavost na niskum temperaturama) čvrstoća, a delimično smanjuje sposobnost deformisanja. - Molibden, vanadijum i volfram imaju sličan uticaj na zateznu čevrstoću, tvrdoću i povećanje napona tečenja, uz smanjenje žilavosti. Ovi elementi popravljaju mehaničke osobine i otpornost prema koroziji na povišenim temperaturama. - Aluminijum u čeliku povećava zateznu čvrstoću, otpornost prema oksidaciji (na povišenim temperaturama), ali smanjuje plastičnost i žilavost. - Povećanjem sadržaja bakra povećavaju se zatezna čvrstoća, napon tečenja, otpornost prema koroziji (čak i u morskoj vodi), ali se smanjuje žilavost. - Titan povećava zateznu čvrstoću i otpornost prema koroziji, ali smanjuje žilavost. - Olovo povećava krtost strugotine, pa se koristi kod čelika za automate.
29. KONSTRUKCIONI ČELICI Od konstrukcionih čelika se zahteva da ima dobra mehanička svojstva, da se dobro obrađuju rezanjem i deformisanjem. Prema čvrstoći se dele na: 1. čelike niske čvrstoće, Re < 250 M Pa , 2. čelike srednje čvrstoće, 250 M P a < R e < 750 M P a, 3. čelike visoke čvrstoće, 750 M P a < R e < 1550 M P a, 4. čelike ultra visoke čvrstoće, R e > 1550 M P a. Ugljenični konstrukcioni čelici pripadaju prvoj grupi, a legirani čelici drugoj, trećoj ili četvrtoj.
40
Konstrukcioni čelici se koriste za čelične konstrukcije ili konstrukcione elemente u mašinogradnji. OPŠTI KONSTRUKCIONI ČELICI U ovu grupu čelika spadaju ugljenicni i nisko legirani čelici sa utvrđenim mehaničkim svojstvima. Opšti konstrukcioni čelici se primenjuju za izradu zavarenih konstrukcija i cevovoda, u visokogradnji, hidrogradnji i mašinogradnji. Opšti konstrukcioni čelici svrstani su u šest grupa: *grupi O pripada čelik čija je oznaka Č 0000, koji se koristi za neodgovorne delove ; *grupi A pripadaju čelici čija se osnovna oznaka završava brojem 0; koriste se za odgovorne zavarene konstrukcije kod kojih ne postoji opasnost od loma; *grupi V pripadaju čelici čoja se oznaka završava brojem 1; koriste se za odgovorne zavarene konstrukcije; *grupi C pripadaju čelici čija se oznaka završava brojem 2; koriste se za odgovorne zavarene konstrukcije; *grupi D pripadaju čelici čija se osnovna oznaka završava brojem3; koriste se za odgovorne zavarene konstrukcije; *grupi M pripadaju čelici čija se oznaka završava brojem 5; koriste se za odgovorne mašinske delove. Finozrni konstrukcioni čelici To su potpuno umireni čelici koji se koriste za izradu : cevovoda za visoke pritiske, posuda pod pritiskom, elemenata drumskih vozila, cisterni za prevoz gasa i dr. Sitnozrnastu, finu strukturu im obezbeđuju elementi: vanadijum, niobijum, titan – koji se vezuju u nitride (ili nitride i karbide). Ova grupa čelika obuhvata: • •
osnovne čelike čelike za povišene temperature i
•
čelike za niske temperature.
Čelici za cementaciju Čelici za cementaciju su konstrukcioni čelici sa malim procentom ugljenika, koriste se za delove čiji se površinski sloj cementira( termohemijski seobogaćuje ugljenikom) ili karbonitrira( istovremeno se termohemijski obogaćuje azotom i ugljenikom). Posle termičkih obrada postiže se velika tvrdoća, otpornost prema habanju i koroziji( površinskog sloja), a jezgro zadržava dobru žilavost.Ovi čelici mogu biti: - ugljenični (za izradu delova jednostavnih oblika i malih dimenzija- ručice, rukavci, poluge, zglobovi i drugih, izloženih habanju i malim opterećenjima ) - niskolegirani ( legirani su: hromom, manganom, niklom, molibdenom ), koriste se za izradu delova
41
većih dimenzija,kod kojih se zahteva visoka tvrdoća površinskog sloja, dobra čvrstoča i žilavost jezgra. Čelici za poboljšanje Posle termičkih obrada imaju dobru plastičnost, visoku vrednost: dinamičke čvrstoće,napona tečenja i zatezne čvrstoće, dovoljnu žilavost. Dele se na: - ugljenične ( za manje opterećene delove ) i za opterećenije delove ( kolenasta vratila, bregaste osovine, osovinice, zavrtnje, zupčanike) - legirani , za delove većeg poprečnog preseka ,koriste se čelici legirani hromom, niklom, molibdenom i vanadijumom. Imaju visoku vrednost zatezne čvrstoće i napona tečenja, dobru žilavost i visoku vrednost dinamičke čvrstoće. Čelici za opruge Moraju da imaju što veći napon tečenja, visoku vrednost granice elastičnosti, dobru dinamičku čvrstoću i zadovoljavajuću žilavost. ČELICI ZA AUTOMATE Uvodni deo: Karakteristično svojstvo čelika za automate je da se pri obradi rezanjem obrazuje kratka i krta strugotina, koja se lomi na malom rastojanju ispred sečiva alata za rezanje. Obrazovanje ovakva strugotine obezbeđuje bolje odvođenje toplote sa obrađivane površine, što omogućava veće brzine rezanja, veću postojanost alata, kao i dobijanje čiste i glatke površine obrađivanih delova.Čelici za automate se legiraju i sa manjom količinom olova. Koriste se za masovnu proizvodnju malo odgovornih delova od kojih se ne zahtevaju visoka mehanička svojstva. U čelike ove grupe spadaju Č3990, Č3190, Č1590. ČELICI OTPORNI PREMA HABANJU Za delove izložene habanju u uslovima visokih pritisaka i udara upotrebljava se visokolegirani manganski čelik Č3160. Niskolegirani čelik Č3134 upotrebljava se kada je primena visokolegiranih manganskih čelika otpornih prema habanju necelishodna iz ekonomskih razloga ili zbog teške obrade. VATROOTPORNI ČELICI Vatrootporni čelici su otporni prema hemijskom razaranju površina u atmosferi vazduha ili gasova na temperaturama višim od 550°C, kada su malo opterećeni ili neopterećeni. Ugljenični čelici nisu pogodni za ovakve radne uslove, pošto njihova površina intenzivno oksidiše i razara se već na temperaturama od oko 300°C. Temperatura do koje se mogu upotrebljavati vatrootporni čelici zavisi od sadržaja legirajućih elemenata i radne atmosfere. Vatrootporni čelici, legirani hromom, niklom i aluminijumom upotrebljavaju se za izradu pregrejača vazduha, ventilatora, gorionika, kada za termičku i termohemijsku obradu, izduvnih sistema, gasnih turbina i motora SUS i drugih delova termoenergetskih postrojenja. ČELICI ZA RAD NA POVIŠENIM TEMPERATURAMA
Čelici za rad na povišenim temperaturama upotrebljavaju se za izradu delova koji su u eksploataciji izloženi visokim opterećenjima i povišenim temperaturama u toku dužeg vremenskog perioda. Čelici za rad na povišenim temperaturama mogu da se razvrstaju prema radnoj temperaturi: -do 350°C upotrebljavaju se opšti konstrukcioni,ugljenični i niskolegirani čelici u pobonjšanom
42
stanju, -od 400 do 550°C upotrebljavaju se niskolegirani čelici; -od 500 do 600°C upotrebljavaju se visokolegirani čelici.Ovi čelici se koriste za lopatice,diskove i rotore turbina,kao i za ventile automobilskih i avionskih motora. NERĐAJUĆI ČELICI Nerđajući čelici se odlikuju visokom otpornošću prema koroziji,koja se postiže obrazovanjem tankog,tvrdog i kompaktnog površinskog sloja,koji štiti metal od dalje korozije. Nerđajući čelici su visokolegirani,a pored najmanje 12.5% hroma sadrže i nikl, molibden, bakar, titan, silicijum, mangan i niobijum. Nerđajući čelici koriste se za izradu pribora za jelo,elemenata opreme u kuhinjama i restoranima i hirurških instrumenata. Osim toga, ovi čelici se koriste za kotrljajne ležaje, ventile, opruge, merne instrumente, delove peći itd.
30. ALATNI ČELICI I ČELIČNI LIV Alatnim čelicima nazivaju se ugljenični i legirani čelici,koji imaju visoku tvrdoću i otpornost prema habanju,a upotrebljavaju se za izradu različitog alata za obradu metala i drugih materijala.Pored dobrih mehaničkih svojstava čelici za alate moraju da imaju i druga važna sredstva, kao što su: • •
dobra toplotna stabilnost otpornost prema razugljeničenju povrsinskog sloja i oksidacije
•
odgovarajuća toplotna provodljivost
•
mali koeficijent linearnog širenja na temperaturama kojima je alat izložen u toku rada
•
dobra obrada brušenjem.
Najvažnije grupe alatnih čelika su: • •
ugljenični alatni čelici, legirani alatni čelici za rad u hladnom stanju,
•
legirani alatni čelici za rad u toplom stanju i
•
visokolegirani brzorezni alatni čelici.
UGLJENIČNI ALATNI ČELICI Ugljenični alatni čelici sadrže 0.6 - 1.4% C .Karakteristična su im sledeća svojstva: • •
visoka tvrdoća, dobra otpornost prema habanju koja se zadržava samo do 150°S,
•
alat od ugljeničnih alatnih čelika ima relativno dobru žilavost.
Od ugljeničnih alatnih čelika može se izrađivati alat jednostavnog oblika i manjih dimenzija.Ugljenični alatni čelici se dele na sledeće grupe: 1.
I kvalitetna grupa,
43
2.
II kvalitetna grupa,
3.
III kvalitetna grupa,
4. čelici za turpije i 5. čelici za kose. U I kvalitetnu grupu ugljeničnih alatnih čelika spadaju Č1941, Č1944, koji se upotrebljavaju za izradu alata gde je potrebna tvrda površina i povećana žilavost. U II kvalitetnu grupu ugljeničnih alatnih čelika spadaju Č 1740, Č 1840, Č 1940 i Č 1943, koji su namenjeni za izradu čekića i alata za kovanje, reznog alata i turpija za drvo itd. U III kvalitetnu grupu ugljeničnih alatnih čelika spada čelik Č 1540, koji se zbog lošijih svojstava koristi za izradu sitnog alata. Čelici za turpije koriste se za izradu turpija srednjih i malih dimenzija( Č1741, Č1946 i Č1948) . Čelici za kose su ugljenični alatni čelici visoke tvrdoće. U ovu grupu spada čelik Č 1841 namenjen za izradu svih vrsta kosa. LEGIRANI ALATNI ČELICI ZA RAD U HLADNOM STANJU U legirane alatne čelike za rad u hladnom stanju ubrajaju se čelici namenjeni za oblikovanje i mehaničku obradu do 200°S. Ovi čelici primenjuju se za alate za prosecanje i probijanje,udarne alate,alate za presovanje i vučenje, delove drobilica, mlinova i bagera, alate za poljoprivredu i merne alate. Primeri su: Č6441, Č4755, Č8140,Č4843 i Č7440 . LEGIRANI ALATNI ČELICI ZA RAD U TOPLOM STANJU U legirane alatne čelike za rad u toplom stanju ubrajaju se čelici namenjeni za izradu alata za kovanje i presovanje šipki i cevi,alata za livenje pod pritiskom,alata za izradu valjaka,matica,zakovica i čepova.Legirani alatni čelici za rad u toplom stanju su Č4751,Č7450 i Č6450 .
BRZOREZNI ALATNI ČELICI Brzorezni alatni čelici su toplotno postojani,tj. zadržavaju visoku tvrdoću i otpornost prema habanju na povišenim temperaturama koje se pojavljuju na površinama alata pri rezanju velikim brzinama. Brzorezni alatni čelici spadaju u visokolegirane čelike. Prema stepenu uticaja legirajućih elemenata brzorezni čelici se dele na molibdenske, volframske i kobaltne. Molibdenski i kobaltni brzorezni čelici odlikuju se visokom otpornošću prema habanju i relativno dobrom žilavošću. Volframski brzorezni čelici se koriste za visoko opterećene alate pri velikim brzinama rezanja i za grubu obradu pod najtežim uslovima. ČELIČNI LIV Čelični liv je legura železa i ugljenika, od koje se izrađuju odlivci za rad u uslovima dinamičkog opterećenja kada se ne preporučuje upotreba gvožđa. Podela čeličnih livova prema nameni je analogna
44
podela čelika, tako da se čelični liv do 0,6%S smatraju konstrukcionim, a preko 0,6%S alatnim. Ima dobra mehanička svojstva i može da se lije. Čelični liv ima lošija svojstva livenja jer se više skuplja i zahteva višu temperaturu ulivanja, Svojstva livenja se popravljaju sa povećanjem sadržaja ugljenika, ali se istovremeno smanjuje žilavost čeličnog liva. Zavisno od sastava, konstrukcioni čelični livovi se dele na niskougljenične, srednjeugljenične, visokougljenične i legirane. Niskougljenični čelični liv koristi se za izradu malo opterećenih odlivaka. Srednjeugljenični čelični liv se koristi za izradu veoma opterećenih odlivaka. Visokougljenični čelični liv koristi se za izradu opterećenih odlivaka izloženih habanju. Legirani čelični livovi se dele na manganske, hromove i višestruko legirane. Osnovni razlozi za legiranje su povećanje otpornosti prema habanju, otpornosti prema koroziji i vatrootpornosti.
31. OZNAČAVANJE ČELIKA PO JUS-U Prema standardu JUS C.B0.002 , čelici se označavaju nizom slovnih i brojčanih simbola. Opšta oznaka čelika ovako se predstavlja: Č XXXX(X).X(X…)X(X…)
45
Č- slovni simbol: – oznaka za čelik , ili Č L – oznaka za čelični liv; - osnovna oznaka sastoji se od četiri ili pet brojčanih simbola kojima se označava vrsta čelika; - dopunska oznaka – sastoji se od jednog, dva ili više brojčanih ili slovnih simbola ili njihovih kombinacija, kojima se označava namena, odnosno stanje proizvoda; - ostale dopunske oznake – sastoje se od jednog, dva ili više brojčanih ili slovnih simbola ili njihovih kombinacija, kojima se po potrebi označavaju druge karakteristike čelika. Prema standardu – čelici su svrstani u dve grupe: 1) Čelici sa utvrđenim mehaničkim svojstvima i 2) Čelici sa utvrđenim hemijskim sastavom i mehaničkim svojstvima. Čelici sa utvrđenim mehaničkim svojstvima u osnovnoj oznaci imaju: - na prvom mestu broj 0, na drugom mestu broj koji označava nazivnu, odnosno minimalnu vrednost zatezne čvrstoće koja je utvrđena za čelike u toplooblikovanom ili normalizovanom stanju. Značenje simbila dato je u tabeli 1; - na trećem, četvrtom i petom mestu broj koji označava pripadnost čelika podrupi (tabela 2). Primer oznale čelika sa utvrđenim mehaničkim svojstvima je: Č.0545, kod kog 0 označava pripadnost navedenoj grupi, 5 označava zateznu čvrsdtoću (480-580 MPa ), a 45 označava da je sadržaj S i P ograničen. Ugljenični i legirani čelici iz obe grupe u osnovnoj oznaci imaju: - za ugljenične čelike na prvom mestu cifru 1; - za legirane čelike na prvom mestu brojčani simbol najuticajnijeg legirajućeg elementa (tabela 3) . Najuticajnijim legirajućim elementom smatra se onaj element koji ima najveći prozvod sadršaja i faktora uticajnosti (tabela 4); - za ugljenične čelike na drugom mestu je desetostruka vrednost maksimalnog sadržaja ugljenika zaokruženog na desetine; - za legirane čelike na drugom mestu je brojčani simbol elementa drugog po uticaju. Kod jednostruko legiranih čelika simbol na drugom mestu je 1; - na trećem, četvrtom i petom mestu je brojčani simbol koji označava podrgrupu čelika po nameni (tab.5).
46
Primeri oznake čelika sa utvrđenim hemijskim sastavom i mehaničkim svojstvima su: - Č.1840, kod kog 1 označava da se radi o ugljeničnom čeliku, 8 označava sadržaj ugljenika (približno 0,8%), a 40 označava da se radi a alatnom čeliku. - Č.4570, kod kog 4 označava da je Cr najuticajniji legirajući element, 5 označava da je Ni drugi legirajući element po uticajnosti, a 70 označava da se radi o hemijskim postojanom i vatrootpornom čeliku. Dopunske oznake za namene, odnosno stanje osnovnih proizvoda od čelika, date su u tabeli 6 Tabela 1. – Značenje simbola na 2.mestu osnovne oznake čelika sa utvrđenim svojstvima Rm, - <320 320 - 360380480680780- >880 MPa 360 380 480 580 580780 880 780 SIMBOL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tabela 2. - Značenje simbola na 3,4 i 5. mestu osnovne oznake čelika sa utvrđenim svojstvima
SIMBOL
PODGRUPA ČELIKA
00 - 44 101 - 449 45 - 79 451 - 799 80 – 99 801 -999
Ugljenični čelici bez utvrđenog sadržaja S i P Slobodno Čelici sa ograničenim sadržajem S i P. Za čelike iz ove podgrupe Delimično se ograničava sadržaj S i P Čelici sa ograničenim sadržajem S i P, delimično utvrđenim sadržajem C,Si i Mn, i sa legirajućim elementima koji se dodaju zbog postizanja što boljih mehaničkih svojstava Na petom mestu se ne koristi broj 0. Tabela 3 – Brojčani simbol za najuticajnije legirajuće elemente Simbol 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Legirajući C Si Mn Cr Ni W Mo Va ostali element Tabela 4.- Faktor uticajnosti legirajućeg elementa Legirajući Si Mn Cr Ni W Mo Va Co Ti Cu Al ostali Element Faktor 1 1 4 4 7 14 17 20 30 1 1 30 uticajnost i Tabela 5. –Simboli na 3. 4 i 5. mestu osnovne oznake čelika sa utvrđenim sastavom simbol 00 do 19
PODGRUPA ČELIKA PO NAMENI Ugljenični čelici sa utvrđenim sastavom i
47
101 do 190 20 do 29 201 do 299 30 do 39 301 do 399 40 do 59 401 do 599 60 do 69 601 do 699 70 do 79 701 do 799 80 do 89 801 do 899 90 do 99 901 do 999
Legirani čelici koji nisu namenjeni termičkoj obradi Ugljenični i legirani čelici za cementaciju Ugljenični i legirani čelici za poboljšanje Ugljenični i legirani čelici za alat Čelici sa naročitim fizičkim svojstvima Slobodno za čelike koji ne pripadaju ostalim podgrupama Hemijski postojani i vatrootporni čelici Brzorezni čelici Slobodno ** Čelici za automate Slobodno za čelike koji ne pripadaju ostalim podgrupama
**Rezervisano za nove podgrupe ili za podgrupe koje su popunjene Tabela 6. – Dopunske oznake za stanje osnovnih proizvoda od čelika
Oznake O 1 2 2A 2B 2C 2D 3 4 5 6 7 8 8A 8B 9 K X S
Stanje čelika Bez određene termičke obrade Žareno Žareno na najbolju obradljivost Termički obrađeno na određenu zatezne čvrstoće Termički obrađeno na feritno-perlitnu strukturu Pogodno za sečenje u hladnom stanju Žareno na globularni cementit Normalizovano Poboljšano Vučeno-hladno deformisano Ljušteno Brušeno Kontrolisano hlađeno Gašeno Termomehanički obrađeno Obrađeno po posebnim uputstvima Za vruće kovanje i presovanje Za hladno oblikovanje valjcima Za hladno presovanje
48
V Z
Primeri za vežbanje: Objasniti oznake uz pomoć tabela: Č.0645, Č.1305 Č.1220 Č.1490 Č.4530.1
Za vučenje Za izradu zavarenih cevi
Č.4130
Č.0262.0
Č.1220.8B
32. Evropski standardi u označavanju čelika Sredinom 70-tih godina se pojavila potreba za usklađivanjem normi iz područja građevinskog projektiranja konstrukcija. Tako je 1976.godine Povjerenstvo Evropske zajednice (CEC) počelo sa programom njihovog razvoja, formiravši Upravni odbor od predstavnika vlada država članica, predstavnika međunarodnih tehničkih organizacija i članova koordinirajuće skupine koja je već bila formirana. Zadatak Upravnog odbora je bio pregled stanja u tako opsežnom području. Smatralo se da će se pripremiti zajednička pojednostavljena pravila za proračun svih vrsta konstrukcija bez obzira na materijal od kojeg su izrađene i da će se postaviti zajednički sigurnosni zahtjevi. Pod pokroviteljstvom Povjerenstva Evropske zajednice objavljeno je nekoliko dijelova eurokodova. Povjerenstvo je odlučilo, 10.januara 1990.godine, posao izrade i objavljivanja eurokodova prenijeti na europsku organizaciju za normizaciju (CEN), s namjerom da se eurokodovi kao europske norme (EN) učine dostupnim u zemljama Europske unije (EU) i zemljama Europske udruge za slobodnu trgovinu (EFTA). Šta su eurokodovi Eurokodovi [5] su europske norme za proračun raznih vrsta građevinskih konstrukcija. Oni obrađuju i sve predvidive vrste opterećenja i njihovo djelovanje na konstrukcije. U razvoju eurokodova osnovna ideja je stvaranje ujednačenog sistema konstrukcijskih pravila pridržavajući se CEN-ovih normizacijskih pravila. Znači, cilj je da eurokodovi postanu europske norme vodeći računa da su povezani sa drugim usklađenim ili neusklađenim europskim normama za građevinske proizvode. Svaki eurokod je podijeljen u više dijelova, a neki dijelovi imaju i poddijelove. Norme su veoma opsežne, pa pojedini dijelovi imaju više od stotinu stranica. Dogovoreno je da se eurokodovi prvo pripreme kao prednorme (ENV). To su: ENV 1991 Eurokod 1: Osnove projektiranja i djelovanja na konstrukcije ENV 1992 Eurokod 2: Projektiranje betonskih konstrukcija ENV 1993 Eurokod 3: Projektiranje čeličnih konstrukcija ENV 1994 Eurokod 4: Projektiranje čeličnobetonskih spregnutih konstrukcija ENV 1995 Eurokod 5: Projektiranje drvenih konstrukcija ENV 1996 Eurokod 6: Projektiranje zidanih konstrukcija ENV 1997 Eurokod 7: Geotehničko projektiranje ENV 1998 Eurokod 8: Projektiranje konstrukcija otpornih na potres ENV 1999 Eurokod 9: Projektiranje aluminijskih konstrukcija Eurokod 1 daje opće osnove projektiranja konstrukcija bez obzira na vstu materijala od kojeg je konstrukcija izrađena, dakle načela projektiranja, opterećenja i zahtjeve koji su primjenjivi na sve konstrukcije. Prema CEN/CENELEC-ovim Unutrašnjim propisima 2. dio: Opća pravila za normizacijski rad, evropska prednorma (ENV) buduća je norma
49
Č.1840.56
3 koju je razradio CEN/CENELEC u skladu sa svojim pravilima za privremenu upotrebu, dok nacionalne norme koje su sa njom u suprotnosti mogu uporedo ostati na snazi. Navedene prednnorme (ENV) bit će prihvaćene kao nacionalne norme nakon pripreme nacionalnih dokumenata za primjenu (NAD), koje mora prirediti svaka država članica. Radi se dakle o različitim opterećenjima (npr.snijeg, vjetar, potresno opterećenje i sl.) koja ovise o zemljopisnom položaju, o različitim koeficijentima sigurnosti, tzv. uokvirenim vrijednostima (Boxed Values) koje propisuje vlada svake države i sl. Eurokodovi su trenutno povezani sa cijelim sistemom od oko 85 evropskih normi ili prednormi. Izdavanje engleske verzije eurokodova u statusu prednormi počelo je 1993. godine i prema planu treba biti dovršeno ove godine. Njihovo izdavanje kao evropskih normi (EN) očekivalo se od 1999-2004.godine. Trenutno stanje Eurokodovi u statusu prednormi imaju 64 dijela, dok će kao evropske norme imati 60 dijelova. Osim toga uvodi se nova evropska norma EN 1990 Eurokod 0: Opća pravila, koja će sadržavati ono što je sada obuhvaćeno u ENV 1991-1. Uporedo s tim prenumerirat će se dijelovi Eurokoda 1. Dakle, želi se postići jednostavnost u obilježavanju i snalaženju pri njihovoj upotrebi. Tako bi svaki Eurokod (njih devet) morao imati isti broj za dio koji se odnosi na npr. požar, mostove i sl. Status eurokodova kao evropskih normi još nije definisan i još se raspravlja o mogućnosti smanjenja broja tzv.uokvirenih vrijednosti kao i skraćenju razdoblja u kome će uporedo vrijediti i nacionalne norme zemalja članica. VRSTE I KVALITETI ČELIKA Podjela čelika Za određivanje pojmova kod podjele čelika primjenjuje se EN 10020. Općenito se podjela može provesti prema: 1. hemijskom sastavu (legirani i nelegirani čelici) 2. glavnim svojstvima i osobinama s obzirom na primjenu (osnovni, kvalitetni i oplemenjeni čelici) [8]. Za označavanje čelika [7] koriste se dva sistema: - kratki naziv prema EN 10027 (dio 1 i IC 10), - oznaka brojevima prema EN 10027 (dio 2). Kratki naziv predviđa podjelu čelika u dvije skupine: • Grupa 1 – daju se podaci o primjeni čelika i mehaničkim ili fizikalnim svojstvima, • Grupa 2 – daju se podaci o hemijskom sastavu Čelici grupe 1 Glavni simboli grupe 1 su sljedeći: S - konstrukcioni čelici, P - čelici za rad pod pritiskom ( čelici za rezervoare), L - čelici za cjevovode, E - čelici za mašinogradnju (strojogradnju), B - čelici za armirani beton praćeni brojem koji je karakteristika napona tečenja*) u N/mm2, Y - čelici za prednaprezanje (prednapinjanje), R - čelici za oblike tračnica, H - hladno valjani ravni (pločasti) proizvodi u visokočvrstoj kakvoći izvlačenja, DC - mekani čelici za hladno oblikovanje određenih vruće valjanih ravnih (pločastih) proizvoda, DD - mekani čelici za neposredno hladno oblikovanje određenih vruće valjanih
50
ravnih (pločastih) proizvoda, DX - mekani čelici za ravne (pločaste) proizvode čiji način valjanja (vrući ili hladni) nije poznat, TH - tanki i bijeli lim i traka kao i posebno kromirani lim i traka kod jednostrukog smanjenja, T - isto kao TH samo kod dvostrukog smanjenja, M - elektro lim i traka. Čelici grupe 2 U grupu 2 ubrajaju se sljedeće grupe čelika: • nelegirani čelici s prosječnim udjelom mangana manjim od 1%, • nelegirani čelici s prosječnim udjelom mangana većim od 1%; legirani čelici s manje od 5% legirajućih elemenata, • legirani čelici s više ili 5% legirnih elemenata, • brzorezni čelici. Dopunske oznake Vrste čeličnog liva dobivaju ispred ranije navedenih oznaka slovo G. Tvorba oznake čelika za navedene četiri podgrupe može se detaljno vidjeti u IC 10. Često glavne oznake nisu dovoljne za jednoznačnu oznaku čelika, pa se zato koriste dvije grupe dopunskih oznaka: • Dopunske oznake za čelik Dijele se na dvije grupe. Oznake druge grupe mogu se koristiti samo povezano sa prvom grupom oznaka, • Dopunske oznake čeličnih proizvoda. Dopunske oznake u svom značenju su ovisne o glavnim oznakama. Nemoguće je navesti sve moguće kombinacije glavnih i dopunskih oznaka, te će se zato navesti samo one važnije, i to za grupu čelika za konstrukcije. Čelici za konstrukcije - označavanje Slovne oznake • Glavna oznaka: S - čelici za konstrukcije, XXX - najniži napon tečenja (ReH) izražena u N/mm2 za najmanju debljinu proizvoda. • Dopunske oznake: Za čelik grupe 1 to su oznake: J,K,L,M,N,Q,G. JR - žilavost 27J, temperatura ispitivanja +20°C, KO - žilavost 40J, temperatura ispitivanja 0°C, L2 - žilavost 60J, temperatura ispitivanja -20°C, M - valjano termomehanički, N - normalno žareno ili valjano normalizirano, Q - poboljšan, G - druga obilježja, ukoliko je potrebno s jednom ili dvije znamenke. Napominje se da su oznake M,N i Q predviđene samo za sitnozrnate čelike. Za čelik grupe 2 predviđene su sljedeće dopunske oznake: C - s posebnim hladnim oblikovanjem, D - za prevlake dobivene postupkom uranjanja u talinu, E - za emajliranje, F - za kovanje, H - šuplji profili, L - za niske temperature, M - valjano termomehanički,
51
N - normalno žareno ili valjano normalizirano, O - rezano, P - ljušteno, Q - poboljšan, S - za brodogradnju, T - za cijevi, W - otporan na koroziju, an - oznake za propisane dodatne elemente, npr.Cu. 33. LIVENO GVOŽĐE -SIVI LIV Kakva je razlika u strukturi belog i sivog sirovog gvožđa? Postoji više vrsta livenog gvožđa i ono ima vrlo široku upotrebu. Proizvodi se preradom sivog sirovog gvožđa u kupolnim pećima. Peć se puni sirovim gvožđem, koksom i topiteljima. Vazduh koji kroz otvore u zidu cevi (duvaljke) ulazi u peć omogućava sagorevanje koksa i odvijanje celokupnog procesa proizvodnje livenog gvožđa. Proces u peći prati se kroz otvore koji se nalaze na cevi za vazduh. Peć se puni tako što se prvo ubaci sloj koksa i zapali, a zatim se ubacuje sloj sirovog gvožđa i topitelja( krečnjaka). Proces u kupolnoj peći traje relativno kratko, tako da se može računati da se za jedan sat može proizvesti oko osam tona liva. Proizvedeno liveno gvožđe iz kupolne peći se izliva u kalupe određenog oblika, a ti odlivci se potom obrađuju. Struktura liva tih odlivaka zavisi od njihovog hemijskog sastava, brzine hlađenja i drugih faktora. VRSTE I STRUKTURA LIVENOG GVOŽĐA Liveno gvožđe sadrži od 2,5 do 4,5% ugljenika. Razlikuje se od čelika pre svega po procentu ugljenika, jer čelik maksimalno sadrži do 2,14% S, kao i po stanju u kome se ugljenik nalazi. U livenom gvožđu je ugljenik često u slobodnom stanju (kao grafit ili kao temper ugalj). Zbog velike količine ugljenika u livenom gvožđu njegova mehanička svojstva su znatno lošija, pa se i manje primenjuje. U zavisnosti od toga u kome stanju se ugljenik u livenom gvožđu pojavljuje, razlikuje se sivo i belo liveno gvožđe. Liveno gvožđe, pored ugljenika, sadrži i elemente koji su se već javljali kod sirovog gvožđa: Si,Mn,P i S.
Na Maurerovom dijagramu se vidi uticaj ugljenika i silicijuma na strukturu normalno hlađenog liva. Količina ugljenika u livu data je na ordinati, a procenat silicijuma na apcisi. Livena gvožđa se prema hemijskom sastavu i strukturi mogu grupisati u: - sive livove - bele livove ili tvrde livove - legirane livove Pored ovih grupa, postoje i razne podvrste, kao što su: liv trgovačkog kvaliteta, mašinski liv, specijalni liv, modifikovani i nodularni liv, temperovani liv itd.
52
SIVI LIV Oznaka SL 150 SL 200 SL 250 SL 300 SL 350
Napon tečenja, Rpo.2(MPa) 100 130 170 205 235
Zatezna čvrstoća, Rm(MPa) 150 200 250 300 350
Izduženje % 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5
Žilavost J 8-13 8-15 13-22 16-31 24-47
Modificiranjem sivog liva, odnosno dodavanjem 0,3 – 0,8% ferosilicijuma u rastopljeni liv neposredno pred izlivanje, dobija se modifikovani sivi liv. Lamele grafita se modificiranjem smanjuju i prevode u povoljniji oblik. Ovaj liv u poređenju sa sivim livom ima niz prednosti, kao što su veća zatezna čvrstoća, tvrdoća i žilavost. Sivi liv se dobija iz sivog livničkog gvožđa sporim hlađenjem, koje omogućava da se ugljenik u toku očvršćavanja izdvoji u obliku lamela grafita(slika).
Mikrostruktura sivog legiranog gvožđa - feritna osnova sa lamelama grafita ( tamna boja) ; perlitna osnova sa lamelama grafita (tamna boja) Kvalitet i mehanička svojstva sivog liva zavise od strukture osnove, količine, veličine i raspodele lamela grafita. Metalna osnova sivog liva može da bude feritna, perlitna ili mešovita, feritnoperlitna. Što je više perlita u livu, to su zatezna čvrstoća i tvrdoća veće. Lamele grafita nepovoljno utiču na svojstva sivog liva, a prvenstveno na žilavost, jer presecaju metalnu osnovu čime se smanjuje otpornost prema udarnom opterećenju. Stoga je sadržaj ugljenika ograničen na 4%.
SIVO SIROVO GVOŽĐE
BELO SIROVO GVOŽĐE
53
Dat je šematski prikaz strukture SIVOG SIROVOG GVOŽĐA i BELOG SIROVOG GVOŽĐA . Sirovo gvožđe najviše sadrži jedinjenja gvožđa sa ugljenikom, tj. gvozdenog karbida ( Fe 3 C ) koji ima presudan uticaj na njegova svojstva i strukturu. Gvozdeni karbit ili cementit nastaje na vrlo visokom temperaturama, a snižavanjem temperature on teži da se raspadne na sastavne delove (jer opada afinitet između gvožđa i ugljenika). Odvija se hemijski proces obrnut od karbonizacije ( Fe 3 C → 3 Fe + C ) pa nastaje čisto gvožđe i čist ugljenik u vidu grafita. Sa usitnjavanjem lamela grafita zatezna čvrstoća i žilavost sivog liva se povećavaju. Silicijum značajno povećava livkost, a smanjuje žilavost. Sivi liv je otporan prema habanju i koroziji, dobro se obrađuje rezanjem, dobro provodi toplotu i prigušuje vibracije. Sivi liv se označava prema JUSC.J2.020 slovnim simbolima SL i cifarskim simbolima koji definišu vrednost zatezne čvrstoće, izražene u MPa.
34. NODULARNI I MODIFIKOVANI LIV Nodularni liv nastaje isto kao i modifikovani sivi liv, s tim što se umesto ferosilicijuma dodaju magnezijum ili cerijum, koji omogućavaju izdvajanje grafita u obliku nodula. Na slici je prikazana mikrostruktura NODULARNOG LIVA.
Nodularni liv ima znatno veću čvrstoću i žilavost nego sivi liv, što je posledica izdvojenog grafita u obliku nodula i smanjenog sadržaja sumpora i fosfora(tabela). OZNAKA Napon tečenja, Zatezna čvrstoća, Izduženje Struktura Rp0.2(MPa) Rm(MPa) % Osnove NL 370-17 250 370 17 Feritna NL 400-12 280 400 12 Feritna NL 500-7 320 500 7 Feritno-perlitna NL 600-3 380 600 3 Perlitno-feritna NL 700-2 440 700 2 Pretežno perlitna NL 800-2 500 800 2 Perlitna Nodularni liv ima znatno veću čvrstoću i žilavost od sivog liva, što je posledica izdvojenog grafita u obliku nodula i smanjenog sadržaja sumpora i fosfora. Struktura ovog liva zavisi od sastava i brzine hlađenja. Nodularni liv se dobro obrađuje rezanjem, prigušuje vibracije i otporan je prema habanju. Ima
54
dobru zateznu čvrstoću, zbog čega se koristi za izradu odgovornih delova presa, mlinova, hidroturbina, automobila. Modifikovani sivi liv nastaje modifikovanjem sivog liva (dodavanjem 0,3 do 0,8 ferosilicijuma u rastopljeni liv pred izlivanje). Lamele grafita se modifikovanjem smanjuju, usitnjavaju i prevode u povoljniji oblik. Prednosti modifikovanog sivog liva u odnosu na sive livove snju: veća zatezna čvrstoća, tvrdoća i žilavost. Modifikatori su sredstva koja se namerno dodaju livu da bi usitnili postojeću strukturu liva.
35. BELI LIV Očvršćavanje i mikrostruktura belih livova su u saglasnosti sa metastabilnim dijagramom stanja. Ako je po celom preseku odlivka ugljenik vezan u obliku cementita, liv se naziva BELI TVRDI LIV . Ako pri hlađenju odlivka u površinskom sloju nastane tvrda cementitna struktura, a u unutrašnjosti odlivka struktura sivog liva, dobija se TVRDOKORNI TVRDI LIV. Visoka površinska tvrdoća ovog liva (može se regulisati podešavanjem količine silicijuma i mangana u livu) obezbeđuje otpornost prema habanju (jezgro ostaje žilavo), a liv je pogodan za izradu delova koji se koriste u mlinskoj i metaloprerađivačkoj industriji (mlinovi, kugle, valjci, delovi drobilica) , kao i za druge razne delove izložene habanju. Zaključni deo: Beli liv može biti legiran ili nelegiran, zavisno od namene . Kakav prema strukturi beli liv može biti ? Obnoviti sivi liv i beli liv.
36. TEMPER LIV Uvodni deo: Temper liv se dobija dugotrajnom termičkom obradom (žarenjem) belog liva na visokim temperaturama Središnji deo: Zavisno od režima žarenja u odlivku nastaju određene promene: dolazi do razlaganja cementita, tj. ugljenik se izdvaja u obliku temper grafita. Zavisno od hemijskog sastava liva, temperature i atmosfere u peći pri žarenju, tj. strukture, razlikuju se dve vrste temper liva: beli i crni(prikazani na slici).
Beli temper liv nastaje žarenjem u oksidacionoj atmosferi (najčešće u hematitu), pri čemu osim razlaganja cementita, dolazi i do smanjenja sadržaja ugljenika u površinskim slojevima (razugljeničenje) odlivka. Crni temper liv dobija se žarenjem u neutralnoj atmosferi (kvarcni pesak), pri čemu dolazi do razlaganja cementita. Struktura osnove temper liva može biti: feritna, perlitna ili feritno-perlitna. Termička obrada temper liva obuhvata grafitizaciju (proces dobijanja grafita razlaganjem cementita) i hlađenje odlivaka. Posle žarenja odlivci se hlade na vazduhu. Temper liv ima dobru zateznu čvrstoću, žilavost, otpornost prema koroziji, obradivost rezanjem i livkost. Najviše se primenjuje u
55
automobilskoj industriji: klipnjače motora, viljuške kardana, za izradu tankozidnih delova, poljoprivrednih i građevinskih mašina. VERMIKULARNI LIV U njegovoj strukturi se osim vermikularnog grafita nalaze i nodule grafita (najviše do 30%). Ovaj liv se prema osobinama nalazi između sivog i nodularnog liva. Koristi se za delove izložene promenljivim mehaničkim opterećenjima, delove motora SUS, traktore i transportne mašine.
37. LEGIRANI LIV Uvodni deo: Pravilnim izborom i preciznim doziranjem legirajućih elemenata, mogu se dobiti visokokvalitetni livovi , veoma fine perlitne strukture i odgovarajućih mehaničkih i drugih svojstava. Središnji deo: Legirani liv nastaje dodavanjem legirajućih elemenata ostalim livovima. Legirajući elementi su: Ni, Cr, Mo, Mg, Si, Cu, Al, Mn… Oni utiču na usitnjavanje strukturnih zrna, ravnomerniju raspodelu, usitnjavanje i povoljniji oblik grafita (što popravlja mehanička svojstva). Prema sadržaju legirajućih elemenata, legirani livovi se dele na: - niskolegirane – do 3% legirajućih elemenata, - srednje legirane – od 3 do 10% legirajućih elemenata i - visoko legirane – preko 10% čegirajućih elemenata. Zavisno od svojstava i namene, livovi se dele na: - livovi otporni na habanje, legirani sa Ni, Cr, Mo, Mg, Si, - livovi otporni na koroziju, legirani uglavnom Si i Cr, - hemijski postojani livovi, legirani Ni, Mn, Cu, Si i Cr, - vatrootporni livovi, legirani sa Cr, Ni, Si, Al i - sa posebnim fizičkim svojstvima, legirani Ni, Cu, Cr i Si. Označavanje svakog od ovih livova vrši se na odgovarajući način po JUS-u. Osnovna prednost legiranih livova su dobra svojstva , a osnovna mana – visoka cena.
1. 38. ZNAČAJ I VRSTE TERMIČKIH OBRADA Središnji deo: Termička obrada je postupak obrade metala i legura, zagrevanjem do odgovarajuće temperature i hlađenjem ,da bi se postigla željena mehanička svojstva. Proces termičke obrade(ili termohemijske obrade) sastoji se iz tri faze: 1. faza - Zagrevanje materijala na određen način,do zadate temperature,određenom brzinom 2. faza - Zadržavanje na toj temperaturi određeno vreme 3. faza - Hlađenje materijala odgovarajućom brzinom
56
Postupcima termičke obrade dolazi do promene strukture po celom poprečnom preseku, ili samo delimično, čime se utiče na neka svojstva materijala(mehanička, tehnološka...). Termohemijska obrada se vrši zagrevanjem delova u odgovarajućoj hemijski aktivnoj sredini radi promene hemijskog sastava površinskog sloja da bi se dobila zahtevana svojstva materijala. Osnovne metode termičke obrade su: žarenje, normalizacija, kaljenje, otpuštanje, poboljšanje. Osnovne metode termohemijske obrade su: cementacija, nitriranje, cijaniziranje itd. •
39.KALJENJE ČELIKA Kaljenje je metoda termičke obrade čeličnih delova ,zagrevanjem na (30 ÷50)ºC iznad GSK linije(deo dijagrama stanja legure gvožđe-ugljenik,prikazan na slici),zadržavanjem na toj temperaturi i brzim hlađenjem u vodi,ulju ili na vazduhu.Zagrevanje se vrši zavisno od: vrste čelika,oblika dela,vrste peći i rashladnog sredstva,sa ciljem da se dobije austenitna struktura -koja brzim hlađenjem prelazi u martenzitnu,povećavajući tvrdoću čelika.Vrši se predgrevanje delova u zagrejanim pećima(do potrebne temperature), progrevanje na toj temperaturi(da bi se komadi ravnomerno zagrejali po celom poprečnom preseku).Režim hlađenja se određuje,a sredstva za hlađenje čelika su :voda i mineralno ulje.U praksi se primenjuje kaljenje delova po celoj zapremini,kao :neprekidno,prekidno, stepenasto i površinsko.Ako se čelik predgreva veoma brzo,zbog slabe provodljivosti toplote dolazi do pojave unutrašnjih napona i deformacija.Podeutektoidni čelici se zagravaju (30-50)%iznad linije GS-u austenitnom području,a nadeutektoidni čelici se zagrevaju ≈50°C iznad linije SK.Po završenom hlađenju čelik je velike tvrdoće, čvrstoće ali smanjene žilavosti .
57
Na slici je prikazan deo dijagrama stanja"gvožđe-ugljenik"sa šrafiranim temperaturnim područjem zagrevanja pri kaljenju.Iznad linije GSK - (30 ÷50)ºC Šrafirano područje predstavlja KALJENJE Zaključni deo: Greške pri kaljenju mogu nastati pri zagrevanju, ili pri hlađenju: oksidacija, naprsline, krtost, razugljeničavanje, mala tvrdoća i dr. Na slici je prikazan deo dijagrama stanja "gvožđe-ugljenik" sa šrafiranim temperaturnim područjem zagrevanja pri kaljenju, ponoviti sve o kaljenju, uz pomoć dijagrama.
40. OTPUŠTANJE
58
Otpuštanje je postupak termičke obrade čelika posle kaljenja. Pri kaljenju se dobija martenzitna struktura sa zaostalim austenitom.Ova struktura je nestabilna , sa unutra š nj im naponima, vrlo tvrda i krta. Difuzijom ugljenika iz tetragonalne rešetke martenzita i transformacijom austenita, formira se nova struktura sa zahtevanim svojstvima. U zavisnosti od temperature zagrevanja otpuštanje može biti nisko, srednje i visoko. Delovi se, odmah posle kaljenja, ponovo zagrevaju u temperaturskom intervalu(150-650)°C. Otpuštanjem se smanjuje tvrdoća a povećava žilavost.Veličina promene ovih karakteristika zavisi od temperature otpuštanja. Ako je otpuštanje na : 1) 150 °C -postiže se samo smirivanje napona u materijalu 2) preko 500 °C -postiđe se manja tvrdoća, veća žilavost ( u odnosu na stanje odmah posle kaljenja ). Posle zagrevanja na željenu temperaturu, materijal se hladi, uglavnom na vazduhu.
Zaključni deo: Na slici je prikazan deo "DIJAGRAMA STANJA" u kome su obeleženi šrafirani pojasevi , koji predstavljaju : nisko, srednje i visoko otpuštanje.
41. NORMALIZACIJA I POBOLJŠANJE Normalizacija je postupak termičke obrade koji ima za cilj da nepovoljnu , grubu krupozrnastu, igličastu i drugu strukturu, nastalu pri livenju, valjanju, presovanju ili kaljenju, prevede u normalnu sitnozrnastu strukturu po celoj zapremini dela. Izvodi se tako što se čelični delovi zagrevaju na temperaturi do 30°S iznad A3 , koja se zadržava sve dok se ne formira austenitna struktura. Hlade se na mirnom vazduhu. Podeutektoidni čelik ( I ) se zagreva iznad temperature A1 da bi se formirala austenitna struktura ( II) . Postepenim hlađenjem na mirnom vazduhu, austenit se transformiše u finu, sitnozrnastu strukturu ( IV ), koja se sastoji od ferita i perlita. Kod nadeutektoidnih čelika zagrevanjem do 50°S iznad A3 iz cementita
59
se formira austenit. Brzim hlađenjem do 700°S , a zatim hlađenjem na mirnom vazduhu formira se struktura lamelarnog perlita.
POBOLJŠANJE Poboljšanje je postupak termičke obrade koji se sastoji od kaljenja i naknadnog visokog otpuštanja. Čelike koji se podvrgavaju poboljšanju (čelici od 0,2 do 0,6%) C posle kaljenja treba zagrejati do temperature visokog otpuštanja. Poboljšanjem se povećavaju žilavost i granica razvlačenja, a smanjuje tvrdoća. Nova struktura se obrazuje po celom preseku zagrevanjem do određene temperature i postepenim hlađenjem u peći ili na vazduhu. Poseban vid poboljšanja je tzv. patentiranje. Koristi se pri izvlačenju čeličnih žica za opruge, užad i za instrumente. Žica se pre poslednjeg izvlačenja zagreje na temperaturi od 850°S do 1000°S , a zatim se naglo hladi u rastopljenom olovu na 500°S i onda nastavi hlađenje u struji vazduha do sobne temperature. Pri ovakvom postupku hlađenja formira se sorbitna struktura koja omogućava naknadno izvlačenje i dobijanje žice velike zatezne čvrstoće.
42. TERMIČKA OBRADA LIVENOG GVOŽĐA I LEGURA OBOJENIH METALA
UVODNI DEO: Sivi liv ,modifikovani i nodularni liv mogu se termički obraditi žarenjem,kaljenjem i otpuštanjem. Legure obojenih metala prerađuju se livenjem ili deformisanjem. Mogu se termički obrađivati žarenjem, kaljenjem ili starenjem.
60
SREDIŠNJI DEO: Žarenje se izvodi zagrevanjem odlivaka. Vreme žarenja zavisi od vrste, oblika i veličine odlivaka. Delovi se vrlo sporo hlade u peći a zagrevaju tri sata. Liveno gvožđe se normalizuje zagrevanjem na temperaturi do 850 °C . Delovi se hlade u peći do temperature od 300 °C , a zatim na vazduhu. Pri tome dolazi do izdvajanja grafita i povećanja perlita, pa se smanjuju tvrdoća i čvrstoće odlivka. Žarenje ima zadatak da otkloni napone u leguri ili da izvrši promene u strukturi da bi se dobila odgovarajuća mehanička svojstva legure . Posle zagrevanja legure se mogu sporo hladiti u peći, pri čemu se dobija veoma meka legura. Ako se hlađenje izvodi na vazduhu, dolazi do usitnjavanja strukture i poboljšanja mehaničkih svojstava. Liveno gvožđe sa sadržajem ugljenika do 3,5 % može se kaliti . Posle kaljenja i otpuštanja na temperaturi od 200 do 300 °C može se poboljšati i čvrstoća sivog liva. Kaljenje legura obojenih metala vrši se zagrevanjem i brzim hlađenjem . Režim kaljenja određuje se na osnovu dijagrama stanja legure i faznih promena u čvrstom stanju. Pre hlađenja potrebno je odabrati rashladno sredstvo i odrediti brzinu hlađenja da bi se dobila struktura homogenog, čvrstog rastvora. Starenje i normalizovanje nestabilne strukture ili prezasićenog čvrstog rastvora izvodi se da bi se leguri povećale čvrstoća i tvrdoća. Starenje može biti prirodno i veštačko.
43. TERMOHEMIJSKA OBRADA Pri zagrevanju legura dolazi do rastvaranja elemenata u čvrstom stanju, tako da njihov površinski sloj dobija novi hemijski sastav i nova svojstva. Proces promene hemijskog sastava, strukture i poboljšanja mehaničkih svojstava površinskih slojeva delova naziva se termohemijska obrada. Primenjuje se pri izradi zupčanika, osovina, vratila i drugih mašinskih delova. Osnovne metode termohemijske obrade su cementacija, nitriranje, cijanizacija, siliciranje i difuzna metalizacija( alitiranje, boriranje, hromiranje) i dr. CEMENTACIJA Cementacija je metoda termohemijske obrade, pri čemu dolazi do naugljeničavanja površinskog sloja delova izrađenih od niskougljeničnih čelika, sa sadržajem ugljenika do 0,25%. Zagrevanje se vrši na
61
temperaturi oko 900° S u prisustvu sredstava za cementaciju, iz kojeg se izdvaja ugljenik koji difunduje u površinski sloj. Delovi se zatim zagrevaju i kale da bi se povećala tvrdoća površinskog sloja, a unutrašnjost ostala mekša i žilavija. Cementacija se može vršiti čvrstim i gasovitim sredstvima. Cementacija čvrstim sredstvima izvodi se tako što se deo postavi u kutiju sa prahom za cementaciju. Kutija se unosi u komornu peć i zagreva do odgovarajuće temperature. Pripremljene kutije sa delovima za cementaciju hermetički se zatvore i unesu u komornu peć. Komorna peć je zagrejana na oko 700°C. Zatim se temperatura poveća na temperaturu cementacije. Cementacija tečnim sredstvima vrši se zagrevanjem delova u rastopljenim solima sa bogatim sadržajem ugljenika. Cementacija gasovitim sredstvima vrši se zagrevanjem delova u atmosferi generatorskog ili svetlećeg gasa. NITRIRANJE Nitriranje je postupak termohemijske obrade niskolegiranih čelika. Cilj nitriranja je da se poveća tvrdoća površinskog sloja, otpornost na habanje i koroziju i dinamička čvrstoća. Postupak nitriranja traje nekoliko sati, što zavisi od zahtevane dubine nitriranog sloja. Pri nitriranju se u komoru dovodi amonijak, koji se pri zagrevanju razlaže na vodonik i azot. Vreme nitriranja zavisi od zahtevane dubine nitriranog sloja. Postupak je veoma dug i skup. OSTALI POSTUPCI TERMOHEMIJSKE OBRADE Cijaniziranje je postupak termohemijske obrade delova od legiranog čelika sa sadržajem od 0,25% S. Siliciranje je postupak termohemijske obrade zasićenjem površinskog sloja materijala sa 14% Si. Metalizacija je postupak termohemijske obrade pri čemu se obogaćuje površinski sloj materijala difuzijom atoma metala. Alitiranje je proces zasićenja površinskog sloja čeličnog dela difuzije aluminijuma da bi se dobila otpornost na koroziju. Boriranje je postupak kojim se ostvaruje povećana tvrdoća, čvrstoća i otpornost na povišenim temperaturama, difuzijom atoma bora u površinski sloj čelika. Hromiranje je postupak kojim se povećava otpornost na koroziju.
44. KERAMIKA Keramički materijali su neorganskog porekla i sastoje se od metalnih i nemetalnih elemenata vezanih jonskim ili kovalentnim vezama. Izrađuju se od tri osnovne komponente: 1) GLINA(koja se sastoji od aluminijum silikata sa malim količinama titan oksida)
62
2 ) KVARC (silicijum dioksid) 3) FELDSPAT(daje staklastu komponentu kod tečenja i veže ostale komponente) *Izrada se sastoji od: -presovanja praha u različite oblike -zagrevanja radi vezivanja čestica -sušenja radi uklanjanja vode -sinterizovanja(pečenja na visokim T) *Osobine: -visoka temperatura topljenja(Tt) -dobri električni i toplotni izolatori -veoma velika tvrdoća i čvrstoća na pritiskivanje -veoma krt materijal -nema skoro nikakvu otpornost prema udaru -hemijski otporni prema mnogim uticajima *Primena: -U građevinarstvu(cigla,crep,opekasanitarni materijal) - U elektroindustriji(za električne izolatore u vidu porcelana) - U tehnici(vatrostalni materijal,za delove motora,kondenzatore) - Pločice za alate od alatne keramike. Materijali sastavljeni od najmanje dve komponente koje se međusobno razlikuju i međusobno se ne rastvaraju. Ti različiti materijali se kombinuju ,da bi se postigla dobra svojstva i jednog i drugog materijala, da bi tako dobijen materijal imao višestruko pozitivna svojstva. Kod kompozitnih materijala specifična zatezna čvrstoća je znatno veća nego kod drugih inženjerskih materijala. Specifična zatezna čvrstoća se dobija kada se zatezna čvrstoća podeli sa gustinom. Izražava se dužinskim jedinicama.
63
45. STAKLO Staklo je materijal neorganskog porekla koji se dobija od smeše oksida silicijuma ( SiO2, B2O3, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, PbO...) Struktura stakla zavisi od strukture oksida silicijuma (SiO2). U čvrstom stanju ovaj oksid može da bude kristalan ili amorfan, što zavisi od brzine hlađenja. Kristalno stanje se postiže sporim hlađenjem, a amorfno brzim. Veoma je krto. Ima relativno malu tvrdoću i dobru čvrstoću: ρ=2.4-2.6 g∕cm3 ; Mala električna i toplotna provodljivost, velika hemijska i toplotna postojanost, visoka propustljivost svetlosti, mala žilavost. -Dobija se od sicilijum dioksida u vidu kvarcnog peska (50%) oksida drugih elemenata: krečnjaka, kacinizane soli, katalizatora, punioca i modifikatora. Ove sirovine se zagrevaju do rastapanja pa izlivaju u kalupe određenog oblika ili ploče. *Prema hemijskom sastavu stakla se dele na: - silikatna - olovna - visokosilikatna -borosilikatna *Podela stakala prema nameni: - obična (ravno staklo : za ambalažu, boce, tegle) - tehnička (optička, vatrootporna, staklo za svetlosnu tehniku, staklena vuna i vlakna)
46. GORIVA Gorivo se sastoji od : C, O, H ,N, S ,od čega su sagorivi C, H, S. U opštem smislu, goriva su materije koje sagorevanjem oslobađaju toplotu. U užem smislu, goriva su materijali koje sagorevamo da bismo proizveli toplotu. Osim toga, goriva treba da ispune i sledeće zahteve: - da proizvode veliku količinu toplote za kratko vreme - da se nalaze u prirodi u dovoljnim količinama - da u prirodnom stanju ne sadrži velike količine negorivih materija - da mogu lako i jeftino da se dopreme do korisnika
64
- da ne menjaju bitno svojstva i da su bezbedna tokom eksploatacije - da produkti njihovog sagorevanja nisu opasni po okolinu PODELA GORIVA: Agregatno stanje čvrsto tečno gasovito
Prirodana goriva Drvo, ugalj, škriljci nafta Zemni gas(metan)
Prerađena goriva Drveni ugalj, briketi,polukoks,koks Benzin, petrolej, dizel, mazut Gas(rafinerijski, destilacioni, generatorski
Prema načinu dobijanja goriva se dele na: prirodna i veštačka. Ugljenik je najvažnija komponenta goriva jer njegovim sagorevanjem nastaje najveći deo toplote. Ugljenik je i najviše zastupljena komponenta. Vodonik je druga po važnosti komponenta goriva jer se sagorevanjem 1kg vodonika oslobađa približno 140 MJ toplote. Sumpor se u gorivu nalazi u vidu gorive i negorive komponente.Njegovo prisustvo u gorivu je nepoželjno jer izaziva koroziju, a produkti sagorevanja su ekološki veoma štetni (kisele kiše). Kiseonik nije goriv element, već se sagorevanje odvija zahvaljujući njemu. Azot se javlja u obliku složenih organskih jedinjenja i ima ga veoma malo (do 2 %) u čvrstim i tečnim gorivima, a u većoj meri u proizvedenim gasovitim gorivima. TOPLOTNA MOĆ je količina toplote koja se dobija potpunim sagorevanjem jedinične mase goriva.Toplotna moć se obeležava slovom H a izražava se u kJ∕kg i MJ∕kg. TEČNA GORIVA Osnovne prednosti tečnih goriva u odnosu na čvrsta goriva su: -visoka toplotna moć, -mali sadržaj balasta, -mali toplotni gubici pri sagorevanju, -jednostavno regulisanje procesa sagorevanja, -jednostavan transport cevovodima. Osnovne mane tečnih goriva su: -velika zapaljivost i eksplozivnost, -otrovnost nekih goriva, -teško odstranjivanje emulgovane vode, -stvaranje elektrostatičkog napona. PRIRODNA GORIVA-NAFTA Osnova svih goriva je nafta.Toplotna moć nafte je 42-43 MJ/kg. Sastav nafte čine ugljenik (8387%), vodonik (11-14%), kiseonik (0,1-1%), azot (0,05- 1,5%) i sumpor (0,1-5%). Kiseonok, azot i sumpor se najčešće nalaze u vezanom stanju. Vlage i mineralnih materija ima malo. Gustina nafte je 820920 kg/m3. Osnovnu masu nafte čine tri ugljovodonika: -parafinski,opšte formule SnN2n+2, -naftenski,opšte formule SnH2n i -aromatični,opšte formule SnH2n-6 DOBIJANJE NAFTE Kako se nafta nalazi na dubini i do 5000 m, prva faza u procesu njenog dobijanja je bušenje . Nafta najčešće ističe iz bušotine na površinu pod pritiskom, a ukoliko pritisak ili protok nisu dovoljni,
65
koriste se pumpe ili gas pod pritiskom.
GORIVA PRERAĐENA IZ NAFTE
Proces prerade nafte se odvija u dve faze:primarnoj i sekundarnoj. Posle primarne faze dobijaju se:
-gasovita goriva, -benzinske frakcije, -petrolejske frakcije, -dizel-frakcije i lož-ulje, -frakcije maziva i -ostatak (bitumen). U sekundarnoj fazi odvijaju se hemijski procesi:
-krekovanje, -izgradnja ugljovodonika, -konverzija ugljovodonika, -ugradnja vodonika u ugljovodonike. BENZIN Benzin se koristi za pokretanje oto-motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Oktanski broj predstavlja udeo izooktana u benzinu.Stoga benzin,koji se ponaša kao čist izooktan,ima oktanski broj 100,a benzin koji se ponaša kao normalni heptan ima oktanski broj 0.Određivanje oktanskog broja se sastoji u ispitivanju benzina na otpornost prema detonaciji u specijalnom jednocilindričnom motoru.Oktanski broj nije jedinstvena veličina, već zavisi od načina određivanja.Važna karakteristika benzina je gustina,koja se kreće u granicama 720-750 kg/m 3 . DIZEL GORIVO U odnosu na benzin, dizel-goriva imaju bar dve bitne razlike:prva je otežani protok goriva na sniženim temperaturama,a druga način obrazovanja smeše sa vazduhom.Pokazatelj upaljivosti dizelgoriva je cetanski broj,koji se određuje pomoću specijalnog motora poređenjem upaljivosti ispitivanog goriva i smeše dva ugljovodonika.Cetanski broj definisan kao procentualni udeo cetana u onoj smeši sa αmetilnaftalinom koja ima ekvivalentnu upaljivost sa ispitivanim gorivom.Opšte je pravilo da što je lanac ugljenikovih atoma duži , to je cetanski broj veći.Cetanski broj se određuje eksperimentalno ili računski. U našoj zemlji se proizvode četiri vrste dizel-goriva: 1. Veoma lako , oznake D1 2. Lako , D2 3. Srednje, D3 4.Niskosumporno , D4 Idealno gorivo, koje bi ispunilo navedene uslove, ne postoji.
66
47. DRVO Hemijski sastav drveta je: 50%S, 6%N, 23%O, 0,3% N i 0,5% pepela. Glavni sastojci potpuno suvog drveta su: celuloza i lignin (jedinjenja S, N, O tj. ugljeni hidrati). U drvetu ima malo : smole, boje, voska , a u sokovima-soli K, M g i alkalije , celuloze 47-62%, lignina 38-53%. Drvo se prema količini vlage deli na: -suvo drvo (10-20)% vlage -polusuvo (20-35)% vlage -sirovo drvo >35% vlage Toplotna moć drveta 14700-16000 KJ/ kg . Gustina - 0,55-0,9 kg/dm 3 Meko drvo - lipa, vrba, svi četinari, topola, jasen, jova... Tvrdo drvo - hrast, bukva, grab, brest... Drvo kao gorivo-domaćinstva Temperatura sagorevanja drveta>1000◦, lako se pali i sagoreva dugim plamenom (zato što sadrži dosta jedinjenja koja isparavaju). Koristi se za proizvodnju celuloze, nameštaja, stolarije a u tehnici kao inženjerski materijal.
48. MAZIVA
Maziva su materije čija je osnovna uloga da smanje trenje i habanje između pokretnih i nepokretnih komponenata tehničkog ili mašinskog sistema.Ovaj proces ostvaruje se podmazivanjem, koje može biti potpuno(hidrostatičko i hidrodinamičko), kada nema dodira između dva susedna elementa i nepotpuno(mešovito ili granično), kod kojeg to
67
nije slučaj.Od toga i zavisi koliko je trenje i habanje površine dva elementa. Takođe, maziva imaju ulogu kao rashladnasredstva,štite od korozije, smanjuju udare i vibracije a i imaju ulogu u zaptivanju. Stoga što imaju dosta funkcija, imaju i veliki broj podela, prema nameni funkciji, agregatnom stanju, sastavu ili poreklu. *Prema funkciji, maziva se dele na: -konstrukciona i -tehnološka *Prema agregatnom stanju, maziva se dele na: -gasovita(vazduh,gas) -tečna(ulja) -polutečna(masti) i -čvrsta *U odnosu na poreklo, maziva mogu biti: -mineralna -sintetička -biljna i životinjska *U odnosu na sastav,gasovita maziva se dele na vazduh i gasove, polutečna na sapunske masti, nesapunske masti i masti bez zgrušavača,a čvrsta maziva na meke metale,polimere,keramiku i lamelarne materijale. *Podela prema nameni definisana je standardom ISO DIN 6743∕O. Osnovna oznaka za maziva je slovo L , a svaka ima posebnu oznaku prema nameni. Maziva se, pre svega biraju u zavisnosti od namene.Opšte pravilo je, da se, za potpuno podmazivanje koriste tečna i gasovita maziva, dok za dobro
68
zaptivanje koriste se čvrsta i polutečna maziva.Osim toga, na izbor maziva utiče i brzina kretanja i opterećenje, zatim zahtevani vek i pouzdanost, kao i radni uslovi.Maziva veće viskoznosti biraju se za manje brzine i veća opterećenja. Gasovita maziva se primenjuju uglavnom za podmazivanje kliznih ležaja.Osnovne osobine gasovitih maziva su hemijska i tehnička stabilnost, kao i relativno mali viskozitet, koji raste sa porastom temperature.Glavne prednosti su mali koeficijent trenja, malo zagrevanje,dobro ponašanje na niskim temperaturama i pri velikim brzinama kretanja delova, kao i velika čvrstoća pri radu, a nedostatci su mala nosivost,složenost i velika cena koštanja.Koriste se kako u tehnici, tako i u medicini. Tečna maziva se najčešće koriste, pogotovo u mašinstvu(pumpe, reduktori, turbine, generatori).Osnovna svojstva su viskoznost, indeks viskoznosti, gustina, specifična toplota, temperatura paljenja i stinjavanja.Na viskozitet, koji je ovde najizraženiji, najviše utiču radna temperatura,temperatura okoline, opterećenje i brzina elemenata.Indeks viskoznosti se kreće od 0 do100 i on pokazuje promenu viskoziteta sa promenom temperature. Mineralna ulja čine veliki deo ulja za podmazivanje, čak 85%.Sirovina za dobijanje mineralnih ulja je ostatak primarne destilacije nafte.Mineralna ulja su prema fizičim svojstvima podeljena na laka vretenska, cilindarska, srednja i teška mašinska, a prema hemijskom sastavu na parafinska i naftenska.Osnovne karakteristike ovih ulja vade se iz odgovarajućih tabela. Sintetička ulja se proizvode hemijskim postupcima od različitih organskih materija.Sintetička ulja imaju širi opseg radne temperature od mineralnih ulja, osnovni nedostatak je visoka cena. Polutečna maziva su maziva od kojih se za podmazivanje najčešće koriste masti, koje su takođe jedno od najčešće primenjenih maziva uopšte.Koriste se za podmazivanje zglobova, lanaca, užadi i osovina, osnovni razlog što se tehničke masti koriste je stalna potreba za mazivom, potreba za zaptivanjem kao i nemogućnost primene tečnih maziva.Osnovne mane su povećan otpor pri strujanju i manja sposobnost hlađenja.Osnovna fizička karakteristika masti je tvrdoća, koja ja veoma bitna pri odabiru masti. Čvrsta maziva se dele na lamelarna maziva, meke metale, polimere i keramiku.Nanose se u obliku premaza. Grafit je najpoznatije lamelarno sredstvo.Molibdensulfid je bolji od grafita u pogledu da njegova svojstva ne zavise od vlage. Kalaj i olovo se najčešće koriste kao čvrsta maziva.Jedan od glavnih razloga je to što su znatno jeftiniji od srebra, zlata i indijuma. 49. GUMA Guma se veoma široko primenjuje u tehnici, a posebno u mašinstvu, i to zbog nekih svojih karakteristika koje drugi materijali nemaju.To su pre svega: • velika elastičnost, • nepropustljivost za gasove i tečnosti,
69
•
električna otpornost,
•
otpornost prema habanju
•
hemijska otpornost i dr.
Guma se koristi za zaštitu od korozije, za električnu izolaciju , zaštitu od udara i vibracija. PROIZVODNJA GUME Polazna sirovina za dobijanje gume je kaučuk, koji može biti prirodni i veštački (sintetički). Prirodni kaučuk se dobija od soka zvanog lateks. Veštački kaučuk se proizvodi procesom polimerizacije ugljovodonika. OMEKŠIVAČI čine masu kaučuka mekom, gnjecavom i plastičnom, kako bi se dobro izmešala i homogenizovala. SUMPOR je inače glavni dodatak pri proizvodnji gume. Količina sumpora koji se dodaje iznosi 1.5 – 3 %, a pri proizvodnji tvrde gume 8 – 10 % . UBRZIVAČI PROCESA su materije koje potpomažu da se proces vulkanizacije obavi za kraće vreme i pod povoljnijim uslovima. PUNIOCI su materije koje ispunjavaju masu kaučuka i tima doprinose uštedi kaučuka i menjanju svojstva gume.Te materije mogu biti neaktivne u odnosu na osnovni materijal ili pak aktivne,ukoliko hemijski reaguju sa kaučukom. SREDSTVA PROTIV STARENJA I ZAMORA GUME dodaju se radi stabilizacije strukture materijala i blokade promena do kojih bi došlo posle vulkanizacije i tokom upotrebe gume. Do starenja dolazi usled pojave slobodnog sumpora i drugih elemenata koji oksidišu. VULKANIZACIJA je hemijski proces vezivanja molekula kaučuka sa sumporom u određenim uslovima, a ono što nastaje je vulkanizat ili guma. Za razliku od mase kaučuka pomešanog sa dodacima, kakva je bila pre vulkanizacije, guma je posle nje dobila sasvim drugačija svojstva: elastična je, povećana su joj zatezna čvrstoća i tvrdoća, otpornija je na habanje, postala je otporna na organske kiseline i stabilna na toploti. Postupak vulkanizacije sastoji se iz sledećeg :primljena masa stavlja se u kalup, potom se sve stavlja u presu i drži pod pritiskom i na temperaturi vulkanizacije. Posle određenog vremena, alat se oslobađa pritiska i skida sa mašine, otvara i zaptivka se vadi iz alata. Gumu kao tehnički materijal odlikuju neka specifična svojstva: visoka elastičnost, nepopustljivost za vazduh i tečnosti, otpornost na mnoge hemikalije, odlična otpornost na električnu struju, relativno dobra otpornost na habanje i dr. PRERADA GUME Guma se u mašinstvu mnogo primenjuje, jer se od nje izrađuju pneumatici za motorna vozila, beskrajne trake za transport, gipke cevi, zaštitnici od kiselina i drugih agresivnih hemikalija, od korozije i abrazije, izolacioni slojevi od električne struje i dr. Od gume se izrađuju i razni rukohvati na mašinama, uređajima i aparatima, zaptivni elementi u hidraulici i pneumatici kao i u vodovodnim i kanalizacionim instalacijama, gumirana platna, obuća i odeća. Tvrda guma služi za izradu raznih delova u elektrotehnici i elektronici. Pored toga, guma se javlja i u vidu sunđera i u obliku paste za zaptivanje. Na slici se vidi postrojenje u kome se gumena smeša nanosi na jednu stranu platna . Naime, platno se odmotava sa koluta i usmerava ka srednjem valjku, koji je uronjen u smešu i na kome se stalno nalazi sloj kaučuka. Nož strugač skida sa valjka višak mase. Platno se dalje, preko transportnih valjaka, usmerava ka mestu za sušenje i vulkanizaciju.
50. PLASTIČNE MASE Plastične mase su polimerni materijali koji nastaju hemijskim procesom.
70
Polimerizacija- grupisanje manjih molekula u velike grupe molekula tj.lance. Molekul plastične mase sadrži mnogobrojne atome vezane uzdužnim i poprečnim vezama. Najčešći izgrađivači su C,O,N,Si,S,P. Podela : 1. Prema građi odnosno glavnom nosiocu lanca, dele se na: - KARBOPLASTE(C) - KARBOOKSIPLASTE(C,O) - SILIKOPLASTE(Si) 2. Prema osnovnim svojstvima: -TERMOPLASTIČNE(one mase koje zagrevanjem omekšaju,oblikuju se a posle hlađenja očvršćuju;ponovnim zagrevanjem ih je moguće preoblikovati) -TERMOSTABILNE(one mase koje se samo jednom mogu zagrejati i oblikovati a ponovnim zagrevanjem ne mogu promeniti oblik). 3. Prema načinu dobijanja: - modifikovane prirodne
- sintetičke tj.veštačke
OSNOVNE sirovine za dobijanje plastičnih masa su vazduh, voda, kuhinjska so, drvo, ugalj, zemni gas. - Prerada podrazumeva dve faze: 1- priprema osnovne sirovine 2- oblikovanje i izrada koničnih predmeta -PRVA faza se sastoji u tome što se polimerima dodaju različite supstance (rastvarači, boje, omekšivači). Sirovi polimeri pripremljeni su za finalnu preradu, na tržištu se pojavljuju u vidu praha, granula, štapića. -DRUGA faza se može izvoditi na dva načina: 1- bez upotrebe pritiska (premazivanje, livenje, potapanje itd.) 2- uz primenu pritiska (presovanje, valjanje, istiskivanje, brizganje itd.)
51. IZOLACIONI MATERIJALI Proizvodi savremene industrije moraju da zadovolje stroge uslove racionalne potrošnje energije i zaštite čovekove okoline,pa izolacioni materijali imaju značajnu ulogu.Prema nameni izolacioni materijali se mogu svrstati u : • •
toplotne izolatore elektro izolatore
•
zvučne izolatore.
Termoizolacioni materijali Toplotni ili termoizolaci o ni materijali se koriste za izolaciju uređaja instalacija gde se proizvodi ili
71
prenosi toplotna energija, kako bi se smanjio gubitak toplote, i kao zaštita od toplote kod rashladnih uređaja.Toplotni izolatori su slabi provodnici toplote, a često se kombinuju sa vazduhom kao sa slabim provodnikom toplote ( porozni materijali, šuplji blokovi i cigle). Ovi materijali mogu biti organskog ili mineralnog porekla. Navešćemo osnovne podatke o najčešće korišćenim toplotnim izolatorima. Azbest se javlja u vidu vlakana, prediva, platna ili ploča, koriste se za različite slučajeve toplotne izolacije. Azbest je istovremeno vatrostalni i elektro-izolator. Upotrebljava se kao izolator u električnim pećima, zatim kod parnih postrojenja i uređaja. Upotreba mu je ograničena zbog štetnog delovanja po zdravlje ljudi. Staklena vuna je takođe dobar toplotni izolator, otporan prema povišenim temperaturama i hemikalijama. Koriste se za izolaciju toplovoda, zatim za hladnjake i hladnjače, kao u metelurgiji i građevinarstvu. U ovu grupu toplotnih izolatora spada i vuna od šljake iz visoke peći, koja se takođe koristi kao toplotni izolator. Pluta mlevena pa lepljena tutkalom i fenolnim lepkom, zatim presovana u ploče ili pogodne profile, koristi se kao toplotni izolator. Primenjuje se u toplanama, termoelektranama i naftnoj industriji. Penaste plastične mase (sunđeri, tervoli, stiropor i dr.) su takođe termoizolacioni materijali (posebno kod hladnjaka i bojlera).Ti materijali se koriste za zvučnu i elektro-izolaciju. Vatrostalni materijali su, ustvari, najznačajniji toplotni izolatori. To su razne šamotne opeke, šamotno brašno i u raznim drugim stanjima. Koriste se u raznim termo uređajima, u metalurgiji i u kućnim termouređajima.
ELEKTROIZOLACIONI MATERIJALI Mermer je dobar elektroizolator, ali se retko upotrebljava zato što se teško obrađuje i što upija vlagu. Porculan se veoma često koristi, i to za izradu osigurača, čašica za vazdušne vodove, utikače, prekidače, kao i za nosače i držače grejnih elemenata u grejnim uređajima. Liskun je veoma dobar elektroizolator, a i vatrootporan je , pa se u obliku listića ili pločica koristi za izolaciju pegli, štednjaka, električnih generatora i sl. Guma kao elektroizolacioni materijal pre svega se koristi za prevlačenje vodova i kablova, zatim za izradu zaštitnih rukavica, kecelja i obuće i raznih rukohvata, a od ebonita- izrađuju se razni delovi, kutije, kućišta i dr. Plastične mase se već uveliko u oblasti elektrotehnike i elektronike zamenile mnoge materijale, pa i gumu. Koriste se za izradu raznih kućišta i skeleta za aparate i uređaje, za izradu armatura, utikača, prekidača, grla za sijalice, a mnogo se koriste i za prevlačenje vodova. MATERIJALI ZA ZVUČNU IZOLACIJU Problem buke je pre svega ekološki. Savremeni proizvodi moraju biti zvučno izolovani kako bi se na
72
najmanju moguću meru sveo štetan uticaj buke na čoveka. Od materijala za zvučnu izolaciju se, pre svega, zahteva da smanje ili spreče prostiranje zvučnog talasa. Konstrukcije proizvoda moraju biti tako izvedene da smanjuju širenje ili pojačavanje zvučnih talasa. Zavisno od uslova koji se postavljaju kao zvučni izolatori se koriste penasti, vlaknasti i posebno profilisani materijali. Većina plastičnih materijala su dobri zvučni izolatori.
52. KOMPOZITNI MATERIJALI Materijali sastavljeni od najmanje dve komponente koje se međusobno razlikuju i međusobno se ne rastvaraju. Ti različiti materijali se kombinuju ,da bi se postigla dobra svojstva i jednog i drugog materijala, da bi tako dobijen materijal imao višestruko pozitivna svojstva. Kod kompozitnih materijala specifična zatezna čvrstoća je znatno veća nego kod drugih inženjerskih materijala. Specifična zatezna čvrstoća se dobija kada se zatezna čvrstoća podeli sa gustinom. Izražava se dužinskim jedinicama. OSNOVNI KOMPOZITNI MATERIJALI Kompozitni materijali se prave od određenih plastičnih masa, koje su ojačane vlaknima od različitih materijala. Laminirani proizvodi su savremeni kompozitni materijali koji se dobijaju utapanjem vlakana u određene materijale.Kao ojačivači koriste se sledeće tri vrste vlakana: 1.staklena vlakna 2.ugljenična vlakna 3.aramidna vlakna *Osnovni materijali u koje se vlakna utapaju: -nezasićene poliesterske smole -epoksidne smole *Karakteristike kompozitnih materijala: -dobra specificna zatezna čvrstoća -dobra dimenzionalna stabilnost -dobra otpornost na temperaturne promene -izvanredna otpornost na koroziju i vlagu
73
-laka izrada i relativno niska cena proizvodnje a) Kratka ( proizvoljno orijentisana) duga( u jednom pravcu) b ) duga( u dva međusobno upravna pravca) g) duga( isprepletana, proizvoljno orijentisana) Kompoziti sa proizvoljnom orijentacijom vlakana ponašaju se izotropno, ali je efekt ojačavanja mali. Da bi se postigla dobra svojstva u više pravaca, koriste se slojevi sa različitom orijentacijom vlakana.
53. KOROZIJA METALNIH MATERIJALA ; Metode zaštite od korozije Korozija je proces površinskog razaranja metalnih materijala pod dejstvom okolne sredine, tj. reakcija metalnog materijala sa svojom okolinom, koja prouzrokuje merljive promene materijala i koja dovodi do korozionog oštećenja. Ova reakcija je u većini slučajeva elektrohemijskog karaktera, a može da nastane i usled delovanja hemijskih i fizfčkih procesa. Koroziona reakcija najjednostavnije može da se prikaže na sledeći način: metal + okolna sredina korozivni produkti Korozija dovodi do nepovratnog gubitka metala i izaziva ogromne štete jer pre isteka uobičajenog radnog veka postaju neupotrebljivi mnogi uređaji, postrojenja, mašine, transportna sredstva i različite konstrukcije. Smanjenjem korozije smanjuje se mogućnost gubitaka različitih proizvoda, a time postiže povećanje njihove ekonomičnosti. Po rasprostranjenosti, korozija može biti opšta (po celoj površini metalnog proizvoda) i lokalna (samo na određenim površinama metala). Izgled površine oštećene korozijom : Opšta korozija (prisutna je po celoj površini metalnog predmeta koji je u kontaktu sa agresivnom sredinom.
Opšta korozija
Lokalna korozija
Lokalna korozija (razaranju su podložni samo određeni delovi površine materijala). Prema vrsti – postoji korozija bez mehaničkog opterećenja i korozija pod mehaničkim opterećenjem. Koroziju bez mehaničkog opterećenja čine dve podgrupe, zavisno od agregatnog stanja. Prva je korozija u vodenoj sredini (kontaktna, tačkasta, selektivna i korozija u zazorima), a druga – korozija u gasnoj sredini (hemijski indukovana pojava vodinika, oksidacija i obrazovanje naslaga). Korozija pod mehaničkim opterećenjem u vodenoj sredini odnosi se na naponsku koroziju, korozivni zamor, erozionu koroziju . Da bi se bilo koja od njih inicirala, neophodno je da pored materijala i radne sredine učestvuje i – spoljašnje opterećenje, sa posledicama – pojave prslina. Po mehanizmu reakcije, postoje dva vida korozije – hemijska i elektrohemijska. Hemijska korozija nastaje međudejstvom metala i gasova na povišenoj temperaturi (gasna korozija), a elektrohemijska – dejstvom elektrolita na metal, što je najrasprostranjeniji
74
oblik korozije. Tako je – jer se većina metalnih konstrukcija nalazi u kontaktu sa vazduhom, koji sadrži i vodenu paru, ugljenu kiselinu, gasove na bazi sumpora i druge primese koje se rastvaraju u kapljicama vlage. Površina tako izloženih konstrukcija prekrivena je vlagom, zasićenim solima, bazama, kiselinama, odnosno slojem elektrolita koji direktno učestvuje u procesu elektrohemijske korozije metala. Ona je zasnovana na sposobnosti metala da se jonizuje (otpušta elektrone) i odgovarajućoj sredini (elektrolitu). Merilo ove pojave je elektrodni potencijal, koji se definiše kao razlika potencijala nekog metala i tzv. standardne (referentne) elektrode od vodonika, čiji je potencijal nula . Negativni elektrodni potencijal imaju metali sa većom sposobnošću otpuštanja elektrona, pa se smatraju – katodom. Metali, posebno legure, nehomogeni su po strukturi i hemijskom sastavu (čvrsti rastvori eutektičke smeše i hemijska jedinjenja imaju različite elektrodne potencijale). Pri potapanju nekih legura u elektrolit neke njene oblasti imaju niži elektrodni potencijal, postaju anodne i razaraju se, dok druge oblasti legure sa višim potencijalom, kao katodne, ostaju nepromenjene. Pošto takvih anodnih i katodnih oblasti ima mnogo, smatra se ,da se legura sastoji od velikog broja anoda i katoda. Povećanu sklonost ka koroziji mogu da imaju i spojevi metala ili legura (na primer – spoj između lima izrađenog od legure aluminijuma – anoda i zavrtnja od mesinga koji predstavlja katodu, gde korozionom razaranju podleže lim). Stanje metala u odnosu na dejstvo neke sredine može biti aktivno (metal se relativno lako razara u korozionoj sredini) i pasivno (stanje metala u kome ne korodira u određenoj sredini, zbog zaštitnih slojeva oksida ili nekih drugih jedinjenja po površini metala). Metode zaštite od korozije Metal se može štititi od korozije: legiranjem, nanošenjem zaštitnih nemetalnih slojeva, metalnim i nemetalnim prevlakama (premazima). Nemetalni zaštitni slojevi dobijaju se oksidacijom (oksidni sloj) ili fosfatiranjem (fosfatni sloj). Uloga im je da uspore anodni proces rastvaranja metala, tj. da povećaju pasivnost površine matala. Za metalno prevlačenje najčešće se koristi cink (pocinkovanje), kadmijum (kadmiranje), aluminijum (alitiranje), kalaj (kalaisanje), nikl (niklovanje), hrom (hromiranje), silicijum (siliciranje), bakar (bakarisanje) i dr. Prevlake se nanose različitim postupcima: topli postupak (potapanje u rastopljeni metal), difuziona metalizacija (raspršivanje), plakiranje, galvanizacija itd. Zaštita galvanskim prevlačenjem zasniva se na dobijanju galvanskih prevlaka elektrolizom vodenog rastvora soli metala koji postaje prevlaka (pocinkovanje, kadmiranje, kalaisanje, niklovanje i hromiranje). Ako metal prevlake, na primer cink, ima niži elektrodni potencijal od osnovnog metala, na primer železa, ta prevlaka štiti metal mehanički i elektrohemijski, jer je anoda. U slučaju da metal prevlake, na primer kalaj ili hrom, ima veći elektrodni potencijal od osnovnog metala, npr. železa, zaštita ima samo mehanički karakter (u slučaju oštećenja prevlake, razara se osnovni metal). Zaštita raspršivanjem sastoji se u tome da se rastopljeni metal, npr. cink ili kadmijum, raspršuje vazduhom pod pritiskom i u vidu struje sitnih kapljica usmerava ka površini proizvoda (metala koji treba da se zaštiti). Koristi se za površinsku zaštitu proizvoda velikih dimenzija. Plakiranje se sastoji u nanošenju sloja metala u vidu tankog lima na osnovni metal – valjanjem pod velikim pritiskom (npr. plakiranje čelika bakrom).
75
Zaštita nemetalnim prevlakama, izvodi se tako što se na površinu metalnog proizvoda nanosi sloj boja, lakovi i posebne vrste maziva. Lakovi su jevtiniji i lako se nanose, ali tokom vremena takve prevlake pucaju i propuštaju vlagu, nepouzdane su.
76
