UNIVERZITET U ZENICI MAŠINSKI FAKULTET Dr. Nađija Haračić SAVREMENI MATERIJALI ZA MAŠINSKU UPOTREBU Zenica 2011.
Sva prava zadržana! Ni jedan dio ove knjige ne može biti reprodukovan, niti smješten u sistem za pretraživanje u bilo kom obliku, elektronski, mehanički, fotokopiranjem ili na drugi način, bez prethodne saglasnosti autora!
PREDGOVOR Današnji mašinski inžinjer mora raspolagati određenim znanjem iz strukture i građe materijala, kao i fizike i hemije što predstavlja bitan faktor za predviđanje i objašnjenje ponašanja materijala (metala, polimera, inkluzivnih elastomera, keramika, stakla i nekih egzotičnih materijala) u eksploataciji i pri ispitivanju, a posebno pri kreiranju novih materijala. Zbog toga nije ni malo jednostavno napisati udžbenik iz nauke o materijalima samo za studente mašinstva, pored ostalog i zbog toga što su nauka o materijalima i inžinjerstvo materijala nova disciplina nastala poslije 1970. godine, sintezom temeljnih nauka - fizike, hemije, te inžinjerskih struka: metalurgije, hemijskog inžinjerstva, mašinstva, građevinarstva i dr. Takav razvoj nauke odrazio se i na nastavne planove i programe studija mašinstva, naročito s obzirom na obim, na unutarnji raspored i redoslijed pojedinih predmeta kao i na odnos između obima i teoretskih i izrazito mašinskih predmeta. Danas imamo situaciju da se s jedne strane u nastavno gradivo stalno "prilijevaju" nova saznanja, nove naučne grane, nova istraživačka područja, a s druge strane vremenski okvir od dva semestra i sa po dva ili tri časa iz nauke o materijalima u toku njih, sa stalnom tendencijom smanjenja broja časova. S tim u vezi proizilazi da je potrebno naučno gradivo neprekidno usklađivati sa progresom nauke o materijalima, odnosno sa cjelokupnim nastavnim programom za visokoškolsko, mašinsko obrazovanje. U ovom udžbeniku je dat pregled savremenih materijala koji će se prema predviđanjima stručnjaka, uglavnom koristiti do sredine ovoga stoljeća, a u saglasnosti sa nastavnim planom i programom za grupu predmeta "Materijali", na mašinskim fakultetima. Ovaj udžbenik predstavlja slobodnije interpretacije bibliografskih podataka i sopstvenih iskustava autora ovog udžbenika. Dr. Nađija Haračić
Fundamentalna misija svake prirodne nauke je da čudesne pojave učini banalnim: da pokaže da je kompleksnost kada se konkretno analizira, samo maska koja skriva jednostavnost. Herbert A. Sajmon, nobelovac
SADRŽAJ Predgovor 1. UVOD...1 1.1. Nauka o materijalima i inžinjerstvo materijala...4 2. IZBOR MAŠINSKIH MATERIJALA...5 2.1. Izbor materijala...5 2.2. Osobine materijala...5 2.3. Mogućnost nabavke i cijena...6 2.4. Izgled, vijek trajanja i prodaja...7 2.5. Izbor procesa izrade...7 2.5.1. Dimenzionalni zahtjevi finalne obrade površine...10 2.5.2. Posljedice nepravilno odabranog materijala i procesa obrade...10 2.6. Kvalitet proizvoda...10 2.7. Izbor materijala uz korištenje savremenih izvora naučnih informacija...12 3. METALI U PERIODNOM SISTEMU ELEMENATA...17 3.1. Periodni sistem elemenata...17 3.2. Podjela metala prema periodnom sistemu elemenata...18 3.2.1. Crni metali...18 3.2.2. Obojeni metali...19 3.2.3. Metalna veza...21 4. TIPOVI DIJAGRAMA STANJA BINARNIH LEGURA...23 4.1. Legure...23 4.2. Dijagrami stanja legura...25 4.2.1. Dijagram stanja kod koga komponente daju neprekidni niz kristala mješanaca...26 4.2.2. Dijagram stanja kod koga se komponente međusobno ne spajaju.26 4.2.3. Dijagram stanja kod koga komponente daju kristale mješance sa područjem ograničene rastvorljivosti...27 4.2.4. Dijagram stanja kod koga komponente daju intermetalni spoj...27 5. ČELIK I GVOŽĐE...29 5.1. Historijski pregled proizvodnje čelika...29 5.2. Rude željeza...31 6. DIJAGRAM STANJA Fe-Fe 3 C...37 6.1. Historijski razvoj dijagrama stanja Fe-Fe 3 C...37 6.2. Podjela željeznih legura prema dijagramu Fe-Fe 3 C...39
6.3. Značaj i uloga dijagrama stanja Fe-Fe 3 C u termičkoj obradi...40 6.3.1. Osnove o dijagramu stanja Fe-Fe 3 C (Fe-C)...40 6.3.2. Preobražajne tačke i linije dijagrama stanja Fe-Fe 3 C...42 6.3.3 Faze metastabilnog sistema Fe-Fe 3 C...43 6.3.4. Najvažnije reakcije u sistemu Fe-Fe 3 C...44 6.4 Pravilo faza...48 6.5 Zakon poluge...49 6.5.1. Primjena pravila poluge na dijagram stanja Fe-Fe 3 C...51 7. STABILNI DIJAGRAM STANJA, Fe-C...53 7.1. Eutektička transformacija u sistemu Fe-C...53 7.2. Eutektoidna transformacija u sistemu Fe-C...54 8. LIVENA GVOŽĐA...57 8.1 Bijela livena gvožđa...57 8.2. Siva livena gvožđa...58 8.2.1. Mehaničke osobine sivih livenih gvožđa...59 8.2.2. Podjela sivog liva...60 8.3. Legirana livena gvožđa...60 8.4. Modificirana siva livena gvožđa...61 8.5. Temper livena gvožđa...61 8.5.1. Bijeli temperovani liv...63 8.6. Nodularni liv...64 9. STANDARDIZACIJA U OBLASTI METALA...65 9.1. Ciljevi državne standardizacije BiH...65 9.2. Principi na kojima se temelji državna standardizacija BiH...66 9.3. Definiranje i klasificiranje vrsta čelika prema standardu BAS EN 10 020: 2000 IDT...66 9.3.1. Raniji načini podjele vrste čelika...67 9.4. Podjela vrsta čelika prema standardu BAS EN 10020:2000...70 10. Prihvatljivi sadržaji legirajućih elemenata OZNAKE ČELIKA PREMA BAS EN 10020, BAS EN 10027-1 i BAS EN10027-2; GLAVNE I DODATNE OZNAKE PO CR10260...73 10.1. Označavanje čelika na osnovu njihove primjene i mehaničkih i fizičkih osobina...73 10.2. Označavanje čelika na osnovu njihovog hemijskog sastava...75 10.3. Označavanje čelika brojevima...75 10.4. Sistem označavanja željeznih livova-oznake i brojevi materijala.76 10.4.1. Oznake livova na osnovu mehaničkih osobina i hemijskog sastava...76 10.4.2. Brojčane oznake livova...77 10. 5. Označavanje čelika prema JUS C.B0.002...79
11. NAČINI PROIZVODNJE GVOŽĐA I ČELIKA...81 11.1. Proces visoke peći...81 11.2. Proizvodi visoke peći...83 11.3. Materijali od kojih se gradi visoka peć...86 11.4. Proizvodnja čelika u konvertorima...87 11.5. Dobijanje čelika u Simens-Martenovoj peći...89 12. NIKAL I SUPERLEGURE NA BAZI NIKLA...93 12.1. Pojam i osnovne osobine usmjerene i monokristalne strukture...94 12.2. Osobine konvencionalno livenih i usmjereno očvrsnutih superlegura na bazi nikla...96 13. KOBALT I SUPERLEGURE NA BAZI KOBALTA...101 13.1. Podjela legura kobalta...102 13.2. Proizvodi od superlegura na bazi kobalta...107 14. ALUMINIJ I LEGURE ALUMINIJA...109 14.1. Sistemi legiranja aluminijuma...110 14.1.1. Aluminij - silicij (Al-Si)...110 14.1.2. Aluminij - bakar (Al - Cu)...112 14.1.3. Aluminij - magnezij (Al -Mg)...113 14.1.4. Aluminij - mangan (Al - Mn)...115 14.1.5. Aluminij - željezo (Al - Fe)...116 14.2. Legure aluminijuma...118 14.2.1. Označavanje legura aluminijuma...119 14.2.2. Legure aluminijuma za livenje...119 14.2.3. Legure aluminijuma za kovanje i presovanje...121 15. TITAN I LEGURE TITANA...123 15.1. Osobine titana...123 15.2. Oksidacija titana...125 15.3. Tehnički titan...125 15.4. Legure titana...126 15.4.1. Alfa legure...127 15.4.2. Beta legure...127 15.4.3. Alfa-beta legure...127 15.5. Plastične osobine...128 15.5.1. Očvrščavanje čvrstim rastvorom α faze...129 15.5.2. Očvršćavanje čvrstim rastvorom beta faze...129 15.6. Podjela titanovih legura prema namjeni...130 15.6.1. Legure za opće svrhe...131 15.6.2. Legure za limove...131 15.6.3. Legure mehanički otporne na visokim temperaturama...131 16. NEMETALNI MATERIJALI...133
16.1. Podjela nemetalnih materijala...135 16.2. Plastične mase...135 16.2.1. Podjela plastičnih masa prema toplotnim svojstvima...136 16.2.2. Podjela prema namjeni i uz oznake prema ASTMu...136 17. KERAMIKA...139 17.1. Savremena keramika, vrste i osobine...139 17.2. Tehnička keramika...139 17.2.1. Tradicionalna keramika...139 18. KOMPOZITI...143 18.1. Vrste kompozita...144 18.2. Materijali matriksa (matice)...145 18.2.1. Kompoziti sa metalnim matriksom (matice)...145 18.2.2. Kompoziti sa keramičkim matriksom (maticom)...145 18.2.3. Ostale vrste kompozita...146 18.3. Laminati...146 18.3.1. Naponi u unakrsno složenom laminatu...147 18.3.2. Van-osno opterećenje ploče...147 18.3.3. Ploče sa orjentiranim vlaknima - OSB ploče...148 18.4. Tvrdi metali...150 19. PREMAZI ZA ZAŠTITU OD KOROZIJE...157 19.1. Korozija metalnih materijala...157 19.2. Vrste korozije...158 19.2.1. Ravnomjerna korozija...158 19.2.2. Intergranularna korozija...159 19.2.3. Korozija erozijom...159 19.2.4. Piting (tačkasta ili rupičasta) korozija...161 19.2.5. Koroziono pucanje metala i legura...161 19.3. Premazi za antikorozivnu zaštitu metalnih konstrukcija...162 20. PREMAZI ZA ZAŠTITU ČELIČNIH KONSTRUKCIJA OD POŽARA...165 20.1. Osnovni principi djelovanja i zahtjevi za protivpožarne premaze...165 20.1.1. Izolacija (standardi i propisi)...165 LITERATURA...169