MAŠINSKI MATERIJALI (4+2) Školska h I Nastavna grupa Predmetni nastavnik: Dr Vukić Lazić, red. prof. Saradnici na pre

Транскрипт

1 MAŠINSKI MATERIJALI (4+2) Školska h I Nastavna grupa Predmetni nastavnik: Dr Vukić Lazić, red. prof. Saradnici na predmetu: Dr Srbislav Aleksandrović, red. prof. Saradnici - doktorandi: Dragan Džunić, dipl. maš. inž. Marko Đapan, dipl. maš. inž. Aleksandar Aleksić, dipl. maš. inž. Milan Đorđević, dipl. maš. inž. Saradnik - demonstrator: Dušan Arsić, maš. inž. - student master studija (V)

2 MAŠINSKI MATERIJALI Literatura - osnovna 1. M. Jovanović i autori: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, Kragujevac, V. Đorđević: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Beogradu, Beograd, Pismeni materijali: predavanja/vežbe, prezentacije predavanja,... Literatura - dopunska 1. R. Lučić. Mašinski materijali, Vuk Karadžić, Paraćin, B. Devedžić: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, V. Đukić: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, V. Đorđević, M. Vukićević: Mašinski materijali praktikum za vežbe, prvi deo, Mašinski fakultet u Beogradu, Beograd, A. Majstorović, V. Đukić: Ispitivanje mašinskih materijala, Naučna knjiga, Beograd, 1988.

3 Plan testova i kolokvijuma 1. Prvi test/kolokvijum Peta nedelja Sreda Drugi test/kolokvijum Deseta nedelja Sreda Treći test/kolokvijum Petnaesta nedelja Sreda Broj poena: Test = 7 poena (3 testa 7 poena = 21 poen) Kolokvijum = 14 poena (3 kolokvijuma 14 poena = 42 poena) Redovno pohađanje predavanja = 5 poena Redovno pohađanje vežbi = 2 poena UKUPNO Predispitne obaveze = Σ 70 poena Završni (pismeni) ispit = 30 poena Ocene: 6 (Šest) = poena; 7 (Sedam) = poena; 8 (Osam) = poena; 9 (Devet) = poena; 10 (Deset) = poena.

4 OPŠTE KARAKTERISTIKE MATERIJALA 1. Predavanje Dr Vukić Lazić, red. prof. Od svih tehničkih-konstrukcionih materijala redosled po obimu je: DRVO, BETON, IGLA, ČELIK, STAKLO, GUMA, ALUMINIJUM i dr. U predmetu Mašinski materijali proučavaju se: 1. METALNI MATERIJALI 2. POLIMERNI MATERIJALI 3. KOMPOZITNI MATERIJALI 4. KERAMIČKI MATERIJALI 5. DRVO I PRERAĐEVINE OD DRVETA

5 Pored konstrukcionih materijala u mašinstvu se upotrebljavaju: Pogonski materijali: nafta i naftni derivati, TNG, ugalj, drvo i dr. Tehnički gasovi: O 2, N 2, O 2, Ar, e, 2, 2 2, 3 8, 4 10 (zasićeni ugljovodonici) Poslednjih godina istražuju se i primenjuju: elularni materijali (tzv. nano tehnologija, slaganje molekula u željene strukture) Optička vlakna Biokompatibilni materijali (TiAl5) Pametni materijali (dvadesetih godina XX veka napravljena je legura Ni-Ti koja pamti svoj oblik; ako se na visokoj temperaturi napravi tanak štapić pa ohladi i savije u razne oblike, svi će oni zagrevanjem uspostaviti prvobitini oblik).

6 1. METALNI MATERIJALI LEGURE Fe- (čelik i liveno gvožđe) LEGURE Al (Al-Si - silumin, Al-u - dural, Al-Mg - hidronalium, Al-Mn) LEGURE u (u-sn - bronza, u-zn - mesing) LEGURE Ti (Ti-Al-V (avio i hemijska industrija), Ti-Al5 (veštački kukovi)) LEGURE Zn (Zn-Al-Mg - špialter, zamak (karburatori)) LEGURE Mg (Mg-Al6-Zn3 (odlivci u pesku - elektron - poklopci)) LEGURE Ni (Ni-u - monel, Ni-r-Fe - inkonel (koroziono otporna), u-ni konstantan (električno otporna do 500º) [1]. [1] Monel (67% Ni, 30% u, 1.4% Fe, 1% Mn); Inkonel (Inconel) (79.5% Ni, 13% r, 6.5% Fe); Konstantan (55% u, 45% Ni).

7 Svetska proizvodnja čelika ( ), aluminijuma ( ), magnezijuma ( ) i plastičnih materijala ( )

8 Svetska proizvodnja čelika po regijama-zemljama u i godini

9 2. POLIMERNI MATERIJALI (PLASTOMERI = PLASTIKE, ELASTOMERI = GUME) A) PLASTOMERI Dobijaju se polimerizacijom, tj. povezivanjem više monomera u dugačke lančaste molekule npr. polietilen se dobija polimerizacijom etilena- 2 4 ) - (p, T) (n- stepen polimerizacije, T t = º zavisno od "n").

10 ... O Strukturne formule: a) mera, b) monomera, c) polimera Strukturne formule etil-alkohola (a) i polietilena (b) a) Mer b) Monomer c) Polimer a) b)

11 B) ELASTOMERI (prirodna i veštačka guma) Dobijaju se iz kaučuka, a ovaj iz lateksa (lateks - polimer izoprena). Meke gume do 4% S Tvrde gume 4-20% S Veoma tvrde gume 35-50% S (elastični oslonci motora, menjača, amortizera) Izopren

12 S S Kaučuk + S Bočno povezivanje lančastih molekula

13 3. KOMPOZITNI MATERIJALI Dobijaju se kombinacijom dva ili više materijala različitog hemijskog sastava fizičkih osobina. Njihove korisne osobine i do 10 puta nadmašuju osobine sastavnih komponenata. U sintetičke smole (polimeri) (formaldehidne, alkidne, epoksidne, poliestarske) ubacuju se punioci (vlaknasti, pločasti, zrnasti). Ranije su bila staklena vlakna (Fiberglass), a danas ugljenična, borna i aramidna vlakna (Kevlar). Prirodni kompozit je drvo (smola lignin + celulozna vlakna), a prvi veštački kompozit beton (cement + voda + pesak + betonsko gvožđe), asfalt (bitumen + mleveno staklo; bitumen + mlevena guma).

14 4. KERAMIKE (TRADIIONALNE I TENIČKE) Veoma su tvrde i krte; to su proizvodi od gline, staklo, Al 2 O 3, karbid W i dr. U tradicionalne keramike spadaju: opeka, pločice, porcelan,...; U tehničke keramike spadaju: gotovo čist Al 2 O 3, ZrO 2, W, Si, Si 3 N, B 4 i BN. Primenjuju se za delove gasnih turbina, svećica, izduvnih grana, brusne ploče i bruseve, kočione obloge i tsl.

15 U cilju daljeg proučavanja materijala neophodno je proučiti: Strukturu atoma (pre svega) Vrstu hemijskih veza između atoma i molekula i Unutrašnju građu. STRUKTURA ATOMA Model atoma (istorijski posmatrano) (Demokrit ( pre rista), Dalton (1808.), Tompson (1910.), Raderford (1910.), Bor (1920.), Bomerfeld (1920), ajzenberg (1926.),...

16 Atomi = jezgro (P+N) + elektroni. Svih 105 elemenata se razlikuju po broju protona, neutrona i elektrona. - Jezgro - Elektron

17 Pri proučavanju razlike između atoma pojedinih hemijskih elemenata polazi se od Mendeljejevog periodnog sistema. Uz hemijske simbole u periodnom sistemu upisuju se: Simbol elementa, Atomski broj, Atomska masa i Elektronska struktura spoljašnje ljuske. Atomski broj pokazuje koliko protona ima jezgro. Kod neutralnog atoma, to je i ukupan broj elektrona. Atomska masa je masa (g) koja odgovara Avogadrovom broju atoma.

18 Ugljenik Ugljenik Stabilan (a) i radioaktivni izotop ugljenika (b)

19 ELEKTRONSKA STRUKTURA ATOMA Ako se atom pobudi (ekscitira) (toplotnom, električnom, energijom) elektron prelazi na energetski višu orbitu. svetlosnom E h U toku povratka elektrona na nižu orbitu emituje se diskretna količina energije (kvant). Kvant svetlosne energije = foton (čestična i talasna priroda svetlosti).

20 e Ne Potencijal jonizacije, V N B Li O Mg Na P Ar S K Ti r Zn u As Se Rb Kr Mo Nb d In Xe e s Ta Au Ir Pb Bi Rn Fr U Atomski broj Potencijal jonizacije nekih elemenata

21 a) b) c) Građa atoma: a) vodonika, b) helijuma i c) litijuma

22 1s 2p 3s 2s Model atoma natrijuma (Na)

23 Danas se energetsko stanje elektrona određuje sa 4 - KVANTNA BROJA: GLAVNI kvantni broj, ORBITALNI kvantni broj, MAGNETNI kvantni broj i SPINSKI kvantni broj. GLAVNI KVANTNI BROJ (n): Glavni kvantni broj: n = (Ranije ljuske) K L M N O P Q Broj elektrona: 2(n 2 )

24 U svakoj ljusci može biti 2(n 2 ), ali u zadnjoj ljusci najviše 8 elektrona. Glavni kvantni broj prikazuje energetske nivoe elektrona i može se uzeti da je to prostorna ljuska na kojoj se najverovatnije nalaze elektroni. Pri pobuđivanju atoma uočene su različite spektralne linije: Oštra (sharph - s), Glavna (principal - p), Rasuta (diffusion - d) i Osnovna (fundamental f) Stoga je uveden s, p, d, f sistem za elektronsku konfiguraciju atoma. Ove različite spektralne linije ukazuju da na svom rotiranju oko jezgra elektron ne pravi samo kružne već i eliptične putanje. Elektron udaljeniji od jezgra ima veću energiju, a time i veću frekvenciju - drukčiju boju.

25 ORBITALNI (SEKUNDARNI) KVANTNI BROJ (l): Određuje podnivoe energije elektrona (subenergije) u okviru glavnih nivoa (n). Moguće su sledeće vrednosti za (l od 0 do n-1): l = n-1 ili s p d f g Da bismo mogli da na osnovu atomskog broja elementa odredimo oblike putanja polazimo od (n) i (l).

26 n l s p d f s s p s p d s p d f k = l n/k * /3 1 2(2l+1) Zaključak: za n/k = 1 orbite su kružne, a za n/k>1 nekružne. Orbite "s" mogu primiti max 2 elektrona, orbita "p" max 6 elektrona, orbita "d" max 10 elektrona i orbita "f" max 14 elektrona. Opšti izraz izraz za elektronsku konfiguraciju elektrona je: s, 2 s p, 3 s p d, 4 s p d f, 5 s p d f, 6 s p d, 7 s p

27 Element Atomski broj Elektronska konfiguracija Magnezijum (Mg) 12 1s 2, 2s 2 p 6, 3s 2 Aluminijum (Al) 13 1s 2, 2s 2 p 6, 3s 2, p 1 Gvoždje (Fe) 26 1s 2, 2s 2 p 6, 3s 2 p 6 d 6, 4s 2 Bakar (u) 29 1s 2, 2s 2 p 6, 3s 2 p 6 d 10, 4s 1

28 Model atoma natrijuma (Na) Izraz za elektronsku konfiguraciju: 2 Na 1s, 2s p, 3s Važno: Detaljnije studentima objasniti periodni sistem elemenata!

29 EMIJSKE VEZE Prema shvatanju savremene fizike sve se u prirodi sastoji od: atoma, subatomskih čestica i energetskih polja koja ih povezuju. To su: GRAVITAIONA polja; ELEKTROMAGNETNA polja; POLJA JAKI EMIJSKI VEZA (atomske, primarne); POLJA SLABI EMIJSKI VEZA (sekundarne, molekularne). Osim ovih, Ajnštajn je u teoriji relativiteta uveo i petu silu GRAVITO-MAGNETNO polje.

30 Proučićemo detaljnije samo hemijske veze jer je gravitaciono privlačenje dva protona 1/10 36 atomskog (primarnog) privlačenja. Atomske ili primarne veze nastaju razmenom valentnih elektrona, tj. stvaranjem elektronskog para. Sekundarne tj. molekularne veze nastaju dejstvom električnih polja nastalih polarizacijom molekula. ATOMSKE VEZE Primarne veze mogu biti: JONSKE (Nal, Kl, Lil, af 2 - soli alkalnih elemenata); KOVALENTNE (F 2, l 2, O 2, N 2 - dvoatomni gasovi; čvrste materije: Si, Ge, Bi, α-sn, Si, - dijamant,...); METALNE (čisti metali i metalne legure).

31 JONSKE VEZE Jonske veze nastaju između visoko elektropozitivnih elemenata (metali I i II grupe periodnog sistema) i visoko elektronegativnih elemenata (nemetala VII grupe periodnog sistema - F, l,...) (reaktivni elementi). + _ Na + l Na +( l )

32

33 Kristalna rešetka kuhinjske soli - Nal

34 Kristalna rešetka kuhinjske soli - Nal

35 Jonska veza između natrijuma (Na) i fluora (F) (NaF) - (Na(11); F(9)) analizirati sa studentima!

36 Koji elementi grade jonsku vezu primeri jedinjenja

37 KOVALENTNE VEZE Kovalentne veze nastaju između: dvoatomnih gasova (F, O, N); elektronegativnih elemenata bliskih u periodnom sistemu elemenata (npr. Si(14), (6),... - IVB kolona ); kod ugljovodonika -; kao i kod čistog ugljenika (dijamant i delom grafit). Kod kovalentne veze, valentni s i p elektroni se dele između atoma obrazujući stabilan oktet spoljne ljuske.

38 Atomi dele elektrone

39 Broj parova elektrona određuje se prema izrazu: n 8 N Gde je: n- broj parova elektrona, a N- kolona periodnog sistema (ajgensov princip ne važi za 2!),

40 (1) jedan par elektrona - N (7) (6) jedan par elektrona F-F 2 para elektrona O=O (5) 3 para elektrona N N l + l l l l l, O O, N N

41 Elektroni u kovalentnoj vezi - primeri

42 Kristalna rešetka grafita Kristalna rešetka dijamanta

43 Kovalentne veze kod ugljovodonika [1] povezuju i u zasićenim i nezasićenim ugljovodonicima. Zasićeni ugljovodonici imaju sufiks -an-, a nezasićeni ugljovodonici sufiks -en-. [1] Ugljovodonici - organska jedinjenja u čiji sastav ulaze ugljenik i vodonik; Zasićeni ugljovodonici - sadrže u svom sastavu maksimalan broj atoma vodonika; Nezasićeni ugljovodonici - sadrže u svom sastavu manje od maksimalnog broja vodonikovih atoma.

44 a) b) c) ZASIĆENI UGLJOVODONII - a) metan, b) etan, c) propan

45 l a) (b) (c) NEZASIĆENI UGLJOVODONII - a) etilen, b) izopren, c) hloropren

46 Primeri: kovalentna veza Molekuli sa nemetalima Molekuli sa metalima i nemetalima Čvrsti elementi (desna strana periodnog sistema) Složena čvrsta jedinjenja (oko grupe IVA)

47 METALNE VEZE Atomi su kod metala u čvrstom stanju spakovani tako gusto da njihove valentne elektrone privlače jezgra ne samo sopstvenog već i okolnih atoma. dobri provodnoici električne struje i toplote (usmereno kretanje elektrona = jednosmerna struja!); metali su deformabilni (kovni), tj. pre razaranja se dosta plastično deformišu (atomi metala mogu klizati jedan preko drugog bez raskidanja metalne veze!). Da je u pitanju hemijska veza dokaz je Sn: do 161º ima metalnu vezu (plastiičan), a preko 161º kovalentnu (krt). To je uočeno pri lemljenju.

48 Pozitivni jon Valentni elektroni u obliku elektronskih oblaka Metalna veza

49

50 Element Spoljašnja ljuska Energija veze, kj/mol T t, º K? - za domaći Zn? - za domaći u? - za domaći Mn? - za domaći Ni? - za domaći o? - za domaći Fe? - za domaći

51 SEKUNDARNE VEZE (molekulske, van der Waals) Ove veze su znatno slabije od primarnih jer nema interakcije između valentnih elektrona. Pogonska sila sekundarnog povezivanja jesu električni dipoli nastali u atomima ili molekulima. Jačina sekundarnih veza je 4 do 42 kj/mol. Sekundarna veza između vodonika () i hlora (l) - (l)

52 SEKUNDARNA VEZA - primeri Javlja se kod interakcije između dipola Promenljivi dipoli Permanentni dipoli- molekulski indukovani - opšti slučaj: - npr: tečni l - npr: polimer

53 Pitanja: 1. Gradja atoma i njihovo grupisanje u periodnom sistemu elemenata. 2. Pojam kvantnih brojeva, orbita i ljuski. 3. Valentni elektroni, elektropozitivni i elektronegativni elementi. 4. Elektronska struktura hemijskih elemenata, posebno tehnički značajnih metala (Fe, Al, u, Mg). 5. Vrste hemijskih veza i gradivne čestice materije. 6. Primarne i sekundarne hemijske veze.

54 Prilog 1- Periodni sistem elemenata

55 Prilog 2 - Periodni sistem elemenata (pogledati izvorni sajt)