A Metalni materijali A1 Materijali na bazi željeza A1.1 Željezni ljevovi

- čelični lijev - bijeli tvrd lijev - sivi lijev - nodularni (žilavi) lijev - temper (kovkasti) lijev

A 1.2 Konstrukcijski čelici

- Opći konstrukcijski - Čelici povišene i visoke čvrstoće - Ultračvrsti čelici - Čelici za cementiranje - Čelici za poboljšavanje - Čelici za opruge - Čelici poboljšane rezljivosti - Korozijski postojani čelici - Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama (toplinski čvrsti čelici) - Vatrootporni čelici - Čelici za rad pri niskim temperaturama - Čelici posebnih svojstava

A 1.3 alatni čelici

- čelici za hlahan rad - čelici za topli rad - brzorezni čelici

A 2 laki i obojeni metali i legure (neželjeni metali i legure)

- Al legure - Cu legure - Ni legure - Co legure - Ni legure - Mg legure

B nemetalni materijali B1 konstrukcijska keramika

- oksidna keramika - neoksidna keramika

B2 konstrukcijski polimerni materijali

- plastomeri (termoplasti) - duromeri (duroplasti) - Elastomeri () guma

C kompozitni materijali

- C1 kompoziti s metalnom matricom - C2 kompoziti s polimernom matricom - C3 kompoziti s keramičkom matricom

Materijali na bazi željeza ČELICI – završno oblikovani deformiranjem, gnječeni, poluproizvodi LJEVOVI – završno oblikovani ulijevanjem u kalup – odljevci LIJEV – TALJEVINA određenog kemijskog sastava ODLJEVAK – oblikovani materijal konačnih svojstava Kada primijeniti lijevove i odljevke? Dijelovi vrlo složenih oblika i geometrije ali i nekad velikih dimenzija Postolja i kučišta strojeva, veliki zupčanici, kotači i drugo. Lijevovi su jeftiniji od običnih čelika Lijevana struktuta je grubozrnata i opčenito pruža manju mehaničku otpornost od gnječene, kao npr. kod čelika Sistematizacija željeznih ljevova

- čelični lijev (ČL) - bijeli tvrdi lijev (BTL) - sivi lijev (SL) - Nodularni (žilavi) lijev (NL) - Temper (kovkasti) lijev

CTEL – crni feritni PTEL – crni peritni BTEL – bijeli

Ljevovi se mogu sistematizirati na temelju:

1. Mehaničkih svojstava - ljevovi relativno dobre istezljivosti i ižilavosti (čelični, temper i nodularni) - krhki ljevovi (sivi i bijeli tvrdi lijev)

2. Tehnološkog postupka dobivanja - razlike u proizvodnji pojedinih skupina ljevova

4. Mikrostrukture Sastav tljevine - posebno udjeli Si (grafitizator) i Mn (cementator) i uvjeti hlađenja u kalupu određuju mikrostrukturu i svojstva odljevaka od Fe ljevova. Tako se razlikuju tri stanja:

- metastabilno (čelični i bijeli lijev) – ugljik vazan u Fe3C ili karbidu; - mješovito (stabilno/ metastabilno) – ugljik u grafitu i cementitu - stabilno – ugljik samo u obliku grafita

Mikrostruktura stabilno i mješovito kristaliziranih ljevova je dvojna – sastoji se od: Željezne osnove (matrice) i grafitnih nakupina Osnova kod nelegiranih vrsta ljevova može biti:

- Feritna (stabilna kristalizacija) - Feritno- perlitna - Perlitna uz eventualno prisutni slobodni cementit

Grafit se pojavljuje u tri osnovna oblika: LISTIČAV ILI LAMELARAN – kod sivog lijeva KUGLAST – kod žilavog lijeva ČVORAST – kod temper lijeva Vermikularan – CRVIČAST Svojstva ljevova koji sadrže grafit:

- visoka sposobnost prigušenja vibracija - dobra klizna svojstva - dobra tlačna čvrstoća - dobra obradivost odvajanjem čestica

- nisko talište (ako je sastav oko eutektičke koncentracije – cidi Fe-C dijagram) - dobra livljivost - mogućnost lijevanja složenih oblika male mese i dimenzija - bolja korozijska postojanost nego u nelegiranih čelika

Čelični lijev Metastabilno kristaliziran – 0....2 %C, kod nelegiranih <0.5 %C. Odljevci od ČL samo se rijetko upotrebljavaju neposredno nakon lijevanja. Gruba lijevana F-P mikrostruktura – niska istezljivost i žilavost. ČL ČELIK Specifična svojstva koja otežavaju proces lijevanja

- slabo ispunjavanje kalupa pa je potrebno veliko pregrijavanje taljevine. Minimalna debljina stijenke iznosi 5mm.

- Vrlo veliko toplinsko stezanje (skupljanje) – 2.... 2.5 % (linearno) kod nelegiranih vrsta i do 3 % kod legiranih volumenski 10....12 %.

To uzrokuje velika zaostala naprezanja (napetosti) i povećava opasnost od stvaranja šupljina (lunkera) i pukotina. Za legirane ČL ne postaje norme nego samo preporuke proizvođača. Legiranjem i toplinskom obraom postižu se neka posebna svojstva kao što su:

- povišena žilavost i vlačna čvrstoća - mehanička otpornost pri povišenim temperaturama - otpornost na opću koroziju ili agresivne medije - vatrootpornost

Razlozi primjene:

- ako nije dobra vlačna čvrstoća sivog i temper lijeva; uz istovremeno visoku Re i dovoljnu A (8...25%)

- dobra žilavost, primjena kod promjenjivih i udarnih opterećenja - za najveće dimenzije i mase (npr. postolja valjaka i preša)

Bijeli temper lijev Dobiven je forsiranjem metastabilne kristalizacije u metalnoj kokili ili u mokrom pješććanom kalupu. Povišen % Mn (cementator) pospješuje stvaranje Fe3C, odnosno sprečava stvaranje G, dok je ograničen %Si. Moguće mikrostrukture:

- potpuno metastabilno po cijelom presjeku:

P + Fe3C“ + Fe3Ce

- mješovito kristalizirana: površinski slojevi do određene dubine metastabilno kristalizirali, dok je sredina presjeka stabilno ili mješovito kristalizirala – tzv. tvrdokorni lijev.

Svojstva:

- tvrd (>400HV) i krhak (mala istezljivost i žilavost) - osjetljiv na udarna opterećenja - vrlo velika otpornost na pritiske i abrazijsko trošenje - teško obradiv odvajanjem čestica – samo se može brusiti - naginje stvaranju šupljina i zaostalih naprezanja pri lijevanje

Sivi lijev Kemijski sastav Si – jak grafitizator. Važan je omjer % Si i C. TREBA BITI VISOK % Mn – jak cementstor. Stvara neškodljivi MnS, a ne štetan FeS. TREBA BITI ŠTO NIŽI %. P – grafitizator – većim % poboljšava livljivost. Štetan jer smanjuje žilavost stvaranjem fosfidnog eutektikuma (termarni) – steaida. Stupanj zasićenja:

)%(%3/126.4%

%%

PSiC

CCS ez +⋅−

==

Podeutektičke vrste SL: Sz < 1 Eutektičke vrste SL: Sz = 1 Nadeutektičke vrste SL: Sz > 1 Veza između sastava i mehaničkih svojstava

dSR zm ⋅−⋅−= 5.27851045 2/ mmN Optimalna vrijednost vlačne čvrstoće odljevka: 250 N/mm2 (perlitna osnova).

mRHB ⋅+= 45,0100 Služi za procjenu obradivosti odvajanjem čestica. Vrste s tvrdoćom višom od 220 HB teže se obrađuju.

Tehnološka svojstva:

- mogu se lijevati odljevci svih masivnosti - proizvodnja je jednostavna i jeftinija nego u drugih ljevova - vrlo dobra livljivost – linearno skupljanje iznosi oko 1 % - nisko talište – približno eutektički sastav i uzak interval skrućivanja pa je manja

opasnost od stvaranja odmetka - dobra je rezivost (obradivost odvajanjem čestica) - slaba je zavarivost radi male istezljivosti i visokog %C

Mehanička svojstva:

- relativno niska vlačna čvrstoća, a visoka tlačna čvrstoća – 3 do 4x viša od Rm - vrlo niska istezljivost A < 1 % i slaba žilavost - promjenjiv modul elastičnosti E = 60000....155000 N/mm2 što je viša Rm to je viši E.

Što je E viši, to je lijev kvalitetniji. Ostala svojstva:

- dobra ležišna svojstva - vrlo dobra sposobnost prigušenja vibracija

Često se površinski kali Uvjeti kaljivosti:

%5,4<+ SiCukup i %5,0% >vezaniC

Nodularni (žilavi) lijev

SSŽ tali se u elektropeći, a taljevina se obrađuje GLOBURATORIMA (≈0.5% Mg ili ≈ %Ce)

- pomažu izlučivanje grafita u obliku kuglica (nodula). - Postupak dobivanja složeniji i skuplji nego za ostale ljevove.

Kemijski sastav: Povišen %C i %Si (nadeutektički sastav) Nizak % Mn % elemenata koji sprječavaju izlučivanje G u obliku kuglica Al, As, Bi, Cd, Pb, Sb, Sn, Te, Ti, Zn, (antiglobulatori) mora biti što niži. Mikrostruktura željezne osnove:

- potpuno feritna – vrste niže čvrstoće, ali više istezljivosti - feritno – perlitna - perlitna – vrste ljevova više čvrstoće, ali niže istezljivosti.

Svojstva nodularnog lijeva: Mehanička svojstva su bolja od SL, a slabija od ČL. Dinamička izdržljivost je visoka, posebno u poboljšanom stanju kao i vlačna čvrstoća Izotermičkim poboljšavanjem dobiva se povišena žilavost. Ostala svojstva: kao kod SL – zbog grafita. Primjena NL: Radi povoljniih mehaničkih svojstava primjenjuje se kao zamjena za čelik ili čelične otkovke srednje i veće masivnosti.

Tipični primjeri primjene jesu:

- koljenaste i bregaste osovine motora - košuljice cilindara motora i kompresora - stapajice - zupčanici - poklopci kliznih ležajeva - rotori pumpa

Temper (kovkasti) lijev Polazna sirovina su odljevci bijelog tvrdog lijeva, koji su praktički neupotrebljivi u uvjetima mehaničkog opterećenja (tvrdi i krhki) Decementacijskim žarenjem se postižu prikladna uporabna svojstva – niža tvrdoća, veća žilavost i istezljivost, bolja obradivost. Nakon kristalizacije mikrostruktura je: ( ) e

idid CFeCFeCFe 3"33 +++α Dugotrajnim žarenjem pri 900 do 1000 °C dobiva: γ + Fe3C Fe3C raspada na γ – Fe i C (elementarnom obliku) Ovisno o atmosferi u kojoj se provodi žarenje dobiva se:

- crni temper lijev – sivi prijelom od grafita, žarenjem u neutralnoj atmosferi - bijeli temper lijev – svijetliji prijelom od ferita i perlita, žarenjem u slabo

oksidacijskoj atmosferi Crni temper lijev – postupak decementacijskog žarenja

Bijeli temper lijev Prilikom dugotrajnog (40.....80 sati) žarenja u slabo oksidirajućoj plinskoj atmosferi (pri oko 1070 °C) ili u granulatu (pri oko 980 °C), ugljik iz površinskih slojeva veže se s kisikom iz okoline, izgara i izlazi iz peći u obliku CO2. Simultane reakcije oksidacije i redukcije. RAZUGLJIČENJE POVRŠINSKIH SLOJEVA – FERIT Kod odljevaka debljih stijenki mikrostruktura nije ujednačeena po presjeku pa mehanička svojstva ovise o debljini stijenke.

ČELICI Čelik je metastabilno kristalizirana mikrostruktura legura Fe-C (≤2%C) uz prisutne PRTIOCE (Si, Mn) i NEČISTOĆE (P, S i ostali) i uz eventualni dodatak jednog ili više legirnih elemenata.

a) prema kemijskom sastavu čelici mogu biti:

- zajamčenog i nezajamčenog kemijskog sastava - ugljični (nelegirani) ili legirani – jednostruko ili višestruko - niskolegirni i visokolegirni (> 5% legirnih elemenata) - prema vrsti legirnih elemenata: Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V ili Cr – Mn, Cr – Mo, Si –

Mn, ili Cr – Ni – Mo, W – Cr – V čelici - prema kvaliteti (maseni udjeli P i S): masovni, kvalitetni (ujednačena kvaliteta) i

plemeniti (visoka kvaliteta) Utjecaj %C na svojstva čelika: Ugljik je osnovni i najutjecajniji element u čelicima.

- O %C ovisi mikrostruktura čelika a time i njegova svojstva. - Kod nelegiranih čelika < 0.8%C povišenjem %C raste tvrdoća, Re, Rm, ali se

smanjuje A, Z i udarni rad loma →veći %Fe3C (tvrd i krhak) - Kod čelika > 0,8 %C Rm opada jer je povišen %Fe3C“ →mrežasto po granicama

zrna. - Porastom %C pada hladna deformabilnost i zavarljivost, a raste zakaljivost.

Legirni elementi

1. U kristalima mješancima (feritu i austenitu) 2. U karbidima (karbidotvorci) i intermetalnim spojevima 3. kao nemetalni uključci – oksidi, nitridi, sulfidi, fosfidi

- ALFAGENI – FERITOTVORCI - GAMAGENI – AUSTENITOTVORCI

Moguće mikrostrukture: feritna, feritno – perlitna, perlitna, martenzitna, bainitna, austenitna, ledeburitna... Postupci proizvodnje:

- konverterski – Bessemer, Thomas postupcima; - elektropretaljivačem; - kisikovim konvertorima (upuhivanjem zraka ili kisika) - sekundarnom metalurškom obradom (tzv lončarnom metalurgijom), vakuumskim

pročiščavanjem, otpinjavanjem pod argonom; - pretaljivanjem pod troskom

prema načinu dezoksidacije i lijevanja čelici mogu biti: nesmireni, polusmireni, smireni ili posebno smireni. Oblici: šipke, limovi, trake, cijevi, specijalni profili itd. Stanja: lijevani, toplolijevani, hladnovaljani, hladnovučeni, ljušteni, brušeni i polirani, kovani, toplinski obrađeni i ls. Namjena: Konstrukcijski čelici za opću namjenu – za nosive zavarene konstrukcije, za strojne elemente (osovine, zupčanici, vijci, opruge...) ili posebnih svojstava i primjene: korozijski otporni, otporni na trošenje, toplinski čvrsti, hladnožilavi i sl. Alatni čelici od kojih se izrađuju alati za toplo i hladno oblikovanje metala i nemetala, rezni i mjerni alati.

KONSTRUKCIJSKI ČELICI Dijelovi strojeva i uređaja koji obavljaju neku funkciju: vratila, župčanici, nosači, opruge, vijci, zatici, poklopci, kučišta, ventili itd.

Opći konstrukcijski čelici

1. Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije 2. Čelici za strojogradnju

Kemijski sastav – orijentacijski propisan (nezajamčen) Zajamčena mehanička svojstva

Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije

Masovni čelici; najveća proizvodnja i potrošnja <0.2% feritno perlitna struktura

Svojstva:

- nosivost i sigurnost (Re, Rm, KU/KV) - povoljan omjer Re/Rm – plastična rezerva - velika površina ispod krivulje u F-∆l dijagramu (sigurnost od krhkog loma)

4,010

%%5

%%%4

$%: ≤+

+++

++=CuNiVMoCrMnCCSTZAVARLJIVO e

Hladna deformabilnost – oblikovljivost (savijanje, duboko vučenje, kovanje) – zbog niskog %C i velike istezljivosti i suženja presjeka. Udarni rad loma (žilavost) pri nižim temperaturama (do-20°C) je zajamčen za neke vrste čelika: npr. S355JRG3 (Č0561), S355J0G3 (Č0562) i S355J2G3 (Č0563) Opasnost od krhkog loma Treba biti što niži %C i nečistoća – P, S, N Uključaka – npr. oksidi, fosfidi Smireni ili posebno smireni čelici

U SAD-u je izgrađeno 2711 brodova od 1941- 1945. Zavarene konstrukcije Došlo je do loma na velikom broju brodova i to pri niskim temperaturama.

Mehanička svojstva: Re = 190....370 N/mm2

Rm = 330....700 N /mm2

A = 10....28 % KV = 23.....27 J Temperatura upotrebe: -40 do + 50 °C

Čelici za strojogradnju Kemijski sastav: 0.3 – 0.5 %C – slabija zavarljivost Svojstva: Viša Rm ali niža A5 od općih konstrukcijskih čelika za nosive konstrukcije. Veća otpornost na trošenje. Primjena:

- dijelovi koji se gibaju: osovine, vretena, zupčanici: - dijelovi koji prenose sile i momente: klinovi, zatici, vijci, ručice, poluge.

Razvoj proizašao zbog potrebe smanjenja nosivih presjeka i mase konstrukcije

mRR dopme ⇒<<⇒>>⇒>>⇒>> σ Podjela:

1. normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće: 360 < Rp0.2 < 500 N/mm2

2. poboljšani sitnozrnati čelici: Rp0.2 ≥500 N/mm2

Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće HSLA (High Strenght Low Alloyed) – mikrolegirani čelici povišene čvrstoće – male količine disperzoidnih elemenata (<0.1 %)

TiNVNAINnitridi ,,:⇒ Al, Nb, V, Ti → koče porast austenitnog zrna NbCVCkarbidi ,:⇒

VCNdikarbonitri :⇒

Mikrostruktura sitnozrnatog čelika: FERIT + PERLIT Mehanička svojstva:

- nisu osjetljivi na krhki lom; - dobra zavarljivost (<0.2 %C; Ce<0.4) - Rp0.2 = 250....500 N/mm2 - Rm = 360....770 N/mm

Vrste za:

- normalne temperature - povišene temperature - snižene temperature - Primjena: - spremnici za plinove - rezervoari za transport tekućih plinova - nosive konstrukcije mostova i hangara - postolja vagona - dijelovi građevinskih strojeva

Čelici za cementiranje Niskolegirni (<0.25 %C) nelegirani ili niskolegirani čelici zajamčenog sastava. Cementiranje = pougličavanje + kaljenje + nisko popuštanje Pougljičavanjem pri Ta obogačuju se rubni strojevi 0.8 d0 0.9 %C i postaju zakaljivi na maksimalnu tvrdoću – 61 do 64 HCR. Jezgra ostaje niskougljična i mekša. Nakon cementiranja površinski slojevi su tvrdi (visokougljični martenzit) i otporni na trošenje, dok sredina presjeka ostaje F/P (nepotpuno prokaljivanje), ili niskougljična – martenzitna (potpuno prokaljivanje) → otporna na dinamička i udarna opterećenja – tj. žilava

Svojstva: Dijelovi koji moraju istovremeno biti otporni na trošenje (površina) i i podnositi dinamčka opterećenja (sredina dijela) IZBOR VRSTE ČELIKA: otpornost na trošenje cementiranog površinskog sloja približno jednaka za sve čelike (maksimalna tvrdoća), pa su za izbor čelika odlučujuća mehanička svojstvasredine presjeka. Za veće dimenzije i viša mehanička opterećenja radi potrebe za što potpunijim prokaljivanjem dolaze u obzir jače legirni čelici (bolje prokaljivi).

Podjela čelika i primjena Nelegirani čelici npr. C10 (Č1120), C10E (Č1121) ili C15 (Č1220), C15E (Č1221). Prokaljivost slaba (do ø10mm). Primjena: dijelovi manjih presjeka koji nisu jače udarno opterečeni: male osovinice i zupčanici , poluge, svornjaci, čahure. Cr čelici: npr. 15Cr2 (Č4120). Primjena: poluosovine, manje zupčanike, bregaste osovine, osovinice klipa, osovine kotača vozila. Mn – Cr čelici: npr. 16MnCr5 (Č4320) ili 20MnCr5 (Č4321). Primjena: dijelovi srednjih dimenzija kao što su: zupčanici, vretena i osovine alatnih strojeva, bregaste osovine i spajalice motora. Cr – Mo i Mo – Cr čelici: npr. 20CrMo5 (Č4721) ili 20MoCr4 (Č7420). Primjena: bregaste i koljenaste osovine, zupčanike mjenjačkih kutija, kardanske zglobove. Ni – Cr čelici: npr. 14CrNi6 (Č5420) ili 18CrNi8 (Č5421). Prokaljivost: vrlo dobra. Promjena: za izradu dijelova najvećih dimenzija: visokoopterećeni zupčanici i vratila, koljenaste osovine, osovine u zrakoplovima i kamionima.

Čelici za poboljšavanje 0.2....0.6%C; nelegirani i niskolegirani zajamčenog sastava Poboljšavanje = kaljenje + visokotemperaturno popuštanje Visokopopušteni martenzit Svojstva i primjena:

- za dijelove koji u radu moraju postići kombinaciju Rp0.2, Rm, A, KU i Rσ - osnovni preduvjet za postizanje željenih svojstava je prokaljivost

Prokaljivost – jednoličnost svojstava po presjeku određuju:

a) PROKALJIVOST primjenjene vrste čelika ↑ %C i stupanj legirnosti b) DIMENZIJE dijela c) UVJETI GAŠENJA pri kaljenju.

Mjera prokaljenosti je stupanj zakaljenosti (stupanj prokaljenosti) - Sk

Sk = 0.72 → 50%M Sk = 1.0 → 100%M

0.1...72.0==maks

kalj

HH

Sk

Što su veće dimenzije i blaži uvjeti hlađenja za jedan te isti čelik, to možemo očekivati slabiju prokaljivost. Za velike dimenzije treba birati više legirne čelike – bolja prokaljivost (krivulje pretvorbi u TTT dijagramu pomaknute su u desno)

Specijalni konstrukcijski čelici

Čelici za opruge Nakon rasterećenja – elastični povrat – visokonapregnuti dijelovi

Zahtjevi (tražena svojstva):

- modul elastičnosti (E) – ne za čelike, već za druge materijale - visoka granica tečenja ili granica elastičnosti (Re, Rp0.1 i RE) - visoka čvrstoća (Rm) – sigurnost od loma - dovoljna rezerva plastičnosti (povoljan omjer Rp0.1 i Rm) - sigurnost od krhkog loma – A > 6% - otpornost na udarno opterećenje – dovoljan udarni rad loma KU ili KV - visoka dinamička izdržljivost (Rd) – otpornost na lom od umora

postizanje mehaničkih svojstava:

- legiranjem (Si, Mn, Cr, V) - toplinskom obradom: poboljšavanje (kaljenje + srednje temperaturno popuštanje)

izotermičko poboljšavanje (manji presjeci) - hladnim deformiranjem (niže vrijednosti mehaničkih svojstava) - patentiranjem (kombinacija hladne deformacije i naknadnog izotermičkog

poboljšavanja) Lisnate i zavojne opruge za vagone: 45Si7 (Č2131), 50Si7 (Č2132) Najjače napregnute opruge (zavojne, tanjuraste, torzijske) cestovnih vozila 55Cr3 (Č4232), 50CrV4 (Č4830).

Korozijski i kemijski postojani čelici Korozija – razaranje (spontano) materijala pod djelovanjem okolnog medija

- promjene na površini ili u nutrini koje izazivaju gubitak materijala i promjenu svojstava

Kemijska korozija – kemijske reakcije na površini (npr. oksidacija) Elektrokemijska korozija – uz prisustvo elektrolita (električki vodljivog medija – npr. morska

voda ili vlažna atmosfera)

⇒elektrolit

ANODA KATODA

Razlika elektropotencijala – korodirani metal se ponaša kao anoda

Korozija – pojavni oblici kod metalnih materijala

a) opća korozija

b) mjestimična korozija - točkasta ili jamičasta („Pitting“) - Kontaktna - Interkristalna - Napetosna (transkristalna) - Razlegiranje, korozija u procijepu i dr.

Opća korozija (hrđanje, oksidacija) Stvaranje oksida FeO, Fe2O2, Fe2O3, na površini materijala

Opći konstrukcijski čelici ili sivi lijev korodiraju brzinom do 0.30 mm/god. Al i Cu – legure do 0.15 mm/god

Ni – Cr – čelici ili Ti – legure do 0,075 mm/god Opća korozija – načini zaštite

- dodatak više od 0.2 %Cu u niskougljičnim čelicima - izbor korozijski postojanog čelika - lakiranje i plastificiranje površina - galvansko prevlačenje – cinčanje, kositrenje, kadmiziranje, kromiranje ili niklanje - dodavanje inhibitora u okolni medij

Mjestimična korozija – točkasta ili jamičasta (pitting) Uzrok: lokalne nehomogenosti i diskontinuiteti u strukturi ili sastavu zaštitnog sloja ili unutar osnovnog materijala – oštečenje pasivnog sloja. Uz postojanje elektrolita (vodene otopine, vlažni plinovi i sl.) – MIKROELEKTROLIZA Zbog razlike potencijala pojedinih područja u mikrostrukturi ili materijala u spoju. Odnošenje materijala je uvijek s onog dijela koji se ponaša kao ANODA. Načini zaštite:

- izbor čelika (veći dio Cr – do 30%,Mo – do 9%, N – do 0.5%) djelotvorna suma elemenata: )5(30)(%3.3% NMoCrDS ++= vrlo dobro a <35 izvrsno

25>DS

- dodavanje inhibitora u elektrolit - katodna zaštita - smanjenje hrapavosti površine (poliranje) - čišćenje površine

Uzrok: Dodir dvaju različitih materijala ili legura u prisutnosti elektrolita Manje otporan tj neplemenit metal postaje ANODA galvanskog članka i korodira. Spoj Ni – bronce i čelika → korodira čelik Spoj čelika i Zn → korodira Zn Načini zaštite:

- katodna zaštita - izbjegavanje spojeva metala različitih potencijala - izoliranje elemenata u spoju - dodavanje inhibitora u elektrolit

Mjestimična korozija – interkristalna korozija Naprezanje duž granica zrna gdje se izlučuju nečistoće i spojevi (npr. karbidi ili oksidi) različitog elektropotencijala od okolnih zrna (čvrste otopine)

- razaranje metalne veze među zrnima i konačno raspad cijelog dijela uz prisutnost elektrolita.

Duljim držanjem čelika pri 550 do 800 °C dolazi do SENZIBILIZACIJE tj. Do stvaranja uvjeta za formiranje Cr23C6 karbida po granicama zrna prilikom hlađenja iz temperaturnog intervala. Ako je %C previsok, stvaranjem Cr-karbida osiromašuje se područje uz granice zrna na Cr nakon čega ta područja više ne ispunjau nužne uvjete otpornosti na koroziju. Načini zaštite od IK korozije:

- žarenje na 1050 – 1100 °C, 10 – 40 min pri čemu se Cr23C6 te gašenjem u vodi - stabilizacija karbidotvornim metalima: Ti, Nb, Ta: (TiC, NbC, TC) - snižavanjem udjela C<0.03%

Podložni su austenitni Cr – Ni čelici i Cr čelici, dok martenzitni nisu. Posljedica statičkog ili dinamičkog vlačnog naprezanja u agresivnoj sredini. Nastupa na mjestima ZAOSTALIH NAPREZANJA – hladno deformirani lokaliteti, ili oko zavara.

Mjestimična korozija – napetosna (transkristalna) korozija Sulfidna (SSC – Sulphide Stress Cracking) → vlačno napregnut dio u okolini H2S. Primjer: oprema na plinskim poljima (Molve). Stvara se atomarni vodik koji difendira u Fe – rešetku i uzrokuje izvitoperenje i napetost rešetke → pojava mikropukotina Čilici su to osjetljiviji na SSC što im je viša čvrstoća (tvrdoća) Rp0.2 < 660 N/mm22 (HRC < 22) Načini zaštite od napetosne korozije:

- sniženje vlačnog naprezanja toplinskom obradom (žarenje za smanjenje zaostlih naprezanja – 850 d0 900 °C), obradom mlazom sačme ili staklenih zrna i sl.

- Inhibicijom (+NO3 – acetat, I – fosfadi itd.) - Katodnom zaštitom - Zamjenom metala npr. austenitnog čelika dupleksom, feritnim ili ugljičnim čelikom.

Koji čelik je otporan na koroziju? Uvjeti opće korozijske postojanosti:

1) da sadrži barem 12 %Cr i to u čvrstoj otopini (u kritalu mješancu a ne u karbidima) - pasivacija

2) da ima homogenu monofaznu mikrostruturu: feritnu (F), austenitnu (A), martenzitnu (M)

- da nema karbida, oksida ili drugih intermetalnih faza čime se izbjegava opasnost nastanka lokaliteta s različitim elektropotencijalom; tj. Opasnost pojave mikrogalvanskih članaka u strukruri materijala.

Vrste korozijski postojanih čelika

1. čelici legirani Cr (neki s dodacima Mo, Al, Ti) – alfageni elementi

- feritni - martenzitni - martenzitno – karbidni (0.15... 1.0 %C, 13...18 %Cr) - ferino – martenzitni (0,10....0,15 %C, 13...18 %Cr).

2. čelici legirani Cr – Ni, Cr – Ni – Mo, Cr – Mn

- gamageni elementi

- austenitni - austenitno – feritni (s 10% ferita)

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama Temperatura tališta materijala određuje kadase svojstva počinju značajno mijenjati Kriterij povišenih temperatura za čelike

- normalne temperature < 180 °C - povišene temperature 180 °C do 450 °C - visoke > 450 °C

Mehanička svojstva pri radnoj temperaturi Rp0.2/T – vrijednost konvencionalne granice razvlačenja Rm/T – vrijednost vlačne čvrstoće ET – vrijednost modula elastičnosti AT – vrijednost istezljivosti

Puzanje – trajno i nepovratno istezanje (deformacija materijala) pri visokim temperaturama uz σ = kons. Temperatura puzanja ovisi o visini temperature tališta.

Svojstva otpornosti na puzanje Rp0.1/T – Granica puzanja Naprezanje koje nakon djelovanja u definiranom trajanju t (1 000, 10 000, 100 000 sati ) pri definiranoj temperaturi T izaziva trajnu deformaciju od 1%. Npr: Rp0.1/100000/300 = 80 N/mm2

RDVM/T – granica puzanja po DVM (predstavlja ono konstantno naprezanje koje između 25 i 35 sata ispitivanja izaziva brzinu pružanja ∆ε/∆t = 10-3 %h, adodatno nakon rasterećenja trajnu deformaciju εpl < 0.2 %) Rm/t/T – statička izdržljivost Naprezannje koje nakon definiranog vremena t (10 000, 100 000, 2000 000 sati) djelovanja na nekoj temperaturi T izaziva lom. Npr: Rm/100000/500 = 90N/mm2

Smjernice za poboljšavanje mehaničke otpornosti pri povišenim temperaturama LEGIRANJE

- legirni elementi u kristalu mješancu koče pokretljivost atoma – npr. Mo i Co. - Legiranje elementima (Cr, Mo, W, V, Ti) koji tvore teško topljive stabilne spojeve –

karbide, nitride i intermetalne faze → u obliku sitno disperziranih čestića otežavaju gibanje dislokacija.

STRUKTURA

- austenitna mikrostruktura s gusto složenom FCC rešetkom daje manju pokretljivost atoma nego feritna (BCC) pa je veći otpor sklizanju atoma i otežan proces difuzije (koeficijent difuzije manji za FCC rešetku)

- krupnije zrno (manje graničnih površina) vrste čelika mahanički otpornih pri povišenim temperaturama

1. UGLJIČNI (NELEGIRANI) ČELICI Čelici za kotlovske cijevi i limove, Tf ≤ 450 °C

- dobro zavarljivi (0.2 % C) - puzanje nije izraženo

2. NISKOLEGIRANI ČELICI – Cr, Mo (V) – karbidotvorci Čelici za dijelove termoenergetskih postrojenja Tr = 450 – 580 °C (koagulacija Fe3C – stabilniji karbidi)

- dobra zavarljivost (< 0.25 %C) - dobra otpornost puzanju (karbidi: Mo2C, Cr7C3)

3. VISOKOLEGIRANI ČELICI – SUPER 12%Cr Martenzitni čelici (+ Mo, V) Tr = 550 – 600 °C Visoka postojanost na opću koroziju pri povišenim T. Povišena mehanička otpornost pri povišenim temperaturama (TO K+V.P → karbidi u martenzitu + precipitacija) Lopatice i rotori parnih turbina, turbinska kučišta, cijevi pregrijača pare

4. AUSTENITN Cr – Ni ČELICI Tr = 600 – 750 °C

- FCC rešetka: visoka mehanička otpornost pri visokim temperaturama i otpornost na puzanje

- Legiranje s Mo, W, V, Ti, i Nb → izlučivanje karbida te toplinski postotak intermetalnih faza (nakon precipitacijskog očvrščivanja)

VATROOTPORNI ČELICI Tražena svojstva:

- visoka otpornost oksidaciji – ljuskanju (temp > 550 °C), u okolini vrućeg zraka, vodene pare, agresivnih plinova, plamena i sl. (otpornost ogaranju)

- otpornost puzanju Rp1 za 1000 h. Nelegirani čelici: FeO, Fe3O4, Fe2O3 Čelici legirani s Cr, Si, Al, Mo: veći afinitet prema kisiku nego Fe → kompaktni oksidi Cr2O3, Al2O3, SiO2 ili MoO2.

Vrste čelika: - FERITNI (jeftiniji, dobri ako ima S, ali niska čvrstoća) - AUSTENITNI (skuplji – zbog Ni, bolji kod većih naprezanja, površinska otpornost na

kemijske promjene) Nemaju mikrostrukturnih pretvorbi – nema promjena volumena Primjeri primjene:

- dijelovi ložišta generatora pare koji su u dodiru s vatrom i vrućim plinovima, cijeci, rešetke ložišta, pregrijači zraka.

- Dijelovi metalurških peći – žarne komore, lonci za žarenje, rešetke. - Košare i stalci za šaržiranje dijelova u pećima za toplinsku obradu.

ALATNI ČELICI Za izradu alata kojim se obrađuju ili oblikuju metalni i nemetalni materijali

a) alati za obradu odvajanjem čestica b) alati za rezanje i hladno oblikovanje metala c) alati za toplo oblikovanje metala d) alati za oblikovanje nemetala e) mjerni alati

Alatni čelici se primjenjuju u zakaljenim i popuštenom stanju. Zbog zakaljivosti i prokaljivosti → viši % C od konstrukcijskih čelika – najčešće nadeutektoidnog ili čak podeutektoidnog sastava. Kod strožih zahtjeva su legirani. Alternativno ili dodatno se provode i neki od postupaka za oplemenjivanje površine. Podjela alatnih čelika:

1. prema kemijskom sastavu (zajamčen sastav): - nelegirani - niskolegirani - visokolegirani

2. prema radnoj temperaturi: - alatni čelici za hladni rad (Tr < 200 °C) - alatni čelici za topli rad (Tr > 200 °C) - brzorezni čelici (Tr > 200 °C)

Zahtjevi za alatne čelike i tražena svojstva

1. PRIMARNI - otpornost na trošenje (abrazija, adhezija) - otpornost na popuštanje - žilavost

2. SEKUNDARNI (proizvodni i ekonomski) - mogućnost obrade alata – obradivost odvajanjem čestica (rezjivost) - što viša zakaljivost i prokaljivost - što manja sklonost pogrubljenju zrna prilikom austenitiziranja - što manja promjena mjera u radu - što manje deformiranje u kaljenju - sigurnost protiv pojave napuklina i lomova tijekom toplinske obrade - što manja sklonost razugljičenju prilikom toplinske obrade - mogućnost prebrušavanja u radu - prikladnost za poliranje - dovoljna otpornost na koroziju - mogućnost nabave i što niža cijena

OTPORNOST NA TROŠENJE Oko 90 % alata dotrajava zbog trošenja, pretežito abrazijom → mikrorezanjem (zatupljivanjem oštrice reznog alata, oštečenje glatkoh radnih površina, npr. kalupa, ukovnja i sl.) Otpornost na abrazijsko trošenje alata primarno je funkcija mikrostrukturnog stanja čelika tj. traži se.

- martenzitna mikrostruktura (tvrdoća, vezivo za karbide – nema čupanja) - što viši udio kvalitetnih karbida (vrsta, veličina, oblik, prostorna razdioba)

• jaki karbidotvorci Cr, W, V, Mo Nadeutektoidni ili čak podeutektički sastav – u kaljenom stanju M + K + Az ili M + K“ + Ke + Az

OTPORNOST NA POPUŠTANJE Bitno za alate koji rade pri povišenim temperaturama (kokile, ukovnji) ili za npr.visokoopterećene rezne alate. Povišena temperatura uzrokuje veći ili manji pad čvrstoće ili tvrdoće i otpornosti na trošenje, već prema tome o kojoj se vrsti čelika radi.

Najveću otpornost na popuštanje pokazuju alatni čelici za topli rad i brzorezni čelici odnosno općenito oni čelici koji su legirani barem s jednim od sljedećih elemenata W, Mo, Co i V. ŽILAVOST Posebno važno kod udarno opterećenih alata: čekići, dlijeta, dijelovi preša, ukovnja i sl. Otpornost na pojavu pukotina ili loma uz zadržavanje ostalih svojstava. Čelici visoke žilavosti ne mogu istovremeno imati i visoku otpornost na trošenje jer veći % krhkih faza u mikrostrukturi (karbida) nepovoljno djeluje na deformabilnost. Optimalna žilavost čelika postiže se pravilnom popuštanjem.

Alatni čelici za hladan rad

1. Nelegirani 2. Niskolegirani 3. Visokolegirani

1. Nelegirani alatni čelici zs hladan rad (0.5 ......1.3%C) Što je viši % C u čeliku to je viša tvrdoća, a niža žilavost i obratno. Nadeutektoidni čelici – mreža Fe3C po granama zrna – manja žilavost. Zbog toga se prije kaljenja mora provesti sferoidizacijsko žarenje.

• Niska prokaljivost (< 10 mm) – bolja žilavost • Najjeftiniji su od svih alatnih čelika

Primjena: dlijeta, čekići, svrdla za drvo, kliješta, ručne škare, sjekire, mesarski noževi, noževi za kožu, srpovi, kose, nareznice, razvrtala, probijači, sjekači za drvo, turpije.

2. Niskolegirani alatni čelici za hladan rad Osnovni cilj legiranja je:

- povišenje prokaljivosti - dobivanje kvalitetnih i toplinski postojanih karbida u odnosu na Fe3C (M3C6 karbidi)

→ viša čvrstoća i otpornost na trošenje

- visokougljični W – V čelici - Nisko i srednjeugljični W – Cr – (Si) – V čelici - Cr čelici - Mn – Cr – V i Mn – Cr – W čelici

3. Visokolegirani alatni čelici za hladan rad (> 5 %Cr + V Mo W) Cr (Fe, Cr)3C, Cr7C3 ili Cr23C6 ovisno o % C i % Cr Tri karakteristične podskupine

1. čelici s oko 5 % Cr (npr X100CrMoV5 - 1) 2. Visokougljični s 12 % Cr (X210Cr12, X210CrW12) 3. Martenzitni nehrđajući (X20Cr13, X42Cr13, X45CrMoV15, X5CrMo14)

Čelici s oko 5 %Cr (npr X100CrMoV5 -1) Otpornost na trošenje – niža temperatura popuštanja i žilavost – više temperaturno popuštanje, postojanost mjera (pri gašenju). Alati za oblikovanje lima duboko izvlačenje razvrtala nareznice. Visokougljični ledeburitni (podeutektički) s 12 % Cr npr X210Cr12 (2%C, 12 %Cr, 0,1 %V) Mikrostruktura nakon kaljenja M + K“ + Ke + Az a popuštanjem Az i Mp Visok udio (18%) kvalitetnih Cr karbida (Cr7C3) tvrdoće oko 1800 HV.... vrlo otporan na trošenje. Teško obradiv odvajanjem čestica i u meko žarenom (sferoidiziranom) stanju.

Martenzitni nehrđajući čelici Mikrostruktura nakon kaljenja M + Az (mali %) – vrlo mala razlika potencijala tih faza. Kirurški instrumenti (skalpeli, škare i noževi za jelo, žileti i britve, krojačke škare, zubarska kliješta i pincete, kalupi za injekcijsko prešanje agresivnih polimera, žigovi, matrice za prešanje kemijski agresivnih duromera i za tabletiranje lijekova) ALATNI ČELICI ZA TOPLI RAD Vrlo dobra otpornost na popuštanje!!!! Niskim %C postiže se dobra žilavost i dobra otpornost na toplinski umor. Karbidotvorci (W, Mo, Cr, V) omogučuju stvaranje Kp → povisuje se otpornost na trošenje i otpornost na popuštanje. Pojava sekundarne tvrdoće nakon kaljenja imaju 2.0 .... 3.0 %Az koji se tijekom popuštanja pri 500.....580 °C raspada na Kp i M“.

Brzorezni čelici (HSS) Povišen% C (0.7...1.3) i legiranje jakim karbitotvorcima (Cr, W, V) – slobodni karbidi postojani i pri višim temperaturama te neki legirani s Co Izvrsna otpornost na trošenje i otpornost na popuštanje pri Tr 500......600 °C ali niska žilavost.

Pojava „sekundarne tvrdoće“ brzoreznog čelika HS 1 – 0 – 1

Nakon kaljenja M + Az (20....40%) + K“ Ke

Az popuštanjem pri 500...600 °C prelazi u M“ i Kp Alati za obradu odvajanjem čestica, svrdla, glodala, tokarski noževi.

BAKAR (Cu) I BAKROVE LEGURE Talište 1050 °C, gustoća 8900 kg/m3

Prednosti: Vrlo dobra električna vodljivost (čistog Cu) Vrlo dobra toplinska vodljivost Sposobnost slijevanja s nizom metala → različite legure Većina legura ima vrlo dobru duktilnost i kovkost Vrlo dobra korozijska postojanost – zelena prevlaka u atmosferi („patina“) i u morskoj vodi Nemagnetičnost Lijepa boja – crvena do žuta Nedostaci: Visoka cijena Visoke temperature lijevanja Ne smije se koristiti u dodiru s hranom ili u preradi prehrambenih namjernica Neotporan prema oksidirajućim kiselinama – vino, voćni sokovi i sl. (nastaje otrovni bakrov acetat) Opasnost od vodikove krhkosti

Nelegirani bakar:

- električna vodljivost - toplinska vodljivost funkcija čistoće (Cd, P i dr)

- Čvrstoća se povisuje s povećanim udjelom nečistoća

Niskolegiran bakar: Povišenje čvrstoće dodavanjem malih količina leg. elemenata:

- otapaju se u kristalu mješancu (Ag, As) - omogućuju precipitacijsko očvršćivanje (Cr, Zr, Cd, Fe, P, Be)

Načini povišenja čvrstoće kod Cu i Cu-legura:

1. Legiranjem do granice rastvorljivosti 2. Prisutnošću druge faze 3. precipitacijskim očvršćivanjem (otvrdnjavanjem) samo Cu – Be 4. Hladnom deformacijom

Podjela Cu – legura:

1. legure bakra i cinka – MJEDI LIJEVANE 2. legure bakra bez cinka – većinom BRONCE GNIJEČENE

1. LEGURE OD BAKRA I Cinka – MJEDI a) Prave mijedi b) Specijalne mijedi c) Legure Cu – Zn – Ni d) Legure Cu – Zn – Sn – Pb

a) prave mijedi > 50 % Cu i < 44% Zn svojstva ovise o % Zn odnosno mikrostrukturi: α mjedi (kristal mješanac)

α + β mjedi (β – intermetalni spoj) β mjedi (ne koriste se zbog krhkosti)

α mijedi: dobro oblikovanje na hladno (ne na toplo) opasnost od napetosne korozije („season cracking“) α + β mjedi: pretežno se oblikuju na toplo bolja obradivost odvajanjem čestica od α – mjedi zbog krhke β faze.

Gnječena mjed CuZn30 lijevana mjed KcuZn40 b) Specijalne mjedi

Ukupno < 7.5 % Ni, Mn, Fe, Al i Sn → zamjenjuju Zn Specijalne mjedi moraju biti gnječene i lijevane Toplo oblikovljive. Velika čvrstoća: Rm > 700 N/mm2

Lijevane: P, CuZn26Al4Fe3Mn3 Specijalne lijevane: sa Ni, Sn i Al („Naval Brass – otporne na morsku vodu

c) Legure Cu – Zn – Ni (>10%Ni)

Među najstarijim metalnim materijalima čovječanstva Imena: argentan, novo srebro, alpaka, bijeli bakar

- homogena čvrsta otopina (α - mješanac) - Vrlo duktilne i dobro hladno oblikovljive - Dobro se leme - Osjetljive su na napetosnu koroziju

d) Legure Cu – Zn – Sn (+Pb) > 80 % Cu: 3...5 % Zn, 3....5 % Sn, 3....5 % Pb (samo neke) Po svojstvima slične Cu – Sn broncama ali jeftinije (Zn) Gnječene – crveni metal Lijevane: crveni lijev (4...11 % Sn, 1....6 %Zn, 2....6 % Pb) - klizna svojstva - izvrsna lijevačka svojstva - otpornost na morsku vodu

2. legure bakra bez cinka – većinom BRONCE Bolja čvrstoća, otpornst na trošenje i klizna svojstva u odnosu na Cu – Zn legure Bolja korozijska otpornost Viša cijena a) Cu – Sn – kositrene (prave) bronce: < 15 % Sn b) Cu – Al < 14 % Al – aluminijeve bronce c) Cu – Sn – Pb < 10% Sn, <28 %Pb – olovno- kositrene bronce d) Cu – Pb < 28 % Pb – olovne bronce e) Cu – Be – berilijeve bronce f) Ostale bronce – fosforna, silicijeva, manganova, kadmijeva g) Cu – Ni: < 45% Ni

Lijevane: većina legura Širok interval skrućenja za 10....15 % Sn → dobra kaljivost, ali postoji mogučnost mikrosegregacia. 9....15 % Sn → α + β – vrlo dobra otpornost na trošenje δ - Tvrda i krhka faza (intermetalni spoj, tako ima FCC rešetku Cu31Sn8

b) Aluminijeve bronce < 14 % Al Po svojstvima su vrlo slične Cu – Sn broncama, ali jeftinije jer skupi Sn zamjenjuje jeftiniji Al. 4....8 % Al – jednofazna struktura koja se može toplo oblikovati i očvrsnuti toplinskom obradom (slično kaljenju čelika) Čvrstoća i do 700 N/mm2 – (kao u konstrukcijskih čelika)

DIJAGRAM STANJA I TOPLINSKA OBRADA Al – bronci

c) Olovno – kositrene bronce: <10%Sn i 28 % Pb d) Olovne bronce: <28 Pb

Lijevane legure koje uglavnom služe za klizne ležajeve Primjeri legura: PCuPb10Sn10 – ležajevi u vozilima PcuPb25 – ležajevi klipnjača u motorima

g) Cu – Ni: < 45% Ni Cu i Ni su vrlo blizu u periodnom sustavu oba imaju FCC rešetku sličnih parametara Potpuna rastvorljivost u rastaljenom i čvrstom stanju

- mogu se dobro oblikovati na hladno i toplo - zbog Ni su posebno otporne koroziji u svim vodenim otopinama ponajprije u morskoj

vodi. - Istovremeno raste i čvrstoća. Na povišenim temperaturama čvrstoća je reda veličine

kao u nehrđajućih čelika.

Primjena: Dijelovi kondenzatora na brodovima, postrojenja za desalinizaciju, kovanice. Cu – Ni legure posebnih električnih svojstava CuNi44 („konstantan“) rabi za termoelemente i grijače (male razlike u kemijskon sastavu)

NIKAL (Ni) I NJEGOVE LEGURE Nickel 200 (99.6% Ni); Rm = 540 N/mm2

Rp0.2 = 150 N/mm2

=47 % Karakteristike: FCC rešetka Metalno sive boje Izvrsna korozijska otpornost Dobra električna i toplinska vodljivost Otpornost pri visokim temperaturama Žilavost pri niskim temperaturama Niska tvrdoća, dobra duktilnost (nelegirani Ni) Visoka cijena (legirni elementi i složena proizvodnja)

Ni legure: Slupina Komercijalno ime

1. Ni – Cu Moner (Niconos) 2. Ni – Mo – Cr Hasteilloy (Nimcter) 3. Ni – Cr – Fe Inconel (Nicrofer)

Ni – Fe – Cr Incoloy (Nicrofer) 4. Ni – Cr + Al – Ti (a)

+ Co – W – Mo (b) Različite vrste superlegura + C (c)

a) precipitacijski očvrstljive b) očvrstljive kristalima mješancima c) očvrstljive karbidima

Mehanička otpornost pri visokim temperaturama „NAČINI OČVRSNUĆA SUPERLEGURA“

- kristalima mješancima najčešće djeluje Co (>16 %) - precipitacijom (nužna toplinska obrada)

o Cr se otapa u austenitu i stvara jos Cr23C6 o Mo, Nb, Ta i V stvaraju karbide o Al i Ti stvaraju intermetalne spojeve

Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Ni – Cr – Ti – Al legure Posebna fizikalna svojstva:

- električna svojstva (velik električni otpor - grijači) - Magnetska svojstva (meki magneti) - Legure s malom toplinskom rastezljivošću (II IVAR)

Ni – Ti legure s efektom prisjetljivosti oblika – pametne legure

ALUMINIJ (Al) I NJEGOVE LEGURE Talište 660 °C, gustoća 2700 kg / m3 (laki metal niskog tališta) Rm = 90 N/mm2 (180 N/mm2 – hladna deformacija, 570 N/mm2 i vise legiran) Karakteristike:

- Niska gustoća – lagana konstrukcija - Otpornost na atmosfersku koroziju prevlači se tankim filcom (oko 0.01µm) Al2O3 –

nepovoljno pri zavarivanju, solnoj i sumpornoj kiselini. Čisti je Al nepostojan na alkalne otopine koje razaraju oksidni film.

- Električna vodljivost – s obzirom na masu bolje od Cu - Toplinska vodljivost – 4 – 5 puta veća nego kod čelika - Hladna deformabilnost (FCC rešetka) – kovanje, valjanje, prešanje folija i profila-

može očvrsnuti - Recikličnost – znatno manja potrebna energija za recekliranje nego za primarnu

proizvodnju Nepovoljna svojstva:

- Nizak E (oko 70000 N/mm2) – veće elastićne deformaije odnosno manja krutost - Ograničena primjenjivost pri povišenim temperaturama 150....200 °C - Relativno loša zavarljivost – zbog oksida treba zavarivati u inertnooj atmosferi

Dobivanje:

- U zemljinoj kori ima ga relativno puno – 7.5 % u obliku spojeva – oksida ili mješavine oksida Al2O3 .

- Industrijski se racionalno dobiva samo iz boksita

⇒ ⇒OKSIT GLINICA Al primarni

Ilučivanje NaOH Elektroliza B i kalciniranje Al2O3 metalurški Natrijeva aluminata 13000....15000 kWh / t

VRSTE TEHNIČKOG ČISTOG ALUMINIJA

⇓Al 99.7 – za kemijsku industriju i brodogradnju čistoće

Al 99, Al99.3 – za opće svrhe Al99.5 – za robu široke potrošnje Viši stupanj

Al 99.8 – za kemijsku industriju i elektrotehniku

PRIMJENA TEHNIČKOG ALUMINIJA

o kemijska i prehrambena industrija o kuhinsko posuđe i metalni proizvodi široke potrošnje o građevinarstvo – krovovi, oluci i ukrasi o ambalaža – folije, limenke, tube o elektrotehnika

KLASIFIKACIJA AL LEGURA

1. Prema tehnološkoj preradi o gnječene o lijevanje

2. Prema kemijskom sastavu

o Al - Si o Al – Mn o Al – Cu o Al – Mg o Al – Zn

3. S obzirom na mogućnost toplinske obrade

o toplinski neočvrstljive o toplinski očvrstljive

POVIŠENJE MEHANIČKE OTPORNOSTI Al

a) Hladna deformacija

b) Legiranje c) Toplinska obrada – precipitacijsko očvršćivanje (samo neke legure)

TOPLINSKO OČVRŠĆIVANJE AL- LEGURA (PRECIPITACIJSKO OČVRŠĆIVANJE)

Wilm je 1906 godine slučajno otkrio da legura sastava 4.5 % Cu i 0.5 %Mg, a ostalo Al očvršćava dužim stajanjem pri 20 °C ako je prethodno gašeno sa 460 °C DURAL ili DURALUMINIJ I. Svj. Rat – nosiva konstrukcija Zeppelina II. Svj. Rat – za zrakoplove

POLAZNI UVJETI ZA TOPLINSKO OČVRŠĆIVANJE

1. Sastav legure mora biti iz heterogenog područja α + β 2. % legirnih elemenata mora biti što viši , što bliže rmax (maksimalna rastvorljivost) u α

mješancu. 3. β mora polazno biti neki intermetalni spoj CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al3Mg2, MgZn3

VRSTE GNJEČENIH LEGURA I NJIHOVA SVOJSTVA

1. Toplinski neočvrstljive - Rm = 200.....300 N/mm2

AlMn (do 1.5 % Mn) – npr AlMn1 AlMg (do 5% Mg ) – npr AlMg1, AlMg2.5, AlMg5 (za brodogradnju) Al – Mn – Mg - npr. AlMg3Mn

2. Toplinski očvrstljive – Rm do 600 N/mm2

Al – Mg – Si ili Al – Mg2Si Rm < 330 N/mm2 “Antikorodal“ Al – Cu – Mg (Si, Mn) Rm < 450 N/mm2 „Duraluminij“ Legure serije 2000 Prirodno i umjetno očvrstljive legure Dodatak Mg ubrzava dozrijevanje Slabija korozijska postojanost zbog Cu

LIJEVANE AL LEGURE Sadrže elemente koji tvore lako topljive eutektikume što im daje dobra svojstva livljivosti. Mehanička svojstva su slabija nego kod gnječenih legura.

TITAN (Ti) I NJEGOVE LEGURE

Talište: 1670 °C, gustoća: 4500 kg/m3

Karakteristike: - polimorfan metal: od 20 °C do 885 °C HCP (α Titan) Od 885 °C do tališta 1670 °C BCC (β Titan)

- povoljna specifična čvrstoća (od -200 °C do +550 °C) - relativno visok E (110000 N/mm2) - značajan otpor na puzanje i umor - mala toplinska rastezljivost - različito postojan u različitim agresivnim medijima (Cl – morska voda, kiseline) –

stvara se oksidni spoj - velik afinitet prema O2, C, N2, H2 naročito 950 °C - teško obradiv odvajanjem čestica jer je žilav - ograničena sposobnost hladnog oblikovanja - teže je zavarljiv (u zaštitnoj atmosferi)

Titanove legure Prema mikrostrukturi α-, β- i (α + β) – legure

- glavni stabilizatori α – faze C, O, N, Al, Sn - stabilizatori β faze Cr, Ni, Mn, Mo, Fe, Ta

α – legure

- relativno slabo hladno oblikovljive (HCP) - zavarljivost, žilavost, čvrstoća pri višim temperaturama (370....500 °C) → za dijelove

motora - dobra žilavost i čvrstoća i pri sniženim temperaturama - neočvrstljive toplinskom obradom

Legure se rastvorno žare blizu temperature prekristalizacije α / β (velik udio β) Gašenje legure sastava < Ck : β → α΄ martenzitskom pretvorbom

α΄ - faza je kristal mješanac istog sastava koa i β faza Gašenje legure sastava > Ck: Tvrda i krhka β – faza (neočekivano) Dolazi do stvaranja metastabilne prelazne krhke ω –faze β – faza submikroskopski se mijenja pri čemu nastaje ω –faza ω –faza može nastati pri gašenju ili pri naknadnom popuštanju β – legure TiV13Cr11A13- najčešća legura OČVRSTLJIVE HLADNOM DEFORMACIJOM I TOPLOM OBRADOM Izvrsna hladna oblikovljivost (zakovice) Visoki omjer čvrstoća / gustoća Visoka čvrstoća nakon toplinske obrade Krhke pri niskim temperaturama Dobra čvrstoća do 300 °C uz kratkotrajno mehaničko opterećenje (rakete)

Mehanička svojstva nekih vrsta Ti legura

MAGNEZIJ (Mg) I NJEGOVE LEGURE

Gustoća: 1740 kg/m3 Karakteristike:

- Mala masa - najmanja među legurama konkurentne Al – legurama u pogledu omjera čvrstoća / gustoća

- Velika sposobnost prigušenja vibracija - Izvanredna rezljivost (mogučnost samozapaljenja) - Nekoliko legura ima vrlo dobru livljivost – za tlačni lijev uz visoku proizvodnost

Nepovoljna svojstva:

- niska otpornost na koroziju – velik afinitet prema kisiku – potrebna površinska zaštita (prevlake brončane boje)

- HCP rešetka – ograničena mogučnost hčadne deformacije. Mogu se oblikovati na toplo (300°C)

- Nizak E 45000 N/mm2 i niska čvrstoća - Velika kemijska reaktivnost (mogučnost samozapaljenja pri lijevanju i obradi)

Vrste legura: Glavni legirni elementi: Al, Zn, Th, Zr, Ce

1. Mg – Al, Mg – Zn ili Mg – Al – Zn 2. Mg – Zn + Zn, Th ili Ce

Kompoziti s metalnom matricom – Mg matrica + čestice SiC ili Al2O3 ili uz dodatak C-vlakana (lijevanje)

NEMETALNI MATERIJALI

Keramika Podjela:

1. Prema veličini zrna

- Gruba keramika (veličina zrna od 0.1 do 0.2 mm npr za opeke). - Fina keramika (veličina zrna manja od 0.1 mm, npr suđe, sanitarije)

2. Prema namjeni - visokokvalitetna, konstrukcijska, industrijska keramika, funkcionalna keramika

(suprakeramika), elektrokeramika, rezna keramika, biokeramika.

3. Prema kemijskom sastavu - Silikatna keramika - Oksidna keramika - Neoksidna keramika

Keramički materijali u tehnici Silikatna keramika Oksidna keramika Neoksidna keramika

- Porculan - Aluminijev oksid – Al2O3 - Silicijev karbid – SiC - Steatit - Magnezijev oksid – MgO - Silicijev nitrid – Si3N4 - Korderit - Cirkonijev oksid – ZrO2 - aluminijev nitrid – AlN - Mulit - aluminijev titanat - borov karbid – B4C

- olovni cirkonat - titanat - borov nitrid - BN (piezokeramika)

Kovalentna veza i ionska veza Ionske veze: MgO, Al2O3, ZrO2 Kovalentne veze: SiO2, SiC, Si3N4 (Jake veze: viskok modul elstičnosti i tvrdoća) Bitne faze u procesu proizvodnje

Prah Priprema mase Oblikovanje Obrana sirovca Sinteriranje - sirovine - mlijevenje - prešanje - Glodanje - Sinter- brand - miješanje - ekstrudiranje - tokarenje - granuliranje - naštrcavanje - bušenje - plastificiranje - lijevanje - piljenje O B L I K O V A N J E Završna obrada Keramički izradak

- brušenje - lepanje - poliranje - obrada laserom

Sirovine i dodaci Sirovina(e):

- čistoća - veličina zrna - specifična površina

Dodaci: Pomoćno sredstvo za sinteriranje Sredstvo za tečenje Sredstvo za plastificiranje Sredstvo za ojačavanje Sinteriranje (srašćivanje) Odvija se:

- pri temperaturama od oko 1050 do 2200 °C

- eventualno pod različitim atmosferama

- eventualno pod tlakom Povezano je s:

- stezanjem (skupljanjem) 20°C

Svi parametri ovise o materijalu!!! Proces sinteriranja (sraščivanja)

POČETNI STUPANJ

Polazna situacija Pregrupiranje čestica Stvaranje kontakata

SREDNJI STUPANJ

Rast kontakata Formiranje granice zrna Rast kontakata

ZAVRŠNI STUPANJ Rast zrna Zatvaranje pora i rast zrna Velika tlačna čvrstoća a mala veličina zbog sitnih pora koje predstavljaju mjesta koncentracije naprezanja.

Mikrostruktura Al2O3 nakon sinteriranja Mehanička svojstva Velika rasipanja vrijednosti čvrstoće i drugih svojstava Glavni uzroci loma:

- poroznost i uključci - površinske napukline - nedopustiva hrapavost od završnih obradi - velika zrna nastala tijekom proizvodnje

TVRDI METALI

Neoksidna vrsta keramike: metalni – karbidi (čestice) Kompozit – Metalna svojstva od metalne osnove: Toplinska i električna vodljivost STRUKTURA

Metalna osnova: Ce + karbidi WC, TiC, TaC

Osnovna svojstva tvrdih metala

- visoko talište - visoka tvrdoća i otpornost na trošenje - visok modul elastičnosti, visoka tlačna čvrstoća i čvrstoća pri povišenim

temperaturama - dobra postojanost na temperaturne promjene (otpornost na toplinske šokove) - otpornost na koroziju - visoka toplinska i električna vodljivost