Mašinski materijali - Predavanje (A (AS) -
Izbor materijala
VAŽNOST TEHNIČ KIH KIH MATERIJALA DANAS Razmatranje i analiza strukture ugra đenih materijala u automobil, avion, brod ili čamac, bicikl, bilo koji ku ćni aparat, igra čku, sportsku spravu nekad (doba naših očeva ili ili dedova) dedova) i danas, danas, pokazuju pokazuju da su oni sastavljen sastavljenii od bitno bitno druga čijih vrsta materijala. Današnje konstrukcije su lakše, trajnije, pouzdanije jeftinije i lepše od sli čnih nekad. Broj, raznovrsnost i koli čine mate materij rijala ala u stalno stalnom m su pora porastu stu - od maso masovne vne količine manjeg broja vrsta do današnjih vrlo velikih koli čina mnogobrojnih kombinacija tipova. Danas se procenjuje da raspolažemo s oko 70 000 vrsta tehničkih materijala. U posljednjih 50-tak godina u upotrebu je ušlo više novih materijala nego u svim prethodnim vekovima! Na žalost civilizacije, a na dobrobit tehnike, ve ći deo novih materijala proizašao je iz vojnoindustrijskog kompleksa. Materijali na bazi gvož đa postižu zasićenje u proizvodnji i potrošnji, a istovremeno raste udeo primene aluminijumskih, titanovih, magnezijskih, i drugih legura, polimernih i kerami čkih i posebno kompozitnih materijala. Danas se raznovrsnost svojstava ostvaruje kombinacijom materijala specifi čnih svojstava čime se postižu unapred određene funkcije. Sve se više govori o "projektovanju materijala" željenih svojstava, posebno kod kompozita.
VAŽNOST TEHNIČ KIH KIH MATERIJALA DANAS Razmatranje i analiza strukture ugra đenih materijala u automobil, avion, brod ili čamac, bicikl, bilo koji ku ćni aparat, igra čku, sportsku spravu nekad (doba naših očeva ili ili dedova) dedova) i danas, danas, pokazuju pokazuju da su oni sastavljen sastavljenii od bitno bitno druga čijih vrsta materijala. Današnje konstrukcije su lakše, trajnije, pouzdanije jeftinije i lepše od sli čnih nekad. Broj, raznovrsnost i koli čine mate materij rijala ala u stalno stalnom m su pora porastu stu - od maso masovne vne količine manjeg broja vrsta do današnjih vrlo velikih koli čina mnogobrojnih kombinacija tipova. Danas se procenjuje da raspolažemo s oko 70 000 vrsta tehničkih materijala. U posljednjih 50-tak godina u upotrebu je ušlo više novih materijala nego u svim prethodnim vekovima! Na žalost civilizacije, a na dobrobit tehnike, ve ći deo novih materijala proizašao je iz vojnoindustrijskog kompleksa. Materijali na bazi gvož đa postižu zasićenje u proizvodnji i potrošnji, a istovremeno raste udeo primene aluminijumskih, titanovih, magnezijskih, i drugih legura, polimernih i kerami čkih i posebno kompozitnih materijala. Danas se raznovrsnost svojstava ostvaruje kombinacijom materijala specifi čnih svojstava čime se postižu unapred određene funkcije. Sve se više govori o "projektovanju materijala" željenih svojstava, posebno kod kompozita.
Neki proizvodi nekad i danas
Usisivač nekad i danas
Ukupna svetska proizvodnja materijala t
Sirovo željezo (7800 kg/m3)
1000
6
0 1 / a j n 100 d o v z i o r p 10 a k s t e v s a 1 n p u k U
Polimeri (bez kaučuka) (1100 kg/m3) Aluminijum (2710 kg/m3) Bakar (8940 kg/m3) Kaučuk (1000 kg/m3) Cink (7130 kg/m3)
. 1930.1940. 1950. 1960. 1970 1980. 1990.2000.
Godina
U drugoj polovini XX veka izraženo je smanjenje proizvodnje metalnih materijala. Ova stagnacija se objašnjava slede ćim činjenicama: • razvijena je snažna motivacija za štedljivo korištenje materijala i energije, na svim podru č jima, • tržište roba je sve više zasićeno (npr. teška vozila), • tehnički razvoj omogućuje ugradnju manjih koli čina materijala uz jednaku nosivost i pouzdanost konstrukcija, • sve veće količine recikliranih materijala smanjuju potrebe za proizvodnjom primarnih poluproizvoda. Neke prognoze govore o tome da nastupa era intenzivne proizvodnje i korištenja polimernih materijala, a tek krajem veka treba računati s većom primenom sada novih materijala - npr. kompozitnih i keramičkih.
Kriva rasta proizvodnje i upotrebe materijala
Podela materijala
Metali i njihove legure
Kompoziti Polimeri
Keramike i stakla
Metali i njihove legure Dobri
provodnici struje i toplote dobro
deformabilni
Neprovidni Osetljivi
na hemikalije, a neki i na dejstvo atmosfere Visoke
gustine
Fe, Čelik, Cu, Al, Ti, Bronza, ...
Keramike i stakla Izolatori
struje i
toplote Tvrdi,
krti, nedeformabilni Neki
su providni
Doro
koroziono otporni Vatrootporni
SiC, Si3N4,
Al2O3, BaTiO3,
Polimeri Izolatori
struje i
toplote Vrlo
fleksibilni, deformabilni, male čvrstoće Neki
su providni
Dobro
koroziono
otporni Neotporni Male
na toplotu
gustine
Sve plastike, Najlon, Guma, ...
Kompoziti specifična čvrstoća, udarna i zamorna otpornost Visoka
Koroziono
otporni
Skupi Zapaljivi,
toksični
Nepostojani
u agresivnim sredinama Osetljivost
na temperaturu i vlagu
Napredni materijali Elektronički materijali, superprovodnici, itd.
Savremeni materiajali, materijali budućnosti • Biorazgradivi materijali, • Nanomaterijali, • Penasti metali • “Pametni” materijali, • Biomimetički materijali • MEMS - Mikro elektro-mehanički sistemi
KRUŽENJE SIROVINA I MATERIJALA - ŽIVOTNI CIKLUS MATERIJALA Svedeno na primarnu proizvodnju, udeo recikliranih materijala u razvijenim zemljama prosečno iznosi: 51 % za olovo 24 % za aluminijum 46 % za gvož đe 23 % za cink 37 % za bakar 15 % za kalaj
Shema stanja i zbivanja s materijalom
Materijal Kapital Vreme
Proizvodni proces
Energija Informacije
Gubici materijala i energije
Proizvod
ODLUČ IVANJE O MATERIJALIMA PRI KONSTRUISANJU
Uslovi rada – upotrebe
Primaran zadatak svake proizvodnje je proizvesti kvalitetnije uz što bolja korisna svojstva, lepši izgled i nižu cenu. Navedeno je moguće postići unapređenjem proizvodnih postupaka izrade i konstrukcijskih rešenja ali i pravilnim izborom materijala.
Funkcija prenos meh. opt. oscilacija, toplote
Uslovi društva i tržišta tehnološki, estetski, ekonomski, zaštita okoline
Materijali – Oblik i dimenzije – izbor materijala konstruisanje
Proizvodni proces
Proizvodna ograničenja i uslovi izrade i montaže
Povezanost konstrukcijskog oblikovanja, izbora materijala i nač ina proizvodnje
Izbor materijala izvodi se najpre pri konstruisanju proizvoda, a re đe tokom izrade ili nabavke kada je to rezultat nepredvidivih kasnijih izmena u konstrukcijsko tehnološkoj dokumentaciji ili radi pogrešnih odluka u konstrukciji. Proces razvoja proizvoda i izbora materijala odre đuju četiri osnovne grupe faktora:
1. Tehnički – funkcijski i eksploatacijski zahtevi kao i svojstva proizvoda, proizvodna svojstva, energetska svojstva, standardizacijska svojstva 2. Ekonomski – troškovi razvoja i proizvodnje, cijena proizvoda, investicijski troškovi, produktivnost i rentabilnost, mogu ćnosti kooperacije, diverzificiranost proizvoda, zemlje prodaje i dr. 3. Društveni, humani – potrebe čovjeka i društva, ergonomska svojstva, mogućnost recikliranja i utjecaj na okoliš, kulturološka (estetska) i informacijska svojstva i dr. 4. Pravni – norme, zakoni, propisi, zaštita izuma, patenta, modela, postupka proizvodnje (know – how i know – why) i dr. Analizom navedenih faktora u konkretnoj situaciji izvode se kriteriji vrednovanja konstrukcijskog rješenja.
Postupak razvoja proizvoda može se podeliti u nekoliko karakteristi čnih logičnih faza, iako je celi proces rada nužno iterativan: • predstudija - koncipiranje, • projektovanje i razrada varijanti rešenja, • konstrukcijska i tehnološka razrada izabranih varijanti. Materijali se biraju u svakoj od navedenih faza, ali unutar razli čite veličine skupa materijala i s razli čitim stepenom preciznosti rezultata.
ALATI (METODE) KONSTRUISANJA INŽENJERSKA ZNANJA •Mehanika
• analiza izvodljivosti
•Termodinamika
• metode v rednovanja varijanata
•Tehnike modeliranja
• metode optimiziranja
•Numeričke metode
• detaljne analize, npr. MKE
TRŽIŠNA POTREBA
IZBOR MATERIJALA
Koncipiranje
Okvirni i. m. svi materijali
Projektovanje – razrada varijanata
Varijante mat. podskupovi i vrste mat.
Konstrukcijsko – tehnološka razrada
Vrste i tipovi materijala – detaljan i. m.
PROIZVOD
Podaci i znanja o materijalima • sastav • struktura • svojstva • ponašanje • primena Odgovarajući postupci obrade i oplemenjiv.
TRŽIŠNA POTREBA
Koncipiranje
Projektovanje – razrada varijanata
Konstrukcijsko – tehnološka razrada
PROIZVOD
IZBOR MATERIJALA Svi materijali (slaba preciznost)
Podskupovi materijala (visoka preciznost) Jedan materijal (najbolja moguća prciznost)
Predstudija ili koncipiranje je karakteristična najpre za razvoj novog proizvoda. U fazi koncepta obično se traži nekoliko istaknutih svojstava - invarijantni zahtjevi zasnovani na ispunjenju tražene funkcije (npr. provodnik ili izolator, magneti čan ili nemagnetičan, mala masa i sl.), a u obzir dolazi velik broj grupa i vrsta materijala. Ovde se utvr đuju prva ograničenja kao npr.: radna temperatura, agresivni mediji, vrsta spoljašnjeg optere ćenja, grubi oblik, dimenzije, izgled i sl. i predizabiru moguće grupe materijala za dalju razradu varijanti. Pri projektovanju i razradi varijanti rešenja potrebne su što obuhvatnije informacije o svojstvima materijala koje nalazimo u katalozima i bazama podataka. Svakoj se varijanti rešenja pridružuju odre đeni materijali, a varijante podležu vrednovanju prema unapred definisanim kriterijumima. Ovde se može smanjiti količina ugrađenog materijala i broj ugra đenih delova, smanjiti zalihe, razviti proizvode koji zahtevaju manje energije ili pove ćati pouzdanost proizvoda. U ove mogućnosti takođe spada i filozofija konstruisanja s obzirom na zahtev recikli čnosti i obnovljivosti eksploatisanog proizvoda.
Za konstrukcijsku i tehnološku razradu bi trebalo da ostanu samo nekoliko materijala - najčešće jedan osnovni i jedna ili dve zamene. Sada konstruktor i tehnolog moraju napraviti kona čan izbor s obzirom na predvidivo ponašanje materijala u proizvodnji i upotrebi. Ovde mora biti definisan: • proizvođač (dobavljač) materijala, • oblik, • dimenzije, • količine, • mogućnost isporuke i • ukupni troškovi materijala i proizvodnje. Za konačne konstrukcijske prora čune, razradu tehnološkog procesa i kalkulacije troškova nužno je poznavati što ta čnije vrednosti svojstava materijala, jer se one, za jednu te istu vrstu materijala, razlikuju od proizvo đača do proizvođača. Za kritične delove i sklopove ponekad je potrebno dodatno ispitati neka od važnih svojstava, ili laboratorijskim ispitivanjima simulirati uslove rada na prototipu.
Zamena materijala za postojeći proizvod
Premda je izbor materijala uglavnom vezan uz konstruisanje (razvoj) proizvoda, postoje i mnogi drugi razlozi za preispitivanjem vrste primenjenog materijala i načina proizvodnje, a sve u svrhu ponovne izrade i poboljšanja ve ć usvojenog proizvoda: • Pojava no novih ma materijala, • Pob Pobolj oljšanj šanje e kara karakkteri terisstik tika proi proizv zvod oda, a, • Nezadovoljavajuće ponašanje u proizvodnji, • Promenjeni us uslovi ra rada u up upotreb rebi, • Kvar Kvarov ovii u upo upotr treb ebii uzrok uzrokov ovan anii mat mater erijijal alom om - defo deform rmac acijije, e, lomo lomovi vi,, tro troše šenj nje e ili ili korozija, • Poja Pojava va nov novih ih zak zakon ona, a, sta stand ndar arda da,, prop propis isa a i upu upust stav ava, a, • Oteža težan na naba nabavvka defi defini nissanog anog mat mater eriijal jala, • Sman Smanje jenj nje e troš troško kova va pro proiz izvo voda da te te posti postiza zava vanj nje e bolje bolje kon konku kure rent ntno nost sti.i.
METODE ODLUČIVANJA I OPTIMIZACIJE Način na koji se bira pogodan materijal najpre zavisi od broja i važnosti postavljenih zahteva i kriterijuma. U slu čaju malog broja zahteva velike važnosti težište je na kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi svojstava i ponašanja manjeg broja materijala koji dolaze u uži izbor, putem informisanja ili iskustva. Primena kvantitativnih metoda odlu čivanja dolazi u obzir najpre kod velikog broja traženih svojstava, jer je za o čekivati relativno velik broj prihvatljivih materijala. Kod svih na čina odlučivanja se upore đuju tražene i postoje će vrednosti svojstava materijala. Prema složenosti, ali i po redosledu odlu čivanja razlikujemo tri na čina poređenja: •
zado zadovo voljljen enje je nek neke e mini minima maln lne e ili ili maks maksim imal alne ne traž tražen ene e vred vredno nost sti,i, ili ili eli elimi mina naci cija ja preko početnih zahteva zahteva - uglavnom uglavnom se odnosi odnosi na invarijantne invarijantne zahteve; zahteve;
•
prek prekri riva vanj nje e po polja lja tol toler eris isni nih h vre vredn dnos ostiti zaht zahtev eva; a;
•
mini minimi mizi zira ranj nja a ili ili maks maksim imiz izir iran anja ja vre vredn dnos ostiti una unapr pred ed defi defini nisa sane ne fun funkc kcijije e cilj cilja a ili ili tzv. parametra vrednovanja.
Analiza konstrukcijskog zadatka zadatka Tražena svojstva materijala i rangiranje relativne važnosti ne postoji zadovoljavajući materijal Razvoj materijala i postupaka proizvodnje
Eliminacije Upoređivanje Optimizacija postoji zadovoljavajući materijal Izabrani materijali i specifikacija svojstava Detaljna analiza svojstava i ponašanja materijala
Shema toka izbora materijala
Metoda traženja podataka i odlučivanja
Svojstva postojećih materijala
RAČUNARSKA PODRŠKA ODLUČIVANJU O MATERIJALIMA Razvoj kompjuterskih sistema, sve ve ći broj materijala i njihovih karakteristika, težnja k bržem i pouzdanijem traženju informacija, težnja s objektivnijim i celovitijim poređenjima, sve prisutnija potreba za modeliranjem i simulacijama upućuju na korištenje ra čunarskih sistema koji obra đuju, čuvaju i procesiraju informacije o materijalima. Pri traženju vrednosti o svojstvima korisne su bibliografske i faktografske baze podataka o materijalima, a za odlu čivanje CAMS (Computer Aided Materials Selection) i ekspertni sistemi (ES). Naredna slika prikazuje koncepcijsku arhitekturu CAMS ekspertnog sistema koji je u stanju da komunicira s konstrukcijskim timom i njegovim specifi čnim programskim modulima. U osnovi, svaki takav sistem sadrži tri jako integrisana dela: • bazu podataka, • bazu znanja kao i • module za odlučivanje, modeliranje i analize.
Osnovni moduli CAMS ekspertnog sistema SPOLJAŠNJE BAZE PODATAKA INTERNE BAZE PODATAKA • svojstva materijala • prethodni konstr. podaci • podaci proizvođača • materijala
BAZE ZNANJA • pravila izbora materijala • pravila konstruisanja • pravila proizvodnje • naučeni slučajevi
MODELIRANJE/ANALIZE • konstitutivne jednačine • metoda konačnih elemenata • analiza rizika • modeliranje procesa izrade • simulacije ponašanja • prostorni rasporedi • modeliranje kontrole • analiza troškova • studije prodaje i marketinga
EKSPERTNI SISTEM ZA IZBOR MATERIJALA korisničko razmatranje modul za zaključivanje sistem pretraživanja/zaključivanja specifični zahtevi i ograničenja proizvoda
CAD/CAM grupa/tim za razvoj proizvoda
ograničenja proizvodnje – oprema, postupci, troškovi
Baze znanja sadrže pravila za izbor materijala, pravila konstruisanja, ograni čenja, objekte, taksonomiju i nau čena znanja iz rešenih slu čajeva. Osnova fizi čkih modela u bazama znanja su formule – npr. za ra čunanje kritične veličine pukotine iz poznate granice te čenja i lomne žilavosti, ili ra čunanje statičke izdržljivosti za određenu temperaturu, faktori koncentracije naprezanja, uticaji proizvodnih faktora na dinamičku izdržljivost i sl., pravila za proizvodnju itd. Nadalje to su tzv. “if then – ako tada” pravila za predizbor materijala, kao npr.: • AKO je tražena visoka granica razvla čenja i visoka lomna žilavost TADA treba analizirati primenu čelika “MARAGING” • AKO je visoka radna temperatura i tražena niska toplotna provodnost TADA je pogodan keramički toplotni zaštitni sloj • AKO su zahtevi: visoka otpornost trošenju, nizak faktor trenja i visoka tačnost dimenzija TADA u obzir dolazi PVD (Physical Vapour Deposition) postupak modifikovanja površine
Moduli za odlučivanje sadrže parametre i funkcije cilja (vrednovanja) kao i ekspertna pravila. Kod zamene postoje ćeg materijala pitanje može npr. biti: “na đi čelik čija je čvrstoća viša od postoje će, ali da je jeftiniji tako da sadrži manji sadržaj Cr i Ni”.
INFORMACIJSKI, CAMS I EKSPERTNI SISTEMI U PODRUČ JU MATERIJALA Broj novih informacija o materijalima iz dana u dan je sve ve ći. Istraživači, inženjeri različitih struka - projektanti, konstruktori, tehnolozi kao i stru čnjaci koji održavaju opremu, sve se teže snalaze u šumi tih podataka i informacija uz pomoć klasičnih pomagala - priručnika, kataloga proizvo đača, normi, časopisa i knjiga. Danas je uobi čajeno da se rezultati istraživanja i ispitivanja materijala brzo prenose do korisnika pomo ću savremenih informacijskih i komunikacijskih sistema. Poslednjih 20-tak godina podaci i informacije o svojstvima i primeni materijala sistemski se prikupljaju iz razli čitih izvora, vrednuju i čuvaju u bazama podataka i bazama znanja. Ovako objedinjene i sre đene informacije dostupne su preko: – bibliografskih informacijskih sistema – javnih servisa (podaci iz časopisa, knjiga, izvještaja i sli čnih izvora), – numeričkih i numeričko – tekstualnih tzv. faktografskih baza podataka i informacijskih sistema, – sistema za podršku odlučivanju kao što je izme đu ostalih i CAMS (Computer Aided Materials Selection – Izbor materijala pomoću računara), – ekspertnih sistema za ispitivanje, kontrolu i izbor materijala.
Tipovi baza podataka
Izvori za baze podataka o materijalima
Oblici baza podataka
Faktografski sistemi razlikuju se: • prema grupi ili vrsti materijala, ili • prema svojstvima i karakteristikama, • ili pak prema područ jima primene materijala.
Ekspertni sistemi (ES) Ako za donošenje odluka nisu dovoljni samo podaci, nego su potrebni iskustvo i specifična znanja, primenjuju se metode vešta čke inteligencije ugra đene u ekspertne sisteme. Takvi sistemi teže davanju ekspertnih saveta i odluka pa se u njima nalaze skupovi tzv. proizvodnih pravila koja čine "mehanizam odlu čivanja". Putem pravila reprezentuju se znanje na razli čitim nivoima - od preslikavanja zahteva u svojstva materijala, preko korelacije izme đu svojstava, pa do preporuka o prikladnim materijalima. Pomo ću pravila ubrzava se proces zaključivanja i donošenja odluka u odnosu na klasi čna pretraživanja i upoređivanja svojstava. Jezgro ES č ine baza podataka i baza znanja. Pri razvoju ES osnovni problem je pronalaženje eksperata koji mogu prikladno da prezentiraju potrebno znanje i postupak odlu čivanja, kao i tzv. "inženjera znanja" čiji je zadatak da prikupe sistematizuju i oblikuju ekspertno znanje i postupke i to prenesu u računar.
U proizvodno - poslovnim procesima, pore đano prema važnosti i složenosti odlučivanja, razlikujemo tri nivoa gde su potrebne informacije o materijalima: a) pri donošenju poslovnih odluka koje su vezane uz materijale – zalihe, potrošnja (količinski i vrednosni pokazatelji), ulaz u nove proizvodne programe ili poboljšanja postojećih, saznanja o boljim ili novim materijalima; b) pri razvoju proizvoda i proizvodnje: izbor materijala i/ili uz njih vezanih tehnoloških postupaka; razrada tehnoloških postupaka; provera nosivosti, sigurnosti i trajnosti konstrukcija, primenjuju ći podatke o svojstvima materijala; kontrola kvaliteta materijala i proizvoda; interna normizacija i tipizacija materijala; c) za upravljanje materijalom u proizvodnom procesu – praćenje raspoloživosti i nabavljivosti; skupljanje i obrada rezultata vlastitih ispitivanja i pra ćenja materijala; obrada povratnih informacija o ponašanju materijala u upotrebi (lomovi, istrošenja i druga opažanja); pra ćenje stanja i fizi čkih tokova materijala uklju čujući zalihe, potrošnju, iskoristivost (otpad).
KVANTITATIVNA KARAKTERIZACIJA SVOJSTAVA MATERIJALA Težnja ka kvantifikaciji svojstava tehni čkih materijala posledica je potrebe za razvojem na naučnim osnovama. Ako postoje broj čani pokazatelji, izbor optimalnog materijala bi će lakši i objektivnije, kao i predvi đanje ponašanja materijala tokom preoblikovanja i upotrebe pouzdanije. Svaka vrsta materijala može biti opisana sa preko 200 osnovnih svojstava, pa uz oko 70 000 postoje ćih tehničkih materijala, i njihovo stalno umnožavanje, raste količina brojčanih pokazatelja. U prikupljanju i prezentaciji ekspertnih znanja o materijalima pojavljuju se i iskustveni iskazi - procene, tekstualni opisi sa logi čkim odnosima izme đu svojstava. U korištenju se, svakom postoje ćem ili novo dobijenom podatku može pridružiti: a) izvor i relevantnost; b) oblik prikazivanja vrednosti - pojedina čna brojčana veličina, funkcija, statistička ili empirijska zakonitost (grafi čki ili numerički), slikovni prikaz (npr. mikrostrukture), procena i ocena; c) upotrebljivost - kao čista informacija o materijalu, za izbor materijala ili za proračune.
MESTA GENERISANJA PODATAKA O SVOJSTVIMA I KARAKTERISTIKAMA MATERIJALA Mogući fond podataka i znanja o svojstvima rezultat je ispitivanja i pra ćenja materijala i proizvoda tokom njegovog dobijanja i preoblikovanja, razdvajanja, povezivanja, termičke obrade ili u upotrebi. Tako se razlikuju: 1. podaci o sastavu (kvalitativnom, kvantitativnom, faznom) materijala; 2. podaci o strukturi materijala; 3. podaci dobijeni normiranim - propisanim ispitivanjima epruveta i drugih uzoraka; 4. podaci dobijeni dogovorenim ispitivanjima epruveta i uzoraka; 5. podaci i pokazatelji za svojstva dobijeni ispitivanjima modela i prototipa proizvoda; 6. podaci i pokazatelji dobiveni praćenjem, tokom prerade, materijala u gotov oblik; 7. pokazatelji i podaci dobijeni ispitivanjima i pra ćenjem proizvoda u upotrebi (eksploataciji); 8. pokazatelji dobijeni praćenjem u toku regeneracije ili recikliranja materijala.
UTIECAJI NA SVOJSTVA I PONAŠANJE MATERIJALA
Naredna slika prikazuje uticaj sastava i mikrostrukture materijala, tehnoloških postupaka dobijanja i preoblikovanja na svojstva i ponašanje materijala, kao i njihovo međudelovanje. OSNOVNA SVOJSTVA NEOBLIKOVANOG MATERIJALA opisuju se nekim osnovnim konstantama koje su po pravilu nezavisne od oblika i dimenzija kona čnog dela. U toj grupi nalaze se one veli čine koja govore: • o mehaničkoj otpornosti - modul elastičnosti, modul smi čnosti, Poissonov omjer; • o fizičkim svojstvima - gustina, toplotna, električna, magnetna, akusti čka, optička svojstva itd. Vrednosti za spomenuta svojstva dobro su poredive za razli čite vrste materijala.
USLOVI RADA
SVOJSTVA I PONAŠANJE MATERIJALA U UPOTREBI
OBLIK I DIMENZIJE KONSTRUKCIJE
ograničavaju utiču na
menjaju
TEHNOLOŠKI POSTUPCI DOBIJANJA I PREOBLIKOVANJA
SASTAV I MIKROSTRUKTURA MATERIJALA utvrđ uju menjaju utvr đuju
ukazuju
utvr đuju kontrolišu
SVOJSTVA MATERIJALA
VRSTE POSTUPAKA ZA UTVR ĐIVANJE SVOJSTAVA I PONAŠANJA MATERIJALA Jedna od mogućih klasifikacija ispitivanja relevantnih svojstava i karakteristika je 1.UTVR ĐIVANJE HEMIJSKOG SASTAVA STRUKTURE Hemijski sastav -Kemijska struktura -Mikrostrukturne karakteristike IH SVOJSTAVA 2. UTVR ĐIVANJE FIZI ČK Električna, Magnetna Toplotna, termodinamička Optička Akustička Radijacijska IM I BIOLOŠKIM 3. UTVR ĐIVANJE OTPORNOSTI HEMIJSKIM, FIZI ČK UTICAJIMA Medijima, materijama u dodiru Živim organizmima - biološka otpornost UV zračenju
4. UTVR ĐIVANJE MEHANI ČKIH SVOJSTAVA Statičko opterećenje Dinamičko promenjivo opterećenje Udarno opterećenje Puzanje i relaksacija Opštee karakteristike elasti čnosti Složena opterećenja
5. UTVR ĐIVANJE OTPORNOSTI TROŠENJU - TRIBOLOŠKIH SVOJSTAVA Otpornost abraziji Otpornost adheziji Otpornost zamoru površine Otpornost tribohemijskom trošenju Ostalih triboloških svojstava
6. KARAKTERIZACIJA PONAŠANJA U EKSPLOATACIJI Karakteristike lomova Karakteristike istrošenja Karakteristike korozijskog dotrajavanja Otrovnost, uništivost
7. UTVR ĐIVANJE PROIZVODNIH (TEHNOLOŠKIH) SVOJSTAVA Livkost Kovnost - gnječivost - deformabilnost Obradivost - rezljivost Zavarivost Lepljivost Mogućnost zaštite površine Termička obradivost
OPISNA KARAKTERIZACIJA: Svojstva se izražavaju često rečima ili ocenama. Za teže merljiva svojstva, kao što su tehnološka, otpornost koroziji i otpornost trošenju, to je jedino mogu ć način kvantifikacije. Ocene se najčešće iskazuju rečima ili brojevima kao npr.: izvrstan ili posebno pogodan - ocena (5), vrlo dobar ili vrlo pogodan - ocena (4), dobar ili pogodan - ocena (3), dovoljan ili uslovno pogodan - ocena (2), nedovoljan ili nepogodan - ocena (1). Pouzdanost takvih ocena razmjerno je niska i zavisi od toga ko ih je ustanovio. Radi se o najnepreciznijem obliku kvantifikacije svojstava. Kvalitativni iskazi nalaze svoje mesto najpre u izgradnji ekspertnih sistema za izbor i primenu materijala.
PRIKAZI DIJAGRAMIMA, SLIKAMA I FUNKCIJAMA Najčešće su prisutni, ali i najteži za ra čunarsku obradu podataka, premda daju najviše informacija o materijalu. Zbog većeg broja podataka i informacija govori se o višezna čnoj karakterizaciji. Tipični slučajevi takvog prikazivanja jesu: dijagrami "naprezanje - deformacija", dijagrami puzanja, prikazi habanja i korozije u vremenu itd. Slike mikrostruktura sadrže tako đe niz vrednih informacija o svojstvima materijala i mogu se savremenim metodama prevesti u kvantificirani oblik - npr. analizom slike. Danas je već uobičajeno i tzv. parametarsko kvantificiranje zavisnosti pojedinih svojstava od temperature, pritiska, trajanja optere ćenja i drugih uticaja. Takav oblik karakterizacije ponašanja materijala olakšava i čuvanje funkcija u bazama podataka.
KOMBINACIJA KARAKTERISTIKA: Logičkom analizom ili razmatranjem izraza za prora čunavanje konstrukcijskih delova dobijaju se tzv. parametri ili funkcije vrednovanja materijala ("merit parameters"). Tako su, npr. za lake a krute konstrukcije od kompozitnih materijala, bitni kriterijumi: "specifi čna krutost" - odnos modula elastičnosti i gustine kao i "specifična čvrstoća" - odnos čvrstoće i gustine
METODE IZBORA MATERIJALA METODA "CENA JEDINICE SVOJSTAVA" Razmatra se jedno ili nekoliko primarno važnih svojstava u kombinaciji sa cenom odnosno troškovima materijala ili proizvoda. To ovu metodu čini dosta jednostavnom, no bitno je uo čiti kada i u kojim slučajevima je ona primenjljiva. Najbitnije je utvrditi relevantno svojstvo koje proizilazi iz prou čavanja uslova primene i ostalih zahteva prema materijalu.
Primer za mehaničku otpornost U tablici II navedeni su neki od izraza za izra čunavanje cijene (troškova) po jedinici svojstava (u ovom slu čaju čvrstoće i krutosti) za različite poprečne presjeke i uvjete optere ćenja. Tablica II: Neki izrazi za izra čunavanje cijene jedinice svojstava Poprečni presek i uslovi opterećenja puna okrugla šipka – zatezanje/pritiskivanje puna okrugla šipka – savijanje puna okrugla šipka – torzija puni pravougaoni presek – savijanje tankozidna valjkasta posuda pod pritiskom
Cena po jedinici čvrstoće (Cρ)/R m (Cρ)/Rm 2/3 (Cρ)/Rm 2/3 (Cρ)/Rm 1/2 (Cρ)/Rm
Cena po jedinici krutosti (Cρ)/E (Cρ)/E 1/2 (Cρ)/G 1/2 (Cρ)/E 1/3
Oznake: Rm... čvrstoća ili granica te čenja, C..cena (trošak) po jedinici mase, ρ...gustina, E...modul elasti čnosti, G...modul smicanja.
METODA TEŽINSKIH SVOJSTAVA U slučajevima kada treba oceniti više svojstava može se primeniti metoda težinskih svojstava, jer prethodno opisana metoda nije pogodna. Razmatramo svojstva koja su nam bitna za posmatrani slu čaj, množimo njihovu brojnu vrednost sa odgovarajućim težinskim faktorom. Sabiranjem pojedinih težinskih svojstava dobija se indeks radne karakteristike koji kasnije služi kao uporedni pokazatelj. Materijal sa najvećim indeksom radne karakteristike smatra se optimalnim za definisane uslove. U slučaju kada je najniža vrednost svojstva najbolja, izraz za skaliranu vrednost S bit će: S=
minimum vrednosti u listi numerička vrednost svojstva
dok u slučajevima kada se od svojstva traži maksimum vrednosti ra čunamo prema izrazu: S =
numerička vrednost svojstva maksimalna vrednosti u listi
METODA GRANI Č NIH VREDNOSTI U ovoj metodi osnovni je zadatak preslikavanje zahteva na radne karakteristike u granične vrednosti svojstava materijala koje možemo svrstati u tri kategorije: • donja granična vrijednost svojstva, • gornja granična vrijednost svojstva, • ciljana vrednost svojstva. Da li ćemo na neko svojstvo postaviti donju ili gornju grani čnu vrednost (tj. minimum ili maksimum) zavisi o usmerenosti zahteva. Tako npr., ako se traži otporan, ali lak materijal, postavljamo donju granicu za čvrstoću i gornju za gustinu. Na taj se na čin mogu eliminirati svi nepogodni materijali iz baze podataka; dakle, oni koji izlaze iz postavljenih granica, a ostale uključiti u konačno poređenje. Zbog toga se metoda grani čnih vrednosti svojstava obično primenjuje za optimizaciju materijala i procesa kada je broj mogu ćih varijanti relativno velik.
METODA NAJMANJIH ODSTUPANJA SVOJSTAVA OD TRAŽENIH Algebarski pristup Materijali se upore đuju na osnovu apsolutne vrednosti sume odstupanja svojstava od traženih (zahtevanih).
Geometrijski pristup "Idealan" materijal za odre đene uslove može se prikazati u obliku poligona sa različitim svojstvima ucrtanim uzduž radijusa, od centra do svakog ugla. Vrednosti za zahtevana svojstva su dužine radijusa i ozna čene su sa Y1, Y2, Y3, ..., Yn.
Upoređ ivanje poligona vrednosti svojstava materijala i poligona zahtevanih vrednosti svojstava
RASPOLOŽIVOST I CENA KAO KRITERIJUMI IZBORA MATERIJALA Bez obzira na tehni čku pogodnost materijala da ispuni odre đene kombinacije funkcionalnih, tehnoloških ili upotrebnih svojstava, ako materijal nije raspoloživ u traženom obliku, stanju, dimenzijama, koli čini, roku nabavke i ceni, izbor nije uspešno obavljen. Upravo zbog tih činjenica kriterijum raspoloživosti i nabavljivosti često je osnovno ograni čenje u primeni materijala. Od konstruktora i tehnologa se sve više traži da ve ć pri specifikaciji materijala misle i na to da li je materijal raspoloživ i pod kojim uslovima dobavljiv. Pravovremene informacije o nabavljivosti mogu eliminisati nepotrebne izmene u kasnijim fazama osiguranja materijala za proizvodnju. Stručnjaci koji se bave nabavkom materijala, po pravilu, nisu osposobljeni da promene odluku konstruktora ili tehnologa i umesto teško nabavljivog ili skupog materijala naruče alternativni, tehni čki jednako prihvatljiv. Zbog toga je korisno da se u dokumentaciji specificira jedna ili dve alternative osnovnoj vrsti materijala.
Cena materijala deo je kriterijuma ekonomi čnosti na osnovu kojeg se izvodi predizbor materijala, a tokom ili nakon konstrukcijskog i tehnološkog oblikovanja izračunavaju troškovi izrade proizvoda. Osnovna cena materijala kao i troškovi koji nastaju primenom odre đene vrste, u odnosu na drugu alternativnu vrstu, uz tehničke kriterijume određuju konkurentnost proizvoda na tržištu. Udeo cene materijala u ceeni proizvoda kre će se od 20 do 80 %, zavisno od tipa proizvoda i primenjenim tehnologijama. Za tipi čne mašinske konstrukcije, gde se koriste klasi čne tehnologije oblikovanja - livenje, obrada odvajanjem čestica, kovanje i sl. taj se udeo kreće od 50 do 80 %. Očito je da osnovna nabavna cena materijala čini samo deo ukupne cene, odnosno troškova uzrokovanih materijalom. Često se upravo indirektni troškovi vezani uz određeni materijal ne uračunavaju u konačnu cenu proizvoda. Konačno ugrađenim materijalom određeni su i troškovi u eksploataciji - zbog lomova, habanja ili redovne zamene. Udeo materijalnih troškova u održavanju iznosi oko 60 %. To zna či da kvalitet prvobitno izabranog materijala odre đuje kolika će se još količina morati ugraditi u ukupnom životnom veku proizvoda.
Cena materijala je u osnovi funkcija tri grupe faktora: tehničkih karakteristika materijala, tržišnih i društvenih uslova.
Tehničke karakteristike: • uticaj vrste materijala preko hemijskog sastava, • uticaj stanja - vruće valjano, hladno vu čeno, liveno, kovano, sinterovano... • uticaj oblika i dimenzija - okrugla šipka, kvadratna šipka, cev, lim, žica, složeni profili... • uticaj stanja površine. Tržišni uslovi: • specifični zahtevi kupca odnosno korisnika materijala, • nabavna količina, • uslovi nabavke... Društveni uslovi: • uvozni ili domaći, • strateški, • deficitarni materijal...
Indeks cene predstavlja relativni odnos cene nekog materijala u odnosu na cenu najjeftinijeg, uz jednak oblik, stanje i približne dimenzije. Posebno je pogodan za inženjersku praksu i za upore đivanje materijala, jer odražava odnos tehničkih cena, a uz to bi vremenski trebao biti gotovo nepromenjiv.
Cena jedinice svojstva Apsolutni iznos cene ili indeks cene deli se s vrijednoš ću određenog svojstva ili kombinacije svojstava materijala. Tako možemo definisati "cenu čvrstoće" ili "cenu krutosti" ili "cenu prokaljivosti" itd. Ovaj ekonomsko - tehnički pokazatelj često se koristi kao složen kriterijum za uporedjivanje razli čitih grupa ili vrsta materijala.
Približna cena po jedinici zapremine za metale i plastike u odnosu na običan ugljenični čelik
Materijal Zlato Srebro Legure Mo Nikal Kalaj Legure Ti Legure Cu Legure Zn Ner đajući čelik Legure Mg Legure Al Čelik povišene jačine Sivo liveno gvožđe Ugljenični čelik Najlon, guma Plastike/Elastomeri Fiber Kompoziti
Indeks cene 60 000 600 200-500 35 25 20-40 5-6 1.5-3.5 2-9 2-4 2-3 1.4 1.2 1 1.1-2 0.2-1 40-80
Relativna cena, $ , za različite materijale Metals/ Alloys 100000 50000 20000 10000 ) 5000
) $2000 $ ( ( 1000 t a 500 s n o e 200 C c 100 a 50 e n v i 20 v t i 10 t a l a 5 l e e 2 R R 1
Pt Au
Graphite/ Ceramics/ Polymers Semicond
0.05
$ / kg $ = ($ / kg ) ref materijal
Diamond
Si wafer Si nitride Ag alloys Tungsten Ti alloys
Si carbide
Cu alloys Al alloys Mg alloys
Al oxide
high alloy
CFRE prepreg
Glass-soda
Steel pl. carbon
0.5 0.1
Composites/ fibers
Concrete
AFRE prepreg Carbon fibers Aramid fibers GFRE prepreg Nylon 6,6 PC Epoxy E-glass fibers PVC PET LDPE,HDPE Wood PP PS
• Referentni materijal: - niskougljenični čelik
Načelno tehnički materijali se klasificiraju u dve osnovne kategorije u zavisnosti od njihove cene. U prvoj grupi nalaze se one vrste koje se široko i često upotrebljavaju, lako i jeftino proizvode a poseduju zadovoljavajuća opšta svojstva. To su npr. opšti konstrukcijski, nelegirani čelici, polietilen ili polivinilhlorid, sivi liv i sli čni. Drugoj grupi pripadaju materijali posebnih svojstava čija je proizvodnja i prerada složenija i skuplja, a primenjuju se u specifi čnim uslovima. To su npr. visokolegirani čelici, superlegure, keramika, silikoni i sl. Granica između jeftinih i skupih materijala nije čvrsta i vremenski je promenjljiva. Tako, do pre nekoliko desetina godina skupe, specijalne i retko primenjljive Al i Ti- legure danas su srednje visoke cene a šireg područ ja primene. Mnogi se poluproizvodi ili gotovi delovi prodaju na osnovu cene po jedinici mase, ali i po jedinici zapremine ili jedinici površine. Svi oblici nelegiranih čelika, sivih livova i niskolegiranih čelika su, po masi, jeftiniji od ostalih vrsta materijala, što ukazuje na njihovu široku primenu.
Jedna od značajnih primena analize vrednosti je da se dobije pore đenje cene nekog proizvoda u odnosu prema najeftinijem postoje ćem, ili predvidivom konstrukcijskom rešenju, a da se zadovolje njegove bitne funkcije. Ova se metoda može prilagoditi i za izbor materijala. U poređenju materijala najpre se biraju one vrste koje zadovoljavaju funkcionalne zahteve a ujedno su i što jeftiniji. Pritom inženjer ima dve osnovne mogućnosti odlučivanja: • odabrati najjeftiniji materijal, ili • odabrati skuplji materijal, ali koji se lakše oblikuje, obra đuje ili ima bolja upotrebna svojstva. Primena jeftinijeg materijala ne zna či ujedno i uvek dobijanje jeftinijeg proizvoda. Npr., cena materijala se često odnosi na jedinicu mase pa je nekada ekonomičnije platiti višu cenu za povišenu čvrstoću jer se na taj na čin ugrađuje manja količina materijala. Drugi primer odnosi se na izradu velikog broja komada obradom odvajanjem čestica. Ovdje je ekonomi čnije izabrati skuplji materijal ali bolje obradivosti, nego jeftiniji ali teže obradiv.
Tipičan primer je i primena čelika u slučaju kada se traži visoka otpornost habanju ili korozijska postojanost. Ovde je uvek prisutna dilema; primeniti skup materijal visoke otpornosti ili jeftin osnovni materijal s površinskim slojem visoke otpornosti. Odluka zavisi od visine ukupnih troškova, odnosno o traženoj trajnosti i funkciji dela. U svakom tipu proizvodnje mogu će je uštedjeti na materijalu. Put do ušteda vodi preko četiri moguće vrste analiza: • ponovno proučavanje oblika, dimenzija i mase dela, • ponovno proučavanje načina izrade i montaže, • ponovan izbor materijala, • ponovno projektovanje zbog postizanja optimalne kombinacije traženih svojstava.
KONSTRUISANJE S OBZIROM NA RECIKLIČNOST Zadatak konstruktora je sve odgovorniji, jer osim sve strožijih tehni čkih zahteva mora ispuniti i ekonomske (tržišne), estetske, društvene - u koje izme đu ostalih spadaju i ekološki. Često su zahtevi recikli čnosti u suprotnosti sa ekonomi čnošću i konkurentnošću proizvoda na tržištu, ali je ukupna društvena korist od recikli čnih proizvoda sve ve ća. Novi pristup konstruisanju akceptira sve više slede ća načela: • težiti što manjem utrošku energije u celom životnom ciklusu proizvoda; • koristiti, gde je moguće, reciklirane sirovine i materijale; • primenjivati tehnološke procese koji proizvode minimum otpada i štetnih gasova; • odabirati lako reciklirajuće materijale; • kreativno iskoristiti otpadne materijale u fazi proizvodnje. Postoji nekoliko trendova u razvoju proizvoda koji otežavaju kasnije recikliranje: • sve veća kompleksnost proizvoda s primenom ve ćeg broja različitih vrsta materijala; • povećana primena kompozitnih materijala; • minijaturizacija pojedinih sklopova.
UTICAJ MATERIJALA NA OKOLINU - EKOLOGIČNOST MATERIJALA
Uticaj materijala na okolinu ogleda se u pet faza njegovog "života": • prilikom proizvodnje materijala - kroz stepen emisije štetnih materija (čvrstih i tečnih) i gasova, kroz odbacivanje neiskorištenog otpadnog materijala u okolinu, kroz utrošak energije za preradu sirovina, kroz koli činu neiskorištene toplote; • u fazi izrade proizvoda - slični uticaji kao i pri proizvodnji materijala, • u fazi korištenja proizvoda - kroz stepen korozijskog ili mehani čkog oštećenja (ponajpre za opasne ili otrovne materijale u dodiru sa hranom, lekovima i sl. -npr. teški metali), kroz ve ću ili manju mogućnost održavanja i obnavljanja proizvoda, kroz ve ću ili manju mogućnost recikliranja materijala; • nakon upotrebe proizvoda - kroz veću ili manju mogu ćnost recikliranja; • pri recikliranju - kroz stepen emisije štetnih materija ( čvrstih i tečnih) i gasova, kroz utrošak energije za recikliranje, kroz koli činu proizvedene neiskorištene topline.
Neki od problema pri recikliranju materijala su: • legirani (visokolegirani) metalni materijali su slabije recikli čni od čistih metala, odnosno nelegiranih metalnih materijala; • kompozitni materijali teško se odvajaju na sastavne komponente - npr. staklenim vlaknima oja čani polimerni materijali; • odvajanje prevlaka i slojeva od osnovnog materijala otežava recikliranje. Posebna pažnja poklanja se odvajanju kalajnih prevlaka (beli lim), bakra i plemenitih metala (elektokontakti); • neke vrste polimera se teže recikliraju (duromeri i elastomeri u odnosu na termoplaste), dok neke razvijaju opasne gasove.
Krutost Jačina Žilavost Težina
Sve OK !
Nedovoljna krutost (nedovoljno veliko E)
Nedovoljna jačina (nedovoljno veliko σm) Nedovoljna žilavost (nedovoljno veliko K IC)
Teško (nedovoljno malo ρ)
Neki primeri izbora materijala Primer 1
Funkcija: Hlađenje (toplotni ponor)
Ograničenja: Radna temperatura > 200°C Električna izolacija - R > 1020 μΩ cm Termička provodnost - λ > 100 W/mK Nije teško – gustina < 3 g/cm3
Slobodne promenljive: Izbor materijala
Primer 2 Funkcija: Prenos električne struje
Cilj: Minimiziranje elektri čne otpornosti
Ograničenja: Dužina L i presek A su odre đeni
Slobodne promenljive: Izbor materijala
R = ρ e
L A električna otpornost
t s o n r o p t o a n č i r t k e l E
Ashby-jevi dijagrami za izbor materijala
1 # a n i b o s O
visoko, nisko
visoko, visoko
nisko, nisko
nisko, visoko
Osobina #2
