Materijali su materija koju ljudska bić bića upotrebljavaju ili prerađ prerađuju. Materijali: metali, keramike, polimeri i kompoziti. Metalni materijali obuhvataju čiste metale Al, Zn, Cu; i njihove kombinacije tj. legure (č ( čelik, gvozđ gvozđe, dural, bronza). Imaju dobru toplotnu i električ elektri čnu provodljivost, (relativno) (relativno) veliku čvrstoć vrstoću i krutost, obradivi su i otporni na udare. Koriste se za izradu konstrukcija i visoko optereć opterećenih elemenata. Metali: obojeni i crni. Po spec. Tezini: laki i teski. Keramiččki materijali su neorganski, nemetalni Kerami materijali koji se sastoje od jedinjenja metalnih i nemetalnih elemenata povezanih jonskim i/ili kovalentnim vezama. (Cigla, staklo, porcelan) imaju lošu toplotnu i el. provodljivost, veliku čvrstoć vrstoću i tvrdoć tvrdoću, ali je njihova (duktilnost), obradljivost i otpornost na udar veoma niska. Polimeri – postoje BIOLOŠKI i INŽENJERSKI polimeri. Inženjerski polimeri polimeri mogu da budu sintetič sintetički (tj. vestač vesta čki – plastike, lepkovi, gume) i prirodni (kauč (kaučuk, vuna, celuloza). Polimeri imaju malu gustinu, lošu toplotnu i el. provodljivost, malu čvrstocu, nisku cenu. Plastič Plastični materijali predstavljaju najvažniju najvažniju vrstu inženjerskih polimera. Kompoziti su materijali koji se dobijaju kombinacijom dva ili više materijala (beton i šper ploč ploča). Odlikuju se niskom gustinom, dobrom čvrstoć vrstoćom, otporni su na udare i postojani su pri povišenim temperaturama. temperaturama. Inženjerski materijali su materijali koji nalaze primenu u bilo kojoj kojoj grani tehnike. Masinski materijali: konstrukcioni, pomocni, pogonski. Kod svih materijala se r azlikuju: hemijska, fizič fizička, mehanič mehanička (i tehnološka) svojstva. FIZIČ FIZIČKA SVOJSTVA Tempratura topljenja/kristal topljenja/kristalizacije izacije je temperatura na kojoj materijal prelazi iz čvrstog u teč tečno stanje/i obrnuto. Električčna provodljivost je Elektri provodljivost je svojstvo materijala materijala da može da provodi el. struju (provodnici, poluprovodnici, izolatori). izolatori). Magnetna svojstva poti svojstva potičču od magnetnog momenta atoma i molekula (dijamagnetni, paramagnetni, feromagnetni I ferimagnetni (keramike)). MEHANIČ MEHANI ČKA SVOJSTVA Mehaniččka svojstva opisuju nacin na koji materijal Mehani odgovara na primenjeno optereć opterećenje (silu). Čvrsto vrstoćća je sposobnost materijala materijala da pruži otpor razaranju. Tvrdoćća je otpor koji materijal pruža pri prodiranju Tvrdo tela već veće tvrdoć tvrdoće u njegovu površinu. Elastiččnost Elasti nost je je svojstvo materijala materijala da se vrati u prvobitan oblik po prestanku prestanku dejstva sile. Plastiččnost je sposobnost materijala da moze da se Plasti obrađ obrađuje i menja oblik bez prekida međ me đuatomskih veza. Žilavost je sposobnost materijala da apsorbuje mehanič mehaničku energiju udara i da se pri tome pojavi plastič plastična deformacija pre loma. HEMIJSKA SVOJSTVA Hemijska svojstva materijala zavise od strukture, količ količine i vrste hem. elemenata koji uč u čestvuju u njegovoj izgradnji (107 elemenata + 13 laborat. = 120).Atomi 120).Atomi predstavljaju najmanji deo nekog hem. elementa koji zadrzava osobine tog elementa (sastoje se iz protona + i neutrona O neutralnih cestica, koji čine jezgro, oko koga po orbitama kruze elektroni -). Broj + i – – je je isti → atom je neutralan. Atomski br. predstavlja br. protona u jezgru. Elektronska konfiguracija konfiguracija atoma je definisana sa cetiri kvantna broja (glavni, orbitalni, magnetni, spinski). Veze: metalna, jonska, kovalentna i VderV. Metalna veza je karakteristič karakteristična za metale koji u poslednjoj ljusci mogu imati najviše najviše tri elektrona. Oni su slabo vezani za jezgro, pa mogu i lako da se odvoje i premestaju sa jednog atoma na drugi, pod uslovom da neki drugi elektron dođ do đe na njihovo
mesto. Metalna veza je veoma jaka (metali se odlikuju velikom čvrstoć vrstoćom). Atom je sve vreme el. neutralan. Jonska veza je veza je uglavnom karakteristi karakterističčna za keramike. Ova veza je veoma čvrsta, ali materijali sa ovom vezom su krti. El. provodljivost je mala. Kovalentna veza – veza – takođ takođe je poseduju mnoge keramike. Veoma tvrdi materijali (dijamant), loši provodnici toplote i elektriciteta. Van der Valsova veza je veza je najslabija veza, javlja javlja se kod nekih polimera. Kristalna struktura je čvrsto telo koje ima pravilan 3D raspored atoma. Monokristal je kada se pravilnost rasporeda atoma prostire po celoj zapremini. zapremini. Polikristal je kada se pravilan raspored atoma uspostavi na malom delu prostora matrijala, ali se pojavljuje na velikom velikom broju mesta i razlicito razlicito je orjentisan. Amorfna su ona cvrsta tela koja mogu biti potpuno nepravilne građ građe (staklo). Elementarna kristalna rešetka predstavlja najmanju grupu atoma koja se ponavlja u prostornoj kristalnoj rešetki. ELEMENTARNE KRISTALNE REŠETKE: prosta, prostorno centrirana (KZC), (KZC), povrsinski C. (KPC), bazno c. KUBNA PROSTORNO CENTRIRANA (KZC) KRISTALNA REŠETKA KZC ima atome koji su raspoređ raspore đeni po rogljevima kuba i jedan atom smesten u pres eku dijagonale kuba (sadrzi dva slobodna atoma), nije gusto pakovana. K8. KUBNA POVRSINSKI CENTRIRANA (KPC) KRISTALNA REŠETKA KPC ima atome rasporedjenje po rogljevima kuba i po jedan atom u preseku dijagonale stranice kuba (najveca moguca gustina pakovanja). K12. HEKSAGONALNO GUSTO PAKOVANA (HGP) KRISTALNA REŠETKA HGP ima po jedan atom u uglovima i u centru šestougaonih osnova prizme i tri atoma u srednjoj ravni prizme (6 slobodnih atoma). Najveć Najveća moguć moguća gustina pakovanja. K12. Polimorfija (alotropija) – neki metali u zavisnosti od temperature i pritiska mogu da imaju više tipova kristalnih rešetki. Anizotropija je kada metali imaju različ razli čita svojstva u različ različitim pravcima. MOLEKULSKA STRUKTURA Linearni polimeri (Sl. 3.9) – monomeri su povezani linijski u pojedinač pojedinačne duge lance. Razgranati polimeri – imaju boč bo čne lance iste strukture. Popreččno povezani polimeri – susedni lanci se Popre povezuju jedan sa drugim. Umreženi polimeri – formiraju 3D mrežu. KOPOLIMERI Homopolimer je je kada su svi monomeri u polimernom lancu istog istog tipa (A – monomer; …AAAAAAAAA… – polimerni lanac). Kopolimeri su kombinovani monomeri (A i B).
1
Proizvoljni kopolimeri – proizvoljno rasporedjeni monomeri unutar lanca (…AAABBAABABBBBAA…). Naizmenični kopolimeri – naizmeničan raspored (…ABABABAB…). Blok kopolimeri – monomeri su skupljeni u blokove, sa naizmeničnim rasporedom (…BBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAA…). Kalemljeni kopolimeri – jedan homopolimer se kalemi na lanac drugog homopolimera.
Hemijska jedinjenja – mogu da ih grade hem. jedinjenja iz grupe metala, metali i metaloidi ili metali i nemetali. Mehaničke smeše – kada se elementi ne r astvaraju u čvrstom stanju i ne stupaju u hemijsku reakciju. Mehanička smeša je poznata i pod nazivom eutektik . Prisustvo eutektika se označava slovom E. Dijagrami stanja predstavljaju grafički prikaz faznog stanja legure u zavisnosti od temperature i sastava u ravnotežnim uslovima. DIJAGRAMI STANJA: sa potpunom nerastvorljivošću komponenti u čvrstom stanju sa potpunom rastvorljivošću komponenti u čvrstom stanju sa delimičnom rastvorljivošću komponenti u čvrstom stanju. DIJAGRAM STANJA LEGURA SA POTPUNOM NERASTVORLJIVOŠĆU KOMPONENTI U ČVRSTOM STANJU Eutektička temperatura je temperatura na kojoj se obrazuje mehanička smeša ili eutektik, a sastav legure – eutektički sastav. Eutektička temperatura i eutektički sastav određuju u dijagramu stanja tačku koju nazivamo eutektičkom tačkom. Iznad likvidus linije sve legure se nalaze u tečnom stanju (rastop - R). Ispod solidus linije sve legure se nalaze u čvrstom stanju (___ - čvrsti rastvor). Između solidus i likvidus linija u ravnoteži se nalaze tečna i čvrsta faza. Legure koje se po svom sadrža ju antimona nalaze levo od tačke C se nazivaju podeutektičke, a one koje se nalaze desno – nadeutektičke. DIJAGRAM STANJA LEGURA SA NEOGRANIČENOM RASTVORLJIVOŠĆU KOMPONENTI U ČVRSTOM STANJU Iznad likvidus linije sve legure se nalaze u tečnom stanju (rastop - R). Ispod solidus linije sve legure se nalaze u čvrstom stanju (___ - čvrsti rastvor). Između solidus i likvidus linija se odvija proces kristalizacije legura koje se sastoje iz tečne i čvrste faze (R+ ). Kristalna likvacija predstavlja nehomogenost hemijskog sastava unutar poligonalnih kristalnih zrna. Dendritna likvacija predstavlja nehomogenost povezanu sa kristalnim zrnima oblika dendrita. Zonalna likvacija predstavlja nehomogenost po zapremini celog komada. DIJAGRAM STANJA LEGURA SA DELIMIČ NOM RASTVORLJIVOŠĆU KOMPONENTI U ČVRSTOM STANJU Solvus linija – linija rastvorljivosti. Ispod solidus linije sve legure u čvrstom stanju su u obliku ά ili β čvrstog rastvora.
PONAŠANJE MATERIJALA U USLOVIMA DELOVANJA MEHANIČKOG OPTEREĆENJA
Mehanička ispitivanja su ona koja se odnose na određivanje čvrstoće materijala. Faktori o kojima se mora voditi racuna pri ispitivanju su: vrsta opterećenja, način dejstva sile, temperatura ispitivanja. Elastična deformacija – nestaje po prestanku dejstva sile. Plastična deformacija – ostaje po prestanku dejstva sile (trajna promena oblika i dimenzija). Napon se definiše kao količnik sile i povrsine poprečnog preseka. _________ (_______). Dinamičke osobine su mehaničke osobine koje se odredjuju u uslovima dinamičkog dejstva sile, a metode pomoću kojih se odredjuju – dinamičke metode. Modul elastičnosti __________ - Koeficijent proporcionalnosti (E) naziva se modul elasticnosti (Jungov modul). M.E. je u direktnoj vezi sa međuatomskim silama veze. M.E. je i mera krutosti materijala (tela – E). M.E. zavisi od T (porast T, opada M.E.) M.E. je mera krutosti materijala – veći M.E. odgovara materijalu koji ima veću krutost. Ispitivanje zatezanjem se izvodi na epruvetama određenog oblika i d imenzija pomoću kidalice. Epruvete mogu biti: PROPORCIONALNE i NEPROPORCIONALNE. Ispitivanje na pritisak – ovoj vrsti ispitivanja podležu krti materijali. Ispitivanje tvrdoće – Tvrdoća je otpor koji materijal pruža pri prodiranju tela veće tvrdoće u njegovu površinu (BRINEL, VIKERS, ROKVEL + FORMULE – praktikum). Žilavost je mera sposobnosti materijala da apsorbuje energiju do tačke loma. Ispitivanje udarne žilavosti – ŠARPIJEVA metoda (U, V, KLJUČAONICA). ŠARPIJEVO klatno (lom može biti ŽILAV, KRT, MEŠOVIT). Kristalizacija je prelaz metala iz tečnog u čvrsto (kristalno) stanje. Do kristalizacije dolazi usled težnje materijala da pređe u energetski povoljnije stanje. Amorfnu strukturu metala je moguce dobiti pri vrlo velikim brzinama hlađenja. PLASTIČ NE DEFORMACIJE METALA: klizanjem i dvojnikovanjem. TEORIJA LEGURA
Legure predstavljaju materijale koji se sastoje iz dva ili više elemenata čije su mehaničke osobine bolje od mehaničkih osobina pojedinačnih elemenata. Komponente su hemijski elementi koji ulaze u sastav legura (DVO, TRO i VIŠEKOMPONENTNE); OSNOVNA KOMPONENTA + LEGIRAJUĆI ELEMENT. Rastop je tečni rastvor; koji nakon kristalizacije postaje čvrsto stanje. ČVRSTO STANJE: cvrsti rastvori, hem. Jed., meh. Smese. Čvrstim rastvorom naziva se homogeno čvrsto telo, čija je mikrostruktura polikristalna, a kristaliti su homogeni. ČVRSTI RASTVORI: tipa zamene (supstitucijski) i tipa popune (intersticijski). RASTVORLJIVOST U ČVRSTOM STANJU: neogranicena (8%), ogranicena (15%), potpuno odsustv.
2