Univerzitet fakulteta u Sarajevu Mašinski fakultet Sarajevo Katedra za mašinske konstukcije
PRIPREMNA SKRIPTA ZA PRVI PARCIJALNI ISPIT IZ PREDMETA
MATERIJALI 1
MATERIJALI 1
Sarajevo,07.11.2008.god. -Materijali su čvrste materije potrebne za nastanak korisnih konstrukcija. -Energetske mašine su mašine koje pretvaraju jedan oblik energije u drugi koji je tehnički koristan. Vrste energetskih maišina su: pneumatske mašine, mašine koje rade na principu sagorijevanja (SUS motori, elektromotori te hidraulične mašine (turbine itd.). -U mašinstvu se koriste sljedeći oblici energije: potencijalna, kinetička, hemijska, toplotna, električna i atomska. -Radne mašine su mašine koje se bave manipulacijom materijala te pomoću energije premiještaju materijale sa jednog mjesta na drugo i mogu da mijenjaju oblik i energetsko stanje materijala. U ovu vrstu mašina spadaju dizalice i kranovi, alatne mašine, kompresori, pumpe i neki transporterni sistemi poput traka, cjevovoda itd.. -Alatne mašine su mašine kojima se proizvode mašinski elementi i sklopovi, kao npr: alatne mašine za izvorno oblikovanje (za livenje, sinterovanje, ekstrurziju), za plastično oblikovanje, za zavarivanje, za zagrijavanje i termičku obradu, za skidanje strugotina itd... -U osnovne vrste opterečenja kojima mogu biti izloženi mašinski elementi u toku ekspolatacije spadaju: mehanička, koroziona, henijska, termička,magnetna, električna, tribološka, radiaciona, specijalni zahtjevi pri ekspolatiranju itd.. -Pri ekspolataciji mogu se kombinovati opterečenja, a najčešče se kombiniraju koroziona i hemijska, zatim električna i magnetna, termička i mehanička itd.. -Mehanička opterečenja (eksplotacioni uslovi) mogu se podijeliti prema vrsti (pritisak, savijanje, uvijanje, zatezanje itd..); prema načinu djelovanja (statička, dinamićka, vibraciona, udarna) i prema intenzitetu trajanja (kratkotrajna i dugotrajna). -Proizvodne tehnologije predstavljaju tehnologije za proizvodnju željenih elemenata od određenih materijala u cilju stvaranja, promjene ili zadržavanja oblika materijala. -Mašine za obradu informacija su mašine koje preuzimaju ulazne naredbe i podatke da bi ih pretvorili u izlazne informacije ili upravljačke naredbe. Služe
2
MATERIJALI 1
za projektovanje (CAD), proizvodnju (CAM), osiguranje klvaliteta (CAR), te sami inžinjering (CAE). Sve navedene funkcije vrše se pomoću računara. -U osnovne mehaničke osobine materijala spadaju: elastičnost, čvrstoća (na pritisak, na lom, dinamička čvrstoča, niskotemperaturna, pri povišenoj temperaturi), žilavost, otpornost na habanje. -U konstrukcione materijale za izradu mašinkih elemenata spadaju: metali i legure (željezni mat.-čelik i gvožđe) neželjezni metali (lak i teški metali), nemetal (prirodni i vještaćki materijali) i kompoziti (mješavine materijala). -U pomoćne materijale za proizvodnju i obradu mašinskih elemenata spadaju: sredstva za hlađenje i podmazivanje (voda i ulje); za ćišćenje (voda, deterđenti i rastvaraći); za površinsku zaštitu (premazi, boje, lakovi); za brušenje i poliranje (toćila i paste) kao i dodatni materijali za lemljenje, lijepljenje i zavarivanje (elektrode, lemovi, topitelji itd.). -U pomoćne materijale za pogon i održavanje mašina i mašinskih postrojenja spadaju: goriva (nafta, kerozin, benzin), voda, maziva (masti, ulja) i zrak. -Za rad mašinskih postrojenja potrebna je: toplotna i mehanička energija. -Statička opterećenja su opterećenja koja su konstantna u vremenu i pri kojima sila djeluje istim pravcem i intenzitetom na istu tačku. Dinamička opterećenja su opterećenja koja nisu konstantna u vremenu, odnosno pri kojima sila mijenja pravce intenzitete i tačke na koje djeluje. -Termićka opterećenja su ona opterećenja kojima je materijal izložen promjeni temperature. Mogu se javiti na normalnoj, sniženoj ili povišenoj temperaturi te pri termičkim šokovima. -Koroziona opterečenja su ona opterećenja pri kojima je materijal izložen pri dodiru sa nekim hemijskim elementom (npr. oksidacija). Dijele se na: hemijska, elektrohemijska, selektivna, interkristalna i naponska. -Pored mehanićkih funkcija konstruktivni materijali mogu obavljati: termičku, elektronićku, elektrićnu, magnetnu, optičku, radioaktivnu i druge funkcije. -Mehaničke osobine materijala (npr. čelika) se mogu mijenjati: deformacijom (pritisak, istezanje, kombinacijom), izvornim oblikovanjem (sinterovanje, livenje) te promjenom osobina (termićka, termohemijska obrada). -Da bi neki materijal bio uptrijebljen za izradu mašinskog elementa mora biti tehnologićan (željeni element se može prouvesti postojećim tehnologijama),
3
MATERIJALI 1
ekonomičan (cijena dobivenog elementa mora biti zadovoljiva na tržištu) i ekologičan (da ne zagađuje okolinu i poželjno je da se može reciklirati). -Tehnologičnost je obradljivost materijala kroz razlićite vidove obrade. U osnovne tehnologije za spajanje materijala spadaju: zavarivanje, lemljenje, lijepljenje itd.
-Osnovne osobine materijala su: mehanićke, fizićke, hemijske, elektrićne, magnetne i tehnološke osobine.
-Tehnološke osobine su: svojstvo materijala da se na njemu vrše tehnički procesi. Tu spadaju izdržljivost, ispunjavanje kalupa, plastićnost u toplom stanju, rezljivost, zavarljivost i sposobnost za duboko izvlačenje. -U osnovne i najvažnije osobine metalnih materijala spadaju: elektrićna provodljivost, metalni sjaj, pravilan raspored atoma, zavarljivost, dobra livenost, otpornost na habanje itd.. -U fizikalne osobine materijala spadaju: gustina, zapaljivost, toplotno izduženje i provodljivost, koroziono postojanje u atmosferi itd. -U tehnološke osobine materijala spadaju: livkost, savitljivost, plastićnost u toplom stanju, sposobnost za duboko izvlaćenje. -U električne i magnetne osobine materijala spadaju izolaciona svojstva, termoelektrične osobine, provodljivost i specifićni otpor i histereza. -Kompoziti su posebna vrsta materijala nastala mješavinom najmanje dva materijala koji imaju različite osobine.
-Proizvodne tehnologije prestavljaju razlićite metode stvaranja novih oblika promjene ili zadržavanja postojećih mašinski elemenata na brz i kvalitetan naćin. -U glavne grupe proizvodnih tehnologija koje se koriste pri radu mašinski elemenata se obrazuju: izvorno oblikovanje, oblikovanje deformacijom, oblikovanjem spajanjem odnosno razdvajanjem, nanošenje prevlake te sama promjena osobina. -Tijela na kojim se provode tehnologije spajanja mijenja oblik, povećava svoju zapreminu. Proizvodne tehnologije oblikovanj spajanja su zavarivanje, lemljenje, lijepljenje, rastavljive i ne rastavljive veze. -Najćešći procesi obrade kojima se mijenjaju osobine mašinskih materijala su: tehnićki, termohemijska „TM obrada“.
4
MATERIJALI 1
-Najćešća metode nanošenja metalnih prevlaka na mašinske elemente u svrhu zaštite materijala i zadržavanja postojećeg oblika i njegove funkcije su: hemijskim, fizikalnim termićkim i galvanskim postupcima. -Funkcionalni materijali vrše neku funkciju u mašinskom sklopu. Tu se ubrajaju zaštitni materijali (radioaktivna funkcija), optička vlakna, magneti, poluprovidnici (elektronička funkcija), proteze i implantati (hemijska i biološka funkcija), materijali za elektroopremu (električna funkcija)... -U osnovnu grupu materijala koji se koriste u mašinstvu spadaju: metali (čelici, neželjezni metali), nemetali (staklo, polimeri) i prirodni materijali (mineralni, organski itd.). -Tri najvažnije grupe nemetalnih materijala koji se koriste u mašinogradnji su: staklo, polineri i poluprovodnici. -Najčešći konstrukcioni materijali koji se koriste u mašinstvu su materijali za vanjske konstrukcije, zaštitu, pakovanje i materijali za termićka postrojenja. -Laki metali (aluminjum-Al, titan-Ti, magnezi-Mg), teški metali (molibden-Mo, olovo-Pb, željezo-Fe), poluprovodnici (silicij-Si, arsen-As, selen-Se).
-Elektroni su negativnio naelektrisene čestice i kreću se po određenim putanjama u elektronskom omotaću. Oni imaju masu od 0,109*10-28 grama i naelektrisanje od -1,602*10-19C. Naelektrisani oblak atoma gradi skoro cijelu zapreminu atoma ali prestavlj mali udio u njegovoj masi. Elektroni posebno oni iz vanjske ljuske utiću na većinu elektrićnih, termićkih, mehanićkih i hemijskih osobina atoma. Elektroni rotiraju oko svoje ose i oko jzgra atoma brzinom do 1000 km/h. -Atomi prestavljaju najsitnije elemente materije koji zadržavaju njene osobine. Model atoma atoma je 1913 god. predstavio Ruterfor a kasnije ga je dopunio Ber. Sastoji se od protona, neutrona u jezgru (prećnika 10 -14m) i elektrona (u elektrićnoj ljusci). Poroton ima masu 1,673*10 -24 grama i jedinićno naelektrisanje 1,602*10-19C. Neutron ima masu 1,675*10-24 g i nema naelektrisanja. Elektron ima masu 0,109*10-28 g i jedinićno naelektisanje od -1,0602*10-19C. -Atomski broj prestavlja broj protona u jezgru i on određuje hemijske osobine elemenata. Broj neutrona se zove neutronski broj (N) i dobiva se kao razlika atomske težine elemenata A i broj protona tj. N=A-Z. Odnos atomskog i
5
MATERIJALI 1
neutronskog broja stabilnost elemenata. Ako je nekom elementu taj broj približan 1, onda je stabilan, a oko ≥1,5 onda je on radio aktivan (podliježe raspadanju). -Maksimalan broj elektrona koji može da sadrži svaka ljuska u atomu je određen razlićitim stupovima od četri kvantna broja tu spadaju: glavni kvantni broj, sporedni, magnetni kvantni broj te kvantni broj elektronskog spina. -Hemijsko vezivanje između atoma nastaje zbog toga što postoji rezultajuće smanjenje potencijalne energije atoma u vezanom stanju. Atomi su stabilniji u elektronskom stanju nego kad su nevezani. Stabilni atomi su atomi kod kojih je broj protona jednak broju neutrona. Stabilni atomi nisu podložni radioaktivnosti. -Izotopi su oni atomi kod kojih je u jezgru manje zastupljeno neutruna od protona. Radioaktivni izotopi su novi elementi koji nastaju emisijom zraćenja, što znaći da dolazi do stvaranja atoma helija i još nekog atoma. Radioaktivni izotopi se u mašinstvu koriste kao izvori X-zraćenja i za radiografska ispitivanja (za ispitivanje metrijala bez razaranja),za utvrđivanje grešaka u materijalu itd. -Atomski broj pokazuje broj protona u jezgru atoma, a kod neutralnih atoma taj broj takođe određuje broj elektrona u elektronskom oblaku. Svi elektroni imaju svoje posebne atomske brojeve koji ih određuju.
-Relativna atomska masa elemenata je masa u gramima 6,028*1023 atoma tog elementa (Avogadrov broj). Za uporednu atomsku masu se uzima atom ugljika (12) jedinica atomske mase (u) je definisana kao 1/12 mase C koji ima masu 12g. Mol se definiše tako da mol masu u gramima koja je jednaka relativnoj atomskoj masi elementa. -Raspored elektrona je tačno određen pri kretanju u energetkim nivoima. Idući redom od elementa do elementa, broj elektrona se povećava za 1 što za posljedicu ima promjenu hemijski osobina. Pri razmatranju obrtnog kretanja vodonikovog atoma su određene orbite dozvoljene. Razlog tome je pokoravanje atoma zakonima kvantne mehanike koja ne dopušta sva vrijednosti energije. Pri prelasku sa višeg na niži obrtni nivo elektron će emitovati sasvim određene kolićine (kvanta) energije koja se pojavljuje u obliku elektronskog zraćenja (fotona). -Atom može sadržavati max 7 ljuski u elektronskom omotaću sa 2n2 (n-kvantni broj). Odnosno prva ljuska može imati max 2 elektrona, druga 8, treća 18, četvrta 32 itd.
6
MATERIJALI 1
-Jonska veza nastaje između visoko elektropozitivnih (metalnih) i visoko elektronegativnih (nemetalnih) elemenata.Tokom jonizacije elektroni prelaze sa atoma metala na atome nemetala pri ćemu nastaje pozitivno naelektrisani joni (kationi) i negativno naelektrisani joni (anioni). Ove sile potiću od kulonove sile privlaćenja suprotno naelektrisani jona. Jonska veza se bazira na principu prelaska jednog ili više elektrona od elektropozitivnog na elektronegativni atom. -Metalna veza nastaje između atoma istog metala, pri čemu se atomi slažu u relativno gustu strukturu, u čvrstom stanju, na sistematičan način ili u kristalnu strukturu. Spoljne valentne elektrone privlače jezgra njihovih brojnih susjeda. Zbog toga oni nisu vezani sa bilo kojim posebnim jezgrom pa su raspoređeni među atomima u obliku elektronskog oblaka male gustine,ili elektronskog gasa. -Kovalentna veza nastaje stvaranjem zajedničkog elektronskog para između atoma sa malim razlikama u elektronegativnosti i koji se nalaze relativno blizu u PSE. Pri ovoj vrsti veze, jedan atom može da obrazuje višestruke veze od elektronskih parova sa istim ili različitim atomima. -Razlike između metala i nemetala: - Metali imaju tri ili manje elektrona u vanjskoj ljusci, dok nemetali imaju četri ili više elektrona u vanjskoj ljusci - Metali obrazuju katione gubitkom elektrona, dok nemetali obrazuju anione primanjem elektrona - Metali imaju niske elektronegativnosti, a nemetali visoke -U čvrstom stanju atomi nisu slobodno raspoređeni, već se grupišu po određenim zakonitostima u relativno određena međusobna rastojanja tj. u kristalne atomske rešetke. Ta rastojanja su određena za određeni metal i nazivaju se parametri rešetke. Kod metala postoje sljedeći tipovi kristalne rešetke:
7
MATERIJALI 1
-Polimorfija je sposobnost jednog metala da se pojavljuje u različitim kristalnim strukturama u zavisnosti od pritiska i temperature. Prelazi iz jedne u drugu kristalnu rešetku nazivaju se alotropske modifikacije . Među najpoznatije materijale sa alotropskim modifikacijama spadaju: željezo (sa tri), mangan (sa četri), cink (sa dva)... Alotropska modifikacija predstavlja prelazak hemijskog elementa iz jedne kristalne rešetke u drugu. -Kristalizacija predstavlja prelaz rastopljenog metala ili legura u čvrsto stanje pri čemu nastaju kristalna zrna (kristali), dok se atomi grupišu u već opisane kristalne rešetke. Kristali nastaju iz kristalizacionih centara koji nastaju u tečnom stanju materijala, tako što se oko njih grupišu atomi. Kristali se normalno razvijaju dok nedođu u dodir sa susjednim kristalima. Na taj način nastaje veliki broj kristala sa pravilnom unutrašnjom strukturom, ali potpuno proizvoljnih oblika. Kristalizacija se odvija kroz dva elementarna procesa:
obrazovanje stabilnih klica u rastopu i rast klica u kristale da bi se obrazovala zrnasta struktura.
-Anizotropija predstavlja pojavu da se razlikuju brojna svojstva metala, zavisno od pravca ispitivanja. Anizotropija se može predstaviti i kao osobina materijala da različito podnosi različite pravce opterećenja. -Izotropija predstavlja osobinu materijala da održi čvrstoću bez obzira u kojim pravcima se vrši neko opterećenje. Količinska karakteristika anizotropije predstavlja odnos odgovarajuće osobine po dužini vlakana u relaciji poprijeko na vlakno.
-Mehanizmi za stvaranje klica čvrstih čestica u čvrstom stanju su: homogeno stvaranje klica (nastaje kad metal sam obezbijedi atome za obrazovanje klica za šta je potrebna znatna količina pothlađenja) heterogeno stvaranje klica (nastaju tečnosti na površinama posude sa nerastvorenim nečistoćama ili drugim materijalima sa strukturom koja snižava kritičnu slobodnu energiju koja je potrebna za obrazovanje stabilnih klica. •
•
-Stepen pothlađivanja je razlika između torijske temperature očvršćavanja i stvarne temperature na kojoj počinje proces kristalizacije. -Veličina kristalnog zrna nakon kristalizacije ovisi o broju mjesta na kojima može da se obrazuje klica i od stepena pothlađivanja. Optimalni uslovi izbora stepena pothlađivanja izvode se na osnovu zajedničkog uticaja na broj cenatra za kristalizaciju i brzinu rasta kristala. -Centri za kristalizaciju nastaju spontano, s tim da se taj proces može znatno ubrzati dodavanjem strnih tijela u vidu sitnih kristalnih čestica, što se naziva
8
MATERIJALI 1
modifikacija. Kristal čija je strukturna građa u obliku poligonalnih sitnozrnastih kristala se naziva idealan kristal. -U metalografiji se za označavanje određenih kristalografski ravni umjesto prostornih koordinata uvode Millerovi indexi koji predstavljaju recipročnu vrijednost odsječaka na x.y.z.osi. Preko njih označavamo određene tačke, pravce i ravni u prostoru te određene skupine kristalografskih ravni. -Polikristali su kristalični materijali koji su sastavljeni od većeg broja kristala. Većina polikristala se određuje nizom tehnoloških faktora u procesu očvršćavanja pri čemu nastaju krupnija i sitnija zrna. Tako npr. pri većem stepenu pothlađivanju nastaju sitnija zrna i obrnuto, pri manjem stepenu pothlađivanja nastaju krupnija zrna. -Monokristali predstavljaju kristalične materijale u čijem sastavu se nalazi samo jedan kristal. Pri rastu monokristala, kristalizacija se vrši oko jedne klice, tako da nijedan drugi nestvara klicu niti raste. Za monokristale je karekteristično da oni nemaju granice zrna ni orijentisana zrna. Koriste se u elektortehnici za proizvodnju tranzistora i dioda na bazi silicija.
-U glavne greške koje se javljaju u kristalnoj rešetki se ubrajaju: tačkaste greške, linijske greške ili dislokacije, granice zrna ili ravanske greške, greške u procesu slaganju atoma i greške koje se pojavljuju na granicama faza, zatima granice dvojnikovanja i granice zrna pod velikim ili malim uglom. -Elementarna ćelija se dobija pomijeranjem u tri različita pravca za veličine a0, b0, c0, odnosno preko parametra kristalne rešetke. Ta osnovna čelija je oblika prostorne kristalne rešetke, a njegova veličina i oblik se određuju pomoću a,b,c koji polaze od jednog ugla osnovne čelije.
-Faktor slaganja atoma (FSA) u kristalnoj rešetci pokazatelj je popunjenosti rešetke sferičnim atomima i dobija se kao razlika zapremine atoma u osnovnoj čeliji i zapremine osnovne čelije. FSA
zapremina atoma osnovne ćelije =
zapremina osnovne ćelije
-Oblik kristalne rešetke utiče na tačku ključanja odnosno topljenja, volumen itd...Elementi koji imaju površinski centriranu kubnu rešetku su: aluminij, bakar, olovo, zlato, srebro, nikl, platina...
-Veličina zrna i veličina površine granica zrna ima značajan uticaj na brojne osobine metala, osobito na čvrstoću, tvrdoću, elastićnost itd. Za određivanje
9
MATERIJALI 1
veličine zrna koriste se slijedeće metode: poređenje veličina zrna (ASTM), metoda brojanja zrna obuhvačenom površinom ili presječnom linijom. -Greške u kristalu utiču na mnoga fizička i mehanička svojstva: elastična, plastična, kretanje atoma, koroziona postojanost itd. -Vakansija predstavlja pojavu da u kristalnoj rešetci i poslije uspostavljanja ravnoteže jedno mjesto ostaje upražnjeno. Time se narušava homogenost strukture građe što izaziva i njenu lokalnu izmjenu, čime se povečava energija aktivacije u odnosu na potpuno popunjenu strukturu kristalne rešetke. -Dislokacije ili linijske greške u kristalnim rešetkama čvrstih tijela su greške koje u potpunosti prouzrokuju poremečaj rešetke koji je koncentrisan oko linije. One se kreču sporije nego zvuk i isčezavaju pri završetku procesa klizanja. Posljedica dislokacija su plastične deformacije te porast apona odnosno kolektivnog pomjeranja atoma. To se ujedno može smatrati kretanjem dislokacija. -Jedinična ili puna dislokacija predstavlja pomijeranje za jedan parametar rešetke. Složena dislokacija označava višestruko pomijeranje kroz parametre rešetke i kao takva, dislokacija je nestabilna. Nepotpuna dislokacija ima vrijednost vektora pomijeranja koji je manji od parametra rešetke što izaziva drugačiji oblik deformisanja kristala (npr. dvojnikovanje). -Dislokacije nastaju u procesu očvršćavanja kristaličnih čvrstih tijela ili njihovim trajnim ili plastičnim deformiranjem, odnosno okupljanjem praznina i atomskih nepodudarnosti u čvrstim rastvorima. Dislokacije nestaju pri završetku procesa klizanja. -Ravanske greške (granice zrna) predstavljaju površinske poremečaje u polikristaličnim metalima koji razdvajaju kristale sa različitim orjentacijama. Nastaju u procesu kristalizacije kada se kristali obrazuju od različitih zrna koja istovremeno rastu i međusobno se susreću. One ograničavaju plastično tečenje materijala otežavajući pomjeranje dislokacije u području granice zrna. Njihova širina je 2-5 atomskih prečnika. -Difuzija predstavlja mehanizam kojim se materija prenosi kroz materiju, a može se predstaviti kao provlačenje atoma jedne komponente kroz prostornu rešetku druge, odnosno mijenjanja položaja atoma i izjednačavanja hemijskog sastava. U mehanizme difuzije spadaju: mehanizam praznina ili supstitucijski mehanizam i intersticijski mehanizam. Difuzija zavisi od vrste mehanizma. -Supstitucijska difuzija atoma nastaje kada u kristalnim rešetkama atomi mogu mijenjati mjesta ako za to postoji dovoljno aktivaciona energija preko
10
MATERIJALI 1
termičkih oscilacija i ako postoje praznine ili druge greške u kristalnoj rešetci da se atomi pomjere u njih. -Intersticijska difuzija atoma nastaje kada se atomi kreću od jednog intersticijskog mjesta do susjednog bez trajnog pomjeranja određenog atoma u osnovnoj kristalnoj rešetci. Za ovaj mehanizam veličina difuzionih atoma mora biti relativno mala u odnosu na atome osnove. -Vrijednost koeficienta difuzije zavisi od sljedećih faktora: temperature na kojoj se difuzija vrši (veća temperatura-veći koeficient), vrste kristalne rešetke rastvaraća, mehanizma difuzije, vrste kristalnih grešaka i prećnika difuzionih atoma. -Stacionarna difuzija je oblik difuzije za koje je karakteristično da ne postoji promjena u koncentraciji rastvorenih atoma u sistemu u toku vremena. Nju opisuje prvi Fikov zakon da rezultujući protok atoma putem difuzije atoma je jednak proizvodu koeficienta difuzije D i gradijenta difuzije odnosno: J
dc
= −
Dg
dx
gdje je: J- rezultujući protok atoma (fluks), D- koeficient difuzije
(provodnosti atoma) odnosno konstanta proporcionalnosti, dc/dx – gradient koncentracije. -Nestacionarna difuzija je oblik difuzije kod koje se koncentracija rastvorenih atoma u nekoj tački u nekom X- smjeru poveča. Povišenje temperature difuzionog sistema povečava brzinu difuzije. -Difuzija u čvrstom stanju se koristi u mnogim industrijskim proizvodnim procesima, kao npr. u površinskom legiranju pločica silicija u cilju izrade integrisanih kola, za površinsko otvrdnjavanje čelika putem gasne cementacije itd... -Legura predstavlja sistem sastavljen od dva ili više metala, a takođe i sisteme metala i nemetala, odnosno hemijskih spojeva koji predstavljaju komponente sistema u cilju poboljšanja osobina. Pri kristalizaciji legura, komponente koje sačinjavaju leguru mogu obrazovati mehaničku smjesu, čvrsti rastvor ili hemijski spoj. -Ako komponente koje učestvuju u leguri u procesu kristalizacije učestvuju na način koji odgovara čistom metalu, dakle one ne stupaju u hemijsku reakciju, tako nastaje struktura u obliku mehaničke smjese. U smjesi učestvuju kristali i komponente legure. Osobine takve legure zavise od odnosa učešća pojedinih komponenata i bliže su osobinama one komponente koja je u većem sadržaju.
11
MATERIJALI 1
-Čvrsti rastvor je oblik legure u kojoj se atomi jedne komponente razmještaju u kristalnoj rešetci druge komponente. Razlikuju se dva tipa čvrstih rastvora: supstitucijski (zamjena) i intersticijski (uguravanje ili umetanje) -Intersticijski čvrsti rastvori nastaju kada u kristalnoj rešetci jednog elementa sa relativno velikim atomima može stati atom nekog drugog elementa čiji je atom manji od atoma početnog elementa. Atomi koji se mogu „ugurati“ u kristalnu rešetku drugog elementa su atomi: vodika, kisika, ugljika i azota. -Supstitucijski čvrsti rastvori nastaju kada se jedan atom u kristalnoj rešetci može zamijeniti atomom drugog elementa koji ima istu valenciju i približno isti prečnik (do 15 % razlike). -Hemijski spojevi nastaju spajanjem dva ili više elemenata što se odlikuje: izraženim individualnim svojstvima, sastavom koji je izražen hemijskom formulom, tipom kristalne rešetke koja je različita od rešetke komponenata koje učestvuju u leguri i stalnom tempearturom kristalizacije kod hemijski čistih elemenata.
-U zavisnosti od afiniteta prisutnih elemenata očvršćavanjem legure mogu da nastanu hemijski spojevi, strukture u obliku mehaničke smjese i čvrsti rastvori. -Hukov zakon određuje granicu do koje nema trajnih deformacija odnosno do F gl 0 l V granice elastičnosti. Određen je formatom: AgE gdje je lo(mm)-početna mjerna dužina probnog štapa, ∆l(mm)- izduženje, F(N)-spoljašnje opšterečenje, Ao(mm), E(N/mm)- modul elastičnosti. =
-Modul elastičnosti predstavlja mjeru krutosti materijala i jednak je ε . Zove se još i Jangov koeficijentu proporcionalnosti E iz izraza δ E g model. Visoka vrijednost modela elastičnosti održava krutost materijala, njegove demenzije i oblik pod elastičnim opterečenjem. Modul klizanja predstavlja razliku napona smicanja τ i ugla smicanja γ, kada moduli klizanja se razlikuju u malom broju deformacija ali osnovna razlika je da sile modela elastičnosti nastoje da rastave atome, a sile pri modelu smicanja nastoje da smaknu atome tj. da jedan dio kristala odvoje od drugog po nekoj tangenti. =
-Negativna vrijednost odnosa između deformacije u pravcu uspravnom na pravac dejstva sile i deformacija u pravcu dejstva sile zove se Poasonov koeficijent. (μ ).
v
=
x
ε
−
y
ε
12
MATERIJALI 1
-Deformacija pri kojoj uticaj na oblik, strukturu i svojstva nestaje po prestanku djelovanja spoljnih sila zove se elastična deformacija . Koristi se za izradu pneumatika, membrana itd. -Kada pređu granice elastičnosti tako da nakon prestanka djelovanja spoljnih sila na materijalu ostaju trajne deformacije, zovu se plastične deformacije . One nastaju kada pojačamo silu djelovanja tako da materijal nakon prestanka djelovanja sile nepovratno zadrži svoj novi oblik i dimenzije. -Termička obrada materijala pri kojoj dolazi do povratka atoma u ravnotežno stanje iz predhodne deformisane atomske rešetke usljed hladne plastične deformacije zove se rekristalizacija . Ako se metal zagrije do dovoljno visoke temperature za dovoljno dugo vrijeme, struktura hladno deformisanog metala će proči kroz niz procesa: oporavljanje (400˚C , nema promjena u tvrdoči hladno deformisanog metala, ali dolazi do uklanjanja unutrašnjih napona, dok ne postoje promjene u strukturi) rekristalizacija ( 400-880˚C , dolazi do smanjenja tvrdoče, te se kristalna struktura, oporavlja tako što se uklanjaju greške iz rešetke i pojedini atomi mijenjeju mjesta što dovodi do tačkastih defekta) rast zrna (880-1460˚C , tvrdoča naglo pada tako da dolazi do teksturnih promjena i nastanka nove strukture) •
•
•
-Kritična deformacija predstavlja postupak rekristalizacije u kojem se dobije maksimalna veličina kristalnih zrna.
-Plastična deformacija se dešava pod dva mehanizma: dvojnikovanje i klizanje. Ona se dešava u kristalnim rešetkama koje imaju više ravni sa gusto pakovanim atomima u gustu strukturu. -U procesima deformacije u hladnom (zatezna čvrstoća, tvrdoća i napon tečenja) rastu dok svojstva plastičnosti (izduženje, žiliavost, suženje) presjeka opada. Deformaciono ojačanje u procesu obrade deformisanjem objašnjava se povečanjem broja grešaka kristalne rešetke (dislokacija, vakamsija, intersticijskih atoma) zavisi od stepena deformacije (veći stepen - veća gustinadislokacija ) i od granica metalnog zrna koje predstavljaju neku vrstu barijere za kretanje dislikacija. -Topla deformacija se dešava pri temperaturi večoj od 0,6˚C od temperature topljenja. -Hladna deformacija se dešava pri sobnoj temperaturi.
-Topla i hladna deformacija se razlikuju u stepenu temperature na kojima se vrše
13
MATERIJALI 1
-Osnovne razlike u kvalitetu proizvoda dobijenih obradom deformisanja u toplom i hladnom stanju su: ravnije i čistije površine,pošto ne dolazi do oksidacije u procesu zagrijavanja, veća tečnost dimenzija, zato što nema termičkog skupljanja i širenja u toku deformacije, obrada u hladnom ili toplom stanju ima značajan uticaj na kovnost, mašinsku obradljivost i zavarljivost materijala. •
•
•
14
