Materijali u elektrotehničkim proizvodima

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

Materijali u elektrotehničkim proizvodima

ELEKTROTEHNIČKI SUSTAVI I TEHNOLOGIJA

UvodTehnologija elektrotehničkih materijalaPrimjeri primjene elektrotehničkih materijalaPodjela elektrotehničkih materijalaOsnovna svojstva

Ak. god. 2014/2015Zagreb, 03. 10. 2014.

Uvod

Paleolitičko kremeno koplje kojeg su ljudi koristili za lov i borbu.

Willendorfska Veneraoko 25 000./20 000. g. pr. Kr.VapnenacNaturhistorisches Museum, Beč

Uvod

Kotač je izumljen 4000 god p.k.

Tiskarska presa, 1811. god.

Uvod

4

Lansiranje Space Shutlea Discovery iz svemirskog centra Kennedy.

Uvod

5

Bušmani, narod nastanjen na jugozapadu Afrike, u pustinji Kalahari

Tehnologija elektrotehničkih materijala

Tehnologija elektromaterijala ili elektrotehnologija je poddisciplina tehnologije vezana uz elektrotehničke materijale i proizvode.

Elektrotehnički materijali su svi oni materijali koji ulaze u električne proizvode, a u užem smislu to su oni materijali, koji svojim svojstvima omogućuju optimalno djelovanje električnih i elektromagnetskih pojava.

Osnovna područja kojima se bavi tehnologija elektromaterijala su:

• metode i postupci proizvodnje elektromaterijala

• izbor i ispitivanje materijala

• ugradnja materijala (proizvodnja proizvoda)

• ispitivanje proizvoda glede uvjeta okoliša• zbrinjavanje istrošenih proizvoda

Ilustrativni primjeri primjene elektrotehničkih materijala

7

• rotacijski strojevi, transformatori, sklopni aparati, nadzemni energetski vodovi, kabeli, akumulatori itd

• aktivne i pasivne komponente, tiskane pločice, elektronički sklopovi i uređaji, baterije

• antene, svjetlovodi, visokofrekvencijski sklopovi i uređaji

• računala, računalne mreže i računalni centri

• mikrokomponente i nanokomponente

Elektrotehnički proizvodi – rotacijski strojevi

8

Elektrotehnički proizvodi - transformatori

9

Elektrotehnički proizvodi – sklopni aparati

10

Elektrotehnički proizvodi – nadzemni vodovi, kabeli

11

Poluvodičke komponente

12

Učinske diode, tiristori i tranzistori u zalivenim modulima

Oblici silicijskih pločica

Pasivne komponente

13

Otpornici

Kondenzatori

Elektronički sklopovi, elektronički učinski pretvarači

14

Složeni elektrotehnički proizvodi

15

Složeni elektrotehnički proizvodi

16

Podjela elektrotehničkih materijala

17

Sa stanovišta elektrotehnike u elektrotehničkom proizvodu su tri suštinska dijela:

električki, koji provodi struju (na različite načine, raznih veličina i frekvencija)

magnetski, koji provodi magnetski tok izolacijski

Osim tih dijelova postoje i:

konstrukcijski dijelovi (čiji je zadatak da aktivne dijelove povežu u kompaktnu cjelinu)

pomoćni (podmazivanje, hlađenje, zaštita od korozije...)

Kriteriji izbora materijala

18

Osnovni kriteriji pri izboru materijala za ugradnju u elektrotehnički proizvod su:

•funkcionalni (električki, magnetski, izolacijski zahtjevi)•mogućnosti obrade materijala•ponašanje materijala u zadanim tehnoklimatskim uvjetima

Materijali se biraju s obzirom na sve navedene uvjete ali često se moraju činiti i kompromisi.

Na međunarodnom nadmetanju za izgradnju dalekovoda Balti - Pussi 330 kV u Estoniji, naručitelja Estonian Main Grid po sistemu "ključ u ruke" posao je dobila tvrtka Empower koja je, nakon prikupljanja ponuda za isporuku ovjesne opreme, posao dodijelila Dalekovod-u d.d. Duljina voda je 216 km naponske razine 330 kV, s tri vodiča u snopu... Potrebno je naglasiti da se radi o zahtjevnom poslu obzirom na teške klimatske uvjete (niske temperature, obilat snijeg i led) te je bilo nužno primjeniti poseban dizajn te materijale i opremu koji će bez poteškoća funkcionirati u takvim vremenskim uvjetima.

Materijali za električne vodiče

19

Za izradu vodiča biraju se materijali koji dobro vode električnu struju i toplinu. Električna provodnost im je veća od 105 S/m. Obično su to metali (Cu, Al, Fe, njihove slitine, meki čelik itd) - vodiči I. vrste.

U ovoj skupini su i specijalni vodljivi materijali za električne kontakte, termobimetale, termoelemente, rastalne osigurače itd.

U ovu skupinu ubrajaju se i otporni materijali s visokom električnom otpornošću (0,2 – 1,6 mm2/m)

Elektroliti su također vodljivi materijali. To su tekućine u kojima su otopljeni različiti kemijski spojevi, kiseline, lužine, soli – vodiči II. vrste.

Materijali za magnetske krugove

20

Dijele se na:

tvrde magnetske materijale meke magnetske materijale

Glavni feromagnetski materijali su:

željezo kobalt nikal njihove slitine i oksidi

Za izradu magnetskih krugova biraju se materijali koji dobro vode magnetski tok. To su feromagnetski materijali.

Materijali za električne izolatore

21

Za izradu električne izolacije koriste se izolatori ili dielektrici. Zadatak ovih materijala je da razdvajaju vodiče tj. točke različitog potencijala. To su materijali s visokom električnom otpornošću (106 – 1018 m).

U skupinu izolatora ubrajaju se npr.:

polietilen PVC silikonska guma kvarcno staklo poliuretan porculan destilirana voda drvo vakuum (koji se smatra idealnim

izolatorom), itd

Poluvodički materijali

22

Poluvodički materijali služe za izradu aktivnih poluvodičkih komponenata. Imaju visoku električnu otpornost (od nekoliko desetaka do nekoliko stotina tisuća mm2/m). Temperaturni koeficijent otpora im je negativan.

Najpoznatiji materijali iz ove skupine su:

slicij (Si)germanij (Ge)silicijev karbidselenoksidi bakra, cinka, uranasrebrni sulfid (Ag2S)talijev sulfid (TaS)titanov oksid

Poluvodički materijali

23

Ovim materijalima su dodane određene količine trovalentnih ili peterovalentnih elemenata kako bi se u kombinaciji s metalom i izolatorom dobile različite aktivne poluvodičke komponente.

Podjela materijala prema kemijskom sastavu

24

Materijali u elektrotehničkim proizvodima razlikuju se po kemijskom podrijetlu:

osnovni kemijski elementikemijski spojevislitine (legure)*umjetni spojevi i složeni materijali

Slitine nastaju taljenjem ili sinteriranjem. Sinteriranje je stapanje razmrvljenih tvari u čvrstu masu grijanjem (bez taljenja) i pod određenim pritiskom.

Umjetni spojevi i složeni materijali

25

keramike su spojevi metala i nemetala polimeri su organski spojevi bez metala kompozitni materijali su spojevi metala,

keramika i/ili polimera biomaterijali služe zamjeni ljudskog tkiva i

izradu proteza pametni materijali se prilagođavaju

promjenama u okolini nano materijali omogućavaju stvaranje

smislenih struktura na razini atoma ili molekula

Umjetni spojevi – biomaterijali, pametni materijali

26

Primjer biomaterijala je hidroksiapatitna keramika (HA) koja se koristi kao biomaterijal pogodan za zamjenu koštanog tkiva zbog izvrsne biokompatibilnosti itd. Intezivno se koristi u stomatologiji i ortopediji.

Pod pojmom “pametni” misli se na materijale koji mijenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva pod djelovanjem okolnih uvjeta (temperature, mehaničkog naprezanja, kemijskog djelovanja, električnog ili magnetskog polja, svjetlosti i dr.).

Drvo je primjer pametnog prirodnog materijala – drvo je sposobno samo ojačati pod djelovanjem mehaničkog opterećenja ili ozdraviti ako dođe do oštećenja.

Nazivlje - pojmovi

27

MaterijaTvarMaterijal

Opća fizikalna svojstva

28

Materija se u prirodi javlja u tri* osnovna agregatna stanja; krutom, tekućem i plinovitom. Električni vodiči i izolatori mogu biti u krutom, tekućem i plinovitom stanju.

Krute tvari definira stalan oblik i obujam. Kod većine krutih tvari atomi, molekule ili ioni su pravilno raspoređeni unutar kristalne strukture (kristalna slagalina). Krute tvari mogu biti i u amorfnom stanju.

Tekućine definira stalan obujam i promjenjiv oblik.

Plinovito agregatno stanje definira promjenjivost oblika i obujma.

* Kada se na vrlo visokim temperaturama ionizirani plin izvrgava utjecaju jakog magnetskog polja plin poprima četvrto agregatno stanje – plazma. Peto agregatno stanje je kvark gluon plazma.

Opća fizikalna svojstva

29

Između agregatnih stanja prelazi se dovođenjem ili odvođenjem topline:

kondenzacija – prelazak iz plinovitog u tekuće agregatno stanjekristalizacija – prelazak iz tekućeg ili plinovitog u kruto agregatno stanjetaljenje – prelazak iz krutog u tekuće agregatno stanjeisparavanje – prelazak iz tekućeg u plinovito agregatno stanjesublimacija – prelazak iz krutog u plinovito agregatno stanjeresublimacija – prelazak iz plinovitog u kruto agregatno stanje

Opća fizikalna svojstva

30

Gustoća je odnos mase i obujma materijala, koji se izražava u g/cm3 , kg/m3, t/m3. Gustoća se mijenja s promjenom temperature.

Talište, područje taljenja, točka omekšanja, mjeri se u 0C, predstavlja općenito granicu između krutog i tekućeg stanja materijala.

Vrelište, mjeri se u 0C, predstavlja granicu između tekućeg i plinovitog stanja.

Kapljište, mjeri se u 0C, je temperatura na kojoj tvar prelazi iz plinovitog u tekuće stanje

Viskoznost, mjeri se stupnjevima Englera, izražava se odnosom vremena istjecanja ulja ili laka iz standardizirane posude i vremena istjecanja iste količine vode.

Higroskopnost (%) – je sposobnost apsorbiranja vlage iz zraka.

Opća fizikalna svojstva

31

Prema sastavu:

Homogene tvari, bez obzira da li su nastale miješanjem više tvari, karakterizira jedinstvo kemijskih i fizikalnih svojstava.

Heterogene tvari su mješavina različitih homogenih tvari od kojih svaka unutar smjese zadržava svoja svojstva.

Opća fizikalna svojstva

32

Prema strukturi:

Amorfni materijali (gr. amorphos – bez forme) su materijali s nepravilnim rasporedom atoma i atomskih grupa (bez periodičnosti strukture).

Kristalični materijali su materijali s pravilnim rasporedom atoma odnosno molekula. Strukturni elementi ovakvih materijala su oblika paralelopipeda koji je određen duljinama stranica i kutovima između njih.

Kod izotropnih materijala su svojstva kristalne tvari podjednako izražena u pravcima svih kristalografskih osi. I amorfni materijali su izotropni.

Kod anizotropnih materijala svojstva kristalne tvari nisu podjednako izražena u pravcima svih kristalografskih osi.

Električna svojstva

33

Električna svojstva koja su uglavnom važna za karakterizaciju materijala za izradu vodiča, otpornika, kontakata itd. su:

električna otpornost (provodnost)temperaturni koeficijent električne otpornosti

Električna svojstva

34

Električna otpornost () je svojstvo materijala koje se očituje pri prolasku električne struje. Za pravilan i dug vodič od homogenog materijala je koeficijent razmjernosti između električnog otpora R i izmjera vodiča u sljedećoj jednadžbi:

gdje je:

l – duljina vodičaS - presjek vodiča

Mjerna jedinica za električnu otpornost je m2/m = m. To je velika jedinica, pa se često upotrebljava jedinica mm2/m.

R S

l

Električna svojstva

35

Električna otpornost ovisi o čistoći materijala.

Čisti metali tvore pravilne kristalne slagaline koje pružaju najmanji otpor. Ako ima primjesa (metalnih ili nemetalnih), kristali se deformiraju, a otpornost povećava.

Slitine imaju veću električnu otpornost ako elementi pri skrućivanju zajednički kristaliziraju tako da se atomi jednog elementa ugrađuju između atoma drugog elementa (bilo uključivanjem ili supstitucijom) – kristalni mješanci.

Ovisnost električne otpornost o čistoći materijala.

Električna svojstva

36

Električna otpornost ovisi i o mehaničkoj obradi. Hladna obrada metala valjanjem, kovanjem, izvlačenjem itd. utječe na promjenu električne otpornosti (meki i tvrdi Cu, Al, Ni). Pod djelovanjem sile kod takve obrade deformira se kristalna slagalina, a to izaziva povećanje električne otpornosti.

Empirijska podjela materijala po električnoj otpornosti je:

•izolatori 1012 mm2/m•poluvodiči 10 do 1012 mm2/m•vodiči (metali) 10 mm2/m

Električna svojstva

37

Temperaturni koeficijent električne otpornosti () je mjera promjene električne otpornosti tvari s temperaturom. Električna otpornost na temperaturi T izražava se:

gdje je 0 otpornost pri temperaturi T0 (K).

Jedinica za temperaturni koeficijent otpornost je K-1.

Temperaturni koeficijent otpornosti je stalan samo u užem temperaturnom području.

0 0 01 T T

Električna svojstva

38

Ovisnost temperaturnog koeficijenta električne otpornosti o čistoći materijala.

Temperaturni koeficijent otpornosti ovisi i o čistoći materijala.

Čisti metali imaju relativno visok koeficijent, dok je kod slitina manji, a katkada može poprimiti i negativne vrijednosti.

Električna svojstva

39

Električna provodnost () je recipročna vrijednost električne otpornosti. Za pravilan i dug vodič od homogenog materijala je koeficijent razmjernosti između električne vodljivosti G i izmjera vodiča u jednadžbi:

Jedinica za električnu provodnost je S/m ili Sm/mm2.

Električnu provodnost je zgodnije upotrebljavati kod materijala koji se koriste za izradu vodiča, a električnu otpornost kod materijala za izradu otpornika.

Starij naziv za električnu otpornost je specifični električni otpor a za električnu provodnost specifična električna vodljivost.

1 l lG

R S S

Magnetska svojstva

Magnetska svojstva karakteriziraju ponašanje materijala u magnetskom polju. Obzirom na njihovu specifičnost, bit će iznesena u svezi s razmatranjima magnetskih materijala.

Mehanička svojstva

Mehanička svojstva materijala opisuju vezu između odziva tj. deformacije materijala i pobude tj. opterećenja na materijal.

Potrebno je znati kako se različita mehanička svojstva mjere i što rezultati mjerenja predstavljaju.

Najznačajnija mehanička svojstva materijala su:

• čvrstoćao elastičnosto plastičnosto duktilnosto rastezljivosto žilavost

• tvrdoća•prekidna dužina

Mehanička svojstva

42

Čvrstoća je sposobnost materijala da se opire vanjskoj sili koja mu nastoji promijeniti oblik, npr. da ga rastegne, sabije, izvije, uvije, prereže itd.

Razlikuje se čvrstoća na vlak, tlak, izvijanje, savijanje, itd. i predstavlja silu F (N) koju materijal može podnijeti po jedinici presjeka A0 (mm2, m2 ) prije razaranja.

Mehanička svojstva

43

Primjerice; kod čvrstoće na vlak, odnos sile F kod koje dolazi do prekida materijala i presjeka materijala A0 je stalan. Taj odnos predstavlja unutrašnje naprezanje u materijalu u trenutku prekida i naziva se prekidna čvrstoća :

= F/A0 (N/m2)

Za ispitivanje čvrstoće materijala na vlak koriste se posebni strojevi – statičke kidalice.

Ispitivanja se provode na definiranim uzorcima uz zadanu brzinu opterećenja (N/s) i temperaturu.

Mehanička svojstva

44

Na ovakav način izmjerene krivulje prikazuju tri karakteristična područja ponašanja materijala:

• elastičnu deformaciju• plastičnu deformaciju • klonulost materijala

Elastičnost je sposobnost deformiranog materijala da se nakon rasterećenja vrati u prijašnji oblik – to je otpornost materijala prema deformiranju.

Kod elastične deformacije je naprezanje u materijalu proporcionalno (linearno) s deformacijom.

Mehanička svojstva

45

Youngov modul elastičnosti je odnos naprezanja prema istezanju u području elastične deformacije. Modul elastičnosti može se promatrati kao krutost ili otpornost materijala elastičnoj deformaciji.Što je veći modul elastičnosti, to je materijal krući.

Gdje je:

naprezanjeE Youngov modul elastičnosti deformacija

E

Većina metala, naprezana vlakom, pri relativno niskim razinama, ima proporcionalan odnos naprezanja i deformacije – Hookovo pravilo:

Mehanička svojstva

46

Postoje materijali čiji je odnos naprezanja i deformacija nelinearan (sivo lijevano željezo, beton, polimeri), te nije moguće odrediti modul elastičnosti. Za takva nelinearna ponašanja koriste se tangenta i sekanta.

Modul tangente predstavlja nagib krivulje naprezanja-deformiranja na specifičnoj razini naprezanja, dok modul sekante predstavlja nagib sekante od početne točke do neke zadane točke na σ-є krivulji.

Mehanička svojstva

47

Za mnoge materijale je maksimalna deformacija pri kojoj oni ostaju elastični jednaka = 0,005. Ako se materijal deformira iznad te točke, Hookeov zakon prestaje vrijediti, te se trajno i bez vraćanja u prvobitno stanje materijal deformira, tj. postaje plastičan.

Plastičnost je sklonost materijala deformiranju.

Tipično ponašanje metala u elastičnom i plastičnom dijelu krivulje naprezanje-deformacija.

Mehanička svojstva

48

Iz izmjerenih krivulja naprezanje-deformacija također je moguće odrediti:

• granicu popuštanja• čvrstoću popuštanja

Za metale kod kojih postoji postepena promjena iz elastičnosti u plastičnost, granica popuštanja može se odrediti preko početnog odstupanja od linearnosti na krivulji naprezanje-deformacija (točka P).

Dopušteno naprezanje materijala u uređajima i aparatima smije iznositi samo jedan dio granice popuštanja (npr. šestinu za metale, a desetinu za drvo).

Npr. kod dubokog izvlačenja limova moraju sile biti takve da prelaze granicu popuštanja, a da ne pređu prekidnu čvrstoću.

Mehanička svojstva

49

Neki čelici i drugi materijali imaju vlačnu krivulju naprezanje-deformacija prema sljedećoj slici. Kod takvih materijala prijelaz između elastičnosti i plastičnosti je nagao i naziva se fenomenom točke popuštanja.

Čvrstoća popuštanja je mjera otpornosti materijala na plastičnu deformaciju. Određuje se kao sjecište krivulje naprezanje-deformacija i pravca paralelnog s elastičnim dijelom krivulje na specifičnom dijelu osi deformacije (najčešće є = 0,002). Za metale se čvrstoća popuštanja kreće od 35 MPa za slabo čvrsti aluminij do 1400 MPa za jako čvrste čelike.

Mehanička svojstva

50

Nakon popuštanja, naprezanje u metalima nužno nastavlja plastičnu deformaciju rastući do maksimuma, točke M, i tada se smanjuje do eventualnog loma, točke F.

Čvrstoća u točki M naziva se maksimalnom vlačnom čvrstoćom. Ona varira od 50 MPa za alumunij do 3000 MPa za čelik.

Mehanička svojstva

51

Duktilnost je sposobnost materijala da podnese plastičnu deformaciju bez loma.

Materijali koji ne podnose plastične deformacije prije loma su krti (lomljivi).

Većina metala posjeduje barem umjeren stupanj duktilnosti na sobnoj temperaturi, dok neki od njih postaju krti na nižim temperaturama.

Mehanička svojstva

52

Rastezljivost je sposobnost materijala da absorbira (upije) energiju kada se elastično deformira, te da prilikom rasterećenja tu energiju obnovi.

y

dU r

0

Srodno svojstvo je i modul rastezljivosti Ur

koji označava energiju po jedinici volumena koja je nužna kod naprezanja materijala od neopterećenog stanja do čvrstoće popuštanja. Računski, modul rastezljivosti za uzorak podvrgnut jednoosnom vlačnom testu je površina ispod krivulje naprezanje-deformacija do točke popuštanja.

Mehanička svojstva

53

Žilavost je sposobnost materijala da svoju kompaktnost izgubi tek nakon jačih promjena oblika. U širem kontekstu, žilavost predstavlja sposobnost materijala da absorbira energiju do prijeloma tj. loma. U određivanju žilavosti važni su geometrija uzorka kao i način opterećenja uzorka.

U statičkim uvjetima, ako se žilavost određuje iz rezultata vlačnog testa, to je površina ispod krivulje naprezanje – deformacija do točke loma. U dinamičkim uvjetima žilavost se može odrediti npr. iz potrebnog broja previjanja kod žica i limova da materijal pukne.

Krti materijali imaju visoko popuštanje i veću maksimalnu vlačnu čvrstoću, ali manju žilavost u odnosu na duktilne materijale.

U mehanička svojstva materijala spadaju i prekidna dužina, te tvrdoća.

Mehanička svojstva

54

Prekidna dužina (dužina kidanja), mjerena u km, odgovara dužini kod koje nit, žica, vrpca i sl., puca uslijed naprezanja vlastitom težinom.

Tvrdoća je sposobnost materijala da se opire zadiranju nekog tvrdog materijala u njegovu površinu, tj. otpor prema mjestimičnom sabijanju materijala. Prema postupku određivanja razlikuje se tvrdoća po Brinellu, Vickersu, Rockwellu, Mohsu, Shoreu itd.

Brinellova metoda je primjenjiva na mekše materijale kao što su bakar, aluminij i njihove slitine. Ispituje se tako da se čelična kuglica neko vrijeme silom utiskuje u ispitivani materijal. Promjer koji je nastao utiskivanjem se mjeri s posebnim mikroskopom pomoću skale koja je ugravirana na okular. Mjereni promjer se zatim pomoću odgovarajućih krivulja pretvara u indeks tvrdoće po Brinellu.

Mehanička svojstva

55

Shoreova metoda mjerenja se bazira na elastičnom odskoku čeličnog valjčića od površine ispitivanog materijala. Ova metoda je pogodna za brza i gruba ispitivanja u pogonu i daje orijentacijske rezultate.

Uređaj se sastoji od metalne cijevi u kojoj je metalni valjčić definirane težine smješten na propisanoj visini. Nakon ispuštanja batić udara na podlogu i odskače. Visina odskoka mjera je za tvrdoću. Skala ima 140 dijelova.

Tehnološka svojstva

56

Tehnološka svojstva daju informaciju o obradivosti materijala.

Najvažnija svojstva su:

•Sposobnost deformiranja u hladnom i toplom stanju (bez skidanja strugotine) je sposobnost materijala da se može valjati, kovati, izvlačiti, savijati, duboko izvlačiti, previjati itd. U ugrijanom stanju je potrebna manja energija za obradu. Kovanjem se mijenjaju električna i mehanička svojstva materijala. Kod metala se smanjuje električna provodnost, a povećava čvrstoća i tvrdoća. Obično se radi strojno kovanje.

• Sposobnost struganja je mjerilo za obradivost materijala ručnim alatom i strojevima koji rade na principu skidanja strugotine.

Tehnološka svojstva

57

• Zavarljivost i lemljivost je sposobnost spajanja materijala zavarivanjem i lemljenjem. Zavarivanjem se spajaju metalne konstrukcije. Lemljivost je sposobnost spajanja dva materijala taljenjem trećeg.

• Sposobnost lijevanja je sposobnost ispunjavanja kalupa složenih oblika rastaljenim materijalom. Kao mjera ove sposobnosti služi, među ostalim, skupljanje kod otvrdnjavanja. Pod skupljanjem podrazumijeva se postotno smanjenje dužine odljeva nakon otvrdnjavanja prema dužini kalupa. Lijevanjem se obrađuju metali, staklo, guma, plastika itd.

• Rezljivost je sposobnost materijala da se može obrađivati rezanjem. Primjenjuje se kod obrade metala, plastika, drva, itd.

Toplinska svojstva

58

Toplinska vodljivost predstavlja sposobnost materijala za vođenje topline. Mjeri se količinom topline koja u jedinici vremena prođe kroz jediničnu kocku materijala kad postoji razlika u temperaturi od 1 K između ulazne i izlazne plohe kocke. Jedinica je (W/mK).

Specifična toplina predstavlja količinu topline potrebnu da se količini materijala jedinične mase povisi temperatura za 1 K. Jedinica je (J/kgK).

Temperaturni koeficijent istezanja predstavlja prirast dužine materijala sveden na jediničnu dužinu kod povišenja temperature materijala za 1 K. Jedinica je (%/K).

Toplina taljenja je količina topline potrebna da se masa od 1 kg materijala prevede iz krutog u tekuće stanje nakon što je dosegnuta temperatura taljenja. Jedinica je (J/kg).

Kemijska svojstva

59

Kemijska otpornost ili kemijsko ponašanje materijala karakterizirano je njegovom sposobnošću otapanja u drugim materijalima i spajanjem sa drugim materijalima.

Metali kemijski reagiraju s nizom drugih tvari i međusobno. Sposobnost metala kemijskom spajanju s drugim tvarima uzrok je da se nenamjerno i štetno* nagrizaju površine metala - korozija metala.

* Korozivni produkt na površini metala može imati ulogu zaštitnog sloja ako posjeduje odgovarajuća svojstva. Njegov obujam mora biti jednak ili veći od obujma metala koji oksidira (najbolji je omjer između 1 i 2). Zaštitni sloj treba biti čvrst, tvrd, elastičan, te fizikalno i kemijski stabilan. Mora dobro prianjati uz površinu metala. Temperaturni koeficijent rastezanja zaštitnog sloja i metala mora biti približno jednak. Električna vodljivost, elektronska i ionska treba biti što manja. Zadovoljavajuća zaštitna svojstava ima Al2O3, Cr2O2, Ag2S itd.

Kemijska svojstva

60

Prema mehanizmu korozivnog procesa razlikuje se; kemijska i elektrokemijska korozija. Prema agresivnom mediju razlikuje se; korozija u vodi, korozija u atmosferi i korozija u tlu.

Kemijska korozija nastaje zbog sklonosti dvaju ili više elemenata ili njihovih spojeva da međusobno kemijski reagiraju. Ovisi o temperaturi, o vrsti i koncentraciji agresivnog medija, strukturi i stanju površine metala, svojstvima korozivnog produkta.

Kemijska korozijanelegiranog čelika

Kemijska svojstva

61

Elektrokemijska korozija je elektrokemijski proces kojim se na površini metala, zbog kontakta s drugim metalom veće plemenitosti, a u prisutnosti vodenih otopina (elektrolita) tvore mali galvanski članci (elementi) koji uzrokuju koroziju*.

* Elektromotorna sila ovih elemenata može biti od nekoliko mV do približno 2 V.

Kemijska svojstva

62

Ispitivanja

63

Zadaća je ispitivanja ustanoviti svojstva materijala koja je potrebno poznavati kod prerade i primjene materijala (kemijska svojstva, opća fizikalna svojstava materijala, električna i magnetska svojstva).

Ovo se međutim može postići samo ukoliko se točno poznaju i ako su točno određene okolnosti pri kojima se utvrđuju ispitivanja svojstava (npr. mehanička svojstva ovise o obliku uzorka, brzini porasta naprezanja kod ispitivanja itd.)

Teško je definirati neka od praktičkih svojstava materijala, kao npr. sposobnost lijevanja, postojanost na koroziju, otpornost na habanje itd. jer je teško naći metodu ispitivanja, koja bi bila univerzalna za sve materijale.

Ispitivanja

64

Općenito se obavljaju tri vrste ispitivanja materijala:

1) Ispitivanja prema standardima

Ova su ispitivanja točno propisana i daju podatke o tome da li, i u kojoj mjeri materijal po vrijednosti odgovara kvaliteti koja se od njega očekuje. Ta ispitivanja također omogućuju usporedbu materijala, a također i zaključivanja na neke momente iz njegove povijesti, dakle postupka izrade, itd. Općenito ona daju pouzdanu opću sliku o materijalu.

Ispitivanja

65

2) Ispitivanja materijala namijenjenog za rad u određenim prilikama

Ova ispitivanja se mogu bazirati na različitim ispitnim metodama, uključujući i metode standardnih ispitivanja. Obično se u ovom slučaju koriste metode prilagođene prilikama koje vladaju u pogonu, a režimom ispitivanja nastoji se cijeli postupak ustanovljavanja posljedica u razumnim granicama ubrzati.

Ova ispitivanje iako još ne omogućuju neposredno prenošenje rezultata na sve praktičke slučajeve pogona, daju veoma korisne podatke i najčešće se primjenjuju kod usvajanja novih proizvoda i u drugim sličnim slučajevima.

Ispitivanja

3) Ispitivanja materijala u gotovim proizvodima

Ova su ispitivanja veoma skupa i često dugotrajna, no najbolje omogućuju uvid u ponašanje materijala u konkretnom slučaju primjene. Također omogućuju prenošenje iskustava na druge slične slučajeve.

Koja ispitivanja i u kojem obimu će se izvršiti u pojedinim prilikama, ovisi također i o mnogo drugih faktora (npr. proizvođač nekog materijala u svrhu kontrole svoga proizvoda obavlja sva standardna ispitivanja u veoma velikom broju, dok će kupac u pogledu standardnih ispitivanja obaviti samo tzv. "štih-probe", u opsegu koji ovisi o konkretnom slučaju).

Standardi

67

Sa svrhom unificiranja zahtijeva na materijale, kao i uvođenja jednoobraznih metoda i režima ispitivanja, izrađuju se u svim tehnički razvijenijim zemljama standardi za materijale i njihovo ispitivanje.

Od inozemnih standarda poznati su DIN (Deutsche Industrie - Normen), VDE (Verband deutscher Elektrotechniker), ASTM (American Society for testing materials), BS (British Standards), GOST (Gosudarstvenie standardi) i drugi.

Od međunarodnih standarda za područje elektrotehnike poznati su IEC (International Electrotehnical Commission) te ISO (International Standard Assotiation). Nastoji se nacionalne standarde uskladiti s međunarodnim standardima.