Embed Size (px)
Citation preview
TEHNIČKI MATERIJALI - PREDAVANJA I VJEŽBE - 2010
SADRŽAJ
STRUKTURA MATERIJALA - DIO - I
1. UVOD1.1. VRSTE TVARI
2. MATERIJALI
2.1. OSNOVNE SKUPINE MATERIJALA
3. ATOMSKA STRUKTURA
4. MEĐUATOMSKE IMEĐUMOLEKULNE VEZE
4.1. MEĐU ATOMSKE VEZE4.1.1. Ionskaveza4.1.2. Kovalentna veza4.1.3. Metalna veza4.2. MEĐUMOLEKULNE VEZE4.2.1. Permanentna dipolna veza4.2.2. Promjenljiva dipolna veza4.2.3. Mješovite veze
5. STRUKTURA MATERIJALA - KRISTALNA STRUKTURA5.1. ATOMSKA STRUKTURA ČVRSTIH TVARI5.2. STRUKTURA METALA (KOVINA)5.2.1. Prostorna centrirana kubična rešetka5.2.2. Plošno centrirana kubična rešetka5.2.3. Kompaktna heksagonska rešetka5.3. STRUKTURE LEGURA (Kristali legura)5.3.1. Kristali mješanci ( Supstitucijski i intersticijski)5.3.2. Smiješani kristali5.3.3. Kristali intermetalnog spoj a5.4. STRUKTURE KERAMIKE5.4.1. Ionski kristali5.4.2. Kovalentnt kristali5.4.3. Staklaste strukture5.5. STRUKTURE POLIMERA5.5.1. Plastomeri (Termoplasti)5.5.2. Duromeri (Duroplasti)5.5.3. Elastomen (Gume)
6. KRISTALIZACIJA6.1. POLIKRLSTALINIČNOST6.2. POLIMORFIJA (Alotropija)
7. DIJAGRAMI STANJA (Fazni dijagrami)7.1. IZOMORFNI DIJAGRAM STANJA (Binarni dijagram)7.2. EUTEKTIČKI DIJAGRAM STANJA7.3. EUTEKTOIDNI DIJAGRAM STANJA
8. NESAVRŠENOST KRISTALNE GRAĐE8.1. TOČKASTE ILI NULDIMENZIONALNE NESAVRŠENOSTI8.1.1. Praznina il; vakanacij a8.1.2. Supstitucijski ili zamjenski atomi8.1.3. Intersticijski ili uključinski atomi8.2. LINIJSKE ILI JEDNODIMENZIONALNE NESVRŠENOSTI8.2.1. VRSTE DISLOKACIJA (Bridna i vijčana)8.3. POVRŠINSKE ILI DVODIMENZIONALNE NESAVRŠENOSTI8.3.1. Malokutne granice8.3.2. Velikokutne granice8.3.3. Granice dvojnika8.3.4. Fazne grarice8.4. PROSTORNE (VOLUMNE) ILI TRODIMENZIONALEN NESAVRŠENOSTI8.5. BRZINA PROCESA8.5.1. Difuzija8.5.2. Vrste difuzije
DIO - II
1. Mehanička svoj stva materij ala
DIO - III
1. Tribološkt svoj stva materij ala
3
1. UVOD
Svemir je sastavljen od materije koja je neprestano u gibanju. Materija postoji u dva oblika:kao čestice (elementarne i složenije) i njihove agregacije koje se nazivaju tvarima, a karakterizira ih fizikalna veličina masa. - Kao polje sila (gravitacijsko, elektromagnetsko, nuklearno) koje karakterizira fiz kalna veličina energija.
Oba su oblika materije čvrsto povezana međusobnom pretvorbom prema Einsteinovojjednadžbi:
E = m • c2 (J = kg . m2/s2)* 8 1
Gdje je E ukupna energija, m je masa i c je brzina svjetlosti - 3 - 1 0 ms" Proučavanjem prirode bave se prirodne znanosti: Kemija proučava tvari od kojih je sastavljen svemir:
Ispituje njihov sastav, strukturu i svojstva.Istražuje promjenu tvari, tj. reakcije kojima su tvari podvrgnute u prirodi, laboratoriju ili tehnici.
Fizika proučava stanja tvari i promjene tih stanja, tj. proučava energiju i njene pretvorbe -transformacije.Područja istraživanja kemije i fizike toliko su povezana da obje znanosti nazivamo fizikalnim znanostima. Pri kemijskoj promjeni bitno se mijenja sastav tvari, tj. produkt kemijske promjene nije više ista tvar. Pri fizikalnoj promjeni mijenja se energijsko stanje tvari dok sastav ostaje nepromijenjen. Ispitujući sastav, strukturu, svojstva i energijska stanja tvari kao i promjene kojima su te tvari podvrgnute, prirodne znanosti pridonose povećanju našeg znanja o nađenim činjenicama i o njihovim uzrocima, te tako i njihovoj tehničkoj primjeni.
1.1. VRSTE TVARI
Bilo koji stupanj sređenosti materije naziva se tvarima. Tvari se mogu podijeliti u dvije skupine:1. Homogen; tvari: u svakom djeliću su iste - željezo, bakar, zlato, kristal kuhinjske soli, morska voda itd.2. Heterogene tvari: sastavljene su od međusobno odijeljenih djelića homogenih tvari (heterogeni sustav) - kamen granit (tvrdi kristalići kremena, sjajne ljuskice tinjca i bijeli kristali glinenca), sivi lijev, mlijeko, dim (ugljik u izgornim plinovima).
Homogene tvariHomogene tvari možemo također podijeliti u dvije skupine:
1. Ciste tvari imaju točno određeni i stalan kemijski sastav i druga karakteristična konstantna svojstva.
2. Homogene smjese ili otopine su homogene tvari sastavljene od smjese čistih tvari. To su čvrste ili kristalne otopine, vodene otopine (šećer u vodi, alkohol u vodi) ili plinske smjese (zrak).
Jedna od osnovnih zadaća kemije je dobivanje čistih tvari iz njihovih homogenih i heterogenih smjesa.
Svojstva čistih tvariFizikalna svojstva tvari se očituju pri fizikalnim promjenama čistih tvari bez promjene kemijskog sastava. To su obično karakteristične konstante: gustoća, tvrdoća, talište i vrelište, kristalni oblik, topljivost, električna i toplinska vodljivost, magnetizacija.
4
Kemijska svojstva tvari očituju se prilikom njihovih kemijskih promjena, tj. kada pri kemijskim reakcijama prelaze u druge tvari.
Vrste čistih tvariJednostavne čiste tvari ili elementarne tvari ne mogu se dalje rastavljati na druge čiste tvari drugog kemijskog sastava kemijskim postupcima.Složene čiste tvari ili kemijski spojevi mogu nastati kemijskom reakcijom iz elementarnih tvari ili se mogu rastaviti na elementarne tvari.Kemijska reakcija nastajanja kemijskog spoja naziva se sinteza, a obrnuta reakcija rastavljanja kemijskog spoja naziva se analiza: živa + kisik —► (sinteza) živa-oksid živa-oksid —► (analiza) živa + kisikMateriju čine izvanredno sitne čestice (do sada više od 200 otkrivenih) od kojih su najjednostavnije kvarkovi i leptoni. Njihovim povezivanjem nastaju složenije čestice od kojih je za kemiju najvažniji atom.Kemijski element je skup svih istovrsnih čestica u prirodi (svemiru), tj. u kemijskom elementu vezani su istovrsni atomi.Kemijski spoj je- skup raznovrsnih atoma. Do danas je poznato 110 vrsta atoma odnosno kemijskih elemenata, više od 600 njihovih elementarnih tvari i milijuni njihovih kemijskih spojeva.Molekula je agregat od najmanje dva atoma u određenom rasporedu koji se drže zajedno kemijskim silama (vezama).
5
2. MATERIJALI
Materijali su čvrste tvari od kojih je nešto izrađeno ili sastavljeno na primjer razne konstrukcije. To im omogućuju određena fizikalna i druga svojstva.Tehnički materijali su oni materijali od kojih se izrađuju tehnički proizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalnih svojstava koja se nazivaju tehnička svojstva. Tvar koja posjeduje određena tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduvjeta da postane tehnički materijal.
- Mora se moći prerađivati, odnosno dovesti u željeni oblik (lijevanjem, obradom deformiranjem, obradom odvajanja čestica, zavarivanjem, sinteriranjem itd.). Mora biti ekonomična odnosno pristupačna cijenom, jer ako je preskupa teško dolazi u primjenu.
Svojstva materijala su reakcije, promjene stanja i ostale pojave koje opisuju ponašanje materijala pod djelovanjem vanjskih i unutaranjih utjecajnih faktora. Unutarnji faktor je struktura materijala (može biti amorfna). Vanjski faktori (čimbenici) su temperatura, opterećenje (trajno) i okolina.
Značajke materijala su mjerljive veličine i brojčano prikazane veličine, a određuju se prema normama (standardima). Na primjer: vlačna čvrstoća, tvrdoća, modul elastičnosti, toplinska i električna vodljivost, deformabilnost itd.
Proizvodnja i preradba materijala u gotove proizvode čine velik dio inženjerske djelatnosti. Inženjeri kreiraju većinu proizvoda i proizvodnih sustava. Zato trebaju poznavati unutarnju građu i svojstva materijala kako bi bili u stanju izabrati najpogodniji materijal i najprimjereniju tehnologiju izradbe za određeni proizvod. Na primjeru jednog tipičnog strojarskog proizvoda prikazane su razne unutarnje građe materijala (slika 1).
2.1. OSNOVNE SKUPINE MATERIJALA
Osnovne skupine tehničkih materijala prikazane su shematski na slici 2. To su metali i legure (kovine i slitine), keramika i staklo, polimeri, a posljednju grupu čine kompoziti. Kompoziti su složeni materijali, sastavljeni od najmanje dviju komponenata iz prethodne tri grupe. Neka od osnovnih svojstava pojedine grupe navedena su uz svaku grupu na slici 2.
Slika 1 - Prikaz razina građe materijala
Ispitivanjem materijala u okviru prirodnih znanosti dolazi se do informacija o uzrocima svojstava na razini atoma (poredak atoma i nepravilnosti u tom poretku).
6
* UVOP-ugljIćiiim vlaknima ojačani polimeri; (CFRP) -carbon fibre reinforced polymers ** SVOP-staklenim vlaknima
ojačani polimeri; (GFRP) -glass fibre reinforced polymers
Slika 2 - Shema podjele materijala s karakterističnim svojstvima
Tablice 1 i 2 sadrže temeljne informacije o pristupu podjeli materijala. Najprije se tablicom 1 prikazuje temeljna podjela materijala, gdje je polazište podjela na anorganske i organske materijale. Posebno se naglašava činjenica da se neki materijali susreću kao prirodni materijali odnosno oplemenjeni materijali.
Za praktičnu primjenu posebno je primjerena podjela na osnovne skupine materijala prema tablici 2.
Tablica 2 - Osnovne skupine materijala
SKUPINA MATERIJALA
ELEKTRIČNA I TOPLINSKA
VODLJIVOST
DEFORMABILNOST KEMIJSKA POSTOJANOST
DRUGE ZNAČAJNIJE KARAKTERISTIKE
Metali dobra da(i pri nižim temperaturama)
većinom nisu naročito postojani
reflektiraju svjetlo
Keramika loša ne vrlo postojani često su prozirni (amorfna struktura)tale se pri višim temperaturama
Polimeri loša da(pri nižim temperaturama krti, a pri relativno malo povišenim temperaturama deformabilni)
postojani pri sobnoj temperaturi
i na zraku
mala gustoćatale se i raspadaju pri relativno malo povišenim temperaturama
Uočavaju se tri osnovne skupine materijala koje se susreću kroz povijest civilizacije: metali, keramika i polimeri.Promatrano s povijesnog dijela stajališta materijali obilježavaju povijesne epohe, npr. kameno doba, brončano doba, željezno doba. U novije vrijeme se u tablici 2 navedenim osnovnim skupinama materijala - metalima, keramici i polimerima - dodaje i skupina koja je rezultat kombiniranja pojedinih osnovnih skupina materijala - kompozitni materijali. Kompozitne materijale (ili ukratko „kompozite") najjednostavnije (i najkraće) se definira kao materijale dobivene umjetnim spajanjem dvaju ili više materijala različitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponeneta sama za sebe. O kompozitnim materijalima može se govoriti i kao o materijalima po mjeri.
ANORGANSKI MATERIJALIORGANSKI MATERIJALINemetalni materijaliMetalni materijaliPrirodni organski materijaliOplemenjeni organski materijaliSintetski organski
materijaliPrirodni nemetaliOplemenjeni nemetaliPrirodni metaliOplemenjeni metali
KAMEN, MINERALNE ZEMLJEKERAMIČKI MATERIJALIŽELJEZO, OBOJENI METALIČ E L I K , LEGUREDRVO, KOŽA, KAUČUKCELULOZA (nitrirana, acetilirana),
VULKANIZIRANI K A U Č U K POLIMERI
Tablica 1 - Temeljna podjela materijala
7
Ovo se može povezati s konstatacijom da se u vezi sa smjernicama za rješavanja problema na području materija 1 a govori o:
raz voj u postoj ećih materij ala iiznalaženju novih materijala.
U vezi s razvojem materijala tijekom povijesti mogu se uočiti slijedeća razdoblja:- razdoblje u kojem nema razvoja materijala - materijali se primjenjuju u obliku u kojem su nađeni u prirodi, to jest oni se samo obraduju npr. tesanjem (npr. drvo i kamen);- razdoblje u kojem se materijali razvijaju na osnovi iskustva - empirijski razvijeni materijali (na pr. toplinski oćvrstive Al - legure);- razdoblje u kojem se materijali razvijaju kvalitativnom primjenom znanstvenih spoznaja (na primjer mikrolegirani čelici);- razdoblje u kojem se materijali razvijaju kvantitativnom primjenom znanstvenih spoznaja (npr. poluvodiči, kompozitni materijali).
Na slici 3 još se' jednom prikazuju osnovne skupine materijala, a kao podskupine tehnički važnih materijala- ističu se poluvodiči i slikoni. Tri su osnovne skupine materijala koje se susreću kroz povijest civilizacije. U novije vrijeme tim skupinama se dodaje i četvrta (kompoziti) koja'je rezultat kombiniranja prethodnih triju. Između metala i keramike su poluvodiči, a između keramike i polimera su slikoni, dvije podskupine tehnički važnih materijala.
8
METALI KERAMIKA POLIMERI
9
POLUVODIČI SILIKONI
10
KOMPOZITI
Slika 3 - Skupine i podskupine materijala
Svojstva materijala proizlaze iz strukture materijala, to jest u prvom redu od načina na koji su atomi poredani u veće organizacijske jedinice (molekule, kristale). Svojstva molekula i kristala, odnosno njihovih nakupina (to mogu biti i tako zvane nadmolekulne tvorevine) u velikoj mjeri ovise o prirodi i rasprostranjenosti, te rasporedu nepravilnosti (kemijske ili načinu gradnje).
U vezi s razmatranjem svojstava materijala značajno je razlikovanje «unutarnjih» svojstava materijala i svojstava proizvoda, odnosno uzimanje u obzir utjecaja prerade na svojstva.
3. ATOMSKA STRUKTURA
Osnovne čestice od kojih je građen atom su protoni, neutroni i elektroni. Priroda materije može se tumačiti ili na osnovi promatranja čestica ili na osnovi promatranja valova. Ova dvojnost između ostaloga znači da je ponekad povoljnije govoriti o materiji polazeći od predodžbe da se ona sastoji od čestica, a u drugim prilikama primjenom spoznaja kvantne mehanike (valne pojave, kvanti energije).Spomenute osnovne jedinice od kojih je građena materija mogu se ukratko opisati na slijedeći način:Elektroni su sitne čestice ili energijski valovi negativnog naboja. Naboj elektrona (Q) iznosi 1,69 x 10 "19C, a njegova masa (me) 9,1 x 10 31 kg. Ako govorimo o slobodnom elektronu kao čestici njegova se masa odnosi prema masi atoma vodika kao 1 : 1837. Stanje jednog elektrona u atomu opisuje se sa četiri kvantna broja.
Protoni su «teške» čestice, a masa im je 1836 puta veća od mase elektrona. Pozitivni naboj po količini jednak je naboju elektrona.
i,
Neutroni su «teške» čestice, a masa im je 1838 puta veća od mase elektrona. Neutroni su električno neutralni. U neutralnom atomu neutron nema ni električnog ni kemijskog utjecaja ali doprinosi masi (izotopi). Katkada se može uzeti da je sastavljen od po jednog protona i elektrona.
Atom je sastavljen od pozitivno nabijene jezgre oko koje se vrlo brzo gibaju elektroni. Broj elektrona upravo je tolik da neutraliziraju pozitivan naboj jezgre. Za proučavanje kristalne strukture atome je prikladno smatrati česticama (čvrstim kuglama). Inače je atom ponajprije prazan prostor. Elektroni, shvaćeni kao čestice, kruže oko jezgre koja se sastoji od protona i neutrona, u serijama orbitala ili ljuski, koje su analogne planetarnim orbitalama sunčevog sustava.Za ova razmatranja elektroni će biti promatrani kao odvojene čestice smještene u najvjerojatnijem položaju. Na toj osnovi elektroni nekog atoma tvore elektronske oblake u serijama orbitala'ili ljuski - to je vanjsko područje atoma. Međutim je stvarnije elektron predstaviti kao elektronski oblak različite gustoće vjerojatnosti nalaženja elektrona oko atomske jezgre. Razmatranje elektrona je tada kvantnomehaničko.Elektron u atomu može zaposjesti različita energetska stanja. Svako od tih stanja vodi do specifične strukture elektronskog oblaka i kvantizirano je konačnom energijom.
Atomski broj, maseni broj i izotopi
Svi se atomi mogli identificirati brojem protona i neutrona u njihovoj jezgri.
Atomski broj je broj protona u jezgri svakog atoma nekog elementa. U neutralnom atomu broj protona jednak je broju elektrona. Kemijski identitet atoma može se odrediti jedino njegovim atomskim brojem.
Maseni broj je ukupni broj protona i neutrona prisutnih u jezgri atoma nekog elementa. Jedina iznimka je atom vodika koji nema neutrona.U mnogo slučajeva atomi određenog elementa nemaju svi isti broj neutrona. Atome koji imaju isti atomski broj ali različitu masu nazivaju se izotopi.
Prema tome izotopi su atomi kod kojih jezgra sadrži isti broj protona, ali različiti brojneutrona. Na osnovi toga može se element definirati kao smjesu izotopa ili nuklida istogatomskog broja, gdje je nuklid vrsta atoma određenog sastava jezgre.Svi poznati elementi imaju dva ili više izotopa. U nekim slučajevima u prirodi postoji samojedan (npr. berilij, natrij, aluminij) jer su ostali nestabilni (radioaktivni).Najviše stabilnih izotopa ima kositar, njih 10. Vodik se sastoji od dva stabilna izotopa , protija ideuterija i jednog nestabilnog, tritija.
11
Simbole izotopa pišemo tako da maseni broj stavljamo kao indeks lijevo gore, a atomski broj lijevo dolje: 'iH^iH; 3iH.Kisik i ugljik imaju također po tri izotopa. Posebno je važan ugljikov izotop 12 ćC jer služi za određivanje relativne atomske mase elementa.
Relativna atomska masa (atomska težina)Atomi su vrlo sitne čestice nevidljive oku i ne mogu se vagati. Zato se određuje relativna atomska masa, to jest masa nekog atoma u odnosu na masu drugog atoma. Relativne atomske mase očitavaju se iz periodnog sustava elemenata. Kao standard prema kojem se odeđuje atomska masa uzima se izotop ugljika koji ima u jezgri 6 protona i 6 neutrona. Jedinica atomske mase je definirana kao masa jednaka jednoj dvanaestim mase atoma ugljika 12. Relativna atomska masa (atomska težina) elementa je omjer prosječne mase atoma elementa i 1/12 mase atoma nuklida I2C:
Ar = mj ma (12C)/12
Relativna molekulska masa (Mr) neke jedinke (tvari) je omjer prosječne mase molekule i 1/12 mase atoma izotopa C-12:
Mr = m,/ ma (12C)/12Relativna molekuska masa se računa tako da se zbroje relativne atomske mase svih atoma koji čine molekulu.MOL je množina (količina) onog sustava koji sadrži toliko jedinki koliko ima atoma u 0,012 kg ugljika-12. Jedinke mogu biti atomi, molekule, ioni, skup atoma,... Znak za množinu tvari je n, a jedinica mol. U praksi se količina tvari potrebna u nekom procesu obično iskazuje masom ili volumenom, jer se najčešće upotrebljava vaga ili neko odmjereno posuđe:.Molarna masa je fizikalna veličina koja definira omjer mase i množine tvari. M = m/n (kg/mol ili g/mol). SI jedinica za molarnu masu (M) je (kg/mol, ali se mnogo češće rabi decimalna jedinica g/mol. Molarna masa se ne nalazi u tablicama periodnog sustava već se može izračunati iz relativne atomske mase ili relativne molekulske mase prema izrazu: M (X) = Ar (X) g/mol; M (Y) = Mr (Y) g/mol.
Kemijski elementi poredani su u niz po rastućem atomskom broju, a kako se povećava atomski broj za jedinicu, tako u atom pridolazi po jedan elektron. Tako je sačuvana periodičnost njihovih svojstava. Kemijski slični elementi svrstani su u vertikalne skupine . Poredanost elemenata prema rastućem broju i sličnost svojstava može se objasniti elektronskom strukturom njihovih atoma. Tablica 3 prikazuje prirodni ili periodni sustav elemenata. U prirodnom ili periodnom sustavu elemenata elementi su svrstani u 7 horizontalnih redova koje nazivamo periode.Prvi elemenat u tablici je vodik, koji ima samo jedan elektron. Helijev atom ima dva elektrona. Prva ljuska je tim« popunjena i sada treći elektron (kod litija) mora ići u najnižu orbitalu druge ljuske. Sa litijem ae otvara nova ljuska i započinje novi red periodne tablice elemenata. Elementi u tom redu dodaju svoje elektrone u drugu ljusku dok je potpuno ne popune kod neona. Kada se počinje stvarati nova ljuska u strukturi atoma, započinje novi red u periodnom sustavu elemenata. Slijedi da ti prvi elementi u redu, alkalni metali, svi posjeduju jedan jedini elektron u posljednjoj ljusci. Kod natrija koji slijedi iza neona, 10 elektrona popunjava prvu i drugu ljusku, a jedanaesti ide u najnižu orbitalu treće ljuske. Elementi koji popunjavaju d-orbitale poznati su kao prijelazni elementi (prijelazni metali). Unutarnji prijelazni elementi su lantanidi i aktinidi.Usporedbom izgradnje atomskih orbitala atoma elemenata s poretkom elemenata u periodnom sustavu vidi se da:
1. periodu čine dva elementa koji izgrađuju K-ljusku;2. periodu čini 8 elemenata koji izgrađuju L-ljusku;3. periodu čini 8 elemenata koji izgrađuju M-ljusku;4. periodu čini 18 elemenata koji izgrađuju N-ljusku i nedovršenu M-ljusku;5. periodu činil8 elemenata koji izgrađuju O-ljusku i nedovršenu N-ljusku;6. periodu čine 32 elementa koji izgrađuju P-ljusku i nedovršene N i O-ljuske;
7. perioda je nedovršena i sadrži 24 elementa koji izgrađuju Q-ljusku i nedovršene O i P-ljuske.
Alkalni metali i prijelazni metali su podgrupe dviju mnogo širih grupa metala i nemetala. Stalno se misli daje metal materijal onaj koji ima visoku toplinsku i električnu vodljivost, ako je neproziran i sjajan, te ako ima značajnu mehaničku čvrstoću u kombinaciji s nešto duktilnosti. Svi ostali materijali trebali bi biti nemetali. Takvo razlikovanje nije potpuno
12
zadovoljavajuće jer nema nijednog značajnog svojstva metala, koje je uvijek odsutno u nemetalnom materijalu.U strojarskom smislu pojam metalno primjenjuje se na makroskopske objekte kao što su npr. bakreni vod, čelični nosač itd. U takvim objektima ima veliki broj atoma koji djeluju istodobno u specijalnom metalnom stanju, stanju fizičkih i mehaničkih svojstava karakterističnih za metale.S kemijskog gledišta, metali su elementi koji tvore jako bazične okside i hidrokside i u kombinaciji s kiselinama tvore soli. Ovdje su od primarnog značaja svojstva pojedinačnih atoma. Strojari se bave svojstvima koja dolaze od velikog broja atoma.
Glavni faktor koji određuje kemijska svojstva je broj elektrona u vanjskoj ljusci. Nemetali s relativno velikim brojem vanjskih elektrona nalaze se na desnoj strani periodičkog sistema elemenata, a metali s malim brojem elektrona na lijevoj strani. Elementi u sredini tablice posjeduju i metalne i nemetalne karakteristike.
13
iJO COc(1)
E >
RJ
»3 (A
C "D O 'E 0) 0.
(259
)N
o10
2
5 EK> i___ e»r- aJJ >-<D 111 C0 r- *** <0 I I I
0» O " l ì
srw Il u s
S D $
irt U)
w I tO
a £0 S
s o s t? E
a o »S LU S , E
*- E
8 / A «
3 3
p a E z soa-'s
». u S D . «T- II)
138,
91 L
a57 s o 8"<i
5 « 5 «
3io
4,003He8 »-8 i* 8 * 8 5.X 5- •* — '5 3(0
T-mT-& Q.
s s °.S CD «OJ cos.o
^ cov ^ 'i"tpls- c«0IPs-=HJ c
i- — ot »- »8 ^ £ CMs cS' N g ». O)
8 X g r-8 3s'Os». 0)
S < * ? 3O1 0« 9» cl »fa= -0>s o». JC 2
CC !?»■-£iasa —» ìboi —> broj —^£ 002s ,a>
8 U- 8<-. 3* wSo.£31 -« d)S flC i>
y~ *"* NOaton(08s o• 5* «NswS! n5.Q
S fZs ! i8.1155 ^ a S A . S = BI 5«8 ^ 8 5 =
Mbi*8 COS uJJ co«• co laz«* □S (Qa Zpo8' * 2 S13SCC ft5 0 8
CM
(0
2 1
14
epouad
Tablica 3 - Periodili sustav elemenata
15
Odnos između elektronske strukture i kemijskih svojstava postaje jasniji kada se promatraju atomi kemijski sličnih i kemijski različitih elemenata (Li, Na, i K te F, Cl i Br). Vidljivo je da svaki alkalni metal (Li, Na i K) ima samo jedan elektron u posljednjoj ljusci. Slično, svaki halogeni element (F, Cl i Br) ima sedam vanjskih elektrona. Struktura unutarnjih ljusaka ne daje takve osnove za razlikovanje tih dviju grupa (i često je identična i kod kemijski različitih atoma). Zbog toga se vanjski elektroni nazivaju valentni elektroni. To svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s određenim brojem atoma drugog elementa naziva se njegovom VALENCIJOM.Valentni elektroni uzrokuju većinu svojstava interesantnih s inženjerskog stanovišta. Kemijska svojstva, prirodu međuatomskih veza (i odatle čvrstoću i duktilnost), veličinu atoma, električnu i toplinsku vodljivost i utječu na optičke karakteristike.Činjenica da kemijska svojstva ovise o konfiguraciji vanjske ljuske i da su plemeniti plinovi (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) kemijski neaktivni ukazuje da valentni elektroni plemenitih plinova moraju graditi vrlo stabilnu elektronsku strukturu. Osim helija, koji ima dva elektrona u ljusci, svi atomi plemenitih plinova u vanjskoj ljusci imaju osam elektrona (oktet). Veliku stabilnost atoma plemenitih plinova potvrđuju velike energije ionizacije koje su potrebne da se elektron ukloni iz atoma. Stabilnošću okteta može se protumačiti aktivnost atoma ostalih elemenata, ako se pretpostavi da njihovo kemisjko ponašanje proizilazi iz nastojanja da se postigne najstabilniji raspored njihovih elektrona. Alkalni metali koji imaju sam jedan elektron otpuštanjem tog elektrona postižu stabilni oktet, to jest elektronsku kofiguraciju inertnog plina koji prethodi alkalnom metalu. Halogeni elementi, na drugoj strani, sa sedam valentnih elektrona mogu postići strukturu plemenitog plina primajući jedan elektron, čime postžu elektronsku konfiguraciju plemenitog plina koji dolazi u redu iza njih.
Prema tome elementi se mogu podijeliti u dvije osnovne grupe:- Elemente koji otpuštaju elektrone i tvore stabilne vanjske ljuske - elektropozitivni elementi- Elemente koji primaju elektrone - elektronegativni elementi.
Metali su elektropozitivni elementi i oni lako predaju elektrone u kemijskom spajanju, jer im atomi imaju samo nekoliko valentnih elektrona (često samo jedan). Nemetali su prema tome elektronegativni elementi jer lako primaju elektrone. To je osnova za kemijsko razlikovanje elemenata.Kod prijelaznih elemenata su također izražena metalna svojstva, ali metalna svojstva postaju manje uočljiva koji elemenata s većim brojem valentnih elektrona u nihovim atomima. Kad atomi jednog elementa imaju nekoliko valentnih elektrona na primjer kositar (4) i bizmut (5) nije sigurno da li će atom izgubiti ili primiti elektrone u kemijskom spajanju, a iz toga proizilazi da li će imat metalna ili nemetalna svojstva.Sa šest ili sedam valentnih elektrona u atomu jako su izražene elektronegativne karakteristike. Takvi atomi su tip ični nemetali (O, S, F, Cl).
Alkalni metali su: Li, Na, K, Rb, Cs i Fr.Zemnoalkalni metali su: Be, Mg, Ca, Sr, Ba i Ra.Halogeni elementi su: F, Cl, Br, J i At (nemetali).Plemeniti (inertni) plinovi su: He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn (nemetali).Nemetali su: B, C, N, O, P i S.Prijelazni metali su: Sc do Zn; Y do Cd; La do Hg i Ac. Laki metali su: Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Rb i Sr.Teški metali s visokim talištem su: Ti, W, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, V, Pt, Ag i Au. Teški metali s niskim talištem su. Zn, Ga, Cd i Hg.Rijetke zemlje su: od La (57) do Lu (71); odnosno atomski redni brojevi 57 do 71.
Lantanidi (Lantanoidi) su La do Lu (atomski brojevi 57 do 71). Aktinidi (Aktinoidi) su Ac do Lr (atomski brojevi 89 do 103).
4. MEĐUATOMSKE I MEĐUMOLEKULNE VEZE 4.1.
MEĐUATOMSKE VEZE
Međusobnim spajanjem atoma istog elementa nastaju molekule tog elementa, a spajanjem atoma raznih elemenata nastaju kemijski spojevi točno određenog i stalnog kemijskog sastava. Međusobno se spaja točno određeni broj elemnata. To svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s određenim brojem atoma nekog drugog elementa naziva se njegovom velencijom. Elemenat može biti monovalentan (spaja se samo s jednim atomom drugog elementa), polivalentan (veže se s više atoma drugog elementa) i multivalentan (jedan te isti element može imati više valencija).Kada se međusobno spajaju dva atoma ili više, oni to čine pomoću elektrona u vanjskim ljuskama. Atom za valenciju daje polupopunjene ili privremeno popunjene elektronske orbitale. Ranije je spomenuto da su to valentni elektroni.Atomi se međusobno spajaju zato što spojevi čine energijski stabilniji sustav, atomi prelaze u takve elektronske konfiguracije koje omogućuju sniženje energije i to tako:
16
a) Da atomi prijeđu u pozitivno i negativno nabijene ione, koji međusobnim privlačenjem (uz oslobađanje potencijalne energije) čine ionsku vezu u ionskoj kristalnoj rešetki.
b) Da se atomi spoje kovalentnom vezom stvaranjem zajedničkog elektronskog para diobom elektrona. Kako kovalentnu vezu karakterizira stvaranje zajedničkog elektronskog para diobom elektrona, očito je moguće da se elektroni prilikom izmejne mogu naći više u području jednog od spojenih atoma i to onog koji ima veći afinitet za elektrone, to jest veću elektronegativnost. Elektronegativnost je snaga atoma kojom privlači elektrone u kemijskoj vezi. U graničnom slučaju elektronski par se nalazi gotovo potpuno u području atoma većeg afiniteta, koji dobiva negativan naboj, a drugi atom pozitivan naboj. To pak karakterizira ionsku vezu. Znači ne postoji oštra granica između kovalentne i ionske veze, več postoji kontinuirani prijelaz. Prevladava li doprinos ionske veze, govori se o ionskoj vezi s djelomičnim kovalentnim karakterom. U obrnutom slučaju govori se o kovalentnoj vezi s ionskim karakterom. Znači da je zapravo među atomima u biti jedna to jest elektronska interakcija. Kako se, međutim, takva interakcija valentnih elektrona očituje u različitosti svojstava tvari govori se o dvije vrste veza.
c) Kada se valentni elektroni kreću u međuatomskim prostorima kristalne rešetke metala poput molekula plina, u tom slučaju su nazvani «elektronskim plinom». Slobodni elektroni povezuju u kristalnoj rešetki nastale pozitivne metalne ione. Ta veza se zove metalna veza.
Koja će od navedenih vrsta veza nastati između spojenih atoma, ovisi o elektronskoj konfiguraciji slobodnih atoma, to jest o energijskom stanju njihovih valentnih elektrona. Te veze se zovu primarne (kemijske, jake) veze.
Razlikuju se slijedeće međuatomske veze: Ionska veza, Kovalentna veza i - Metalna veza.
4.1.1. Ionska vezaIonska ili heteropolarna veza je česta u anorganskoj kemiji i najjednostavniji primjer međuatomskog vezivanja. Ta veza postoji između nekih različitih atoma ili različitih grupa atoma. Elektron se prenosi s metalnog atoma na nemetalni atom i tako nastala dva iona se drže zajedno elektrostatskim privlačenjem.
U ionsku vezu stupaju različiti atomi, a karakterezira je razmjena elektrona. Elektropozitivni atom (metal) daje elektrone, a elektronegativni atom (nemetal) uzima elektrone. To shematski prikazuje slika 4.
Ionska veza se zasniva na električnom privlačenju suprotno nabijenih iona. Primjer: Na+ + Cl" = NaCl (kuhinjska sol). Na atom predaje jedan elektron koji prima Cl. Na taj način nastaje molekula NaCl. Kod čvrstih tvari s ionskom vezom javljaju se ionski kristali (ionska rešetka je pravilan prostorni razmještaj iona u kristalu), a to prikazuje slika 4.
Na a
Slika 4 - Primjer ionske veze i ionske rešetke
Plastično deformiranje kristala prikazanog na slici 4 nije moguće. To se objašnjava na slijedeći način. Pomak iona za jedan međuatomski razmak vodi do susreta kationa (pozitivno nabijen ion) i aniona (negativna nabijen ion). Istoimeni naboji se odbijaju što ima za posljedicu razaranje kristala. Drugim riječima kristal nije deformabilan (kao što je to na primjer slučaj kod kristala metala). Osim toga takav kristal nije vodič elektriciteta i topline budući da nema elektrona.
Općenita svojstva zbog ionskog načina vezivanja su:1. Veza između iona je električne prirode.
17
2. Ionska veza zbog svoje električne prirode nije usmjerena u prostoru, već električno privlačenje djeluje oko cijelog iona i ionski spojevi kristaliziraju u gusto slaganim strukturama, kao na primjer natrij-klorid.
3. Zbog jakog električnog privlačenja suprotno nabijenih iona kristali su prilično tvrdi s visokim talištem i vrelištem.
4. Ionski spojevi su obično lako topljivi u vodi. Vodena otopina provodi električnu struju, jer se u njoj nalaze slobodni ioni. I rastaljene soli provode električnu struju jer su se ioni dovođenjem toplinske energije oslobodili veze.
4.1.2. Kovalentna vezaKovalentna veza nastaje diobom elektrona između dva ista ili različita atoma. Shematski prikaz formiranja molekule klora iz dva atoma prikazanje na slici 5. Atom klora ima 7 elektrona u vanjskoj ljusci. Cl + Cl = Cb
a a
Xo
Slika 5 - Shematski prikaz formiranja molekule klora
Kovalentna veza je veza «para elektrona*. Zasniva se na stvaranju mostova među susjednim atomima, a mostovi se sastoje od po dva elektrona (par elektrona). Ovaj oblik veze ima tehničko značenje kod elemenata s četiri valentna elektrona - na primjer Ge (poluvodiči), C (polimeri) itd.Priroda kovalentnog vezivanja može se objasniti i na primjeru molekule vodika. Ako su dva izolirana atoma vodika svaki sa svojim elektronom u osnovnom stanju približavaju jedan drugom, elektronski oblaci se preklope. Svaki elektron privlačenje k drugoj jezgri i preklapanje se povećava. Dvije atomske orbitale sjedinjuju se u jedan veći elktronski oblak nazvan molekulna orbitala. Unutar molekulne orbitale dva elektrona privlačena su od obiju jezgara i molekula, što rezultira sa stabilnošću znatno većom od dva usamljena atoma. Shemu nastajanja molekule vodika (b) od dva usamljena atoma (a) prikazuje slika 6. H + H = H2
Slika 6 - Shema nastajanja molekule vodika (b) od dva usamljena atoma (a)
Mnogo bolji primjeri kovalentne veze su dijamant, silicij i germanij. To su materijali s visokim modulom elastičnosti. To je dominirajuća veza u keramici i staklima., a isto tako doprinosi visokom talištu metala (volfram, molibden, tanatal, itd.). Prisutna je također kod polimera povezujući atome ugljika u duge polimerne lance. Međutim, kako polimeri sadrže i druge slabije veze, njhov modul elastčnosti je malen.
18
Svaki ugljikov atom ima četiri valentna elektrona i može stvoriti elektronske parove sa četiri susjedna atoma, tako da postigne konfiguraciju od osam elektrona u vanjskoj ljusci. Oblik nastalih orbitala može se predstaviti tetraedrom u čijem se središtu nalazi centar atoma ugljika, a orbitale su usmjerene prema četiri vrha tetraedra (slika 7a). Visokosimetrični oblik orbitala uzrokom je usmjerenosti veza u dijamantu. Vežu li se na sva četiri vrha tetraedra ugljikovi atomi nastaje prostorno pravilna struktura dijamanta, najtvrđeg materijala (slika 7b). Međutim, vežu li se na vrhove tetraedra vodikovi atomi nastaje plin metan (CH4), (slika 7c).
Sllika 7 - a) Atom ugljika s četiri ekvivalentne sp3- hibridne orbitale; b) Kristalna struktura dijamanta; c) Struktura molekule metana (CH4)
4.1.3. Metalna veza
Metalna veza prevladava kod metala i njihovih legura. Valentni elektroni nisu vezani na pojedinačne atome ili parove atoma, već se gibaju slobodno kroz cijelu kristalnu rešetku metala. Metalna veza je kemijska veza izazvana električnim privlačenjem metalnih iona i slobodno pokretnih elektrona. Nju dakle karakteriziraju elektrostatske sile između elektronskog plina i pozitivno nabijenih atoma (kationa). Atomi metala u pravilu predaju elektrone te postaju pozitivno nabijeni ioni. Budući da u čistim metalima nema atoma koji primaju elektrone, predani elektroni - tako zvani valentni elektroni ostaju slobodni (elektronski plin). Slika 8 daje shematski prikaz metalne veze.
19
pozitivni ioni (jezgra + unutarnji elektroni)
20
Slika 8 - Shematski prikaz metalne veze
Dakle, unutarnja struktura metala se sastoji iz dva dijela:1. skupa pozitivnih iona koje čine atomske jezgre i nevalentni elektroni i2. «elektronskog plina» slobdnih valentnih elektrona koji vrve između iona kroz cijeli metal.
Vezna sila ostvarena je privlačenjem pozitivnih iona i negativnih valentnih elektrona, koji kontinuirano promiču između njih. To je vrlo čvrsta i neusmjerena veza koja se može prekinuti i ponovno uspostaviti, zbog čega su metali duktilni i kovki. Osim toga lako gibanje elektrona omogućuje visoku električnu i toplinsku vodljivost metala. Nadalje, neusmjerenost veze je razlogom da se atomi metala slažu vrlo gusto dajući slagane kristalne strukture. Slika 9 prikazuje metalnu vezu natrija.
4.2 MEĐUMOLEKULNE VEZE
Sekundarne ili međumolekulne veze mnogo su slabije od primarnih ili međuatomskih veza. One su vrlo značajne. One su razlogom kondenziranog stanja tvari s molekulnom građom - čvrstog i kapljevitog. Primarne veze su odgovorne za stabilnost molekule, a međumolekulne za opća svojstva tvari kao što je talište, vrelište i slično.Van der Waalsove sile. Molekule koje posjeduju dipolni moment, poput iona, posjeduju vanjsko električno polje, dakako mnogo slabije od električnog polja iona. Molekula ima dipolni moment samo kad se središta pozitivnog i negativnog naboja molekule ne poklapaju. Između dva raznovrsna atoma u molekuli veza je to jače polarnog karaktera što je veća razlika u relativnoj elektronegativnosti atoma. Nastali dipoli u takvim molekulama uzrokuju uzajamna elektrostatska dipolna privlačenja (permanentni dipoli). Te su privlačne sile to veće što je veći dipolni moment molekule i što je veća molekulna masa, odnosno stoje veći broj elektrona u molekuli. Dioplni moment u definira se kao vrijednost električnog naboja q pomnožena razmakom a između centra pozitivnog i negativnog naboja: u = q. a. Visoko pozitivni ili negativno nabijeni ioni mogu i kod inače nepolarnih molekula izazvati dipol deformacijom elektronske strukture molekule (inducirani dipoli). Takve dipolne sile među molekulama nazivaju se inducirane van der Waalsove sile, a veze koje mogu nastati privlačenjem permanentinih ili induciiranih dipola nazivaju se van der Waalsove veze.
4.2.1 STALNI (permanentni) DIPOLI:
Slika 9 - Shematski prikaz metalne veze atoma natrija
• A.'AÓ.OGO* elektronski plin" valentnih elektrona
Xo
21
A) VAN DER WAALSOVA VEZA
Dipolne privlačne sile molekula nazivaju se općenito i VAN DER WAALSOVE PRIVLAČNE SILE,a veza koja s tim privlačenjem može nastati naziva se VAN DER WAALSOVA VEZA. Molekula ima dipolni moment samo kada se središta negativnog i pozitivnog naboja molekule ne poklapaju. Između dva raznovrsna atoma u molekuli je veza to jače polarnog karaktera što je veća razlika u relativnoj elektronegativnosti atoma. Nastali dipoli u takvim molekulama uzrokuju uzajamna elektrostatska dipolna privlačenja (permanentni dipoli). Te privlačne sile to su veće što je veći dipolni moment molekule i što je veća molekulna masa, odnosno što je veći broj elektrona u molekuli.Primjer je povezivanje molekula HC1 van der Waalsovom vezom. Područje atoma klora imacentar negativnog naboja jer je elektronegativniji, a područje atoma vodika ima centarpozitivnog naboja. U van der Waalsovoj vezi negativno nabijeni dio molekule privlačielektrostatskim silama pozitivno nabijeni dio molekule.H
8+ - Cl8"---------H8+ - Cl5"
B) VODIKOVA VEZAPermanentna dipolna veza prikazana na slici 10 je vodikova veza. Vodikova veza javlja se između molekula u kojim su vodikovi atomi povezani s najjače elektronegativnim atomima, to jest atomima fluora, kisika i dušika. Vodikova veza je jača od van der Walsove veze, a slabija od ionske i kovalentne veze. U molekuli vode područje vodikovog atoma ima centar pozitivnog naboja, a područje kiskiovog atoma ima centar negativnog naboja (slika 10a). U vodikovoj vezi između molekula vode negativno nabijeni dio molekule privlači elektrostatskim silama pozitivno nabijeni dio druge molekule (slika 10b). U tekućoj vodi i ledu stvreni su relativno jaki međumolekulni dipolni momenti između molekula vode.Kristali u kojima su atomi, ili molekule povezani samo slabim van der Waalsovim vezama imaju nisko talište, jer je potrebna mala toplinska energija da svlada tu vezu. Nastala tekuća
Slika 10 - a) Permanentni dipol molekule vode. b) Vodikova veza između molekula vode
Na primjer: atom fluora ima centar negativnog naboja jer je elektronegativniji, a područjeatoma vodika ima centar pozitivnog naboja. H8+ F5"-------------H5* F8"
4.2.2. PROMJENLJIVA DIPOLNA VEZA
C) INDUCIRANE DIPOLNE VEZE
Visoko pozitivno na primjer željezo Fe2+ i negativno nabijeni ioni mogu i kod nepolarnihmolekula na primjer kisika O2 izazvati dipol (inducirane dipole) deformacijom elektronskestrukture molekule. Fe2+----------O2
D) DISPERZIRANE (Londonove) VEZE
Disperzirane veze daju objašnjenje za međumolekulno privlačenje i kod molekula koje nemaju trajni niti inducirani dipol. Prema kvantnomehaničkoj teoriji elektroni u atomu i molekuli u stalnom su orbitalnom gibanju. Atomne i molekulne orbitale predstavljaju samo prosječnu gustoću naboja. Zbog toga može doći u svakom trenu do nesimetrične raspodjele naboja u atomu ili molekuli - znači da su nepolarna molekula ili atom sami sebe polarizirali, to jest nastao je nestalan (promjenljiv) dipol.Elektroni u najnižem energetskom stanju posjeduju minimalnu energiju i osciliraju ili vibriraju oko ravnotežnog položaja s određenom frekvencijom. Tako i pozitivno nabijena jezgra oscilira obzirom na
22
svoj negativni elektronski oblak. To može dovesti do trenutačne nesimetrične raspodjele pozitivnog i negativnog naboja i nastaje kratkotrajni promjenljiv dipol. Takav dipol može izazvati kratkotrajne promjenljive dipolne momente u drugim atomima ili molekulama. Ove vrlo slabe međumolekulne privlačne sile nazivaju se disperznim privlačnim silama. One uvijek postoje između polarnih ali i nepolarnih atoma i molekula i doprinos su van derWaalsovim silama. Na primjer: F - F------------F -F; Ar-----------ArSlika 11 daje shematski prikaz promjenljive dipolne veze između molekula klora
Slika 11 - Shematski prikaz promjenljive dipolne veze između molekula klora
4.2.3. Mješovite vezeNa kraju ovg razmatranja o međuatomskim i međumolekulnim vezama treba kazati da sve navedeno vrijedi za idealni slučaj. U stvarnsoti se veze među atomima realnih materijala ne mogu prikazati kao jedan od idealnih tipova. Shematski se to može prikazati pomoću tzv. tetraedra veza - slika 12. Veliki broj tvari nema samo jednu nego više tipova veza. Tablica 4 prikauje sažetak o osnovnim vrstama veza.
NaCl (ionska) Na (metalna)
Slika 12 - Shematski prikaz međuatomsko - međumolekulnih veza
van dar Waala
24
5. STRUKTURA - KRISTALNA STRUKTURA 5.1.
ATOMSKA STRUKTURA ČVRSTIH TVARI
Većina čistih tvari u čvrstom stanju je kristalične prirode. Kristalična tvar ima određeni oblik i volumen koje mijenja samo pod utjecajem znatnih sila. Ukoliko tvari nemaju kristalični oblik, tada se govori o amorfnoj strukturi. U tom stanju su atomi ili molekule potpuno nesređene (nema pravilnosti u poretku). Amorfne su npr. tekućine, staklo i djelomično polimeri. Kristalna i amorfna građa razlikuju se u:
izgledu ploha prijeloma i - prozirnosti (amorfni materijali su prozirni, npr. staklo).
Kristal ima određen geometrijski oblik koji je u vezi s unutarnjom građom, tj. rasporedom strukturnih jedinica - atoma, iona i molekula. Kristalna struktura je pravilan trodimenzionalan model rasporeda atoma u prostoru. Kristalne strukture u krutom stanju opisane su u obliku idealiziranog geometrijskog koncepta nazvanog prostorna rešetka. Prostorna rešetka je trodimenzionalni skup točaka u kojem je svaka točka okružena na identičan način drugim točkama. Te točke nazivaju se čvorovi rešetke. Točke rešetke mogu biti složene na samo 14 različitih načina.Neka svojstva kristala određene tvari različita su u različitim smjerovima. To se zove anizotropija, dok pojava kada su svojstva ista u svim smerovima zove se izotropija. Svaki kristal sastoji se od trodimenzionalno pravilno raspoređenih strukturnih jedinica, a njihov raspored daje karakteristična svojstva i oblik kristala.Kristalna struktura neke tvari je cjelokupni pravilni raspored strukturnih jedinica u tzv. prostornoj rešetki. Matreijali koji imaju takvu strukturu su kristalični mterijali. Prostorna rešetka je sustav točaka koje predstavljaju mjesta s identičnom okolinom u istom smjeru u kristalu.Jedinična ćelija je najmanji mogući dio prostorne rešetke koji, ponavljan u tri dimenzije, daje cijelu kristalnu rešetku. Jedinična ćelija kristalne strukture sadrži najmanji mogući broj strukturnih jedinica (atoma, iona ili molekula).
Sve kristalne strukture mogu se prikazati s četrnaest jediničnih ćelija (tablica 5) razvrstanih u sedam kristalnih sustava: kubični ili teseralni, tetragonski, rompski ili ortorompski, trigonski ili romboedarski, mo'noklinski, triklinski i heksagonski.
Tablica 5 - Prostorne rešetke
Red. br.
Tip rešetke Odnos osi i parametara
1. Jednostavna kubna a = p = Y = 90u a = b = c2. Plošno centrirana kubna a = p = y = 90u a = b = c3. Prostorno centrirana kubna a = p = 7 = 90u a = b = c4. Jednostavna tetragonska a = p = y = 90u a = b ^ c5. Prostorno centrirana tetragonska a = p = y = 90u a = b ^ c6. Jednostavna ortorombska a = p = y = 90u a ^ b ^ c7. Bazno centrirana ortorombska a = p = y = 90u a ^ b ^ c8. Plošno centrirana ortorombska a = p = Y = 90° a ^ b ^ c9. Prostorno centrirana ortorombska a = p = Y = 90u a ^ b ^ c10. Jednostavna romboedarska a = p = Y^90 u< 120u a = b = c11. Jednostavna monoklinska a = y = 90 V 3 a ^ b ^ c12. Bazno centrirana monoklinska a = Y = 90VP a ^ b ^ c13. Jednostavna triklinska a ^ p ^ y ^ 9 0 u a ^ b = c14. Jednostavna heksagonska a =P = 90u;Y=120u a = b ^ c
Vrsta vezeBrojzajedničkih elektronaVrsta atoma (molekula) u veziNapomenaIonska1 ili višerazličiti predanihjako elektrostatsko privlačenje ionaKovalentna2 u jednom paruisti ili različitielektronski par „okreće" se u zajedničkoj orbitali oko jezgre; jedan atom nadomješta jedan elektron u jednom paru; moguće više parova (dvostruka i trostruka veza)Metalnasvi valentniistiopće privlačenje velikog broja pozitivnih iona (jezgra + nevalentni elektroni) s raspršenim oblakom elektronaVan der Waalsova0iste ili različite molekuleslabo elektronsko privlačenje zbog nesimetričnosti električnog naboja u nepolarnim ili polarnim molekulama
Tablica 4 - Sažetak o osnovnim vrstama veza
Za opisivanje prostornih rešetki koristi se označivanje osi i parametara prema slici 13b. Tako je kristalna struktura određena jediničnom ćelijom koja je pak određena dimenzijama, tj. razmakom pojedinih strukturnih jedinica, kao i njihovim rasporedom i brojem u jediničnoj ćeliji. Zato svaka kristalna rešetka može biti opisana definiranjem položaja atoma u jediničnoj ćeliji čijim ponavljanjem u smjeru kristalografskih osi nastaje kristalna rešetka, slika 13.
Slika 13 - Kristalna rešetka idealnog kristaličnog materijala (a) i jedinična ćelija (b) 5.2.
STRUKTURA METALA (KOVINA)
Svojstva materijala ovise uglavnom o rasporedu atoma, iona ili molekula u njima i vezama između njih, tj. o strukturi materijala.Jedinična ćelija je dakle osnovna gradbena jedinica kristalne rešetke:
Kristalografske osi simetrije su: X, Y i Z;Kutovi između kristalografskih osi su a, p i y i
Parametri na kristalografskim osima su a, b i c. Jedinične ćelije sa skupom koordinatnih osi imaju početak u jednom od čvorova rešetke.
Kutovi i parametri su konstante kristalne rešetke. Kombiniranjem kutova i parametrara nastaju različiti kristalografski sustavi od kojih su najznačajniji:
- Kiibični (a = b = c,a = (3 = y = 90°);- Heksagonski(a = b^c,a = p = 90°,y = 120°) i- Tetragonski (a = b fr, a=(3=y=90°).
Većina metala kristalizira u kubičnom i heksagonskom sustavu. Oko 90% metala kristalizira u tri tipa gusto složenih kristalnih rešetki:
Prostorno centrirana kubična rešetka (BCC - body-centered cubic);- Plošno centrirana kubična rešetka (FCC - face-centered cubic); Kompaktna
heksagonska rešetka (HCP - hexagonal close-packed).Slika 14 prikazuje najznačajnije jedinične ćelije. Jedinična ćelija je vrlo mala.
BCC FCC HCP
Slika 14 - Najznačajnije jedinične ćelije
Na primjeru željeza (Fe) prikazano je koliko će jediničnih ćelija biti na dužini 1 mm ako se postave jedna do druge:
- Parametar rešetke željeza je 0,287 x 10 ~9m ili 0,287 nm. To je najmanjaudaljenost između dva atoma uzduž brida jedinične ćelije.1 mm x 1 jed. ćelija/0.287nm x IO"6 mm/nm = 3.486 x 106 jediničnih ćelija. Dakle, na
dužini od 1 mm biti će 3 486 000 jediničnih ćelija.
Značajke jediničnih ćelijaJedinična ćelija određena je duljinom brida ćelije (parametar rešetke) a, pripadnim brojem atoma (PBA) toj ćeliji i međusobnim polžajem atoma, tj. njihovim koordinacijskim brojem (KB). Faktor gustoće slaganja atoma može se izračunati iz slijedeće formule, ako se atomi uzmu kao čvrste kugle:FGSA = volumen atoma u jediničnoj ćeliji / volumen jedinične ćelije.
26
Položaj atoma u jediničnoj ćeliji određen je jediničnim udaljenostima uzduž tri koordinatne osi s centrom u jednom od vrhova jedinične ćelije. Položaj atoma obilježava se okruglom zagradom i koordinatama odvojenim zarezom, npr: (0,1,1).Često je potrebno poznavati određeni smjer u kristalnoj rešetki. To je osobito važno kod metala i legura kod kojih svojstva ovise o smjeru u kristalu. Za kubične kristale indeksi pravca (smjera) su komponente vektora uzduž svake kristalne osi svedene na najmanje cijele brojeve. Pravac uvijek polazi iz ishodišta, tako da se određuje koordinata točke gdje pravac probada jediničnu ćeliju (izlazi van). Ti se brojevi, bez odvajanja zarezom, stavljaju u uglatu zagradu npr: [111]. Slova s,t i v upotrebljavaju se u općem smislu za indekse pravca u
x,y i z smjeru i pišu se [stv]. Svi jednakovrijedni (ekvivalentni) pravci stavljaju se u streličastu zagradu <stv>. Katkada je potrebno obilježiti određene ravnine (plohe) unutar kristala ili treba znati orijentaciju ravnine ili grupe ravnina. Za obilježavanje ravnina u kubičnim kristalima upotrebljavaju se Millerovi indeksi. Millerovi indeksi kristalne ravnine su definirani kao recipročne vrijednosti odsječka, koje ravnina čini sa kristalnim osima x, y i z tri neparalelna brida jedinične ćelije, svedene na najmanje cijele brojeve, koji su u jednakom omjeru kao i odsječci. Dobiveni brojevi stavljaju se u okruglu zagradu: npr: (110). U općem smislu za indekse se koriste slova h, k i 1 kao odsječci na osima x, y i z i pišu se (hkl). Indeksi jednakovrijednih ploha stavljaju se u vitičastu zagradu: {hkl}.U heksagonalnom kristalnom sustavu za obilježavanje pravaca i ploha obično se koriste četiri indeksa. Uvodi se kod pravca indeks w, a kod ploha indeks i s tim da vrijedi w = - (s +1) i i = -(h + k).Parametar rešetke a, Millerovi indeksi ploha hkl i međuplošni razmak d međusobno su povezani. Tako za kubični sustav vrijedi: a2 =d2
hld(h2 + k2 + l2)Taj je odnos važan pri rentgenskoj strukturnoj analizi kojom se određuje kristalna struktura čvrstih tvari. Tablica 6 prikazuje karakteristične veličine BCC, FCC i HCP jedinične ćelije.
Tablica 6 - Karakteristične večličine BCC, FCC i HCP jedinične ćelije
Veličina BCC FCC HCPPBA 2 4 6KB 8 12 12FGSA 68% 74% 74%Parametar a izražen polumjerom atoma
a = 4R/V3 a = 4R/V2 a = 2Rc = 4R>/2/3
Određivanje značajki jediničnih ćelija BCC, FCC i HCP kao i indeksa pravac i Millerovih indeksa ravnina sadržaj su vježbi Kristalografrja I i Kristalografija II (vidi podloge za vježbe iz predmeta Matreijali).
5.2.1. Prostorno centrirana kubična rešetkaJedinična ćelija BCC (Body Centered Cubic) rešetke prikazana je na slici 15. U ovom tipu rešetke kristaliziraju: aFe, W, Mo itd.
Slika 15 - Shematski prikaz jedinične ćelije BCC rešetke
Kod shematskog prikazivanja kao na slici 15, crne točke predstavljaju pozicije (jezgre) atoma, a ne same atome odnosno ione. Za uočavanje međusobnog položaja atoma povoljniji su modeli
27
u kojima su atomi prikazani kao čvrste kugle polumjera R. Takvi modeli nepregledni su kod crtanja pa se međusobni položaj atoma u «punoj» veleičini preciznije definira u pojedinim kristalografskim ravninama, kao na slici 16.
ravnina (110)
aV5
as
29
Slika 16 - Raspored atoma u ravnini (110) rešetke
Jasno je iz slike 16 da se atomi kod BCC rešetke «dodiruju» po prostornim dijagonalama jedinične ćelije, koja je kocka u čijoj sredini je atom koji se dodiruje s osam vršnih atoma, najbližih susjeda.Broj najbližih susjednih atoma s kojim se dodiruje svaki atom naziva se koordinacijski broj i za BCC rešetku iznosi osam.Treba uočiti da atomi na vrhovima kocke ne pripadaju u cijelosti promatarnoj ćeliji nego svakoga od njih dijele osam susjednih ćelija. Prema tome pripadni broj atoma za jediničnu ćeliju BCC rešetke iznosi: 1 (sredina) + 8 1/8 (vrhovi) = 2.Iz prikaza na slici 16 se izračuna relacija između parametara rešetke BCC i polumjera atoma:
a V3 = 4R aBcc = 4R/V3
31
Treba također uočiti da u BCC rešetci nema ravnine u kojoj bi atomi bili složeni najgušće moguće tj. da svaki atom u ravnini ima šest najbližih susjeda s kojima se dodiruje. Ravnina s relativno najgušćim rasporedom atoma u BCC rešetci je ravnina (110) prikazana na slici 19. Još je pet takvih ekvivalentnih ravnina: (101), (011), (110), (101) i (011). Ekvivalentne ravnine kristalne rešetke su one koje imaju isti raspored atoma.
5.2.2. Plošno centrirana kubična rešetka
Ovakvu kristalnu rešetku imaju: yFe, Cu, Al itd. Jedinična ćelija FCC (Face Centered Cubic)rešetke prikazana je na slici 17.
¿7
/ /Tv
Slika 17 - Shematski prikaz jedinične ćelije FCC rešetke
Karakterističan raspored atoma prikazanje na slici 18.
ravnina fili)
Slika 18 - Raspored atoma u ravnini (111) FCC rešetke
Vidljivo je da se atomi u FCC rešetci dodiruju po plošnim dijagonalama. Svakoga od šest atoma u sredini stranice dijele dvije susjedne jedinične ćelije pa je pripadni broj atoma:
6 x ¥2 (stranice) + 8x1/8 (vrhovi) = 4
Iz slike 21 parametar rešetke izražen polumjerom atoma iznosi: aV2 =
4R aFCc = 4R/ 4lRavnina (111) prikazana na slici 18 ustvari je ravnina s najgušćim mogućim rasporedom atoma, jer se svaki atom u toj ravnini dodiruje sa šest najbližih susjednih atoma pri čemu su naravno uključeni i atomi iz susjednih jediničnih ćelija. FCC rešetka nastaje ustvari slaganjem takvih ravnina ali ne atom na atom nego atom jedne ravnine u udubinu između tri atoma susjedne ravnine jer se tako postiže gušće slaganje atoma u prostoru.
5.2.3. Kompaktna heksagonska rešetka
Ovakvu kristalnu rešetku imaju: Zn, Mg, Cd itd. Jedinična ćelija HCP (Hexagonal Close Packed) rešetke prikazana je na slici 19.Iz praktičkih razloga HCP rešetka ima umjesto osi x i y osi xi, X2 i X3. Najgušći raspored atoma prikazanje na slici 20.
Slika 19- Shematski prikaz jedinične ćelije HCP rešetke
33
Slika 20 - Raspored atoma u ravnini (0001) HCP rešetke
Atomi u HCP rešetci se dodiruju po stranicama i dijagonalama heksagonske baze. Svaki od 12vršnih atoma dijeli se na 6 susjednih jediničnih ćelija, a svaki od 2 atoma u sredini heksagonadijeli se na 2 susjedne jedinične ćelije pa je pripadni broj atoma:3 x 1 (središnji) + 2xVi (sredina) + 12 x 1/6 (vrhovi) = 6Iz slike 20 vidljivo je da parametar a HCP rešetke iznosi: a = 2R
Ravnina (0001) prikazana na slici 19 ima isti raspored atoma kao ravnine (111) u FCC rešetci tj. to je također ravnina najgušće moguće zaposjednutosti atomima jer je evidentno da se svaki atom u toj ravnini dodiruje sa šest najbližih susjednih atoma. Sama HCP rešetka nastaje slaganjem tih ravnina, ali za razliku od FCC rešetke, redoslijedom ABABAB... , kako je prikazano na slici 21.Posljedica ovakvog slaganja ravnina je postojanje samo jednog sustava paralelnih ravnina s najgušćom mogućom zaposjednutošću atomima, tj. osim ravnina (0001) nema drugih takvih ravnina u HCP rešetci.Iz slike 21 vidljivo je da se svaki atom HCP rešetke u prostoru dodiruje s 12 najbližih susjeda, stoje pokazano na središnjem atomu A ravnine kojeg dodiruju atomi od kojih idu strelice prema njemu. To naravno znači da i HCP rešetka ima koordinacijski broj 12 što znači najgušće moguće slaganje atoma u prostoru. U tome su dakle jednake FCC i HCP rešetke ali mala razlika u slaganju ravnina daje razliku u broju kliznih ravnina (4 : 1 u korist FCC rešetke) i zato se kod HCP metala teže ostvaruje plastična deformacija.
34
(U1)A
mm
(M)C
35
Slika 21 - Redoslijed slaganja ravnina (0001) kod HCP rešetke 5.3.
STRUKTURE LEGURA (Kristali legura)
Velika većina tehničkih metalnih materijala nisu čisti metali nego legure. Legura se sastoji od dvije ili više komponenata, a sastoji od osnovnog metala i legirnog elementa (ili legirnih elemenata). Najjednostavnije su binarne legure npr. mjed (bakar + cink) dok npr. superlegura Inconel, koja se upotrebljava za dijelove turbomlaznih motora, ima čak deset elemenata u nominalnom kemijskom sastavu. U praksi se rijetko radi o čistim elementima (poznati i ujedno rijetki primjeri su Cu, Au, Pt). Čistim elementima se dodaju dodaci, a sa time se bitno mijenjaju svojstva. Nenamjerno prisutne primjese nazivaju se nečistoće . Vrsta i veličina promjene svojstava ovisi o tome da li su legirni elementi nerastvorivi ili rastvorivi ili tvore novu fazu s osnovnim metalom. Kristali legura dijele se na:
- kristale mješance smiješane kristale
- kristale intermetalnog spoja.
5.3.1. Kristali mješanci (Supstitucijski i intersticijski)
Kristali mješanci su najjednostavniji tip legura. Nazivaju se još i krute otopine. Atomi legirnog elementa ulaze u rešetku osnovnog metala na dva načina: supstitucijski ili intersticijski. Uvjeti za nastajanje takvih kristala su: veličina atoma, kemijski afinitet, relativna valencija i kristalna struktura.
a) Supstitucijski ili zamjenski kristali mješanci
Atomi legirnog elementa zamjenjuju atome osnovnog metala na njihovim pozicijama. Glavni uvjeti za stvaranje ovakvih kristala su:
- promjeri atoma osnovnog metala i legirnog elementa ne smiju se razlikovati za više od oko 15%;kristalna struktura osnovnog metala i legirnog elementa mora biti ista. Primjer za
ovakve kristale mješance je legura bakra i nikla s oko 45% nikla (konstatan), slika 22. Atomi Ni zamjenjuju atome Cu u FCC rešetki legure Cu - Ni.
36
O- C u
R = l 2 8 pm F c cR=128pm
Fcc- Ni
37
Slika 22 - Shematski prikaz jedne ćelije kristalne rešetke konstantana
b) Intersticijski ili uključinski kristali mješanciKod ovih mješanaca atomi legirnog elementa ulaze u praznine kristalne rešetke osnovnog metala i zato je osnovni uvjet za nastajanje ovakvih kristala mješanaca da atomi legirnog elementa budu puno manji od atoma osnovnog metala. Najčešći legirni elementi koji tvore ovakve mješance su vodik, ugljik, dušik i kisik jer su njihovi atomi relativno mali. Kod ove vrste kristala nije prisutan uvjet iste kristalne strukture, ali trebaju biti ispunjena tri uvjeta kao i kod supsticijskih Icristala mješanaca.Primjer za intersticijski mješanac je mješanac koji nastaje ulaskom atoma ugljika u oktaedarsku prazninu y željeza, vidi sliku 23. Posljedica je izvitoperenje rešetke i njena veća otpornost opterećenju te manja deformabilnost. Osnova toplinske obrade je upravo mogućnost intersticijskog smješavanja ugljika i postojanje polimorfije željeza.
38
o pozicije atoma Fe
(R-124pm)
pozicije atoma C (R~77pm)
39
Slika 23 - Shematski prikaz jedne ćelije mješanca ugljika u y željezu
5.3.2. Smiješani kristaliOvakvi kristali nastaju kada atomi osnovnog metala i legirnog elementa tvore odvojena kristalna zrna, zadržavajući svoje kristalne rešetke, slika 24.
Kristali intermetalnog spoja nastaju kada atomi osnovnog metala i legirnog elementa čine novu vrstu kristalne rešetke. U njima je obično kombinirana metalna i kovalentna veza, a imaju fiksnu koncentraciju (sadržaj legirnog elementa). Primjer za intermetalni spoj s pretežno metalnim vezama je željezni karbid Fe3C, cementit, slika 25.
Slika 25 - Jedinična ćelija cementita (Fe3C)
5.4. STRUKTURE KERAMIKE
Keramički materijali su anorganski, nemetalni materijali koji se sastoje od metalnih i nemetalnih elemenata vezanih prvenstveno ionskim i/ili kovalentnim vezama. Kod keramičkih materijala prisutna su tri oblika strukture:
ionski kristalikovalentni kristalistašdaste strukture
5.4.1. Ionski kristaliIonski kristali nastaju slaganjem aniona i kationa tako da neki kationi popunjavaju prostore između većih aniona, a da kristal prema okolini bude neutralan. Koordinacijski broj ovisi o odnosu veličini polumjera kationa i aniona. Stoje razlika u veličini polumjera manja koordinacijski broj je veći. Primjer je kamena sol (NaCl), slika 26.
Slika 24 - Mikrostruktura mjedi s dodatkom olova radi poboljšanja
obradivosti 5.3.3. Kristali intermetalnog spoja
40
O — ci'(Re=mm)
41
Slika 26 - Jedinična ćelija NaCl
5.4.2. Kovalentni kristaliKovalentni kristali obilježeni su karakteristikama kovalentne veze, a to su diskretnost i usmjerenost. Koordinacijski broj je određen relacijom 8 - N, gdje je N broj valentnih elektrona. Atom ugljika je četverovalentan pa mu je koordinacijski broj 8 - 4 = 4. Takav koordinacijski broj iziskuje tetraedarski raspored atoma. Zbog toga ugljik ima kubičnu dijamantnu strukturu, slika 10b.Spomenut je ugljik i mogućnost tetraedarskog rasporeda atoma. U vezi s ugljikom zanimljivo je da on može poprimiti i drugačije rasporede atoma, koji se susreće kod grafita, slika 27.
H-------HSlika 27 - Kristalna struktura grafita 0,142 nm
Tetraedarski raspored atoma susreće se i kod nekih značajnijih spojeva. To je npr. tetraedarski raspored atoma kod SiCU. Taj tetraedar se može spajati preko vrhova i bridova, a rjeđe preko stranica, dajući niz različitih kristala, slika 28a, a slika 28b prikazuje kristalnu strukturu SiC>2.
9̂ 1o •
O2- Si4* (a)
(b)
Slika 28a - a) Struktura tetraedra SiO/, b) Kristalna struktura SiC>2 Za kovalentne
kristale primjer je kristobalit (varijacija S1O2), slika 28c.
42
Slika 28c - Jedinična ćelija kristobalita - O - Si (R = 117 pm); • - O (R =60 pm) 5.4.3. Staklaste
strukture
Stakla su anorganski materijali koji se skrućuju bez kristalizacije. Imaju nekristalnu strukturu to jest amorfnu strukturu, slika 29. Staklasta struktura nema pravilnog rasporeda osim u prvom nizu. U daljnjim nizovima poredak je nepravilan. Često u međuprostore unutar staklaste strukture ulaze metalni ioni i tako se dobivaju različite vrste stakla.
Slika 29 - Amorfna struktura ravnog (prozorskog) stakla 5.5.
STRUKTURE POLIMERA
Riječ polimer dos'.ovno znači puno čestica (grčki: poly - puno, meros - dio). Polimerni materijali sastavljeni od puno jednostavnih molekula (mera) koje su kovalentnim vezama spojene u makromolekule (polimere).Makromoleküle mogu biti međusobno spojene dipolnim (sekundarnim), kovalentnim (primarnim) ili mješovitim (dipolnim i kovalentnim) vezama što i čini osnovne razlike između tri glavna tipa polimernih materijala:
plastomeri (termoplasti)duiomeri (duroplasti)elastomeri (gume).
5.5.1. Plastomeri (termoplasti)Plastomeri su polimerni materijali koje treba grijati da bi postali oblikovljivi (plastični), a nakon ohlađivanja zadržavaju postojeći oblik. Sastoje se od polimernih lanaca međusobno spojenih sekundarnim (permanentno dipolnim) vezama, kako je, na primjeru polietilena, prikazano na slici 30.
- kovalentna (primarna) veza (jedan elektronski par);— dipolna (sekundarna) veza. Vidi: vodikova veza, slika 10b;N - stupanj poiimerizacije: molekularna masa polimernog lanca podijeljena s molekularnom masom njegovog mera. Broj ponavljanja mera u polimeru.
43
Jako pojednostavljeno, svi plastomeri imaju strukturu kao stoje prikazano na slici 30, što im omogućuje da pri zagrijavanju omekšaju zbog popuštanja sekundarnih veza i u takvom stanju se mogu lako oblikovati. Hlađenjem se sekundarne veze ponovno uspostavljaju, a taj ciklus može se ponavljati višestruko, bez značajnih promjena svojstava. To također omogućje reciklažu plastomera.Neki plastomeri imaju djelomično uređenu kristalastu strukturu (sličnu kristalnoj ali s manjim stupnjem uređenosti), slika 31.
o - m s r
Etilen (monomer)
Polietüea (polimer)
Slika 30 - Shematski prikaz nastajanja polietilena
Polietilen (polimeati matedjal)
a)
b) c)
45
Slika 31 - Stupnjevi uređenosti struktura plastomera: a) amorfna; b) kristalasta; c) orijentiranokristalasta
Udio kristaličnosti varira od 5 do 95% (nikada 100%), a stoje veći stupanj kristaličnosti veća je i čvrstoća polimernog materijala.Tipični plastomerni materijali su: polietilen (PE), polivinilklorid (PVC), politetrafluoretilen (PTFE) i drugi.
5.5.2. Duromeri (Duroplasti)Duromeri su polimerni materijali koji nakon završetka polimerizacije (ne nužno na povišenim temperaturama) poprimaju umreženu strukturu. Njihove polimerne makromolekule su i međusobno spojene kovalentnim vezama čineći tako jednu supermolekulu, slika 32.
Kovalentne veze
Slika 32 - Shematski prikaz strukture duromera
Ovakva struktura onemogućuje mekšanje duromera pri zagrijavanju. Oni, nakon što su jednom prošli proces polimerizacije, prekomjernim zagrijavanjem mogu samo biti kemijski razloženi odnosno spaljeni. To također onemogućuje njihovu recilkažu.Tipični duromeri su: fenoplasti, nezasićeni poliesteri, epoksidi i drugi. Često služe kao osnova kompozitnih materijala, npr. nezasićeni poliesteri ojačani staklenim vlaknima.
5.5.3. Elastomeri (Gume)Elastomeri su polimerni materijali koji se na sobnoj temperaturi, pod malim naprezanjem, mogu produljiti za najmanje 100%, a nakon prestanka naprezanja brzo se vraćaju na početnu duljinu. Makromoleküle elastomera su zapletene ili spiralno namotane (poput opruge) kako je shematski prikazano na slici 33.
Slika 33 - Shematski prikaz strukture elastomera - O - mer; — dipolne (sekundarne veze)
Povećanje krutosti i čvrstoće elastomera često se postiže procesom vulkanizacije u kojemu atomi sumpora mjestimičnim spajanjem lanaca čine dio rahlo umrežene strukture vulkaniziranih elastomera, slika 34.
Slika 34— Shematski prikaz rahlo umrežene strukture vulkaniziranih elastomera - O - mer; • - sumpor (primarna veza); — dipolne (sekundarne) veze
47
Tipični elastomeri su: prirodni kaučuk, neopren, slikonski kaučuk i drugi. Sintetski kaučuci su neopren i silikonski kaučuk.
6. KRISTALIZACIJA
U rastaljenom stanju atomi nekog metala su jako pokretljivi, a međusobno su vezani samo dipolnim vezama. Opadanjem temperature opada i pokretljivost atoma. Na statističkim povoljnim mjestima oni dolaze na domet djelovanja privlačnih međuatomskih sila i spajaju se u grupe atoma vezanih metalnom vezom. Te početne grupe vezanih atoma su klice kristalizacije, a to je prva faza kristalizacije, slika 35.Kristalne klice su skupovi velikog broja atoma. Kristali rastu polazeći od klica dotjecanjem novih atoma iz taline. Za vrijeme rasta već nastalih klica nastaju i nove klice.
Slika 35 - Prva faza kristalizacije. Nastajanje klica kristalizacije.
Brzina stvaranja klica (N) je karakteristika procesa kristalizacije, a izražava se u broju klica nastalih u volumenu 1 mm3 taline u jedinici vremena sekundi.Brzina rasta klici (G) je linearna brzina kod koje te kristalne klice rastu. Ta brzina može se izraziti u mm/s u smjeru okomitom na površinu čestice.Stvarna veličina zrna nakon potpunog skrućivanja je funkcija brzine stvaranja klica (brzina nukleacije) i brzine rasta klica.S = f(G/N) gdje je S - veličina zrna, G - brzina rasta klica i N - brzina stvaranja klica (brzina nukleacije).Brzina rasta klica raste s porastom pothlađenja. Iz svake klice raste kristal u svim smjerovima vezivanjem novih atoma iz taline. Istovremeno s rastom kristala iz prethodno nastalih klica, nastaju i nove klice kristalizacije, slika 36.
Brzina rasta kristala izražava se u mm/s i ne mora biti jednaka u svim smjerovima. Proces kristalizacije nastavlja se dok se svi atomi iz taline ne vežu u kristal, a zbog rasta kristala iz više klica kristalizacije neizbježno nastaje veći broj kristalnih zrna međusobno odijeljenih granicama zrna, slika 37.
Slika 37 - Završetak kristalizacije
Orijentacija kristalnih osi u pojedinim zrnima u pravilu je slučajna, ali ponekad uvjeti pogodujuusmjerenoj orijentaciji. Granice zrna redovito su nepravilnog oblika. Nastala kristalna zrna suto veća što je veća brzina rasta kristala, a što je manja brzina nastajanja klica i obrnuto.Redovito se bolja mehanička svojstva postižu sitnozrnatom strukturom.Struktura prikazana na slici 37 je polikristalna to jest jedno tijelo sastoji se od puno kristalnihzrna.Velika većina tehničkih materijala je polikristalna, ali postoje i monokristalni materijali kod kojih se cijelo tijelo sastoji od jednog kristala. Najveći dio proizvodnje monokristala pripada industriji poluvodiča, a količinski najviše se proizvodi monokristal silicija za potrebe elektroničke industrije.
Slika 36 - Druga faza kristalizacije.Rast kristala i nastajanje novih klica kristalizacije.
Uobičajenim metodama lijevanja nemoguće je dobiti monokristale i zato se za njihovu proizvodnju koriste posebne metode. Postoje posebne tehnologije kojima se mogu dobiti veliki monokristali npr. turbinske lopatice.
Agregatna stanja tvari su ČVRSTO, KAPUEVITO I PLINOVITO.
Karakteristike čvrstih (krutih) tvari su:Zbog male međusobne udaljenosti čestica tvari, privlačne sile su vrlo jake, Čestice samo titraju oko ravnotežnog položaja ne napuštajući znakovito geometrijsku strukturu,Čvrste tvari imaju stalan oblik i stalan volumen, Nestlačive su.
Karakteristike kapljevitih (tekućih) tvari su:Između čestica kapljevitih tvari udaljenost je veća, pa su privlačne sile slabije, Čestice se relativno slobodno gibaju i lako mijenjaju svoj položaj, - Poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze, prema tome, kapljevine nemaju stalan oblik, ali imaju stalan volumen, Nestlačive su.
Karakteristike plinovitih tvari su:Udaljenost između čestica plinovitih tvari je velika, zbog toga su privlačne sile zanemarive,Položaj čestica brzo se mijenja u svim smjerovima u prostoru, posuda bilo kojeg oblika potpuno je ispunjena plinom,
Volumen ovisi o tlaku i temperaturi. Plinovi nemaju ni stalan oblik ni stalan volumen.
6.1. POLIKRISTALINIČNOST
U većini kristaliničnih materijala (tj. materijala koji kristaliziraju i kao posljedicu toga imaju kristalnu strukturu) rijetko se javljaju monokristali. Većinom se u tim materijalima susreću polikristalni agregati. To znači da su materijali građeni od velikog broja međusobno isprepletenih kristala ili zrna. Pojam zrno se kod toga odnosi na pojedinačne kristale u makroskopskim česticama.Svako zrno je u agregatu povezano sa svojim susjedima granicama koje su u općenitom nepravilnog oblika i nisu u vezi s unutarnjom simetrijom kristala. Orijentacija kristalnih osi u različitim zrnima je slučajna. U nekim slučajevima postoji i preferirana distribucija orijentacije. Iako je moguće pripremati materijale kao monokristale i na njima obavljati istraživanja, gotovo svi materijali (osobito tehnički) su polikristalinični.
Polikristaliničnost je posljedica procesa taljenja, lijevanja i skrućivanja u kalupu. Na taj način se pripremaju gotovo svi metali i legure. U veži š time slika 38 prikazuje krivulju hlađenja uz konstantno odvođenje topline.
[TMJNA
VRIJEME
Slika 38 - Krivulja hlađenja uz konstantno odvođenje topline
Iz slike se vidi da u talini nema promjena dok joj temperatura ne padne ispod tallišta (skrutišta), to jest dok ona ne bude lagano pothlađena. Tada se spontano počinju javljati klice kristala i to istodobno na mnogim mjestima. Temperatura se ne mijenja dok se i posljednja kap taline ne skrutne. Slike 35, 36, 37 i 38 prikazuju pomoću slike i krivulje skrućivanje ravnomjerno hlađenog čistog metala (stvaranje klica, rast klica u kristal, daljnji rast klica, skrućivanje završeno, zrna su nepravilna).
49
6.2. POLIMORFLJA (Alotropija)
Polimorfija (ili alotropija) naziva se sposobnost materijala da može imati više od jedne kristalne strukture. Prijelaz iz jedne kristalne strukture u drugu, kod određene temperature ili tlaka naziva se polimorfna promjena.Polimorfne promjene događaju se kod mnogih elemenata i spojeva, te obuhvaćaju mnogo kristalnih struktura.
Primjer:Željezo ima kod sobne temperature BCC jediničnu ćeliju (a-Fe), a iznad 911°C FCC jediničnu ćeliju (y-Fe). BCC jedinična ćelija sadrži 2 atoma po ćeliji, a FCC jedinična ćelija ima 4 atoma po ćeliji. Ovo se čini jako velikom razlikom, ali se transformacija ostvaruje malom deformacijom. Atomi obje strukture su iste veličine, međutim parametri rešetke dviju ćelija (BCC i FCC) su različiti. Koristeći kuglasti model atoma i uzevši u obzir da polumjer atoma ostaje nepromijenjen, može se izračunati promjena volumena rešetke (jedinične ćelije) pri polimorfnoj transformaciji iz FCC u BCC. Atomi FCC ćelije dodiruju se u smjeru plošne dijagonale, a atomi BCC rešetke u smjeru prostorne dijagonale. Volumen atoma iznosi (dio kocke):
V r c c = a3/4 a = 4R/V2
VBcc=a3 / 2 a = 4R/V3Promjena volumena iznosi: AV / V = (Vbcc - Vfcc) / VBcc
Polimorfne promjene događaju se kod mnogih elemenata i spojeva te obuhvaćaju mnogo kristalnih struktura. Polimorfna nije ograničena samo na metale i legure. Susreće se kod keramike (AI2O3, Si02) i kod polimera (politetrafluoretilen) poznatiji pod imenom teflon.
7. DIJAGRAMI STANJA (FAZNI DUGRAMI)
Svi ravnotežni odnosi kod metala, keramike i polimera, ravnaju se prema općem zakonu nazvanom Gibbsovo pravilo faza. To pravilo propisuje broj prisutnih faza u danom sustavu određenog sastava u ravnoteži pri određenoj temperaturi i tlaku - prema izrazu: F + P = C + 2Gdje je : F - broj stupnjeva slobode,
P - broj faza u ravnoteži,C - broj komponenata. Za sustav pri konstantnom tlaku
vrijedi izraz: F + P = C + 1Sustav u ravnotež uvijek slijedi pravilo faza. Kod jednokomponentnog sustava mogu postojati jedna, dvije ili tri faze u ravnoteži. Ako imamo dvije ili više komponenata u sustavu, može biti prisutno više faza i njihov sastav se može mijenjati sa stanjem sustava. Kako raste broj komponenata naglo raste i broj mogućih kombinacija. Broj faza i njihov sastav može se prikazati u jednostavnom dijagramu koji se naziva dijagram stanja (fazni dijagram, ravnotežni dijagram). Dijagram stanja je grafički prikaz odnosa rastvorivosti (topivosti) između komponenata sustava. Taj dijagram pokazuje broj i sastav faza prisutnih u nekom sustavu u ravnotežnim uvjetima kod određene temperature. Ovaj dijagram može se konstruirati na osnovi poznavanja graničnih rastvorivosti, to jest na osnovi krivulja hlađenja.
Rezultat procesa kristalizacije i mogućnosti stvaranja raznih vrsta kristala metala i legura je postojanje većeg broja različitih stanja nekog sustava legura, ovisno o temperaturi. Dijagrami koji definiraju ta stanja nazivaju se dijagrami stanja ili fazni dijagrami. Najjednostavniji način dobivanja dijagrama stanja je praćenje tijeka temperature pri ohlađivanju određene količine rastaljenog materijala uz konstantno odvođenje topline. Odvođenje topline treba biti dovoljno sporo da se postignu ravnotežni uvjeti skrućivanja. Na taj način dobiju se krivulje hlađenja. Tijek krivulje hlađenja različit je za čiste metale i za legure, slika 39.
50
skruti Šte
interval skmčivanja _ _
51
T-taiina K-knitnina
Slika 39- Krivulje hlađenja za čisti metal i za leguru
Proces kristalizacije oslobađa tako zvanu latentnu toplinu koja poništava odvođenje topline. Zato kod čistih metala temperatura „stoji" za vrijeme skrućivanja (skrutište) sve dok se ne skruti sva talina. Dakle, prije početka kristalizacije postoji samo jedna faza (talina), za vrijeme trajanja kristalizacije dvije faze (talina i krutnina), a nakon završetka kristalizacije opet samo jedna faza (krutnina). Slično je u pogledu faza i kod legura, ali je kod njih oslobođena latentna toplina nedovoljna da pokrije gubitak topline, pa nema stojišta temperature nego samo usporenje pada temperature za vrijeme intervala skrućivanja. To je zbog toga jer kod legura postojanje stranih atoma ometa proces kristalizacije. Za snimanje jednog dijagrama stanja treba veći broj krivulja llađenja, stoje ilustrirano slijedećim primjerom, slika 40.
7.1. IZOMORFNI DIJAGRAM STANJA (Binarni dijagram)
Najjednostavniji dijagram stanja je izomorfni, koji vrijedi za sustav legura kojega čine komponente (elementi) s potpunom rastvorljivošću i u rastaljenom i u krutom stanju. Primjer za ovakav sustav su legure bakra i nikla. Konstrukcija njihovog dijagrama prikazuje slika 44.
°C
52
°C 1500
1400
1300
1200
1100
čisti
čisti 20% Ni \
BCu Ni V
40 60 80 100% X, %Ni Ni
0 20100%Cu
53
ft)
Slika 40 - Konstrukcija dijagrama stanja: a) Grupa krivulja hlađenja b) Dijagram stanja leguraCu-Ni
°C
54
Na apscisi dijagrama stanja uvijek je koncentracija (x) to jest sadržaj legirnog elementa, u ovom slučaju nikla. Krivulje hlađenja za čiste metale (Cu i Ni) daju po jednu točku u dijagramu stanja (A i B) koje su u stvari njihova skrutišta.Krivulje hlađenja za legure različite koncentracije X (20% Ni, 50 % Ni i 80 % Ni) daju po dvije točke to jest temperature početka skrućivanja (Li, L2, L3) i temperature završetka skrućivanja (Si, S2, S3). Crta koja spaja sve početke skrućivanja zove se likvidus, a crta koja spaja sve završetke skrućivanja zove se solidus.U ovom sustavu postoji samo jedna kruta faza označena s a, a čine je supstitucijski kristali mješanci s rešetkom bakra odnosno nikla. Budući da bakar i nikal imaju FCC rešetku, a radijusi atoma im se minimalno razlikuju (Rcu = 128 pm, Rnj = 125 pm) oni bez problema zamjenjuju mjesta bez obzira na sadržaj druge komponente, nikla.Opći dijagram stanja potpune rastvorivosti u tekućem i krutom stanju prikazuje slika 41.
°C
100%A K$=Xt X Kl=X2 100%B
Slika 41 - Dijagram stanja potpune rastvorivosti u tekućem i krutom stanju
Jednom snimljen, dijagram stanja može poslužiti za dobivanje korisnih informacija 0 bilo kojoj leguri toga sustava. Te informacije su (sve vrijedi za sporo ohlađivanje to jest ravnotežne uvjete):
a) Faze prisutne kod legura različitog sastava na različitim temperaturamab) Rastvorljivost jednog elementa u drugomc) Temperature na kojima legure počinju i završavaju skrućivanje
d) Koncentracije faza za različite legure i temperaturee) Omogućuju računsko određivanje količinskog udjela faza
7.2. EUTEKTIČKI DIJAGRAM STANJA
Eutektički dijagram stanja definira stanje sustava legura kojega čine elementi (komponente A i B) s potpunom rastvorljivošću u rastaljenom stanju, a djelomičnom rastvorljivošću u krutom stanju, slika 42.
55
Slika 42 - Opći oblik eutektičkog dijagrama stanja a) i karakteristične krivulje hlađenja b)
Iznad likvidus crte sve je rastaljeno, jedina faza je talina, T. Sto se događa kada temperaturadostigne likvidus, ovisi o tome koji je sastav legure koja se promatra.Naime, u jednom dijelu eutektičkog dijgrama prevladava utjecaj komponente A pa se tustvaraju pretežno mješanci s rešetkom komponente A (a mješanci), a u drugom dijeluprevladava utjecaj komponente B pa se tu pretežno stvaraju kristali mješanci s rešetkomkomponente B (|3 mješanci). Granica između ta dva područja je eutektička koncentracija(legura), XE.Xe - eutektička leguraX < Xe - podeutektičke legureX > Xe - nadeutektičke legureNa slici 48 označene su tri legure: Xi, Xe, X2.
Legura XiLegura Xi je pode utektička. Njeno skrućivanje počinje u točci H koja na krivulji hlađenja označuje početak usporenja pada temperature. Kristali koji nastaju između točaka H i J imaju rešetku komponente A ali u sebi sadrže i atome komponente B. Koliko, to se za svaku temperaturu može očitati na presjecištu izoterme s dijelom solidus crte A - C. Ovi kristali mješanci zovu se alfa primarni i označuju s a7. Za vrijeme ohlađivanja od točke H do J stvara se sve više kristala a7 sa sve većom koncentracijom. Istodobno se i preostaloj talini povećava koncentracija (po crti A - E), ali joj se smanjuje količina. U svakom trenutku količinski udjeli taline i a7 mogu se izračunati primjenom polužnog pravila. Dok traje ovaj proces krivulja hlađenja ima usporenje (od točke H do J).Kada temperatura padne na vE (eutektička temperatura), a7 dostiže granicu rastvorljivosti (točka C). U mješancima a7 ne može se rastvoriti više komponente B. Istovremeno, preostala talina poprima koncentraciju XE i ulazi u eutektičku pretvorbu: T —> ae + pe
U eutektičkoj pretvorbi istovremeno se stvaraju kristali mješanci s rešetkom komponente A (alfa eutektički, ae) i kristali mješanci s rešetkom komponente B (beta eutektički, pe). Zajednički ae i pe čine pseudofazu koja se naziva eutektikum i označuje s E. Termin pseudofaza upotrijebljen je zato jer nije homogena tvorevina (ima kristale različitih rešetaka), a ipak ima neka obilježja faze npr. granice, prosječnu tvrdoću, prosječnu koncentraciju, oblik zrna i slično. Sastavni dijelovi faza i pseudofaza
uobičajeno se nazivaju konstituenti. Pritom su vezani oni konstituenti koji su uključeni u pseudofaze dok su ostali slobodni konstituenti. U
nekim sustavima legura pojedini konstituenti, faze i pseudofaze dobivaju posebna imena. Eutektička koncentracija ima obilježje kristalizacije čistog metala (temperatura stoji) jer se, zbog privremenog; stvaranja a i (3 kristala oslobađa dovoljna količina latentne topline da poništi odvođenje topline. Nakon završetka eutektičke pretvorbe legura XI je potpuno skraćena, ima strukturu a1 + E koju zadržava i na nižim temperaturama. Ova tvrdnja nije sasvim točna, jer su time zanemarene promjene strukture koje nastaju uslijed promjena rastvorljivosti a mješanaca (crta C - F) i p mješanaca (crta D - G). Te promjene su toliko male da ih je opravdano zanemariti.Slična analiza vrijedi za sve podeutektičke legure to jest u polju A - C - E njihova se struktura sastoji od taline i a7 i eutektikuma. Lijevo od krivulje A - C - F egzistiraju samo kristali mješanci a7, a s 0 % B je čista komponenta A.
Legura Xe
Legura eutektičkog sastava je istaknuta po tome što ima najniže skrutište (i talište) od svih legura sustava što je važno iz tehnoloških razloga. Kod ove legure ne pojavljuju se primarni kristali mješanci nego se skraćivanje sastoji samo od eutektičke kristalizacije na eutektičkoj temperaturi, slično kao kod
F Xi Xe Xn G% s a)
b)
56
čistih metala, stoje ilustrirano krivuljom hlađenja na slici 48. Nakon skrućivanja ova legura sastoji se samo od eutektikuma. E = ae + pe.
Legura X2
Za nadeutektičke legure vrijedi (kvalitativno) ista kao za podeutektičke ali umjesto a7 sada se pojavljuje kristal mješanac s rešetkom komponente B, p7. Dakle u polju E - D - B bit će prisutna talina i p7, a u polju E -D - G - E7 biti će prisutni p7 i eutektikum. Desno od krivulje B - D - G egzistiraju samo primarni kristali mješanci p7, a sa 100 % B je čista komponenta B. Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektičkom dijagramu stanja danje na slici 43.
1
9
°C
X,%B
Slika 43- Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektičkom dijagramu
Kristalna zrna vezanih konstituenata uvijek su manja od odgovarajućih primarnih kristala jerse, zbog istovremene kristalizacije ae i pe stvara više klica kristalizacije nego kristalizacijeprimarnih kristala. U eutektičkom dijagramu konstituenti krutih faza i faze koje oni tvore su:Konstituenti: Faze:a' i ae —► a fazaae i pe —> E (pseudofaza)
(3e i Py p faza
7.3. EUTEKTOIDNI DIJAGRAM STANJA
Eutektoidni dijagram stanja čini sustav legura s potpunom rastvorljivošću u rastaljenom stanju i djelomičnom rastvorljivošću u krutom stanju. Jedan od mogućih općih oblika dijagrama prikazanje na slici 44.
57
Slika 44 - Opći oblik eutektoidnog dijagrama stanja
Sve legure iz ovog sustava nakon primarne kristalizacije imaju monofaznu strukturu koja se sastoji od mješanaca s rešetkom komponente A, označenih s Primarna kristalizacija je skrućivanje to jest prijelaz iz rastaljenog stanja u kruto stanje. U trenutku kad više nema rastaljene faze, primarna kristalizacija je završena. Sve dalje pretvorbe u krutom stanju spadaju u sekundarnu kristalizaciju.Ako je s Xid označena eutektoidna koncentracija odnosno legura, onda su: X < Xjd —* podeutektoidne legure X > Xid —*■ nadeutektoidne legureKod svih podeutektoidnih legura na temperaturnoj granici C - E počinje izlučivanje kristala mješanaca s rešetkom komponente A stabilnih na nižim tempereturama. Ti kristali označeni su s a!.Podeutektoidne legure koje imaju koncentraciju manju od Xf završavaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od kristala a'.Kod podeutektoidnih legura koje imaju koncentraciju veću od Xf dolaskom na temperaturu Vjd nastupa eutektoidna pretvorba kod koje se preostali kristali y/ pretvaraju u mješavinu kristala s rešetkom komponente A (ocld) i s rešetkom komponente B (P'd). Ta smjesa kristala naziva se eutektoid.Navid: -/ -> aid + pid = EutektoidEutektoid je pseudofaza, jer ima neka obilježja prave faze (npr. prosječnu koncentraciju, tvrdoću, oblik zrna), ali nije prava faza jer se sastoji od raznovrsnih konstituenata (a , pld). Eutektoidna legura (X = Xjd) prekristalizira na temperaturi vid direktno u čisti eutektoid:
<xid + p
Kod svih nadeutektiodnih legura na temperaturnoj granici E - D počinje izlučivanje kristala mješanaca s rešetkom komponente B, označenih s p .Kod nadeutektoidnih legura koje imaju koncentraciju: Xid < X < Xg dolaskom na temperaturu Vid nastupa eutektoidna pretvorba kod koje se preostali kristali ■/ pretvaraju u mješavinu kristala s rešetkom komponte A (ald) i s rešetkom komponente B (pld). To je eutektoid (ald + pld) koji je sam po sebi jednai za sve podeutektoidne, eutektoidnu i sve nedeutektoidne legure kod kojih je prisutan. Njegova obilježja su da se sastoji od pld i da ima fiksnu prosječnu koncentraciju X,d. Nadeutektoidae legure koje imaju koncentraciju veću od Xg završavaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od kristala py.
8. NESAVRŠENOST KRISTALNE GRAĐE
Čisti metali (kovine) se rjeđe koriste u inženjerske svrhe, osim kada se zahtjeva visoka toplinska vodljivost, visoka električna vodljivost ili dobra otpornost koroziji. Ta svojstva postižu maksimalne vrijednosti uglavnom kod čistih metala, dok se poboljšana mehanička svojstva postižu legiranjem, to jest legurama (slitinama).Većina kristaliziranih materijala rijetko su u obliku pojedinačnih kristala, već su to polikristalinični agregati sastavljeni od velikog broja sitnih kristalita ili zrna. Svako zrno u agregatu je povezano s drugim zrnima granicama zrna, to jest površinama nepravilnog oblika, koje nisu u potpunom skladu s unutarnjom građom kristala. Orijentacija kristalnih osi u različitim zrnima je obično slučajna, iako u određenim slučajevima postoji preferirana raspodjela orijentacija.Proces taljenja, lijevanja i skrućivanja u kalupu, kojim se dobivaju gotovi svi metali i legure, uzrokuje stvaranje polikristaliničnog agregata.Postupak skrućivanja metala iz taljevine zove se kristalizacija. U rastaljenom stanju struktura je promjenljiva i nepravilna jer nema jakih međuatomskih veza. Sniženjem temperature smanjuje se razmak između atoma, jer jačaju međuatomske sile, zbog čega nastaju agregati atoma sa stalnim položajem, koji se zovu klice ili nukleusi kristalizacije. U tijeku kristalizacije atomi ne uspiju popuniti sva mjesta u kristalnoj rešetki, a pri rastu zrna se međusobno susreću, čime završava njihov rast. Te površine dodira nazivamo granice zrna. Granice zrna nemaju pravilan raspored atoma kao što je u unutrašnjosti zrna. Dakle realni materijali u svojoj građi nisu savršeni, već sadrže i nesavršenosti
id
Xf Xiđ Xa X,%B
58
(nepravilnosti, defekte) ili pogreške. Zbog toga se njihova struktura naziva mikrostruktura. Mikrostruktura je širi pojam od strukture, to jest uključuje i nesavršenosti: mikrostruktura = struktura + pogreške.
Kristalna strukturu se prikazuje geometrijskim konceptom, to jest prostornom rešetkom. Zbog toga se i nesavršenosti kristalne građe prikazuju geometrijski kao pogrešeke u prostornoj rešetki. Razvrstavaju se prema tome da l i je prekid idealne građe nastupio u točki, uzduž linije ili po nekoj unutarnjoj površini ili se radi o čestici druge vrste. Nesavršenosti kristalne građe dijele se na:
1. Točkaste ili nuldimenzionalne nesavršenosti,2. Linijske ili jednodimenzionalne nesavršenosti,3. Površinske ili dvodimenzionalne nesavršenosti,4. Prostorne (volumne) ili trodimenzionalne nesavršenosti.
8.1. TOČKASTE ILI NULDIMENZIONALNE NESAVRŠENOSTI
Deformacija rešetke koncentrirana je oko jedne točke. Neke od ovih nesavršenosti su: 8.1.1. Praznina ili vakanacija (fizikalne nesavršenosti)
59
Nastaje kada u osnovnoj rešetki nedostaje atom ili je atom osnovne rešetke na pogrešnom mjestu, to jest ne u točki (čvoru) rešetke već između atoma (intersticijal). Taj drugi slučaj je rijedak i može nastupiti samo u iznimnim prilikama. Praznina je izostanak atoma s mjesta gdje ga se očekuje (točka rešetke). Praznine povećavaju moč difuzije, smanjuju otpornost i važne su za procese u kristalima (toplinska obrada). Za prazninu ili vakanaciju primjer je BCC rešetka, ravnina (100), slika 45.
Slika 45 - Shematski prikaz vakanacije
8.1.2. Supstituci jski ili zamjenski atomi (kemijske nesavršenosti) Strani atomi mogu zamijeniti u rešetki osnovne atome. To je atom koji zamjenjuje atom u osnovnoj rešetki. Mogu se ugraditi u rešetku ako nije razlika u veličini veća od ± 15%. Supstitucijski strani atom prikazanje na primjeru BCC rešetke, ravnina (110), slika 46.
idealna rešetka deformirana
rešetka
61
idealna rešetka
deformiram rešetka
Slika 46 - Shematski prikaz supstitucijskog stranog atoma 8.1.3.
Intersticijski ili uključinski atomi (kemijske nesavršenosti)
Strani atomi mogu se ugraditi u međuprostore između atoma osnovne rešetke. Mogu se ugraditi u međuprostore rešetke jedino ako su puno manji od atoma osnovne rešetke (vidi vježbe: Kristalografrja II) To je atom koji se nalazi između atoma osnovne rešetke. Uključci smanjuju deformabilnost i povećavaju otpornost (a mogu biti istovrsni ili strani atomi). Intersticijski strani atom prikazanje na primjeru FCC rešetke, ravnina (100), slika 47.
63
i 48
----------- idealna rešetka
-----------deformirana rešetka.
65
Slika 47 - Shematski prikaz intersticijskog stranog atoma
Treba uočiti daje strani atom u oktaedarskoj praznini jedinične ćelije parametar a*.
Ove dvije vrste atoma su osnova su za sve legure (slitine), to jest legiranjem namjerno seizazivaju pogreške u kristalnoj građi čistih metala da bi im poboljšali određena svojstva.Praznine su također važne jer se putem njih odvija kretanje atoma u čvrstim tvarima (difuzija).Na slici 48 prikazane su sve vrste točkastih pogrešaka u kristalnoj rešetki metalnih materijala.Radi jednostavnijeg prikaza uzeta je ravnina (100) PC rešetke (najjednostavnija kubičnarešetka). i.
supstitucijski atom (veći) intersticijski atom
praznina supstitucijski atom (manji)
Slika 48 - Točkaste nesavršenosti: a) - praznina ili vakanacija, b) - supstitucijski ili zamjenski strani atom (veći i manji), c) - intersticijski ili uključinski strani atom
U nesavršenosti kristalne građe spadaju:Strukture legura (obrađeno u poglavlju 5.3) i -
Strukture keramike (obrađeno u poglavlju 5.4).
8.2. LINIJSKE ILI JEDNODIMENZIONALNE NESAVRŠENOSTI
Deformacija rešetke širi se oko jedne crte. Ove nesavršenosti nazivaju se dislokacije, a nastaju za vrijeme kristalizacije ili plastične deformacije kristala. Ima više vrsta dislokacija. Linijske nesavršenosti su dugačke u jednom smjeru u odnosu na samo nekoliko atomskih promjera okomito na njihovu duljinu. Nesavršenosti ove vrste nazivaju se dislokacije. Ova vrsta nesavršenosti snažno utječe na mehanička svojstva metalnih materijala. Jedno od osnovnih svojstava metala je plastična deformabilnost. Dislokacije omogućuju tumačenje nesklada između teorijski potrebnog naprezanja za plastičnu deformaciju savršenog (idealnog) kristala i stvarnog naprezanja izmjerenog na realnim to jest nesavršenim kristalima -kristalitima, koje je mnogo manje. Stvarno naprezanje koje je potrebno za početak plastične deformacije realnih kristala je 100 do 10000 puta manje od teorijski izračunatog naprezanja.
Sklizanje se ne odvija klizanjem svih atoma jedne ravnine istovremeno, nego kretanjem samo manjeg broja atoma koji okružuju dislokaciju. Kretanje dislokacije kroz kristal može se usporediti sa smicanjem saga po podu. Umjesto pokretanja cijelog saga po podu za određeni pomak, najednom kraju saga načini se nabor koji se kontinuirano pomiče do drugog kraja saga. Njegovim kretanjem ostvari se isti pomak kao i pokretanjem cijelog saga, ali uz znatno manji utrošak energije.Dislkoacija je linijska nepravilnost koja dijeli područje koje je prokliznulo od područja koje nije klizilo. Vrste dislokacija su bridna i vijčana. Poremećaj u rešetki nesavršenosti naziva se dislokacija.
8.3. POVRŠINSKE ILI DVODIMENZIONALNE NESAVRŠENOSTI
Tehnički materijali i njihove legure sastoje se od velikog broja kristalita ili zrna. Na granici između dva zrna mijenja se položaj rešetke, odnosno njezina orijentacija. Granice koje razdvajaju volumene zrna su površinske ili dvodimenzionalne nesavršenosti kristalne strukture. Prema veličini i prirodi mogu se podijeliti na:
- malokutne granice,- velikokutne granice ili granice zrna,
- granice dvojnika, fazne granice.
Granice zrna su površinske nepravilnosti, koje razdvajaju kristale iste kristalne strukture, ali različitih orijentacija u polikristaliničnom agragatu.Za točno prikazivanje graničnih površina trebalo bi promatrati prostornu rešetku, stoje prilično kompliciran zadatak. Zato se uzima u razmatranje presjeke zrna u ravnini metalografskog izbruska, a granica su linije koje razdvajaju zrna ili dijelove zrna.
8.3.4. Fazne graniceFazne granice su granične površine između kristalita različitih faza. Sastoji li se materijal od nekoliko vrsta kristalita različite strukture i parametara rešetke, tada govorimo o heterogenoj mikrostrukturi. Ovisno o sličnosti granica između različitih vrsta kristalita, mogu se fazne granice podijeliti na koherentne, polukoherentne i nekoherentne. Imaju važnu ulogu pri očvršćavanju metalnih materijala (posebno aluminijskih legura).
8.4. PROSTORNE (VOLUMNE) ILI TRODIMENZIONALNE NESAVRŠENOSTI
Prostorne pogreške nisu više zapravo nesavršenosti kristala već pogreška materijala. Ne radi se samo o deformaciji rešetke već o prostornom diskontnuitetu unutar kristala pa je ispravnije reći, da su to nesavršenosti materijala, a ne kristala. Takvi diskontinuiteti su pore, pukotine i uključine. To su druge čestice npr. mangan - sulfid (MnS) u česticama. Djelovanje nesavršenosti na mehanička svojstva očituje se u djelovanju na čvrstoću (otpornost trajnoj promjeni oblika, plastičnoj deformaciji).Najveću čvrstoću imao bi idealan kristal. U svakom realnom kristalu prisutne su međutim dislokacije koje najviše smanjuju čvrstoću. Tako smanjenu čvrstoću djelomično mogu povećati strani atomi, granice zrna, a čak i povećana gustoća dislokacija, ali to povećanje nikada ne može biti toliko da dostigne čvrstoću idealnog kristala.Raspored atoma, to jest struktura, može se odrediti jedino rentgenskom difrakcijom mjerenjem intenziteta raspršenog zračenja na atomima. Mikrostruktura se može promatrati svjetlosnim mikroskopom na posebno pripremljenom presjeku uzorka materijala.
Tablica 7 prikazuje ovisnost mehaničke otpornosti materijala o stanju kristaliničnosti (monokristali ili polikristali) i o pogreškama.
Tablica 7 - Ovisnost mehaničke otpornosti materijala o stanju kristaliničnosti i o pogreškama
Vrsta rešetke Otpornost Pogreške (nepravilnosti)
(relativni pokazatelj)
Idealna rešetka 1000 Točkaste nepravilnosti (praznine), dislokacijeStvarna rešetka (monokristali)
100 Točkaste nepravilnosti (praznine), dislokacije
Stvarna rešetka (polikristali)
10 Granice zrna, uključci
8.5.1. DifuzijaDifuzija se može definirati kao mehanizam kojim se tvari premještaju kroz tvari u plinovitom, tekučem i čvrstom stanju. Premještanje tvari je zapravo zamjena mjesta ili kretanje atoma, iona ili molekula kroz slučajne sudare koji dovode do kretanja tvari. Značajna je difuzija u čvrstom stanju, jer je difuzija atoma u metalima i legurama osobito važna. Većina reakcija u čvrstom stanju odvija se kretanjem atoma (homogenizacija, rekristalizacija, puzanje, sinteriranje, oksidacija itd.). Kretanje atoma prikazuje slika 49.Dva su osnovna difuzijska mehanizma kretanja atoma kroz kristalnu rešetku: difuzija praznina (supstitucijski mehanizam) i difuzija uključinskih atoma (intersticijski mehanizam). Supstitucijski mehanizam. Kod samodifuzije (čisti metali) i difuzije koja uključuje supstitucijske atome (međudifuzija kod legura), atom napušta svoje mjesto u rešetki i popunjava susjednu prazninu, stvarajući na taj način novu prazninu na prethodnom položaju u rešetki. Kako se difuzija nastavlja dolazi do suprotnog toka atoma i praznina, slika 49a.
(a) (b) (c)
Slika 49 - Difuzijski mehanizmi: a) supstitucijski, b) intersticijski, c) zamjena mjesta
Intersticijski mehanizam. Ka su u kristalnoj strukturi prisutni mali uključinski (intersticijski) atomi, ti se atomi kreću od jednog intersticijskog mjesta do drugog. Praznine nisu neophodne za ostvarenje ovog mehanizma, slika 49b.Ostali difuzijski mehanizmi. Katkada atom osnovne rešetke napušta svoje normalno mjesto u rešetki i ulazi u intersticijski položaj, slika 49b. Taj difuzijski mehanizam je rijedak, jer atom teško ulazi u malo intersticijsko mjesto. Atomi se također mogu pod određenim uvjetima gibati jednostvnom zamjenom mjesta, slika 49c. Međutim , mehanizmi kretanja praznina i uključinskih atoma su prisutni kod difuzije u većini slučajeva, jer su energijski najpovoljniji, a i eksperimentalno su dokazani.
8.5.2. Vrste difurijeS obzirom na mjesto gdje se može odvijati, difuzija se može podijeliti na (vidi sliku 50): površinsku
difuziju, difuziju po granicama zrna i volumnu difuziju.
1
Slika 50 - Vrste difuzije: 1. površinska, 2. po granicama zrna i 3. volumna
68
Pod površinskom podrazumijevamo vanjske površine i unutarnje površine (pukotine, pore).Granice zrna su mjesta nepravilnog rasporeda atoma pa djeluju kao ravninski kanali kojima sedifuzija može odvijati. Nešto slično su i dislokacije, pri čemu dislokacijska jezgra djeluje kaokanal kroz koji je olakšana difuzija. Kroz kristal odvija se difuzija putem dva osnovnadifuzijska mehanizma, to jest kretanjem praznina i uključinskih atoma.Brzina difuzije određena je veličinom difuzijskog koeficijenta. Tako je veći difuzijskikoeficijent za difuziju po granicama zrna, od onog za volumnu difuziju.Difuznost ili difuzijski koeficijent ovisi o nizu faktora od kojih su važniji:Vrsta difuzijskog mehanizma. Mali atomi mogu difundirati intersticijski u kristalnoj rešetkivećih atoma, npr. ugljik difundirá intersticijski u BCC i FCC rešetki željeza. Atomi bakradifundiraju supstitucijski u osnovnoj rešetki aluminija, budući da su oba atoma približno isteveličine.Temperatura kod koje se odvija difuzija znatno utječe na vrijednost difuzijskog koeficijenta. Kako raste temperatura tako se povećava i difuzijski koeficijent. Temperatura najviše utječe na povišenje vrijednosti difuzijskog koeficijenta za volumnu difuziju, a najmanje za površinsku difuziju.Vrsta kristalne strukture topitelja. Tako se npr. difuzija ugljika lakše odvija kroz BCC kristalnu strukturi željeza nego li kroz FCC, unatoč nižoj temperaturi. To je zbog toga što su međuprostori u BCC rešetki veći od onih u FCC i stoje FCC rešetka gušće zaposjednuta atomima željeza (v id i vježbe : Kristalografija).Koncentracija difundirajuće tvari. Što je veća koncentracija otopljenih atoma, veći će biti difuzijski koeficijent. Međutim, ovaj utjecaj je vrlo složen, jer poznato je da aktivitet atoma ima veći utjecaj od koncentracije.
II DIO - MEHANIČKA SVOJSTVA MATERIJALA
1.)UVOD
Mehanička svojstva materijala zauzimaju posebno mjesto među ostalim fizikalnim i kemijskim svojstvima, budući da se na osnovi njih dimenzioniraju dijelovi strojeva i uređaja.S pomoću mehaničkih svojstava može se objektivno ocijeniti kvaliteta materijala u prijamnoj kontroli poluproizvoda, te u završnoj kontroli proizvoda. Na osnovi nekih mehaničkih i tehnoloških svojstava materijala utvrđuju se tehnološki parametri u proizvodnji.
69
• Mehanička svojstva materijala su, kao i sva ostala svojstva, posljedica strukturnog stanja materijala, koje se dobiva obradom materijala određenog sastava određenim tehnološkim postupkom.• Tako se izborom materijala i odgovarajućeg tehnološkog postupka postiže ciljano strukturno stanje materijala, koje daje željena svojstva.
2.) ELASTIČNOST
Svako naprezanje kojem je izloženo čvrsto tijelo izaziva njegovu DEFORMACIJU.
Ta deformacija se može odvijati:
• Elastično,• Visokoelastično,• Kristalno-plastično, ili• Viskozno (staklo-plastično).
Posljednja dva mehanizma povezuje činjenica da nakon rasterećenja ostaje TRAJNA DEFORMACIJA.
ELASTIČNA DEFORMACIJA, nasuprot tome, nakon rasterećenja iščezava.Važnu ulogu u ocjeni mehaničkih svojstava igra ANIZOTROPIJA. IZOTROPNA mehanička
svojstva pokazuju svi materijali sa staklenom ili polikristalnom strukturom s nepravilnom orijentacijom malih kristala.
Anizotropni su monokristali, polikristali usmjerenog zrna, granica zrna ili precipitiranih čestica druge faze, kao i vlaknima ojačani kompoziti.
Slijedeća slika prikazuje vlačna i smična naprezanja, koja djeluju na čvrsto tijelo.
Slika 64. - vlačna i smična naprezanja, koja djeluju na čvrsto tijelo
Linearna ovisnost između naprezanja i deformacije definirana je HOOKEOVIM ZAKONOM i kao takva ulazi u proračun o ponašanju krutog tijela u elastičnom području.
U nekom potpuno izotropnom materijalu dovoljne su samo dvije elastične konstante za opis elastičnog ponašanja materijala.
MODUL ELASTIČNOSTI (Youngov modul) E, predstavlja odnos jednoosnog naprezanja (a) i deforamcije (e) u istom smjeru: E=o7e, [N/mm2].
MODUL SMIKA G, predstavlja odnos smičnog naprezanja (i) i smične deformacije (v): G= T /Y,
[N/mm2].
Primjer: teoretsko smično naprezanje potrebno za posmicanje kristalnih ravnina kod idealnog kristala a-Fe iznosi:
-rteor = 8400 N/mm2, dok ta vrijednost eksperimentalno utvrđena iznosi: istv ~ 10N/mm2.
Razlog tako velikom smanjenju u odnosu na teoretsku veličinu su prvenstveno prisutne dislokacije u rešetki željeznih kristala.
Veličina elastičnih konstanti E i G, izravno ovisi o čvrstoći veze između atoma u kristalnoj rešetki ili amorfnoj strukturi.
Tablica 7. - Moduli elastičnosti i smičnosti za neke materijaleH ^poprečno uzdužno
£PoPr = (do-di)/do i £uzd = (LrL0)/L0 (skica !)
Poissonov broj može se uzeti za elastičnu deformaciju većine metala sa zadovoljavajućom točnosti 0,3.
Odnos E,G i u:E = 2(1+u)G ; stoje približno jednako 2,6G.
3.) STATIČKI VLAČNI POKUS
Elastično i plastično ponašanje materijala u uvjetima jednoosnog statičkog vlačnog naprezanja, ispituje se STATIČKIM VLAČNIM POKUSOM.
Ovim ispitivanjem utvrđuju se ujedno osnovna mehanička svojstva materijala, koja upravo karakteriziraju njihova mehanička svojstva, kao što su granica razvlačenja, maksimalna vlačna sila, sila loma, istezanje i kontrakcija.
Ispitivanje se provodi uređajima koji se nazivaju KIDALICE ILI UNIVERZALNE ISPITIVALICE, na kojima se epruvete kontinuirano vlačno opterećuju do loma. Pri ispitivanju se kontinuirano mjere sila i produljenje epruvete, te se pisačem grafički registrira dijagram "sila - produljenje", kako je prikazano na slici 66.Iz materijala koji želimo ispitati izrezuje se uzorak propisanog oblika i dimenzija - epruveta ili ispitni
uzorak.Najčešće je to (ovisno o obliku poluproizvoda) probni štap cilindričnog oblika, kod kojeg su
njegov promjer i mjerna duljina u određenom razmjeru.
71
MaterijalEGN/mm2N/mm2Dijamant1200000W360000130000a-Fe,
čelik21000084000Ni20000080000Cu10500046000Al7000026000Pb160005500Porculan5800024000O
bično staklo7600023000Kristalno staklo6000025000Plexiglas40001500Polistival3500
1300Tvrda guma50002400Guma10030
Poprečna kontrakcija označava pojavu koja se označava kao POISSONOV BROJ.
Slika 65a. - Epruveta okruglog presjeka
Veličine koje karakteriziraju dimenzije epruvete su slijedeće: d0 =
početni promjer epruvete, [mm] L0 = početna mjerna duljina
epruvete, [mm] S0 = početna površina presjeka epruvete, S0=
d02 tt/4, [mm2].
Epruveta se na mjestima zadebljanja učvrsti u čeljusti kidalice, odnosno stroja na kojem se provodi statički vlačni pokus i opterećuje se vlačnom silom.
Slika 66. - Dijagram sila - produljenje
U prvom dijelu dijagrama "sila - produljenje", ovisnost sile i produljenja je linearna i to vrijedi sve do dostizanja sile Fe, tj. sile razvlačenja ili tečenja. Nakon dostizanja te sile, epruveta se nastavlja produljivati uz čak mali pad sile. Za daljnje rastezanje materijala potrebno je opet povećanje sile. U tom dijelu statičkog vlačnog pokusa, više ne postoji linearna ovisnost između prirasta sile i produljenja.
Opterećenje se povećava do dostignuća sile Fm, tj. maksimalne sile, nakon koje se epruveta
nastavlja produljivati uz smanjenje površine poprečnog presjeka.Konačno pri vrijednosti Fk, tj. konačne sile, dolazi do loma epruvete.
Iznosi sila pri statičkom vlačnom pokusu ne daju pravi uvid u mehaničku otpornost materijala, ukoliko se ne uzme u obzir površina poprečnog presjeka epruvete, odnosno ukoliko se umjesto sile F ne uvede naprezanje a, koje se određuje izrazom:
o=F/S0; [N/mm2], gdje je
F = sila, S0= površina početnog popr. presjeka epruvete, S0 =
d02 tt/4; [mm2].
Ukoliko se produljenje AL podijeli sa početnom mjernom duljinom L0, dobiva se relativno produljenje ili istezanje e prema izrazu: e=AL/L0 ; [mm/mm].
Istezanje se može izraziti i u postocima: e = AL/L0 • 100 ; %Tako se iz dijagrama sila - produljenje, dobije dijagram naprezanje - istezanje.
naprezanje
Slika 67. - Dijagram naprezanje - istezanje za «meki» konstrukcijski čelik
Granica razvlačenja Re je ono naprezanje kod kojeg materijal počinje teći bez povećanja
naprezanja.
Re = Fe/s„; [N/mm2].
74
Vlačna ili rastezna čvrstoća je naprezanje kod maksimalne sile. Rm =
Fm/s0; [N/mm2].
Naprezanje kod kojeg epruveta puca naziva se konačnim naprezanjem i ono je jednako: Rk =
Fk/s0; [N/mm2].
Vrijednost istezanja nakon kidanja, određuje se prema izrazu: £u= (Lu-Lo)/Lo = ALU/L0; [mm/mm]. ALU = Lu-L0; mm = produljenje nakon kidanja.
Pokazatelji deformabilnosti pri statičkom vlačnom pokusu:
vrijednost konačnog istezanja (istezljivost): A = EU-100;%;
vrijednost konačnog suženja presjeka (kontrakcija): Z = (S0-SU)/S0-100;%.S0 = početna površina presjeka = d0 tt/4 ; [mm ]Su = konačna površina presjeka = du
2TT/4 ; [mm2].
Također treba reći, da će posljedica različitih vrijednosti modula E, biti različiti nagibi Hooke ova pravca u dijagramima a-z za različite materijale, kako je prikazano na slijedećoj slici.
tvrcTcofik
mjed (tegura
AI (tehnički cisti)
ske materijaleKONVENCIONALNA GRANICA RAZVLAČENJA, Rpo,2
Dozvoljeno naprezanje se određuje prema granici razvlačenja. Stoga se kod materijala bez izražene granice razvlačenja, uvodi veličina - konvencionalna granica razvlačenja Rp0,2-
To je ono naprezanje koje nakon rasterećenja epruvete izaziva trajnu (plastičnu) deformaciju od 0,2%.
Za razliku od standardnog statičkog vlačnog pokusa, za određivanje konvencionalne granice razvlačenja, potreban je dodatni uređaj - ekstenzimetar, koji se učvršćuje na epruvetu.
O, N/mm2 4
Slika 69. - Određivanje konvencionalne granice razvlačenja
OBLICI I DIMENZIJE EPRUVETA
Epruvete za standardni statički vlačni pokus, te određivanje konvencionalne granice razvlačenja, mogu biti okruglog ili četvrtastog poprečnog presjeka.
Okrugle epruvete mogu, s obzirom na veličinu promjera početnog presjeka biti: normalne (d0=20 mm) i proporcionalne (d0#20mm).
S obzirom na početnu mjernu duljinu L0, epruvete se dijele na: duge (L0=10d0) i kratke
epruvete (L0=5d0).
Plosnate epruvete (četvrtastog poprečnog presjeka), također mogu, s obzirom na početnu mjernu duljinu, biti kratke i duge.
Slika 70. - Epruveta četvrtastog presjeka
STATIČKI VLAČNI POKUS PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA
Da bi se utvrdilo ponašanje materijala pri povišenim temperaturama, statički vlačni pokus se može provesti na epruveti koja je tijekom ispitivanja ugrijana na određenu temperaturu.
76
Takvo ispitivanje provodi se na materijalima koji će u eksploataciji biti pri povišenoj temperaturi (pr. kotlogradnja, energetska postrojenja...).
Povišenje temperature ispitivanja smanjuje otpornost materijala (Re, Rm); granica razvlačenja
postaje slabije izražena, a istezljivost A se povećava.Modul elastičnosti E se također s povećanjem temperature smanjuje.
>g ispitivanja općeg
STATIČKI VLAČNI POKUS PRI SNIŽENIM
TEMPERATURAMA
Da bi se utvrdio utjecaj snižene temperature na rezultate statičkog vlačnog pokusa, epruvetu treba kontinuirano tijekom ispitivanja hladiti u
odgovarajućoj komori.Snižavanjem temperature ispitivanja, granica razvlačenja 7 vlačna čvrstoća rastu, granica
razvlačenja postaje jače izražena, dok se istezljivost A smanjuje.Vrijednost modula elastičnosti E se ne mijenja.
Slika 72. - Utjecaj snižene temperature na rezultate statičkog vlačnog ispitivanja općegkonstrukcijskog čelika
77
300 K
400 K
500 K
600 K
— 700 K
-196T'
c, mm/mm
4.) STATIČKI TLAČNI POKUS
STATIČKIM TLAČNIM POKUSOM utvrđuju se mehanička svojstva materijala pod djelovanjem normalnog jednoosnog tlačnog naprezanja, dakle pri obrnutom smjeru naprezanja, nego kod statičkog vlačnog pokusa.
Ovo se ispitivanje provodi ponajprije na materijalima u građevinarstvu (beton, cigla, drvo, kamen...), a na metalnim i polimernim materijalima samo u nekim posebnim slučajevima (pr. materijali za klizne ležajeve...).
Ispitivanje se provodi kidalicama ili univerzalnim ispitivalicama, te tlačnim prešama, a sila se ostvaruje mehanički ili hidraulički.
Uobičajeno je ispitivanje epruveta okruglog presjeka, no koriste se i epruvete četvrtastog presjeka.
Pri ispitivanju žilavih materijala (napr. konstrukcijskih čelika), ovim se ispitivanjem utvrđuje GRANICA STLAČIVANJA:
Rel
Slika 73. - dijagram "naprezanje - sabijanje" za: a) sivi lijev; b) opći konstrukcijski čelik; c) olovo
Kod žilavih materijala ne dolazi do potpunog lomljenja epruvete, već do formiranja tzv. "trbuha", kao posljedice vlačnih naprezanja u rubnom području epruvete, te do mjestimičnih pukotina.
Zato se kod žilavih materijala za izračunavanje tlačne čvrstoće uvrštava iznos tlačne sile, kod koje se na rubu epruvete pojavljuje prva pukotina.
Svojstvo deformabilnosti materijala pri ovom ispitivanju je LOMNO (konačno) SABIJANJE.Lomno sabijanje utvrđuje se izrazom:
78
eut = (L0-Lut)/L0 - 100;%.
L0 = početna mjerna duljina (visina) epruvete, [mm]
Lut = konačna mjerna duljina (visina), tj. duljina epruvete u trenutku pojave prve pukotine,
[mm].Lomno sabijanje, analogno istezljivosti kod statičkog vlačnog pokusa je relativno skraćenje
epruvete u odnosu na njezinu početnu mjernu duljinu.5.) SAVOJNO ISPITIVANJE
Savojnim ispitivanjem utvrđuju se mehanička svojstva prvenstveno krhkih materijala, napr. sivog lijeva, alatnih čelika, keramike, betona i to u uvjetima savojnog naprezanja.
Kod žilavih materijala, kao što su to na primjer konstrukcijski čelici, savojno ispitivanje provodi se s ciljem utvrđivanja tehnoloških svojstava materijala.
Ispitivanje se provodi kidalicama ili univerzalnim ispitivalicama. Savojno opterećenje epruveta ostvaruje se posebnim napravama.
Oblici i dimenzije epruveta ovise o vrsti materijala koji se ispituje, a one mogu biti okruglog ili četvrtastog poprečnog presjeka.
Često se ispituju gotovi dijelovi strojeva ili konstrukcija.Najčešće se primijenjuje ispitivanje trotočkastim savijanjem.
Slika 74. - Shematski prikaz trotočkastog savijanja epruvete
Pri takvom ispitivanju epruveta se opterećuje u sredini raspona savojnom silom Fs, pa je na
tom mjestu maksimalni savojni moment Msmax.Pri ispitivanju krhkih materijala, ovim ispitivanjem se utvrđuje savojna čvrstoća, koja se
izračunava slijedećim izrazom:Rms = Fm Ls/4W ; [N/mm2] pri čemu izraz vrijedi za trotočkasto savijanje.Fm = maksimalna sila ; [N]Ls = razmak oslonaca ; [mm]
W = moment otpora ; [mm3], koji za okrugli poprečni presjek iznosi: W =
d03 TT /32 ; [mm3].
Kod općih konstrukcijskih čelika utvrđuje se i savojna granica razvlačenja Res, prema izrazu
identičnom onom za savojnu čvrstoću, samo što se umjesto maksimalne sile Fm, uvrštava sila tečenja
Fe-Res = Fe LS/4W ; [N/mm2].
6.) UDARNA RADNJA LOMA
79
Ispitivanjem UDARNE RADNJE LOMA utvrđuje se ponašanje metalnih i polimernih materijala u uvjetima udarnog opterećenja.
Isptivanje se provodi na epruvetama s utorom, te se na taj način postiže višeosno stanje naprezanja u korjenu utora.
Vrijednost udarnje radnje loma pokazuje hoće li se materijal ponašati žilavo ili krhko u uvjetima udarnog opterećenja.
Ispituje se često pri sniženim temperaturama, jer kod nekih materijala temperatura znakovito utječe na iznos udarne radnje loma.
Ispituju se epruvete četvrtastog poprečnog presjeka, s utorom u sredini (ili bez njega), a opterećuje se na tzv. Charpvjevu batu.
Epruveta, oslonjena na dva oslonca, savojno se opterećuje udarcem brida bata u sredini
raspona nasuprot utoru. Uslijed udarca epruveta puca u korjenu utora, ili je oštrica bata provlači savinutu, ali ne slomljenu, između oslonaca.
Vrijednost udarne radnje loma je prvenstveno pokazatelj žilavosti materijala. Što je udarna radnja loma veća, to je i materijal žilaviji.
U pravilu, materijali veće istezljivosti A, imaju i veću vrijednost udarne radnje loma KU i obrnuto.Nasuprot tome, materijali visoke čvrstoće imaju malu udarnu radnju loma. Energija potrebna da brid Charpvjeva bata prelomi epruvetu, ili je provuče između oslonaca, jednaka je UDARNOJ RADNJI LOMA. KV(U) = G(hrh2); [J]. G = težina bata ; [N] h., = početna visina bata ; [m]
h2 = visina koju je bat dosegnuo nakon loma ili provlačenja epruvete ; [m].
Iznos udarne radnje loma izražava se u J (Nm). V - epruveta sa "V" utorom U - epruveta sa "U" utorom.
udarnaradnjaloma
Slika 75. - snematsKi priKaz načina udarnog opterećivanja epruvete na Charpvjevu batu
krhko žilavo
Slika 76. - Dijagramski prikaz ovisnost udarne radnje loma o temperaturi
Temperatura koja odvaja područje visoke udarne ranje loma od područja niskih vrijednosti, naziva se PRIJELAZNOM TEMPERATUROM (Tprel).
Kod konstrukcijskih čelika uobičajeno je propisivati vrijednosti udarne radnje loma pri nekoj temperaturi višoj od prijelazne za taj materijal. Na taj se način, uporabom tih čelika pri temperturama višim od prijelazne, smanjuje opasnost od KRHKOG LOMA.
7.) PUZANJE MATERIJALA
Veličine utvrđene statičkim vlačnim pokusom karakteriziraju mehaničku otpornost materijala pri kratkotrajnom djelovanju vlačnog opterećenja. No često su različiti elementi strojeva ili konstrukcija podvrgnuti dugotrajnom djelovanju konstantnog opterećenja (naprezanja). Ukoliko takvo dugotrajno opterećenje djeluje u uvjetima povišene temperature, moguća je pojava PUZANJA MATERIJALA.
PUZANJE MATERIJALA je spora deformacija materijala nastala uslijed djelovanja dugotrajnog konstantnog opterećenja pri povišenoj temperaturi.
Puzanje materijala je toplinski aktivirani proces, pa nastupa u temperaturnom području:T>0,3TW.
Zbog toga puzanje kod polimera nastupa već pri sobnoj temperaturi, a kod čelika npr. pri temperaturama > 400°C.
Slika 77. - Dijagrami o-e i "zaokrenuti" dijagrami puzanja za konstrukcijski čelik pri povišenimtemperaturama
Proces puzanja podijeljen je u tri stadija.
Prvi stadij naziva se POČETNI STADIJ PUZANJA i tu krivulja ne počinje iz ishodišta dijagrama, budući da je deformacija nastala istog časa kad je ispitni uzorak opterećen. Prvi stadij karakterizira u početku povećana i promjenjiva brzina puzanja.
Drugi stadij se naziva STADIJ KONSTANTNE BRZINE PUZANJA, pa kao što mu ime govori, prirast istezanja u jedinici vremena je približno konstantan.
Treći stadij puzanja se naziva ZAVRŠNI STADIJ PUZANJA, kada opet dolazi do svevećeg p
o/;«a 1 0 . - uijagram puzanja
Budući da je puzanje materijala toplinski aktivirani, ireverzibilni proces deformacije materijala, koji nastaje u uvjetima konstantnog opterećenja tijekom duljeg vremena na povišenoj temperaturi, na pojavu puzanja utječu slijedeći parametri:
• temperatura tališta materijala,• tip atomske veze i kristalne rešetke materijala,• mikrostrukturno stanje materijala.
Temperatura tališta materijala je teoretski gornja granica korištenja materijala u konstrukcijske svrhe.
Znakovita je razlika u naprezanju potrebnom za početak gibanja dislokacija kod onih kristala kod kojih su atomi povezani metalnom vezom, u odnosu na kristale s kovaletnom ili ionskom vezom.
Zato će u tom pogledu keramički materijali biti u znatnijoj prednosti u odnosu na metalne materijale, no kod keramike nastaje problem velike krhkosti na niskim temperaturama.
U pogledu mikrostruktumog stanja, najbolju otpornost puzanju imat će oni materijali koji imaju najviše prepreka za otežano gibanje dislokacija u kristalnoj rešetki.
To vrijedi u cijelom temperaturnom području, teoretski od 0 K do temperature tališta materijala, no postoji velika razlika u načinu gibanja dislokacija u ovisnosti o temperaturi. Na povišenim temperaturama kretanje dislokacija je puno brže.
Svi opisani procesi, osim o temperaturi, ovisni su i o vremenu. Njihova je brzina uvjetovana brzinom stvaranja i kretanja vakancija u rešetki.
Ispitivanje otpornosti puzanju uglavnom se provodi na jednakim epruvetama kao i kod statičkog vlačnog pokusa, a najčešće se koriste epruvete okruglog poprečnog presjeka s navojnim glavama.
Ispitivanje se provodi izravnim opterećivanjem epruveta pri nekoj temperaturi i to, ili s utezima, ili sustavom poluga, te registriranjem produljenja u zadanim vremenskim razmacima.
Mehanička svojstva koja karakteriziraju otpornost materijala puzanju su:GRANICA PUZANJA (Rp£/to) - vlačno naprezanje koje pri temperaturi nekog
određenog trajanja ispitivanja ostavlja u epruveti definiranu trajnu deformaciju e.STATIČKA IZDRŽLJIVOST (Rm/to)- vlačno naprezanje koje pri određenoj temperaturi
nakon zadanog trajanja ispitivanja dovodi do loma epruvete.
Povezano s ispitivanjem puzavosti je ispitivanje poznato pod imenom relaksacija materijala. Ovo ispitivanje započinje deformacijom epruvete nekim malim iznosom, koji tijekom ispitivanja ostaje konstantan, a sastoji se od elastične i plastične komponente. S vremenom se plastična deformacija povećava, a elastična smanjuje. Samim tim se smanjuje također nametnuto naprezanje.
Pokazatelj otpornosti materijala je vrijeme relaksacije potrebno da se početno naprezanje smanji na određenu unaprijed utvrđenu vrijednost.
8 5
8.) UMOR MATERIJALA
Često dijelovi strojeva i konstrukcija nisu napregnuti statičkim naprezanjem, već promjenjivim (dinamičkim) naprezanjem. Unatoč tome stoje iznos takvog dinamičkog naprezanja niži od granice razvlačenja, nakon nekog vremena može doći do loma. Zato je dimenzioniranje dinamički opterećenih dijelova strojeva i konstrukcija korištenjem podataka o mehaničkim svojstvima utvrđenim statičkim ispitivanjem nedovoljno"točno ili sasvim netočno.
Posljedica toga je pojava UMORA MATERIJALA, odnosno postupnog razaranja materijala zbog dugotrajnog djelovanja promjenjivog (dinamičkog) naprezanja, čiji je rezultat prijelom strojnog dijela.
začetak loma
Slika 79. - Shematski prikaz prijelomne površine kao posljedice umora materijala
Prijelomna površina sastoji se od zaglađenog svijetlog dijela s brazdama napredovanja pukotine. Brazde podsjećaju na godove drveta. Taj dio prijelomne površine nastajao je dulje vremena, pa se naziva PODRUČJEM TRAJNOG LOMA.
Drugi dio prijelomne površine - PODRUČJE TRENUTNOG LOMA je hrapav, zagasit i zrnat, a nastao je u trenutku kada je nametnuto naprezanje, zbog smanjenja nosive plohe, naraslo na iznos jednak vlačnoj čvrstoći materijala.
Odnos površina trajnog i trenutnog loma, te njihov razmještaj na prijelomnoj površini ovisi o vrsti i intenzitetu dinamičkog naprezanja, te intenzitetu koncentracije naprezanja.
86
Začetak trajnog loma se nalazi na mjestu gdje je iz nekog razloga došlo do koncentracije naprezanja.Koncentratori naprezanja mogu biti:• konstrukcijskog porijekla,• tehnološkog porijekla,• nastali u eksploataciji kao posljedica udarnog oštećenja i istrošenja,• nesavršeno strukturno stanje u materijalu.
trajni lom
detalj A
\ trenutni ;
sladi i I. stadij !I
mterijala
Mehaničko svojstvo koje karakterizira otpornost materijala prema pojavi umora materijala naziva se DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST.
Svrha ispitivanja dinamičke izdržljivosti je utvrđivanje ponašanja materijala ili dijelova strojeva, odnosno konstrukcija, u uvjetima dugotrajnog djelovanja promjenjivog (dinamičkog) naprezanja.
Analogno statičkom naprezanju i dinamičko naprezanje može biti vlačno - tlačno, savojno, uvojno.
Ispituje se uređajima koji omogućavaju promjenjivo (titrajno) opterećivanje epruveta ili strojnih dijelova, a nazivaju se pulzatori ili umaralice.
Ispitivanje, s obzirom na frekvenciju, može biti niskofrekventno, srednjefrekventno i visokofrekventno.
naprezanje, cr
Slika 81.- Parametri sinusoidnog promjenjivog naprezanja
Ovisno o tome odvija li se promjenjivo naprezanje samo u području tlaka, odnosno samo u području vlaka, ili pak naizmjence zadire u oba područja, govori se o istosmjernom odnosno izmjeničnom promjenjivom naprezanju, kako je prikazano na slijedećoj slici.
88
L17
istosmjerno promjenjivo naprezanje
izmjenično
promjenjiv
o
naprezanje
| istosmjerno i
promjenjivo j naprezanje
9 0
- O"
Slika 82. - Različiti tipovi sinusoidnog promjenjivog naprezanja
Za utvrđivanje dinamičke izdržljivosti izabire se jedan od tipova promjenjivog naprezanja, te se provodi tzv. VVohlerov pokus.
Rezultati ovog pokusa, ucrtavaju se u VVOHLEROV DIJAGRAM, u koji se za pojedine vrijednosti dinamičkog naprezanja unose oni brojevi ciklusa, koje su epruvete izdržale do loma.
Slika 83. - W6hlerov dijagram
Najveće dinamičko (promjenjivo) naprezanje koje epruvete izdrže bez pojave loma, nakon praktički beskonačnog broja ciklusa - predočeno graničnim brojem ciklusa, naziva se DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST i označava se sa Rd ; [N/mm2].
Kod metalnih materijala, a posebno kod konstrukcijskih čelika, VVohlerova krivulja se asimptotski približava vrijednosti dinamičke izdržljivosti, dok se kod polimernih materijala VVohlerova krivulja približava apscisi, pa se ne može pouzdano utvrditi dinamičku izdržljivost.
VVohlerov dijagram daje podatak o iznosu dinamičke izdržljivosti nekog materijala samo za jedan tip promjenjivog naprezanja.
Za konstruktore je često potreban podatak o iznosu dinamičke izdržljivost nekog materijala za različite tipove promjenjivog naprezanja.
Takve podatke daje SMITHOV DIJAGRAM.
9 2
U Smithovom dijagramu je prikazana ovisnost dinamičke izdržljivosti Rd o srednjem
naprezanju osr S gornje strane dijagrama područje dinamičke izdržljivost ograničeno je linijom gornjih
naprezanja ag, te granicom razvlačenja Re, a s donje strane linijom donjih naprezanja
Tako s povećanjem srednjeg naprezanja asr, dopuštena amplituda naprezanja aa se jasno
smanjuje.Za granični slučaj osr = Re, dopuštena amplituda je jednaka nuli
(o-a = 0).Ranije prikazan Smithov dijagram daje podatke o dinamičkoj izdržljivosti nekog materijala za
vlačno-tlačno promjenjivo naprezanje.Dinamička izdržljivost nekog materijala može se ispitivati i u uvjetima ostalih načina
opterećivanja, kao što su, na primjer, savojno ili uvojno promjenjivo opterećenje, što je prikazano na slijedećoj slici.
9 4
R _ . N/mm1" 300
Slika 85. - Smithov dijagram za vlačno-tlačno, savojno i uvojno opterećenje čelika Č.0361
9.) ZAOSTALA NAPREZANJA
ZAOSTALA NAPREZANJA su mikro i makro naprezanja prisutna u predmetu (izratku, strojnom dijelu) bez djelovanja vanjskih sila i momenata u tom času, a nalaze se u mehaničkoj ravnoteži.
Spoznaja o veličini zaostalih naprezanja prisutnih u materijalu, važna je zato što se tijekom izrade, te osobito uporabe, superponiraju s naprezanjima koja su rezultat djelovanja vanjskih sila ili momenata.
To ponekad dovodi do plastične deformacije strojnih dijelova, ili čak do pojave loma.Zaostala naprezanja kao pojave su uočena još davno kod prirodnih materijala (kamen, drvo),
a tek kasnije kod metalnih materijala, budući da se kod njih veći dio zaostalih naprezanja može razgraditi plastičnom deformacijom, koja je ponekad nevidljiva golim okom. Zaostala naprezanja prisutna u nekom predmetu, zbroj su zaostalih naprezanja prvog, drugog i trećeg reda.
Zaostala naprezanja prvog reda prisutna su u većem području predmeta, odnosno protežu se preko većeg broja kristalnih zrna. Zaostala naprezanja prvog reda nazivaju se i makro zaostalim naprezanjima.
Zaostala naprezanja drugog reda imaju konstantan iznos unutar jednog ili nekoliko kristalnih zrna. U ravnoteži se nalaze sile, odnosno momenti, manjeg broja susjednih kristala. Zaostala naprezanja drugog reda pripadaju skupini mikro zaostalih naprezanja.
Zaostala naprezanja trećeg reda razlikuju se već u nekoliko atomskih razmaka u kristalnoj rešetki, a odgovarajuće sile, odnosno momenti, nalaze se u ravnoteži samo unutar djelića kristalnog zrna. Zaostala naprezanja trećeg reda nazivaju se i mikro zaostalim naprezanjima.
UZROCI NASTANKA ZAOSTALIH NAPREZANJA
Kao što je već prije spomenuto, zaostala naprezanja prisutna u strojnom dijelu ili dijelu konstrukcije, unesena su samim materijalom tijekom izrade, ili su nastala tijekom uporabe.
Zaostala naprezanja uvjetovana materijalom su MIKRO ZAOSTALA NAPREZANJA, dok su ona nastala tijekom izrade ili uporabe gotovo uvijek MAKRO ZAOSTALA NAPREZANJA.
Uzroci pojave zaostalih naprezanja, prikazani su shematski na slijedećoj slici.
UzmsLzassMiliJS
96
npr. toplinska zaostala naprezanja uslijed eksploatacijski uvjetovanog temperaturnog polja
npr. djelomična plastična deformacija u blizini zareza ili nemetalnih uključaka, trajno valjno naprezanje
97
UvjateygoljnnaiSDJatoni
npr. višefazni sustavi, nemetalni uključci, točkaste nepravilnosti kemijski
npr. difuzija H kod elektrokemijskekorozije
uvjetovan) izradom!
podjela na glavne grupe tehnoloških postupaka prema DIN 8580
98
oblikovanje
npr. toplinskazaostalanaprezanjanpr. zaostala naprezanja kao
posljedica nehomogene deformacije
npr. zaostala zavarivačkanaprezanja zaostalakao posljedica naprezanjabrušenja
stvaranjeprevlaka
zaostalanaprezanjaslojeva
promjena svojstava nsaieđjaja
indukcijsko kaljenje, cementiranje, nitriranje
99
obrada deformiranjem razdvajanje spajanje
Osim uzroka pojave zaostalih naprezanja, navedeni su i primjeri za pojedine slučajeve. Za primjer nastanka zaostalih naprezanja prvog reda najčešće se navode toplinska zaostala naprezanja. Razmotrit će se na primjeru hlađenja (gašenja) čeličnog valjka.
Na slijedećoj slici dat je dijagramski prikaz krivulja hlađenja ruba i jezgre čeličnog valjka promjera D=100 mm, gašenog u vodi s temperature 850°C.
100
Ì
aB
101
500
jezgraA
000
100 II vrijeme, s1
0
Slika -CT | 87. - Krivulje hlađenja itoplinska naprezanja za
čelični valjak hlađen u vodi s 850°C Kao što dijagram prikazuje, rub se hladi znatno brže od jezgre. Stezanje ruba (primjereno sniženoj temperaturi) onemogućava znatno toplija jezgra, što dovodi do pojave
vlačnih naprezanja u rubnoj zoni i tlačnih naprezanja u jezgri valjka, budući da oba naprezanja trebaju biti u ravnoteži.
Cirkularna naprezanja su istog reda veličine, dok su radijalna zanemarivo mala.U trenutku kad se temperature jezgre i ruba izjednače, toplinska naprezanja su jednaka nuli i
nema nikakvih zaostalih naprezanja.To vrijedi samo onda kada toplinska naprezanja ne dostižu granicu razvlačenja (tečenja).
Zaostala naprezanja drugog reda nastaju primjerice kod bifaznih materijala, kada su prisutne faze s različitim koeficijentima toplinske dilatacije. Slijedeća slika prikazuje jedan bifazni sustav čija faza A ima veći koeficijent toplinskog istezanja nego faza B.
T = Tn
102
B A B A B
103
aA>aB
104
B A B A B T,
105
A B A B A B
- t i r-
Slika 88. - Pojava zaostalih naprezanja kao posljedica različitih koeficijenata toplinskedilatacije
Zaostala naprezanja trećeg reda prisutna su u svakom realnom materijalu koji nema idealnu mikrostrukturu. Kod materijala sa kristalnom strukturom (svi metalni materijali, neke keramike i polimeri) prisutne su kristalne nepravilnosti, tj. svi atomi nisu uredno smješteni na svojim položajima u kristalnoj rešetki, već su prisutne točkaste, linijske i površinske nepravilnosti, odnosno praznine i uključinski atomi, bridne i vijčane dislokacije, te malokutne i velikokutne granice zrna.
Sve navedene nepravilnosti uzrokuju zaostala naprezanja trećeg reda.Usporedo sa spoznajom o zaostalim naprezanjima, razvile su se i najrazličitije metode za
njihovo mjerenje. Metode za mjerenje zaostalih naprezanja uglavnom se dijele na razorne, polurazorne i nerazorne metode.
10.) TVRDOĆA MATERIJALA
TVRDOĆA je otpornost materijala prema prodiranju drugog, znatnije tvrđeg tijela.Prvu metodu za mjerenje tvrdoće razvio je Mohs. Prema Mohsovoj skali tvrdoće, materijali su
svrstani u 10 razreda, ali ona vrijedi samo za minerale. Podjela je načinjena tako da se materijal (mineral) u nekom razredu dade zastrugati s materijalom iz višeg razreda tvrdoće. Moshova metoda, odnosno skala, ne primijenjuje se za mjerenje tvrdoće tehničkih materijala.
Na tom području razvijen je čitav niz metoda ispitivanja tvrdoće. Ispitivanje tvrdoće je vjerojatno najčešće uporabljeno ispitivanje nekog mehaničkog svojstva, unatoč tome što
106
mehanička svojstva utvrđena ispitivanjem tvrdoće nisu fizikalno jednoznačno definirane veličine.Budući da ispitivanje tvrdoće neznatno oštećuje površinu ispitivanog predmeta, može se
općenito svrstati među nerazorna ispitivanja.Za samo ispitivanje ne treba izraditi posebnu epruvetu, nego samo odgovarajuće pripremiti
plohe uzorka ili strojnog dijela. Uređaji za mjerenje tvrdoće, tvrdomjeri, u pravilu su jednostavniji i jeftiniji od nekih drugih uređaja za ispitivanje mehaničkih svojstava, na primjer kidalica.
Osnovni princip mjerenja kod većine metoda je mjerenje veličine ili dubine otiska što ga penetrator opterećen nekom silom, načini u ispitivanom materijalu. Te su metode pogodne za ispitivanje tvrdoće metalnih materijala kod kojih je moguća neka plastična (trajna) deformacija.
Tijelo koje se utiskuje na površinu naziva se PENETRATOR ili IDENTOR.Penetratori ili identori oblika su kuglice, stošca ili piramide, a izrađeni su od tvrdih materijala.
Kod materijala koji imaju malu ili nikakvu mogućnost plastične deformacije, razvili su se postupci mjerenja tvrdoće, pri čemu se deformacija materijala mjeri u trenutku djelovanja sile.
Kod danas najčešće primjenjivanih metoda za mjerenje tvrdoće (Brinell, Vickers, Rockwell), djelovanje sile je statičko. Kod nekih drugih, rjeđe primjenjivanih postupaka mjerenja tvrdoće, djelovanje sile je dinamičko.
BRINELLOVA METODA
Kod Brinellove metode penetrator je kuglica od kaljenog čelika promjera D, koja se utiskuje silom F u površinske slojeve materijala, kako je prikazano na slijedećoj slici.
Na taj način nastaje u ispitivanom materijalu otisak u obliku kugline kalote promjera baze "d" i dubine "h".
107
Slika 89. - Mjerenje tvrdoće po Brinellu
Tvrdoća po Brinellu je, po definicji, omjer primijenjene sile i površine otiska: HB = F 0,102/S,gdje je F [N] sila, a S [mm2], površina kugline kalote koja se izračunava prema izrazu:S = TtDh [mm2];D = promjer kuglice [mm];h = dubina prodiranja kuglice nakon rasterećenja [mm].Budući da se ovom metodom ne mjeri dubina prodiranja kuglice, nego promjer otiska (d),
dobiva se izraz za tvrdoću po Brinellu:HB = F 0,204/TT D [D-(D2-d2)1/2 ] ; d = (di+d2)/2Iznos stupnja opterećenja za pojedine grupe metalnih materijala prikazuje slijedeća
tablica.
Tablica 8. - Vrijednosti stupnja opterećenja za pojedine grupe metalnih materijala
stupanj
opterećenja
30 10 5 2,5 1,25
materijal Fe-C-legure Cu-legure
Al-legure ležajni Pb
71-legure Ni-legure Mg-legure materijali SnNi-Co-legure Zn-legure bijela kovina
Iz iznosa stupnja opterećenja za odabrani se promjer kuglice utvrđuje potrebna sila, F.
108
Trajanje utiskivanja kuglice u materijal kreće se od 10 do 15 sekundi za Fe-C legure, a do 180 sekundi za najmekše materijale (napr. bijelu kovinu).
Brinellova tvrdoća je bezdimenzionalna veličina, a uz iznos tvrdoće izmjerene ovom metodom, navodi se dimenzija kuglice, primijenjena sila, te trajanje utiskivanja.
Primjer: 128 HB 5/250/15 (pri tome je 128 iznos tvrdoće, 5 je promjer kuglice, 250 je sila utiskivanja i 15 je vrijeme utiskivanja)
Brinellovom se metodom s kuglicom od kaljenog čelika smiju mjeriti tvrdoće do 450 HB. Kod viših tvrdoća došlo bi do oštećenja kuglice, pa je obavezna primjena kuglice od tvrdog metala.
VICKERSOVA METODA
Kod Vickersove metode uklonjena su dva osnovna nedostatka Brinellove metode:■ ograničenost područja mjerenja do 450 HB i■ ovisnost iznosa tvrdoće o primijenjenoj sili utiskivanja kuglice.
Prvi nedostatak je uklonjen uporabom najtvrđeg materijala za penetrator, dijamanta, a drugi oblikom penetratora.
To je kod Vickersove metode četverostrana piramida s kutem od 136° između stranica.Kut od 136° nije odabran slučajno. Taj kut zatvaraju tangencijalne ravnine na Brinellovu
kuglicu pri optimalnoj veličini otisnuća.
F
Slika 90. - Mjerenje tvrdoće po Vickersu
Prema definiciji, tvrdoća po Vickersu jednaka je onoj Brinellovoj, a izračunava se izrazom: HV = F0,102/S; pri čemu je F [N] = sila,
S [mm2] = površina otisnuća (šuplje piramide) nakon rasterećenja. Budući da se mjeri dijagonala baze otisnuća (kvadrata), površina otisnuća izražava se s pomoću dijagonale "d", pa izlazi: HV = F0,188/d2;
109
pri čemu je F [N] = sila,d [mm] = srednja vrijednost od dvije izmjerene dijagonale otisnuća. d = (ći+d2)/2.
Uobičajeni iznosi sile kod Vickersove metode iznose od 49 do 980 N. No, kod Vickersove metode se koriste i niža opterećenja. Ukoliko primijenjena sila utiskivanja iznosi od 1,96 do 49 N, govori se o semimikrotvrdoći.
Mjerenje semimikrotvrdoće provodi se prvenstveno pri ispitivanju tvrdoće tankih uzoraka, te tankih slojeva.
Za mjerenje tzv. mikrotvrdoće rabe se opterećenja niža od 1,96 N. Na taj način moguće je mjerenje tvrdoća pojedinih faza, npr. kristalnih zrna u mikrostrukturi materijala. Trajanje opterećivanja penetratora iznosi od 10 do 15 sekundi, a iznimno se za mekane materijale može i produljiti.
Vickersova tvrdoća je bezdimenzionalna veličina, a uz iznos tvrdoće navodi se i sila opterećivanja.
Primjer: 430 HV10 znači da je izmjerena tvrdoća iznosila 430 HV i da je dobivena utiskivanjem penetratora silom od 10-9,81 N, u trajanju od 10 do 15 sekundi.
Kod Vickersove metode je potrebna brižljiva priprema mjerne površine, koja pogotovo za mjerenje semimikrotvrdoće i mikrotvrdoće uključuje i poliranje uzorka. Također je zbog sitnog otiska za mjerenje dijagonale potreban mjerni mikroskop.
ROCKVVELLOVA METODA
Za razliku od Brinellove i Vickersove metode, kod Rockvvellove metode se ne mjeri veličina otisnuća, nego dubina prodiranja penetratora.
Zato se kod Rockvvellove metode vrijednost tvrdoće očitava na skali tvrdomjera, nakon rasterećenja. Penetratori su kod Rockvvellove metode ili dijamantni stožac ili kuglica od kaljenog čelika.Način opterećivanja penetratora za HRC metodu, prikazan je na slijedećoj slici. Nakon toga su u tablici prikazani podaci o obliku penetratora, te ostalim parametrima ispitivanja po Rockvvellovoj metodi.
110
! 2 ; 3
Slika 91.- Mjerenje tvrdoće po Rockwell u
Tablica 9. - Ispitivanje tvrdoće Rockvvellovom metodom
metoda C A B F
oblikpenetratora
stožac s vršnim
kutem od 120°
stožac s vršnim
kutem od 120°
kuglica promjera
1,5875 mm
kuglica promjera
1,5875 mm
materija!
penetratora
dijamant dijamant kaljeni čelik kaljeni čelik
Fo, N 98 98 98 98Fi, N 1471 588 980 588
maks. dubina 1 0,200
prodiranja i
0,200 0,260 0,260
oznaka tvrdoće J HRC HRA HRB HRF
utvrđivanje tvrdoće 100-e 100-e 130-e 130-e
područje mjerenja 20-70 HRC 60-88 HRA 35-100 HRB 60-100 HRF
primjena metode toplinski obrađeni
čelici
vrlo tvrdi materijali
(tvrdi metal)
normalizirani
čelici, Cu-legure
hladno valjani
limovi od čelika i
Cu-legura
Osnovna prednost Rockwellove metode u odnosu na Brinellovu i Vickersovu je brzina mjerenja, budući da se iznos tvrdoće očitava neposredno na skali tvrdomjera, a nedostatak je manja preciznost mjerenja, te slabija selektivnost metode.
Tvrdoće izmjerene Rockvvellovom metodom ne mogu se izravno preračunavati u Brinellove ili Vickersove i obrnuto.
Iznosi tvrdoća izmjerenih Brinellovom i Vickersovom metodom (gotovo) su identične do iznosa od 350 HB (HV), dok su za veće iznose tvrdoća vrijednosti izmjerene Vickersovom metodom neznatno više.
11.) ISPITIVANJE TEHNOLOŠKIH SVOJSTAVA MATERIJALA
Ispitivanje tehnoloških svojstava materijala pripada među najstarije postupke ispitivanja materijala.
Provodi se sa ciljem ocjene ponašanja materijala u preradi.Za razliku od ispitivanja mehaničkih svojstava, čiji su rezultati određene izmjerene vrijednosti s
težnjom postizanja što manje mjerne nesigurnosti, kod ispitivanja tehnoloških svojstava materijala, rezultati ispitivanja najčešće nisu izmjerene vrijednosti, već ocjena ispitivača ispunjava li materijal zahtjeve propisane normama.
Uglavnom se ti zahtjevi odnose na deformabilnost materijala, a ispitivanje se provodi na uzorcima limova, traka, žica i cijevi.
ISPITIVANJE LIMOVA I TRAKA IZVLAČENJEM (PREMA ERICHSENU)
Ispitivanjem izvlačenjem ocjenjuje se sposobnost dubokog izvlačenja limova i traka namijenjenih takvoj preradi. Ispituju se limovi i trake debljine od 0,2 do 3 mm, širine od 30 mm na više.Ispitivanje se provodi na relativno jednostavnoj napravi, prikazanoj na slijedećoj slici. Uzorak lima ili trake, učvršćen između matrice i prstenastog pritezača, utiskuje se u kuglasti utiskivač.
Pokazatelj deformabilnosti materijala pri ovom ispitivanju je dubina prodiranja utiskivača u trenutku pojave pukotine u limu - to je vrijednost "IE" iskazana u mm.
M—------------------—------------------------,----------.------------------------>.
♦40
I-—-v
;>»::) :..
llltiill'\ utiskivač
Slika 92. - Ispitivanje limova i traka izvlačenjem prema Erichsenu
ISPITIVANJE LIMOVA, TRAKA I ŽICA IZMJENIČNIM PREVIJANJEM
111
matrica
epruveta
pritiskivač
Ispitivanjem izmjeničnim previjanjem utvrđuje se sposobnost deformabilnosti materijala previjanjem epruvete za 90° u odnosu na početni položaj u jednoj ravnini.
Ispitivanje se provodi na posebnoj napravi, prikazanoj na slijedećoj slici, naizmjeničnim previjanjem epruvete učvršćene u čeljusti preko valjaka.
Ispituju se limovi i trake debljine manje od 3 mm, te žica promjera od 0,3 do 8 mm.Širina epruvete izrezane iz lima ili trake iznosi b = 20±1mm.
112
Trake manje širine ispitiuju se u isporučenoj širini.Rezultat ispitivanja je broj previjanja epruvete do pojave prve pukotine ili do pojave jedne ili
više pukotina preko najmanje polovice širine epruvete.
Slika 93. - Ispitivanje limova, traka i žica izmjeničnim previjanjem
ISPITIVANJE ŽICE UVIJANJEM
Ispitivanje se provodi da bi se utvrdile sposobnosti žice za torzijsku deformaciju u jednom smjeru. Provodi se u pravilu na novim žicama ili nitima čelične užadi, ali i za usporedbu deformabilnosti rabljenih žica i niti čelične užadi s istovrsnim novim.
Ispituju se žice promjera >0,5 mm, a iznimno žice promjera od 0,3 do 0,5 mm.Žica se učvršćuje u čeljusti naprave za uvijanje na taj način da se njena uzdužna os poklapa s
osi pričvrsnih čeljusti. Da bi žica tijekom ispitivanja ostala ravna, treba je vlačno napregnuti.Uvijanje epruvete obavlja se okretanjem pomične čeljusti konstantnom brzinom. Brzina uvijanja propisana je normom, a ispitivanje se provodi do broja uvijanja propisanog uvjetima isporuke ili do loma epruvete.
ISPITIVANJE CIJEVI PROŠIRIVANJEM, ZASUKAVANJEM I SPLJOŠTAVANJEM
Ovim ispitivanjima želi se utvrditi eventualna prisutnost makroskopskih vanjskih i unutarnjih defekata (pukotine, preklopi, dvoplatnost i si.).
Istovremeno ova ispitivanja služe za ocjenu deformabilnosti cijevi. Ispitivanje cijevi proširivanjem obuhvaća proširivanje cijevi koničnim utiskivačem, kako je prikazano na slijedećoj slici, te proširivanje prstenova izrezanih iz cijevi koničnim utiskivačem ili razvlačenjem.
Slika 94. - Proširivanje cijevi koničnim utiskivačem
Proširivanjem cijevi koničnim utiskivačem ispituju se šavne i bešavne cijevi okruglog presjeka, a ispitivanje se provodi na komadima cijevi dovoljne duljine L, da bi nakon utiskivanja stožastog utiskivača i proširenja cijevi na željeni promjer dio cijevi ostao nedeformiran.
Proširivanje prstena izrezanog iz šavnih ili bešavnih cijevi provodi se utiskivanjem stožastog utiskivača koničnosti 1:5 kroz prsten do loma.
Cijevi nazivnog promjera većeg od 150 mm, te debljine stijenke do najviše 40 mm, ispituju se razvlačenjem prstenova s pomoću dva svornjaka.
Svrha ispitivanja proširivanjem i razvlačenjem prstena je provjera prisutnosti vanjskih i unutarnjih defekata u cijevima pregledom prijelomnih površina, te ocjenjivanje deformabilnosti cijevi.
Ispitivanje cijevi zasukavanjem, prikazano na slijedećoj slici, provodi se s ciljem procjene sposobnosti deformiranja cijevi okruglog presjeka oblikovanjem pod pravim kutem.
Ovim ispitivanjem obuhvaćene su cijevi nazivnog promjera do 150 mm.Ispitivanje cijevi stlačivanjem prstena radijalnim opterećenjem, provodi se na šavnim i
bešavnim cijevima okruglog presjeka nazivnog promjera do 400 mm.Svrha ispitivanja je utvrđivanje eventualnih defekata golim okom na mjestima maksimalne
deformacije cijevi.
113
1 ............ i ______k
|—_2_^ \ ----------------1 f , „, .....
P 1i i
uSL
4-----——
< -----►
Slika 95. - Ispitivanje cijevi zasukavanjem ISPITIVANJE METALNIH
PROFILA I SUČEONIH ZAVARENIH SPOJEVA SAVIJANJEM
Ispitivanje savijanjem na dva oslonca s trnom u sredini provodi se na metalnim profilima (okruglog, četvrtastog i poligonalnog presjeka), te na sučeonim zavarenim spojevima, kako je prikazano na slijedećoj slici.
Svrha ispitivanja je provjera deformabilnosti osnovnog materijala, odnosno zavarenogspoja.
Ispitivanje se provodi savijanjem epruvete do pojave prve pukotine, koja se registrira golim okom. Kut savijanja epruvete kod kojeg je nastala prva pukotina mjeri se nakon rasterećenja.
Slika 96. Ispitivanje sučeonog zavarenog spoja savijanjem 12.)
MEHANIZMI TROŠENJA
TROŠENJE je gubitak materijala s površine krutog tijela, uslijed dinamičkog dodira s drugim krutim tijelom, fluidom i/ili česticama.
Između trenja i trošenja u jednom tribosustavu nema jednoznačne veze. U većini slučajeva, povećanje trenja popraćeno je intenzivnijim trošenjem, ali može biti i obrnuto.
Premda postoji veliki broj slučajeva trošenja, većina je autora suglasna da su samo četiri osnovna mehanizma trošenja:
114
(1),
■ abrazija,■ adhezija,■ umor površine i■ tribokorozija.
Mehanizmi trošenja opisuju se jediničnim događajima.Jedinični događaj je slijed zbivanja koji dovodi do odvajanja jedne čestice trošenja s trošene
površine.On uvijek uključuje proces nastajanja pukotina i proces napredovanja pukotina. Izgled trošenih
površina i oblik čestica trošenja, osnovni su pokazatelji za identifikaciju mehanizma trošenja.
ABRAZIJA
ABRAZIJA je trošenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim česticama ili tvrdim izbočinama.
Može se opisati kao mikrorezanje abrazivom nedefinirane geometrije oštrice, s dvije faze jediničnog događaja, kako je prikazano na slijedećoj slici.
Jedinični događaj abrazije sastoji se od dvije faze, od kojih je prva prodiranje abraziva u površinu materijala pod utjecajem normalne komponente opterećenja (FN). Druga faza je istiskivanje materijala u obliku čestica trošenja (č) pod utjecajem tangencijalne komponente opterećenja (F-,), kako je prikazano na slijedećoj slici.
Ovisno o međusobnom odnosu tvrdoća abraziva i materijala, moguća su tri praktična slučaja, prikazana na slijedećim slikama, zajedno s izgledom trošenih površina i oblikom čestica trošenja.
115
Slika 98. -„Čista abrazija"
ČISTA ABRAZIJA djeluje kada je tvrdoća abraziva veća od tvrdoće trošene podloge.Ako je ona višefazna, tada je tvrdoća abraziva veća od tvrdoće svih faza od kojih se podloga
sastoji.Površina je izbrazdana, a čestice trošenja su oblika spiralne strugotine, u slučaju kada je
abradirani materijal duktilan, odnosno lomljene strugotine, kada je abradirani materijal krhak.
Slika 99. - Selektivna abrazija
SELEKTIVNA ABRAZIJA djeluje kada u abradiranom materijalu postoji faza tvrđa od abraziva.
Abraziv "reže" samo zahvaćeni sloj mekše faze. Površina je izbrazdana, s prekidima na mjestima gdje se na površini nalaze zrna ili trake tvrđe faze.
Među česticama trošenja, za koje vrijedi isto što i kod čiste abrazije, pojavit će se povremeno i zrna tvrđe faze kada, trošenjem mekše faze, izgube uklještenje i budu izbačena iz trošene površine.
116
J (a)
Xj (č)
duktttnikrhki
materijal (1)
PovfSma
Čestice
«i)(P)
Slika 100. - „Nulta" abrazija
NULTA ABRAZIJA nastaje kada je cijela abradirana površina tvrđa od abraziva.Površina ima polirani izgled, a čestice trošenja trebale bi biti sitne Ijuskice koje potječu od
vanjskoga graničnog sloja.Nulta abrazija najčešće se javlja na površinskim slojevima dobivenim različitim postupcima
oplemenjivanja površine (boriranje, vanadiranje, CVD, PVD, itd.).
OTPORNOST NA ABRAZIJU
Otpornost na abraziju istraživala se velikim brojem radova. Rezultati su katkada proturječni, kako se vidi u slijedećoj tablici.
Uglavnom se može zaključiti da je otpornost na abraziju povezana s međusobnim odnosom tvrdoća abraziva i materijala trošene podloge, odnosno njegovih strukturnih konstituenata, jer je taj odnos odlučujući za prvu fazu jediničnog događaja abrazije, tj. prodiranje, koje je preduvjet za nastanak početne pukotine, čijim napredovanjem će nastati čestica trošenja.
Ovisnost abrazije o tvrdoći nije linearna, nego ima oblik "S" krivulje, kako je prikazano dijagramski u nastavku.
TablicalO. - Utjecajni čimbenici otpornosti na abrazijuČimbenik Reference
KorelaciUtvrđena
aNije utvrđena
1 *v r d oć a materijal a[14,251 ¡15,16,17,25]
Kohezija [16]Modul elastičnosti [14,17]
interakcija tvrdoća/modul elastičnosti
(Xlr.ns tvrdoća abradv/rnaterijal [14,20,21,22,24,30,37]Mtkrostruktura (18,20,23,25,27,36,37)l.kh<> karbida [15,18,36,37)Vrsta karbida [16,36]
Veličina jrna karbida [19,25]Žilavost (duktilnost.) [14.34,35]
Udio perlica [25]%C [25]
Slobodni put u feritu [251
Iznos plastične deformacije (veličina čestica
trošenja)
[23,25]
Karakter loma (krhki/duktilni) [26,34,35]Raspored karbida [27]Kemijska reakcija 1281
Strukturne pretvorbe [29]Oblik jrna abraziva [301
Specifična energija trošenja [311Razdioba mikrotvtdoće [32]
Poroznost 133]
w
H.
117
J : PODRUČJE NISKOG TROŠENJA, AKO JE:
H < H
I I : PRIJELAZNO PODRUČJE, AKO JE.
H = H
III: PODRUČJE VISOKOG TROŠENJA, AKO JE:
H > I I
Slika 101.- Ovisnost abrazijskog trošenja o tvrdoćama abraziva i materijala
Dok je u fazi nastajanja pukotine pri abraziji znakovit omjer tvrdoća abraziva i trošenog materijala, odnosno njegovih strukturnih konstituenata, u fazi napredovanja pukotine (koja dovodi do stvaranja čestica trošenja), odlučujući je način napredovanja pukotine, koji općenito može biti:
■ duktilni,■ krhki,
umor (površine).Model prijelaza duktilni / krhki lom, opisao je E. Hornbogen slijedećim dijagramom.
yy* I - duktilno
/ II - prijelazno
/ III- krtiko
I / D III
£«/et
Slika 102. - Ovisnost iznosa trošenja o omjeru stvarne i kritične deformacije
ADHEZIJA
ADHEZIJSKO TROŠENJE karakterizira prijelaz materijala s jedne tame plohe na drugu pri relativnom gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza.
Jedinični događaj adhezije može se opisati u tri faze, kako je prikazano na slijedećojslici.
Slika 103. - Jedinični događaj adhezije Faza I - Nastajanje adhezijskog spoja različitog stupnja jakosti na mjestu dodira izbočina.
Faza II - Raskidanje adhezijskog spoja. Čestica trošenja ostaje spontano "nalijepljena" na jednom članku kliznog para.
Faza III - Otkidanje čestice (eventualno). Oblik čestica trošenja ovisi o uvjetima, a uglavnom je listićast.
Čestice iščupane s jedne površine ostaju privremeno ili trajno "nalijepljene", odnosno navarene na drugu tarnu površinu.
OTPORNOST NA ADHEZIJSKO TROŠENJE
118
Budući da se u prvoj fazi adhezijskog mehanizma trošenja uspostavljaju mikrozavareni spojevi, sklonost stvaranju tih spojeva i jakost uspostavljenih adhezijskih veza određivat će otpornost na adhezijsko trošenje, uvijek na tarni par, a ne za pojedinačni materijal.
Materijali koji nisu skloni mikrozavarivanju u međusobnom dodiru su tribološki kompatibilni, tj. prikladni za rad u paru.
Prema tome, osnovni kriterij za ocjenu otpornosti na adhezijsko trošenje materijala tribopara je njihova tribološka kompatibilnost.
Na tribološku kompatibilnost također povoljno djeluje smanjenje broja kliznih sustava, kako prikazuje slijedeća slika.
Tlcnu-iu ravnine KU7AÚpravci
Rroj l.limih K..;mpa!¡Cliu> M ' '
*r%
CuA i N.
rt-.A u
A.« V Fc
4 •: 1 1 1 S 3 <1 10) 4 + 3 1 2 I.
BCÍ W Mo
« IV
6 { 1 \Q}'< 2 <111) Ó+2 ■= 1,2 -t
¡ k.t!
\1
*■ Cd Zu Mt!CI
: :<xoi} 5 ( 1 ll?> i - .5 - 3
: i • i.,.|io¡»j» km.MviiHii»»t rcc/i-cc.' - loš:, konspniibilnost: BCC/BCC BCC.'T'CC 4 - uajK-ilia kompatibilnost: HCP/HCP
Slika 104. - Tribološka kompatibilnost na osnovi kristalne strukture UMOR POVRŠINE
UMOR POVRŠINE je odvajanje čestica s površine uslijed cikličkih promjena naprezanja.Jedinični događaj umora površine, prikazan je na slijedećoj slici, sa tri faze. Faza I - Stvaranje mikropukotine, redovito ispod površine. Faza II - Napredovanje mikropukotine.Faza III - Ispadanje čestica trošenja, obično oblika pločice ili iverka.
Slika 105. - Jedinični događaj umora površine
U prvoj fazi nastaje podpovršinska pukotina, jer je najveće smično naprezanje kod koncentriranog dodira uvijek ispod same površine.
Ovo je tzv. FAZA INKUBACIJE, jer praktički nema nikakvog odvajanja čestica.U drugoj fazi, podpovršinska pukotina izbija na površinu. Od toga trenutka iz pukotine
redovito izlaze sitne kuglaste čestice, kojih je proces nastajanja prikazan na slijedećoj slici.Ove kuglaste čestice su tako sitne, da se praktički ne mogu registrirati kao gubitak mase,
odnosno volumena, ali mogu poslužiti kao važan pokazatelj stanja procesa trošenja umorom površine.
Slika 106. - Nastajanje kuglastih čestica u pukotini od umora U trećoj fazi jediničnog događaja umora površine, dolazi do ispadanja krupne čestice oblika ivera, što na površini ostavlja oštećenje oblika rupice.
Zato se ovaj oblik trošenja uobičajeno naziva PITTING (rupičenje).
OTPORNOST NA UMOR POVRŠINE
Mehanizmi nastajanja prvih pukotina kod umora površine prikazani su na slijedećojslici.
a) Gomilanje dislokacija na granicama zrna,
119
1
b) Međudjelovanje dviju kliznih ravnina,c) Nastajanje pukotina na malokutnim granicama.
Slika 107. - Mehanizmi nastajanja početnih pukotina
Budući da je stvaranje početnih pukotina kod umora površine povezano s procesom gibanja dislokacija, otpornost materijala na umor površine ovisit će o otporu gibanju dislokacija, a na to utječe jako veliki broj čimbenika.
LITTMAN je sakupio listu čimbenika koji mijenjaju nominalnu raspodjelu narpezanja proračunatu za homogene, izotropne, elastične i glatke materijale u kotrljajućem dodiru:
a) Podpovršinski koncentratori naprezanja,b) Površinska obilježja,c) Površinske pogreške,d) Diskontinuiteti u geometriji dodira,e) Raspodjela opterećenja u ležaju,f) Elastohidrodinamika,g) Tangencijalne sile.Otpornost na umor površine naziva se DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE. Ovo
svojstvo može se utvrditi samo pokusima.
TRIBOKOROZIJA
TRIBOKOROZIJA ILI TRIBOKEMIJSKO TROŠENJE je mehanizam trošenja pri kojem prevladavaju kemijske ili elektrokemijske reakcije materijala s okolišem. Jedinični događaj tribokorozije s dvije faze, prikazuje slijedeća slika.
I - Stvaranje (ili obnavljanje) sloja produkata korozije.II- Mjestimično razaranje sloja produkata korozije.
120
(1)
F
v
1 2 1
I
F
(1)
II
1 2 2
I
(1)
S///CA 708. - Jedinični događaj tribokorozije
Izgled površina izloženih tribokoroziji ovisi o intenzivnosti odnošenja stvorenih čestica trošenja.
Pri maloj intenzivnosti na površini se pojavljuju proizvodi korozije, a kod veće intenzivnosti odnošenja, površina je naizgled polirana.
Čestice trošenja su praškastog oblika, uglavnom oksidne.Važno je da se čestice trošenja kod tribokorozije stvaraju unutar vanjskog površinskog sloja.
Budući da se radi o vrlo tankim slojevima, tribokorozija je redovito slabo intenzivan mehanizam trošenja. Premda se tribokorozija ubraja u osnovne mehanizme trošenja, to je ipak kombinacija između kemijskih reakcija na površini triboelementa i jednog od prethodno opisanih osnovnih mehanizama trošenja, tj. abrazije ili umora površine.
OTPORNOST NA TRIBOKOROZIJU
Na osnovi jediničnog događaja tribokorozije, moglo bi se zaključiti da bi osnovni kriterij za otpornost materijala na tribokoroziju trebala biti KEMIJSKA PASIVNOST materijala u određenom mediju.
Za orjentacijsko procjenjivanje otpornosti materijala na tribokoroziju mogu poslužiti tablice s podacima o otpornosti pojedinih materijala u različitim sredstvima.
Treba voditi računa o tome da slojevi proizvoda korozije zaštićuju metalne površine od neposrednog dodira metal / metal, pa se često i namjerno izazivaju u svrhu zaštite.
Drugim riječima, tribokorozija je u pravilu "poželjan" mehanizam trošenja, jer bi drugi mehanizmi trošenja u istoj situaciji izazvali mnogo intenzivnije trošenje.
1 2 3
I
