mašinski materijali (4+2) - · pdf filemašinski materijali (4+2) školska...

MAŠINSKI MATERIJALI (4+2)Školska 2012-13 – 03. 10. 2012. – 800 – 1200 h

I Nastavna grupa

Predmetni nastavnik: Dr Vukić Lazić, red. prof.

Saradnici na predmetu:

Dr Srbislav Aleksandrović, red. prof.

Saradnici - doktorandi:

Dragan Džunić, dipl. maš. inž.

Marko Đapan, dipl. maš. inž.

Aleksandar Aleksić, dipl. maš. inž.

Milan Đorđević, dipl. maš. inž.

Saradnik - demonstrator:

Dušan Arsić, maš. inž. - student master studija (V)

MAŠINSKI MATERIJALI

Literatura - osnovna

1. M. Jovanović i autori: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, Kragujevac, 2003.

2. V. Đorđević: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Beogradu, Beograd, 1999.

3. Pismeni materijali: predavanja/vežbe, prezentacije predavanja, ...

Literatura - dopunska

1. R. Lučić. Mašinski materijali, “Vuk Karadžić“, Paraćin, 1995.

2. B. Devedžić: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, ...

3. V. Đukić: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, ...

4. V. Đorđević, M. Vukićević: Mašinski materijali – praktikum za vežbe, prvi deo, Mašinski fakultet u Beogradu, Beograd, 1998.

5. A. Majstorović, V. Đukić: Ispitivanje mašinskih materijala, Naučna knjiga, Beograd, 1988.

Plan testova i kolokvijuma

Sreda - 16. 01. 2013.Petnaesta nedeljaTreći test/kolokvijum3.

Sreda - 10. 12. 2012.Deseta nedeljaDrugi test/kolokvijum2.

Sreda - 31. 10. 2012.Peta nedeljaPrvi test/kolokvijum1.

Broj poena:

Test = 7 poena (3 testa × 7 poena = 21 poen)

Kolokvijum = 14 poena (3 kolokvijuma × 14 poena = 42 poena)

Redovno pohađanje predavanja = 5 poena

Redovno pohađanje vežbi = 2 poena

UKUPNO – Predispitne obaveze = Σ 70 poena

Završni (pismeni) ispit = 30 poena

Ocene:

6 (Šest) = 51 – 60 poena; 7 (Sedam) = 61 – 70 poena; 8 (Osam) = 71 – 80poena; 9 (Devet) = 81 – 90 poena; 10 (Deset) = 91 – 100 poena.

OPŠTE KARAKTERISTIKE MATERIJALA1. Predavanje – Dr Vukić Lazić, red. prof.

Od svih tehničkih-konstrukcionih materijala redosled po obimu je:

DRVO, BETON, CIGLA, ČELIK, STAKLO, GUMA, ALUMINIJUM i dr.

U predmetu Mašinski materijali proučavaju se:

1. METALNI MATERIJALI

2. POLIMERNI MATERIJALI

3. KOMPOZITNI MATERIJALI

4. KERAMIČKI MATERIJALI

5. DRVO I PRERAĐEVINE OD DRVETA

Pored konstrukcionih materijala u mašinstvu se upotrebljavaju:

• Pogonski materijali: nafta i naftni derivati, TNG, ugalj, drvo i dr.

• Tehnički gasovi: O2, N2, CO2, Ar, He, H2, C2H2, C3H8, C4H10 (zasićeni ugljovodonici)

Poslednjih godina istražuju se i primenjuju:

• Celularni materijali (tzv. nano tehnologija, slaganje molekula u željenestrukture)

• Optička vlakna

• Biokompatibilni materijali (TiAl5)

• Pametni materijali (dvadesetih godina XX veka napravljena je legura Ni-Ti kojapamti svoj oblik; ako se na visokoj temperaturi napravi tanak štapić pa ohladi i savijeu razne oblike, svi će oni zagrevanjem uspostaviti prvobitini oblik).

1. METALNI MATERIJALI

LEGURE Fe-C (čelik i liveno gvožđe)

LEGURE Al (Al-Si - silumin, Al-Cu - dural, Al-Mg - hidronalium, Al-Mn)

LEGURE Cu (Cu-Sn - bronza, Cu-Zn - mesing)

LEGURE Ti (Ti-Al-V (avio i hemijska industrija), Ti-Al5 (veštački kukovi))

LEGURE Zn (Zn-Al-Mg - špialter, zamak (karburatori))

LEGURE Mg (Mg-Al6-Zn3 (odlivci u pesku - elektron - poklopci))

LEGURE Ni (Ni-Cu - monel, Ni-Cr-Fe - inkonel (koroziono otporna), Cu-Ni konstantan (električno otporna do 500ºC)[1].

[1] Monel (67% Ni, 30% Cu, 1.4% Fe, 1% Mn);

Inkonel (Inconel) (79.5% Ni, 13% Cr, 6.5% Fe);

Konstantan (55% Cu, 45% Ni).

Svetska proizvodnja čelika (1970-2010), aluminijuma (1970-2010),magnezijuma (1970-2010) i plastičnih materijala (1970-2008)

Svetska proizvodnja čelika po regijama-zemljama u 2009. i 2010. godini

2. POLIMERNI MATERIJALI (PLASTOMERI = PLASTIKE, ELASTOMERI = GUME)

A) PLASTOMERI

Dobijaju se polimerizacijom, tj. povezivanjem više monomera u dugačkelančaste molekule npr. polietilen se dobija polimerizacijom etilena-C2H4) - (p, T)↑(n- stepen polimerizacije, Tt= 90-135ºC zavisno od "n").

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

...C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CC

H

H

C

H

H

C

H

H

OHH

C

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

C

H

HH H

Strukturne formule: a) mera, b) monomera, c) polimera

Strukturne formule etil-alkohola (a) i polietilena (b)

a) Mer b) Monomer c) Polimer

a) b)

B) ELASTOMERI (prirodna i veštačka guma)

Dobijaju se iz kaučuka, a ovaj iz lateksa (lateks - polimer izoprena).

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

H

C

C

Izopren

• Meke gume do 4% S

• Tvrde gume 4-20% S

• Veoma tvrde gume 35-50% S (elastični oslonci motora, menjača, amortizera)

C H

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

CC

H

H

C

H

C C

CC

C C

H HHH

H

HH

S S

C

H

H

C

H

C

HH

C

H

CC

H

H

C

H

H

H

C C

Kaučuk + S

Bočno povezivanje lančastih molekula

3. KOMPOZITNI MATERIJALI

Dobijaju se kombinacijom dva ili više materijala različitog hemijskog sastava fizičkih osobina. Njihove korisne osobine i do 10 puta nadmašuju osobine sastavnih komponenata.

U sintetičke smole (polimeri) (formaldehidne, alkidne, epoksidne, poliestarske) ubacuju se punioci (vlaknasti, pločasti, zrnasti). Ranije su bila staklena vlakna (Fiberglass), a danas ugljenična, borna i aramidnavlakna (Kevlar).

Prirodni kompozit je drvo (smola lignin + celulozna vlakna), a prviveštački kompozit beton (cement + voda + pesak + betonsko gvožđe), asfalt (bitumen + mleveno staklo; bitumen + mlevena guma).

4. KERAMIKE (TRADICIONALNE I TEHNIČKE)

Veoma su tvrde i krte; to su proizvodi od gline, staklo, Al2O3, karbid W i dr.

U tradicionalne keramike spadaju: opeka, pločice, porcelan, ...;

U tehničke keramike spadaju: gotovo čist Al2O3, ZrO2, WC, SiC, Si3N, B4C i BN. Primenjuju se za delove gasnih turbina, svećica, izduvnih grana, brusne ploče i bruseve, kočione obloge i tsl.

U cilju daljeg proučavanja materijala neophodno je proučiti:

• Strukturu atoma (pre svega)

• Vrstu hemijskih veza između atoma i molekula i

• Unutrašnju građu.

STRUKTURA ATOMA

Model atoma (istorijski posmatrano)

(Demokrit (460-370. pre Hrista), Dalton (1808.),

Tompson (1910.), Raderford (1910.), Bor (1920.),

Bomerfeld (1920), Hajzenberg (1926.), ...

- Jezgro - Elektron

Atomi = jezgro (P+N) + elektroni. Svih 105 elemenata se razlikuju po broju protona, neutrona i elektrona.

Pri proučavanju razlike između atoma pojedinih hemijskih elemenata polazise od Mendeljejevog periodnog sistema. Uz hemijske simbole u periodnom sistemu upisuju se:

• Simbol elementa,

• Atomski broj,

• Atomska masa i

• Elektronska struktura spoljašnje ljuske.

Atomski broj pokazuje koliko protona ima jezgro. Kod neutralnog atoma,to je i ukupan broj elektrona.

Atomska masa je masa (g) koja odgovara Avogadrovom broju atoma.

Ugljenik CUgljenik C12 14

Stabilan (a) i radioaktivni izotop ugljenika (b)

ELEKTRONSKA STRUKTURA ATOMA

Ako se atom pobudi (ekscitira) (toplotnom, električnom, svetlosnom energijom) elektron prelazi na energetski višu orbitu.

U toku povratka elektrona na nižu orbitu emituje se diskretna količina energije (kvant). Kvant svetlosne energije = foton (čestična i talasna priroda svetlosti).

hE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

5

10

15

20

He

H

Li

B

N

O

Ne

Mg

Ar

P

S

Na

TiZn As

K CrCu

Se

Rb

KrCd

Xe

Nb In

Ce

Cs

AuPb Rn

UTa

Ir

Bi Fr

Atomski broj

Pote

ncija

l jon

izac

ije,

V

Mo

Potencijal jonizacije nekih elemenata

a) b) c)

Građa atoma: a) vodonika, b) helijuma i c) litijuma

1s2p

2s

3s

Model atoma natrijuma (Na)

Danas se energetsko stanje elektrona određuje sa 4 - KVANTNA BROJA:

• GLAVNI kvantni broj,

• ORBITALNI kvantni broj,

• MAGNETNI kvantni broj i

• SPINSKI kvantni broj.

GLAVNI KVANTNI BROJ (n):

987250321882Broj elektrona: 2(n2)

QPONMLK(Ranije ljuske)

7654321Glavni kvantni broj: n =

U svakoj ljusci može biti 2(n2), ali u zadnjoj ljusci najviše 8 elektrona. Glavni kvantni broj prikazuje energetske nivoe elektrona i može se uzeti da je to prostorna ljuska na kojoj se najverovatnije nalaze elektroni.

Pri pobuđivanju atoma uočene su različite spektralne linije:

• Oštra (sharph - s),

• Glavna (principal - p),

• Rasuta (diffusion - d) i

• Osnovna (fundamental – f)

Stoga je uveden s, p, d, f sistem za elektronsku konfiguraciju atoma. Ove različite spektralne linije ukazuju da na svom rotiranju oko jezgra elektron ne pravi samo kružne već i eliptične putanje.

Elektron udaljeniji od jezgra ima veću energiju, a time i veću frekvenciju - drukčiju boju.

ORBITALNI (SEKUNDARNI) KVANTNI BROJ (l):

Određuje podnivoe energije elektrona (subenergije) u okviru glavnih nivoa (n). Moguće su sledeće vrednosti za (l od 0 do n-1):

......gfdpsili

n-1...43210l =

Da bismo mogli da na osnovu atomskog broja elementa odredimo oblike putanja polazimo od (n) i (l).

14

1

4

f

3

10

4/3

3

d

2

6

2

2

p

1

2

4

1

s

0

4

Zaključak: za n/k = 1 orbite su kružne, a za n/k>1 nekružne.

Orbite "s" mogu primiti max 2 elektrona, orbita "p" max 6 elektrona, orbita "d" max

10 elektrona i orbita "f" max 14 elektrona.

2 6 102 622(2l+1)

3 1.5 12 11n/k*

1 2 31 21k = l+1

s p ds pss p d f

0 1 20 10l

321n

Opšti izraz izraz za elektronsku konfiguraciju elektrona je:

6210621410621410621062622 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2 , 1 psdpsfdpsfdpsdpspss

1s2, 2s2p6, 3s2p6d10, 4s129Bakar (Cu)

1s2, 2s2p6, 3s2p6d6, 4s226Gvoždje (Fe)

1s2, 2s2p6, 3s2, p113Aluminijum (Al)

1s2, 2s2p6, 3s212Magnezijum (Mg)

Elektronska konfiguracijaAtomski brojElement

Izraz za elektronsku konfiguraciju:

Model atoma natrijuma (Na)

1622 3 ,2 ,1 spssNa

Važno: Detaljnije studentima objasniti periodni sistem elemenata!

HEMIJSKE VEZE

Prema shvatanju savremene fizike sve se u prirodi sastoji od: atoma, subatomskih čestica i energetskih polja koja ih povezuju. To su:

• GRAVITACIONA polja;

• ELEKTROMAGNETNA polja;

• POLJA JAKIH HEMIJSKIH VEZA (atomske, primarne);

• POLJA SLABIH HEMIJSKIH VEZA (sekundarne, molekularne).

Osim ovih, Ajnštajn je u teoriji relativiteta uveo i petu silu→ GRAVITO-MAGNETNO polje.

Proučićemo detaljnije samo hemijske veze jer je gravitaciono privlačenje dva protona 1/1036 atomskog (primarnog) privlačenja.

Atomske ili primarne veze nastaju razmenom valentnih elektrona, tj. stvaranjem elektronskog para.

Sekundarne tj. molekularne veze nastaju dejstvom električnih poljanastalih polarizacijom molekula.

ATOMSKE VEZE

Primarne veze mogu biti:

JONSKE (NaCl, KCl, LiCl, CaF2- soli alkalnih elemenata);

KOVALENTNE (F2, Cl2, O2, N2 - dvoatomni gasovi; čvrste materije: Si, Ge, Bi, α-Sn, SiC, C- dijamant, ...);

METALNE (čisti metali i metalne legure).

JONSKE VEZE

Jonske veze nastaju između visoko elektropozitivnih elemenata(metali I i II grupe periodnog sistema) i visoko elektronegativnih elemenata (nemetala VII grupe periodnog sistema - F, Cl, ...) (reaktivni elementi).

Na + Cl Na +( Cl )+ _

Kristalna rešetka kuhinjske soli - NaCl

Kristalna rešetka kuhinjske soli - NaCl

Jonska veza između natrijuma (Na) i fluora (F) (NaF) - (Na(11); F(9)) →analizirati sa studentima!

Koji elementi grade jonsku vezu – primeri jedinjenja

KOVALENTNE VEZE

Kovalentne veze nastaju između:

• dvoatomnih gasova (F, O, N);

• elektronegativnih elemenata bliskih u periodnom sistemu elemenata (npr. Si(14), C(6), ... - IVB kolona );

• kod ugljovodonika C-H;

• kao i kod čistog ugljenika (dijamant i delom grafit).

Kod kovalentne veze, valentni s i p elektroni se dele između atoma obrazujući stabilan oktet spoljne ljuske.

Atomi dele elektrone

Nn 8Broj parova elektrona određuje se prema izrazu:

,

Gde je: n- broj parova elektrona, a N- kolona periodnog sistema(Hajgensov princip ne važi za H2!)

3 para elektrona

N≡N(5)

2 para elektrona

O=O(6)

jedan par elektrona

F-F(7)

jedan par elektrona

H-H(1)

N

Cl + Cl Cl Cl

Cl Cl , O O , N N

Elektroni u kovalentnoj vezi - primeri

Kristalna rešetka grafita

Kristalna rešetka dijamanta

Kovalentne veze kod ugljovodonika[1] povezuju C i H u zasićenim i nezasićenimugljovodonicima.

Zasićeni ugljovodonici imaju sufiks -an-, a nezasićeni ugljovodonici sufiks -en-.

[1] Ugljovodonici - organska jedinjenja u čiji sastav ulaze ugljenik i vodonik;

Zasićeni ugljovodonici - sadrže u svom sastavu maksimalan broj atoma vodonika;

Nezasićeni ugljovodonici - sadrže u svom sastavu manje od maksimalnog broja vodonikovihatoma.

ZASIĆENI UGLJOVODONICI - a) metan, b) etan, c) propan

a) b) c)

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C C

H

C

H

H

Cl

a) (b) (c)

NEZASIĆENI UGLJOVODONICI - a) etilen, b) izopren, c) hloropren

• Molekuli sa nemetalima• Molekuli sa metalima i nemetalima• Čvrsti elementi (desna strana periodnog sistema)• Složena čvrsta jedinjenja (oko grupe IVA)

Primeri: Primeri: kovalentna vezakovalentna veza

METALNE VEZE

Atomi su kod metala u čvrstom stanju spakovani tako gusto da njihove valentne elektrone privlače jezgra ne samo sopstvenog već i okolnih atoma.

• dobri provodnoici električne struje i toplote (usmereno kretanje elektrona = jednosmerna struja!);

• metali su deformabilni (kovni), tj. pre razaranja se dosta plastično deformišu (atomi metala mogu klizati jedan preko drugog bez raskidanja metalne veze!).

Da je u pitanju hemijska veza dokaz je Sn: do 161ºC ima metalnu vezu (plastiičan), a preko 161ºC kovalentnu (krt). To je uočeno pri lemljenju.

Pozitivni jon

Valentni elektroni u oblikuelektronskih oblaka

Metalna veza

1535418? - za domaći

Fe

1490383? - za domaći

Co

1455423? - za domaći

Ni

1244279? - za domaći

Mn

1083339? - za domaći

Cu

419131? - za domaći

Zn

63.589.6? - za domaći

K

Tt, ºCEnergija veze,

kJ/molSpoljašnja ljuskaElement

SEKUNDARNE VEZE (molekulske, van der Waals)

Ove veze su znatno slabije od primarnih jer nema interakcije između valentnih elektrona. Pogonska sila sekundarnog povezivanja jesu električni dipoli nastali u atomima ili molekulima.

Jačina sekundarnih veza je 4 do 42 kJ/mol.

Sekundarna veza između vodonika (H) i hlora (Cl) - (HCl)

Javlja se kod interakcije između dipola

• Permanentni dipoli- molekulski indukovani

• Promenljivi dipoli

- opšti slučaj:

- npr: tečni HCl

- npr: polimer

SEKUNDARNA VEZASEKUNDARNA VEZA -- primeriprimeri

Pitanja:1. Gradja atoma i njihovo grupisanje u periodnom sistemu elemenata.

2. Pojam kvantnih brojeva, orbita i ljuski.

3. Valentni elektroni, elektropozitivni i elektronegativni elementi.

4. Elektronska struktura hemijskih elemenata, posebno tehnički značajnih metala (Fe, Al, Cu, Mg).

5. Vrste hemijskih veza i gradivne čestice materije.

6. Primarne i sekundarne hemijske veze.

Prilog 1- Periodni sistem elemenata

Prilog 2 - Periodni sistem elemenata (pogledati izvorni sajt)