Predavanje 12 - Izbor materijala

7/30/2019 Predavanje 12 - Izbor materijala

1/72

Mainski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mainski materijali- Predavanje (AS) -

Izbor materijala


2/72


VANOST TEHNIKIH MATERIJALA DANAS

Razmatranje i analiza strukture ugraenih materijala u automobil, avion, brod iliamac, bicikl, bilo koji kuni aparat, igraku, sportsku spravu nekad (doba naihoeva ili dedova) i danas, pokazuju da su oni sastavljeni od bitno drugaijihvrsta materijala.

Dananje konstrukcije su lake, trajnije, pouzdanije jeftinije i lepe od slinihnekad.

Broj, raznovrsnost i koliine materijala u stalnom su porastu - od masovnekoliine manjeg broja vrsta do dananjih vrlo velikih koliina mnogobrojnih

kombinacija tipova. Danas se procenjuje da raspolaemo s oko 70 000 vrstatehnikih materijala. U posljednjih 50-tak godina u upotrebu je ulo vie novihmaterijala nego u svim prethodnim vekovima! Na alost civilizacije, a nadobrobit tehnike, vei deo novih materijala proizaao je iz vojnoindustrijskogkompleksa. Materijali na bazi gvoa postiu zasienje u proizvodnji i potronji,a istovremeno raste udeo primene aluminijumskih, titanovih, magnezijskih, idrugih legura, polimernih i keramikih i posebno kompozitnih materijala.

Danas se raznovrsnost svojstava ostvaruje kombinacijom materijala specifinihsvojstava ime se postiu unapred odreene funkcije. Sve se vie govori o"projektovanju materijala" eljenih svojstava, posebno kod kompozita.


3/72


Neki proizvodi nekad i danas

Usisivanekad i danas


4/72



5/72


UkupnaUkupna svetskasvetska proizvodnja materijalaproizvodnja materijala

1930.1940. 1950. 1960..

1970 1980. 1990.2000.Godina

Ukupna

svetskap

roizvodnja

/106

t1000

100

10

1

Bakar (8940 kg/m3)

Aluminijum (2710 kg/m3)

Kauuk (1000 kg/m3)

Cink (7130 kg/m3)

Sirovo eljezo (7800 kg/m3)

Polimeri (bez kauuka)

(1100 kg/m3

)


6/72


Kriva rasta proizvodnje iupotrebe materijala

razvijena je snana motivacija za tedljivo

koritenje materijala i energije, na svim podrujima,

trite roba je sve vie zasieno (npr. teka vozila), tehniki razvoj omoguuje ugradnju manjih koliina

materijala uz jednaku nosivost i pouzdanost

konstrukcija,

sve vee koliine recikliranih materijala smanjuju

potrebe za proizvodnjom primarnih poluproizvoda.

Neke prognoze govore o tome da nastupa eraintenzivne proizvodnje i koritenja polimernih

materijala, a tek krajem veka treba raunati s veom

primenom sada novih materijala - npr. kompozitnih ikeramikih.

U drugoj polovini XX veka izraeno je smanjenje proizvodnje metalnih

materijala. Ova stagnacija se objanjava sledeim injenicama:


7/72


Metali iMetali injihove legurenjihove legure

PPoolimerilimeriKeramike iKeramike i

staklastakla

KompozitiKompoziti

Podela materijalaPodela materijala


8/72


Metali i njihove legure

Dobri provodnicistruje i toplote

dobro deformabilniNeprovidni

Osetljivi nahemikalije, a neki i na

dejstvo atmosfereVisoke gustine

Fe, elik, Cu, Al,Ti, Bronza, ...


9/72


Keramike i stakla

Izolatori struje itoplote

Tvrdi, krti,nedeformabilni

Neki su providni

Doro korozionootporni

Vatrootporni

SiC, Si3N4,Al2O3, BaTiO3,


10/72


Polimeri

Izolatori struje itoplote

Vrlo fleksibilni,deformabilni, male

vrstoe

Neki su providni

Dobro korozionootporni

Neotporni na toplotu

Male gustine

Sve plastike,

Najlon, Guma, ...


11/72


Kompoziti

Visoka specifinavrstoa, udarna izamorna otpornost

Koroziono otporni

Skupi

Zapaljivi, toksini

Nepostojani uagresivnim sredinama

Osetljivost natemperaturu i vlagu


12/72


Napredni materijali

Elektroniki materijali,

superprovodnici, itd.


13/72


Savremeni materiajali,

materijali budunosti Biorazgradivi materijali,

Nanomaterijali,

Penasti metali

Pametni materijali,

Biomimetiki materijali

MEMS - Mikro

elektro-mehaniki sistemi


14/72


Shema stanja i zbivanja s materijalom

KRUENJE SIROVINA I MATERIJALA - IVOTNI CIKLUS MATERIJALA

Svedeno na primarnu proizvodnju, udeo recikliranih materijala u razvijenimzemljama proseno iznosi:51 % za olovo 24 % za aluminijum 46 % za gvoe 23 % za cink37 % za bakar 15 % za kalaj


15/72


Proizvodniproces

Materijal

Kapital

Vreme

Energija

Informacije

Proizvod

Gubici materijalai energije


16/72


ODLUIVANJE O

MATERIJALIMA PRI

KONSTRUISANJU

Primaran zadatak svakeproizvodnje je proizvestikvalitetnije uz to bolja korisnasvojstva, lepi izgled i niucenu.

Navedeno je mogue postiiunapreenjem proizvodnihpostupaka izrade i konstrukcijskihreenja ali i pravilnim izborommaterijala.

Uslovi rada upotrebe

Funkcija

prenos meh. opt.oscilacija, toplote

Uslovi drutva itrita

tehnoloki,estetski, ekonomski,

zatita okoline

Materijali izbor materijala

Oblik i dimenzije konstruisanje

Proizvodniproces

Proizvodnaogranienja

i uslovi izradei montae

Povezanostkonstrukcijskogoblikovanja, izboramaterijala i naina

proizvodnje


17/72


Izbor materijala izvodi se najpre pri konstruisanju proizvoda, a ree tokom izrade ili

nabavke kada je to rezultat nepredvidivih kasnijih izmena u konstrukcijsko -tehnolokoj dokumentaciji ili radi pogrenih odluka u konstrukciji.

Proces razvoja proizvoda i izbora materijala odreuju etiri osnovne grupe faktora:

1. Tehniki funkcijski i eksploatacijski zahtevi kao i svojstva proizvoda,proizvodna svojstva, energetska svojstva, standardizacijska svojstva

2. Ekonomski trokovi razvoja i proizvodnje, cijena proizvoda, investicijskitrokovi, produktivnost i rentabilnost, mogunosti kooperacije, diverzificiranost

proizvoda, zemlje prodaje i dr.

3. Drutveni, humani potrebe ovjeka i drutva, ergonomska svojstva,mogunost recikliranja i utjecaj na okoli, kulturoloka (estetska) i informacijskasvojstva i dr.

4. Pravni norme, zakoni, propisi, zatita izuma, patenta, modela, postupkaproizvodnje (know how i know why) i dr.

Analizom navedenih faktora u konkretnoj situaciji izvode se kriteriji vrednovanja

konstrukcijskog rjeenja.


18/72


Postupak razvoja proizvoda moe se podeliti u nekoliko karakteristinih loginih

faza, iako je celi proces rada nuno iterativan:

predstudija - koncipiranje, projektovanje i razrada varijanti reenja,

konstrukcijska i tehnoloka razrada izabranih varijanti.

Materijali se biraju u svakoj od navedenih faza, ali unutar razliite veliine skupa

materijala i s razliitim stepenom preciznosti rezultata.


19/72


Koncipiranje

Projektovanje razrada varijanata

Konstrukcijsko tehnoloka razrada

PROIZVOD

TRINAPOTREBA IZBORMATERIJALA

Okvirni i. m.

svi materijali

Varijante mat.podskupovii vrste mat.

Vrste i tipovimaterijala detaljan i. m.

ALATI (METODE)KONSTRUISANJA

analizaizvodljivosti

metode vrednovanjavarijanata

metodeoptimiziranja

detaljne analize,npr. MKE

Podaci i znanjao materijalima

sastav struktura svojstva ponaanje

primena

Odgovarajuipostupciobrade ioplemenjiv.

INENJERSKA

ZNANJA

Mehanika

Termodinamika

Tehnikemodeliranja

Numerikemetode


20/72


Koncipiranje

Projektovanje

razrada varijanata

Konstrukcijsko tehnoloka razrada

PROIZVOD

TRINA

POTREBAIZBORMATERIJALA

Svi materijali

(slaba preciznost)

Podskupovi materijala(visoka preciznost)

Jedan materijal

(najbolja mogua prciznost)


21/72


Predstudija ili koncipiranjeje karakteristina najpre za razvoj novog proizvoda. Ufazi koncepta obino se trai nekoliko istaknutih svojstava - invarijantni zahtjevi

zasnovani na ispunjenju traene funkcije (npr. provodnik ili izolator, magnetian ili

nemagnetian, mala masa i sl.), a u obzir dolazi velik broj grupa i vrsta materijala.Ovde se utvruju prva ogranienja kao npr.: radna temperatura, agresivni mediji,

vrsta spoljanjeg optereenja, grubi oblik, dimenzije, izgled i sl. i predizabiru

mogue grupe materijala za dalju razradu varijanti.

Pri projektovanju i razradi varijanti reenja potrebne su to obuhvatnije

informacije o svojstvima materijala koje nalazimo u katalozima i bazama podataka.

Svakoj se varijanti reenja pridruuju odreeni materijali, a varijante podleu

vrednovanju prema unapred definisanim kriterijumima. Ovde se moe smanjitikoliina ugraenog materijala i broj ugraenih delova, smanjiti zalihe, razviti

proizvode koji zahtevaju manje energije ili poveati pouzdanost proizvoda. U ove

mogunosti takoe spada i filozofija konstruisanja s obzirom na zahtev reciklinosti

i obnovljivosti eksploatisanog proizvoda.


22/72


Za konstrukcijsku i tehnoloku razradu bi trebalo da ostanu samo nekoliko

materijala - najee jedan osnovni i jedna ili dve zamene. Sada konstruktor itehnolog moraju napraviti konaan izbor s obzirom na predvidivo ponaanjematerijala u proizvodnji i upotrebi. Ovde mora biti definisan:

proizvoa (dobavlja) materijala,

oblik,

dimenzije,

koliine,

mogunost isporuke i

ukupni trokovi materijala i proizvodnje.

Za konane konstrukcijske proraune, razradu tehnolokog procesa i kalkulacijetrokova nuno je poznavati to tanije vrednosti svojstava materijala, jer seone, za jednu te istu vrstu materijala, razlikuju od proizvoaa do proizvoaa.Za kritine delove i sklopove ponekad je potrebno dodatno ispitati neka odvanih svojstava, ili laboratorijskim ispitivanjima simulirati uslove rada na

prototipu.


23/72


Zamena materijala za postojei proizvod

Premda je izbor materijala uglavnom vezan uz konstruisanje (razvoj) proizvoda,

postoje i mnogi drugi razlozi za preispitivanjem vrste primenjenog materijala i

naina proizvodnje, a sve u svrhu ponovne izrade i poboljanja ve usvojenogproizvoda:

Pojava novih materijala,

Poboljanje karakteristika proizvoda,

Nezadovoljavajue ponaanje u proizvodnji,

Promenjeni uslovi rada u upotrebi,

Kvarovi u upotrebi uzrokovani materijalom - deformacije, lomovi, troenje ili

korozija, Pojava novih zakona, standarda, propisa i upustava,

Oteana nabavka definisanog materijala,

Smanjenje trokova proizvoda te postizavanje bolje konkurentnosti.


24/72


METODE ODLUIVANJA I OPTIMIZACIJE

Nain na koji se bira pogodan materijal najpre zavisi od broja i vanosti

postavljenih zahteva i kriterijuma. U sluaju malog broja zahteva velike vanosti

teite je na kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi svojstava i ponaanja manjeg

broja materijala koji dolaze u ui izbor, putem informisanja ili iskustva. Primenakvantitativnih metoda odluivanja dolazi u obzir najpre kod velikog broja traenih

svojstava, jer je za oekivati relativno velik broj prihvatljivih materijala.

Kod svih naina odluivanja se uporeuju traene i postojee vrednosti svojstava

materijala.

Prema sloenosti, ali i po redosledu odluivanja razlikujemo tri naina poreenja:

zadovoljenje neke minimalne ili maksimalne traene vrednosti, ili eliminacija

preko poetnih zahteva - uglavnom se odnosi na invarijantne zahteve; prekrivanje polja tolerisnih vrednosti zahteva;

minimiziranja ili maksimiziranja vrednosti unapred definisane funkcije cilja ili

tzv. parametra vrednovanja.


25/72


Shema toka izbora materijala

Analiza konstrukcijskog zadatka

Traena svojstva materijalai rangiranje relativne vanosti

Metoda traenjapodataka iodluivanja

Razvojmaterijalai postupakaproizvodnje

Detaljna analiza svojstavai ponaanja materijala

zadovoljavajuimaterijal

zadovoljavajuimaterijal

postoji

ne postoji EliminacijeUporeivanjeOptimizacija

Svojstvapostojeihmaterijala

Izabrani materijali i

specifikacija svojstava


26/72


RAUNARSKA PODRKA ODLUIVANJU O MATERIJALIMA

Razvoj kompjuterskih sistema, sve vei broj materijala i njihovih karakteristika,

tenja k brem i pouzdanijem traenju informacija, tenja s objektivnijim i

celovitijim poreenjima, sve prisutnija potreba za modeliranjem i simulacijama

upuuju na koritenje raunarskih sistema koji obrauju, uvaju i procesirajuinformacije o materijalima. Pri traenju vrednosti o svojstvima korisne su

bibliografske i faktografske baze podataka o materijalima, a za odluivanje CAMS

(Computer Aided Materials Selection) i ekspertni sistemi (ES). Naredna slika

prikazuje koncepcijsku arhitekturu CAMS ekspertnog sistema koji je u stanju da

komunicira s konstrukcijskim timom i njegovim specifinim programskim

modulima. U osnovi, svaki takav sistem sadri tri jako integrisana dela:

bazu podataka,

bazu znanja kao i

module za odluivanje, modeliranje i analize.


27/72


SPOLJANJE BAZE PODATAKA

Osnovni moduli CAMS ekspertnog sistema

BAZE ZNANJA

pravila izboramaterijala

pravila konstruisanja pravila proizvodnje naueni sluajevi

INTERNE BAZEPODATAKA

svojstva materijala prethodni konstr. podaci podaci proizvoaa materijala

specifini zahtevi iogranienja proizvoda

ogranienja proizvodnje oprema, postupci, trokovi

grupa/tim za razvoj proizvoda

CAD/CAM

EKSPERTNI SISTEM ZAIZBOR MATERIJALAkorisniko razmatranjemodul za zakljuivanjesistem pretraivanja/zakljuivanja

MODELIRANJE/ANALIZE konstitutivne jednaine metoda konanih elemenata analiza rizika modeliranje procesa izrade

simulacije ponaanja prostorni rasporedi modeliranje kontrole analiza trokova studije prodaje i marketinga


28/72


Baze znanja sadre pravila za izbor materijala, pravila konstruisanja, ogranienja,

objekte, taksonomiju i nauena znanja iz reenih sluajeva. Osnova fizikihmodela u bazama znanja su formule npr. za raunanje kritine veliine pukotineiz poznate granice teenja i lomne ilavosti, ili raunanje statike izdrljivosti zaodreenu temperaturu, faktori koncentracije naprezanja, uticaji proizvodnih faktora

na dinamiku izdrljivost i sl., pravila za proizvodnju itd. Nadalje to su tzv. if then ako tada pravila za predizbor materijala, kao npr.:

AKO je traena visoka granica razvlaenja i visoka lomna ilavost TADAtreba analizirati primenu elika MARAGING AKO je visoka radna temperatura i traena niska toplotna provodnost TADA

je pogodan keramiki toplotni zatitni sloj AKO su zahtevi: visoka otpornost troenju, nizak faktor trenja i visokatanost dimenzija TADA u obzir dolazi PVD (Physical Vapour Deposition)

postupak modifikovanja povrine

Moduli za odluivanje sadre parametre i funkcije cilja (vrednovanja) kao iekspertna pravila. Kod zamene postojeeg materijala pitanje moe npr. biti: naielik

ija je

vrsto

a via od postoje

e, ali da je jeftiniji tako da sadri manji sadrajCr i Ni.


29/72


INFORMACIJSKI, CAMS I EKSPERTNI SISTEMI U PODRUJU MATERIJALA

Broj novih informacija o materijalima iz dana u dan je sve vei. Istraivai,inenjeri razliitih struka - projektanti, konstruktori, tehnolozi kao i strunjaci kojiodravaju opremu, sve se tee snalaze u umi tih podataka i informacija uz

pomo klasinih pomagala - prirunika, kataloga proizvoaa, normi, asopisa iknjiga.

Danas je uobiajeno da se rezultati istraivanja i ispitivanja materijala brzoprenose do korisnika pomou savremenih informacijskih i komunikacijskihsistema. Poslednjih 20-tak godina podaci i informacije o svojstvima i primenimaterijala sistemski se prikupljaju iz razliitih izvora, vrednuju i uvaju u bazamapodataka i bazama znanja. Ovako objedinjene i sreene informacije dostupne supreko: bibliografskih informacijskih sistema javnih servisa (podaci iz asopisa,knjiga, izvjetaja i slinih izvora), numerikih i numeriko tekstualnih tzv.faktografskih baza podataka i informacijskih sistema, sistema za podrkuodluivanju kao to je izmeu ostalih i CAMS (Computer Aided MaterialsSelection Izbor materijala pomou raunara), ekspertnih sistema zaispitivanje, kontrolu i izbor materijala.


30/72


Tipovi baza podataka


31/72


Izvori za baze podataka o materijalima


32/72


Oblici baza podataka

Faktografski sistemi razlikuju se: prema grupi ili vrsti materijala, ili prema svojstvima i karakteristikama, ili pak prema podrujima primene materijala.


33/72


Ekspertni sistemi (ES)

Ako za donoenje odluka nisu dovoljni samo podaci, nego su potrebni iskustvo i

specifina znanja, primenjuju se metode vetake inteligencije ugraene u

ekspertne sisteme. Takvi sistemi tee davanju ekspertnih saveta i odluka pa se u

njima nalaze skupovi tzv. proizvodnih pravila koja ine "mehanizam odluivanja".

Putem pravila reprezentuju se znanje na razliitim nivoima - od preslikavanja

zahteva u svojstva materijala, preko korelacije izmeu svojstava, pa dopreporuka o prikladnim materijalima. Pomou pravila ubrzava se proces

zakljuivanja i donoenja odluka u odnosu na klasina pretraivanja i

uporeivanja svojstava. Jezgro ESine baza podataka i baza znanja. Pri

razvoju ES osnovni problem je pronalaenje eksperata koji mogu prikladno daprezentiraju potrebno znanje i postupak odluivanja, kao i tzv. "inenjera znanja"

iji je zadatak da prikupe sistematizuju i oblikuju ekspertno znanje i postupke i to

prenesu u raunar.


34/72


U proizvodno - poslovnim procesima, poreano prema vanosti i sloenostiodluivanja, razlikujemo tri nivoa gde su potrebne informacije o materijalima:

a) pri donoenju poslovnih odluka koje su vezane uz materijale zalihe,

potronja (koliinski i vrednosni pokazatelji), ulaz u nove proizvodne programe ili

poboljanja postojeih, saznanja o boljim ili novim materijalima;b) pri razvoju proizvoda i proizvodnje: izbor materijala i/ili uz njih vezanih

tehnolokih postupaka; razrada tehnolokih postupaka; provera nosivosti,

sigurnosti i trajnosti konstrukcija, primenjujui podatke o svojstvima materijala;kontrola kvaliteta materijala i proizvoda; interna normizacija i tipizacija materijala;

c) za upravljanje materijalom u proizvodnom procesu praenje raspoloivosti

i nabavljivosti; skupljanje i obrada rezultata vlastitih ispitivanja i praenja

materijala; obrada povratnih informacija o ponaanju materijala u upotrebi (lomovi,istroenja i druga opaanja); praenje stanja i fizikih tokova materijala ukljuujui

zalihe, potronju, iskoristivost (otpad).


35/72


KVANTITATIVNA KARAKTERIZACIJA SVOJSTAVA MATERIJALA

Tenja ka kvantifikaciji svojstava tehnikih materijala posledica je potrebe zarazvojem na naunim osnovama. Ako postoje brojani pokazatelji, izboroptimalnog materijala bie laki i objektivnije, kao i predvianje ponaanjamaterijala tokom preoblikovanja i upotrebe pouzdanije.

Svaka vrsta materijala moe biti opisana sa preko 200 osnovnih svojstava, pa uzoko 70 000 postojeih tehnikih materijala, i njihovo stalno umnoavanje, rastekoliina brojanih pokazatelja.U prikupljanju i prezentaciji ekspertnih znanja o materijalima pojavljuju se iiskustveni iskazi - procene, tekstualni opisi sa logikim odnosima izmeusvojstava.U koritenju se, svakom postojeem ili novo dobijenom podatku moe pridruiti:

a) izvor i relevantnost;b) oblik prikazivanja vrednosti - pojedinana brojana veliina, funkcija,

statistika ili empirijska zakonitost (grafiki ili numeriki), slikovni prikaz(npr. mikrostrukture), procena i ocena;

c) upotrebljivost - kao ista informacija o materijalu, za izbor materijala ili zaproraune.

MESTA GENERISANJA PODATAKA O SVOJSTVIMA I


36/72


MESTA GENERISANJA PODATAKA O SVOJSTVIMA IKARAKTERISTIKAMA MATERIJALA

Mogui fond podataka i znanja o svojstvima rezultat je ispitivanja i praenjamaterijala i proizvoda tokom njegovog dobijanja i preoblikovanja, razdvajanja,povezivanja, termike obrade ili u upotrebi. Tako se razlikuju:

1. podaci o sastavu (kvalitativnom, kvantitativnom, faznom) materijala;2. podaci o strukturi materijala;3. podaci dobijeni normiranim - propisanim ispitivanjima epruveta i drugih uzoraka;4. podaci dobijeni dogovorenim ispitivanjima epruveta i uzoraka;

5. podaci i pokazatelji za svojstva dobijeni ispitivanjima modela i prototipaproizvoda;6. podaci i pokazatelji dobiveni praenjem, tokom prerade, materijala u gotov oblik;7. pokazatelji i podaci dobijeni ispitivanjima i praenjem proizvoda u upotrebi

(eksploataciji);8. pokazatelji dobijeni praenjem u toku regeneracije ili recikliranja materijala.


37/72


UTIECAJI NA SVOJSTVA I PONAANJE MATERIJALA

Naredna slika prikazuje uticaj sastava i mikrostrukture materijala, tehnolokihpostupaka dobijanja i preoblikovanja na svojstva i ponaanje materijala, kao injihovo meudelovanje.

OSNOVNA SVOJSTVA NEOBLIKOVANOG MATERIJALA opisuju se nekimosnovnim konstantama koje su po pravilu nezavisne od oblika i dimenzija konanogdela. U toj grupi nalaze se one veliine koja govore:

o mehanikoj otpornosti - modul elastinosti, modul sminosti, Poissonov omjer;

o fizikim svojstvima - gustina, toplotna, elektrina, magnetna, akustika,optika svojstva itd.

Vrednosti za spomenuta svojstva dobro su poredive za razliite vrste materijala.


38/72


USLOVI RADASVOJSTVA IPONAANJE

MATERIJALA UUPOTREBI

OBLIK I DIMENZIJEKONSTRUKCIJE

SVOJSTVAMATERIJALA

SASTAV IMIKROSTRUKTURA

MATERIJALA

TEHNOLOKI POSTUPCIDOBIJANJA

I PREOBLIKOVANJA

ukazuju

menjaju utvr uju

utvruju

utiu na

ograniavaju

utvrujukontroliu

menjaju

VRSTE POSTUPAKA ZA UTVRIVANJE SVOJSTAVA I


39/72


VRSTE POSTUPAKA ZA UTVRIVANJE SVOJSTAVA IPONAANJA MATERIJALA

Jedna od moguih klasifikacija ispitivanja relevantnih svojstava i karakteristika je

1.UTVRIVANJE HEMIJSKOG SASTAVA STRUKTURE

Hemijski sastav -Kemijska struktura -Mikrostrukturne karakteristike

2. UTVRIVANJE FIZIKIH SVOJSTAVA

Elektrina, Magnetna

Toplotna, termodinamika

OptikaAkustika

Radijacijska

3. UTVRIVANJE OTPORNOSTI HEMIJSKIM, FIZIKIM I BIOLOKIMUTICAJIMA

Medijima, materijama u dodiru

ivim organizmima - bioloka otpornost

UV zraenju


40/72


4. UTVRIVANJE MEHANIKIH SVOJSTAVA

Statiko optereenjeDinamiko promenjivo optereenjeUdarno optereenje

Puzanje i relaksacijaOptee karakteristike elastinostiSloena optereenja

5. UTVRIVANJE OTPORNOSTI TROENJU - TRIBOLOKIH SVOJSTAVA

Otpornost abrazijiOtpornost adhezijiOtpornost zamoru povrineOtpornost tribohemijskom troenjuOstalih tribolokih svojstava


41/72


6. KARAKTERIZACIJA PONAANJA U EKSPLOATACIJI

Karakteristike lomovaKarakteristike istroenjaKarakteristike korozijskog dotrajavanjaOtrovnost, unitivost

7. UTVRIVANJE PROIZVODNIH (TEHNOLOKIH) SVOJSTAVA

LivkostKovnost - gnjeivost - deformabilnostObradivost - rezljivostZavarivost

LepljivostMogunost zatite povrineTermika obradivost


42/72


OPISNA KARAKTERIZACIJA:

Svojstva se izraavaju esto reima ili ocenama.

Za tee merljiva svojstva, kao to su tehnoloka, otpornost koroziji i otpornosttroenju, to je jedino mogu nain kvantifikacije.Ocene se najee iskazuju reima ili brojevima kao npr.:izvrstan ili posebno pogodan - ocena (5),

vrlo dobar ili vrlo pogodan - ocena (4),dobar ili pogodan - ocena (3),dovoljan ili uslovno pogodan - ocena (2),nedovoljan ili nepogodan - ocena (1).Pouzdanost takvih ocena razmjerno je niska i zavisi od toga ko ih je ustanovio. Radi

se o najnepreciznijem obliku kvantifikacije svojstava. Kvalitativni iskazi nalaze svojemesto najpre u izgradnji ekspertnih sistema za izbor i primenu materijala.

PRIKAZI DIJAGRAMIMA, SLIKAMA I FUNKCIJAMA


43/72


Najee su prisutni, ali i najtei za raunarsku obradu podataka, premda daju

najvie informacija o materijalu.Zbog veeg broja podataka i informacija govori se o vieznanoj karakterizaciji.Tipini sluajevi takvog prikazivanja jesu: dijagrami "naprezanje - deformacija",dijagrami puzanja, prikazi habanja i korozije u vremenu itd.Slike mikrostruktura sadre takoe niz vrednih informacija o svojstvima materijala

i mogu se savremenim metodama prevesti u kvantificirani oblik - npr. analizomslike.Danas je ve uobiajeno i tzv. parametarsko kvantificiranje zavisnosti pojedinihsvojstava od temperature, pritiska, trajanja optereenja i drugih uticaja. Takav

oblik karakterizacije ponaanja materijala olakava i uvanje funkcija u bazamapodataka.


44/72


KOMBINACIJA KARAKTERISTIKA:

Logikom analizom ili razmatranjem izraza za proraunavanje konstrukcijskihdelova dobijaju se tzv. parametri ili funkcije vrednovanja materijala ("merit

parameters").Tako su, npr. za lake a krute konstrukcije od kompozitnih materijala, bitnikriterijumi: "specifina krutost" - odnos modula elastinosti i gustine kao i"specifina vrstoa" - odnos vrstoe i gustine

METODE IZBORA MATERIJALA


45/72


METODE IZBORA MATERIJALA

METODA "CENA JEDINICE SVOJSTAVA"

Razmatra se jedno ili nekoliko primarno vanih svojstava u kombinaciji sa cenomodnosno trokovima materijala ili proizvoda.To ovu metodu ini dosta jednostavnom, no bitno je uoiti kada i u kojimsluajevima je ona primenjljiva. Najbitnije je utvrditi relevantno svojstvo koje

proizilazi iz prouavanja uslova primene i ostalih zahteva prema materijalu.

Primer za mehaniku otpornost


46/72


Primer za mehaniku otpornost

U tablici II navedeni su neki od izraza za izraunavanje cijene (trokova) pojedinici svojstava (u ovom sluaju vrstoe i krutosti) za razliite poprenepresjeke i uvjete optereenja.Tablica II: Neki izrazi za izraunavanje cijene jedinice svojstava

Popreni presek i uslovi optereenja Cena po jedinicivrstoe

Cena po jedinicikrutosti

puna okrugla ipka zatezanje/pritiskivanje (C)/Rm (C)/E

puna okrugla ipka savijanje (C)/Rm2/3

(C)/E1/2

puna okrugla ipka torzija (C)/Rm 2/3 (C)/G 1/2

puni pravougaoni presek savijanje (C)/Rm 1/2 (C)/E1/3

tankozidna valjkasta posuda pod pritiskom (C)/Rm

Oznake: Rm... vrstoa ili granica teenja, C..cena (troak) po jedinici mase,...gustina, E...modul elastinosti, G...modul smicanja.

METODA TEINSKIH SVOJSTAVA


47/72


METODA TEINSKIH SVOJSTAVA

U sluajevima kada treba oceniti vie svojstava moe se primeniti metodateinskih svojstava, jer prethodno opisana metoda nije pogodna. Razmatramosvojstva koja su nam bitna za posmatrani sluaj, mnoimo njihovu brojnu vrednostsa odgovarajuim teinskim faktorom. Sabiranjem pojedinih teinskih svojstavadobija se indeks radne karakteristike koji kasnije slui kao uporedni pokazatelj.Materijal sa najveim indeksom radne karakteristike smatra se optimalnim zadefinisane uslove.

U sluaju kada je najnia vrednost svojstva najbolja, izraz za skaliranu vrednost

S bit e:

dok u sluajevima kada se od svojstva trai maksimum vrednosti raunamoprema izrazu:

minimum vrednosti u listiS=

numerika vrednost svojstva

numerika vrednost svojstva

maksimalna vrednosti u listiS =

METODA GRANINIH VREDNOSTI


48/72


METODA GRANINIH VREDNOSTI

U ovoj metodi osnovni je zadatak preslikavanje zahteva na radne karakteristike u

granine vrednosti svojstava materijala koje moemo svrstati u tri kategorije:

donja granina vrijednost svojstva,

gornja granina vrijednost svojstva, ciljana vrednost svojstva.

Da li emo na neko svojstvo postaviti donju ili gornju graninu vrednost (tj.

minimum ili maksimum) zavisi o usmerenosti zahteva.

Tako npr., ako se trai otporan, ali lak materijal, postavljamo donju granicu za

vrstou i gornju za gustinu. Na taj se nain mogu eliminirati svi nepogodni

materijali iz baze podataka; dakle, oni koji izlaze iz postavljenih granica, a ostaleukljuiti u konano poreenje. Zbog toga se metoda graninih vrednosti svojstava

obino primenjuje za optimizaciju materijala i procesa kada je broj moguih

varijanti relativno velik.

METODA NAJMANJIH ODSTUPANJA SVOJSTAVA OD TRAENIH


49/72


Algebarski pristup

Materijali se uporeuju na osnovu apsolutne vrednosti sume odstupanjasvojstava od traenih (zahtevanih).

Geometrijski pristup

"Idealan" materijal za odreene uslove moe se prikazati u obliku poligonasa razliitim svojstvima ucrtanim uzdu radijusa, od centra do svakog ugla.Vrednosti za zahtevana svojstva su duine radijusa i oznaene su sa Y1,

Y2, Y3, ..., Yn.

Uporeivanje poligona vrednosti

svojstava materijala i poligonazahtevanih vrednosti svojstava

RASPOLOIVOST I CENA KAO KRITERIJUMI IZBORA MATERIJALA


50/72


RASPOLOIVOST I CENA KAO KRITERIJUMI IZBORA MATERIJALA

Bez obzira na tehniku pogodnost materijala da ispuni odreene

kombinacije funkcionalnih, tehnolokih ili upotrebnih svojstava, ako materijal nije

raspoloiv u traenom obliku, stanju, dimenzijama, koliini, roku nabavke i ceni,

izbor nije uspeno obavljen. Upravo zbog tih injenica kriterijum raspoloivosti i

nabavljivosti esto je osnovno ogranienje u primeni materijala. Od konstruktora i

tehnologa se sve vie trai da ve pri specifikaciji materijala misle i na to da li je

materijal raspoloiv i pod kojim uslovima dobavljiv. Pravovremene informacije onabavljivosti mogu eliminisati nepotrebne izmene u kasnijim fazama osiguranja

materijala za proizvodnju.

Strunjaci koji se bave nabavkom materijala, po pravilu, nisu osposobljeni dapromene odluku konstruktora ili tehnologa i umesto teko nabavljivog ili skupog

materijala narue alternativni, tehniki jednako prihvatljiv. Zbog toga je korisno da

se u dokumentaciji specificira jedna ili dve alternative osnovnoj vrsti materijala.


51/72


Cena materijala deo je kriterijuma ekonominosti na osnovu kojeg se izvodi

predizbor materijala, a tokom ili nakon konstrukcijskog i tehnolokog oblikovanjaizraunavaju trokovi izrade proizvoda. Osnovna cena materijala kao i trokovikoji nastaju primenom odreene vrste, u odnosu na drugu alternativnu vrstu, uztehnike kriterijume odreuju konkurentnost proizvoda na tritu.

Udeo cene materijala u ceeni proizvoda kree se od 20 do 80 %, zavisno odtipa proizvoda i primenjenim tehnologijama. Za tipine mainske konstrukcije,gde se koriste klasine tehnologije oblikovanja - livenje, obrada odvajanjemestica, kovanje i sl. taj se udeo kree od 50 do 80 %.

Oito je da osnovna nabavna cena materijala ini samo deo ukupne cene,odnosno trokova uzrokovanih materijalom. esto se upravo indirektni trokovivezani uz odreeni materijal ne uraunavaju u konanu cenu proizvoda.

Konano ugraenim materijalom odreeni su i trokovi u eksploataciji - zboglomova, habanja ili redovne zamene. Udeo materijalnih trokova u odravanjuiznosi oko 60 %. To znai da kvalitet prvobitno izabranog materijala odreujekolika e se jo koliina morati ugraditi u ukupnom ivotnom veku proizvoda.

Cena materijala je u osnovi funkcija tri grupe faktora:


52/72


tehnikih karakteristika materijala, trinih i drutvenih uslova.

Tehnike karakteristike: uticaj vrste materijala preko hemijskog sastava, uticaj stanja - vrue valjano, hladno vueno, liveno, kovano, sinterovano... uticaj oblika i dimenzija - okrugla ipka, kvadratna ipka, cev, lim, ica,

sloeni profili... uticaj stanja povrine.

Trini uslovi: specifini zahtevi kupca odnosno korisnika materijala, nabavna koliina, uslovi nabavke...

Drutveni uslovi: uvozni ili domai, strateki, deficitarni materijal...


53/72


Indeks cene predstavlja relativni odnos cene nekog materijala u odnosu na cenu

najjeftinijeg, uz jednak oblik, stanje i pribline dimenzije. Posebno je pogodan zainenjersku praksu i za uporeivanje materijala, jer odraava odnos tehnikihcena, a uz to bi vremenski trebao biti gotovo nepromenjiv.

Cena jedinice svojstvaApsolutni iznos cene ili indeks cene deli se s vrijednou odreenog svojstva ilikombinacije svojstava materijala.Tako moemo definisati "cenu vrstoe" ili "cenu krutosti" ili "cenu prokaljivosti"itd. Ovaj ekonomsko - tehniki pokazatelj esto se koristi kao sloen kriterijumza uporedjivanje razliitih grupa ili vrsta materijala.

Materijal Indeks cene

Zlato 60 000


54/72


Priblina cena po jedinicizapremine za metale i plastike uodnosu na obian ugljenini elik

Zlato 60 000

Srebro 600Legure Mo 200-500

Nikal 35

Kalaj 25

Legure Ti 20-40Legure Cu 5-6

Legure Zn 1.5-3.5

Nerajui elik 2-9

Legure Mg 2-4

Legure Al 2-3

elik poviene jaine 1.4

Sivo liveno gvoe 1.2Ugljenini elik 1

Najlon, guma 1.1-2

Plastike/Elastomeri 0.2-1

Fiber Kompoziti 40-80

Relativna cena, $, za razliite materijale


55/72


Referentni materijal:

- niskougljenini

elik

Graphite/Ceramics/

Semicond

Metals/

Alloys

Composites/

fibers

Polymers

R

elativeCost($)

pl. carbon

Au

Si wafer

PETEpoxy

Nylon 6,6

0.05

0.1

5

100000

10000

20000

50000

50002000

1000

500

200

10050

20

10

2

1

0.5

Steel

high alloy

Al alloysCu alloys

Mg alloys

Ti alloys

Ag alloys

Pt

Tungsten

Al oxide

Concrete

Diamond

Glass-soda

Si carbide

Si nitride

PC

LDPE,HDPEPPPS

PVC

Aramid fibersCarbon fibers

E-glass fibers

AFRE prepreg

CFRE prepreg

GFRE prepreg

Wood

materijalrefkg

kg

)/($

/$=$

Re

lativnacena($)


56/72


Naelno tehniki materijali se klasificiraju u dve osnovne kategorije u zavisnosti

od njihove cene.U prvoj grupi nalaze se one vrste koje se iroko i esto upotrebljavaju, lako i

jeftino proizvode a poseduju zadovoljavajua opta svojstva. To su npr. optikonstrukcijski, nelegirani elici, polietilen ili polivinilhlorid, sivi liv i slini.

Drugoj grupi pripadaju materijali posebnih svojstavaija je proizvodnja i preradasloenija i skuplja, a primenjuju se u specifinim uslovima. To su npr.

visokolegirani elici, superlegure, keramika, silikoni i sl.Granica izmeu jeftinih i skupih materijala nije vrsta i vremenski je promenjljiva.Tako, do pre nekoliko desetina godina skupe, specijalne i retko primenjljive Al iTi- legure danas su srednje visoke cene a ireg podruja primene. Mnogi sepoluproizvodi ili gotovi delovi prodaju na osnovu cene po jedinici mase, ali i po

jedinici zapremine ili jedinici povrine. Svi oblici nelegiranih elika, sivih livova iniskolegiranih elika su, po masi, jeftiniji od ostalih vrsta materijala, to ukazuje

na njihovu iroku primenu.


57/72


Jedna od znaajnih primena analize vrednosti je da se dobije poreenje cenenekog proizvoda u odnosu prema najeftinijem postojeem, ili predvidivomkonstrukcijskom reenju, a da se zadovolje njegove bitne funkcije. Ova semetoda moe prilagoditi i za izbor materijala.

U poreenju materijala najpre se biraju one vrste koje zadovoljavaju funkcionalnezahteve a ujedno su i to jeftiniji. Pritom inenjer ima dve osnovnemogunosti odluivanja: odabrati najjeftiniji materijal, ili odabrati skuplji materijal, ali koji se lake oblikuje, obrauje ili ima bolja

upotrebna svojstva.Primena jeftinijeg materijala ne znai ujedno i uvek dobijanje jeftinijeg proizvoda.

Npr., cena materijala se esto odnosi na jedinicu mase pa je nekadaekonominije platiti viu cenu za povienu vrstou jer se na taj nain

ugrauje manja koliina materijala. Drugi primer odnosi se na izradu velikogbroja komada obradom odvajanjem estica. Ovdje je ekonominije izabratiskuplji materijal ali bolje obradivosti, nego jeftiniji ali tee obradiv.


58/72


Tipian primer je i primena elika u sluaju kada se trai visoka otpornost habanjuili korozijska postojanost. Ovde je uvek prisutna dilema; primeniti skup materijal

visoke otpornosti ili jeftin osnovni materijal s povrinskim slojem visoke

otpornosti. Odluka zavisi od visine ukupnih trokova, odnosno o traenoj

trajnosti i funkciji dela.

U svakom tipu proizvodnje mogue je utedjeti na materijalu. Put do uteda vodi

preko etiri mogue vrste analiza:

ponovno prouavanje oblika, dimenzija i mase dela, ponovno prouavanje naina izrade i montae,

ponovan izbor materijala,

ponovno projektovanje zbog postizanja optimalne kombinacije traenihsvojstava.

KONSTRUISANJE S OBZIROM NA RECIKLINOST


59/72


Zadatak konstruktora je sve odgovorniji, jer osim sve stroijih tehnikih zahteva

mora ispuniti i ekonomske (trine), estetske, drutvene - u koje izmeu ostalihspadaju i ekoloki.

esto su zahtevi reciklinosti u suprotnosti sa ekonominou i konkurentnouproizvoda na tritu, ali je ukupna drutvena korist od reciklinih proizvoda sve vea.

Novi pristup konstruisanju akceptira sve vie sledea naela:

teiti to manjem utroku energije u celom ivotnom ciklusu proizvoda;

koristiti, gde je mogue, reciklirane sirovine i materijale;

primenjivati tehnoloke procese koji proizvode minimum otpada i tetnih gasova;

odabirati lako reciklirajue materijale;

kreativno iskoristiti otpadne materijale u fazi proizvodnje.

Postoji nekoliko trendova u razvoju proizvoda koji oteavaju kasnije recikliranje: sve vea kompleksnost proizvoda s primenom veeg broja razliitih vrstamaterijala;

poveana primena kompozitnih materijala;

minijaturizacija pojedinih sklopova.

UTICAJ MATERIJALA NA OKOLINU - EKOLOGINOST MATERIJALA


60/72


Uticaj materijala na okolinu ogleda se u pet faza njegovog "ivota":

prilikom proizvodnje materijala - kroz stepen emisije tetnih materija

(vrstih i tenih) i gasova, kroz odbacivanje neiskoritenog otpadnog

materijala u okolinu, kroz utroak energije za preradu sirovina, kroz koliinu

neiskoritene toplote;

u fazi izrade proizvoda - slini uticaji kao i pri proizvodnji materijala,

u fazi koritenja proizvoda - kroz stepen korozijskog ili mehanikogoteenja (ponajpre za opasne ili otrovne materijale u dodiru sa hranom,

lekovima i sl. -npr. teki metali), kroz veu ili manju mogunost odravanja i

obnavljanja proizvoda, kroz veu ili manju mogu

nost recikliranja materijala; nakon upotrebe proizvoda - kroz veu ili manju mogunost recikliranja;

pri recikliranju - kroz stepen emisije tetnih materija (vrstih i tenih) i

gasova, kroz utroak energije za recikliranje, kroz koliinu proizvedene

neiskoritene topline.


61/72


Neki odproblema pri recikliranju materijala su:

legirani (visokolegirani) metalni materijali su slabije reciklini od istih metala,

odnosno nelegiranih metalnih materijala;

kompozitni materijali teko se odvajaju na sastavne komponente - npr.

staklenim vlaknima ojaani polimerni materijali;

odvajanje prevlaka i slojeva od osnovnog materijala oteava recikliranje.

Posebna panja poklanja se odvajanju kalajnih prevlaka (beli lim), bakra iplemenitih metala (elektokontakti);

neke vrste polimera se tee recikliraju (duromeri i elastomeri u odnosu na

termoplaste), dok neke razvijaju opasne gasove.


62/72


Teko (nedovoljno malo )

Nedovoljna ilavost (nedovoljno veliko KIC)

Nedovoljna jaina (nedovoljno veliko m)

Nedovoljna krutost (nedovoljno veliko E)

Krutost

JainailavostTeina

Sve OK !

Neki primeri izbora materijala


63/72


Funkcija:Hlaenje (toplotni ponor)

Ogranienja:Radna temperatura > 200CElektrina izolacija - R > 1020 cm

Termika provodnost - > 100 W/mKNije teko gustina < 3 g/cm3

Slobodne promenljive:Izbor materijala

Primer 1


64/72



65/72


Primer 2


66/72


Funkcija:Prenos elektrine struje

Cilj:Minimiziranje elektrine otpornosti

Ogranienja:Duina L i presek A su odreeni

e

LR

A

=

Slobodne promenljive:Izbor materijala

elektrina otpornost


67/72


Elektri

naotpornos

t


68/72


Ashby-jevi dijagrami za izbor materijala


69/72



70/72


Osobina #2

Osob

ina#1

nisko,nisko

visoko,

visoko

nisko,visoko

visoko,

nisko


71/72


Proces


72/72


Materijal

Keramike

Polimeri

Metali

Met. pene

Kompoziti

Prirodni mat.

Cu-legure

Al-legure

elici

Ti-legure

Ni-legure

Zn-legure

1220

1221

1223

1320

1520

1521

GustinaMehanika svojstva

Termika svojstva

Elektrina svojstva

Optika svojstva

Koroziona svojstva

Dodatne inform.

Familija Klasa lan Svojstva

Oblik

MATERIJAL

Documents

Predavanje 12 - Izbor materijala