v predavanje tehnički materijali ok - ucg.ac.me · dobra obrada deformisanjem u toplom i hladnom...

Prof.dr Darko BajićMašinski fakultet [email protected]

Metalni materijali:- aluminijum- bakar- nikl- titan- magnezijum

• Obojeni metali su svi metali koji nemaju Fe u svom sastavu.

• Odlikuju se:

• Dobrom plastičnošću

• Malom gustinom

• Dobrom elektroprovodljivošću

• Dobrom korozionom postojanošću

• Posjeduju antifrikciona svojstva ...

• Najznačajniji: Al, Cu, Ni, Ti, Mg, Zn, legure za klizne ležajeve i tvrdi metali.

OBOJENI METALI I NJIHOVE LEGURE

T e h n i č k i m a t e r i j a l i

2Prof. dr Darko Bajić

• Alumijum je, posle Fe, drugi po redu metal koji se koristi u tehnici.

• Karakteristike:

Dobra plastičnost,

Mala gustina,

Dobra elektroprovodljivost,

Dobra toplotna provodljivost,

Koroziono postojan – po površini se formira Al2O3,

Otporan na mnoge organske kisjeline (azotna),

Nije toksičan,

Nije magnetičan,

Lako se obrađuje deformisanjem,

Ne varniči,

Nije krt na niskim temperaturama,

Zavarljiv.

ALUMINIJUM I NJEGOVE LEGURE


• Označavanje:o hemijskim simbolima i brojčanim oznakamao brojčanim oznakama

Al 99,8 – označavanje čistog aluminijuma

Dvojne legure Al – AlXBX – simbol glavnog (osnovnog) legirajućeg elementa

B – brojčana oznaka (nazivni sadržaj legirajućeg elementa)

Trojne i višekomponentne legure Al – AlXBCDX – simbol glavnog (osnovnog) dodatnog elementa

B – brojčana oznaka (nazivni sadržaj glavnog dodatnog elementa)C – simbol drugog glavnog dodatnog elementa

D - brojčana oznaka (nazivni sadržaj drugog glavnog dodatnog elementa)

Označavanje hemijskim simbolima i brojčanim oznakama

• Upotreba:

o čist metal u elektrotehnici, metalo-prerađivačkoj, prehrambenoj i hemijskoj industriji

o višekomponentne legura imaju široku upotrebu u mašinskoj industriji.


Označavanje brojčanim oznakama

3.XXXX.XX

3 - za Al i njegove legure uvijek je broj 3X - brojčana oznaka prvog najzastupljenijeg dodatnog legirajućeg elementa, (0 za Al) X - brojčana oznaka drugog najzastupljenijeg dodatnog legirajućeg elementa XX - redni broj legure 01 do 50 – legure Al za livenje; 51 do 99 - legure Al za plastičnu

preraduXX - oznaka stanja proizvoda (stanje materijala s obzirom na stepen plastične prerade

i termičke obrade)

Fe (Co, Cr, Ni, V)

1

Cu 2

Mn 3

Si 4

Mg 5

Zn 7

Ostali 9

X X

proizvodno stanje 20–23

stanje meko, meko žareno irekristalizovano

30–39

proizvodno stanje 40

stanje hladne plastične deformacije

42–48

termički obrađeno stanje 60–89

druga stanja 90–98

XX


• Legirajući elementi koji značajno poboljšavaju osobine čistog aluminijuma su: Cu, Mg, Mn,Si, Zn i Li.

• Podjela legura Al:

legure za plastičnu preradu

o termički se ne obrađuju (ojačanje rastvaranjem, deformaciono ili disperzno)

o termički se obrađuju (ojačanje termičkim taloženjem)

legure za livenje

o termički se ne obrađuju

o termički se obrađuju.

Legure Al za plastičnu preradu koje se termički ne obrađuju - odlikuju se ne visokomčvrstoćom, ali su im svojstva plastičnosti veoma dobra (A≤40%).

• U ovu grupu ubrajamo legure Al sa Mg (1-5,8%) i Mn (do 0,6%).

• Ove legure su uvijek jednofazne (izuzetak Al-Si), sa strukturom α čvrstog rastvora, kojiima KPC rešetku na bazi Al.

• Legure su dobro zavarljive i otporne prema koroziji.

• Upotreba: za izradu slaboopterećenih dijelova, za izradu presovanih i duboko izvlačenihproizvoda (šipke, žice, cijevi, profile), kao i za zavarene konstrukcije.


Legure Al za plastičnu preradu koje se termički obrađuju - legura Al sa Cu, Mg, SI, Zn i Li(Al-Cu, Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn).

• Visok nivo mehaničkih svojstava legure postižu tek nakon adekvatne termičke obrade –taložno ojačavanje.

• Taložno ojačanje – dobijanje gusto i fino rapoređenih taložnih čestica u matricideformabilnog metala koje sprečavaju propagaciju dislokacija.

1

I faza - rastvaranje žarenjem: preko solvus linije. Eliminiše se svaka segregacija (izdvajanja) – homogen -čvrsti rastvor.

2

II faza - hlađenje: brzo hlađenje u vodi do sobne temperature (kaljenje). Prezasićen čvrsti rastvor jer se Cu u potpunosti rastvorio u rešetki Al.

3III faza - starenje: proces prirodnog starenja (legura se drži na sobnoj temperaturi nekoliko dana) ili vještačkog starenja (legura se na povišenoj temperaturi drži 20-24h); -čvrsti rastvor se razlaže i ojačava leguru. Starenjem se postiže veća čvrstoća legure.

Tečna faza - L

+L578 °C

5,65

α+θ

α

Sadržaj Cu, %

Al 2 4 6 8

700

600

500

400

300

200

100

0

Tem

pera

tura

, ºC


1

2 3

prestarjevanje

Prirodnim starenjem (20°C) i vještačkim starenjem (nisko temperaturno 100-150°C) -čvrsti rastvor se ne razlaže i ne izdvaja se suvišna faza.

Prirodno starenje: duže traje – nekoliko dana, čvrstoća je veća nego pri vještačkom starenju, ne pojavljuje se prestarjevanje legure.


Al-Cu legure

• Duraluminijum –AlCuMgSi.00

• Ojačanje:

o rastvarajućim ojačanjem

o termički – taloženjem

• Al2CuMg – intermetalno jedinjenje se javlja – ojačavajuća faza

• Primjenjuju se dva moguća postupka

o kaljenje � prirodno starenje 4-5 dana – veća otpornost na koroziju

o vještačko starenje 185-195°C

• Primjena: avio industrija

Al-Mg-Si legure

• Manja čvrstoća nego kod duraluminijuma.

• Mg2Si – intermetalno jedinjenje se javlja – ojačavajuća faza.

• Otporne na koroziju i uticaj atmosfere.

• Primjena: mašinogradnja, prehrambena industrija, brodogradnja, za dijelove bijele tehnike, za dijelove hidrouličkih i pneumatskih cilindara itd.


Al-Mg-Zn legure

• Visoka čvrstoća i smanjena plastičnost.

• MgZn2 – intermetalno jedinjenje se javlja – ojačavajuća faza.

• Zn i Mg imaju veliku rastvorljivost u rešetki Al – veća gustina taložnih čestica → velika čvrstoća, smanjena plastičnost i otpornost na koroziju.

• U odnosu na duraluminijum - veća osjetljivost na koncentraciju napona i manja otpornost na naponsku koroziju.

• Dobra zavarljivost.

• Primjena: automobilska industrija, mašinogradnja, statički opterećene konstrukcije, građevinarsvo.


Legure Al za livenje - karakteriše:o Niska temperatura topljenja,o Dobra tečljivost,o Dobra livkost,o Dobra mehanička svojstva,o Otpornost na korziju.

Najviše korišćene legure• Al-Si sa mogućim legiranjem (Mg i Cu)• Al-Cu sa mogućim legiranjem (Mn i Ni)• Al-Mg sa mogućim legiranjem (Si)

Ti, Zn i Ni kao modifikatori – usitnjavaju metalno zrno – povećanje mehaničkih svojstava


BAKAR I NJEGOVE LEGURE

▫ Kao čist metal i u obliku legura ima široku primjenu.

▫ Odlična električna provodljivosti.

▫ Odlična toplotna provodljivosti (šest puta veća od Fe i dva puta od Al).

▫ Kristališe po KPC rešetki.

▫ Posjeduje veliku plastičnost.

▫ Posle zlata i srebra ima najveću električnu provodljivost.

▫ Temperatura topljenja čistog bakra je 1083°C.

▫ Otporan na koroziiju i uobičajenim atmosferskim uslovima slatke i slane vode.

▫ Organske kisjeline, amonijak i gasovi koji sadrže S štetno djeluju na bakar .

▫ Loša livačka svojstva – laka rastvorljivost gasova pa su odlivci porozni.

▫ Nije pogodan za obradu rezanjem.


• Čist bakar nema zadovoljavajuće mehaničke osobine, pa kao konstrukcioni materijalnema veliku primjenu.

• Legiranjem bakra sa Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Si, Ag i Au, dobijamo legure.

• Jednofazne legure: rastvarajuće ili deformaciono ojačanje.

• Dvofazne legure: taložno i disperzno ojačanje ili fazne transformacije.

• Prisustvo kiseonika u Cu – Cu2O

• Rastvorljivost kiseonika u čvrstom Cu je jednaka 0.

• H je rastvorljiv u Cu. U reakciji sa Cu2O formira se voda koja odlazi iz rastvora kao nerastvorena. Po površini – prsline i šupljine „vodonična bolest“ - krtost materijala.

• Mehaničke karakteristike čistog Cu su nezadovoljavajuće sa konstrukcionog aspekta.

• Dvije grupe:

o Mesing – Cu-Zn

o Bronza – Cu-Sn (Al, Pb, Be)

• Koriste za: gnječenje, livenje, dodavanje ispajanje

Obilježavanje

- prvo slovno obilježje Cu- sledeći par (slovno i brojčano obilježje) najuticajniji

legirajući element itd.

CuAl10Ni5Fe2.24do 10% Aldo 5% Nido 2.24% Fe


Cu-Zn legure - mesing

• Dvije grupe:o Obični mesing (dvokomponentni)o Specijalni mesing (višekomponentni)

• Obični mesing se koristi za:o Limoveo Cijevio Konstruktivne dijeloveo Bižuterijuo Odlivke armature vodovodneo Odlivci za elektroindustriju

• Specijalni mesing (sa Si, Al, Mn, Ni, ...) ima veću:• Tvrdoću• Čvrstoću• Otpornost prema koroziji• Livkost• Obradivost rezanjem

• 50% - minimalni udio Cu

▫ Odlična električna provodljivosti▫ Odlična toplotna provodljivosti▫ Dobra mehanička svojstva▫ Posjeduje veliku plastičnost – prerada

na hladno i toplo ▫ Otpornost na koroziju

Prema načinu prerade:• Mesing za plastičnu preradu• Mesing za livenje


Naziv Oznaka Zn, % Primjena

Crveni tombak CuZn10 9...11 %Zn Elektrotehnika, ukrasni predmeti

Svijetlocrvenitombak

CuZn20 19...22 %Zn Elektrotehnika, ukrasni predmeti, cijevi

Žuti tombak CuZn30 31...28 %ZnKondenzatorske i druge cijevi za

izmenjivače toplote, za duboko izvlačenečaura

Mesing zaobradu

gnječenjemCuZn37 35...28 %Zn

Osnovna legura za hladnu deformaciju: cijevi, limovi, opruge, zavrtnjevi

Mesing za kovanje

CuZn40 38...41 %ZnZa deformaciju u toplom i hladnom stanju:

žice, okovi, brave, zavrtnjevi

Tvrdi mesing CuZn40Pb240...44 %Zn +

2 %Pb

Osnovna legura za obradu skidanjemstrugotine: mesing za graviranje, za

zupčanike časovnika, zavrtnjeve, profile


Cu-Sn legure - bronza

Kalajna bronza – do 13% Sn

o velika otpornost prema koroziji

o visoka tvrdoća i čvrstoća

o velike otpornosti prema habanju (zavrtnjevi, pužni zupčanici, propeleri, klizni ležajevi...

• Osobine kalajnih bronzi zavise od njihove strukture (sadržaj Sn).

• Sa inžеnjerskog aspekta interesantne su samo legure sa max. 22% Sn.


0 2 4 6 8 10Sn, %

180

150

120

90

60

30

0

HB

180

150

120

90

60

30

0

180

Rm

, kN

/cm

2

A5

Podjela:

o Za plastičnu preradu – jednofazne (-čvrsti rastvor) � povišena čvrstoća i elastična svojstva (ploče, trake, žice, profili, cijevi)

o Za livenje – sadrže Zn, Sn, Ni, Pb i P - dvije faze (-čvrsti rastvor+krti uključci β-faze) �dobra livkost (tečljive i minimalno skupljanje) – otpornost na koroziju, antifrikciona svojstva (livenje u pijesku, kokili pod pritiskom i centrifugalno dijelova složenog oblika)


Cu-Al legure – aluminijumska bronza

o Dvokomponenetne

o Višekomponentne (Fe, Mn, Ni)

• Visoka čvrstoća na visokim temperaturama.

• Visoka dinamička čvrstoća.

• Otpornost na koroziju, u kisjelim sredinama i morskoj vodi.

• Otpornost prema eroziji i na visokim temperaturama.

• Dobro zavarljive.

Podjela:

o Za plastičnu preradu - jednofazne (-čvrsti rastvor) - u toplom i hladnom stanju �

povišena čvrstoća i elastična svojstva (ploče, trake, žice, profili, cijevi, otkovci).

o Za livenje –dvije faze (-čvrsti rastvor+krti uključci β-faze) � slaba livkost – veći koeficijent skupljanja (livenje u pijesku, kokili pod pritiskom i centrifugalno dijelova složenog oblika).


0 2,5 5 7,5 10 12,5 15

A

Al, %

Rm

, kN

/cm

2

10

0

30

20

50

40

70

60

80

Cu-Pb legure – olovna bronza

• Pb se ne rastvara u Cu � struktura: kristali Cu + kristali mekog Pb po granicama metalnog zrna.

• Dobra antifrikciona svojstva – koristi se za klizne ležajeve.

• Dobra provodljivost toplote.

• Dobra otpornost na habanje i koroziju.

• Za klizne ležajeve radilica motora SUS.


Cu-Be legure – berilijumova bronza

� Visoka zatezna čvrstoća (Rm = 1140-1340 N/mm2) – taložnim ojačanjem se postiže.� Visoka tvrdoća (HRc 38).� Dobra toplotna provodnost.� Dobra elektroprovodnost.� Visok nivo otpornosti na koroziju.� Sa adekvatnim podmazivanjem, visok otpor na habanje.� Dobra livkost.� Dobra zavarljivost.� Dobra obrada deformisanjem u toplom i hladnom stanju.

Primjena:� opruge,� zupčanici,� membrane,� ventili,� dijelovi koji su izloženi habanju,� dijelovi koji ne varniče (naftna i hemijska industrija),� medicina – stomatološki i hirurški instrumenti.


• Crveni liv je legura sa min. 84% Cu, dok su ostali elementi Sn i Zn, a ponekada i Pb.

• Upotreba: armatura za vodovodne i parovodne instalacije koje su pri radu izloženepovišenim temperaturama (do 325°C); pužni točkovi, cijevne prirubnice.

Relativno dobra mehanička svojstva.

Vrlo dobra klizna svojstva.

Vrlo otporni na habanje.

Otporni su protiv korozije i agresivnosti morske vode.

Dobro podnose udarce.

Zavarljivost zavisi od vrste.

Dobro se leme.

Preporučljivi za visokoopterećene klizne ležajeve sa srednjim i visokim obodnim brzinama.

Preporučljivi za opterećena pužna kola sa visokim brzinama klizanja kao i za sve druge dijelove.

Zahtjevaju dobro podmazivanje.


Novo srebro je legura Cu (60%), Ni (20%) i Zn (20%).

• Posjeduje dobra svojstva plastičnog deformisanja valjanjem, kovanjem i presovanjem utoplom stanju, sa manjim sadržajem Cu.

• Veći sadržaj Cu - može da se plastično deformiše u hladnom stanju kovanjem ipresovanjem.

• Koristi se za izradu raznih dekorativnih predmeta, dijelova u preciznoj mehanici i optici,za izradu ključeva, opruga i limova namijenjenih za duboko izvlačenje.


• Cu je potreban za stvaranje crvenih krvnih zrnaca, ima pozitivan uticaj na ćelijskumembranu nervnih ćelija i ima uticaj u slanju nervnih impulsa.

• Sa godinama, postepeno se smanjuje količina bakra u ćelijama.

• Povećan unos bakra preporučuje se već od tridesete godine (2 mg)

• Bakar je najbolje unositi hranom - kikiriki, sardina, jetra, krompir, kivi, crni hljeb i svimostalim proizvodima na bazi žitarica sa čijeg ploda nije uklonjena ljuska.

• Najveći izvor bakra u ishrani su morski plodovi, a među njima najviše bakra ima u

ostrigama.

• Na listi najzastupljenijih hemijskih elemenata u čovjekovom organizmu, bakar se nalazi na trećem mjestu, posle gvožđa i cinka.

• U našem organizmu, bakar se uglavnom nalazi u muskulaturi, kostima i jetri. Veoma je bitan i za kožu - podstiče proces nastajanja vezivnog tkiva i štiti ćelije od dejstva slobodnih radikala (slobodni radikali su glavni uzročnici starenja kože).


• Otporan na koroziju i oksidaciju na povišenim temperaturama.• Posjeduje dobru vatrootpornost i magnetičan je do 360°C. • Kristališe po KPC kristalnoj rešetki – dobro svojstvo oblikovanja.• Kao legirajući element utiče na povećanje čvrstoće, žilavosti i otpornosti na koroziju

legure.• Najviše korišćene Ni legure su: monel, inkonel i hasteloj.

NIKAL I NJEGOVE LEGURE


• Osnovni legirajući elementi su Cu, Cr, Co, Mo, a tu su još i Al, Ti, Fe.

• Legure za:

o Plastičnu preradu

o Livenje

Monel je legura Ni i Cu (∼30%).

o dodatak Fe (monel 400),

o Al i Ti (monel K500)

o Si (monel 411).

• Moneli se koriste kao antikorozione legure u prehrambenoj i hemijskoj industriji.

Inkonel je legura Ni sa Cr i Fe (∼15% Cr, ∼10% Fe)

o dodatak Nb (inkonel 610).

• Inkoneli se koriste kao vatrootporne legure za dijelove gasnih motora i turbina, opremuu prehrambenoj, hemijskoj i petrohemijskoj industriji.

Hasteloj je legura Ni sa Cr i Mo (∼16% Cr, ∼15% Mo).

• Posjeduje visoku otpornost na koroziju i vatrootpornost, pa se koristi za dijelove mlaznih motora.


Ruda Ni spada u jedan od najtoksičnijih metala, u istoj je ravni sa uranijumom, živom i hromom, a izaziva promjene u imunološkom sistemu živog bića.


Tačka topljenja je 650°C.

Kristališe u HGP rešetki.

Lako se vezuje sa kiseonikom, ali je njegov oksid porozan.

Veoma brzo korodira, a posebno u morskoj vodi.

Ne varniči.

Nije magnetičan.

Suvi prah Mg se lako pali na vazduhu.

Niska vrijednost čvrstoće i plastičnosti.

Slaba otpornost na zamor, puzanje i habanje.

Mehanizmi ojačanja su praktično bez efekta.

Primjena: za legiranje, pirotehnici, hemijskoj industriji itd.

MAGNEZIJUM I NJEGOVE LEGURE


Legure Mg

• Legirajući (glavni) elementi: Al, Zn, Mn, Zr (cirkonijum), Th (torijum), RZM.• Legure se termički obrađuju – žarenjem u cilju uklanjanja grešaka i neravnotežnih

struktura.• Zagrijavanjem se povećava plastičnost legura – plastična obrada samo na temperaturama

200 - 300°C.

• Legure se dijela na:o legure za plastičnu obradu (izvlačenje, valjanje, kovanje u alatima),o legure za livenje.


„Sa jedne strane važno je čvrsto fiksirati krajeve slomljenih kostiju, sa

druge strane, kada jednom kost sraste, volio bih da ne moramo

ponovo da uklanjamo implantat. Za to su najbolje rješenje pločice i

šrafovi od magnezijuma“ - Frank Vite, Medicinski fakulteta uHanoveru.

Magnezijum-hidroksid koji nastaje prilikom korozije magnezijumapodstiče srastanje slomljenih kostiju. „Kada smo magnezijum-

hidroksid u prahu unosili u kosti, imali smo značajno poboljšanje u

srastanju kostiju u prve četiri nedjelje.“


TITAN I NJEGOVE LEGURE

Polimorfija je sposobnost supstance da kristališe u više od jedne kristalne strukture. Titan dioksid (TiO2) ima tri kristalne strukture: rutil, anatas i brukit. Ove tri strukture imaju isti hemijski sastav, ali različitu strukturu. Polimorfija kod hemijskih elemenata se naziva alotropija.

rutil аnatas

amorfni ugljenik

dijaman grafit

LonsdaleitC60

(Buckminsterfuleren ili buckylopta)Ugljenik ima 8 alotropa:

C540C70

jednozidna ugljeničnananocijev ili buckycijev


Titan ima svojstvo polimorfije, jer iz tečnog stanja (Tt=1668°C) kristališe u KZC rešetku (β-

titan), a daljim hlađenjem na 882°C prelazi u HGP rešetku (α- titan).

srebrno – bijele boje,

metal male gustine,

velika čvrstoća i tvrdoća,

imaju veliku specifičnu čvrstoću,

otporan na koroziju na sobnoj ipovišenim temperaturama,

slatkoj i morskoj vodi,

otporan na naponsku koroziju,

otporan na kavitacijsku eroziju

ima dobru vatrootpornost,

doba zavarljivost,

Ti i njegove legura (visoka cijena) koristi se za konstrukcione dijelove gasnih motora i turbina, opremu u prehrambenoj, hemijskoj i petrohemijskoj industriji,

primjena za protetsku nadoknadu u medicini i stomatologiji.

Naponska korozija: Ako je materijal

istovremeno izložen dejstvu korozione

sredine i zateznom naponu - stvaranje

naponske korozijske prsline i lom je krt

bez kontrakcije.

Deb

ljin

am

ater

ijala

kavitacijska erozija


• Legure Ti, prema strukturi, dijele se na:

o -legure,

o β-legure,

o +β-legure.

• Najviše se koriste + β - legure Ti sa 6% Al i 4% V, Rm=1000 MPa (za dijelove mlaznih i raketnih motora).

• Al – -stabilizator; povećava oblast (temperaturu polimorfijske transformacije ↔ β.

• Mo, V, Cr, Mn, Fe – β-stabilizatori; povećava β oblast (smanjuje temperaturu polimorfijske transformacije ↔ β).

• Legure titana se mogu termički obrađivati: žarenjem, kaljenjem i starenjem.

Dijelovi helikoptera Turbo-ventilatorski motor

Borer presvučen Ti-nitridom

TiNAirbas A380 ima 146 t titanijevih legura


Uticaj pojedinih elemenata na svojstva čistog Ti

Udarna žilavost, JA5, % A5, %


Osnovna literatura

Vitomir ĐorđevićMašinski materijali - prvi deoUniverzitet u Beogradu, Mašinski fakultetBeograd 2000


v predavanje tehnički materijali ok - ucg.ac.me · dobra obrada deformisanjem u toplom i hladnom...

Documents